DE102021204917A1 - flow field and separator plate - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Strömungsfeld (3) zur Medienverteilung in einer Separatorplatte (1) für einen Brennstoffzellenstapel, mit einer Kanäle (7) und dazwischen angeordnete Stege (6) umfassenden Verteilstruktur, wobei Stirnseiten (5) der Stege (6) eine benachbarte Gasdiffusionslage (4) einer Membranelektrodenanordnung (2) kontaktieren-Das erfindungsgemäße Strömungsfeld ist dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenanteil der Stirnseiten (5) der Stege (6) weniger als 25 Prozent der Fläche der Verteilstruktur ausmacht. Das Strömungsfeld (3) kann Teil einer Separatorplatte (1) sein, welche insbesondere als Bipolarplatte ausgebildet ist.The invention relates to a flow field (3) for media distribution in a separator plate (1) for a fuel cell stack, with a distribution structure comprising channels (7) and webs (6) arranged between them, with end faces (5) of the webs (6) having an adjacent gas diffusion layer ( 4) contacting a membrane electrode arrangement (2)—The flow field according to the invention is characterized in that the surface area of the end faces (5) of the webs (6) accounts for less than 25 percent of the surface area of the distribution structure. The flow field (3) can be part of a separator plate (1), which is designed in particular as a bipolar plate.

Description

Die Erfindung betrifft ein Strömungsfeld zur Medienverteilung in einer Separatorplatte eines Brennstoffzellenstapels nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft sie eine Separatorplatte mit einem derartigen Strömungsfeld.The invention relates to a flow field for media distribution in a separator plate of a fuel cell stack according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1. It also relates to a separator plate with such a flow field.

Strömungsfelder zum Verteilen von Medien in Separatorplatten eines Brennstoffzellenstapels sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Die Separatorplatten, welche häufig als sogenannte Bipolarplatten ausgebildet sind, weisen typischerweise zwei Oberflächen auf, eine kathodenseitige Oberfläche und eine anodenseitige Oberfläche, welche jeweils mit einer benachbarten Membranelektrodenanordnung und der nachfolgenden Separatorplatte eine Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels ausbilden. Häufig sind diese Platten aus zwei Hälften aufgebaut, welche zwischen sich ein Strömungsfeld für ein Kühlmedium einschließen.Flow fields for distributing media in separator plates of a fuel cell stack are known from the prior art. The separator plates, which are often designed as so-called bipolar plates, typically have two surfaces, a cathode-side surface and an anode-side surface, which each form an individual cell of the fuel cell stack with an adjacent membrane electrode arrangement and the subsequent separator plate. These plates are often made up of two halves, which enclose a flow field for a cooling medium between them.

Das Strömungsfeld zur Verteilung der Medien ist dabei sowohl auf der Anodenseite der Separatorplatte als auch auf der Kathodenseite der Separatorplatte, wenn man von Zuströmöffnungen, Sammelbereichen und dergleichen absieht, als Strömungsfeld mit einzelnen Kanälen und dazwischen angeordneten Stegen ausgebildet. Die CN 103 178 275 A beschreibt in diesem Zusammenhang beispielsweise ein aus Kanälen und Stegen aufgebautes Strömungsfeld einer Bipolarplatte. Zur Verbesserung der Performance der jeweiligen Brennstoffzelle sind dabei die Stirnseiten der Stege, also die der benachbarten MEA (Membranelektrodenanordnung) zugewandten Seiten der Stege aufgeraut.The flow field for distributing the media is designed as a flow field with individual channels and webs arranged between them both on the anode side of the separator plate and on the cathode side of the separator plate, disregarding inflow openings, collecting areas and the like. the CN 103 178 275 A describes in this context, for example, a flow field of a bipolar plate made up of channels and webs. In order to improve the performance of the respective fuel cell, the end faces of the webs, ie the sides of the webs facing the adjacent MEA (membrane electrode arrangement), are roughened.

