DE102021214824A1 - Media distributor structure, bipolar plate and electrochemical cell - Google Patents
Media distributor structure, bipolar plate and electrochemical cell Download PDFInfo
- Publication number
- DE102021214824A1 DE102021214824A1 DE102021214824.7A DE102021214824A DE102021214824A1 DE 102021214824 A1 DE102021214824 A1 DE 102021214824A1 DE 102021214824 A DE102021214824 A DE 102021214824A DE 102021214824 A1 DE102021214824 A1 DE 102021214824A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- layer
- media
- media distributor
- distributor structure
- electrochemical cell
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 32
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 9
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 4
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims description 3
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 2
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000012799 electrically-conductive coating Substances 0.000 claims description 2
- 238000010309 melting process Methods 0.000 claims description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 91
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 9
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N (2r,3r,4s,5r)-2-[6-[[2-(3,5-dimethoxyphenyl)-2-(2-methylphenyl)ethyl]amino]purin-9-yl]-5-(hydroxymethyl)oxolane-3,4-diol Chemical compound COC1=CC(OC)=CC(C(CNC=2C=3N=CN(C=3N=CN=2)[C@H]2[C@@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O2)O)C=2C(=CC=CC=2)C)=C1 BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N 0.000 description 1
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000002346 layers by function Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000006262 metallic foam Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B15/00—Operating or servicing cells
- C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/60—Constructional parts of cells
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
- C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
- C25B9/75—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having bipolar electrodes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
- C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
- C25B9/77—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having diaphragms
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
- H01M8/0206—Metals or alloys
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
- H01M8/0254—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form corrugated or undulated
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Medienverteilerstruktur für eine elektrochemische Zelle (100). Die Medienverteilerstruktur (20) weist eine Wabenlage (22) mit einer Vielzahl von aneinander liegenden Hexagonen (24) auf. Die Medienverteilerstruktur (20) weist benachbart zur Wabenlage (22) eine Strömungslage (21) mit einer Vielzahl von Stegen (23) auf.The present invention relates to a media distributor structure for an electrochemical cell (100). The media distributor structure (20) has a honeycomb layer (22) with a large number of hexagons (24) lying on one another. The media distribution structure (20) has a flow layer (21) with a large number of webs (23) adjacent to the honeycomb layer (22).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Medienverteilerstruktur und eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle, sowie eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle und eine Elektrolysezelle. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer Medienverteilerstruktur.The present invention relates to a media distribution structure and a bipolar plate for an electrochemical cell, and an electrochemical cell, in particular a fuel cell and an electrolytic cell. The invention further relates to a method for producing a media distributor structure.
Stand der TechnikState of the art
Brennstoffzellen sind elektrochemische bzw. galvanische Zellen, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandeln, bei der Elektrolyse läuft der elektrochemische Prozess in die andere Richtung. Wesentlicher Bestandteil von Brennstoffzellen und Elektrolysezellen sind Bipolarplatten und Gasdiffusionslagen, welche im Schichtaufbau aneinandergrenzend angeordnet sind. Zum Herstellen eines möglichst stabilen Schichtverbunds zwischen Bipolarplatte und Diffusionslage sind verschiedene Ansätze bekannt. Insbesondere ist es bekannt, die Bipolarplatte stoffschlüssig mit der Diffusionslage zu verbinden. Aus der deutschen Patentanmeldung
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden nun eine Medienverteilerplatte und eine Bipolarplatte mit einer Medienverteilerplatte zur Verfügung gestellt, die ein verbessertes Zusammenwirken mit einer Diffusionslage ermöglichen oder sogar eine Diffusionslage ersetzen.Within the scope of the present invention, a media distribution plate and a bipolar plate with a media distribution plate are now made available, which enable improved interaction with a diffusion layer or even replace a diffusion layer.
