DE102005037093B4

DE102005037093B4 - Brennstoffzelle mit Fluidführungskanälen mit sich gegenläufig ändernden Strömungsquerschnitten

Info

Publication number: DE102005037093B4
Application number: DE102005037093A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Felix (FH) Blank; Dr.-Ing. Heller Cosmas
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2005-08-03
Filing date: 2005-08-03
Publication date: 2013-06-27
Anticipated expiration: 2025-08-04
Also published as: DE102005037093A1

Abstract

Brennstoffzelle mit einer Separatorplatteneinheit, die ein Strömungsfeld mit zwei oder mehr Durchstrom-Fluidführungskanälen (Kanäle) aufweist, wobei benachbart auf der Separatorplatteneinheit angeordnete Kanäle des Strömungsfelds sich gegenläufig ändernde Strömungsquerschnitte aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Strömungsquerschnitt eines ersten Kanals in Strömungsrichtung vergrößert und sich der Strömungsquerschnitt eines zweiten, zum ersten Kanal benachbarten Kanals in Strömungsrichtung verkleinert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer Separatorplatteneinheit, die ein Strömungsfeld mit zwei oder mehr Durchstrom-Fluidführungskanälen aufweist, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle kann beispielsweise im Bereich der Erzeugung von elektrischem Strom für die Traktion und Bordnetzversorgung von Fahrzeugen gewerblich eingesetzt werden.
Der prinzipielle Aufbau einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (kurz: PEMFC; FC für fuel cell) ist wie folgt. Die PEMFC enthält eine Membran-Elektroden-Anordnung (kurz: MEA), die aus einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten Polymer-Elektrolyt-Membran (kurz: PEM) aufgebaut ist. Die MEA ist ihrerseits wiederum zwischen zwei Separatorplatteneinheiten angeordnet, wobei eine über der Anode angeordnete Separatorplatteneinheit Fluidführungskanäle für die Verteilung von Brennstoff aufweist und eine über der Kathode angeordnete Separatorplatteneinheit Fluidführungskanäle für die Verteilung von Oxidationsmittel und wobei diese Kanäle der MEA zugewandt sind.
Eine Separatorplatteneinheit weist üblicherweise Eingangs- und Ausgangsports auf, durch die hindurch der Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel in die Brennstoffzelle ein- und austreten. Ferner können Eingangs- und Ausgangsports für ein Kühlmittel vorgesehen sein. Die Eingangs- und Ausgangsports sind üblicherweise Durchbrechungen, die, bei Übereinanderstapelung mehrerer Brennstoffzellen, schacht- oder rohrartige Leitungen ergeben. Dabei sind Zuführungsleitungen solche Leitungen, die von den Eingangsports gebildet werden und durch die hindurch die Fluide jeweils auf die einzelnen Brennstoffzellen verteilt und in die dafür vorgesehenen Fluidführungskanäle eingespeist werden. Abführungsleitungen sind dagegen solche Leitungen, die von den Ausgangsports gebildet werden und in denen die aus den dafür vorgesehenen Fluidführungskanäle der einzelnen Brennstoffzellen austretenden Fluide jeweils gesammelt und abgeführt werden. Eine Separatorplatteneinheit kann weitere Bauteile aufweisen (z. B. Dichtungen, Stromabnehmerfähnchen usw.), auf die der Kürze halber aber nicht weiter eingegangen werden soll.
Die Fluidführungskanäle bilden den Anoden- bzw. Kathodenraum. Die Elektroden, Anode und Kathode, sind im Allgemeinen als Gasdiffusionselektroden (kurz: GDE) ausgebildet. Diese haben die Funktion, den bei der elektrochemischen Reaktion (z. B. 2H₂ + O₂ → 2H₂O) (kurz: Brennstoffzellenreaktion) erzeugten elektrischen Strom abzuleiten und die Reaktionsstoffe, Edukte und Produkte, hindurch diffundieren zu lassen. Eine GDE besteht aus wenigstens einer Gasdiffusionsschicht bzw. Gasdiffusionslage (kurz GDL) und einer Katalysatorschicht, die der PEM zugewandt ist und an der die elektrochemische Reaktion stattfindet.
Als Reaktionsstoffe werden ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel eingesetzt. Meist werden gasförmige Reaktionsstoffe (kurz: Reaktionsgase) eingesetzt, z. B. H₂ oder ein H₂-haltiges Gas (z. B. Reformatgas) als Brennstoff und O₂ oder ein O₂-haltiges Gas (z. B. Luft) als Oxidationsmittel. Unter Reaktionsstoffe werden alle an der elektrochemischen Reaktion teilnehmenden Stoffe verstanden, also auch die Reaktionsprodukte wie z. B. H₂O.
Eine derartige Brennstoffzelle kann bei relativ geringen Betriebstemperaturen elektrischen Strom mit hoher Leistung erzeugen. Reale Brennstoffzellen sind meist zu so genannten Brennstoffzellenstapeln (kurz: Stacks) gestapelt, um eine hohe Leistungsabgabe zu erzielen, wobei anstelle der monopolaren Separatorplatten bipolare Separatorplatten (kurz: Bipolarplatten) eingesetzt werden und monopolare Separatorplatten nur als Endplatten des Stacks. Die Separatorplatten können aus zwei oder mehr Teilplatten bestehen, die eine Einheit bilden und die deswegen „Separatorplatteneinheiten” genannt werden. Unter dem Begriff „Separatorplatteneinheit” sollen im Folgenden alle vorgenannten Platten und Platteneinheiten verstanden werden. Eine Separatorplatteneinheit kann demnach eine einzige Platte umfassen oder aus zwei oder mehr Teilplatten zusammengefügt sein.
