DE102005025911A1

DE102005025911A1 - Brennstoffzellenanordnungen mit verbesserter Medienzufuhr

Info

Publication number: DE102005025911A1
Application number: DE102005025911A
Authority: DE
Inventors: Hans Gerhard Dr. Müller; Oliver Dipl.-Chem. Niemzig
Original assignee: P21 - POWER FOR 21ST CENTURY GmbH; P21 Power for the 21st Century GmbH
Current assignee: P21 - POWER FOR 21ST CENTURY GmbH; P21 Power for the 21st Century GmbH
Priority date: 2005-06-06
Filing date: 2005-06-06
Publication date: 2006-12-07

Abstract

Es wird eine Brennstoffzellenanordnung beschrieben, die eine Zufuhrplatte (1) mit Medienkanälen (2) und dazwischen liegenden Stegen (3), eine auf den Stegen (3) aufliegende Membranstruktur, die zumindest eine ionenleitende Membran und eine Katalysatorschicht, die näher an der Zufuhrplatte (1) liegt als die ionenleitende Membran, umfasst, aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, dass zumindest im Bereich der Stege (3) Mikrokanäle (10) in allgemeiner Querrichtung zur Richtung der Medienkanäle (2) vorgesehen sind.

Description

Die vorliegende Erfindung ist auf Brennstoffzellenanordnungen mit verbesserter Medienzufuhr im Bereich von Kanalstegen gerichtet.
Brennstoffzellensysteme sind bereits seit langem bekannt und haben in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen. Ähnlich wie Batteriesysteme erzeugen Brennstoffzellen elektrische Energie auf chemischem Weg durch eine Redoxreaktion von Wasserstoff und Sauerstoff, wobei die einzelnen Reaktanten kontinuierlich zugeführt und die Reaktionsprodukte kontinuierlich abgeführt werden.
Bei einer Brennstoffzelle werden die zwischen elektrisch neutralen Molekülen oder Atomen ablaufenden Oxidations- und Reduktionsprozesse in der Regel über einen Elektrolyten räumlich getrennt. Eine Brennstoffzelle besteht grundsätzlich aus einem Anodenteil, an den ein Kraftstoff zugeführt wird. Weiterhin weist die Brennstoffzelle einen Kathodenteil auf, an dem ein Oxidationsmittel zugeführt wird. Räumlich getrennt sind der Anoden- und Kathodenteil durch den Elektrolyten. Bei einem derartigen Elektrolyten kann es sich beispielsweise um eine Membran handeln. Solche Membranen haben die Fähigkeit, Ionen durchzuleiten, Gase jedoch zurückzuhalten. Die bei der Oxidation abgegebenen Elektronen werden nicht lokal von Atom zu Atom übertragen, sondern als elektrischer Strom durch einen Verbraucher geleitet.
Als gasförmiger Reaktionspartner für die Brennstoffzelle können beispielsweise Wasserstoff als Kraftstoff und Sauerstoff beziehungsweise Luft als Oxidationsmittel im Kathodenteil verwendet werden.
Ein Brennstoffzellensystem besteht in der Regel aus mehreren Brennstoffzellen, die beispielsweise wiederum aus einzelnen Schichten gebildet sein können. Die Brennstoffzellen sind vorzugsweise hintereinander angeordnet, beispielsweise sandwichartig übereinander gestapelt. Ein derart ausgebildetes Brennstoffzellensystem wird dann als Brennstoffzellenstapel beziehungsweise Brennstoffzellenstack bezeichnet.
Die einzelne Brennstoffzelle weist im allgemeinen eine Anordnung auf, bei der auf einer mit Medienzuführkanälen versehenen Zufuhrplatte eine Gasdiffusionslage oder -schicht aufliegt, die der Verteilung der Medien (Kraftstoff, Sauerstoff) zu einer angrenzenden Katalysatorschicht dient, die von der Membran überlagert ist. Auf der anderen Seite der Membran wiederholt sich diese Schichtenabfolge in umgekehrter Reihenfolge.
Um die Medien den Katalysatorschichten und der Gasdiffusionslage zuzuführen, und um die Reaktionsprodukte abzuführen, sind im allgemeinen die mit Kanälen versehenen Zufuhrplatten mit der Gasdiffusionslage verbunden beziehungsweise in direktem Kontakt, wobei die Zufuhrplatten parallel laufende Kanäle mit dazwischen angeordneten Stegen aufweisen. Die Stege dienen dabei einerseits der Führung der Medienströme, andererseits der elektrischen Kontaktierung des Katalysators über die Gasdiffusionslage.
Im Bereich dieser Stege entsteht in der Gasdiffusionslage und an der Katalysatorschicht eine Zone ohne oder mit nur schlechter Medienversorgung, da die Reaktionsmedien nicht ausreichend durch die Gasdiffusionslage hindurch diffundieren. Diese Bereiche an den Stegen werden Totzonen genannt und verringern die Gesamtleistung des Brennstoffzellensystems.

