DE102004026134B4

DE102004026134B4 - Gasverteilerfeldplatte für eine Brennstoffzelle und eine solche enthaltende Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102004026134B4
Application number: DE102004026134A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dr. Jörissen; Joachim Dr. Scholta; Frank HÄUSSLER; Weibo Dr. Zhang; Werner Dr. Lehnert
Original assignee: Zentrum fuer Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung Baden Wuerttemberg
Current assignee: Zentrum fuer Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung Baden Wuerttemberg
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2024-05-29
Also published as: DE102004026134A1

Abstract

Gasverteilerfeldplatte für eine Brennstoffzelle, bei der parallel verlaufende Gasführungskanäle mit einer mäanderförmigen Stuktur angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass an den an Stegen mit entgegengesetzter Strömungsrichtung vorhandenen Mäandergrenzkanälen Stege mit variierender Breite vorgesehen sind, um den Quertransport von Medien entlang der Mäandergrenzkanäle zu vermindern, wobei die Breite der Gasführungskanäle konstant ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Gasverteilerfeldplatte für eine Brennstoffzelle, bei der parallel verlaufende Gasführungskanäle mit einer mäanderförmigen Struktur angeordnet sind. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle mit einer solchen Gasverteilerfeldplatte auf der Kathodenseite und/oder Anodenseite. Bei einer solchen Brennstoffzelle handelt es sich insbesondere um eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzelle.
Hintergrund der Erfindung
PEM-Brennstoffzellen verstromen anodenseitig Wasserstoff oder Reformat aus unterschiedlichen Quellen und Verfahren mit einem Inertgasanteil von 20 bis zu etwa 70 %. Kathodenseitig wird fast durchgängig Luft als Sauerstoffquelle verwendet.
In beiden Fällen kommt es darauf an, die Reaktionsgase möglichst weitgehend unter Erhalt der Zellspannung umzusetzen. Dies erfordert eine gleichmäßige Führung der Reaktionsgase über die Zelle in einer Weise, dass Verarmungszonen, welche lokal zu einer stark verminderten Stromdichte führen, weitestmöglich vermieden werden.
Die Gasführung soll weiterhin in mindestens einer Richtung mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit zur Austragung von Tröpfchen erfolgen können.

Bekannt ist, dass die Gasführung zur Erreichung einer ausreichend hohen Geschwindigkeit über einzelne Kanäle oder mehrerer parallel angeordnete Kanäle mit einer mäanderförmigen Struktur erfolgen kann. Diese kann sich gleichförmig über den aktiven Bereich erstrecken oder auch lokale Verzweigungen mit komplexerer Struktur beeinhalten.

Bekannt ist ebenfalls, dass bei geeigneter Kanalanordnung, wie etwa ähnliche Kanallängen und ähnliche Kurvenanzahl der Einzelkanäle, eine gleichförmige Geschwindigkeitsverteilung in den Kanälen erzielt werden kann.

Bei der z. B. in DE 100 15 360 A1 beschriebenen Kanalanordnung mit Mäanderstruktur nach dem Stand der Technik verlaufen einige Kanäle nebeneinander, deren statischer Druck erheblich voneinander abweicht, da zwischen den aneinanderliegenden Gaskanälen größere Weglängen mit entsprechenden Druckabfällen liegen können. Daraus resultiert eine Querdiffusion über die Gasdiffusionslage, welche zu einer lokalen Anreicherung von Reaktanden und einem teilweisen hydraulischen Kurzschluss bestimmter Kanalteile führt, welcher seinerseits zu einer Verarmung der Reaktanden in anderen Bereichen der aktiven Fläche und einer daraus resultierenden Verminderung der erzielbaren Stromdichte führt.

In Folge muß der entsprechende Brennstoffzellenstapel mit einem niedrigeren Umsatzgrad betrieben werden, welcher wiederum zu einem schlechteren Anlagenwirkungsgrad führt.