Eine Aufgabe der Separatorplatteneinheit besteht darin, die Edukte für die Brennstoffzellenreaktion (Brennstoff bzw. Oxidationsmittel) auf der dafür vorgesehenen Seite der MEA entlang ihrer Oberfläche möglichst homogen zu verteilen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, die Produkte der Brennstoffzellenreaktion, insbesondere das Produktwasser, zu sammeln und möglichst effektiv zu entfernen. Dazu weist eine Separatorplatteneinheit, wie bereits oben angedeutet, üblicherweise eine Kanalstruktur auf, ein sog. Strömungsfeld. Im Stand der Technik sind unterschiedliche Auslegungen derartiger Strömungsfelder bekannt, z. B.:

a) Strömungsfelder mit linearen Fluidführungskanälen, die direkt mit einem Eingangs- und einem Ausgangsport verbunden sind (Durchstrom-Fluidführungskanäle);
b) Strömungsfelder mit serpentinen- oder mäanderförmigen Fluidführungskanälen, die direkt mit einem Eingangs- und einem Ausgangsport verbunden sind (Durchstrom-Fluidführungskanäle), wobei die Fluide bei a) und b) in benachbarten Kanälen im Gleich- oder Gegenstrom geführt sein können;
c) Strömungsfelder mit Zudosierungsbereich, wie sie beispielsweise in den Patentanmeldungen DE 103 46 594 A1 , DE 10 2004 058 117 A1 (nicht vorveröffentlicht) und DE 10 2005 035 098 A1 (nicht vorveröffentlicht) der Anmelderin offenbart sind. Mit derartigen Strömungsfeldern kann eine Homogenisierung der Konzentration der Edukte (insbesondere O₂) und der Produkte (insbesondere H₂O) der Brennstoffzellenreaktion in Strömungsrichtung (Richtung der Strömung des Fluids im betreffenden Fluidführungskanal) bewirkt werden;
d) Strömungsfelder mit ineinander greifenden Fluidführungskanälen (englisch: interdigitated flow field), bei denen ein Fluidführungskanal entweder mit einem Eingangsport oder einem Ausgangsport verbunden ist, sodass ein Fluidführungskanal mit Verbindung zu einem Eingangsport eine Sackgasse bildet und das darin geführte Fluid den Fluidführungskanal mit Verbindung zu einem Eingangsport verlassen und quer zur Strömungsrichtung durch die angrenzende GDL hindurch einen benachbarten Fluidführungskanal mit Verbindung zu einem Ausgangsport erreichen muss, um die Brennstoffzelle zu verlassen. Mit derartigen Strömungsfeldern kann eine Homogenisierung der Konzentration der Edukte (insbesondere O₂) und der Produkte (insbesondere H₂O) der Brennstoffzellenreaktion quer zur Strömungsrichtung des Fluids im betreffenden Fluidführungskanal bewirkt werden;
e) Hybrid-Strömungsfelder mit einer Kombination aus a), b) und/oder d).

In der deutschen Offenlegungschrift DE 100 54 444 A1 wird eine Separatorplatteneinheit für Brennstoffzellen beschrieben, die ein Strömungsfeld mit Durchstrom-Fluidführungskanälen aufweist. Es können mehrere mäanderförmige Fluidführungskanäle vorhanden sein, wobei sich der Strömungsquerschnitt aller Fluidführungskanäle in Strömungsrichtung vergrößert.
Die Patentanmeldung US 2004/0209152 A1 beschreibt eine Separatorplatteneinheit mit Strömungsfeldern, die das Prozessgas zu den Elektrodenoberflächen einer Brennstoffzelle transportieren. Die Strömungsfelder bestehen dabei aus Durchstrom-Fluidführungskanälen, die durch Stege voneinander getrennt sind. Der Verlauf der Strömungsquerschnitte ist bei allen dargestellten Fluidführungskanälen in Strömungsrichtung gleich und die Strömungsquerschnitte nehmen entlang der Fluidführungskanäle abwechselnd ab und zu und sind am Eingang und am Ausgang der Fluidführungskanäle jeweils gleich.
Die Idee des ineinander greifenden Strömungsfelds besteht darin, jeweils benachbarte Fluidführungskanäle abwechselnd nur zum Eingangsport hin oder zum Ausgangsport hin direkt zu öffnen. Der Effekt der dadurch entsteht ist, dass das Fluid (in der Regel ein gasförmiger Reaktionsstoff) zunächst annähernd ungehindert in das ineinander greifende Strömungsfeld einströmen, dieses aber am Ende des Fluidführungskanals nicht verlassen kann. Dadurch entsteht ein Überdruck der das Fluid unter den Stegen, durch die benachbarte Fluidführungskanäle getrennt sind, durch die GDL hindurch in die benachbarten Fluidführungskanäle drückt, die zum Ausgangsport hin offen sind. Dadurch kann die Verteilung des Fluids bzw. Reaktionsstoffs entlang der angrenzenden Oberfläche der MEA im Sinne einer Homogenisierung verbessert werden. Dadurch lässt sich die Leistung einer Brennstoffzelle verbessern, insbesondere bei hohen Stromdichten.
Während die Fluidverteilung unter den Stegen bei derartigen ineinander greifenden Strömungsfeldern verbessert ist, kann v. a. bei ineinander greifenden Srömungsfeldern mit serpentinenartig ausgebildeten Kanälen das Problem auftreten, dass bestimmte Bereiche der an das ineinander greifende Strömungsfeld angrenzenden MEA mit Fluid unterversorgt werden. Dieses Problem ist insbesondere auf sog. Gas-Kurzschlüsse zurückzuführen. Dabei wird das Fluid unter der Wirkung des erforderlichen hohen Drucks von einem Abschnitt eines Fluidführungskanals unter einem Steg hindurch in einen anderen Abschnitt desselben Fluidführungskanals gedrückt. Das Fluid nimmt gewissermaßen eine Abkürzung, wodurch bestimmte Bereiche der MEA unterversorgt werden, sodass sich die Leistung der Brennstoffzelle verschlechtert. Diesem Problem wird in der Patentanmeldung DE 101 97 105 T5 mit einem Hybridströmungsfeld begegnet, das sowohl Durchstrom-Fluidführungskanäle, als auch ineinander greifende Fluidführungskanäle aufweist, die den Durchstrom-Fluidführungskanäle strömungsmäßig nachgeschaltet sind.