Um diesem Effekt entgegenzuwirken, wird in der DE 199 58 405 A1 eine Strom- und Gasverteilerstruktur vorgeschlagen, in deren Elektroden-zugewandter Oberfläche feine Strukturen wie beispielsweise Säulenanordnungen oder Serpentinenkanäle eingearbeitet sind. Die Makrostruktur der Strom- und Gasverteilerstruktur besteht aus einzelnen Füßen in Kontakt mit den Elektroden, die vom Medium umströmt werden. Eine solche Anordnung berücksichtigt jedoch nicht die spezifischen Strömungsverhältnisse bei Verwendung eines in der Regel parallel verlaufenden Kanalsystems, das eione optimierte Strömungsführung bewirken soll.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenanordnung bereitzustellen, bei der die Stege zwischen benachbarten Kanälen nicht zur Ausbildung eines Totraums führen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Bereitstellung einer Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Details und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.

Die Erfindung ist auf eine Brennstoffzellenanordnung gerichtet, welche aufweist eine Zufuhrplatte mit Medienkanälen und dazwischen liegenden Stegen, eine auf den Stegen aufliegende Membranstruktur, die zumindest eine ionenleitende Membran und eine Katalysatorschicht, die näher an der Zufuhrplatte liegt als die ionenleitende Membran, umfasst. Die Brennstoffzellenanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich der Stege Mikrokanäle in allgemeiner Querrichtung zur Richtung der Medienkanäle vorgesehen sind.

Unter einer Brennstoffzellenanordnung ist hierbei eine Anordnung von Bauteilen in einem Basiselement einer Brennstoffzelle von einem Zufuhrbereich (flow field) bis zur, die Anordnung von einer anderen Brennstoffzellenanordnung trennenden, Membran zu verstehen.

Die Zufuhrplatte, auch als "Flowfield" bezeichnet, dient der Zufuhr von Medien, wie Kraftstoff oder Sauerstoff, sowie der Abfuhr des Reaktionsprodukts, wie Wasserdampf, und weist zu diesem Zwecke Medienkanäle auf, die meist parallel geführt sind und zwischen sich Stege aufweisen, die bis zu einer Membranstruktur reichen.

Die Membranstruktur umfasst eine ionenleitende Membran zum Durchtritt von Wasserstoffionen sowie eine Katalysatorschicht, an der die eigentlichen chemischen Reaktionen stattfinden. Die Membranstruktur kann des Weiteren eine Gasdiffusionslage zur Verteilung der Medien und Zuführung an die Katalysatorschicht umfassen. Die Anordnung der Elemente ist ionenleitende Membran, Katalysatorschicht, optional Gasdiffusionslage, Zufuhrplatte.

Die ionenleitende Membran, Katalysatorschicht und Gasdiffusionslage können jeweils im Stand der Technik vorbekannte Bauelemente üblicher Brennstoffzellen sein.

Erfindungsgemäß sind im Bereich der Stege Mikrokanäle vorgesehen. Unter einem Mikrokanal soll im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Kanal verstanden werden, der klein im Vergleich zu den Medienkanälen ist, beispielsweise von seinem Querschnitt her weniger als 10 %, vorzugsweise weniger 5 % der Querschnittsfläche der Medienkanäle der Brennstoffzellenanordnung aufweist.