Dazu weist die Medienverteilerstruktur eine Wabenlage mit einer Vielzahl von aneinander liegenden Hexagonen auf. Die Medienverteilerstruktur weist benachbart zur Wabenlage eine Strömungslage mit einer Vielzahl von Stegen auf.For this purpose, the media distributor structure has a honeycomb layer with a large number of hexagons lying next to one another. Adjacent to the honeycomb layer, the media distributor structure has a flow layer with a multiplicity of webs.
Dadurch erfolgt eine Funktionstrennung in den beiden Ebenen der Wabenlage und der Strömungslage, obwohl die Medienverteilerstruktur einstückig ausgeführt ist:
- Die Abstützung der Diffusionslage oder der Elektrodenschicht mit Gasdurchgang erfolgt durch die Wabenlage; die Gaszufuhr und die Reaktionswasserabfuhr erfolgen in der Strömungslage.
- The diffusion layer or the electrode layer with gas passage is supported by the honeycomb layer; the gas supply and the reaction water removal take place in the flow position.
Die Wabenlage definiert eine Stütz-und Durchgangsebene für bzw. zur Diffusionslage bzw. Elektrodenschicht. Sie ist aus polygonalen, sich regelmäßig wiederholenden, Einheiten gebildet. Die bevorzugte Ausführung des Polygons stellt hierbei das Hexagon dar. Durch das Hexagon werden die unterteilenden Grenzflächen (also die Seitenkanten) mit minimalen Flächen ermöglicht. Idealerweise werden nur die in gleicher Richtung orientierten Grenzflächen des Hexagons auf einer Seite der Wabenlage verlängert und bilden dort die Strömungslage aus, wie später noch genauer beschrieben wird.The honeycomb layer defines a support and passage plane for or to the diffusion layer or electrode layer. It is made up of polygonal, regularly repeating units. The hexagon represents the preferred embodiment of the polygon. The hexagon enables the dividing boundary surfaces (ie the side edges) to have minimal surfaces. Ideally, only the boundary surfaces of the hexagon oriented in the same direction are extended on one side of the honeycomb layer and form the flow situation there, as will be described in more detail later.
Weiterhin ist das Verhältnis der Auflagefläche der Diffusionslage bzw. der Elektrodenschicht zu der Durchgangsfläche genau definierbar. Bevorzugt liegt in der Wabenlage bzw. in der Grundfläche der Wabenlage über alle Hexagone das Verhältnis der Durchflussfläche D zu der Auflagefläche A im Bereich 0,7 bis 3. Dadurch lässt sich auch ein robustes Systemverhalten bei extremen Betriebsbedingungen erzielen. Durch ausreichendes Wasserhaltevermögen in den Hexagonen zur Diffusionslage bzw. Elektrodenschicht hin eignet sich die Medienverteilerstruktur für trocken-heiße Betriebsbedingungen. Aufgrund des Wasserableitevermögens in der Strömungslage eignet sich die Medienverteilerstruktur aber auch für nass-kalte Betriebsbedingungen.Furthermore, the ratio of the contact area of the diffusion layer or the electrode layer to the passage area can be precisely defined. In the honeycomb layer or in the base area of the honeycomb layer, the ratio of the throughflow area D to the contact area A is preferably in the range from 0.7 to 3 across all hexagons. This also makes it possible to achieve robust system behavior under extreme operating conditions. Due to sufficient water retention capacity in the hexagons towards the diffusion layer or electrode layer, the media distributor structure is suitable for hot, dry operating conditions. Due to the water drainage capacity in the flow situation, the media distribution structure is also suitable for wet and cold operating conditions.
Durch die gleichmäßigen Hexagone erfolgt auch eine gleichmäßige Pressungsverteilung an der Kontaktfläche der Hexagone zur Diffusionslage bzw. zur Elektrodenschicht. Dadurch wird insbesondere in der Diffusionslage eine Verdichtung vermieden und es erfolgt eine gleichmäßige Gasverteilung zu den Katalysatoren der Elektrodenschicht.Due to the uniform hexagons, there is also a uniform pressure distribution on the contact surface of the hexagons to the diffusion layer or to the electrode layer. As a result, compression is avoided, particularly in the diffusion layer, and the gas is distributed evenly to the catalysts of the electrode layer.