Bei derartigen Hybridströmungsfeldern bleibt das Problem der nicht ausreichenden Entfernung von Wasser. So lässt es sich beim realen Betrieb derartiger Brennstoffzellen kaum vermeiden, dass in den Fluidführungskanälen flüssiges Wasser auftritt. Dadurch kommt es z. B. beim Start bei tiefen Temperaturen oder im Teillastbetrieb immer wieder zu Verstopfungen der Kanäle durch flüssiges oder sogar festes Wasser. D. h. flüssiges Wasser wird bei den bekannten ineinander greifenden und Hybridströmungsfeldern nicht oder nur schlecht aus der Brennstoffzelle abtransportiert. Im Gegensatz zu einer Brennstoffzelle mit Durchstrom-Fluidführungskanälen, die in allen ihren Abschnitten voll durchströmbar sind, ist die Strömung in den ineinander greifenden Fluidführungskanälen im Allgemeinen sehr gering. Dadurch werden Wassertropfen nicht weiter transportiert. Durch die GDL hindurch wird flüssiges Wasser auch nicht oder kaum abtransportiert da dazu ein deutlich höherer Druck nötig wäre. Die Folge ist, dass Teile eines ineinander greifenden oder Hybridströmungsfelds bei größerem Anfall an flüssigem Wasser nicht mehr versorgt und auch nicht einfach wieder vom flüssigen Wasser befreit werden können (Frei- oder Ausblasen). Dies zeigt sich u. a. in einer erhöhten Stöchiometriesensibilität derartiger Brennstoffzellen und an einer schlechtere Leistung im Niedertemperaturbereich. Ferner ist der verbesserte Stofftransport bei ineinander greifenden und Hybridströmungsfeldern nur quer zur Strömungsrichtung wirksam und nicht längs dazu, sodass längs der Strömungsrichtung z. B. der Gradient der Wasserdampfkonzentration verhältnismäßig groß ist.
Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzelle zu schaffen, bei der einerseits die Verteilung der Edukte der Brennstoffzellenreaktion, insbesondere des Oxidationsmittels, im Sinne einer Homogenisierung verbessert ist, und bei der andererseits die Entfernung der Reaktionsprodukte, insbesondere des Produktwassers, verbessert ist.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen definierten Gegenstände gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend eine Brennstoffzelle mit einer Separatorplatteneinheit, die ein Strömungsfeld mit zwei oder mehr Durchstrom-Fluidführungskanälen (kurz: Kanäle) aufweist. Benachbart auf der Separatorplatteneinheit angeordnete Kanäle des Strömungsfelds weisen sich gegenläufig ändernde Strömungsquerschnitte auf. Erfindungsgemäß vergrößert sich der Strömungsquerschnitt eines ersten Kanals in Strömungsrichtung und verkleinert sich der Strömungsquerschnitt eines zweiten, zum ersten Kanal benachbarten Kanals in Strömungsrichtung.
Benachbarte Kanäle des Strömungsfelds sind dabei durch Stege voneinander beabstandet.
Der Begriff „gegenläufig” wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung wie folgt verstanden. Vergrößert sich der Strömungsquerschnitt eines Kanals im Bereich seines Eingangs, dann verkleinert sich der Strömungsquerschnitt des oder der benachbarten Kanäle im Bereich seines Ausgangs. Benachbarte Kanäle können daher hinsichtlich ihrer Strömungsquerschnitte beispielsweise durch eine C2-Symmetrieoperation (Drehung um 180°) aufeinander abgebildet werden.
Durch die gegenläufige Änderung der Strömungsquerschnitte ergeben sich in benachbarten Kanälen unterschiedliche Druckverluste oder anders ausgedrückt: Zwischen benachbarten Kanälen stellen sich lokale Druckdifferenzen ein, die bewirken, dass das Fluid von einem Kanal, unter den Stegen durch die GDL hindurch in einen benachbarten Kanal gezwungen wird, ähnlich wie bei ineinander greifenden Fluidführungskanälen. Anders als bei ineinander greifenden Fluidführungskanälen und ähnlich wie bei Durchstrom-Fluidführungskanälen sind jedoch die Kanäle bei dem Strömungsfeld der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle an ihren Enden offen, sodass nur ein Teil des Fluids unter den Stegen hindurch strömt, während der andere Teil die Kanäle entlang strömt und sie an deren offenen Ende über einen Ausgangsport verlässt.
Dadurch wird ein zu dem in DE 101 97 105 T5 offenbarten Hybridströmungsfeld alternatives Hybridströmungsfeld geschaffen, das sowohl Vorteile von Strömungsfeldern mit Durchstrom-Fluidführungskanälen besitzt, als auch die Vorteile von Strömungsfeldern mit ineinander greifenden Fluidführungskanälen. So wird z. B. sowohl die Versorgung der MEA-Bereiche unter den Stegen mit Reaktionsstoffen verbessert als auch anfallendes flüssiges Wasser abtransportiert. Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ist somit einerseits die Verteilung der Edukte der Brennstoffzellenreaktion, insbesondere des Oxidationsmittels, im Sinne einer Homogenisierung verbessert, und andererseits die Entfernung der Reaktionsprodukte, insbesondere des Produktwassers, verbessert.
