WO2019175200A1 - Gasverteilerstruktur für eine brennstoffzelle - Google Patents

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WO2019175200A1
WO2019175200A1 PCT/EP2019/056202 EP2019056202W WO2019175200A1 WO 2019175200 A1 WO2019175200 A1 WO 2019175200A1 EP 2019056202 W EP2019056202 W EP 2019056202W WO 2019175200 A1 WO2019175200 A1 WO 2019175200A1
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fuel cell
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reactant
gas distributor
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Martin Schoepf
Arne Stephen FISCHER
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a gas distributor structure for a fuel cell, in particular a PEM fuel cell, or for an electrolyzer, which serves to provide a reactant to the fuel cell, according to the independent device claim. Furthermore, the invention relates to a
  • Fuel cell with at least one corresponding gas distributor structure according to the independent device claim.
  • Fuel cells are electrochemical energy converters. In fuel cells, hydrogen H2 and oxygen 02 are converted into water H20, electrical energy and heat for energy. Fuel cells essentially comprise five components (see Figure 1 or la prior art). In the middle there is a proton-conductive membrane 103, for example a polymer membrane. The membrane 103 is embedded between two gas diffusion layers GDL of microporous graphite paper or graphite fabric, wherein either the membrane 103 or the gas diffusion layers GDL to the
  • the gas diffusion layers GDL are in turn arranged between two bipolar plates 101, 102.
  • a stack or repeating unit of this construction forms a (fuel cell) stack.
  • the bipolar plates 101, 102 take over the coarse distribution of the operating media (air or oxygen 02 on the cathode side K and hydrogen H2 on the anode side A and cooling water H20).
  • the microporous gas diffusion layers GDL take over the fine distribution over the active surface and the supply of the reaction gases of the active surface of the membrane 103 and the removal of product water H20 from the membrane 103 into the coarse structure of the bipolar plates 101, 102.
  • an exemplary bipolar plate 101 (and 102) of the prior art is made by embossing a channel structure into a sheet about 0.1 mm thick (see below in the figure la).
  • the problem here is the accumulation of water in the gas diffusion layers GDL under the webs of the bipolar plate 101 on the cathode side K of the fuel cell 100 *.
  • FIG. 1b Another exemplary coarse gas distributor structure of the prior art is shown in Figure 1b, which is made of an open-pore, electrically conductive foam S (e.g., metal, e.g., stainless steel, or graphite).
  • S electrically conductive foam
  • foam structures S as gas distribution structures has u compared to embossed sheets. a. the advantage that the edition on the
  • Gas diffusion layer GDL in the case of a foam can be uniform or homogeneous, since the individual contact points are finer. In this way, the risk of product water accumulation in the gas diffusion layer GDL decreases, which can lead to the blockage of parts of the membrane 103.
  • the problem with the foam structures S is the provision of the process gases in sufficient quantity or the provision of a sufficient process gas flow.
  • the invention provides a gas distributor structure for a fuel cell
  • the present invention provides a gas distributor structure for a fuel cell, in particular a PEM fuel cell, or an electrolyzer, which serves for providing a reactant to the fuel cell, comprising a first region with a first, in particular coarse, distributor structure and with a second downstream distributor structure Distributing the reactant in the fuel cell, wherein the first region of a bipolar plate of the fuel cell, which may now be formed in the form of a thin plate, adjacent, and a second region having a third, in particular fine or subordinate arranged distribution structure for uniform distribution the reactant over a membrane electrode assembly of the fuel cell, wherein the second region is adjacent to the membrane electrode assembly, and wherein the first region is formed by a foam structure and the second region by a gas diffusion layer.
  • the gas distributor structure according to the invention may preferably be located on the
  • Cathode side of the fuel cell may be provided to prevent accumulation of water on the membrane and to allow the distribution of the reactant with low pressure drops and low cost in the design and operation of a compressor.
  • the gas distributor structure according to the invention may be provided on both sides, the cathode side and the anode side, of the fuel cell in order to favor the gas flow on both sides of the fuel cell.
  • a membrane electrode unit can be understood in the context of the invention, a membrane which can be coated with a catalyst material for the electrochemical reaction, for example. Platinum.
  • a foam structure ie, an open-pore foam layer
  • a foam structure has the advantage of a much finer and more uniform support on the gas diffusion layer than conventional embossed sheets.
  • a foam structure has the disadvantage that the flow resistance for the gas flow tends to be relatively high. To both, a homogeneous edition on the gas diffusion layer and a low flow resistance, too
  • the invention proposes to ensure that the side of the foam structure facing away from the gas diffusion layer, e.g. Using Multi Wire Electrical Discharge Machining (MWEDM) to provide a first, in particular coarse, distribution structure for the gas flow.
  • MWDEDM Multi Wire Electrical Discharge Machining
  • An idea of the invention lies in the fact that the first region for roughly distributing the reactant in the fuel cell is formed by a foam structure.
  • the foam structure according to the invention again has two distributor structures of different sizes. The first
  • Distributor structure on the foam structure serves the coarse distribution of
  • This first or coarse distribution structure is ensured by the outer shape, for example. With relatively coarse grooves, the foam structure at the boundary to the flat bipolar plate.
  • the second distribution structure which is subordinate to the first distribution structure, is by the inner
  • composition of the foam structure so through the open pores of the foam.
  • This second distribution structure now distributes the reactant more uniformly over the gas diffusion layer (or the second region) and simultaneously has many small and finely distributed contact points on the
  • the first area has for this purpose a flat bottom at the border to
  • Gas diffusion layer (ie the second area) on.
