EP1634346A2 - Elektrochemische anordnung mit elastischer verteilungsstruktur - Google Patents

Elektrochemische anordnung mit elastischer verteilungsstruktur

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EP1634346A2
EP1634346A2 EP04740110A EP04740110A EP1634346A2 EP 1634346 A2 EP1634346 A2 EP 1634346A2 EP 04740110 A EP04740110 A EP 04740110A EP 04740110 A EP04740110 A EP 04740110A EP 1634346 A2 EP1634346 A2 EP 1634346A2
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EP
European Patent Office
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arrangement according
distribution structure
electrochemical
electrochemical arrangement
distribution
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04740110A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dieter Grafl
Raimund STRÖBEL
Markus Lemm
Dominique Tasch
Kai Lemke
Bernd Gaugler
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Reinz Dichtungs GmbH
Original Assignee
Reinz Dichtungs GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to an electrochemical arrangement, such as a fuel cell arrangement, an electrolyzer or an electrochemical compressor, according to the features of the preamble of patent claim 1.
  • a fuel cell arrangement in the sense of this patent application typically contains a first and a second bipolar plate, between which the actual fuel cell, often in the form of an MEA (membrane electrode assembly), is arranged.
  • MEA membrane electrode assembly
  • distribution structures are often used, which are designed as channels.
  • Channel-like structures or partial stamps can also be used as distribution structures, which can serve to introduce and homogeneously distribute the reactants or the cooling medium. These are often placed in the fuel cell bipolar plate.
  • a fundamental disadvantage of fuel cell systems which essentially consist of arrangements of bipolar plates, MEA and possibly further layers, is that even with a very small dimensional deviation of these layer components, there is sufficient contact and contact pressure from layer component to layer -Build is not reliably guaranteed.
  • the force of the contact pressure is usually introduced selectively into each of the two-dimensional arrangements, with the result that a systematically uneven force distribution in the area of the active surface of the respective one of the arrangements occurs.
  • the resulting disadvantageous effect manifests itself in particular in an increased electrical internal resistance of the fuel cell and a significant drop in performance.
  • the object of the present invention is to provide an electrochemical arrangement such as a fuel cell arrangement, an electrolyzer or an electrochemical compressor with at least one distribution structure for introducing and distributing a reactant, which avoids the disadvantages of the prior art, in particular by the Reliable provision of sufficient and homogeneously distributed contact pressure to ensure a high current flow without significant losses.
  • the distribution structure is essentially guided in one plane and is elastic in a controlled manner against pressure loads perpendicular to this plane has resulted in a constructive, and thus a technically particularly robust, universal and low-effort solution for producing sufficient and homogeneously distributed contact forces of the layer component to layer component found within the active areas of an electrochemical device, such as a fuel cell device, an electrolyzer, or an electrochemical compressor.
  • an electrochemical device such as a fuel cell device, an electrolyzer, or an electrochemical compressor.
  • the distribution structure is formed by resilient boundary walls for fluid guidance.
  • the spring-elastic distribution structures which are located within the layer composite are at least partially compressed.
  • these resilient distribution structures take on the function of elastic elements within the electrochemical arrangement and thus ensure a homogeneous distribution of the contact pressure of the layers of the electrochemical arrangement to one another, which remains guaranteed over the entire life of the electrochemical arrangement, since the components of the electrochemical arrangement also settle Arrangement is compensated by these elastic distributor structures acting as spring-elastic elements. In this way, a
  • such a spring-elastic distribution structure In addition to the function as a spring-elastic element, such a spring-elastic distribution structure also takes on the function of uniform distribution the media within the active area of the electrochemical array. In this way, the bundling of properties avoids additional design effort and thus technically simplifies production.
  • An advantageous embodiment of the invention provides for the resilient distribution structures in the layered composite of the fuel cell arrangement to be implemented as a spatially structured layer within this composite. This not only considerably simplifies the production of the distribution structures, since the resilient “distribution layer” can be formed from a single piece, but it also has the advantage that, at the same time, the tightness of the distribution structures against uncontrolled escape of the reactant after the outer layers of the fuel cell arrangement is prevented and at the same time the supply of the active areas of the fuel cell with the reactants takes place in a particularly uncomplicated manner.
  • this surface pressure is produced by tensioning elements, since the tensioning elements introduce the force at certain points into the fuel line arrangement and this selective introduction of force is converted into a homogeneous contact pressure, in particular by the spring-elastic distribution structures.
  • the fuel cell arrangement is advantageously designed in such a way that the distribution structure runs continuously from its entrance to its exit, then a solution with little construction effort is proposed, wherein several distribution structures can also form an overall distribution level.
  • FIG. 1b shows the fuel cell arrangement shown in FIG. 1a in the assembled state
  • Ic a fuel cell stack from a variety number of stacked fuel cell assemblies, as shown in Fig. Ib,
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a flexible reactant distribution structure in the form of a structured layer in spatial cross section
  • FIGS. 3 to 7 variations of spring-elastic distribution structures designed as a structured layer
  • FIGS. 9 + 10 examples of layers according to the invention
  • 11 is a diagram of the spring rate.
  • the representation of the fuel line arrangement 14, together with the following explanations of the exemplary embodiment, serves as a representative example for all electrochemical arrangements described at the outset, as well as electrolysers or electrochemical compressors.
  • FIG. 1 a shows the structure of a fuel cell arrangement 14 as shown in FIG. 1 b.
  • a plurality of fuel cell arrangements 14 form the layered area of a fuel cell stack 15 in FIG. 1c arranged between end plates. This is held together by clamping elements in surface pressure, for example by clamping bolts or clamping straps.
  • each bipolar plate of the fuel cell shows resilient channels (9) for introducing and distributing reactants into the active surface IIa of the fuel cell 11, in the present case schematically as a black surface ⁇ IIa.
  • the electrochemically active area of the fuel cells is arranged in an essentially closed space which is essentially delimited laterally by sealing elements 13.