Dadurch, dass sich der Strömungsquerschnitt eines ersten Kanals in Strömungsrichtung vergrößert und sich der Strömungsquerschnitt eines zweiten, zum ersten Kanal benachbarten Kanals in Strömungsrichtung verkleinert, wird eine Querströmung (Strömung quer zur Strömungsrichtung des Fluids im Kanal) vom zweiten, sich verengenden Kanal zum benachbarten ersten, sich verbreiterten Kanal bewirkt.
Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn der erste Kanal an seinem Eingang mit etwa 10 bis 33% des Strömungsquerschnitts an seinem Ausgang (100%) beginnt, wobei sich sein Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung vergrößert, und gegenläufig dazu der zweite Kanal an seinem Eingang mit dem Strömungsquerschnitt des ersten Kanals an dessen Ausgang (100%) beginnt und sich sein Strömungsquerschnitt dann in Strömungsrichtung verkleinert, bis der Strömungsquerschnitt an seinem Ausgang nur noch 10 bis 33% beträgt.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ändern sich die Strömungsquerschnitte der Kanäle diskontinuierlich. Das bedeutet vorzugsweise, dass sich die Strömungsquerschnitte stufenartig oder schrittweise ändern. Eine diskontinuierliche Änderung der Strömungsquerschnitte kann so realisiert werden, dass die Separatorplatteneinheit eine homogene Dicke aufweist. Dies hat bei der Stapelung erfindungsgemäßer Brennstoffzellen zu einem Stack Vorteile.
Bei einer Weiterbildung vergrößert sich der Strömungsquerschnitt des ersten Kanals im Bereich seines Eingangs einmal stufig und verkleinert sich der Strömungsquerschnitt des benachbarten, zweiten Kanals im Bereich seines Ausgangs einmal stufig, was besonders einfach zu realisieren ist.
Bei einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ändern sich die Strömungsquerschnitte der Kanäle kontinuierlich. Eine kontinuierliche Änderung der Strömungsquerschnitte hat den Vorteil, dass homogene Strömungsverhältnisse in den Fluidführungskanälen realisiert werden können, weil die lokalen Volumenströme und die jeweiligen lokalen Strömungsquerschnitte ausgeglichen sind und deswegen im Wesentlichen gleiche Strömungsgeschwindigkeiten in einem Fluidführungskanal vorliegen.
Bei einer Weiterbildung vergrößert sich der Strömungsquerschnitt des ersten Kanals kontinuierlich und verkleinert sich der Strömungsquerschnitt des benachbarten, zweiten Kanals kontinuierlich, was besonders einfach zu realisieren ist.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn sich die Strömungsquerschnitte der Kanäle linear ändern.
Bei einer Varianten weist ein erster Kanal mit sich in Strömungsrichtung kontinuierlich vergrößerndem Strömungsquerschnitt im Bereich seines Ausgangs einen Zwischensteg auf, durch den der Kanal in Strömungsrichtung in zwei Arme (oder Teilkanäle) aufgeteilt ist, wobei ein benachbarter, zweiter Kanal mit sich in Strömungsrichtung kontinuierlich verkleinerndem Strömungsquerschnitt im Bereich seines Eingangs einen Zwischensteg aufweist, durch den zwei Arme (oder Teilkanäle) des Kanals getrennt sind und in Strömungsrichtung zusammengeführt werden. Die Zwischenstege werden zwar nicht unterströmt, durch die Einführung der Zwischenstege ist es aber möglich, die Strömungsquerschnittsänderung durch Verbreiterung der Kanäle größer ausfallen zu lassen. Dies ist vor allem für sehr flache Separatorplatteneinheiten, wie z. B. metallische Bipolarplatten, von Vorteil, um die Dicke der Separatorplatteneinheiten möglichst gering zu halten.
Dabei ist es auch denkbar, dass sich der Strömungsquerschnitt des ersten Kanals kontinuierlich ändert und der Strömungsquerschnitt des benachbarten, zweiten Kanals diskontinuierlich.
Bei noch einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ist die Änderung der Strömungsquerschnitte der Kanäle so ausgelegt, dass in der Brennstoffzelle anfallendes flüssiges Wasser zur Entfernung aus der Brennstoffzelle bei bestimmungsgemäßem Betrieb und bestimmungsgemäßer Anordnung der Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem an keiner Stelle der Kanäle entgegen der Richtung der Schwerkraft bewegt werden muss. Dadurch kann die Austragung von flüssigem Wasser aus der Brennstoffzelle erheblich erleichtert werden.
Bei noch einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle weist zumindest einer von zwei benachbarten Kanälen, vorzugsweise der Kanal mit sich in Strömungsrichtung vergrößerndem Strömungsquerschnitt, einen Zudosierungsraum für die Zudosierung eines Reaktionsstoffs auf, wobei der Kanal und der Zudosierungsraum über zumindest eine Zudosierungsstelle miteinander fluidisch verbunden sind. Kanäle mit angrenzendem Zudosierungsraum sind beispielsweise in den Patentanmeldungen DE 10 2004 058 117 A1 (nicht vorveröffentlicht) und DE 10 2005 035 098 A1 (nicht vorveröffentlicht) der Anmelderin offenbart. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass mit ihr die Konzentrationsverläufe für die Edukte der Brennstoffzellenreaktion, insbesondere O₂, und deren Produkte, insbesondere H₂O, in zweifacher Hinsicht homogenisiert werden können. Durch die Zudosierung ergibt sich eine Homogenisierung in Strömungsrichtung der Fluide in den Kanälen und durch das Hybridströmungsfeld und die damit erzwungene Querströmung der Fluide unter den Stegen hindurch ein Homogenisierung quer zur Strömungsrichtung der Fluide in den Kanälen. Die Leistung einer Brennstoffzelle lässt sich dadurch in besonderem Maße verbessern.
