DE102005025911A1 - Fuel cell arrangement for producing electrical power, has supply plate with media channels, and micro-channels arranged in region of bars, where micro-channels are provided in direction transverse to direction of media channels - Google Patents

Fuel cell arrangement for producing electrical power, has supply plate with media channels, and micro-channels arranged in region of bars, where micro-channels are provided in direction transverse to direction of media channels Download PDF

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Abstract

The arrangement has a supply plate with media channels (2) and a set of bars (3) are arranged between the media channels. A diaphragm structure lies on the bar, where the structure comprising an ionic conducting diaphragm and a catalyzer layer lies at the supply plate. Micro-channels (10) are arranged in a region of the bars, where the micro-channels are provided in a direction transverse to a direction of the media channels.

Description

Die vorliegende Erfindung ist auf Brennstoffzellenanordnungen mit verbesserter Medienzufuhr im Bereich von Kanalstegen gerichtet.The The present invention is improved on fuel cell assemblies having Media feed directed in the area of channel webs.

Brennstoffzellensysteme sind bereits seit langem bekannt und haben in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen. Ähnlich wie Batteriesysteme erzeugen Brennstoffzellen elektrische Energie auf chemischem Weg durch eine Redoxreaktion von Wasserstoff und Sauerstoff, wobei die einzelnen Reaktanten kontinuierlich zugeführt und die Reaktionsprodukte kontinuierlich abgeführt werden.Fuel cell systems have been known for a long time and have been in recent years gained considerable importance. Similar to battery systems Fuel cells generate electrical energy by chemical means by a redox reaction of hydrogen and oxygen, wherein the fed to each reactant continuously and the reaction products continuously dissipated become.

Bei einer Brennstoffzelle werden die zwischen elektrisch neutralen Molekülen oder Atomen ablaufenden Oxidations- und Reduktionsprozesse in der Regel über einen Elektrolyten räumlich getrennt. Eine Brennstoffzelle besteht grundsätzlich aus einem Anodenteil, an den ein Kraftstoff zugeführt wird. Weiterhin weist die Brennstoffzelle einen Kathodenteil auf, an dem ein Oxidationsmittel zugeführt wird. Räumlich getrennt sind der Anoden- und Kathodenteil durch den Elektrolyten. Bei einem derartigen Elektrolyten kann es sich beispielsweise um eine Membran handeln. Solche Membranen haben die Fähigkeit, Ionen durchzuleiten, Gase jedoch zurückzuhalten. Die bei der Oxidation abgegebenen Elektronen werden nicht lokal von Atom zu Atom übertragen, sondern als elektrischer Strom durch einen Verbraucher geleitet.at a fuel cell, those between electrically neutral molecules or Atoms proceeding oxidation and reduction processes usually via a Electrolytes spatially separated. A fuel cell basically consists of an anode part, to which a fuel is supplied becomes. Furthermore, the fuel cell has a cathode part, to which an oxidizing agent is supplied. Spatially separated are the anode and cathode part through the electrolyte. In such an electrolyte it may, for example, be a membrane. Such membranes have the ability Passing ions through but retaining gases. The case of oxidation emitted electrons are not transmitted locally from atom to atom, but passed as electrical current through a consumer.

Als gasförmiger Reaktionspartner für die Brennstoffzelle können beispielsweise Wasserstoff als Kraftstoff und Sauerstoff beziehungsweise Luft als Oxidationsmittel im Kathodenteil verwendet werden.When gaseous Reaction partner for the fuel cell can for example, hydrogen as fuel and oxygen respectively Air can be used as an oxidizing agent in the cathode part.

Ein Brennstoffzellensystem besteht in der Regel aus mehreren Brennstoffzellen, die beispielsweise wiederum aus einzelnen Schichten gebildet sein können. Die Brennstoffzellen sind vorzugsweise hintereinander angeordnet, beispielsweise sandwichartig übereinander gestapelt. Ein derart ausgebildetes Brennstoffzellensystem wird dann als Brennstoffzellenstapel beziehungsweise Brennstoffzellenstack bezeichnet.One Fuel cell system usually consists of several fuel cells, in turn, for example, be formed of individual layers can. The fuel cells are preferably arranged one behind the other, for example, sandwiched over one another stacked. Such a trained fuel cell system is then as a fuel cell stack or fuel cell stack designated.

Die einzelne Brennstoffzelle weist im allgemeinen eine Anordnung auf, bei der auf einer mit Medienzuführkanälen versehenen Zufuhrplatte eine Gasdiffusionslage oder -schicht aufliegt, die der Verteilung der Medien (Kraftstoff, Sauerstoff) zu einer angrenzenden Katalysatorschicht dient, die von der Membran überlagert ist. Auf der anderen Seite der Membran wiederholt sich diese Schichtenabfolge in umgekehrter Reihenfolge.The single fuel cell generally has an arrangement when on a provided with media supply channels Supply plate rests a gas diffusion layer or layer, the the distribution of media (fuel, oxygen) to an adjacent one Catalyst layer is used, which is superimposed by the membrane. On the other Side of the membrane, this layer sequence is repeated in reverse Sequence.

Um die Medien den Katalysatorschichten und der Gasdiffusionslage zuzuführen, und um die Reaktionsprodukte abzuführen, sind im allgemeinen die mit Kanälen versehenen Zufuhrplatten mit der Gasdiffusionslage verbunden beziehungsweise in direktem Kontakt, wobei die Zufuhrplatten parallel laufende Kanäle mit dazwischen angeordneten Stegen aufweisen. Die Stege dienen dabei einerseits der Führung der Medienströme, andererseits der elektrischen Kontaktierung des Katalysators über die Gasdiffusionslage.Around supplying the media to the catalyst layers and the gas diffusion layer, and to remove the reaction products, are generally those with channels provided supply plates connected to the gas diffusion layer or in direct contact, with the feed plates running parallel channels with in between having arranged webs. The webs serve one hand the leadership the media streams, on the other hand, the electrical contacting of the catalyst over the Gas diffusion layer.

