DE10323644B4

DE10323644B4 - Brennstoffzelle mit Anpasssung der lokalen flächenspezifischen Gasströme

Info

Publication number: DE10323644B4
Application number: DE10323644A
Authority: DE
Inventors: Felix Dipl.-Ing.(FH) Blank; Cosmas Dipl.-Ing. Heller
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-05-26
Filing date: 2003-05-26
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2023-05-27
Also published as: US20050019647A1; US7465513B2; DE10323644A1; JP2004356100A

Abstract

Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), bei der die Reaktionsgase jeweils von einem Eingangssport (1) durch Kanäle (2) einer Flowfield-Struktur zum Ausgangsport (3) geführt werden, wobei das vom Reaktionsgas durchströmte Kanalvolumen entlang des Verlaufs der Kanäle (2) vom Eingangsport (1) zum Ausgangsport (3) in Strömungsrichtung abnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalvolumen durch abschnittsweise Verringerung einer Anzahl parallel durchströmter Kanäle abnimmt.

Description

Die Erfindung betrifft Brennstoffzellen mit Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM).
Bei unbefeuchteten oder teilbefeuchteten Brennstoffzellen dieses Typs trocknet die Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) im Reaktionsbereich am Kathodeneingang verstärkt aus, so dass sich die effektive Leistung der Zelle verschlechtert bzw. im Extremfall die Zelle beschädigt wird. Der Grund ist der in diesem Bereich relativ trockene und pro Fläche des aktiven Zellbereichs zu große Kathodengasstrom was zur Folge hat, dass das am Katalysator gebildete Produktwasser nicht zur Befeuchtung der MEA ausreicht, um Austrocknungseffekte zuverlässig zu verhindern. Dies gilt insbesondere für Brennstoffzellen mit herkömmlichen Gasverteilerstrukturen (Flowfields), bei denen die Breite der gasführenden Kanäle vom Kathodeneingang zum -ausgang konstant gehalten wird.
Stand der Technik zur Vermeidung von Austrocknungseffekten sind Flowfields für unbefeuchtete oder teilbefeuchtete PEM-Brennstoffzellen aus porösem Material zum Ausgleich des Wasserdampfpartialdrucks entlang des Kathodenkanals. Am Kathodeneingang ist der Wasserdampfpartialdruck aufgrund des ungesättigt einströmenden Luftstromes niedrig. Dieser Strom wird dann entlang des Kathodenkanals durch das entstehende Pro duktwasser nach und nach mit Wasser angereichert, wodurch der Wasserdampfpartialdruck steigt. Am Kathodenausgang schließlich ist der Wasserdampfpartialdruck so stark angestiegen, dass oft flüssiges Wasser durch Kondensation entsteht und von den porösen Platten aufgenommen wird. Der Wasserstrom wird in der Platte durch Diffusion zum trockenen Kathodeneingang geleitet und zur Befeuchtung des eintretenden Kathodenluftstromes in diesem Bereich der Membrane verwendet.
Der Nachteil dieser Anordnung liegt in den hohen Kosten des Bipolarplattenmaterials aus einer porösen Struktur, in einer erhöhten Bipolarplattendicke und in der Empfindlichkeit eines solchen Systems hinsichtlich hoher Zelltemperaturen, wie sie beispielsweise für eine Verkleinerung des Kühlungssystems der Brennstoffzelle wünschenswert sind.
Das europäische Patent EP 0 567 499 B2 beschäftigt sich u. a. mit dem Problem der Verstopfung der Kanäle einer Flowfield-Struktur mit flüssigem Wasser. Als Lösung dieses Problems regt das Patent u. a. an, das durchströmbare Kanalvolumen innerhalb eines Stacks von Brennstoffzelle zu Brennstoffzelle zu verringern, z. B. durch Verringerung der Anzahl der Kanäle der jeweiligen Flowfield-Struktur. Dadurch kann ein Druckabfall erzeugt werden, der die Fähigkeit eines in den Kanälen fließenden Gasstroms Wasserdampf zu absorbieren signifikant verbessert und somit die Ansammlung von flüssigem Wasser in den Kanälen weitgehend verhindert.
Die europäische Patentanmeldung EP 1 265 303 A1 offenbart eine Flowfield-Struktur für Brennstoffzellen, in deren von einem Reaktionsgas durchströmbaren Kanälen das Kanalvolumen vom Eingangsport zum Ausgangsport abnimmt. Dabei wird ein Kanal an einer bestimmten Stelle durch eine Barriere geteilt und in der Summe verengt.
Die japanische Patentanmeldung JP 06267564 A offenbart ebenfalls eine Flowfield-Struktur für Brennstoffzellen, in deren von einem Reaktionsgas durchströmbaren Kanälen das Kanalvolumen vom Eingangsport zum Ausgangsport abnimmt. Dabei wird der Querschnitt der Kanäle sukzessive verkleinert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, durch entsprechende Ausgestaltung der Gasverteilerstruktur die Gasströme innerhalb der aktiven Zellfläche von PEM-Brennstoffzellen derart anzupassen, dass ein weitgehend gleichverteilter Befeuchtungszustand über die Membranfläche erreicht wird. Diese Aufgabe wird gelöst durch die modifizierte Kanalstruktur entsprechend den charakterisierenden Merkmalen des Hauptanspruchs 1. Weitere Details und vorteilhafte Ausführungsformen erfindungsgemäßer Kanalstrukturen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und die darin aufgeführten Bezugszeichen näher erläutert.
Dabei zeigt
1 Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kanalstruktur mit lokal unterschiedlicher Kanalanzahl.
2 Eine nicht erfindungsgemäße Kanalstruktur mit lokal unter schiedlichen Kanalquerschnitten.
3 Darstellung der rechnerischen Partialdruckverläufe in einem herkömmlichen Flowfield.
4 Darstellung der rechnerischen Partialdruckverläufe in einem Flowfield mit erfindungsgemäß ausgebildeter Kanalstruktur.