  • the schematically illustrated distributor structure 9, which in the present case represents the spring-elastic distribution structures as an embodiment of the invention, can be designed as a structured layer, the cross section of which is shown in FIGS. 2 to 7 and which, according to FIG. 8, forms a channel serpentine course along the plate 10 (ie perpendicular to the stack direction 6) of the fuel cell assembly 14.
  • the distribution structures can be designed as individual channels that open up the plane of the active surface as meanders, as well as double or multiple channels that run in a meandering manner.
  • the distribution structures be designed as stamps or posts that open up the level of the active surface or as a channel-like structure that connects the entrance and exit directly or with one or more branches by a suitable type.
  • the materials of the distributor structures can also be less elastic materials such as certain metals (e.g. aluminum, titanium) or also electrically conductive plastic, porous and electrically conductive fleece or fabric, as well as electrically conductive ceramics. In these cases, the necessary elasticity comes from an elastic cooling plate.
  • FIG. 2 shows a spatially represented cross section through a resilient distribution structure 1, which has an essentially trapezoidal cross section and is delimited on one side by an end face (that is, a surface parallel to the plane of the course of the distribution structure) 2 and side walls 3.
  • an end face that is, a surface parallel to the plane of the course of the distribution structure
  • side walls 3 3.
  • the complementary intermediate space 1 ′ can also be used as a distribution structure for transporting a medium.
  • the surface 2 'along the plane of the base surface of the structured layer then forms the complementary "end wall" 2'.
  • FIGS. Ia and Ib Layer in a layer composite of a fuel cell arrangement as shown in FIGS. Ia and Ib is shown.
  • both the end face 2 and the side wall 3 are resiliently deformed when a vertical pressure load is exerted.
  • the elasticity can be realized in that the material thickness of the, for example metallic, plate from which the distribution structure is formed is partially tapered in such a way that a local stiffening due to cold deformation is set can.
  • the elasticity of the distribution structure must be functional in the range from 0.1 to 150 N / mm 2 surface pressure (depending on the application, preferably 0.5-10 N / mm 2 ).
  • the materials used have an elastic modulus of 10 to 250 kN / mm 2 .
  • the spring rate required is between 0.1 and 100 kN / mm per square centimeter, preferably between 0.2 and 100 kN / mm per cm 2 , particularly preferably between 0.5 and 50 kN / mm per cm 2 .
  • the surface pressure is exerted by applying force in the z direction (see FIG. 10) and the area specified in cm 2 describes the pressed surface in the xy plane (see, for example, end face 2, 2 ' in FIG.
  • FIG. 11 shows the defined course for a controlled elastic bipolar plate, ie the degressive course of the spring rate over the surface pressure of a metallic bipolar plate as shown in FIG. 9 or 10, wherein a uniform spring rate was set over the xy plane.
  • FIG. 4 shows a further structuring form in which both the end face 2 and the side wall 3 are deformed again with a vertical pressure load F.
  • the pre-structuring provides a parabolic or Gaussian cross-section.
  • the "maximum area" of the Gauss bell is flattened, causing the side walls 3 to rise or fall more steeply.
  • FIG. 5 shows a further embodiment, in which essentially the side walls 3 are resiliently deformed under pressure, while the end face 2 remains essentially unchanged.
  • This is made possible by a trapezoidal structuring of the distribution-structure-forming, spatially structured layer, in contrast to the one shown in FIG. 2, however, the longer parallel side forms the end face 2, while the shorter, imaginary, parallel side of the trapezoid-like structure along the plane the base of the structured layer.
  • pressure load F With pressure load F, the angles enclosed by the legs of the trapezoid and the parallel sides are reduced.
  • FIG. 6 A modification of this is shown in FIG. 6.
  • the edge transitions between end face 2, side walls 3 and the base of the structured layer are round, so that an "omega-shaped" cross section is created.
  • FIG. 7 shows a modified embodiment of that shown in FIG. 2.
  • a suitable control of the forming process causes the material thickness to change in the flanks or radii of the structure in such a way that the elasticity or hardness of the material can be specifically adjusted.
  • the material properties can be changed continuously or partially across the cross-section (across the structure) or along the distribution structure. This means that the elasticity or stiffness behavior can be coordinated across the entire distribution structure.
  • FIG. 8 shows the serpentine course of the distribution structure 1 along the plane of the structured layer (not shown).
  • the concentric circles F illustrate the course of the point-applied contact pressure as it passes through Clamping elements is introduced into the layer composite of the fuel cell arrangement 14. It is shown on the basis of these "level lines” how the distribution structure is compressed to different extents due to the spatially differently distributed compressive forces and how a spatially homogeneous distribution of the contact pressure in the layer composite of the fuel cell arrangement 14 is achieved due to its resilient properties.
  • the concentric circles thus include, by way of example, surfaces which have a different elasticity or rigidity due to the structures described in accordance with FIGS. 3 to 7. The elasticity can therefore be matched to the mechanical parameters of the fuel cell stack.
  • Section AA shows an outwardly decreasing stiffness (area b has a higher stiffness compared to areas a and
  • the distribution structure can be given a partially different elasticity, depending on the location, ideally adapted (realized by incorporating the structures shown, for example, in section AA in FIG. 8) in such a way that the elasticity in areas with low surface pressure at the fuel cell level is increased.
  • bipolar plate good electrical contact from bipolar plate to bipolar plate can be ensured, on the other hand, the uniform distribution of the media, such as hydrogen and air as reactants, or also a cooling medium.
  • the better electrical contact due to the homogeneous pressure distribution leads to an increase in the performance of the fuel cell.
  • Appropriate design makes it possible to Distribute forces specifically to the density functions and active line function areas, so that it is ensured that surface pressures that have been set are preserved over the service life and remain homogeneous.
  • the elastic distribution structure can be arranged in layers at various locations in a fuel cell stack, which consists of graphite, graphite-filled plastics or conductive plastics.
  • This distribution structure which is consequently formed using graphite, graphite-filled plastics or similar conductive plastics, can preferably be used in this case as a metallic cooling distribution structure.