Die beiden Ebenen Strömungslage und Wabenlage können zur weiteren Verbesserung der Funktionalität sogar mit unterschiedlichen Oberflächenbeschichtungen, beispielsweise zur Einstellung des lokalen Benetzungsverhaltens, versehen werden. Hierbei werden bevorzugt die Auflagefläche zur Diffusionslage bzw. zur Elektrodenschicht mit einer hydrophoben Beschichtung, die restlichen Flächen mit einer hydrophilen Beschichtung versehen.The two levels of flow layer and honeycomb layer can even be provided with different surface coatings, for example to adjust the local wetting behavior, to further improve functionality. In this case, the bearing surface for the diffusion layer or for the electrode layer is preferably provided with a hydrophobic coating, and the remaining surfaces are provided with a hydrophilic coating.
Bevorzugt sind die Strömungslage und die Wabenlage in einer Stapelrichtung z der elektrochemischen Zelle aneinander angeordnet. Die Stapelrichtung z entspricht dabei auch der Richtung des Aneinanderstapelns mehrerer elektrochemischer Zellen zu einem Zellenstapel. Insbesondere bei einem Zellenstapel mit elektrisch in Reihe geschalteten elektrochemischen Zellen ist dies vorteilhaft.The flow layer and the honeycomb layer are preferably arranged next to one another in a stacking direction z of the electrochemical cell. The stacking direction z also corresponds to the direction in which several electrochemical cells are stacked together to form a cell stack. This is advantageous in particular in the case of a cell stack with electrochemical cells electrically connected in series.
Die Stege sind vorteilhafterweise durch Fortsätze von Seiten der Hexagone gebildet. Die Fortsätze sind also bevorzugt in Stapelrichtung z extrudiert in die Strömungslage angeordnet. Jedem Hexagon können somit zwei Fortsätze in der Strömungslage zugeordnet werden. Damit weist die Strömung bzw. der Gasdurchgang in z-Richtung idealerweise keine Stufe auf, sofern die Stegbreiten der Stege und Kantenbreiten der Hexagone gleich groß sind. Die Gaszufuhr an die Elektrodenschicht erfolgt also mit möglichst geringen Druckverlusten.The webs are advantageously formed by extensions from the hexagons. The extensions are thus preferably arranged in the stacking direction z extruded into the flow layer. Two extensions in the flow situation can thus be assigned to each hexagon. Thus, the flow or the gas passage in the z-direction ideally has no step, provided the web widths of the webs and edge widths of the hexagons are the same. The gas supply to the electrode layer thus takes place with the lowest possible pressure losses.
In weiterbildenden Ausführungen weisen die Stege Ausnehmungen aus. Dadurch können die Druckverluste in der Strömungslage weiter reduziert werden.In further developments, the webs have recesses. As a result, the pressure losses in the flow situation can be further reduced.
In bevorzugten Weiterbildungen sind die Stege parallel angeordnet und bilden dadurch eine Strömungsrichtung aus. Diese Anordnung reduziert die Druckverluste für die Gasverteilung in der Fläche der Medienverteilerstruktur. Die Strömungsrichtung liegt bevorzugt in der xy-Ebene, also senkrecht zur Stapelrichtung z.In preferred developments, the webs are arranged in parallel and thus form a direction of flow. This arrangement reduces the pressure losses for the gas distribution in the area of the media distribution structure. The direction of flow is preferably in the xy plane, i.e. perpendicular to the stacking direction z.
In vorteilhaften Ausführungen ist die Medienverteilerstruktur aus einem Kunststoffgerüst hergestellt und weist darauf eine elektrisch leitfähige Beschichtung auf. Das Kunststoffgerüst ist also mit einer dünnen (beispielsweise 2 µm) Beschichtungsschicht überzogen.In advantageous embodiments, the media distribution structure is made from a plastic framework and has an electrically conductive coating on it. The plastic framework is thus covered with a thin (e.g. 2 μm) coating layer.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen einer derartigen Medienverteilerstruktur erfolgt mittels additivem Auftragverfahren und anschließendem Beschichtungsverfahren.A preferred method for producing such a media distribution structure is by means of an additive application method and subsequent coating method.