  • the reactant is uniformly distributed over the active area of the membrane-electrode assembly through the second region formed by the gas diffusion layer, which has an even finer manifold structure.
  • Bipolar plate may have different shapes or characteristics.
  • the size, the distribution and the distances between the individual elements of the first distribution structure can also vary.
  • the advantages of the foam structure are combined with the advantages of a pressure loss-reduced distribution of the reactant through a coarse distribution structure.
  • the presence of a classical channel structure the risk of water retention at the
  • the foam structure is formed of a metal foam or a coated plastic foam.
  • an open-pored structure with a high porosity can be made possible.
  • a conduction of the electric current with a low electrical resistance and a good thermal conductivity can thus be ensured by the foam structure.
  • the gas diffusion layer is formed from a paper-like or fabric-like carbon material or carbon paper.
  • the internal composition of the gas diffusion layer a fine distribution of the reactants over the active area of the membrane-electrode unit can be made possible.
  • the invention may provide that the first region in the distributor plane of the reactant (or the first
  • Distribution structure has a periodic or a stochastic shape. Due to the periodic first distribution structure, the gas flow to a easy to set and forecast. Due to the stochastic first distribution structure, the gas flow can be well distributed.
  • the invention may provide that the first region has a sinusoidal shape, an angular shape, or a groove shape as viewed in cross-section with respect to a flow direction of the reactant.
  • a sinusoidal shape By means of a sinusoidal shape, a uniform transition of the reactant from the first distributor structure into the second distributor structure can be achieved and the surface area can be increased for this purpose. In addition, this can reduce the bearing surface between the gas distributor structure and the bipolar plate, whereby the accumulations of product water in the cell can be further reduced.
  • an angular shape or a groove shape the production of the first distribution structure can be simplified.
  • the first region of the gas distributor structure can be formed with two distributor structures of different sizes in a single mold.
  • the first area of the gas distributor structure to be produced from a block, wherein corresponding structural elements can be produced on the upper side of the block by ablation or targeted deformation or compression of the material of the foam structure.
  • the invention may provide for the first region in the distributor plane of the reactant to have a plurality of parallel, widthwise, or height-wise or alternately tapered, equally long or differently long grooves and / or elevations.
  • parallel grooves and / or elevations the production of the first distribution structure can be simplified.
  • tapering grooves and / or surveys the pressure drop when distributing the reactant can be selectively influenced, for example, be reduced and the conditions within the cell the various
  • the invention may provide that the second region forms a planar position parallel to the membrane electrode unit of the fuel cell.
  • the first area is formed using Electrical Discharge Machining or Multi Wire Electrical Discharge Machining.
  • a fine-pored foam structure can be provided whose pore size can be adjusted independently of the dimensions of the foam structure.
  • this allows a rapid and cost-effective production of gas distributor structures in the context of the invention.
  • first region and the second region are bonded to one another in a material-locking manner and / or by compression.
  • the invention provides a fuel cell which has at least one gas distributor structure on a cathode side and / or on an anode side, which can be designed as described above.
  • FIG. 1 a shows an exemplary fuel cell according to the prior art
  • Fig. Lb is another exemplary fuel cell according to the prior
  • Fig. 3 shows an exemplary gas distributor structure according to the invention for a
  • FIG. 1 a shows a first example of a known fuel cell 100 *, which may be designed as described above.
  • a gas distributor structure 10 * is used, the one
  • Gas diffusion layer GDL for a fine distribution and a bipolar plate 101 in the form of an embossed sheet for a coarse distribution of the reactant comprises.
  • the areas of the active surface of the membrane 103 can thereby be blocked.
  • the diffusion of the hydrogen ions H + through the diaphragm 103 can be hindered and the operation of the fuel cell 100 * can be disturbed.
  • the underlying areas of the gas diffusion layer GDL are deformed.
  • the gas flow of the reactants under the webs of the bipolar plates 101, 102 can be hindered by the water accumulation.
  • FIG. 1b shows a further example of a known fuel cell 100 **, which may be designed as described above.
  • this fuel cell 100 ** is at least on the cathode side K of the membrane 103, a gas distributor structure 10 ** used from an electrically conductive foam, which is delimited by a flat bipolar plate 101 from the anode region A.
  • the gas supply is made possible only with considerable pressure losses.
  • high demands are placed on the compressor for providing the cathode air, the high cost and
  • the present invention provides a gas distributor structure 10 for a fuel cell 100, for example a PEM fuel cell, or for an electrolyzer, which serves to supply a reactant to the fuel cell 100.
  • the gas distributor structure 10 according to the invention comprises a first region 11 with a first, in particular coarse, distributor structure S1 and with a second downstream distributor structure S2 for distributing the reactant in the fuel cell 100, wherein the first region 11 adjoins a bipolar plate 101 of the fuel cell 100 the bipolar plate 101 may now be formed in the form of a thin and flat plate.
  • the gas distributor structure 10 comprises a second region 12 with a third, in particular fine or the first distribution structure S1 and the second distribution structure S2 subordinate distribution structure S3 for uniformly distributing the reactant over a membrane electrode unit 103 of the fuel cell 100, wherein the second region 12 adjoins the membrane electrode unit 103.
  • the first region 11 is formed by a foam structure S and the second region 12 by a gas diffusion layer GDL. Between the first region 11 and the second region 12, a transition in the form of a planar layer (part of region 11) is provided.
  • the second region 12 forms a likewise planar position at the transition to the membrane electrode unit 103.