Im Bereich dieser Stege entsteht in der Gasdiffusionslage und an der Katalysatorschicht eine Zone ohne oder mit nur schlechter Medienversorgung, da die Reaktionsmedien nicht ausreichend durch die Gasdiffusionslage hindurch diffundieren. Diese Bereiche an den Stegen werden Totzonen genannt und verringern die Gesamtleistung des Brennstoffzellensystems.in the Area of these webs arises in the gas diffusion layer and at the Catalyst layer a zone without or with poor media supply, because the reaction media is insufficient due to the gas diffusion layer diffuse through. These areas on the jetties become dead zones called and reduce the overall performance of the fuel cell system.

Um diesem Effekt entgegenzuwirken, wird in der DE 199 58 405 A1 eine Strom- und Gasverteilerstruktur vorgeschlagen, in deren Elektroden-zugewandter Oberfläche feine Strukturen wie beispielsweise Säulenanordnungen oder Serpentinenkanäle eingearbeitet sind. Die Makrostruktur der Strom- und Gasverteilerstruktur besteht aus einzelnen Füßen in Kontakt mit den Elektroden, die vom Medium umströmt werden. Eine solche Anordnung berücksichtigt jedoch nicht die spezifischen Strömungsverhältnisse bei Verwendung eines in der Regel parallel verlaufenden Kanalsystems, das eione optimierte Strömungsführung bewirken soll.To counteract this effect, in the DE 199 58 405 A1 proposed a current and gas distribution structure, in the electrode-facing surface fine structures such as column arrays or serpentine channels are incorporated. The macrostructure of the power and gas distribution structure consists of individual feet in contact with the electrodes, which are flowed around by the medium. Such an arrangement, however, does not take into account the specific flow conditions when using a generally parallel duct system, which is intended to effect a highly optimized flow guidance.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenanordnung bereitzustellen, bei der die Stege zwischen benachbarten Kanälen nicht zur Ausbildung eines Totraums führen.Therefore the invention has the object, a fuel cell assembly to provide, in which the webs between adjacent channels not lead to the formation of a dead space.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Bereitstellung einer Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Details und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.These The object is achieved by the Provision of a fuel cell assembly having the features according to the independent claim 1 solved. Further advantageous embodiments, details and aspects of the present Invention result from the dependent claims, the Description and attached drawings.

Die Erfindung ist auf eine Brennstoffzellenanordnung gerichtet, welche aufweist eine Zufuhrplatte mit Medienkanälen und dazwischen liegenden Stegen, eine auf den Stegen aufliegende Membranstruktur, die zumindest eine ionenleitende Membran und eine Katalysatorschicht, die näher an der Zufuhrplatte liegt als die ionenleitende Membran, umfasst. Die Brennstoffzellenanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich der Stege Mikrokanäle in allgemeiner Querrichtung zur Richtung der Medienkanäle vorgesehen sind.The invention is directed to a fuel cell assembly having a feed plate with media channels and intervening lands, a membrane structure resting on the lands, comprising at least one ion conducting membrane and a catalyst layer closer to the feed plate than the ion conducting membrane. The fuel cell assembly is characterized records that at least in the region of the webs microchannels are provided in a general transverse direction to the direction of the media channels.

Unter einer Brennstoffzellenanordnung ist hierbei eine Anordnung von Bauteilen in einem Basiselement einer Brennstoffzelle von einem Zufuhrbereich (flow field) bis zur, die Anordnung von einer anderen Brennstoffzellenanordnung trennenden, Membran zu verstehen.Under a fuel cell assembly is in this case an arrangement of components in a base member of a fuel cell from a supply area (Flow field) to, the arrangement of another fuel cell assembly separating, membrane to understand.

Die Zufuhrplatte, auch als "Flowfield" bezeichnet, dient der Zufuhr von Medien, wie Kraftstoff oder Sauerstoff, sowie der Abfuhr des Reaktionsprodukts, wie Wasserdampf, und weist zu diesem Zwecke Medienkanäle auf, die meist parallel geführt sind und zwischen sich Stege aufweisen, die bis zu einer Membranstruktur reichen.The Feed plate, also referred to as "Flowfield" serves the supply of media such as fuel or oxygen, as well as the Removal of the reaction product, such as water vapor, and points to this Purposes media channels on, which led mostly parallel are and have webs between them, up to a membrane structure pass.

Die Membranstruktur umfasst eine ionenleitende Membran zum Durchtritt von Wasserstoffionen sowie eine Katalysatorschicht, an der die eigentlichen chemischen Reaktionen stattfinden. Die Membranstruktur kann des Weiteren eine Gasdiffusionslage zur Verteilung der Medien und Zuführung an die Katalysatorschicht umfassen. Die Anordnung der Elemente ist ionenleitende Membran, Katalysatorschicht, optional Gasdiffusionslage, Zufuhrplatte.The Membrane structure comprises an ion-conducting membrane for passage of hydrogen ions as well as a catalyst layer at which the actual chemical reactions take place. The membrane structure can be the Further, a gas diffusion layer for distributing the media and supply to comprise the catalyst layer. The arrangement of the elements is ion-conducting membrane, catalyst layer, optionally gas diffusion layer, Feed plate.

Die ionenleitende Membran, Katalysatorschicht und Gasdiffusionslage können jeweils im Stand der Technik vorbekannte Bauelemente üblicher Brennstoffzellen sein.The ion-conducting membrane, catalyst layer and gas diffusion layer can each known in the prior art components more common Be fuel cells.