Die Erfindung wird nachfolgend genauer erklärt. Dazu sind in den Figuren konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigen
1 Draufsicht auf eine Separatorplatteneinheit mit Durchstrom-Strömungsfeld einer herkömmlichen Brennstoffzelle;
2 Draufsicht auf eine Separatorplatteneinheit mit ineinander greifendem Strömungsfeld einer herkömmlichen Brennstoffzelle;
3 Draufsicht auf einen Ausschnitt aus einer Separatorplatteneinheit mit Hybridströmungsfeld einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle;
4 Draufsicht auf einen Ausschnitt aus einer Separatorplatteneinheit mit einer Variante eines Hybridströmungsfelds einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle;
5 Draufsicht auf einen Ausschnitt aus einer Separatorplatteneinheit mit einer anderen Variante eines Hybridströmungsfeld einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle;
6 Draufsicht auf einen Ausschnitt aus einer Separatorplatteneinheit mit einer weiteren Variante eines Hybridströmungsfeld einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle;
7 Draufsicht auf einen Ausschnitt aus einer Separatorplatteneinheit mit noch einer weiteren Variante eines Hybridströmungsfeld einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle;
8 Draufsicht auf einen Ausschnitt aus einer Separatorplatteneinheit mit einer Variante eines Hybridströmungsfeld mit Zudosierung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle
9 O₂-Partialdrücke in herkömmlichen Brennstoffzellen;
10 O₂-Partialdrücke in erfindungsgemäßen Brennstoffzellen,
wobei nur die für das Verständnis der Erfindung erforderlichen Merkmale eingehender erklärt sind.
1 zeigt die Draufsicht auf eine herkömmliche Separatorplatteneinheit (1). Die Separatorplatteneinheit (1) weist drei Eingangsports auf, darunter einen Eingangsport (2) für Luft als Oxidationsmittel, sowie drei Ausgangsports, darunter einen Ausgangsport (3) für die durch die Brennstoffzellenreaktion abgereicherte Luft. Die Separatorplatteneinheit (1) weist ferner ein Strömungsfeld (4) auf, das durch elf Durchstrom-Fluidführungskanäle (5, 5') (kurz: Kanäle (5, 5')), von denen der Übersichtlichkeit halber stellvertretend für alle nur zwei benachbarte Kanäle bezeichnet, gebildet ist. Die Kanäle (5, 5') sind sowohl mit dem Eingangsport (2) als auch mit dem Ausgangsport (3) direkt fluidisch verbunden. Die Separatorplatteneinheit (1) kann weitere Bauteile aufweisen, die dem Fachmann prinzipiell bekannt sind, die an dieser Stelle aber der Kürze halber aber nicht weiter erläutert sind.
2 zeigt die Draufsicht auf einen Ausschnitt einer anderen herkömmlichen Separatorplatteneinheit (6). Die Separatorplatteneinheit (6) weist nur zwei Eingangs- und Ausgangsports auf, darunter einen Eingangsport (2) und einen Ausgangsport (3) für Luft. Die Separatorplatteneinheit (6) weist ferner ein ineinander greifendes Strömungsfeld (7) (interdigitated flow field) auf, das durch zwei ineinander greifende Fluidführungskanäle (8, 8') (kurz: Kanäle (8, 8')) gebildet ist. Kanal (8) ist nur mit dem Eingangsport (2) direkt fluidisch verbunden, Kanal (8') nur mit dem Ausgangsport (3), sodass die in Kanal (8) geführte Luft durch die an die Separatorplatteneinheit (6) angrenzende GDL der MEA hindurch zu Kanal (8') strömen muss, um die Brennstoffzelle zu verlassen, wenn die Separatorplatteneinheit (6) in eine Brennstoffzelle eingebaut ist und die Brennstoffzelle bestimmungsgemäß betrieben wird (nicht dargestellt).
3 zeigt einen Ausschnitt aus einer Separatorplatteneinheit mit einem Hybridströmungsfeld einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle. Die Separatorplatteneinheit ist prinzipiell gleich aufgebaut wie die Separatorplatteneinheit (1) aus 1, mit den nachfolgend erläuterten Unterschieden. Es sind zwei benachbarte Durchstrom-Fluidführungskanäle (5, 5') dargestellt, deren Strömungsquerschnitte (9.1, 9.2; 9.1', 9.2') (hier in der Projektion vereinfacht als Kanalbreite dargestellt) sich gegenläufig ändern. Dabei weist der erste Kanal (5) in seinem Eingangsbereich (10) einen kleinen Strömungsquerschnitt (9.1) auf und in seinem, in Strömungsrichtung (Pfeil, 13) nachfolgenden Kanalabschnitt (11) einen vergrößerten Strömungsquerschnitt (9.2), wobei die Strömungsquerschnitte (9.1, 9.2) diskontinuierlich, insbesondere stufig ineinander übergehen. Gegenläufig dazu weist der benachbarte Kanal (5') in seinem Kanalabschnitt (11') einen großen Strömungsquerschnitt (9.1') auf und in seinem in Strömungsrichtung (13) nachfolgenden Ausgangsbereich (12) einen verkleinerten Strömungsquerschnitt (9.2'), wobei die Strömungsquerschnitte (9.1', 9.2') ebenfalls diskontinuierlich, insbesondere stufig ineinander übergehen. Die Strömungsquerschnitte (9.1, 9.1') der Kanäle (5, 5') sind in diesem Beispiel gleich groß, ebenso die Strömungsquerschnitte (9.2, 9.2'). Die vorliegende Erfindung zielt jedoch primär nur auf die gegenläufige Änderung der Strömungsquerschnitte (9.1, 9.2; 9.1', 9.2') ab, nicht auf deren absolute Größe. Der Eingangsbereich (10) erstreckt sich in diesem Beispiel entlang des ersten Vierzehntels der Kanäle (5, 5'), der Ausgangsbereich (10') entlang des letzten Vierzehntels.