  • the distribution structure described here can also be used advantageously for the related electrolysis acids or electrochemical compressors.
  • Table 1 gives an overview of how the internal resistance R_ges cooling position of the fuel cell could be decisively reduced by using distribution structures according to the invention, in this case for transporting a cooling medium.
  • Table 1 shows comparative values for a fuel cell arrangement, the voltage differences across the individual cooling layers or cells being indicated. These cooling layers are, for example, cooling layers, as indicated in FIG. 9. It can be clearly seen here that with the bipolar plate elastic behavior, the voltage drop across the cooling position is significantly less than with the standard cell structure, so that an increase in the useful voltage of 5 to 10% can be easily achieved.
  • FIG. 9 shows a distribution structure according to the invention, which is designed as a fluid-tight plate 9 '.
  • Plate is preferably to be understood as meaning single-layer deformed plates. These can be, for example, plates made of a metal sheet, into which a corresponding structure with channels or other elevations can be stamped. Even if this layer is referred to as “single-layer", it can be for example coated '. It is essential that this is not, for example, a "concertina-shaped" curved plate with overlapping sections, which would then have a large extension in the Z direction (see coordinate system below FIG. 10).
  • the plate shown in FIG. 9 is embodied here as a cooling layer which, with its end faces 2 or 2 ', adjoins adjacent elements b or b'.
  • 9 'can also be a cooling layer which is located, for example, inside a "Composif bipolar plate, the outer layers of which are each stiff
  • bipolar plate Another example of a bipolar plate is given in Figure 10. This bipolar plate, in turn, adjoins the adjacent elements b and b 'with the end faces 2 and 2 ".
  • the bipolar plate is constructed from two plates, namely plates 9" and 9 "'. There are a total of three separate media spaces a "a ', a" is given.
  • the plates or structures preferably have a spring rate between 0.5 and 50 kN / mm per cm 2 .
  • the bipolar plates are made of metal, preferably aluminum, titanium, steel and / or their alloys, particularly preferably made of stainless steel, e.g. 1.4404, 1.4401, 1.4539 and have a material thickness of
  • the plates “from themselves” provide elastic compensation of an e- create electrochemical arrangement and are also suitable for the separation of different media (cooling media or reaction media). It is particularly advantageous here, as can be seen, for example, in FIG. 9 and FIG. 10, that perpendicular to the direction of the
  • a main advantage of the invention is that, for example, a defined elasticity is achieved with the distribution structures / plates according to the invention, which increases the overall efficiency of the arrangement through the adapted compression, and also ensures gas separation and also a uniform gas distribution through these structures or plates.

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Abstract

Elektrochemische Anordnung mit mindestens einer Verteilungsstruktur zur Einbringung und Verteilung eines Reaktanden, welche als Verbund mehrerer Schichten ausgeführt ist und wobei die Verteilungsstruktur im Wesentlichen in einer Ebene geführt ist und kontrolliert elastisch ist gegen Druckbelastung senkrecht zur Ebene.

Description

Elektrochemische Anordnung mit elastischer Verteilungsstruktur
Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Anord- nung, wie etwa eine BrennstoffZeilenanordnung, ein Elektrolyseur oder ein elektrochemischer Verdichter nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Für elektrochemische Anordnungen der vorgenannten Art ist es notwendig, Fluide wie Reaktanden oder Kühlmittel in das Innere der Anordnung zu führen. Im Folgenden wird die Erfindung stellvertretend für solche e- lektrochemischen Anordnungen anhand des prominenten Beispiels einer BrennstoffZellenanordnung dargestellt.
Eine BrennstoffZellenanordnung im Sinne dieser Patentanmeldung enthält typischerweise eine erste und eine zweite Bipolarplatte, zwischen denen die eigentliche Brennstoffzelle, häufig in Form einer MEA (Membrane Electrode Assembly) , angeordnet ist. Um die für den Betrieb der Brennstoffzelle notwendigen Reaktanden gleichmäßig entlang der Fläche der Brennstoffzelle bzw. MEA zu verteilen, werden häufig Verteilungsstrukturen eingesetzt, welche als Kanäle ausgebildet sind. Als Verteilungsstrukturen können ferner kanalartige Strukturen oder partielle Stempel eingesetzt werden, welche zur Einleitung und homogenen Verteilung der Reaktanden bzw. des Kühlmediums dienen können. Diese werden häufig in die Brennstoffzellen-Bipolarplatte eingebracht .
Ein grundsätzlicher Nachteil bei Brennstoffzellensys- temen, die wesentlich auf als Schichtung ausgeführten Anordnungen von Bipolarplatten, MEA, sowie möglicherweise weiteren Schichten bestehen, ist, dass schon bei einer sehr geringen Maßabweichung dieser Schicht- Bauteile ein ausreichender Kontakt und Anpressdruck von Schicht-Bauteil zu Schicht-Bauteil nicht zuver- lässig gewährleistet ist.
Werden eine oder mehrere derartige Schicht-BrennstoffZellenanordnungen durch Spannelemente zusammengehalten, so wird die Kraft des Anpressdrucks zumeist punktuell in jede der flächigen Anordnungen eingeleitet, was zur Folge hat, dass systematisch eine ungleichmäßige Kraftverteilung im Bereich der aktiven Fläche der jeweiligen der Anordnungen entsteht.
Die dadurch entstehende, nachteilige Wirkung äußert sich insbesondere in einem erhöhten elektrischen Innenwiderstand der Brennstoffzelle und einem deutlichen Leistungsabfall.