Erfindungsgemäß sind im Bereich der Stege Mikrokanäle vorgesehen. Unter einem Mikrokanal soll im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Kanal verstanden werden, der klein im Vergleich zu den Medienkanälen ist, beispielsweise von seinem Querschnitt her weniger als 10 %, vorzugsweise weniger 5 % der Querschnittsfläche der Medienkanäle der Brennstoffzellenanordnung aufweist.According to the invention are in Range of webs microchannels intended. Under a microchannel in the sense of the present Invention be understood a channel that is small compared to the media channels is, for example, less than 10% of its cross-section, preferably less than 5% of the cross-sectional area of the media channels of the fuel cell assembly having.

Unter einer allgemeinen Querrichtung ist eine gerade oder gekrümmte Verlaufsform der Mikrokanäle zu verstehen, die sich eher von einem Medienkanal zu einem benachbarten Medienkanal erstreckt als parallel zu den Medienkanälen, und eine Tendenz zur möglichen Verbindung von benachbarten Medienkanälen zeigt.Under a general transverse direction is a straight or curved shape the microchannels to understand, rather, from one media channel to a neighboring one Media channel extends as parallel to the media channels, and a tendency to possible Connection of adjacent media channels shows.

Vorzugsweise sind die Mikrokanäle direkt in die Stege eingearbeitet. Dies kann mittels üblicher Mikrostrukturierungstechniken wie etwa Ätzen oder Laserbearbeitung erfolgen, oder durch Ausfräsen der Mikrokanäle in den Stegen.Preferably are the microchannels incorporated directly into the webs. This can be done by means of conventional microstructuring techniques like etching or laser machining, or by milling the microchannels in the Stegen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform reichen die Mikrokanäle durch die Stege von einem Medienkanal bis zum benachbarten Medienkanal hindurch. Auf diese Weise kann ein unmittelbarer Fluss von einem Medienkanal zu dem benachbarten Medienkanal stattfinden.at a preferred embodiment the microchannels are enough through the webs of a media channel to the adjacent media channel therethrough. In this way, an immediate flow of one Media channel to the adjacent media channel take place.

Alternativ sind die Mikrokanäle so ausgeführt, dass sie von einem Medienkanal in einen Steg hineinreichen und im Steg enden. Damit enden die Mikrokanäle tot im Steg, so dass es keine Durchmischung des Mediums mit in benachbarten Medienkanälen fließendem Medium gibt und bei Anliegen eines hinreichenden Überdrucks an den Medienkanälen eine Diffusion in die benachbarten Schichten, beispielsweise eine Katalysatorschicht oder eine Gasdiffusionslage verbessert werden kann.alternative are the microchannels so executed, that they extend from a media channel into a footbridge and in the Bridge ends. This ends the microchannels dead in the bridge, so it no mixing of the medium with flowing in adjacent media channels medium and if there is a sufficient overpressure on the media channels Diffusion into the adjacent layers, for example, a catalyst layer or a gas diffusion layer can be improved.

Um die Versorgung der Kanalstege weiter zu verbessern, können – mit einem aus der fraktalen Geometrie angelehnten Ansatz- bei einer Ausführungsform der Erfindung in allgemeiner Querrichtung zu den Mikrokanälen von den Mikrokanälen weitere Mikrokanäle zweiter Ordnung mit kleinerem Querschnitt als die Mikrokanäle abzweigen. Es ergibt sich damit eine Hierarchie von Medienkanälen, Mikrokanälen und Mikrokanälen zweiter Ordnung.Around the supply of the channel webs can be further improved - with a from the fractal geometry ajar approach - in one embodiment of the invention in general transverse direction to the microchannels of the microchannels additional microchannels second order with a smaller cross section than the microchannels branch off. This results in a hierarchy of media channels, microchannels and microchannels second order.

Vorzugsweise sind die Medienkanäle abwechselnd an zumindest zwei Medienzuführvorrichtungen mit unterschiedlichem Mediendruck angeschlossen, um einen Medienstrom von den Medienkanälen mit hohem Mediendruck durch die Mikrokanäle zu den Medienkanälen mit niedrigerem Mediendruck zu bewirken. Durch diese erfindungsgemäße Anordnung wird eine Zwangsdurchführung der Medien durch die Mikrokanäle und damit eine besonders effiziente Durchströmung der Mikrokanäle erzielt.Preferably are the media channels alternately on at least two media feeders with different Media printing is connected to a media stream from the media channels high media pressure through the microchannels to the media channels with to effect lower media pressure. By this arrangement according to the invention becomes a compulsory execution of the Media through the microchannels and thus achieves a particularly efficient flow through the microchannels.

Alternativ oder zusätzlich können die Medienkanäle so ausgeführt sein, dass abwechselnd unterschiedlich große Strömungswiderstände in den Medienkanälen vorherrschen, um einen Medienstrom von den Medienkanälen mit höherem Strömungswiderstand durch die Mikrokanäle zu den Medienkanälen mit niedrigerem Strömungswiderstand zu bewirken. Von der Wirkung her ähnelt diese Ausführungsform der erstgenannten, da auch hierdurch unterschiedliche Drücke in den benachbarten Medienkanälen herrschen, allerdings ist hier kein unterschiedlicherer Druck am Eingang der benachbarten Medienkanäle notwendig, sondern dieser wird vielmehr intern durch die spezifischen Strömungsverhältnisse erst aufgebaut.alternative or additionally can the media channels so executed be that alternately different flow resistances prevail in the media channels, for a flow of media from the media channels with higher flow resistance through the microchannels to the media channels with lower flow resistance too cause. The effect is similar this embodiment the former, since this also different pressures in the adjacent media channels but there is no different pressure on the Input of the adjacent media channels necessary, but this Rather, it is built up internally by the specific flow conditions.