  • the shape of the upper side of the foam structure S is the first or coarse
  • Distributor structure S1 formed in the order of 0.1 mm to 1.5 mm. Meant here are the dimensions of the individual structural elements of the first distribution structure Sl. The height of the grooves of S1 may be 0.05 mm to 0.5 mm. It is particularly advantageous that all of these variables are decoupled from the pore size of the foam structure S.
  • the gas distributor structure 10 according to the invention may preferably be advantageous on the cathode side K of the fuel cell 100 in order to avoid accumulations of water on the membrane electrode unit 103 and to allow the distribution of the reactant with low pressure losses.
  • Anodenseite A of the fuel cell 100 may be advantageous to favor the gas flow of the reactants on both sides A, K of the fuel cell 100.
  • the membrane electrode unit 103 in the context of the invention can be formed by a membrane 103 with a catalyst layer for triggering and promoting the electrochemical reaction, for example of platinum.
  • the foam structure S in the context of the invention forms the first region 11 of the gas distributor structure 10 according to the invention at the transition to the gas diffusion layer GDL, ie the second region 12 in the context of the invention, the foam structure S forms in particular compared to conventional embossed sheets the advantage of a lot finer and more even edition.
  • the foam structure of the invention S at the transition to the bipolar plate 101 a coarse distribution structure Sl, so that the flow resistance for the gas flow is reduced in an advantageous manner.
  • the foam structure S according to the invention is shown in FIG.
  • the gas distributor structure 10 offers both a homogeneous support on the gas diffusion layer GDL and a small one Flow resistance during insertion of the reactant into the fuel cell 100.
  • the first distribution structure S1 on the side facing away from the gas diffusion layer GDL side of the foam structure S can advantageously by means of an Electrical Discharge Machining (EDM) or a Multi Wire Electrical Discharge
  • MWEDM Machining
  • the foam structure S thus has two distributor structures of different sizes (S1 and S2).
  • the first distributor structure S1 serves for the coarse distribution of the reactant in the fuel cell 100.
  • the second distributor structure S2 serves for the coarse distribution of the reactant in the fuel cell 100.
  • Distributor structure S2 which is subordinate to the first distributor structure S1, is provided by the internal composition of the foam structure S, ie by the open pores of the foam structure S. Finally, the second region 12 with the finest third distributor structure S3 serves a uniform distribution of the reactant over the active Surface of the membrane electrode unit 103.
  • the gas diffusion layer GDL can be characterized by a finely porous, fibrous or
  • the first distribution structure S1 for resting on the bipolar plate 101 may have different shapes or expressions, as it is in
  • the forms mentioned are to be considered as exemplary embodiments only and may be different.
  • Distributor level x, y of the reactant have multiple parallel, tapered or alternately tapered, equal length or different lengths grooves R and / or elevations E as structural elements. It is obvious that the grooves R and / or elevations E do not need to be formed over the entire length of the gas flow, since the transition from the first distributor structure S1 into the second distributor structure S2 takes place through the pores of the foam structure S.
  • a gas distributor structure 10 can be provided which forms a uniform support on the gas diffusion layer GDL and which allows a low flow resistance in the distribution of the reactant in the fuel cell 100.
  • FIGS. 2 to 5 describes the present invention purely by way of example.
  • individual features of the embodiments, insofar as it is technically feasible, can be freely combined with one another without departing from the scope of the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasverteilerstruktur (10) für eine Brennstoffzelle (100), die zum Bereitstellen eines Reaktanten an die Brennstoffzelle (100) dient, aufweisend: einen ersten Bereich (11) mit einer ersten Verteilerstruktur (S1) und mit einer zweiten nachgeordneten Verteilerstruktur (S2) zum Verteilen des Reaktanten in der Brennstoffzelle (100), wobei der erste Bereich (11) an eine Bipolarplatte (101) der Brennstoffzelle (100) angrenzt, und einen zweiten Bereich (12) mit einer dritten untergeordneten, Verteilerstruktur (S3) zum gleichmäßigen Verteilen des Reaktanten über einer Membran-Elektrodeneinheit (103) der Brennstoffzelle (100), wobei der zweite Bereich (12) an die Membran-Elektrodeneinheit (103) angrenzt, und wobei der erste Bereich (11) durch eine Schaumstruktur (S) und der zweite Bereich (12) durch eine Gasdiffusionslage (GDL) gebildet sind.

Description

Beschreibung
Gasverteilerstruktur für eine Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft eine Gasverteilerstruktur für eine Brennstoffzelle, insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle, oder für einen Elektrolyseur, die zum Bereitstellen eines Reaktanten an die Brennstoffzelle dient, nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch. Ferner betrifft die Erfindung eine
Brennstoffzelle mit mindestens einer entsprechenden Gasverteilerstruktur nach dem nebengeordneten Vorrichtungsanspruch.
Stand der Technik
Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler. Bei Brennstoffzellen wird Wasserstoff H2 und Sauerstoff 02 zur Energiegewinnung in Wasser H20, elektrische Energie und Wärme umgewandelt. Brennstoffzellen umfassen im Wesentlichen fünf Komponenten (s. Figur 1 bzw. la zum Stand der Technik). In der Mitte befindet sich eine protonenleitfähige Membran 103, bspw. eine Polymermembran. Die Membran 103 ist zwischen zwei Gasdiffusionslagen GDL aus mikroporösem Graphitpapier bzw. Graphitgewebe eingebettet, wobei entweder die Membran 103 oder die Gasdiffusionslagen GDL an den
Kontaktflächen mit einem Katalysatormaterial, bspw. Platin, für die elektro chemische Reaktion beschichtet ist. Die Gasdiffusionslagen GDL sind wiederum zwischen zwei Bipolarplatten 101, 102 angeordnet. Ein Stapel bzw. eine Wiederholungseinheit dieses Aufbaus bildet einen (Brennstoffzellen-)Stack.