Ist die Medienverteilerstruktur dagegen metallisch, so wird sie bevorzugt mittels selektivem Laserschmelzverfahren hergestellt.If, on the other hand, the media distributor structure is metallic, it is preferably produced by means of a selective laser melting process.
Die Erfindung umfasst auch eine Bipolarplatte mit einer Separatorplatte und mit einer Medienverteilerstruktur nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen. Die Separatorplatte ist dabei an der Strömungslage angeordnet. Bevorzugt ist die Separatorplatte zur Medienverteilerstruktur hin planar gestaltet. Die Strömungsführung der Medien wird schon durch die Strömungslage übernommen.The invention also includes a bipolar plate with a separator plate and with a media distribution structure according to one of the embodiments described above. The separator plate is arranged on the flow layer. The separator plate is preferably designed to be planar towards the media distributor structure. The flow control of the media is already taken over by the flow situation.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrochemische Zelle zur Verfügung gestellt. Die elektrochemische Zelle weist eine Membran-Elektroden-Anordnung und eine Medienverteilerstruktur nach einer der obigen Ausführungen auf. Die Wabenlage der Medienverteilerstruktur wirkt unmittelbar mit einer Elektrodenschicht der Membran-Elektroden-Einheit zusammen. Elektrochemische Zellen sind dabei insbesondere Brennstoffzellen, Elektrolysezellen und Batteriezellen.According to another aspect of the present invention, an electrochemical cell is provided. The electrochemical cell has a membrane-electrode assembly and a media distributor structure according to one of the above statements. The honeycomb layer of the media distribution structure interacts directly with an electrode layer of the membrane-electrode assembly. Electrochemical cells are in particular fuel cells, electrolytic cells and battery cells.
Die Hexagone der Wabenlage sind also bevorzugt so fein ausgeführt, dass eine Diffusionslage entfallen kann. Die elektrochemische Zelle wird somit günstiger und dünner.The hexagons of the honeycomb layer are therefore preferably designed so finely that a diffusion layer can be omitted. The electrochemical cell is thus cheaper and thinner.
Bevorzugt beträgt dazu die Seitenkantenlänge a der Hexagone 50µm bis 200µm, besonders bevorzugt 50µm bis 100µm.The side edge length a of the hexagons is preferably 50 μm to 200 μm, particularly preferably 50 μm to 100 μm.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.Further measures improving the invention result from the following description of various exemplary embodiments of the invention, which are shown schematically in the figures. All of the features and/or advantages resulting from the claims, the description or the figures, including structural details and spatial arrangements, can be essential to the invention both on their own and in the various combinations.
Es zeigen jeweils schematisch:
-
1 einen Schnitt durch eine aus dem Stand der Technik bekannt Brennstoffzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. -
2 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Medienverteilerstruktur, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. -
3 einen perspektivischen Ausschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. -
4 eine perspektivische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Medienverteilerstruktur, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
-
1 a section through a fuel cell known from the prior art, with only the essential areas being shown. -
2 a perspective view of a media distributor structure according to the invention, with only the essential areas being shown. -
3 a perspective section through an electrochemical cell according to the invention, with only the essential areas being shown. -
4 a perspective view of another media distributor structure according to the invention, only the essential areas being shown.