Unter einer allgemeinen Querrichtung ist eine gerade oder gekrümmte Verlaufsform der Mikrokanäle zu verstehen, die sich eher von einem Medienkanal zu einem benachbarten Medienkanal erstreckt als parallel zu den Medienkanälen, und eine Tendenz zur möglichen Verbindung von benachbarten Medienkanälen zeigt.

Vorzugsweise sind die Mikrokanäle direkt in die Stege eingearbeitet. Dies kann mittels üblicher Mikrostrukturierungstechniken wie etwa Ätzen oder Laserbearbeitung erfolgen, oder durch Ausfräsen der Mikrokanäle in den Stegen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform reichen die Mikrokanäle durch die Stege von einem Medienkanal bis zum benachbarten Medienkanal hindurch. Auf diese Weise kann ein unmittelbarer Fluss von einem Medienkanal zu dem benachbarten Medienkanal stattfinden.

Alternativ sind die Mikrokanäle so ausgeführt, dass sie von einem Medienkanal in einen Steg hineinreichen und im Steg enden. Damit enden die Mikrokanäle tot im Steg, so dass es keine Durchmischung des Mediums mit in benachbarten Medienkanälen fließendem Medium gibt und bei Anliegen eines hinreichenden Überdrucks an den Medienkanälen eine Diffusion in die benachbarten Schichten, beispielsweise eine Katalysatorschicht oder eine Gasdiffusionslage verbessert werden kann.

Um die Versorgung der Kanalstege weiter zu verbessern, können – mit einem aus der fraktalen Geometrie angelehnten Ansatz- bei einer Ausführungsform der Erfindung in allgemeiner Querrichtung zu den Mikrokanälen von den Mikrokanälen weitere Mikrokanäle zweiter Ordnung mit kleinerem Querschnitt als die Mikrokanäle abzweigen. Es ergibt sich damit eine Hierarchie von Medienkanälen, Mikrokanälen und Mikrokanälen zweiter Ordnung.

Vorzugsweise sind die Medienkanäle abwechselnd an zumindest zwei Medienzuführvorrichtungen mit unterschiedlichem Mediendruck angeschlossen, um einen Medienstrom von den Medienkanälen mit hohem Mediendruck durch die Mikrokanäle zu den Medienkanälen mit niedrigerem Mediendruck zu bewirken. Durch diese erfindungsgemäße Anordnung wird eine Zwangsdurchführung der Medien durch die Mikrokanäle und damit eine besonders effiziente Durchströmung der Mikrokanäle erzielt.

Alternativ oder zusätzlich können die Medienkanäle so ausgeführt sein, dass abwechselnd unterschiedlich große Strömungswiderstände in den Medienkanälen vorherrschen, um einen Medienstrom von den Medienkanälen mit höherem Strömungswiderstand durch die Mikrokanäle zu den Medienkanälen mit niedrigerem Strömungswiderstand zu bewirken. Von der Wirkung her ähnelt diese Ausführungsform der erstgenannten, da auch hierdurch unterschiedliche Drücke in den benachbarten Medienkanälen herrschen, allerdings ist hier kein unterschiedlicherer Druck am Eingang der benachbarten Medienkanäle notwendig, sondern dieser wird vielmehr intern durch die spezifischen Strömungsverhältnisse erst aufgebaut.

Ein solcher Unterschied im Strömungswiderstand kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass an den Medienkanälen unterschiedlich große Einlässe und Auslässe vorgesehen sind, die zur Erzeugung unterschiedlicher Strömungswiderstände in den benachbarten Medienkanälen bestimmt sind. Wenn ein großer Einlass und ein kleiner Auslass vorgesehen sind, entsteht ein größerer Druck innerhalb eines solchen Medienkanals als dann, wenn ein kleiner Einlass, jedoch ein großer Auslass vorgesehen sind. Mithin erfolgt in einem solchen Fall ein Strom von dem Medienkanal mit kleinem Auslass durch die Mikrokanäle hin zum Medienkanal mit größerem Auslass.