Ein solcher Unterschied im Strömungswiderstand kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass an den Medienkanälen unterschiedlich große Einlässe und Auslässe vorgesehen sind, die zur Erzeugung unterschiedlicher Strömungswiderstände in den benachbarten Medienkanälen bestimmt sind. Wenn ein großer Einlass und ein kleiner Auslass vorgesehen sind, entsteht ein größerer Druck innerhalb eines solchen Medienkanals als dann, wenn ein kleiner Einlass, jedoch ein großer Auslass vorgesehen sind. Mithin erfolgt in einem solchen Fall ein Strom von dem Medienkanal mit kleinem Auslass durch die Mikrokanäle hin zum Medienkanal mit größerem Auslass.Such a difference in flow resistance can be achieved, for example, by providing differently sized inlets and outlets on the media channels, which are intended to produce different flow resistances in the adjacent media channels. If a large inlet and a small outlet in front seen, a greater pressure arises within such a media channel than when a small inlet, but a large outlet are provided. Consequently, in such a case, a flow from the medium channel with a small outlet through the microchannels to the medium channel with a larger outlet.

Alternativ können die Medienkanäle abwechselnd keinen Einlass und keinen Auslass aufweisen, so dass das Medium die Mikrokanäle von den Medienkanälen ohne Auslass zu den Medienkanälen ohne Einlass durchströmen muss.alternative can the media channels alternately have no inlet and outlet, so that the medium the microchannels from the media channels without outlet to the media channels without Flow through the inlet got to.

Die Membranstruktur kann erfindungsgemäß eine Gasdiffusionslage zwischen der Katalysatorschicht und der Zufuhrplatte aufweisen. Bedingt durch die verbesserte Unterströmung im Bereich der Stege und die Vermeidung des Totraums kann eine solche Gasdiffusionslage allerdings in der Regel wesentlich dünner ausgeführt sein als bei vorbekannten Brennstoffzellenanordnungen. Je nach Einzelfall kann es sogar möglich sein, ohne Effizienzverlust die Gasdiffusionslage vollständig wegzulassen, was den Aufbau vereinfacht und damit die Fertigungskosten der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung senkt.The Membrane structure according to the invention a gas diffusion layer between the catalyst layer and the feed plate have. Due the improved undercurrent in the area of the webs and the avoidance of dead space can such Gas diffusion layer, however, be designed generally much thinner as in prior art fuel cell assemblies. Depending on the individual case can it even possible be able to completely omit the gas diffusion layer without loss of efficiency, which simplifies the structure and thus lowers the manufacturing costs of the fuel cell assembly according to the invention.

Wie oben ausgeführt, können die Mikrokanäle in den Steg eingearbeitet sein. Es ist jedoch alternativ (oder zusätzlich) ebenfalls möglich, eine Zwischenschicht vorzusehen, die mit im allgemeinen in Querrichtung zu den Medienkanälen verlaufenden Mikrokanälen versehen sind, wobei die Zwischenschicht zwischen der Zufuhrplatte und der Katalysatorschicht beziehungsweise der Gasdiffusionslage angeordnet ist.As stated above can the microchannels be incorporated into the bridge. However, it is alternative (or additional) also possible, to provide an intermediate layer with generally in the transverse direction to the media channels extending microchannels are provided, wherein the intermediate layer between the feed plate and the catalyst layer or the gas diffusion layer arranged is.

Um eine möglichst gleichmäßige Diffusion der Medien von der Zufuhrplatte hin zur Katalysatorschicht zu erreichen und den problematischen Totraum zu eliminieren, wird es bevorzugt, dass kein Punkt auf der Kontaktfläche der Stege zur Membranstruktur weiter als 20 % der Stegbreite von einem nächstgelegenen Mikrokanal entfernt ist. Vorzugsweise beträgt der Abstand aller Punkte auf der Kontaktfläche zum nächsten Mikrokanal weniger als 10 % der Stegbreite.Around one possible uniform diffusion of Media to reach from the feed plate to the catalyst layer and to eliminate the problematic dead space, it is preferred that no point on the contact surface of the webs to the membrane structure further than 20% of the land width away from a nearest microchannel is. Preferably the distance of all points on the contact surface to the next microchannel is less than 10% of the web width.

Vorzugsweise weisen die Mikrokanäle eine Breite von 50 bis 200 μm auf. Die Tiefe kann ebenfalls variieren und im Bereich der Breite liegen, wobei sowohl tendenziell flachere als auch tendenziell tiefere Mikrokanäle möglich sind.Preferably show the microchannels a width of 50 to 200 microns on. The depth can also vary and in the range of the width lie, with both tend to flatter and tends to deeper microchannels possible are.

Um den Strom des Mediums durch die Mikrokanäle weiter zu fördern, kann bevorzugt werden, die Mikrokanäle schräg zu den Kanälen anzuordnen. Auf diese Weise kann der Ein- und Ausstrom durch zusätzliche Berücksichtigung des Medienstroms im Medienkanal in den Mikrokanal optimiert werden.Around can further promote the flow of the medium through the microchannels preferred are the microchannels aslant to the channels to arrange. In this way, the inflow and outflow through additional consideration be optimized in the media channel in the media channel into the micro-channel.

Die Mikrokanäle können beispielsweise in einer allgemeinen S-Form ausgeführt sein. Um eine möglichst starke Durchströmung der Mikrokanäle zu erzielen, wird bevorzugt, dass die Mikrokanäle an den Kanälen höheren Drucks zur Strömungsrichtung des Mediums hin gewinkelt geöffnet sind, sich durch die Stege erstrecken und an den Kanälen niedrigeren Drucks von der Strömungsrichtung des Mediums weg gewinkelt geöffnet sind. Damit kann erzielt werden, dass beim Kanal höheren Drucks das Eintreten des Mediums in den Mikrokanal durch Strömungsoptimierung verbessert wird, während es im Medienkanal niedrigeren Drucks durch den dort zusätzlich entstehenden Venturi-Effekt auf den Mikrokanal angesaugt wird.The microchannels can for example, be executed in a general S-shape. To one as possible strong flow the microchannels it is preferred that the microchannels on the higher pressure channels to the flow direction of Mediums open angled are, extending through the webs and at the channels of lower pressure from the flow direction the medium away angled open are. This can be achieved that the channel of higher pressure the entry of the medium into the microchannel through flow optimization is improved while it in the media channel lower pressure by the there additionally arising Venturi effect is sucked on the microchannel.