Im Kathodenraum 100a sind von der Membran 2 nach außen weisend - also in Normalenrichtung bzw. Stapelrichtung z - eine Elektrodenschicht 3, eine Diffusionslage 5 und eine Verteilerplatte 7 angeordnet. Analog sind im Anodenraum 100b von der Membran 2 nach außen weisend eine Elektrodenschicht 4, eine Diffusionslage 6 und eine Verteilerplatte 8 angeordnet. Die Membran 2 und die beiden Elektrodenschichten 3, 4 bilden eine Membran-Elektroden-Anordnung 1. Weiterhin sind auch noch die beiden Diffusionslagen 5, 6 Bestandteil der Membran-Elektroden-Anordnung 1.An electrode layer 3, a
Die Verteilerplatten 7, 8 weisen Kanäle 11 für die Gaszufuhr - beispielsweise Luft im Kathodenraum 100a und Wasserstoff im Anodenraum 100b -zu den Diffusionslagen 5, 6 auf. Die Diffusionslagen 5, 6 bestehen typischerweise kanalseitig - also zu den Verteilerplatten 7, 8 hin - aus einem Kohlefaserflies und elektrodenseitig - also zu den Elektrodenschichten 3, 4 hin - aus einer mikroporösen Partikelschicht.The distributor plates 7, 8 have
Die Verteilerplatten 7, 8 weisen die Kanäle 11 und somit implizit auch an die Kanäle 11 angrenzende Rippen 12 auf. Die Unterseiten dieser Rippen 12 bilden demzufolge eine Kontaktfläche 13 der jeweiligen Verteilerplatte 7, 8 zu der darunterliegenden Diffusionslage 5, 6.The distributor plates 7 , 8 have the
Üblicherweise unterscheiden sich kathodenseitige Verteilerplatte 7 und anodenseitige Verteilerplatte 8 voneinander; vorteilhafterweise sind die kathodenseitige Verteilerplatte 7 einer elektrochemischen Zelle 100 und die anodenseitige Verteilerplatte 8 der dazu benachbarten elektrochemischen Zelle fest verbunden, beispielsweise durch Schweißverbindungen, und damit zu einer Bipolarplatte zusammengefasst.Usually, the cathode-side distributor plate 7 and the anode-side distributor plate 8 differ from one another; Advantageously, the cathode-side distributor plate 7 of an
Eine als Elektrolysezelle ausgeführte elektrochemische Zelle kann einen analogen Aufbau aufweisen.An electrochemical cell designed as an electrolytic cell can have an analogous structure.
Eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle ist beispielsweise aus der
Die vorliegende Erfindung soll sich nicht auf eine Bipolarplatte beschränken, sondern ist eine Medienverteilerstruktur für eine elektrochemische Zelle, insbesondere für eine Brennstoffzelle oder für eine Elektrolysezelle. Die Medienverteilerstruktur kann dabei eine Bipolarplatte ganz oder teilweise ersetzen, oder sogar eine Diffusionslage und zumindest einen Teil der Bipolarplatte ersetzen. Eine derartige Medienverteilerstruktur ist beispielsweise aus der
Dazu zeigt
Die Wabenlage 22 umfasst eine Vielzahl von aneinander liegenden Hexagonen 24. Die Hexagone 24 liegen dabei in der Zellebene xy und ermöglichen eine Medienströmung in Stapelrichtung z. Die Strömungslage 21 umfasst eine Vielzahl von parallel ausgerichteten Stegen 23, welche in der Ausführung der
Die äußeren Flächen der Medienverteilerstruktur 20 bilden eine erste Anlagefläche 23a und eine zweite Anlagefläche 24a aus, welche beide in zur Zellebene xy parallel liegenden Ebenen angeordnet sind. Die erste Anlagefläche 23a wird von dir Stirnflächen der Stege 23 gebildet, und die zweite Anlagefläche 24a von den Grundflächen der Hexagone 24.The outer surfaces of the