Alternativ können die Medienkanäle abwechselnd keinen Einlass und keinen Auslass aufweisen, so dass das Medium die Mikrokanäle von den Medienkanälen ohne Auslass zu den Medienkanälen ohne Einlass durchströmen muss.

Die Membranstruktur kann erfindungsgemäß eine Gasdiffusionslage zwischen der Katalysatorschicht und der Zufuhrplatte aufweisen. Bedingt durch die verbesserte Unterströmung im Bereich der Stege und die Vermeidung des Totraums kann eine solche Gasdiffusionslage allerdings in der Regel wesentlich dünner ausgeführt sein als bei vorbekannten Brennstoffzellenanordnungen. Je nach Einzelfall kann es sogar möglich sein, ohne Effizienzverlust die Gasdiffusionslage vollständig wegzulassen, was den Aufbau vereinfacht und damit die Fertigungskosten der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung senkt.

Wie oben ausgeführt, können die Mikrokanäle in den Steg eingearbeitet sein. Es ist jedoch alternativ (oder zusätzlich) ebenfalls möglich, eine Zwischenschicht vorzusehen, die mit im allgemeinen in Querrichtung zu den Medienkanälen verlaufenden Mikrokanälen versehen sind, wobei die Zwischenschicht zwischen der Zufuhrplatte und der Katalysatorschicht beziehungsweise der Gasdiffusionslage angeordnet ist.

Um eine möglichst gleichmäßige Diffusion der Medien von der Zufuhrplatte hin zur Katalysatorschicht zu erreichen und den problematischen Totraum zu eliminieren, wird es bevorzugt, dass kein Punkt auf der Kontaktfläche der Stege zur Membranstruktur weiter als 20 % der Stegbreite von einem nächstgelegenen Mikrokanal entfernt ist. Vorzugsweise beträgt der Abstand aller Punkte auf der Kontaktfläche zum nächsten Mikrokanal weniger als 10 % der Stegbreite.

Vorzugsweise weisen die Mikrokanäle eine Breite von 50 bis 200 μm auf. Die Tiefe kann ebenfalls variieren und im Bereich der Breite liegen, wobei sowohl tendenziell flachere als auch tendenziell tiefere Mikrokanäle möglich sind.

Um den Strom des Mediums durch die Mikrokanäle weiter zu fördern, kann bevorzugt werden, die Mikrokanäle schräg zu den Kanälen anzuordnen. Auf diese Weise kann der Ein- und Ausstrom durch zusätzliche Berücksichtigung des Medienstroms im Medienkanal in den Mikrokanal optimiert werden.

Die Mikrokanäle können beispielsweise in einer allgemeinen S-Form ausgeführt sein. Um eine möglichst starke Durchströmung der Mikrokanäle zu erzielen, wird bevorzugt, dass die Mikrokanäle an den Kanälen höheren Drucks zur Strömungsrichtung des Mediums hin gewinkelt geöffnet sind, sich durch die Stege erstrecken und an den Kanälen niedrigeren Drucks von der Strömungsrichtung des Mediums weg gewinkelt geöffnet sind. Damit kann erzielt werden, dass beim Kanal höheren Drucks das Eintreten des Mediums in den Mikrokanal durch Strömungsoptimierung verbessert wird, während es im Medienkanal niedrigeren Drucks durch den dort zusätzlich entstehenden Venturi-Effekt auf den Mikrokanal angesaugt wird.