Nachstehend soll die Erfindung anhand konkretisierter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen folgendes dargestellt ist:below the invention will be explained in more detail based on concrete embodiments, being attached to the attached Drawings are referred to, in which shown is:

1 zeigt eine Brennstoffzellenanordnung des Stands der Technik; 1 shows a fuel cell assembly of the prior art;

2 zeigt in Aufsicht einen Steg einer Brennstoffzellenanordnung gemäß der Erfindung; 2 shows in plan a web of a fuel cell assembly according to the invention;

3 zeigt im Querschnitt den in 2 gezeigten mit Mikrokanälen versehenen Steg stärker vergrößert; 3 shows in cross section the in 2 shown enlarged with micro-channels web enlarged;

4 zeigt in Aufsicht die Strömungsverhältnisse zweier benachbarter Medienkanäle mit einem dazwischen liegendem Steg mit Mikrokanälen; 4 shows in plan view the flow conditions of two adjacent media channels with an intermediate web with microchannels;

5 zeigt in Aufsicht (oben) und im Querschnitt eine weitere Ausführungsform einer Brennstoffzellenanordnung gemäß der Erfindung, bei der eine Zwischenschicht die Mikrokanäle enthält; und 5 shows in plan view (top) and in cross section another embodiment of a fuel cell assembly according to the invention, in which an intermediate layer containing the microchannels; and

6 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung mit Mikrokanälen zweiter Ordnung in einer Aufsicht. 6 shows a further embodiment of the fuel cell assembly according to the invention with micro channels of second order in a plan view.

1 zeigt eine vorbekannte Brennstoffzellenanordnung mit einer Zufuhrplatte bzw. einem "Flowfield" 1, die Medienkanäle 2 und zwischen diesen angeordnete, parallel laufende Stege 3 auf einer Grundplatte 4 umfasst. Auf der Zufuhrplatte angeordnet ist eine Membranstruktur 5, die im abgebildeten Beispiel aus einer ionenleitenden Membran 6, einer Katalysatorschicht 7 und einer Gasdiffusionslage 8 besteht. In Kreuz-Schraffur eingezeichnet sind Bereiche 9 der Gasdiffusionslage 8 oberhalb der Stege 3, die einer Diffusion von Medium durch die Gasdiffusionslage 8 schlecht zugänglich sind, da sie von den Stegen 3 unterlagert sind, und die daher als Totzonen bezeichnet werden. Die Erfindung zielt auf die Eliminierung dieser Totzonen 9 ab. Derzeit und wie im Stand der Technik bekannt, werden Flowfields eingesetzt, bei denen die Gasverteilung durch Kanäle erfolgt, die durch Stege voneinander abgegrenzt sind. Die Stege sind in ihrer Breite so zu dimensionieren, dass eine hinreichend gute mechanische Abstützung der Membranstruktur und eine gute elektrische Anbindung der Katalysatorschichten an Anode und Kathode erfolgt. 1 shows a prior art fuel cell assembly with a feed plate or a "flowfield" 1 , the media channels 2 and between these arranged, parallel webs 3 on a base plate 4 includes. Arranged on the feed plate is a membrane structure 5 , which in the example shown from an ion-conducting membrane 6 , a catalyst layer 7 and a gas diffusion layer 8th consists. Areas are shown in cross-hatching 9 the gas diffusion layer 8th above the footbridges 3 that is a diffusion of medium through the gas diffusion layer 8th are difficult to access as they are from the Stegen 3 are subordinate, and therefore referred to as dead zones. The invention aims at the elimination of these dead zones 9 from. Currently, and as known in the art, flowfields are used in which the gas distribution takes place through channels which are delimited by webs. The webs are to be dimensioned in their width so that a sufficiently good mechanical support of the membrane structure and a good electrical connection of the catalyst layers takes place at the anode and cathode.

Um die Totzonen zu vermeiden, wird erfindungsgemäß durch zusätzliche Kanäle, die Mikrokanäle, auf den Stegen auch Reaktionsmedium über den Stegen verteilt und kann von hier aus durch die Gasdiffusionslage an die Katalysatorschicht oder direkt an die Katalysatorschicht diffundieren. Um den elektrischen und mechanischen Kontakt nicht zu stark zu vermindern, sollten jedoch diese Kanäle nur sehr klein sein, weshalb die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung mit Kanal-Mikrostrukturen realisiert wird.Around To avoid the dead zones, according to the invention by additional channels, the microchannels on the webs also reaction medium over the Distributes webs and can from here through the gas diffusion layer to the catalyst layer or directly to the catalyst layer diffuse. Not to the electrical and mechanical contact Too much to diminish, however, these channels should be very small, which is why the fuel cell assembly according to the invention with channel microstructures is realized.