Die Bipolarplatten 101, 102 übernehmen dabei die grobe Verteilung der Betriebsmedien (Luft bzw. Sauerstoff 02 auf der Kathodenseite K sowie Wasserstoff H2 auf der Anodenseite A und Kühlwasser H20). Die mikroporösen Gasdiffusionslagen GDL übernehmen letztlich die feine Verteilung über die aktive Fläche und die Zuführung der Reaktionsgase der aktiven Fläche der Membran 103 sowie die Abführung von Produktwasser H20 von der Membran 103 in die grobe Struktur der Bipolarplatten 101, 102.
Um die grobe Verteilung der Betriebsmedien mit einem geringen Druckverlust und ohne große Kosten zu gewährleisten, wird eine beispielhafte Bipolarplatte 101 (und 102) nach dem Stand der Technik durch Prägen einer Kanalstruktur in ein ca. 0,1 mm dickes Blech hergestellt (s. unten in der Figur la). Problematisch ist dabei jedoch die Wasseransammlung in den Gasdiffusionslagen GDL unter den Stegen der Bipolarplatte 101 auf der Kathodenseite K der Brennstoffzelle 100*.
Eine andere beispielhafte grobe Gasverteilerstruktur nach dem Stand der Technik ist in der Figur lb gezeigt, die aus einem offenporigen, elektrisch leitfähigen Schaum S (z. B. aus Metall, bspw. Edelstahl, oder Graphit) hergestellt wird.
Der Einsatz von Schaumstrukturen S als Gasverteilerstrukturen hat im Vergleich zu geprägten Blechen u. a. den Vorteil, dass die Auflage auf der
Gasdiffusionslage GDL im Falle eines Schaumes gleichmäßiger bzw. homogener erfolgen kann, da die einzelnen Kontaktpunkte feiner sind. Auf diese Weise sinkt die Gefahr von Produktwasseransammlungen in der Gasdiffusionslage GDL, was zur Blockade von Teilen der Membran 103 führen kann. Problematisch ist bei den Schaumstrukturen S die Bereitstellung der Prozessgase in ausreichender Menge bzw. die Bereitstellung eines ausreichenden Prozessgasflusses.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung sieht eine Gasverteilerstruktur für eine Brennstoffzelle,
insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle, oder für einen Elektrolyseur, die zum Bereitstellen eines Reaktanten an die Brennstoffzelle dient, mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches sowie eine Brennstoffzelle mit mindestens einer entsprechenden Gasverteilerstruktur mit den Merkmalen des nebengeordneten unabhängigen Vorrichtungsanspruches vor. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Gasverteilerstruktur beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die vorliegende Erfindung sieht eine Gasverteilerstruktur für eine Brennstoffzelle, insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle, oder einen Elektrolyseur vor, die zum Bereitstellen eines Reaktanten an die Brennstoffzelle dient, aufweisend einen ersten Bereich mit einer ersten, insbesondere groben, Verteilerstruktur und mit einer zweiten nachgeordneten Verteilerstruktur zum Verteilen des Reaktanten in der Brennstoffzelle, wobei der erste Bereich an eine Bipolarplatte der Brennstoff zelle, die nun in Form einer dünnen Platte ausgebildet sein kann, angrenzt, und einen zweiten Bereich mit einer dritten, insbesondere feinen bzw. unterge ordneten, Verteilerstruktur zum gleichmäßigen Verteilen des Reaktanten über einer Membran- Elektrodeneinheit der Brennstoffzelle, wobei der zweite Bereich an die Membran- Elektrodeneinheit angrenzt, und wobei der erste Bereich durch eine Schaumstruktur und der zweite Bereich durch eine Gasdiffusionslage gebildet sind.
Die erfindungsgemäße Gasverteilerstruktur kann vorzugsweise auf der
Kathodenseite der Brennstoffzelle vorgesehen sein, um Wasseransammlungen an der Membran zu vermeiden und die Verteilung des Reaktanten mit geringen Druckverlusten sowie geringen Kosten bei der Auslegung und beim Betreiben eines Verdichters zu ermöglichen. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Gasverteilerstruktur auf beiden Seiten, der Kathodenseite und der Anodenseite, der Brennstoffzelle vorgesehen sein, um den Gasfluss an beiden Seiten der Brennstoffzelle zu begünstigen. Als Membran- Elektrodeneinheit kann im Rahmen der Erfindung eine Membran verstanden werden, die mit einem Katalysator material für die elektrochemische Reaktion, bspw. Platin, beschichtet werden kann. Wie bereits oben erwähnt, hat eine Schaumstruktur (d. h. eine Lage aus einem offenporigen Schaum) beim Einsatz als Gasverteiler in einer Brennstoffzelle im Vergleich zu herkömmlichen geprägten Blechen den Vorteil einer sehr viel feineren und gleichmäßigeren Auflage auf der Gasdiffusionslage. Gleichzeitig hat eine Schaumstruktur den Nachteil, dass der Strömungswiderstand für die Gasströmung tendenziell relativ hoch ist. Um beides, eine homogene Auflage auf der Gasdiffusionslage und einen geringen Strömungswiderstand, zu
gewährleisten, schlägt die Erfindung vor, die der Gasdiffsusionslage abgewandte Seite der Schaumstruktur, z.B. mittels Multi Wire Electrical Discharge Machining (MWEDM), mit einer ersten, insbesondere groben, Verteilerstruktur für die Gasströmung zu versehen.