Nachstehend soll die Erfindung anhand konkretisierter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen folgendes dargestellt ist:
1 zeigt eine Brennstoffzellenanordnung des Stands der Technik;
2 zeigt in Aufsicht einen Steg einer Brennstoffzellenanordnung gemäß der Erfindung;
3 zeigt im Querschnitt den in 2 gezeigten mit Mikrokanälen versehenen Steg stärker vergrößert;
4 zeigt in Aufsicht die Strömungsverhältnisse zweier benachbarter Medienkanäle mit einem dazwischen liegendem Steg mit Mikrokanälen;
5 zeigt in Aufsicht (oben) und im Querschnitt eine weitere Ausführungsform einer Brennstoffzellenanordnung gemäß der Erfindung, bei der eine Zwischenschicht die Mikrokanäle enthält; und
6 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung mit Mikrokanälen zweiter Ordnung in einer Aufsicht.
1 zeigt eine vorbekannte Brennstoffzellenanordnung mit einer Zufuhrplatte bzw. einem "Flowfield" 1, die Medienkanäle 2 und zwischen diesen angeordnete, parallel laufende Stege 3 auf einer Grundplatte 4 umfasst. Auf der Zufuhrplatte angeordnet ist eine Membranstruktur 5, die im abgebildeten Beispiel aus einer ionenleitenden Membran 6, einer Katalysatorschicht 7 und einer Gasdiffusionslage 8 besteht. In Kreuz-Schraffur eingezeichnet sind Bereiche 9 der Gasdiffusionslage 8 oberhalb der Stege 3, die einer Diffusion von Medium durch die Gasdiffusionslage 8 schlecht zugänglich sind, da sie von den Stegen 3 unterlagert sind, und die daher als Totzonen bezeichnet werden. Die Erfindung zielt auf die Eliminierung dieser Totzonen 9 ab. Derzeit und wie im Stand der Technik bekannt, werden Flowfields eingesetzt, bei denen die Gasverteilung durch Kanäle erfolgt, die durch Stege voneinander abgegrenzt sind. Die Stege sind in ihrer Breite so zu dimensionieren, dass eine hinreichend gute mechanische Abstützung der Membranstruktur und eine gute elektrische Anbindung der Katalysatorschichten an Anode und Kathode erfolgt.
Um die Totzonen zu vermeiden, wird erfindungsgemäß durch zusätzliche Kanäle, die Mikrokanäle, auf den Stegen auch Reaktionsmedium über den Stegen verteilt und kann von hier aus durch die Gasdiffusionslage an die Katalysatorschicht oder direkt an die Katalysatorschicht diffundieren. Um den elektrischen und mechanischen Kontakt nicht zu stark zu vermindern, sollten jedoch diese Kanäle nur sehr klein sein, weshalb die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung mit Kanal-Mikrostrukturen realisiert wird.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Stegs 3 zwischen zwei Medienkanälen 2, der mit parallel angeordneten Mikrokanälen 10 in Querrichtung zum Medienstrom (Pfeile) versehen ist. Bei der gegebenen Ausführungsform ist der obere Medienkanal 2 an seinem Ausgang verschlossen, während der untere Medienkanal 2 an seinem Eingang verschlossen ist. Dies führt zu einer effizienten Durchströmung der Mikrokanäle 10 des Stegs 3.
3 zeigt im Querschnitt einen vergrößerten Ausschnitt des Stegs der 2 mit den Mikrokanälen 10 und den zwischen ihnen befindlichen Mikrostegen 11.
4 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Konzentrationsverteilung für ein "interdigitales" Flowfield (mit Mikrokanälen oder ohne) durch Druckdifferenz in den Kanälen optimiert wird. 4 zeigt die Strömungsführung bei Sicht auf zwei Kanäle 2, 2 und den dazwischen liegenden Steg 3 mit optimierten Strömungswiderständen und einem Gefälle von links nach rechts, wie aus den Pfeilen für das Medium zu entnehmen ist. Wie ersichtlich, ist der Einlass im linken Kanal 2 größer als der Auslass, so dass sich in diesem Kanal ein Druck aufbaut, während im rechten Kanal 2 der Auslass größer ist als der Einlass, so dass hier ein geringerer Druck aufgebaut wird, was im Ergebnis dazu führt, dass vom linken Kanal 2 Medium durch die Mikrokanäle 10 zum rechten Kanal 2 strömt. Damit können die Konzentrationen des Nutzgases im zweiten Kanal gezielt erhöht werden und dadurch der Wirkungsgrad verbessert werden. Der Druckabfall in den Mikrokanälen wird vermindert, da hier nur soviel Gas strömt, wie auch direkt vor Ort verbraucht werden soll.