In vorteilhaften Baugruppen sind die Medienverteilerstruktur 20 und die Separatorplatte 9 zu einer Bipolarplatte 30 zusammengefasst. Die Bipolarplatte 30 kann dabei weitere Elemente, beispielsweise weitere Bleche enthalten, um zum Beispiel Strömungsfelder für weitere Medien wie Kühlmittel auszubilden.The
In bevorzugten Ausführungen der elektrochemischen Zelle 100 liegt die zweite Anlagefläche 24a der Medienverteilerstruktur 20 unmittelbar an der Membran-Elektroden-Anordnung 1 an, wie in
Die bevorzugten Geometrien der Strömungslage 21 und der Wabenlage 22 hängen davon ab, ob zwischen der Medienverteilerstruktur 20 und der Elektrodenschicht 3, 4 eine Diffusionslage 5, 6 eingesetzt ist, oder ob die Medienverteilerstruktur 20 unmittelbar mit der Elektrodenschicht 3, 4 zusammenwirkt:
- Fall A:
Wabenlage 22 wirktmit der Diffusionslage - - Seitenkantenlänge a
der Hexagone 24 bzw. Steglänge a der Stege 23: a = 0,2mm bis 2mm, besonders bevorzugt 0,4mm bis 1mm - - Kantenbreite
b der Hexagone 24 bzw. Stegbreite b der Stege 23: b = 0,05mm bis 0,7mm - - Höhe h1 der Strömungslage 21: h1 = 0,3mm bis 0,8mm
- - Höhe h2 der Wabenlage 22: h2 = 0,1mm bis 0,5mm
- - Verhältnis der Durchflussfläche D zu der Auflagefläche A in der Wabenlage 22: = D/A = 0,7 bis 3, besonders bevorzugt 0,8
bis 2.
- - Seitenkantenlänge a
- Fall B:
Wabenlage 22 wirkt mit der Elektrodenschicht 3, 4 zusammen. Hierbei sind die bevorzugten Maße:- - Seitenkantenlänge a
der Hexagone 24 bzw. Steglänge a der Stege 23: a = 0,05mm bis 0,2mm, besonders bevorzugt 0,05mm bis 0,1mm - - Kantenbreite
b der Hexagone 24 bzw. Stegbreite b der Stege 23: b = 0,01mm bis 0,02mm - - Höhe h1 der Strömungslage 21: h1 = 0,2mm bis 0,5mm
- - Höhe h2 der Wabenlage 22: h2 = 0,1mm bis 0,2mm
- - Verhältnis der Durchflussfläche D zu der Auflagefläche A in der Wabenlage 22: = D/A = 0,7 bis 3, besonders bevorzugt 0,8
bis 2.
- - Seitenkantenlänge a
- Case A:
honeycomb layer 22 interacts with thediffusion layer - - Side edge length a of the
hexagons 24 or web length a of the webs 23: a=0.2 mm to 2 mm, particularly preferably 0.4 mm to 1 mm - - Edge width b of the
hexagons 24 or web width b of the webs 23: b=0.05mm to 0.7mm - - Height h1 of the flow layer 21: h1 = 0.3mm to 0.8mm
- - Height h2 of the honeycomb layer 22: h2 = 0.1mm to 0.5mm
- - Ratio of the flow area D to the contact area A in the honeycomb layer 22: = D/A = 0.7 to 3, particularly preferably 0.8 to 2.
- - Side edge length a of the
- Case B:
honeycomb layer 22 interacts with the electrode layer 3, 4. The preferred dimensions are:- - Side edge length a of the
hexagons 24 or web length a of the webs 23: a=0.05 mm to 0.2 mm, particularly preferably 0.05 mm to 0.1 mm - - Edge width b of the
hexagons 24 or web width b of the webs 23: b=0.01mm to 0.02mm - - Height h1 of the flow layer 21: h1 = 0.2mm to 0.5mm
- - Height h2 of the honeycomb layer 22: h2 = 0.1mm to 0.2mm
- - Ratio of the flow area D to the contact area A in the honeycomb layer 22: = D/A = 0.7 to 3, particularly preferably 0.8 to 2.