Ein Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass der erste Bereich zum groben Verteilen des Reaktanten in der Brennstoffzelle durch eine Schaumstruktur gebildet wird. Die Schaumstruktur gemäß der Erfindung weist wiederum zwei Verteilerstrukturen unterschiedlicher Größenordnungen auf. Die erste
Verteilerstruktur an der Schaumstruktur dient der groben Verteilung des
Reaktanten in der Brennstoffzelle, um Druckverluste bei Verteilen des
Reaktanten zu vermindern. Diese erste bzw. grobe Verteilerstruktur ist durch die äußere Ausformung, bspw. mit relativ groben Rillen, der Schaumstruktur an der Grenze zur flachen Bipolarplatte gewährleistet. Die zweite Verteilerstruktur, die der ersten Verteilerstruktur untergeordnet ist, ist durch die innere
Zusammensetzung der Schaumstruktur bereitgestellt, also durch die offenen Poren des Schaumes. Diese zweite Verteilerstruktur verteilt nun den Reaktanten gleichmäßiger über die Gasdiffusionslage (bzw. den zweiten Bereich) und weist gleichzeitig sehr viele kleine und fein verteilte Auflagepunkte auf der
Gasdiffusionslage auf, um den Auflagedruck sowie die Auflagefläche an den einzelnen Punkten zu vermindern und Wasseransammlungen zu vermeiden. Der erste Bereich weist hierzu eine flache Unterseite an der Grenze zur
Gasdiffusionslage (d. h. zum zweiten Bereich) auf. Schließlich wird der Reaktant durch den zweiten Bereich, gebildet durch die Gasdiffusionslage, die eine noch feinere Verteilerstruktur aufweist, gleichmäßig über der aktiven Fläche der Membran- Elektrodeneinheit verteilt. Die erste Verteilungsstruktur an der Schaumstruktur an der Grenze zur
Bipolarplatte kann unterschiedliche Formen bzw. Ausprägungen aufweisen.
Bspw. können die einzelnen Elemente der ersten Verteilungsstruktur
verschiedene, z. B.
(halb-)kreisförmige, rechteckige oder dreieckige Querschnittsformen sowie kombinierte Querschnittsformen aufweisen. Auch die Größe, die Verteilung sowie die Abstände zwischen den einzelnen Elementen der ersten Verteilungsstruktur können dabei variieren.
Mithilfe der Erfindung werden die Vorteile der Schaumstruktur mit den Vorteilen einer druckverlustreduzierten Verteilung des Reaktanten durch eine grobe Verteilerstruktur vereint. Gleichzeitig wird die, bei Verwendung einer klassischen Kanalstruktur vorhandene, Gefahr von Wasseransammlungen an der
Kathodenseite der Membran- Elektrodeneinheit zuverlässig beseitigt oder zumindest wesentlich reduziert.
Ferner kann im Rahmen der Erfindung bei einer Gasverteilerstruktur vorgesehen sein, dass die Schaumstruktur aus einem Metallschaum oder aus einem beschichten Kunststoffschaum ausgebildet ist. Somit kann eine offenporige Struktur mit einer hohen Porosität ermöglicht werden. Zudem kann somit eine Leitung des elektrischen Stromes mit einem geringen elektrischen Widerstand sowie eine gute thermische Leitfähigkeit durch die Schaumstruktur gewährleistet werden.
Weiterhin ist es denkbar, dass die Gasdiffusionslage aus einem papierartigen oder gewebeartigen Kohlenstoffmaterial bzw. Kohlenstoffpapier ausgebildet ist. Somit kann durch die innere Zusammensetzung der Gasdiffusionslage eine feine Verteilung der Reaktanten über der aktiven Fläche der Membran- Elektrodeneinheit ermöglicht werden.
Ebenfalls kann die Erfindung bei einer Gasverteilerstruktur vorsehen, dass der erste Bereich in der Verteilerebene des Reaktanten (bzw. die erste
Verteilungsstruktur) eine periodische oder eine stochastische Form aufweist. Durch die periodische erste Verteilungsstruktur kann der Gasfluss auf eine einfache Weise eingestellt und prognostiziert werden. Durch die stochastische erste Verteilungsstruktur kann der Gasfluss gut verteilt werden.
Zudem kann die Erfindung bei einer Gasverteilerstruktur vorsehen, dass der erste Bereich im Querschnitt zu einer Strömungsrichtung des Reaktanten gesehen eine sinusoidale Form, eine eckige Form oder eine Rillenform aufweist. Durch eine sinusoidale Form kann ein gleichmäßiger Übergang des Reaktanten aus der ersten Verteilerstruktur in die zweite Verteilerstruktur erreicht und die Oberfläche hierzu vergrößert werden. Zudem kann dadurch die Auflagefläche zwischen der Gasverteilerstruktur und der Bipolarplatte reduziert werden, wodurch die Ansammlungen des Produktwassers in der Zelle noch weiter reduziert werden können. Durch eine eckige Form oder eine Rillenform kann die Herstellung der ersten Verteilerstruktur vereinfacht werden. Im Rahmen der Erfindung ist es denkbar, dass der erste Bereich der Gasverteilerstruktur mit beiden Verteilerstrukturen unterschiedlicher Größenordnungen in einer einzigen Form ausgebildet werden kann. Weiterhin ist es denkbar, dass der erste Bereich der Gasverteilerstruktur aus einem Block hergestellt wird, wobei an der Oberseite des Blocks entsprechende Strukturelemente durch eine Abtragung oder gezielte Umformung bzw. Verdichtung des Materials der Schaumstruktur hergestellt werden können.