Ein großes Thema beim Design derartiger Strömungsfelder ist es nun immer einerseits, eine gute Zufuhr der Medien zu der MEA zu gewährleisten und andererseits entstandene Produkte, typischerweise Wasser, zuverlässig abzuführen. Gleichzeitig soll über die Stirnseiten der Stege, welche auch als „Landings“ bezeichnet werden, ein guter elektrischer Kontakt zu der Membranelektrodenanordnung gewährleitstet werden. Neben einer entsprechenden Bearbeitung und gegebenenfalls Beschichtung der Stirnseiten der Stege spielt also auch die Medienverteilung eine entscheidende Rolle.A major issue in the design of such flow fields is now always on the one hand to ensure a good supply of the media to the MEA and on the other hand to reliably drain away the products that are produced, typically water. At the same time, a good electrical contact to the membrane electrode arrangement should be ensured via the end faces of the webs, which are also referred to as “landings”. In addition to appropriate processing and, if necessary, coating of the end faces of the webs, the media distribution also plays a decisive role.

In diesem Zusammenhang kann zum weiteren Stand der Technik auf die CN 100 573 971 A hingewiesen werden. In dieser Schrift ist ein Strömungsfeld beschrieben, welches für eine verbesserte Verteilung der Medien sorgt, indem in den einzelnen Kanälen Puffervolumen angeordnet sind, in welchen Gase und/oder entstehende Feuchtigkeit quasi zwischengespeichert werden kann.In this context, for further prior art on the CN 100 573 971 A be advised. In this document, a flow field is described which ensures an improved distribution of the media by arranging buffer volumes in the individual channels, in which gases and/or moisture that is produced can be quasi temporarily stored.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes Strömungsfeld und eine Separatorplatte mit einem solchen verbesserten Strömungsfeld anzugeben, welches einerseits die Strömungseigenschaften für die Medien und damit die homogene Verteilung der Medien auf die Membranelektrodenanordnung und andererseits die elektrische Kontaktierung der Membranelektrodenanordnungen über die Stirnseiten der Stege optimiert.The object of the present invention is now to specify an improved flow field and a separator plate with such an improved flow field, which on the one hand the flow properties for the media and thus the homogeneous distribution of the media on the membrane electrode arrangement and on the other hand the electrical contacting of the membrane electrode arrangements via the end faces the webs optimized.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Strömungsfeld mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 6 ist außerdem eine Separatorplatte mit einem solchen Strömungsfeld angegeben. Auch hier ergibt sich eine vorteilhafte Ausgestaltung der Separatorplatte aus dem abhängigen Unteranspruch.According to the invention, this object is achieved by a flow field having the features in claim 1, and here in particular in the characterizing part of claim 1. Advantageous refinements and developments result from the dependent subclaims. Claim 6 also specifies a separator plate with such a flow field. Here, too, an advantageous embodiment of the separator plate results from the dependent subclaim.

Das erfindungsgemäße Strömungsfeld besteht aus Kanälen und Stegen, welche abwechselnd angeordnet sind und vergleichbar wie im Stand der Technik eine Verteilstruktur für die Medien ausbilden, Die Stirnseiten der Stege kontaktieren dabei eine benachbarte Gasdiffusionslage der Membranelektrodenanordnung. Erfindungsgemäß ist es nun so, dass der Flächenanteil der Stirnseite der Stege weniger als 25 % der Fläche der Verteilstrukturen ausmacht. Anstelle eines bisher häufig üblichen Flächenanteils der Stirnseiten der Stege von in etwa 50 % wird nun also auf eine deutlich reduzierte Fläche gewechselt. Mit einer solchen Fläche von weniger als 25 % der Gesamtfläche der Verteilstruktur wird also das Verhältnis der Stirnseiten zu der Oberfläche der Kanäle verändert. Dies führt zu kleineren Stirnseiten und größeren Kanälen, was insgesamt zu einer besseren Medienverteilung führt. Dennoch bleibt auch bei der kleineren Fläche der Stirnseiten die elektrische Kontaktierung so gut, dass insgesamt eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrads erzielt werden kann.The flow field according to the invention consists of channels and webs which are arranged alternately and form a distribution structure for the media comparable to the prior art. The end faces of the webs contact an adjacent gas diffusion layer of the membrane electrode arrangement. According to the invention, it is now the case that the surface area of the end face of the webs makes up less than 25% of the surface area of the distribution structures. Instead of a previously common area proportion of the end faces of the webs of around 50%, a significantly reduced area is now being used. With such an area of less than 25% of the total area of the distribution structure, the ratio of the end faces to the surface area of the channels is changed. This results in smaller faces and larger channels, resulting in better media distribution overall. Nevertheless, even with the smaller surface area of the end faces, the electrical contact remains so good that overall a significant improvement in efficiency can be achieved.

Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Strömungsfeldes kann es dabei außerdem vorgesehen sein, dass der Flächenanteil der Stirnseiten in etwa 20 %. Ein solcher Flächenanteil der Stirnseiten von etwa 20 % an der Gesamtfläche der Verteilstrukturen des Strömungsfeldes hat sich in den von den Erfindern durchgeführten Untersuchungen als ein Optimum zwischen der mechanischen Tragfähigkeit einerseits und der idealen Verteilung der Medien auf die Membranelektrodenanordnung bzw. ihre Gasdiffusionslage anderseits herausgestellt. All dies kann dabei weiterhin bei einer idealen Medienversorgung der Membranelektrodenanordnung realisiert werden.According to an extraordinarily favorable development of the flow field according to the invention, it can also be provided that the surface area of the end faces is approximately 20%. In the investigations carried out by the inventors, such an area proportion of the end faces of around 20% of the total area of the distribution structures of the flow field has turned out to be an optimum between the mechanical load-bearing capacity on the one hand and the ideal distribution of the media on the membrane electrode arrangement or its gas diffusion layer on the other. All of this can continue to be realized with an ideal media supply for the membrane electrode arrangement.

Eine weitere außerordentlich günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strömungsfeldes sieht es nun ferner vor, dass die zwischen zwei Kanälen liegende Breite der Stirnseiten, zumindest in einer kathodenseitigen Verteilstruktur, weniger als 0,2 mm beträgt, Der Aufbau ist also so gestaltet, dass die Stirnseiten der Kanäle zusätzlich zu ihren verringerten Flächenanteil insgesamt auch eine relativ geringe Breite im Bereich ihrer Stirnseite aufweisen. Diese geringe Breite mit dem entsprechend des Flächenanteils dann deutlich breiteren Kanal führt zu einer sehr guten Anströmung der Medien in den Bereich der Membranelektrodenanordnung, sodass insbesondere auch im Bereich der Kontaktierung der Membranelektrodenanordnung mit den Stegen Medien seitlich in die Membranelektrodenanordnung bzw. deren Gasdiffusionslage einströmen und sich über die Dicke der Membranelektrodenanordnung weitgehend gleichmäßig auf die Elektroden und die Membran verteilen können.Another extraordinarily favorable embodiment of the flow field according to the invention now also provides that the width of the end faces between two channels, at least in a cathode-side distribution structure, is less than 0.2 mm. The structure is therefore designed in such a way that the end faces of the channels in addition to their reduced surface area, they also have a relatively small width in the area of their end face. This small width with the channel, which is then significantly wider according to the surface area, leads to a very good inflow of the media into the area of the membrane electrode arrangement, so that media flow laterally into the membrane electrode arrangement or its gas diffusion layer, especially in the area of contact between the membrane electrode arrangement and the webs can be distributed largely uniformly over the thickness of the membrane electrode arrangement on the electrodes and the membrane.

Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung dieser Idee beträgt die Breite der Stirnseiten der Stege dabei in etwa 0,18 mm, um so eine nach den Untersuchungen durch die Erfinder ideale Verteilung der Medien bei guten elektrischen Eigenschaften zu erzielen.According to an extraordinarily favorable further development of this idea, the width of the end faces of the webs is approximately 0.18 mm in order to achieve an ideal distribution of the media with good electrical properties according to the inventors' investigations.

Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strömungsfeldes kann es dabei ferner vorsehen, dass der Übergang von den Seitenwänden der Kanäle in die Stirnseiten der Stege abgerundet ist, um so die Einströmung der Medien in die Gasdiffusionslage der Membranelektrodenanordnung auch im Bereich der Kontaktierung durch die Stirnseiten der Stege noch weiter zu verbessern.A further very advantageous embodiment of the flow field according to the invention can also provide for the transition from the side walls of the channels to the end faces of the webs to be rounded, in order to ensure that the media flow into the gas diffusion layer of the membrane electrode arrangement even in the area of contact through the end faces of the bridges to be further improved.

Eine erfindungsgemäße Separatorplatte dient nun als Separatorplatte in einem Brennstoffzellenstapel. Sie umfasst ein Strömungsfeld nach einer der beschriebenen Ausgestaltungen.A separator plate according to the invention now serves as a separator plate in a fuel cell stack. It includes a flow field according to one of the configurations described.

Die Separatorplatte kann dabei gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung als Bipolarplatte ausgebildet sein, welche insbesondere eine anodenseitige und eine kathodenseitige Hälfte aufweist, welche zwischen sich ein Strömungsfeld für die Kühlmedien einschließen. Zumindest das kathodenseitige Strömungsfeld, optional jedoch auch das anodenseitige Strömungsfeld, kann dann gemäß den oben beschriebenen Flächenverhältnissen und Größenordnungen ausgestaltet sein.According to a very advantageous development, the separator plate can be designed as a bipolar plate, which in particular has an anode-side and a cathode-side half, which enclose a flow field for the cooling media between them. At least the flow field on the cathode side, but optionally also the flow field on the anode side, can then be designed according to the surface ratios and dimensions described above.

Eine vorteilhafte beispielhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strömungsfeldes ergibt sich in einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung aus der Darstellung in den Figuren.An advantageous exemplary embodiment of the flow field according to the invention results in an exemplary embodiment according to the invention from the representation in the figures.

Dabei zeigen:

  • 1 ein Ausschnitt aus einer Separatorplatte mit einem Ausschnitt aus einem Strömungsfeld in einer Ausgestaltung gemäß der Erfindung, mit aufgelegter Membranelektrodenanordnung; und
  • 2 eine Darstellung analog zu der in 1 ohne die Membranelektrodenanordnung.
show:
  • 1 a section of a separator plate with a section of a flow field in an embodiment according to the invention, with an applied membrane electrode arrangement; and
  • 2 a representation analogous to that in 1 without the membrane electrode assembly.

In der Darstellung der 1 ist, ohne das die Figur als maßstäblich zu verstehen sein soll, ein Ausschnitt aus einer Separatorplatte 1 dargestellt. Der gezeigte Ausschnitt der Separatorplatte 1 umfasst ein angedeutetes Strömungsfeld 3, auf welchem eine sogenannte Membranelektrodenanordnung 2 angedeutet ist. Der Aufbau einer solchen Membranelektrodenanordnung 2 ist dem Fachmann an sich bekannt. Für die hier vorliegende Erfindung relevant ist lediglich die im Kontaktbereich zwischen dem Strömungsfeld 3 und der Membranelektrodenanordnung 2 als Teil dieser Membranelektrodenanordnung 2 ausgebildete Gasdiffusionslage (GDL) 4. Diese Gasdiffusionslage 4 liegt nun unmittelbar auf dem Strömungsfeld 2 auf, und zwar auf Stirnseiten 5 von Stegen 6, welche zwischen Kanälen 7 der Verteilstruktur des Strömungsfelds 3 ausgebildet sind.In the representation of 1 a section of a separator plate 1 is shown without the figure being to scale. The section of the separator plate 1 shown comprises an indicated flow field 3 on which a so-called membrane electrode arrangement 2 is indicated. The structure of such a membrane electrode arrangement 2 is known per se to a person skilled in the art. Only the gas diffusion layer (GDL) 4 formed as part of this membrane electrode assembly 2 in the contact area between the flow field 3 and the membrane electrode arrangement 2 is relevant for the present invention. This gas diffusion layer 4 now lies directly on the flow field 2, namely on end faces 5 of webs 6, which are formed between channels 7 of the distribution structure of the flow field 3.