- - Side edge length a of the
Für den Fall A gibt es den Sonderfall, dass die Diffusionslage 5, 6 als freitragende mikroporöse Schicht ausgeführt ist; es entfällt also eine Faserlage als Bestandteil der Diffusionslage 5, 6. Für diesen Sonderfall liegen die Geometrien für die Wabenlage 22 zwischen den beiden oben beschriebenen Fällen A und B. Insbesondere beträgt die Seitenkantenlänge a der Hexagone 24 dann bevorzugt 0,1mm bis 0,3mm, besonders bevorzugt 0,1mm bis 0,2mm.For case A there is the special case that the
Die Stegbreite b der Stege 23 der Strömungslage 21 kann identisch zur Kantenbreite b der Hexagone 24 in der Wabenlage 22 sein oder davon abweichen, bevorzugt ist sie identisch. Das Verhältnis von Durchflussfläche D zu Auflagefläche A in der Ebene der Wabenlage 22 kann durch Variation der Seitenkantenlänge a sowie der Kantenbreite b des Hexagons 24 definiert werden.The web width b of the
Wenn man berücksichtigt, dass pro Hexagon 24 die sechs Kanten nur jeweils zur Hälfte dem Hexagon 24 zugeordnet werden (die andere Hälfte wird dem jeweils benachbarten Hexagon zugeordnet), dann gilt für die Flächen:
- - Auflagefläche A eines Hexagons 24, also die Kontaktfläche zur Elektrodenschicht 3, 4 bzw.
zur Diffusionslage 5, 6: A = 3*a*b - - Gesamtfläche bzw. Grundfläche G eines Hexagons 24: G = 3/2*(a-b)2*31/3
- - Durchflussfläche D: D = G - A
- - Bearing surface A of a
hexagon 24, ie the contact surface to the electrode layer 3, 4 or to thediffusion layer 5, 6: A=3*a*b - - Total area or base area G of a hexagon 24: G = 3/2*(ab) 2 *3 1/3
- - Flow area D: D = G - A
Für das Verhältnis D/A ergibt sich somit:
Für ein besonders bevorzugtes Verhältnis von D/A = 2 ergibt sich somit für das Verhältnis von Seitenkantenlänge a zu Kantenbreite b: a/b~2.For a particularly preferred ratio of D/A=2, the result for the ratio of side edge length a to edge width b is: a/b˜2.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents cited by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102005046461 A1 [0002]DE 102005046461 A1 [0002]
- DE 102015226753 A1 [0029]DE 102015226753 A1 [0029]
- DE 102019210633 A1 [0029]DE 102019210633 A1 [0029]
- DE 102007042985 A1 [0029]DE 102007042985 A1 [0029]
- DE 112007000017 T5 [0030]DE 112007000017 T5 [0030]
Claims (15)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102021214824.7A DE102021214824A1 (en) | 2021-12-21 | 2021-12-21 | Media distributor structure, bipolar plate and electrochemical cell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102021214824.7A DE102021214824A1 (en) | 2021-12-21 | 2021-12-21 | Media distributor structure, bipolar plate and electrochemical cell |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102021214824A1 true DE102021214824A1 (en) | 2023-06-22 |
Family
ID=86606341
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE102021214824.7A Pending DE102021214824A1 (en) | 2021-12-21 | 2021-12-21 | Media distributor structure, bipolar plate and electrochemical cell |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102021214824A1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102005046461A1 (en) | 2004-09-21 | 2006-04-06 | Reinz-Dichtungs-Gmbh | Fuel cell arrangement for fuel cell stack, has glue contact glued with pressure sensitive adhesive or binding adhesive, where sensitive adhesive is provided on sealing structure of plate layer and/or on boundary region of layer |
| DE102007042985A1 (en) | 2007-09-10 | 2009-03-12 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Bipolar plate for a PEM electrolyzer |
| DE112007000017T5 (en) | 2006-02-10 | 2009-03-12 | Tamagawa High Tech Co., Ltd., Agano | A method of forming a gas diffusion layer for a fuel cell |
| DE102015226753A1 (en) | 2015-12-28 | 2017-06-29 | Robert Bosch Gmbh | Method for producing a flow plate for a fuel cell |