2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Stegs 3 zwischen zwei Medienkanälen 2, der mit parallel angeordneten Mikrokanälen 10 in Querrichtung zum Medienstrom (Pfeile) versehen ist. Bei der gegebenen Ausführungsform ist der obere Medienkanal 2 an seinem Ausgang verschlossen, während der untere Medienkanal 2 an seinem Eingang verschlossen ist. Dies führt zu einer effizienten Durchströmung der Mikrokanäle 10 des Stegs 3. 2 shows an embodiment of a web according to the invention 3 between two media channels 2 , with parallel microchannels 10 in the transverse direction to the media stream (arrows) is provided. In the given embodiment, the upper media channel is 2 closed at its exit, while the lower media channel 2 closed at its entrance. This leads to an efficient flow through the microchannels 10 of the footbridge 3 ,

3 zeigt im Querschnitt einen vergrößerten Ausschnitt des Stegs der 2 mit den Mikrokanälen 10 und den zwischen ihnen befindlichen Mikrostegen 11. 3 shows in cross section an enlarged section of the web of the 2 with the microchannels 10 and the microbridges between them 11 ,

4 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Konzentrationsverteilung für ein "interdigitales" Flowfield (mit Mikrokanälen oder ohne) durch Druckdifferenz in den Kanälen optimiert wird. 4 zeigt die Strömungsführung bei Sicht auf zwei Kanäle 2, 2 und den dazwischen liegenden Steg 3 mit optimierten Strömungswiderständen und einem Gefälle von links nach rechts, wie aus den Pfeilen für das Medium zu entnehmen ist. Wie ersichtlich, ist der Einlass im linken Kanal 2 größer als der Auslass, so dass sich in diesem Kanal ein Druck aufbaut, während im rechten Kanal 2 der Auslass größer ist als der Einlass, so dass hier ein geringerer Druck aufgebaut wird, was im Ergebnis dazu führt, dass vom linken Kanal 2 Medium durch die Mikrokanäle 10 zum rechten Kanal 2 strömt. Damit können die Konzentrationen des Nutzgases im zweiten Kanal gezielt erhöht werden und dadurch der Wirkungsgrad verbessert werden. Der Druckabfall in den Mikrokanälen wird vermindert, da hier nur soviel Gas strömt, wie auch direkt vor Ort verbraucht werden soll. 4 Figure 1 shows an embodiment of the present invention in which the concentration distribution for an "interdigital" flowfield (with or without microchannels) is optimized by pressure difference in the channels. 4 shows the flow guidance when viewing two channels 2 . 2 and the bridge in between 3 with optimized flow resistances and a slope from left to right, as can be seen from the arrows for the medium. As can be seen, the inlet is in the left channel 2 larger than the outlet, so that builds up in this channel pressure, while in the right channel 2 the outlet is larger than the inlet, so that here a lower pressure is built up, which in the end results in that from the left channel 2 Medium through the microchannels 10 to the right channel 2 flows. Thus, the concentrations of the Nutzgases can be selectively increased in the second channel and thereby the efficiency can be improved. The pressure drop in the microchannels is reduced because only as much gas flows here as it should be consumed directly on site.

In 5 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der die Mikrokanäle (nicht dargestellt) in einer Zwischenschicht 12 geführt werden. Die Medienkanäle 2 gehen komplett durch eine Stegschicht 13 mit Einzelstegen 3 hindurch und sind an der Membran abgewandten Seite mittels einer Abdeckung 14 verschlossen. Die Medienkanäle ragen in die Zwischenschicht 12 so hinein, dass sie in Kontakt mit den Mikrokanälen stehen, und damit einen Fluss aus den Medienkanälen in die Mikrokanäle ermöglichen. Durch diesen Zweischichtaufbau wird die einfache Kanalstruktur ersetzt durch eine Anordnung, bei der Gaszu- und -abführungen von der Gasverteilung am Katalysator getrennt werden. Zu den bereits genannten Vorteilen von Mikrokanälen treten hier die sehr gleichmäßige Stromverteilung über die Brennstoffzellenfläche durch eine homogenisierte Gasversorgung und damit ein optimaler Wirkungsgrad und minimierte Probleme mit der Membranfeuchtigkeit durch direkten Feuchteausgleich in der miniaturisierten Struktur hinzu. 5 zeigt im oberen Bereich die Verhältnisse des unteren Bereichs bei Aufsicht.In 5 another embodiment of the present invention is shown in which the microchannels (not shown) in an intermediate layer 12 be guided. The media channels 2 go completely through a bridge layer 13 with single webs 3 through and are on the side facing away from the membrane by means of a cover 14 locked. The media channels protrude into the intermediate layer 12 into that they are in contact with the microchannels, allowing flow from the media channels into the microchannels. By this two-layer structure, the simple channel structure is replaced by an arrangement in which gas feed and removal are separated from the gas distribution at the catalyst. In addition to the already mentioned advantages of microchannels, here the very uniform current distribution over the fuel cell surface through a homogenized gas supply and thus an optimum efficiency and minimized problems with the membrane moisture by direct moisture balance in the miniaturized structure are added. 5 shows in the upper area the ratios of the lower area under supervision.