Im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Aufbauten sind die Stege 6 hier nun relativ schmal ausgebildet. Aus der Darstellung der 2, welche ohne die Membranelektrodenanordnung 2 denselben Aufbau nochmals zeigt, ist ersichtlich, dass diese Stirnseiten 5, welche mit der Membranelektrodenanordnung 2, und hier insbesondere ihrer Gasdiffusionslage 4, in Berührung kommen, eine relativ geringe Breite b aufweisen. Diese Breite ist beispielhaft an einem der Stege 6 eingezeichnet und mit b bezeichnet. Die danebenliegende Breite B der benachbarten Kanäle 7 ist entsprechend größer.In comparison to structures known from the prior art, the webs 6 are now relatively narrow here. From the representation of 2 , which again shows the same structure without the membrane electrode arrangement 2, it can be seen that these end faces 5, which come into contact with the membrane electrode arrangement 2, and here in particular with its gas diffusion layer 4, have a relatively small width b. This width is drawn in as an example on one of the webs 6 and denoted by b. The adjacent width B of the adjacent channels 7 is correspondingly larger.

Insgesamt ist es so, dass das Flächenverhältnis, welche in der Darstellung der 2 lediglich durch die Breiten symbolisiert wird, der gesamten Verteilstruktur des Strömungsfeldes 3 dessen Gesamtbreite A mal der Länge in die Blattebene hinein ist. Dementsprechend ist die in Kontakt mit der Membranelektrodenanordnung 2 bzw. ihrer Gasdiffusionslage 4 stehende Fläche der Stirnseiten 5 der Stege 6 die Breite b mal derselben Länge. Im Verhältnis zur Gesamtfläche der Verteilstrukturen des Strömungsfeldes 3 beträgt die Fläche der Stirnseiten 5 der Stege 6 nun lediglich in etwa 20 % dieser Gesamtfläche. Die Berührungsfläche der Stirnseiten 5 der Stege 6 mit der Membranelektrodenanordnung 2 bzw. ihrer Gasdiffusionslage ist also relativ gering. Dies stellt eine ideale Medienverteilung in den Bereich der Gasdiffusionslage 4 und damit über die elektrochemisch aktive Fläche der Membranelektrodenanordnung 2 sicher.Overall, it is the case that the area ratio, which is shown in the representation of the 2 is symbolized only by the widths of the entire distribution structure of the flow field 3 whose total width A times the length into the plane of the page. Accordingly, the area of the end faces 5 of the webs 6 that is in contact with the membrane electrode arrangement 2 or its gas diffusion layer 4 is the width b times the same length. In relation to the total area of the distribution structures of the flow field 3, the area of the end faces 5 of the webs 6 is now only approximately 20% of this total area. The contact surface of the end faces 5 of the webs 6 with the membrane electrode arrangement 2 or its gas diffusion layer is therefore relatively small. This ensures an ideal media distribution in the area of the gas diffusion layer 4 and thus over the electrochemically active surface of the membrane electrode arrangement 2 .