Außerdem kann die Erfindung bei einer Gasverteilerstruktur vorsehen, dass der erste Bereich in der Verteilerebene des Reaktanten mehrere parallele, in ihrer Breite und/oder Höhe zulaufende oder abwechselnd zulaufende, gleich lange oder unterschiedlich lange Rillen und/oder Erhebungen aufweist. Durch parallele Rillen und/oder Erhebungen kann die Herstellung der ersten Verteilerstruktur vereinfacht werden. Durch zulaufende Rillen und/oder Erhebungen kann der Druckabfall beim Verteilen des Reaktanten gezielt beeinflusst, bspw. gemindert werden und die Bedingungen innerhalb der Zelle den verschiedenen
Erfordernissen an den jeweiligen Stellen (z. B. Anfang, Mitte, Ende des Flow- Fields) angepasst werden. Bei abwechselnd zulaufenden Rillen kann es vorteilhaft sein, den Reaktanten aus unterschiedlichen Richtungen in die
Brennstoffzelle einzuleiten. Da der Übergang aus der ersten Verteilerstruktur in die zweite Verteilerstruktur durch die Poren der Schaumstruktur erfolgt, brauchen die Rillen und/oder Erhebungen nicht über die gesamte Länge des Gasflusses ausgebildet werden. Dadurch kann die Stabilität der Gasverteilerstruktur erhöht werden.
Ferner kann die Erfindung bei einer Gasverteilerstruktur vorsehen, dass der zweite Bereich eine ebene Lage parallel zur Membran- Elektrodeneinheit der Brennstoffzelle bildet. Somit kann sichergestellt werden, dass der nun fein verteilte Reaktant gleichmäßig der aktiven Fläche an der Membran- Elektrodeneinheit zugefügt wird. Außerdem kann dadurch der elektrische Anschluss an die aktive Fläche der Membran- Elektrodeneinheit zuverlässig hergestellt werden.
Auch ist es möglich, dass der erste Bereich mithilfe von Electrical Discharge Machining oder Multi Wire Electrical Discharge Machining ausgebildet ist. Somit kann eine feinporige Schaumstruktur bereitgestellt werden, deren Porengröße unabhängig von den Abmessungen der Schaumstruktur eingestellt werden kann. Außerdem kann dadurch eine schnelle und kostengünstige Herstellung von Gasverteilerstrukturen im Sinne der Erfindung ermöglicht werden.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass der erste Bereich und der zweite Bereich stoffschlüssig und/oder durch Verpressen miteinander verbunden sind. Somit kann eine elektrische Verbindung mit einem geringen elektrischen
Widerstand sowie eine gute thermische Leitfähigkeit zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich erreicht werden.
Ferner stellt die Erfindung eine Brennstoffzelle bereit, die auf einer Kathodenseite und/oder auf einer Anodenseite mindestens eine Gasverteilerstruktur aufweist, die, wie oben beschrieben, ausgeführt sein kann. Mithilfe der
erfindungsgemäßen Brennstoffzelle können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen
Gasverteilerstruktur beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele: Die erfindungsgemäße Gasverteilerstruktur und die erfindungsgemäße
Brennstoffzelle und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
Fig. la eine beispielhafte Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik,
Fig. lb eine weitere beispielhafte Brennstoffzelle nach dem Stand der
Technik,
Fig. 2 eine beispielhafte Brennstoffzelle im Sinne der Erfindung,
Fig. 3 eine beispielhafte Gasverteilerstruktur im Sinne der Erfindung für eine
Brennstoffzelle gemäß der Figur 2,
Fig. 4 unterschiedliche Beispiele einer Gasverteilerstruktur im Sinne der
Erfindung im Querschnitt durch die Gasverteilerstruktur, und
Fig. 5 unterschiedliche Beispiele einer Gasverteilerstruktur im Sinne der
Erfindung in einer Draufsicht auf die Gasverteilerstruktur.
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.
Die Figur la zeigt ein erstes Beispiel einer bekannten Brennstoffzelle 100*, die wie oben beschrieben ausgeführt sein kann. Bei der Brennstoffzelle 100* gemäß der Figur la wird eine Gasverteilerstruktur 10* eingesetzt, die eine
Gasdiffusionslage GDL für eine feine Verteilung und eine Bipolarplatte 101 in Form eines geprägten Bleches für eine grobe Verteilung des Reaktanten umfasst. Dabei entsteht jedoch die Gefahr von Wasseransammlungen unter den Stegen des geprägten Bleches der Bipolarplatte 101. Die Bereiche der aktiven Fläche der Membran 103 können dadurch blockiert werden. Somit kann die Diffusion der Wasserstoffionen H+ durch die Membran 103 behindert und der Betrieb der Brennstoffzelle 100* gestört werden. Außerdem können durch die Stege des geprägten Bleches die darunter liegende Bereiche der Gasdiffusions lage GDL verformt werden. Zudem kann der Gasfluss der Reaktanten unter den Stegen der Bipolarplatten 101, 102 durch die Wasseransammlungen behindert werden.