Zwischen den Eingangsbereichen (10) und Ausgangsbereichen (12) herrscht ein Druckverlust. Durch den eingeschränkten Querschnitt im Eingangsbereich (10) erfährt der Luftstrom in Kanal (5) einen erhöhten Druckverlust. In den Abschnitten (11) und (12) ist der Druckverlust in Kanal (5) gering. Der Druckverlust in Kanal (5') ist in den Abschnitten (10) und (11') gering. Im Ausgangsbereich (12) ergibt sich dann ein erhöhter Druckverlust. Durch die unterschiedlichen Druckverläufe der benachbarten Kanäle (5, 5') ergeben sich lokale Differenzdrücke, die eine Ausgleichs- bzw. Querströmung (14) zwischen den Kanälen (5, 5') antreiben. In dem dargestellten Beispiel stellt sich eine Ausgleichs- bzw. Querströmung (14) von Kanal (5') zu Kanal (5) ein. In einer Brennstoffzelle können derart gestaltete Kanäle (5, 5') auf der ganzen, der aktiven Fläche der MEA zugewandten Fläche der Separatorplatteneinheit verteilt werden. Dadurch ergibt sich eine Homogenisierung der Konzentrationen der Reaktionsstoffe in benachbarten Kanälen (5, 5') bei gleichzeitiger Erhaltung der Fähigkeit zum Austrag von flüssigem Wasser.
Änderungen der Strömungsquerschnitte sind in 3 und in den nachfolgenden 4 bis 8 der Übersichtlichkeit halber als Änderungen der Kanalbreite dargestellt. Änderungen der Strömungsquerschnitte können aber auch durch andere Maßnahmen bewirkt werden, z. B. durch:

– Änderungen der Kanaltiefe;
– Strömungswiderstände, die in den Fluidführungskanäle angebracht werden, wobei derartige Strömungswiderstände z. B. durch sich ändernde Porositäten der Kanalwände oder durch Umlenkungen realisiert werden können;
– gezielte Zu- und/oder Abführungen der Fluide,

4 zeigt einen ähnlichen Ausschnitt aus einer Separatorplatteneinheit mit einem Hybridströmungsfeld einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle wie 3. In diesem Beispiel ändern sich jedoch die Strömungsquerschnitte (9.1, 9.1') der benachbarten Kanäle (5, 5') kontinuierlich. Dabei nimmt der Strömungsquerschnitt (9.1) von Kanal (5) in Strömungsrichtung linear zu und der Strömungsquerschnitt (9.1') von Kanal (5') linear ab.
Durch den sich erweiternden bzw. verengenden Strömungsquerschnitt (9.1, 9.1') der Kanäle (5, 5') ergeben sich auch für dieses Ausführungsbeispiel lokale Differenzdrücke, die eine Ausgleichs- bzw. Querströmung (14) zwischen den Kanälen (5, 5') antreiben. Die Ausgleichs- bzw. Querströmung (14) verläuft hier von Kanal (5') zu Kanal (5).
5 zeigt ein zu 4 analoges Ausführungsbeispiel, wobei hier allerdings in den sehr breiten Abschnitten der Kanäle (5, 5') Zwischenstege (15, 15') angeordnet sind.
Zwischensteg (15) teilt den Kanal (5) im Bereich seines Ausgangs in zwei Arme auf. Zwischensteg (15') ist so angeordnet, dass zwei Arme des Kanals (5') im Bereich seines Eingangs zusammengeführt werden.
Die Zwischenstege (15, 15') werden zwar nicht unterströmt wie die Stege (16) zwischen den Kanälen (5, 5'), sie ermöglichen es aber, die Änderung eines Strömungsquerschnitts durch Verbreiterung der Kanäle (5, 5') größer ausfallen zu lassen. Dies ist vor allem für sehr flache Separatorplatteneinheiten (z. B. metallische Bipolarplatten) von Bedeutung, um die Plattendicke möglichst gering zu halten.
6 zeigt eine Variante des Hybridströmungsfelds der Separatorplatteneinheit einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle gemäß 3. Bei dieser Variante ist die Änderung der Strömungsquerschnitte (9.1, 9.2; 9.1', 9.2') der Kanäle (5, 5') so ausgelegt, dass in der Brennstoffzelle anfallendes flüssiges Wasser zur Entfernung aus der Brennstoffzelle bei bestimmungsgemäßem Betrieb und bestimmungsgemäßer Anordnung der Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem (z. B. einem Fahrzeug) an keiner Stelle der Kanäle (5, 5') entgegen der Richtung der Schwerkraft (Pfeil, 17) bewegt werden muss. Dazu weist insbesondere Kanal (5') einen Ausgangsbereich (12) auf, dessen in Richtung der Schwerkraft unterer Rand (18') mit dem in Richtung der Schwerkraft unteren Rand (18) des Kanalabschnitts (11') abschließt. Dadurch muss sich in Kanal (5') am in Richtung der Schwerkraft unterer Rand (18) sammelndes flüssiges Wasser keinen Anstieg überwinden, um durch den Ausgangsbereich (12) hindurch aus der Brennstoffzelle hinaus zu gelangen. Dadurch wird eine leichte Austragung von flüssigem Wasser aus der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle unterstützt.
7 zeigt eine Variante des Hybridströmungsfelds gemäß 6, wobei sich die Strömungsquerschnitte (9.1, 9.1') der Kanäle (5, 5') gegenläufig zueinander linear ändern. Auch bei dieser Variante muss evtl. anfallendes flüssiges Wasser an keiner Stelle der Kanäle entgegen der Richtung der Schwerkraft (17) bewegt werden, um es aus der Brennstoffzelle hinaus zu befördern.