| DE102019210633A1 (en) | 2019-07-18 | 2021-01-21 | Robert Bosch Gmbh | Method for manufacturing a manifold structure |
-
2021
- 2021-12-21 DE DE102021214824.7A patent/DE102021214824A1/en active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102005046461A1 (en) | 2004-09-21 | 2006-04-06 | Reinz-Dichtungs-Gmbh | Fuel cell arrangement for fuel cell stack, has glue contact glued with pressure sensitive adhesive or binding adhesive, where sensitive adhesive is provided on sealing structure of plate layer and/or on boundary region of layer |
| DE112007000017T5 (en) | 2006-02-10 | 2009-03-12 | Tamagawa High Tech Co., Ltd., Agano | A method of forming a gas diffusion layer for a fuel cell |
| DE102007042985A1 (en) | 2007-09-10 | 2009-03-12 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Bipolar plate for a PEM electrolyzer |
| DE102015226753A1 (en) | 2015-12-28 | 2017-06-29 | Robert Bosch Gmbh | Method for producing a flow plate for a fuel cell |
| DE102019210633A1 (en) | 2019-07-18 | 2021-01-21 | Robert Bosch Gmbh | Method for manufacturing a manifold structure |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE102008013439B4 (en) | Fuel cell stack and bipolar plate for a fuel cell | |
| DE112007002797B4 (en) | FUEL CELL WITH CHANNEL-FORMING ELEMENTS | |
| DE112005001970T5 (en) | Embossed bridges and plates for reactant delivery for a fuel cell | |
| DE102017124843B4 (en) | Single cell of a fuel cell | |
| WO2017013201A1 (en) | Fuel cell and fuel cell stack | |
| WO2019175200A1 (en) | Gas distributor structure for a fuel cell | |
| WO2019185350A1 (en) | Gas distributor structure for a fuel cell | |
| EP1316121B1 (en) | Bipolar plate for a fuel cell | |
| DE102019220534A1 (en) | Electrochemical cell with a distribution plate | |
| DE102008033209A1 (en) | Fuel cell arrangement i.e. polymer-electrolyte-membrane fuel cell arrangement, for vehicle, has rods arranged relative to each other, such that electrode-arrangement arranged between bipolar plates is corrugated in mounted condition | |
| DE10233982B4 (en) | Bipolar plate for a fuel cell and fuel cell stack | |
| DE102009043208B4 (en) | Material design to allow fuel cell performance at high center temperature with ultrathin electrodes | |
| DE102021214824A1 (en) | Media distributor structure, bipolar plate and electrochemical cell | |
| EP4166691A1 (en) | Frame for pem electrolytic cells and pem electrolytic cell stack for producing high pressure hydrogen by means of differential pressure electrolysis | |
| WO2022111924A1 (en) | Bipolar plate for an electrochemical cell, arrangement of electrochemical cells, and method for operating an arrangement of electrochemical cells | |
| DE10347229A1 (en) | Fuel cell stack for a motor vehicle has fuel cells each with an electrolyte unit, two electrodes and separator units with first, second and third fluid channels | |
| DE102018200842B4 (en) | Fuel cell plate, bipolar plates and fuel cell assembly | |
| DE10110819B4 (en) | Method for operating a fuel cell | |
| DE102019210637A1 (en) | Gas diffusion layer, fuel cell with gas diffusion layer and fuel cell stack with fuel cell | |
| DE102018211078B3 (en) | Bipolar plate for fuel cells with three individual plates, and fuel cell and fuel cell stack with such bipolar plates | |
| DE102020213218A1 (en) | Fuel cell stack and electrochemical reactor | |
| DE102021209735A1 (en) | Distribution plate for an electrochemical cell and electrochemical cell | |
| DE102020213580A1 (en) | Distribution plate for an electrochemical cell and electrochemical cell | |
| DE102019211819A1 (en) | Semi-finished product, bipolar plate with semi-finished product, fuel cell with bipolar plate and method for manufacturing a semi-finished product | |
| DE102020213578A1 (en) | Distribution plate for an electrochemical cell and electrochemical cell |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R163 | Identified publications notified |