Die Figur lb zeigt ein weiteres Beispiel einer bekannten Brennstoffzelle 100**, die wie oben beschrieben ausgeführt sein kann. Bei dieser Brennstoffzelle 100** wird zumindest auf der Kathodenseite K der Membran 103 eine Gasverteiler struktur 10** aus einem elektrisch leitfähigen Schaum eingesetzt, die durch eine flache Bipolarplatte 101 vom Anodenbereich A abgegrenzt ist. Dabei wird jedoch die Gaszufuhr nur mit erheblichen Druckverlusten ermöglicht. In einer solchen Brennstoffzelle 100** werden hohe Anforderungen an den Verdichter zum Bereitstellen der Kathodenluft aufgestellt, die mit hohen Kosten und
Energieverlusten einhergehen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren 2 bis 5 erklärt.
Wie es die Figur 2 zeigt, stellt die vorliegende Erfindung eine Gasverteilerstruktur 10 für eine Brennstoffzelle 100, bspw. eine PEM-Brennstoffzelle, oder für einen Elektrolyseur bereit, die zum Bereitstellen eines Reaktanten an die Brennstoff zelle 100 dient. Die erfindungsgemäße Gasverteilerstruktur 10 umfasst dabei einen ersten Bereich 11 mit einer ersten, insbesondere groben, Verteilerstruktur S1 und mit einer zweiten nachgeordneten Verteilerstruktur S2 zum Verteilen des Reaktanten in der Brennstoffzelle 100, wobei der erste Bereich 11 an eine Bipolarplatte 101 der Brennstoffzelle 100 angrenzt, wobei die Bipolarplatte 101 nun in Form einer dünnen und flachen Platte ausgebildet sein kann. Zudem umfasst die erfindungsgemäße Gasverteilerstruktur 10 einen zweiten Bereich 12 mit einer dritten, insbesondere feinen bzw. der ersten Verteilerstruktur S1 und der zweiten Verteilerstruktur S2 untergeordneten, Verteilerstruktur S3 zum gleichmäßigen Verteilen des Reaktanten über einer Membran- Elektrodeneinheit 103 der Brennstoffzelle 100, wobei der zweite Bereich 12 an die Membran- Elektrodeneinheit 103 angrenzt. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der erste Bereich 11 durch eine Schaumstruktur S und der zweite Bereich 12 durch eine Gasdiffusionslage GDL gebildet sind. Zwischen dem ersten Bereich 11 und dem zweiten Bereich 12 ist ein Übergang in Form einer ebenen Lage (Teil von Bereich 11) vorgesehen. Zudem bildet der zweite Bereich 12 eine ebenfalls ebene Lage am Übergang zur Membran- Elektrodeneinheit 103. Am Übergang zur flachen Bipolarplatte 101 ist durch die Ausformung der Oberseite der Schaumstruktur S die erste bzw. grobe
Verteilerstruktur S1 in der Größenordnung zwischen 0,1 mm bis 1,5 mm gebildet. Gemeint sind dabei die Abmessungen der einzelnen Strukturelemente der ersten Verteilerstruktur Sl. Die Höhe der Rillen von S1 kann 0,05 mm bis 0,5 mm betragen. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, dass alle genannten Größen von der Porengröße der Schaumstruktur S entkoppelt sind.
Die erfindungsgemäße Gasverteilerstruktur 10 kann vorzugsweise auf der Kathodenseite K der Brennstoffzelle 100 von Vorteil sein, um Wasseran sammlungen an der Membran- Elektrodeneinheit 103 zu vermeiden und die Verteilung des Reaktanten mit geringen Druckverlusten zu ermöglichen.
Gleichwohl ist es ebenfalls denkbar, obwohl dies nicht in den Figuren dargestellt ist, dass die erfindungsgemäße Gasverteilerstruktur 10 zudem auf der
Anodenseite A der Brennstoffzelle 100 von Vorteil sein kann, um den Gasfluss der Reaktanten an beiden Seiten A, K der Brennstoffzelle 100 zu begünstigen. Die Membran- Elektrodeneinheit 103 im Rahmen der Erfindung kann durch eine Membran 103 mit einer Katalysatorschicht zum Auslösen und Fördern der elektrochemischen Reaktion, bspw. aus Platin, gebildet werden.
Die Schaumstruktur S im Sinne der Erfindung bildet den ersten Bereich 11 der erfindungsgemäßen Gasverteilerstruktur 10. Am Übergang zur Gasdiffusionslage GDL, also zum zweiten Bereich 12 im Sinne der Erfindung, bildet die Schaum struktur S insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen geprägten Blechen den Vorteil einer sehr viel feineren und gleichmäßigeren Auflage. Gleichzeitig bildet die erfindungsgemäße Schaumstruktur S am Übergang zur Bipolarplatte 101 eine grobe Verteilerstruktur Sl, sodass der Strömungswiderstand für die Gas strömung auf eine vorteilhafte Weise reduziert ist. In Alleinstellung ist die erfindungsgemäße Schaumstruktur S in der Figur 3 gezeigt.
Mit anderen Worten bietet die erfindungsgemäße Gasverteilerstruktur 10 beides, eine homogene Auflage auf der Gasdiffusionslage GDL und einen geringen Strömungswiderstand beim Einführen des Reaktanten in die Brennstoffzelle 100. Die erste Verteilerstruktur S1 an der der Gasdiffusionslage GDL abgewandten Seite der Schaumstruktur S kann vorteilhafterweise mittels eines Electrical Discharge Machining (EDM) oder eines Multi Wire Electrical Discharge
Machining (MWEDM) hergestellt werden.