In 5 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der die Mikrokanäle (nicht dargestellt) in einer Zwischenschicht 12 geführt werden. Die Medienkanäle 2 gehen komplett durch eine Stegschicht 13 mit Einzelstegen 3 hindurch und sind an der Membran abgewandten Seite mittels einer Abdeckung 14 verschlossen. Die Medienkanäle ragen in die Zwischenschicht 12 so hinein, dass sie in Kontakt mit den Mikrokanälen stehen, und damit einen Fluss aus den Medienkanälen in die Mikrokanäle ermöglichen. Durch diesen Zweischichtaufbau wird die einfache Kanalstruktur ersetzt durch eine Anordnung, bei der Gaszu- und -abführungen von der Gasverteilung am Katalysator getrennt werden. Zu den bereits genannten Vorteilen von Mikrokanälen treten hier die sehr gleichmäßige Stromverteilung über die Brennstoffzellenfläche durch eine homogenisierte Gasversorgung und damit ein optimaler Wirkungsgrad und minimierte Probleme mit der Membranfeuchtigkeit durch direkten Feuchteausgleich in der miniaturisierten Struktur hinzu. 5 zeigt im oberen Bereich die Verhältnisse des unteren Bereichs bei Aufsicht.
Ein weiterer zentraler Aspekt der Erfindung liegt in einer Ausgestaltung des Überström-Flowfields als fraktale Struktur gemäß 6a und b. Hier sind die Mikrokanäle 10 verzahnt ausgeführt, das heißt sie enden tot innerhalb des Steges 3, wobei jeweils abwechselnd Mikrokanäle 10 mit einem der beiden neben dem Steg 3 laufenden Medienkanäle 2 verbunden sind. Zudem sind auch die Medienkanäle 10 nicht durchgehend, sondern tot endend ausgeführt, so dass sich die verzahnte Anordnung der Medienkanäle 2 im Übertrömbereich wiederholt, das heißt, dass die Mikrokanäle 10 nicht durchgehen, sondern ebenfalls in einer Sackgasse enden. Optional können nun die Überstromstege dieses Unter-Flowfields ebenfalls als verzahnte Anordnung mit Mikrokanälen zweiter Ordnung 15 ausgeführt werden, wie dies im Detail der 6b gezeigt ist. Der zentrale Vorteil einer solchen fraktalen Struktur ist eine besonders gleichmäßige Einbringung der Reaktionspartner in die Gasdiffusionslage 8 oder die Katalysatorschicht 7 unter Erhalt der verzahnten Anordnung. Im Vergleich zu einer konventionellen verzahnten Anordnung der Medienkanäle ohne zusätzliche Überströmkanäle ist in diesem Fall eine deutlich bessere Gleichverteilung in der Gasdiffusionslage 8 zu erwarten. Die Grenzen einer solchen fraktalen Strukturierung, das heißt die Bereitstellung von Mikrokanälen dritter, vierter und so weiter Ordnung werden durch die Möglichkeiten des jeweiligen Fertigungsverfahrens aufgezeigt. Bei einer genügend feinen Ausgestaltung der Mikrostruktur und nicht zu breiten Medienkanälen kann auch in diesem Beispiel einer erfindungsgemäßen Ausführungsform auf eine Gasdiffusionslage komplett verzichtet werden.
Mit der vorliegenden Erfindung für ein "interdigitales" Flowfield" wird der Transport unter den Stegen durch optimierte Mikrokanäle gewährleistet. Der wesentliche Transport unter den Stegen erfolgt nicht durch Diffusion, sondern durch Strömung. Dadurch ist eine bessere Gasversorgung der Fläche insbesondere bei hohen Stromdichten gewährleistet. Die Gasdiffusionslage kann sehr viel dünner ausgestaltet werden, was zusätzlich jeweils zu einer geringen Diffusionshemmung führt.