Die vorliegende Erfindung löst das Problem des Austrocknens der MEA durch speziell ausgestaltete Kanalstrukturen, bei denen entlang des Verlaufs von Gaseingangsport zum Ausgangsport lokal das durchströmte Kanalvolumen (pro Einheit der Kanallänge) verändert ist. Damit ist in den kritischen Bereichen der MEA das wirksame Gasvolumen so angepasst, dass Austrocknungseffekte weitgehend vermieden werden. So ist insbesondere der insgesamt vom Reaktionsgas durchströmte Kanalquerschnitt dort erhöht, wo im Flowfield die Gefahr des Austrocknens durch eine geringe relative Feuchte der strömenden Gase gegeben ist (z. B. am Kathodeneingang). Zur Vergrößerung des wirksamen Kanalvolumens kann die Anzahl parallel durchströmter Kanäle oder der Kanalquerschnitt erhöht werden oder beides zusammen.
Eine weitere Möglichkeit, um auf das durchströmte Kanalvolumen Einfluss zu nehmen, ist die Variation der Kanalbreite und/oder der Stegbreite.
Die 1 zeigt schematisch eine erste vorteilhafte Ausführung zur Vergrößerung des wirksamen Kanalvolumens in einem Flowfield-Bereich, in dem die Gasfeuchte besonders gering ist (z. B. im Kathodeneintrittsbereich einer isothermen unbefeuchteten Brennstoffzelle mit über 60°C Zelltemperatur). Vom Gaseingangsport (1) führen mehrere Kanäle (3) mit identischem Querschnitt den Gasstrom zum Ausgangsport (2). Abschnittsweise wird dabei die Anzahl der parallel verlaufenden Kanäle reduziert. In der vereinfachten Darstellung der 1 werden acht vom Eingangsport (1) ausgehende Kanäle (3) nach einem ersten Abschnitt zunächst auf vier und nach einem weiteren Abschnitt auf verbleibende 2 Kanäle reduziert. Entsprechend verringert sich die Summe des parallel durchströmten Kanalquerschnitts ausgehend vom Gaseingangsport (1) in den jeweiligen Bereichen schrittweise bis zum Ausgangsport (2). Je nach Ausgestaltung können Lage, Form und Ausdehnung der verschiedenen Abschnitte verändert werden, ebenso die Anzahl der Kanäle pro Abschnitt, so dass beispielsweise statt der dargestellten Halbierung pro Abschnitt eine geringere/größere Abnahme der Kanalanzahl erfolgt.
2 veranschaulicht eine nicht erfindungsgemäße Kanalstruktur, bei der die Anzahl der Kanäle (3) unverändert bleibt, dafür aber die Kanalbreiten vom Eingangs- zum Ausgangsport abnehmen. Dargestellt ist eine abschnittsweise Verringerung der Kanalbreiten, ebenso können aber die Kanalquerschnitte auch kontinuierlich reduziert sein, z. B. linear abnehmend vom Eingangs- bis zum Ausgangsport.
Die beiden in 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen können auch kombiniert werden, so dass eine große Variationsbreite entsteht, die eine Anpassung an Brennstoffzellen unterschiedlichen Typs und die entsprechenden Betriebsparameter ermöglicht.
Wird die erfindungsgemäße Maßnahme in einem Flowfield-Bereich angewendet, in dem die Gase eine zu geringe Feuchte aufweisen, so verringert sich der Gasvolumenstrom pro benetzter MEA-Fläche der aktiven Zellfläche, d. h. es wird pro Gasvolumenstrom mehr Produktwasser durch die elektrochemische Reaktion gebildet, so dass die MEA in diesem Bereich weniger stark oder nicht mehr austrocknet.
Ein vorteilhafter Einfluss ergibt sich zusätzlich dadurch, dass an Stellen geringer Gasfeuchte die benetzte MEA-Fläche gering ist, wodurch der Abtransport von Wasser aus der MEA zum Gasstrom verringert wird. Umgekehrt wird der Abtransport von Wasser aus der MEA an den Gasstrom an Stellen hoher MEA-Feuchte durch eine vergrößerte benetzte MEA-Fläche verbessert.
Zur Veranschaulichung des Einflusses einer Kanalstruktur nach 1 im Vergleich zu einer herkömmlichen Kanalstruktur mit gleichbleibendem Kanalvolumen sind in 3 und 4 die Ergebnisse entsprechender Vergleichsrechnungen dargestellt. 3 zeigt den mittleren Partialdruckverlauf der einzelnen kathodenseitigen Gaskomponenten entlang des Flowfields bei einer herkömmlichen serpentinenförmigen Flowfield-Struktur ohne erfindungsgemäße lokale Kanalverzweigungen. 4 zeigt die mittleren Partialdruckverläufe bei einem erfindungsgemäßen Flowfield mit einer Kanalstruktur analog zu 1.
Beide Rechnungen wurden mit gleicher aktiver Zellfläche, gleichen Gasflüssen am Kathodeneingang, gleichem Temperatur- und Absolutdruckverlauf entlang des Kathodenkanals sowie gleicher (homogener) Reaktionsrate durchgeführt. Deutlich zu sehen ist die große Differenz zwischen dem lokalen Sättigungspartialdruck (-⎕-) des kathodenseitigen Gasgemisches und dem lokalen Wasserdampfpartialdruck (-Δ-) bei herkömmlichen Serpentinen-Flowfields (3). In 4 ist diese Differenz deutlich geringer, im Bereich nahe der Kanalmitte beträgt sie sogar nur einen Bruchteil des Werts nach 3.
Da die Differenz zwischen dem lokalen Sättigungspartialdruck des kathodenseitigen Gasgemisches und dem lokalen Wasserdampfpartialdruck ein direktes Maß für das Austrocknen der MEA durch Diffusionswasserströme an das Gasgemisch darstellt, ergibt sich eine – teilweise um ein mehrfaches – verringerte Gefahr durch Austrocknen des Elektrolyten durch das erfindungsgemäße Flowfield. Durch geeignete Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kanalstruktur kann deshalb der Wasserdampfpartialdruck optimal an die lokalen Verhältnisse besonders im Bereich der Kanalmitte angepasst werden.
Die erfindungsgemäße Anpassung der lokalen Kanalanzahl begünstigt außerdem den Stofftransport des Wassers an den Stellen im Flowfield, an denen die Strömungsgeschwindigkeit groß ist. Dies ist genau dort der Fall, wo der Gasstrom erfindungsgemäß durch wenige oder schmälere Kanäle strömt und die Feuchte der Gase hoch ist. Dadurch wird der Wassertransport zwischen MEA und Gasstrom genau dort verstärkt, wo genügend Feuchte im Gasstrom vorliegt. Der Stoffumsatz wird in diesem Bereich dadurch verbessert, ohne den Elektrolyten auszutrocknen. An Stellen im Flowfield mit geringer Gasfeuchte ist durch die erfindungsgemäße Maßnahme (erhöhte Kanalanzahl) die Strömungsgeschwindigkeit deutlich geringer. Dadurch wird der Wassertransport von MEA zum Gasstrom verringert und die MEA trocknet weniger aus.