8 zeigt eine Variante eines Ausschnitts aus einer Separatorplatteneinheit mit einem Hybridströmungsfeld einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, bei der sich der Strömungsquerschnitt (9.1) des ersten Kanals (5) kontinuierlich ändert und sich der Strömungsquerschnitt (9.1') des benachbarten, zweiten Kanals (5') diskontinuierlich ändert. Zusätzlich weist Kanal (5) einen darunter liegenden Zudosierungsraum (19) für die Zudosierung eines Reaktionsstoffs auf, dessen Strömungsquerschnitt sich in Strömungsrichtung (13) verkleinert. Kanal (5) und der Zudosierungsraum (19) sind über mehrere Zudosierungsstellen (20), von denen der Übersichtlichkeit halber stellvertretend für alle nur eine bezeichnet ist, miteinander fluidisch verbunden. Derartige Strömungsfelder mit Zudosierungsräumen (19) sind beispielsweise aus den Patentanmeldungen DE 10 2004 058 117 A1 (nicht vorveröffentlicht) und DE 10 2005 035 098.4 A1 (nicht vorveröffentlicht) der Anmelderin bekannt.
Kanal (5) und Kanal (5') liegen in einer Ebene und sind zur MEA (nicht dargestellt) hin offen, um die MEA mit einem Reaktionsstoff zu versorgen. Kanal (5) ist im Eingangsbereich (10) geschlossen und im Ausgangsbereich (12) geöffnet. Kanal (5') weist im Eingangsbereich (10) einen kleinen Strömungsquerschnitt (9.1') auf und hat stromabwärts in Kanalabschnitt (11') und Ausgangsbereich (12) einen vergrößerten Strömungsquerschnitt (9.2'). Ein Zudosierungsraum (19, gestrichelt) liegt eine Ebene unter den Kanälen (5, 5'). Der Zudosierungsraum (19) hat also keinen direkten Kontakt zur MEA. Zudosierungsraum (19) ist im Eingangsbereich (10) geöffnet und am stromabwärts gegenüberliegenden Ende geschlossen. Zudosierungsraum (19) und Kanal (5) sind über die Zudosierungsstellen (20) fluidisch miteinander verbunden. Ein Teil der Luft wird über Kanal (5') der Zelle zugeführt. Durch den verengten Querschnitt (9.1') im Eingangsbereich (10) stellen sich in den Bereichen (11') und (12) geringere Drücke ein. Ein anderer Teil der Luft wird über Zudosierungsraum (19) der Brennstoffzelle zugeführt. Durch den relativ großen Strömungsquerschnitt des Zudosierungsraums (19) stellt sich in dessen Eingangsbereich ein relativ hoher Druck ein. Ein Teil der Luft aus dem Zudosierungsraum (19) strömt durch die erste Zudosierungsstelle (20) in Kanal (5) ein. Die Strömungsquerschnitte bzw. Druckverluste sind dabei so eingestellt, dass lokal in Kanal (5) jeweils ein höherer Druck als in Kanal (5') herrscht. Durch die Druckdifferenz von Kanal (5) zu Kanal (5') kommt es zu einer Quer- bzw. Ausgleichsströmung (14) unter den Stegen der angrenzenden GDL hindurch von Kanal (5) zu Kanal (5').
Die Konzentrationsverläufe der Reaktionsstoffe, insbesondere H₂O und O₂, werden bei dieser Brennstoffzelle in zweifacher Weise homogenisiert. Durch die Zudosierung ergibt sich eine Homogenisierung in Strömungsrichtung (13), durch die Quer- bzw. Ausgleichsströmung (14) zwischen Kanal (5) und (5') ergibt sich eine Homogenisierung quer dazu.
Dadurch dass in Kanal (5) zunächst nur geringere Mengen an Luft zudosiert werden nimmt hier der H₂O Gehalt in Strömungsrichtung (13) schneller zu. Durch die Quer- bzw. Ausgleichsströmung (14) ergibt sich unter den Stegen ein erhöhter O₂-Partialdruck. Im Verlauf von Kanal (5') stellt sich relativ schnell ein hoher H₂O-Partialdruck ein, da nur wenig Gas zugeführt wird. Das durch die Stegunterströmung zugeführte Gas hat auch einen relativ hohen H₂O-Partialdruck, sodass der Verlauf der relativen Feuchte in Strömungsrichtung (13), entlang von Kanal (5') auf einem hohen Niveau bleibt. Durch die Homogenisierung der Partialdrücke über die gesamte angrenzende aktive Fläche der MEA wird ein örtlich homogener Ablauf der Brennstoffzellenreaktion erreicht.
9 zeigt den simulierten Verlauf des O₂-Partialdrucks unter einem Steg zwischen zwei kathodenseitigen Fluidführungskanälen (5, 5') in einer herkömmlichen Brennstoffzelle (geringe Stegunterströmung) in Strömungsrichtung. Dabei herrscht am Eingang des Kanals (5) ein um ca. 40 mbar höherer Druck als am Eingang des benachbarten Kanals (5'). Durch den Druckunterschied stellt sich eine Quer- bzw. Ausgleichsströmung unter dem Steg hindurch von Kanal (5) zu Kanal (5') ein, die in diesem Beispiel aufgrund des geringen Druckunterschieds zwischen Kanal (5) und Kanal (5') entsprechend klein ist. Als Resultat ergeben sich vergleichsweise geringe Werte für den O₂-Partialdruck und als Folge davon geringere lokale Stromdichten und Wirkungsgrade unter den Stegen (21) als im Bereich der Fluidführungskanäle. Der vorliegenden Simulation liegen u. a. folgende Annahmen zugrunde: Die Steg-Überströmung wird als Darcy-Strömung behandelt und ist deutlich größer als Stofftransport durch Diffusion in der porösen Gasdiffusionsschicht. Die Stromdichte liegt konstant bei 1 A/cm².