Dieser Nachteil tritt besonders gravierend im Zusammenhang mit dem Abdichtungskonzept nach dem Stand der Technik bekannter Brennstoffzellen auf: Es wird dabei die Dichtung in den Krafthaupt- oder Kraftneben- schluss gelegt, so dass produktionsbedingte Toleranzen in der Dichtungsfertigung eine inhomogene und zum Teil unzureichende Verpressung oder unzureichende Abdichtung der aktiven Flächen in einer oder in mehreren schichtmäßig aufgebauten Brennstoffzellenanord- nungen verursacht werden, da die Verspannungskräfte zwischen Dichtelementen und den aktiven Zellfunkti- onsbereichen unzureichend präzise verteilt sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine e- lektrochemische Anordnung wie etwa eine Brennstoffzellenanordnung, einen Elektrolyseur oder einen e- lektrochemischen Verdichter mit mindestens einer Verteilungsstruktur zur Einbringung und Verteilung eines Reaktanden bereitzustellen, welche die genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet, insbesondere durch die zuverlässige Bereitstellung eines ausreichenden und homogen verteilten Anpressdrucks einen hohen Stromfluss ohne nennenswerte Verluste zu gewährleisten .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elekt- rochemische Anordnung nach Patentanspruch 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Lösung weist dabei insbesondere den folgenden Vorteil auf:
Dadurch, dass die Verteilungsstruktur im Wesentlichen in einer Ebene geführt ist und kontrolliert elastisch ist gegen Druckbelastung senkrecht zu dieser Ebene, wurde eine konstruktive, und damit eine technisch besonders robuste, universelle und aufwandsarme, Lösung zur Herstellung ausreichender und homogen verteilter Anpresskräfte von Schicht-Bauteil zu Schicht-Bauteil innerhalb der aktiven Flächen einer elektrochemischen Anordnung, wie etwa einer BrennstoffZeilenanordnung, einen Elektrolyseur oder einem elektrochemischen Verdichter, gefunden.
Dadurch, dass die Elastizität der Verteilungsstruktur partiell kontrolliert realisiert ist bzw. die Verteilerstruktur absichtsvoll mit bestimmter Elastizität versehen ist, kann die vorliegend beschriebene tech- nische Wirkung in der Praxis vorteilhaft und gezielt eingesetzt werden.
Die Verteilungsstruktur wird dabei gebildet durch federelastische Umgrenzungswände zur Fluidführung.
Werden die Schichtelemente zu einer elektrochemischen Anordnung zusammengefügt, so werden die federelastischen Verteilungsstrukturen, welche sich innerhalb des Schichtenverbundes befinden, mindestens partiell zusammengedrückt. Hierdurch übernehmen diese federelastischen Verteilungsstrukturen die Funktion elastischer Elemente innerhalb der elektrochemischen Anordnung und sorgen so für eine homogene Verteilung des Anpressdrucks der Schichten der elektrochemischen Anordnung zueinander, welcher über die gesamte Lebensdauer der elektrochemischen Anordnung gewährleistet bleibt, da auch eine Setzung der Bauteile der e- lektrochemischen Anordnung durch diese als federelastische Elemente wirkenden elastischen Verteilerstruk- turen ausgeglichen wird. Auf diese Weise wird ein
Mangel beseitigt, welcher oft die Funktion der Brennstoffzelle beeinträchtigt.
Neben der Funktion als federelastisches Element über- nimmt eine solche federelastische Verteilungsstruktur zusätzlich die Funktion der gleichmäßigen Verteilung der Medien innerhalb der aktiven Fläche der elektrochemischen Anordnung. Auf diese Weise wird durch die vorliegende Bündelung von Eigenschaften zusätzlicher konstruktiver Aufwand vermieden und damit die Produk- tion technisch vereinfacht.
Medien in diesem Sinne - und auch in der Gesamtheit dieser Patentanmeldung - sind Reaktanden für den Betrieb der Brennstoffzelle sowie ferner Kühlmittel o- der andere Fluide.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind nach den Unteransprüchen möglich und werden am folgenden Beispiel einer Brennstoffzelle für die zuvor erwähn- ten elektrochemischen Anordnungen kurz erläutert.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, die federelastischen Verteilungsstrukturen im Schichtverbund der BrennstoffZellenanordnung als eine räumlich strukturierte Schicht innerhalb dieses Verbundes zu verwirklichen. Dadurch wird die Herstellung der Verteilungsstrukturen nicht nur erheblich vereinfacht, da die federelastische "Verteilungsschicht" aus einem einzigen Stück geformt sein kann, sondern es wird ferner der Vorteil erreicht, dass gleichzeitig die Dichtigkeit der Verteilungsstrukturen gegenüber unkontrolliertem Austreten des Reaktanden nach den äußeren Schichten der BrennstoffZellenanordnung hin unterbunden wird und zugleich die Versorgung der aktiven Flächen der Brennstoffzelle mit den Reaktanden auf besonders unkomplizierte Weise geschieht.
Die besondere Vorteilhaftigkeit der Wirkung federelastischer Verteilungsstrukturen tritt besonders dann zutage, wenn der Schichtverbund nicht nur durch einfache Schichtung, sondern durch Flächenpressung hergestellt ist, da besonders in diesem Zusammenhang eine homogene Druckverteilung innerhalb der aktiven Flache der BrennstoffZellenanordnung (zur Vermeidung von Leistungsabfall und zur Vermeidung eines erhöhten Innenwiderstandes) sowie die gleichmaßige Verteilung des Anpressdruckes zwischen Dichtelementen und der aktiven Flache der Brennstoffzelle von einer von außen wirkenden Anpresskraft bestimmt wird und somit besonders gegen ungleichmäßige Druckverteilung anfal- lig ist.
Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn diese Flachenpressung durch Spannelemente hergestellt wird, da die Spannelemente die Kraft punktuell in die Brenn- stoffZeilenanordnung einleiten und diese punktuelle Krafteinleitung insbesondere durch die federelastischen Verteilungsstrukturen in einen homogenen Anpressdruck umgesetzt wird.