Gleichzeitig reicht die Auflagefläche aus, um eine gute elektrische Kontaktierung zwischen dem Material der Separatorplatte 1, beispielsweise einem Metall oder insbesondere einem mit einem elektrisch leitenden Füller, wie beispielsweise Graphit, versehener Kunststoff, Beispielsweise ein Harz, zu erreichen. Die Breite b der Stirnseiten 5 der Stege 6 beträgt dazu vorzugsweise ca. 0,18 mm. Die Struktur selbst ist also entsprechend klein, um druch den geringer Abstand zwischen den Stegen 6 einerseits eine relativ fläche Anlage zu erreichen und um andererseits auch in die von den Stegen 6 berührten Bereiche der Gasdiffusionslage 4 eine ausreichende Gasmenge einleiten zu können.At the same time, the bearing surface is sufficient to achieve good electrical contact between the material of the separator plate 1, for example a metal or in particular a plastic, for example a resin, provided with an electrically conductive filler such as graphite. The width b of the end faces 5 of the webs 6 is preferably about 0.18 mm. The structure itself is accordingly small in order to achieve a relatively flat contact due to the small distance between the webs 6 and also to be able to introduce a sufficient quantity of gas into the areas of the gas diffusion layer 4 touched by the webs 6.

Insgesamt ergibt der beschriebene Aufbau mit der dargestellten Geometrie dabei ein Strömungsfeld 3, welches sowohl bezüglich der Strömungseigenschaften als auch der elektrischen Eigenschaften ideal ist und eine Steigerung des Wirkungsgrads einer mit einem solchen Strömungsfeld 3 aufgebauten Brennstoffzellenstapels ermöglicht.Overall, the structure described with the geometry shown results in a flow field 3 which is ideal both in terms of flow properties and electrical properties and enables an increase in the efficiency of a fuel cell stack constructed with such a flow field 3 .

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Claims (7)

Strömungsfeld (3) zur Medienverteilung in einer Separatorplatte (1) für einen Brennstoffzellenstapel, mit einer Kanäle (7) und dazwischen angeordnete Stege (6) umfassenden Verteilstruktur, wobei Stirnseiten (5) der Stege (6) eine benachbarte Gasdiffusionslage (4) einer Membranelektrodenanordnung (2) kontaktieren, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenanteil der Stirnseiten (5) der Stege (6) weniger als 25 Prozent der Fläche der Verteilstruktur ausmacht.Flow field (3) for media distribution in a separator plate (1) for a fuel cell stack, with a distribution structure comprising channels (7) and webs (6) arranged between them, with end faces (5) of the webs (6) having an adjacent gas diffusion layer (4) of a membrane electrode arrangement (2) contact, characterized in that the surface area of the end faces (5) of the webs (6) makes up less than 25 percent of the surface area of the distribution structure. Strömungsfeld (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenanteil der Stirnseiten (5) der Stege (6) in etwa 20 Prozent der Fläche der Verteilstruktur ausmacht.Flow field (3) after claim 1 , characterized in that the surface area of the end faces (5) of the webs (6) makes up approximately 20 percent of the surface area of the distribution structure. Strömungsfeld (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen zwei Kanälen (7) liegende Breite (b) der Stirnseiten (5) der Stege (6), zumindest in einer kathodenseitigen Verteilstruktur, weniger als 0,2 mm beträgt.Flow field (3) after claim 1 or 2 , characterized in that the width (b) of the end faces (5) of the webs (6) lying between two channels (7) is less than 0.2 mm, at least in a cathode-side distribution structure. Strömungsfeld (3) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (b) der Stirnseiten (5) in etwa 0,18 mm beträgt.Flow field (3) after claim 3 , characterized in that the width (b) of the end faces (5) is approximately 0.18 mm. Strömungsfeld (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von den Seitenwänden der Kanäle (7) in die Stirnseiten (5) der Stege (6) gerundet ausgeführt ist.Flow field (3) according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the transition from the side walls of the channels (7) to the end faces (5) of the webs (6) is rounded. Separatorplatte (1) mit wenigstens einem Strömungsfeld (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.Separator plate (1) with at least one flow field (3) according to one of Claims 1 until 5 . Separatorplatte (1) nach Anspruch 6 gekennzeichnet durch ihre Ausbildung als Bipolarplatte.Separator plate (1) after claim 6 characterized by their formation as a bipolar plate.
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