Die DE 100 54 444 A1 beschreibt eine Brennstoffzelle mit mindestens einem mäanderförmig verlaufenden Kanal zur Versorgung einer Brennstoffzellen-Membran bzw. des Elektrolyts der Brennstoffzelle, wobei sich der Querschnitt des mäanderförmig verlaufenden Kanals in Strömungsrichtung vergrößert. Dadurch soll eine Abnahme der Wasserstoffkonzentration des Brenngases über die Länge der Kanäle kompensiert und im wesentlichen eine gleichmäßige Flächenbelastung erzielt werden. Das Problem der Querdiffusion wird in dieser Druckschrift jedoch nicht erwähnt.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasverteilerfeldplatte für eine Brennstoffzelle vorzusehen, bei der die Gasführungskanäle eine mäanderförmige Struktur aufweisen, wobei die an den Kanälen auftretende Querdiffusion über die Gasdiffusionslage soweit vermindert ist, dass eine annähernd gleichmäßige Gasverteilung über die gesamte Mäanderlänge erreicht wird. Ferner soll eine Brennstoffzelle mit möglichst hohen Reaktionsgas-Umsatzgraden vorgesehen werden, welche einen hohen Anlagewirkungsgrad ermöglicht.

Zusammenffassung der Erfindung

Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Gasverteilerfeldplatte gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 5.

Bevorzugte bzw. besonders zweckmäßige Ausführungsformen des Anmeldungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Gasverteilerfeldplatte wird der Quertransport von Medien entlang der Mäandergrenzkanäle vermindert und dadurch eine gleichmäßige Strömung durch alle Kanäle erreicht. Dies ermöglicht den Aufbau von Brennstoffzellen mit hohem Umsatzgrad und Wirkungsgrad.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist somit eine Gasverteilerfeldplatte für eine Brennstoffzelle, bei der parallel verlaufende Gasführungskanäle mit einer mäanderförmigen Stuktur angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass an den an Stegen mit entgegengesetzter Strömungsrichtung vorhandenen Mäandergrenzkanälen Stege mit variierender Breite vorgesehen sind, um den Quertransport von Medien entlang der Mäandergrenzkanäle zu vermindern, wobei die Breite der Gasführungskanäle konstant ist.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Brennstoffzelle mit einer solchen Gasverteilerfeldplatte auf der Kathodenseite und/oder Anodenseite.

Gemäß der Erfindung hat sich somit gezeigt, dass die oben genannte Aufgabe dadurch gelöst werden kann, dass der an den betreffenden Übergängen der Gasführungskanäle vorhandene Steg in seiner Breite derart variiert wird, dass die auftretende Querströmung gerade ausreichend ist, um an der Reaktionszone oberhalb des betreffenden Stegabschnitts eine ausreichende Reaktandenkonzentration zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß sind für die Variation der Stegbreite an den Mäandergrenzkanälen zwei Konfigurationen vorgesehen:

a) Eine Verbreiterung des betreffenden Steges um einen konstanten Betrag,
b) eine Verbreiterung des betreffenden Steges um einen variablen Betrag, speziell eine Verbreiterung des betreffenden Steges in Keilform.

Konfiguration a) ermöglicht eine erfindungsgemäße Lösung des Querströmungsproblems. In einem Stegbereich mit nur kurzer überbrückender Kanallänge kann jedoch durch die Verbreiterung eine gewisse Verarmung der Reaktandenkonzentration auftreten. Besonders bevorzugt ist daher Variante b), welche die erfindungsgemäße Lösung des Querströmungsproblems ohne Inkaufnahme einer Reaktandenverarmung über dem Stegteil mit kurzer Kanallänge ermöglicht.

Der konkrete Umfang der zusätzlichen Verbreiterung wie auch der zusätzlichen Keilform ist abhängig von den Eigenschaften der gewählten Gasdiffusionslage wie auch den gewählten Kanalgeometrien. Erfindungsgemäß wirksame Geometrien können sowohl über Modellrechnungen als auch über die Ermittlung von Leistungskennlinien aufgebauter Brennstoffzellen unter Variation der Steggeometrien ermittelt werden.