Wird die BrennstoffZellenanordnung vorteilhafterweise so ausgebildet, dass die Verteilungsstruktur ununterbrochen von seinem Eingang zu seinem Ausgang verlauft, so wird eine konstruktiv aufwandsarme Losung vorgeschlagen, wobei auch mehrere Verteilungsstruktu- ren eine Gesamt-Verteilungsebene bilden können.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einiger Skizzen erläutert. Es zeigen:
Fig. Ia eine BrennstoffZellenanordnung in Explosionsdarstellung,
Fig. Ib die in Fig. Ia gezeigte Brennstoffzellenan- ordnung in zusammengefugtem Zustand,
Fig. Ic ein Brennstoffzellen-Stack aus einer Viel- zahl von aufeinandergeschichteten BrennstoffZellenanordnungen, wie in Fig. Ib gezeigt,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für eine als strukturierte Schicht ausgeführte flexible Reaktan- denverteilungs-Struktur im räumlichen Querschnitt,
Fign. 3 bis 7 Variationen von als strukturierte Schicht ausgeführten federelastischen Verteilungsstrukturen,
Fig. 8 den schematischen serpentinenförmigen Verlauf einer beispielhaft ausgeführten Verteilungsstruktur entlang der Ebene des Schichtverbundes,
Fign. 9+10 Beispiele erfindungsgemäßer Schichten
. als Kühllage bzw. Bipolarplatte,
Fig. 11 ein Diagramm zur Federrate.
Die Darstellung der BrennstoffZeilenanordnung 14, nebst den nachfolgenden Erläuterungen des Ausführungsbeispiels, dient als repräsentatives Beispiel für alle eingangs bezeichneten elektrochemischen Anordnungen, wie auch Elektrolyseure oder elektrochemi- sehe Verdichter.
Fig. Ia zeigt den Aufbau einer Brennstoffzellenanord- nung 14, wie sie in Fig. Ib gezeigt ist. Eine Vielzahl von BrennstoffZellenanordnungen 14 bildet ge- schichtet den zwischen Endplatten angeordneten Bereich eines BrennstoffZeilenstacks 15 in Fig. Ic. Dieser ist durch Spannelemente in Flächenpressung zusammengehalten, beispielsweise durch Spannbolzen oder Spannbänder.
In Fig. Ia ist eine Brennstoffzelle 11 mit ihren regelmäßigen Bauteilen zu sehen, welche einen ionen- leitfähige Polymermembran aufweist, die im Mittelbereich IIa mit einer Katalysatorschicht beidseitig versehen ist. In der BrennstoffZellenanordnung 14 sind weiterhin zwei Bipolarplatten 10 vorgesehen, zwischen denen die Brennstoffzelle 11 angeordnet wird. Im jeder Bipolarplatte der Brennstoffzelle sind gemäß vorliegender Erfindung federelastische Kanäle (9) zur Einbringung und Verteilung von Reaktanden in die aktive Fläche IIa der Brennstoffzelle 11 dargestellt, vorliegend schematisch als schwarze Fläche ■ IIa. Im zusammengebauten Zustand der Brennstoffzel- lenanordnung 14 ist der elektrochemisch aktive Bereich der Brennstoffzellen in einem im Wesentlichen geschlossenen Raum angeordnet, welcher seitlich von Abdichtelementen 13 im Wesentlichen umlaufend be- ' grenzt ist.
Die schematisch dargestellte Verteilerstruktur 9, welche vorliegend die federelastischen Verteilungsstrukturen als Ausführungsform der Erfindung darstellt, kann als eine strukturierte Schicht ausgeführt sein, deren Querschnitt in den Fign. 2 bis 7 dargestellt ist und die gemäß Fig. 8 einen Kanal ser- pentinenförmigen Verlaufes entlang der Platte 10 (also senkrecht zur Stackrichtung 6) des Brennstoffzel- lenverbundes 14 bildet. Die Verteilungsstrukturen können dabei als Einzelkanäle ausgeführt sein, die als Mäander die Ebene der aktive Fläche erschließen, sowie als mäanderförmig verlaufende Zwei- oder Mehrfachkanäle. Ferner können die Verteilungsstrukturen als Stempel oder Pföstchen ausgeführt sein, die die Ebene der aktiven Fläche erschließen oder als kanalartige Struktur, die Ein- und Ausgang durch eine geeignete Art direkt oder mit einer oder mehreren Ver- zweigungen verbindet.
Teilweise können die Materialien der Verteilerstrukturen auch weniger elastische Materialien sein wie bestimmte Metalle (z.B. Aluminium, Titan) oder auch elektrisch leitfähiger Kunststoff, poröses und elektrisch leitfähiges Vlies oder Gewebe, sowie elektrisch leitfähige Keramik. In diesen Fällen kommt die notwendige Elastizität aus einer elastischen Kühlplatte.
In diesem Sinne zeigt Fig. 2 einen räumlich dargestellten Querschnitt durch eine federelastische Verteilungsstruktur 1, die im Wesentlichen trapezförmigen Querschnitt hat und von einer Stirnfläche (also einer zur Ebene des Verlaufes der Verteilungsstruktur parallelen Fläche) 2 und Seitenwänden 3 einseitig eingegrenzt ist. Auf diese Weise wird das Austreten des Reaktanden in Richtung der ebenen-parallelen Stirnfläche 2 und der Seitenwände 3 unterbunden und der Übertritt in den aktiven Bereich IIa an der nicht eingegrenzten Seite ermöglicht.
Dabei kann alternativ oder gleichzeitig auch der komplementäre Zwischenraum 1' als Verteilungsstruktur zum Transport eines Mediums genutzt werden. Es bildet dann die Fläche 2' entlang der Ebene der Grundfläche der strukturierten Schicht die komplementäre "Stirnwand" 2 ' .
Diese Ausführungsform ist also insbesondere vorgese- hen für die Verwendung als räumlich strukturierte
Schicht in einem Schichtverbund einer Brennstoffzel- lenanordnung, wie sie in den Fign. Ia und Ib dargestellt ist.