1: Zufuhrplatte
2: Medienkanal
3: Steg
4: Grundplatte
5: Membranstruktur
6: Membran
7: Katalysatorschicht
8: Gasdiffusionslage
9: Totzone
10: Mikrokanal
11: Mikrosteg
12: Zwischenschicht
13: Stegschicht
14: Abdeckung
15: Mikrokanal zweiter Ordnung

Claims

Brennstoffzellenanordnung, aufweisend eine Zufuhrplatte (1) mit Medienkanälen (2) und dazwischen liegenden Stegen (3), eine auf den Stegen (3) aufliegende Membranstruktur (5), die zumindest eine ionenleitende Membran (6) und eine Katalysatorschicht (7), die näher an der Zufuhrplatte (1) liegt als die ionenleitende Membran (6), umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich der Stege (3) Mikrokanäle (10) in allgemeiner Querrichtung zur Richtung der Medienkanäle (2) vorgesehen sind.
Brennstoffzellenanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (10) in die Stege (3) eingearbeitet sind.
Brennstoffzellenanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (10) durch die Stege (3) von einem Medienkanal (2) bis zum benachbarten Medienkanal (2) hindurchreichen.
Brennstoffzellenanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (10) von einem Medienkanal (2) in einen Steg (3) hineinreichen und im Steg (3) enden.
Brennstoffzellenanordnung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (10) abwechselnd von beiden angrenzenden Medienkanälen (2) in einen Steg (3) hineinreichen und jeweils im Steg (3) enden.
Brennstoffzellenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in allgemeiner Querrichtung zu den Mikrokanälen (10) von den Mikrokanälen (10) weitere Mikrokanäle (15) zweiter Ordnung mit kleinerem Querschnitt als die Mikrokanäle (10) abzweigen.
Brennstoffzellenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienkanäle (2) abwechselnd an zumindest zwei Medienzuführvorrichtungen mit unterschiedlichem Mediendruck angeschlossen sind, um einen Medienstrom von den Medienkanälen (2) mit höherem Mediendruck durch die Mikrokanäle (10) zu den Medienkanälen (2) mit niedrigerem Mediendruck zu bewirken.
Brennstoffzellenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienkanäle (2) so ausgeführt sind, dass abwechselnd unterschiedliche große Strömungswiderstände in den Medienkanäle (2) vorherrschen, um einen Medienstrom von den Medienkanälen (2) mit höherem Strömungswiderstand durch die Mikrokanäle (10) zu den Medienkanälen (2) mit niedrigerem Strömungswiderstand zu bewirken.
Brennstoffzellenanordnung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an den Medienkanälen (2) unterschiedlich große Einlässe und Auslässe vorgesehen sind, die zur Erzeugung unterschiedlicher Strömungswiderstände in den benachbarten Medienkanälen (2) bestimmt sind.
Brennstoffzellenanordnung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienkanäle (2) abwechselnd keinen Einlass und keinen Auslass aufweisen, so dass das Medium die Mikrokanäle (10) von den Medienkanälen (2) ohne Auslass zu den Medienkanälen (2) ohne Einlass durchströmen muss.
Brennstoffzellenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranstruktur (5) eine Gasdiffusionslage (8) zwischen der Katalysatorschicht (7) und der Zufuhrplatte (1) aufweist.
Brennstoffzellenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (10) in eine Zwischenschicht zwischen der Zufuhrplatte (1) und der Katalysatorschicht (7) beziehungsweise der Gasdiffusionslage (8) eingearbeitet sind.
Brennstoffzellenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass kein Punkt auf der Kontaktfläche der Stege (3) zur Membranstruktur (5) weiter als 20 % der Stegbreite von einem nächstgelegenen Mikrokanal (10) entfernt ist.
Brennstoffzellenanordnung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass kein Punkt auf der Kontaktfläche der Stege (3) zur Membranstruktur (5) weiter als 10 % der Stegbreite von einem nächstgelegenen Mikrokanal (10) entfernt ist.
Brennstoffzellenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (10) eine Breite von 50 bis 200 Mikrometer aufweisen.
Brennstoffzellenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (10) schräg zu den Medienkanälen (2) angeordnet sind.
Brennstoffzellenanordnung gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (10) in einer allgemeinen S-Form ausgeführt sind.
Brennstoffzellenanordnung gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (10) an Medienkanälen (2) höheren Drucks zur Strömungsrichtung des Mediums hin gewinkelt geöffnet sind, sich durch die Stege (3) erstrecken und an Medienkanälen (2) niedrigeren Drucks von der Strömungsrichtung des Mediums weg gewinkelt geöffnet sind.