Ein weiterer zentraler Aspekt der Erfindung liegt in einer Ausgestaltung des Überström-Flowfields als fraktale Struktur gemäß 6a und b. Hier sind die Mikrokanäle 10 verzahnt ausgeführt, das heißt sie enden tot innerhalb des Steges 3, wobei jeweils abwechselnd Mikrokanäle 10 mit einem der beiden neben dem Steg 3 laufenden Medienkanäle 2 verbunden sind. Zudem sind auch die Medienkanäle 10 nicht durchgehend, sondern tot endend ausgeführt, so dass sich die verzahnte Anordnung der Medienkanäle 2 im Übertrömbereich wiederholt, das heißt, dass die Mikrokanäle 10 nicht durchgehen, sondern ebenfalls in einer Sackgasse enden. Optional können nun die Überstromstege dieses Unter-Flowfields ebenfalls als verzahnte Anordnung mit Mikrokanälen zweiter Ordnung 15 ausgeführt werden, wie dies im Detail der 6b gezeigt ist. Der zentrale Vorteil einer solchen fraktalen Struktur ist eine besonders gleichmäßige Einbringung der Reaktionspartner in die Gasdiffusionslage 8 oder die Katalysatorschicht 7 unter Erhalt der verzahnten Anordnung. Im Vergleich zu einer konventionellen verzahnten Anordnung der Medienkanäle ohne zusätzliche Überströmkanäle ist in diesem Fall eine deutlich bessere Gleichverteilung in der Gasdiffusionslage 8 zu erwarten. Die Grenzen einer solchen fraktalen Strukturierung, das heißt die Bereitstellung von Mikrokanälen dritter, vierter und so weiter Ordnung werden durch die Möglichkeiten des jeweiligen Fertigungsverfahrens aufgezeigt. Bei einer genügend feinen Ausgestaltung der Mikrostruktur und nicht zu breiten Medienkanälen kann auch in diesem Beispiel einer erfindungsgemäßen Ausführungsform auf eine Gasdiffusionslage komplett verzichtet werden.Another central aspect of the invention resides in an embodiment of the overflow flow field as a fractal structure according to FIG 6a and b. Here are the microchannels 10 toothed executed, that is they end dead within the bridge 3 , where in each case alternating microchannels 10 with one of the two next to the jetty 3 ongoing media channels 2 are connected. In addition, there are also the media channels 10 not continuous, but executed dead ending, so that the interlocking arrangement of the media channels 2 repeated in the Übertrömbereich, that is, that the microchannels 10 do not go through, but also end in a dead end. Optionally, the overcurrents of this sub-flowfield can now also be used as a toothed arrangement with second-order microchannels 15 be executed as this is in detail the 6b is shown. The central advantage of such a fractal structure is a particularly uniform introduction of the reactants in the gas diffusion layer 8th or the catalyst layer 7 while preserving the toothed arrangement. Compared to a conventional toothed arrangement of the media channels without additional overflow channels is in this case a much better uniform distribution in the gas diffusion layer 8th expected. The limitations of such fractal structuring, that is, the provision of third, fourth, and so forth microchannels, are demonstrated by the capabilities of the particular manufacturing process. In a sufficiently fine design of the microstructure and not too wide media channels can be completely dispensed with in this example of an embodiment of the invention to a gas diffusion layer.

Mit der vorliegenden Erfindung für ein "interdigitales" Flowfield" wird der Transport unter den Stegen durch optimierte Mikrokanäle gewährleistet. Der wesentliche Transport unter den Stegen erfolgt nicht durch Diffusion, sondern durch Strömung. Dadurch ist eine bessere Gasversorgung der Fläche insbesondere bei hohen Stromdichten gewährleistet. Die Gasdiffusionslage kann sehr viel dünner ausgestaltet werden, was zusätzlich jeweils zu einer geringen Diffusionshemmung führt.With the present invention for an "inter Digital "Flowfield" ensures transport under the bars through optimized microchannels. The essential transport under the webs is not by diffusion, but by flow. This ensures a better gas supply to the surface, especially at high current densities. The gas diffusion layer can be made much thinner, which additionally leads in each case to a low diffusion inhibition.

11
Zufuhrplattefeed plate
22
Medienkanalmedia channel
33
Stegweb
44
Grundplattebaseplate
55
Membranstrukturmembrane structure
66
Membranmembrane
77
Katalysatorschichtcatalyst layer
88th
GasdiffusionslageGas diffusion layer
99
Totzonedead zone
1010
Mikrokanalmicrochannel
1111
Mikrostegmicro web
1212
Zwischenschichtinterlayer
1313
Stegschichtland layer
1414
Abdeckungcover
1515
Mikrokanal zweiter Ordnungmicrochannel second order

Claims (18)