Erfolgt nun eine Druckbelastung F senkrecht zur Ebene der strukturierten Schicht, so wird in dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel insbesondere die Stirnfläche 2 bogenförmig zusammengedrückt und die Abkantungen im Ü- bergang zwischen der Stirnfläche 2 und der Seitenwand 3 in eine abgerundete Form verbracht, wodurch das Ma- terial der Druckbelastung in federelastischer Weise
Raum geben kann. In dieser Ausführungsform werden also sowohl die Stirnfläche 2 als auch die Seitenwand 3 bei der Ausübung einer senkrechten Druckbelastung federelastisch verformt.
In der vorbeschriebenen wie auch in allen übrigen Formen der Strukturgebung kann die Elastizität dadurch realisiert werden, dass die Materialdicke der, beispielsweise metallischen, Platte, aus der die Ver- teilungsstruktur geformt wird, partiell so verjüngt wird, dass eine lokale Versteifung durch Kaltverformung eingestellt werden kann.
Die Elastizität der Verteilungsstruktur muss je nach Anwendungsfall im Bereich von 0,1 bis 150 N/mm2 Flächenpressung (je nach Anwendungsfall vorzugsweise 0,5 - 10 N/mm2) funktionsfähig sein. Die dabei verwendeten Materialien besitzen ein E-Modul von 10 bis 250 kN/mm2. Die dabei notwendige Federrate beträgt zwi- sehen 0,1 und 100 kN/mm pro Quadratzentimeter, vorzugsweise zwischen 0,2 und 100 kN/mm pro cm2, besonders vorzugsweise zwischen 0,5 und 50 kN/mm pro cm2. Hierbei erfolgt die Flächenpressung durch Kraftaufbringung in z-Richtung (siehe Fig. 10) und die in cm2 angegebene Fläche beschreibt die gepresste Fläche in der x-y-Ebene (siehe beispielsweise Stirnfläche 2, 2' in Figuren 9 oder 10), siehe auch Fig. 11. Fig. 11 zeigt den definierten Verlauf für eine kontrolliert elastische Bipolarplatte, d.h. den degressiven Verlauf der Federrate über die Flächenpressung einer me- tallischen Bipolarplatte wie in Fig. 9 oder 10 gezeigt, wobei eine einheitliche Federrate über die x- y-Ebene eingestellt wurde.
Fig. 3 hingegen zeigt (in zur verbesserten Anschau- lichkeit überzeichneter Darstellung) eine Ausfüh- rungsform, bei der die verteilungsstrukturbildende Schicht (2, 3) so räumlich strukturiert ist, dass bei einer senkrechten Druckbelastung, etwa durch die Flächenpressung im Schichtverbund einer Brennstoffzel- lenanordnung 15, wie sie durch Spannelemente hergestellt wird, im Wesentlichen nur die Seitenwände 3 ziehharmonikaartig federelastisch verformt werden, während die ebenenparallele Stirnfläche 2 im Wesentlichen unverformt bleibt. Dies wird durch eine schlangenlinienartige Vorformung der Seitenwände 3 erreicht, die idealerweise achsensymmetrisch zur Senkrechten des Querschnitts der Verteilungsstruktur 1 ist.
Fig. 4 zeigt eine weitere Strukturierungsform, bei der abermals bei senkrechter Druckbelastung F sowohl die Stirnfläche 2 als auch die Seitenwand 3 verformt wird. Die Vorstrukturierung sieht hier einen parabel- oder gaußglockenförmigen Querschnitt vor. Bei Druck- belastung wird entsprechend der "Maximalbereich" der Gaußglocke abgeflacht, wodurch die Seitenwände 3 steiler ansteigen bzw. abfallen.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der im Wesentlichen die Seitenwände 3 bei Druckbelastung federelastisch verformt werden, während die Stirnfläche 2 im Wesentlichen unverändert bleibt. Dies wird durch eine trapezartige Strukturierung der verteilungs- strukturbildenden, räumlich strukturierten Schicht ermöglicht, wobei im Unterschied zum in Fig. 2 Ge- zeigten jedoch die längere parallele Seite die Stirnfläche 2 bildet, während die kürzere, gedachte, Parallelseite der trapezähnlichen Struktur entlang der Ebene der Grundfläche der strukturierten Schicht verläuft. Bei Druckbelastung F verringern sich nun die von den Schenkeln des Trapezes und den Parallelseiten eingeschlossenen Winkel.
Eine Abwandlung hiervon ist in Fig. 6 dargestellt. Hier sind die Kantenübergänge zwischen Stirnfläche 2, Seitenwänden 3 und der Grundfläche der strukturierten Schicht rund ausgestaltet, so dass ein "Omega- förmiger" Querschnitt entsteht.
Figur 7 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des in Figur 2 Gezeigten. Es wird hierbei durch eine geeignete Kontrolle des Umformprozesses bewirkt, dass sich die Materialdicke so in den Flanken bzw. Radien der Struktur verändert, dass die Elastizität bzw. Härte des Materials gezielt eingestellt werden kann. Die Änderung der Materialeigenschaften kann kontinuierlich oder partiell über den Querschnitt hinweg (quer zur Struktur) oder entlang der Verteilungsstruktur erfolgen. Somit ist eine Abstimmung des E- lastizitäts- bzw. Steifigkeitsverhaltens über die ge- samte Verteilungsstruktur hinweg realisierbar.