Der Aufbau und die Komponenten einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle entsprechen dem Stand der Technik, mit Ausnahme der erfindungsgemäßen Gasverteilerfeldplatte auf der Kathodenseite und/oder Anodenseite, vorzugsweise sowohl auf der Kathoden- als auch der Anodenseite. Insbesondere bevorzugt handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle um eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzelle.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung wird anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1: Den Ausschnitt einer erfindungsgemäß ausgeführten Gasverteilerfeldplatte einer Brennstoffzelle;
2: Strom-Spannungskennlinien für nach dem Stand der Technik auf gebaute und erfindungsgemäße Gasverteilerfelder; und
3: Umsatz-Kennlinien für eine nach dem Stand der Technik aufgebaute sowie eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 1 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung anhand eines Dreier-Mäanders. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anordnung beschränkt, sondern gilt für eine beliebige Anzahl parallel laufender Kanäle. Bei der bevorzugten Keilform ergibt sich eine gegenüber der waagerechten bzw. senkrechten leicht angewinkelte Struktur, welche bei einer nach unten führenden Hauptströmungsrichtung zusätzliche Vorteile in Form eines erleichterten Austrags von Wassertröpfchen aufweist.
Die Erfindung wird anhand einer Polymermembran-Brennstoffzelle erläutert, ohne auf diesen Zelltyp beschränkt zu sein.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß aufgebauten Gasverteilerfeldplatte (Flowfield) wird anhand einer Polymermembran-Brennstoffzelle mit 100 cm² Aktivfläche erläutert:
Eine nach dem Stand der Technik aufgebaute Zelle weist ein Flowfield mit einem dreifach parallelisierten Mäander mit einer Kanal- und Stegbreite von etwa 0,8 mm auf. Die Kanaltiefe liegt im Bereich von 1,2 bis 1,6 mm. Nach dem Stand der Technik sind die Ein- und Ausströmungsbereiche so aufgebaut, dass durch in diesem Bereich mehrfach unterbrochene Stege eine gleichmäßige Anströmung aller Kanäle eines parallelisierten Mäanders ermöglicht wird. Die Anordnungen der Mäander auf der Anoden- und Kathodenseite können eine Strömung in gleicher, gekreuzter oder entgegengesetzter Strömungsrichtung ermöglichen. Im Ausführungsbeispiel sind die Mäander so angeordnet, dass sowohl eine Gleich- als auch eine Gegenströmung der Medien erfolgen kann.
Die Zelle mit erfindungsgemäß aufgebautem Flowfield ist in oben beschriebener Form aufgebaut, weist jedoch an den Stegen mit entgegengesetzter Strömungsrichtung und damit korrespondierenden erhöhten Druckdifferenzen einen keilförmigen Verlauf auf. Am strömungsumlenkseitigen Ende des Steges ist dieser gleich breit wie die übrigen Stege. Zum anderen Ende hin verdickt sich der Steg gleichmäßig auf eine Breite von 1,8 mm, so dass die an diesem Ende auftretende Querströmung über den Steg (bedingt durch die erhöhte Druckdifferenz) etwa so weit vermindert wird, dass über dem Steg gerade noch eine ausreichende Medienversorgung gegeben ist.
Diese Anordnung lässt gegenüber dem Stand der Technik insbesondere bei höheren Stromdichten und erhöhten Gas- bzw. Luftumsätzen eine verbesserte Zellspannung erwarten.
In 2 sind entsprechende Strom-Spannungskennlinien für a) nach dem Stand der Technik aufgebaute und b) erfindungsgemäß aufgebaute Flowfields wiedergegeben. Es zeigt sich, dass erfindungsgemäß eine signifikante Verbesserung des Kennlinienverlaufs bei hohen Stromdichten erzielt werden kann.
Weiterhin weist eine erfindungsgemäß aufgebaute Zelle einen verbesserten Verlauf der Umsatzkennlinie auf, wie in 3 erkennbar ist.
Es zeigt sich, dass eine erfindungsgemäß aufgebaute Zelle bei Umsatzgraden von mehr als 45 % eine um bis zu 50 mV verbesserte Zellspannung aufweist, was mit einer durch die erfindungsgemäßen keilförmigen Stege verminderten Querdiffusion und der dadurch bewirkten gleichmäßigeren Strömungsverteilung erklärt werden kann.

Claims

Gasverteilerfeldplatte für eine Brennstoffzelle, bei der parallel verlaufende Gasführungskanäle mit einer mäanderförmigen Stuktur angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass an den an Stegen mit entgegengesetzter Strömungsrichtung vorhandenen Mäandergrenzkanälen Stege mit variierender Breite vorgesehen sind, um den Quertransport von Medien entlang der Mäandergrenzkanäle zu vermindern, wobei die Breite der Gasführungskanäle konstant ist.
Gasverteilerfeldplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Mäandergrenzkanälen Stege mit ansteigender Breite vorgesehen sind.
Gasverteilerfeldplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den Mäandergrenzkanälen Stege mit keilförmig ansteigender Breite vorgesehen sind.
Gasverteilerfeldplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Mäandergrenzkanälen Stege mit im Vergleich zu den übrigen Stegen gleichmäßig erhöhter Breite vorgesehen sind.
Brennstoffzelle mit einer Gasverteilerfeldplatte gemäß einem der Ansprüche 1-4 auf der Kathodenseite und/oder Anodenseite.
Brennstoffzelle nach Anspruch 5, bei der es sich um eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzelle handelt.