10 zeigt eine zu 9 analoge Simulation. Nun ist aber eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle eingesetzt und es herrscht aber am Eingang von Kanal (5) ein um ca. 150 mbar höherer Druck als am Eingang von Kanal (5'). Durch den jetzt deutlich höheren Druckunterschied stellt sich eine stärkere Quer- bzw. Ausgleichsströmung unter dem Steg hindurch von Kanal (5) zu Kanal (5') ein. Im Vergleich zu 1 ergeben sich höhere Werte für den O₂-Partialdruck. Der O₂-Partialdruck unter dem Steg ist nahezu auf dem Niveau der Kanäle (5) und (5'). Somit liegt die lokale Stromdichte ebenfalls nahezu auf dem Niveau der benachbarten Kanäle (5, 5'). Der gesamte Wirkungsgrad der MEA-Fläche über den Kanälen (5, 5') und über dem Steg (21) zeigt somit insgesamt höhere and zudem homogenere Stromdichten sowie homogenere lokale Wirkungsgrade.
Die in den vorstehenden Beispielen beschriebenen Strömungsfelder wurden anhand von Luft als Oxidationsmittel bzw. Fluid erläutert und eignen sich insbesondere für die der Kathode zugewandte Oberfläche einer Separatorplatteneinheit. Sie lassen sich aber auch auf die der Anode zugewandte Oberfläche einer Separatorplatteneinheit übertragen, um die Konzentrationsverläufe der dort strömenden Fluide (Brennstoff, insbesondere H₂ oder ein H₂-haltiges Gas) zu homogenisieren.
Die erläuterten Beispiele stellen Ausgestaltungen für den gesamten Bereich eines Strömungsfelds dar. Es sind aber auch Ausgestaltungen möglich, die teilweise auf herkömmlichen Strömungsfeldern beruhen und teilweise auf den hier offenbarten Hybridströmungsfeldern.
Bezugszeichenliste

1: Separatorplatteneinheit
2: Eingangsport für Luft
3: Ausgangsport für Luft
4: Strömungsfeld
5, 5': Durchstrom-Fluidführungskanal
6: Separatorplatteneinheit
7: Strömungsfeld
8, 8': ineinander greifende Fluidführungskanäle
9.1, 9.2: Strömungsquerschnitte von Kanal 5
9.1', 9.2': Strömungsquerschnitte von Kanal 5'
10, 10': Eingangsbereich
11, 11': Kanalabschnitt
12, 12': Ausgangsbereich
13: Strömungsrichtung
14: Ausgleichs- bzw. Querströmung
15, 15': Zwischensteg
16: Steg
17: Richtung der Schwerkraft
18, 18': in Richtung der Schwerkraft unterer Rand
19: Zudosierungsraum
20: Zudosierungsstelle
21: O₂-Partialdruck unterhalb eines Stegs

Claims

Brennstoffzelle mit einer Separatorplatteneinheit, die ein Strömungsfeld mit zwei oder mehr Durchstrom-Fluidführungskanälen (Kanäle) aufweist, wobei benachbart auf der Separatorplatteneinheit angeordnete Kanäle des Strömungsfelds sich gegenläufig ändernde Strömungsquerschnitte aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Strömungsquerschnitt eines ersten Kanals in Strömungsrichtung vergrößert und sich der Strömungsquerschnitt eines zweiten, zum ersten Kanal benachbarten Kanals in Strömungsrichtung verkleinert.
Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Strömungsquerschnitte der Kanäle diskontinuierlich ändern.
Brennstoffzelle gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Strömungsquerschnitt des ersten Kanals im Bereich seines Eingangs einmal stufig vergrößert und sich der Strömungsquerschnitt des benachbarten, zweiten Kanals im Bereich seines Ausgangs einmal stufig verkleinert.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Strömungsquerschnitte der Kanäle kontinuierlich ändern.
Brennstoffzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Strömungsquerschnitt des ersten Kanals kontinuierlich vergrößert und sich der Strömungsquerschnitt des benachbarten, zweiten Kanals kontinuierlich verkleinert.
Brennstoffzelle nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Strömungsquerschnitte der Kanäle linear ändern.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Kanal mit sich in Strömungsrichtung kontinuierlich vergrößerndem Strömungsquerschnitt im Bereich seines Ausgangs mindestens einen Zwischensteg aufweist, durch den der Kanal in Strömungsrichtung in mindestens zwei Arme aufgeteilt ist, und dass ein benachbarter, zweiter Kanal mit sich in Strömungsrichtung kontinuierlich verkleinerndem Strömungsquerschnitt im Bereich seines Eingangs mindestens einen Zwischensteg aufweist, durch den mindestens zwei Arme des Kanals getrennt sind und in Strömungsrichtung zusammengeführt werden.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Strömungsquerschnitte der Kanäle so ausgelegt ist, dass in der Brennstoffzelle anfallendes flüssiges Wasser zur Entfernung aus der Brennstoffzelle bei bestimmungsgemäßem Betrieb und bestimmungsgemäßer Anordnung der Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem an keiner Stelle der Kanäle entgegen der Richtung der Schwerkraft bewegt werden muss.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer von zwei benachbarten Kanälen, bevorzugt der Kanal mit sich in Strömungsrichtung vergrößerndem Strömungsquerschnitt, einen Zudosierungsraum für die Zudosierung eines Reaktionsstoffs aufweist, wobei der Kanal und der Zudosierungsraum über zumindest eine Zudosierungsstelle miteinander fluidisch verbunden sind.