Fig. 8 zeigt den serpentinenförmigen Verlauf der Verteilungsstruktur 1 entlang der Ebene der nicht näher dargestellten strukturierten Schicht. Die konzentri- sehen Kreise F verdeutlichen den Verlauf der punktförmig eingeleiteten Anpresskraft, wie sie durch Spannelemente in den Schichtverbund der Brennstoffzellenanordnung 14 eingeleitet wird. Es wird also anhand dieser "Niveaulinien" dargestellt, wie die Verteilungsstruktur infolge der räumlich unterschiedlich verteilten Druckkräfte verschieden weit zusammenge- presst wird und aufgrund ihrer federelastischen Eigenschaft eine räumlich homogene Verteilung des Anpressdruckes im Schichtenverbund der Brennstoffzel- lenanordnung 14 erreicht wird. Es schließen also die konzentrischen Kreise beispielhaft Flächen ein, die eine unterschiedliche Elastizität bzw. Steifigkeit durch die nach Figur 3 bis 7 beschriebenen Strukturen aufweisen. Es kann daher die Elastizität auf die mechanischen Parameter des Brennstoffzellen-Stacks ab- gestimmt werden. Schnitt A-A zeigt eine sich nach außen verringernde Steifigkeit (Bereich b weist eine höhere Steifigkeit auf gegenüber den Bereichen a und
Entlang der Ebene des Verlaufs der Verteilungsstruktur kann dabei der Verteilungsstruktur ortsabhängig eine partiell unterschiedliche Elastizität idealerweise so angepasst verliehen werden (realisiert durch eine Einbringung der beispielsweise im Schnitt A-A in Figur 8 dargestellten Strukturen) , dass die Elastizität in Bereichen mit geringer Flächenpressung der Brennstoffzellen-Ebene erhöht ist.
So kann einerseits ein guter elektrischer Kontakt von Bipolarplatte zu Bipolarplatte gewährleistet werden, andererseits die gleichmäßige Verteilung der Medien, wie etwa Wasserstoff und Luft als Reaktanden, oder ebenso auch ein Kühlmedium. Der durch die homogene Druckverteilung bessere elektrische Kontakt führt zu einer Leistungssteigerung der Brennstoffzelle. Durch geeignete Auslegung wird es ermöglicht, Verspannungs- kräfte gezielt auf die Dichtefunktionen und auf aktive Zeilfunktionsbereiche zu verteilen, so dass sichergestellt ist, dass einmal eingestellte Flächenpressungen über die Lebensdauer erhalten und homogen bleiben.
Neben Brennstoffzellen-Stapelanordnungen, bei denen die Bipolarplatten und somit die Verteilungsstrukturen aus Metall bestehen, kann die elastische Vertei- lungsstruktur schichtweise an verschiedenen Stellen in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet sein, welcher aus Graphit, graphitgefüllten Kunststoffen oder leitfähigen Kunststoffen besteht. Diese folglich unter Verwendung von Graphit, graphitgefüllten Kunst- Stoffen oder dergleichen leitfähigen Kunststoffen gebildete Verteilungsstruktur kann in diesem Fall vorzugsweise als metallische Kühlverteilungsstruktur Verwendung finden.
Neben der Anwendung für Brennstoffzellen ist die vorliegend beschriebene Verteilungsstruktur auch vorteilhaft anwendbar für die artverwandten Elektrolysesuren oder elektrochemischen Verdichter.
Tabelle 1 gibt einen Überblick, wie durch den Einsatz erfindungsgemäßer Verteilungsstrukturen, vorliegend zum Transport eines Kühlmediums, der Innenwiderstand R_ges Kühllage der Brennstoffzelle entscheidend reduziert werden konnte.
So zeigt Tabelle 1 Vergleichswerte für eine BrennstoffZellenanordnung, wobei die Spannungsdifferenzen über die einzelnen Kühllagen bzw. Zellen angegeben sind. Bei diesen Kühllagen handelt es sich beispiels- weise um Kühllagen, wie in Figur 9 angedeutet. Es ist hier klar zu sehen, dass bei der Bipolarplatte mit elastischem Verhalten der Spannungsabfall über die Kühllage hinweg deutlich geringer ist als beim Standardzellenaufbau, so dass sich eine Erhöhung der Nutzspannung von 5 bis 10 % ohne weiteres realisieren lässt.
In Diagramm 1 werden entsprechend die in der Tabelle 1 angegebenen Werte für eine erfindungsgemäß ausgeführte Brennstoffzellenanordnung und eine Brennstoff- zellenanordnung, bei der Bipolarplatten im Kühlbereich steif aneinandergelegt sind, graphisch gegenüber gestellt.
Figur 9 zeigt eine erfindungsgemäße Verteilungsstruk- tur, welche als fluiddichte Platte 9' ausgeführt ist.
Mit "Platte" sind vorzugsweise einlagig verformte Platten zu verstehen. Dies können beispielsweise Platten aus einem Metallblech sein, in welche eine entsprechende Struktur mit Kanälen bzw. andersartigen Erhebungen eingeprägt werden kann. Auch wenn diese Schicht als "einlagig" bezeichnet wird, kann sie beispielsweise ' beschichtet sein. Wesentlich ist, dass es sich hierbei nicht um eine beispielsweise "ziehharmo- nikaförmig" gebogene Platte mit überlappenden Abschnitten handelt, welche in Z-Richtung (siehe Koordinatensystem unterhalb Figur 10) dann eine große Ausdehnung hätte. Die in Figur 9 gezeigte Platte ist vorliegend als Kühllage ausgeführt, welche mit ihren Stirnflächen 2 bzw. 2' an angrenzende Elemente b bzw. b' angrenzt. Es kann sich bei der Platte 9' beispielsweise um eine einfach gehaltene Bipolarplatte handeln, welche komplementäre und gegeneinander mediendichte Räume a, a' aufweist. Diese komplementären Räume sind vorzugsweise zumindest teilweise in der x- y-Ebene (also senkrecht zur Richtung der Schichtung der elektrochemischen Anordnung) nebeneinander angeordnet. Es kann sich allerdings auch bei 9' um eine Kühllage handeln, welche beispielsweise im Inneren einer "Composif-Bipolarplatte sich befindet, deren Außenschichten jeweils steif sind
(beispielsweise aufgrund graphitischer oder keramischer Anteile) , so dass die Verformbarkeit durch die Kühllage gewährleistet wird.
Ein weiteres Beispiel einer Bipolarplatte wird in Figur 10 gegeben. Diese Bipolarplatte grenzt wiederum mit den Stirnflächen 2 bzw. 2" an benachbarte Elemente b bzw. b' an. Die Bipolarplatte ist hierbei aus zwei Platten aufgebaut, nämlich den Platten 9" und 9" ' . Es sind hier insgesamt drei voneinander getrennte Medienräume a, a', a" gegeben.