Brennstoffzellenanordnung, aufweisend eine Zufuhrplatte (1) mit Medienkanälen (2) und dazwischen liegenden Stegen (3), eine auf den Stegen (3) aufliegende Membranstruktur (5), die zumindest eine ionenleitende Membran (6) und eine Katalysatorschicht (7), die näher an der Zufuhrplatte (1) liegt als die ionenleitende Membran (6), umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich der Stege (3) Mikrokanäle (10) in allgemeiner Querrichtung zur Richtung der Medienkanäle (2) vorgesehen sind.Fuel cell assembly comprising a feed plate ( 1 ) with media channels ( 2 ) and intermediate webs ( 3 ), one on the jetties ( 3 ) resting membrane structure ( 5 ) containing at least one ion-conducting membrane ( 6 ) and a catalyst layer ( 7 ), which are closer to the feed plate ( 1 ) lies as the ion-conducting membrane ( 6 ), characterized in that at least in the region of the webs ( 3 ) Microchannels ( 10 ) in a general transverse direction to the direction of the media channels ( 2 ) are provided. Brennstoffzellenanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (10) in die Stege (3) eingearbeitet sind.Fuel cell arrangement according to claim 1, characterized in that the microchannels ( 10 ) in the webs ( 3 ) are incorporated. Brennstoffzellenanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (10) durch die Stege (3) von einem Medienkanal (2) bis zum benachbarten Medienkanal (2) hindurchreichen.Fuel cell arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the microchannels ( 10 ) through the webs ( 3 ) from a media channel ( 2 ) to the adjacent media channel ( 2 ). Brennstoffzellenanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (10) von einem Medienkanal (2) in einen Steg (3) hineinreichen und im Steg (3) enden.Fuel cell arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the microchannels ( 10 ) from a media channel ( 2 ) in a footbridge ( 3 ) and in the footbridge ( 3 ) end up. Brennstoffzellenanordnung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (10) abwechselnd von beiden angrenzenden Medienkanälen (2) in einen Steg (3) hineinreichen und jeweils im Steg (3) enden.Fuel cell arrangement according to claim 5, characterized in that the microchannels ( 10 ) alternately from both adjacent media channels ( 2 ) in a footbridge ( 3 ) and in each case in the footbridge ( 3 ) end up. Brennstoffzellenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in allgemeiner Querrichtung zu den Mikrokanälen (10) von den Mikrokanälen (10) weitere Mikrokanäle (15) zweiter Ordnung mit kleinerem Querschnitt als die Mikrokanäle (10) abzweigen.Fuel cell arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that in general transverse direction to the microchannels ( 10 ) of the microchannels ( 10 ) further microchannels ( 15 ) of second order with a smaller cross-section than the microchannels ( 10 ) branch off. Brennstoffzellenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienkanäle (2) abwechselnd an zumindest zwei Medienzuführvorrichtungen mit unterschiedlichem Mediendruck angeschlossen sind, um einen Medienstrom von den Medienkanälen (2) mit höherem Mediendruck durch die Mikrokanäle (10) zu den Medienkanälen (2) mit niedrigerem Mediendruck zu bewirken.Fuel cell arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that the media channels ( 2 ) are alternately connected to at least two media delivery devices of different media pressure to deliver a media stream from the media channels ( 2 ) with higher media pressure through the microchannels ( 10 ) to the media channels ( 2 ) with lower media pressure. Brennstoffzellenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienkanäle (2) so ausgeführt sind, dass abwechselnd unterschiedliche große Strömungswiderstände in den Medienkanäle (2) vorherrschen, um einen Medienstrom von den Medienkanälen (2) mit höherem Strömungswiderstand durch die Mikrokanäle (10) zu den Medienkanälen (2) mit niedrigerem Strömungswiderstand zu bewirken.Fuel cell arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that the media channels ( 2 ) are designed so that alternately different large flow resistances in the media channels ( 2 ) to provide a media stream from the media channels ( 2 ) with higher flow resistance through the microchannels ( 10 ) to the media channels ( 2 ) with lower flow resistance. Brennstoffzellenanordnung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an den Medienkanälen (2) unterschiedlich große Einlässe und Auslässe vorgesehen sind, die zur Erzeugung unterschiedlicher Strömungswiderstände in den benachbarten Medienkanälen (2) bestimmt sind.Fuel cell arrangement according to claim 8, characterized in that on the media channels ( 2 ) of different sized inlets and outlets are provided, which are used to generate different flow resistance in the adjacent media channels ( 2 ) are determined. Brennstoffzellenanordnung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienkanäle (2) abwechselnd keinen Einlass und keinen Auslass aufweisen, so dass das Medium die Mikrokanäle (10) von den Medienkanälen (2) ohne Auslass zu den Medienkanälen (2) ohne Einlass durchströmen muss.Fuel cell arrangement according to claim 8, characterized in that the media channels ( 2 ) alternately have no inlet and outlet, so that the medium is the microchannels ( 10 ) from the media channels ( 2 ) without leaving the media channels ( 2 ) must flow through without inlet. Brennstoffzellenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranstruktur (5) eine Gasdiffusionslage (8) zwischen der Katalysatorschicht (7) und der Zufuhrplatte (1) aufweist.Fuel cell arrangement according to one of claims 1 to 10, characterized in that the membrane structure ( 5 ) a gas diffusion layer ( 8th ) between the catalyst layer ( 7 ) and the feed plate ( 1 ) having. Brennstoffzellenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (10) in eine Zwischenschicht zwischen der Zufuhrplatte (1) und der Katalysatorschicht (7) beziehungsweise der Gasdiffusionslage (8) eingearbeitet sind.Fuel cell arrangement according to one of claims 1 to 11, characterized in that the microchannels ( 10 ) in an intermediate layer between the feed plate ( 1 ) and the catalyst layer ( 7 ) or the gas diffusion layer ( 8th ) are incorporated. Brennstoffzellenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass kein Punkt auf der Kontaktfläche der Stege (3) zur Membranstruktur (5) weiter als 20 % der Stegbreite von einem nächstgelegenen Mikrokanal (10) entfernt ist.Fuel cell arrangement according to one of claims 1 to 12, characterized in that no point on the contact surface of the webs ( 3 ) to Membrane structure ( 5 ) further than 20% of the land width of a nearest microchannel ( 10 ) is removed. Brennstoffzellenanordnung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass kein Punkt auf der Kontaktfläche der Stege (3) zur Membranstruktur (5) weiter als 10 % der Stegbreite von einem nächstgelegenen Mikrokanal (10) entfernt ist.Fuel cell arrangement according to claim 13, characterized in that no point on the contact surface of the webs ( 3 ) to the membrane structure ( 5 ) further than 10% of the land width of a nearest microchannel ( 10 ) is removed. Brennstoffzellenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (10) eine Breite von 50 bis 200 Mikrometer aufweisen.Fuel cell arrangement according to one of claims 1 to 14, characterized in that the microchannels ( 10 ) have a width of 50 to 200 microns. Brennstoffzellenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (10) schräg zu den Medienkanälen (2) angeordnet sind.Fuel cell arrangement according to one of claims 1 to 15, characterized in that the microchannels ( 10 ) at an angle to the media channels ( 2 ) are arranged. Brennstoffzellenanordnung gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (10) in einer allgemeinen S-Form ausgeführt sind.Fuel cell arrangement according to claim 16, characterized in that the microchannels ( 10 ) are executed in a general S-shape. Brennstoffzellenanordnung gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (10) an Medienkanälen (2) höheren Drucks zur Strömungsrichtung des Mediums hin gewinkelt geöffnet sind, sich durch die Stege (3) erstrecken und an Medienkanälen (2) niedrigeren Drucks von der Strömungsrichtung des Mediums weg gewinkelt geöffnet sind.Fuel cell arrangement according to claim 16, characterized in that the microchannels ( 10 ) on media channels ( 2 ) are opened at an angle to the direction of flow of the medium at an angle, through the webs ( 3 ) and to media channels ( 2 ) lower pressure away from the flow direction of the medium are angled open.
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