Die Schaumstruktur S weist somit zwei Verteilerstrukturen unterschiedlicher Größenordnungen (S1 und S2) auf. Die erste Verteilerstruktur S1 dient der groben Verteilung des Reaktanten in der Brennstoffzelle 100. Die zweite
Verteilerstruktur S2, die der ersten Verteilerstruktur S1 untergeordnet ist, ist durch die innere Zusammensetzung der Schaumstruktur S bereitgestellt, also durch die offenen Poren der Schaumstruktur S. Schließlich dient der zweite Bereich 12 mit der feinsten dritten Verteilerstruktur S3 eine gleichmäßige Verteilung des Reaktanten über die aktive Fläche der Membran- Elektroden einheit 103.
Die Gasdiffusionslage GDL kann durch ein fein poriges, faserartiges bzw.
gewebeartiges Gebilde aus Kohlenstoff bzw. Graphit gebildet sein.
Die erste Verteilungsstruktur S1 zur Auflage auf der Bipolarplatte 101 kann unterschiedliche Formen bzw. Ausprägungen aufweisen, wie es im
Nachfolgenden die Figuren 4 und 5 zeigen.
Wie es die Figur 4 zeigt, können die einzelnen Elemente der ersten
Verteilungsstruktur S1 in Form von unterschiedlichen eckigen, abgerundeten oder dreieckförmigen Strukturelementen, bspw. Rillen ausgeformt sein, die von der Größe her variieren können und die in unterschiedlichen Abständen zueinander ausgebildet sein können. Allerdings sind die genannten Formen lediglich als beispielhafte Ausführungen anzusehen und können auch anders ausgeprägt sein.
Wie es die Figur 5 außerdem zeigt, kann der erste Bereich 11 in der
Verteilerebene x, y des Reaktanten mehrere parallele, zulaufende oder abwechselnd zulaufende, gleich lange oder unterschiedlich lange Rillen R und/oder Erhebungen E als Strukturelemente aufweisen. Dabei ist es ersichtlich, dass die Rillen R und/oder Erhebungen E nicht über die gesamte Länge des Gasflusses ausgebildet werden brauchen, da der Übergang aus der ersten Verteilerstruktur S1 in die zweite Verteilerstruktur S2 durch die Poren der Schaumstruktur S erfolgt.
Mithilfe der Erfindung kann somit eine Gasverteilerstruktur 10 bereitgestellt werden, die eine gleichmäßige Auflage auf der Gasdiffusionslage GDL bildet und die einen geringen Strömungswiderstand bei der Verteilung des Reaktanten in der Brennstoffzelle 100 ermöglicht. Somit kann die Gefahr von
Wasseransammlungen an der Kathodenseite K der Membran- Elektrodeneinheit
103 zuverlässig reduziert werden und ein Verdichter mit geringen Abmessungen ermöglicht werden, der nur wenig Strom für seinen Betrieb erfordert.
Die voranstehende Beschreibung der Figuren 2 bis 5 beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Ansprüche
1. Gasverteilerstruktur (10) für eine Brennstoffzelle (100), die zum
Bereitstellen eines Reaktanten an die Brennstoffzelle (100) dient, aufweisend:
einen ersten Bereich (11) mit einer ersten Verteilerstruktur (Sl) und mit einer zweiten nachgeordneten Verteilerstruktur (S2) zum Verteilen des Reaktanten in der Brennstoffzelle (100),
wobei der erste Bereich (11) an eine Bipolarplatte (101) der Brennstoffzelle (100) angrenzt,
und einen zweiten Bereich (12) mit einer dritten untergeordneten,
Verteilerstruktur (S3) zum gleichmäßigen Verteilen des Reaktanten über einer Membran- Elektrodeneinheit (103) der Brennstoffzelle (100), wobei der zweite Bereich (12) an die Membran- Elektrodeneinheit (103) angrenzt,
und wobei der erste Bereich (11) durch eine Schaumstruktur (S) und der zweite Bereich (12) durch eine Gasdiffusionslage (GDL) gebildet sind.
2. Gasverteilerstruktur (10) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schaumstruktur (S) aus einem Metallschaum oder aus einem beschichten Kunststoffschaum ausgebildet ist,
und/oder dass die Gasdiffusionslage (GDL) aus einem faserartigen oder gewebeartigen Kohlenstoffmaterial ausgebildet ist.
3. Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Bereich (11) in der Verteilerebene (x, y) des Reaktanten eine periodische oder eine stochastische Form aufweist.
4. Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Bereich (11) im Querschnitt zu einer Strömungsrichtung (x) des Reaktanten gesehen eine sinusoidale Form, eine eckige Form oder eine Rillenform aufweist.
5. Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Bereich (11) in der Verteilerebene (x, y) des Reaktanten mehrere parallele, in ihrer Breite und/oder ihrer Höhe zulaufende oder abwechselnd zulaufende, gleich lange oder unterschiedlich lange Rillen (R) und/oder Erhebungen (E) aufweist.
6. Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der zweite Bereich (12) eine ebene Lage parallel zur Membran- Elektrodeneinheit (103) der Brennstoffzelle (100) bildet.
7. Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Bereich (11) mithilfe von Electrical Discharge Machining (EDM) oder Multi Wire Electrical Discharge Machining (MWEDM) ausgebildet ist.
8. Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Bereich (11) und der zweite Bereich (12) stoffschlüssig und/oder durch Verpressen miteinander verbunden sind.
9. Brennstoffzelle (100), die auf einer Kathodenseite (K) und/oder auf einer Anodenseite (A) mindestens eine Gasverteilerstruktur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
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