Bei den vorgenannten Verteilungsstrukturen bzw. Platten ist wesentlich, dass diese einerseits mediendicht ausgeführt sind und außerdem in z-Richtung elastisch verformbar sind, also elastisch verformbar sind in Richtung der Schichtung der elektrochemischen Anordnung. Hierbei weisen die Platten bzw. Strukturen vorzugsweise eine Federrate zwischen 0,5 und 50 kN/mm pro cm2 auf.
Die Bipolarplatten sind aus Metall vorzugsweise Aluminium, Titan, Stahl und/oder deren Legierungen, besonders vorzugsweise aus Edelstahl, z.B. 1.4404, 1.4401, 1.4539 und weisen eine Materialstärke von
0,02 mm bis 5 mm, vorzugsweise 0,03 mm bis 2 mm, besonders vorzugsweise von 0,05 mm bis 0,5 mm, höchst vorzugsweise von 0,05 bis 0,3 mm auf Es ist hierbei insbesondere vorteilhaft, dass, wie beispielsweise in Figuren 9 und 10 gezeigt, die Platten "aus sich selbst heraus" einen elastischen Ausgleich einer e- lektrochemischen Anordnung schaffen und zusätzlich zur Trennung verschiedener Medien (Kühlmedien oder Reaktionsmedien) geeignet sind. Hierbei ist insbesondere vorteilhaft, wie beispielsweise in Figur 9 und Figur 10 zu sehen, dass senkrecht zur Richtung der
Schichtung (Z-Richtung) in der X-Y-Ebene eine variierende Federsteifigkeit gegeben sein kann, um so einen gleichmäßigen Anpressdruck über die gesamte Fläche der Ebene b bzw. b' zu erreichen.
Ein Hauptvorteil der Erfindung liegt darin, dass beispielsweise mit den erfindungsgemäßen Verteilungsstrukturen / Platten eine definierte Elastizität erreicht wird, welche durch die angepasste Verpressung den Gesamtwirkungsgrad der Anordnung erhöht, zudem durch diese Strukturen bzw. Platten eine Gastrennung und außerdem eine gleichmäßige Gasverteilung gewährleistet wird.
Diagramm 1
dreizelliger Brennstoffzellenstapel / Kühllagen
Tabelle 1 :
Standardzellaufbau S annun bei 500 mA/cm2
VO

Claims

Patentansprüche
1. Elektrochemische Anordnung wie etwa eine BrennstoffZeilenanordnung (14), ein Elektrolyseur o- der ein elektrochemischer Verdichter, welche als Verbund mehrerer Schichten (10, 11, 12) ausge- führt ist, mit mindestens einer Verteilungsstruktur (1) zur Einbringung und Verteilung eines Mediums, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verteilungsstruktur (1) in einer Ebene geführt ist und kontrolliert elastisch ist gegen Druckbelastung (F) senkrecht zur Ebene.
2. Elektrochemische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsstruk- tur (1) durch eine räumlich strukturierte
Schicht (9) in diesem Verbund verwirklicht ist.
3. Elektrochemische Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtverbund durch Flächenpressung (F) hergestellt ist.
4. Elektrochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten des Verbundes durch Spannelemente zusammengehalten werden.
5. Elektrochemische Anordnung nach einem der An- Sprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im
Verbund ferner Bipolarplatten (10), vorzugsweise mindestens eine Kühlplatte sowie Dicht-Elemente (13) im Kraftschluss zueinander stehen, wobei die Verteilungsstruktur (1) zwischen den Bipolarplatten (10) verläuft.
6. Elektrochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsstruktur (1) ununterbrochen von ihrem Eingang zu ihrem Ausgang verläuft.
7. Elektrochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsstruktur (1) im unbelasteten Zu- stand einen trapezförmigen Querschnitt (2, 3) hat.
8. Elektrochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsstruktur (1) im unbelasteten Zu- stand einen näherungsweise parabelförmigen Querschnitt (2, 3) hat.
9. Elektrochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsstruktur im unbelasteten Zustand einen näherungsweise omega-förmigen Querschnitt hat.
10. Elektrochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastizität der Verteilungsstruktur (1) ins- besondere in der Verformbarkeit der ebenenparallelen Seite (2) des Verteilungsstrukturquerschnitts besteht.
11. Elektrochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastizität der Verteilungsstruktur (1) insbesondere in der Verformbarkeit der Seitenwände (3) besteht.
12. Elektrochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsstruktur durch stempelartige Erhebungen dargestellt ist, welche inselartig aus der Ebene erscheinen.
13. Elektrochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsstruktur durch einen Kanal dargestellt ist.
14. Elektrochemische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastizität durch eine partielle Verjüngung der Materialdicke eingestellt ist.
15. Elektrochemische Anordnung nach einem der An- sprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsstruktur entlang ihres Verlaufes partiell unterschiedliche Elastizitäten aufweist .
16. Elektrochemische Anordnung nach einem der An- sprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsstruktur unter Verwendung von Graphit, graphitgefüllten Kunststoffen oder dergleichen leitfähigen Kunststoffen ausgebildet ist.
17. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsstruktur als mediendichte Platte (9!, 9", 9"') ausgeführt ist.
18. Elektrochemische Anordnung nach einem der vor- hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federrate der Platte (91, 9", 9"') in Richtung der Schichtung der elektrochemischen Anordnung zwischen 0,5 bis 50 kN/mm pro Quadratzentimeter beträgt.
19. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (9', 9", 9"') zwei komplementäre
Räume (ar a') zur Medienverteilung trennt.
20. Elektrochemische Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die komplementären Räume (a, a') in einer Ebene (x, y) senkrecht zur Richtung der Schichtung (z) zumindest teilweise nebeneinander liegen.
21. Elektrochemische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte als Kühlplatte (9') oder als Teil (9", 9"') einer Bipolarplatte ausgeführt ist.
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