Claims

Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), bei der die Reaktionsgase jeweils von einem Eingangssport (1) durch Kanäle (2) einer Flowfield-Struktur zum Ausgangsport (3) geführt werden, wobei das vom Reaktionsgas durchströmte Kanalvolumen entlang des Verlaufs der Kanäle (2) vom Eingangsport (1) zum Ausgangsport (3) in Strömungsrichtung abnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalvolumen durch abschnittsweise Verringerung einer Anzahl parallel durchströmter Kanäle abnimmt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalvolumen auch durch Verringerung der Kanalquerschnittsfläche abnimmt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung der Kanalquerschnittsfläche vom Eingangsport (1) zum Ausgangsport (2) stufenweise erfolgt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung der Kanalquerschnittsfläche vom Eingangsport (1) zum Ausgangsport (2) kontinuierlich erfolgt.
Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das durchströmte Kanalvolumen pro Kanallängeneinheit kathodenseitig an den Stellen der aktiven Zellfläche erhöht ist, an denen die relative Feuchte der strömenden Gase niedriger ist als in den übrigen Bereichen der aktiven Zellfläche.
Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das durchströmte Kanalvolumen pro Kanallängeneinheit anodenseitig an den Stellen der aktiven Zellfläche erhöht ist, an denen die relative Feuchte der strömenden Gase niedriger ist als in den übrigen Bereichen der aktiven Zellfläche.