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Die Erfindung betrifft eine Verteilerstruktur zum Bereitstellen mindestens eines Reaktionsgases, insbesondere eines sauerstoffhaltigen Gasgemisches, für eine Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur nach dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruches. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur, bspw. mit einer Polymermembran zum Transportieren von Protonen oder Hydroxid-Ionen, nach dem Oberbegriff des nebengeordneten unabhängigen Vorrichtungsanspruches.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen und Elektrolyseure sind elektrochemische Energiewandler. Bei Brennstoffzellen wird z. B. Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser, elektrische Energie und Wärme umgewandelt. Bei Elektrolyseuren wird umgekehrt z. B. Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Mehrere Brennstoffzellen können weiterhin zu einem Stapel, einem sogenannten Stack, zusammengefügt werden. Die Edukte, umfassend Wasserstoff, Sauerstoff bei Brennstoffzellen und Wasser bei Elektrolyseuren sowie Kühlflüssigkeit werden über eine Verteilerstruktur in jede Zelle geleitet. Diese Verteilerstruktur bildet Kanäle für die Edukte und Kühlflüssigkeit. Die Verteilerstruktur übernimmt dabei folgende Funktionen: Verteilen der Edukte gleichmäßig über eine aktive Fläche der Brennstoffzelle bzw. des Elektrolyseurs; Leiten der Elektronen in die nächste Zelle; Abtransport des Produktwassers (Brennstoffzelle) und Produktgase (Elektrolyseur) aus der Zelle; sowie Ableiten der Wärme aus der Katalysatorschicht zum Kühlmittel. Bekannte Verteilerstrukturen werden als geprägte metallische Bleche ausgeführt, die durch Stege bzw. Rillen eine Kanalstruktur bilden (Bipolarplatten). Bei Brennstoffzellen werden durch die Kanalstruktur die Reaktionsgase über der elektrochemisch aktiven Fläche verteilt. Unterhalb der Stege liegt jedoch kein Gasfluss vor. Unter diesen Stegen der Bipolarplatten kann sich (vor allem bei hohen Stromdichten) auf einer Kathodenseite flüssiges Produktwasser ansammeln, welches die Poren innerhalb der Katalysatorschicht verblockt. Dadurch wird der Sauerstoff-Transport hin zur Katalysatorschicht lokal stark gehemmt, sodass die Leistung der Zelle lokal einbricht mit der Folge, dass sich die Gesamtperformance der Zelle verschlechtert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung sieht eine Verteilerstruktur zum Bereitstellen mindestens eines Reaktionsgases, insbesondere eines sauerstoffhaltigen Gasgemisches, für eine Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch und eine Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur, bspw. mit einer Polymermembran zum Transportieren von Protonen oder Hydroxid-Ionen, nach dem weiteren unabhängigen Vorrichtungsanspruch 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 Verteilerstruktur beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle oder dem erfindungsgemäßen Elektrolyseur und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die Erfindung stellt eine Verteilerstruktur zum Bereitstellen mindestens eines Reaktionsgases, insbesondere eines sauerstoffhaltigen Gasgemisches, für eine Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur, die mit einem ersten Strukturelement und einem zweiten Strukturelement ausgeführt ist, wobei das erste Strukturelement und das zweite Strukturelement derart ausgebildet und derart zueinander angeordnet sind, dass zwischen dem ersten Strukturelement und dem zweiten Strukturelement eine Verteilungsfläche für das Reaktionsgas ausgebildet ist, dass von der Verteilungsfläche eine Vielzahl an Zuführkanälen abgezweigt sind, die im Wesentlichen senkrecht zur Verteilungsfläche ausgerichtet sind, und dass unterhalb des zweiten Strukturelementes eine Vielzahl an Abführkanälen ausgebildet ist, die parallel zur Verteilungsfläche ausgerichtet sind.
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Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass eine ebene Verteilungsfläche zwischen zwei Strukturelementen, bspw. aus metallischen Blechen, bereitgestellt wird, durch die das mindestens eine Reaktionsgas gleichmäßig und mit einem geringen Druckverlust über eine gesamte aktive Fläche einer Brennstoffzelle oder eines Elektrolyseurs verteilt wird, um den Wirkungsgrad zu optimieren. Die Verteilungsfläche ist parallel zur Erstreckungsebene der Brennstoffzelle bzw. des Elektrolyseurs anordbar. Ferner ist die Verteilungsfläche mit mehreren von der Verteilungsfläche abzweigenden Zuführkanälen ausgeführt, durch welche das Reaktionsgas senkrecht zur aktiven Fläche in eine Gasdiffusionslage eingeleitet wird. Auch der Abtransport des entstehenden Produktwassers kann somit sichergestellt werden.
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Zwischen zwei Strukturelementen können säulen- oder linienförmige Verbindungsstücke für elektrischen Kontakt sowie mechanische Stabilität sorgen, die die freie Strömung nur minimal hemmen.
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In das untere bzw. zweite Strukturelement, welches auf der Gasdiffusionslage mit einer aufgebrachten Katalysatorschicht zur Auflage bringbar ist, sind in regelmäßigen bzw. variierenden Abständen Noppen, bspw. in Form von Vertiefungen mit unterschiedlichen, z. B. rechteckigen oder kreisrunden, Querschnittsflächen, und/oder Rillen eingeprägt. Durch die Noppen und/oder Rillen werden die Zuführkanäle gebildet, die im Wesentlichen senkrecht zur Verteilungsfläche ausgerichtet sind. Die Zuführkanäle können an der Unterseite mit einer oder mehreren Bohrungen versehen sein. Somit zweigt die Luft aus der Verteilungsfläche in die Zuführkanäle ab und entweicht durch die Bohrungen in die darunter liegende Gasdiffusionslage und Katalysatorschicht, in der die elektrochemische Reaktion stattfindet.
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Über die offenen Räume zwischen den Zuführkanälen unterhalb des zweiten Strukturelementes bzw. zwischen der Gasdiffusionslage und dem zweiten Strukturelement wird das Produktgas und/oder das Produktwasser parallel zur Verteilungsfläche bzw. parallel zur Erstreckungsebene der Gasdiffusionslage aus der Zelle abgeführt.
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Somit werden durch zwei Strukturelemente zwei separate Kanalstrukturen für das Reaktionsgas und für das Produktgas gebildet, sodass das Reaktionsgas und das Produktgas fluidtechnisch voneinander getrennt sind.
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Von der anderen Seite der Brennstoffzelle bzw. des Elektrolyseurs kann eine zweite Verteilerstruktur in einer beliebigen Form für das zweite Reaktionsgas realisiert werden.
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Mithilfe einer solchen zweiteiligen Verteilerstruktur für das (vorzugsweise sauerstoffhaltige) Reaktionsgas werden mehrere Vorteile erreicht. Zum einen wird über die Verteilungsfläche das zugeführte Gas gleichmäßig über die gesamte aktive Fläche der Brennstoffzelle bzw. des Elektrolyseurs verteilt, vorzugsweise mit einem geringen Druckverlust. Somit wird die aktive Fläche punktuell mit Frischgas (Reaktionsgas) versorgt. Im Gegensatz zur bekannten Bipolarplatten reichert sich die Gaskonzentration nicht von Eingang bis Ausgang ab, sondern die gesamte aktive Fläche wird punktuell mit Frischgas versorgt. Eine gleichmäßige Frischgasversorgung durch alle Zuführkanäle wird dadurch erzielt, dass der Druckverlust innerhalb der Verteilungsfläche deutlich kleiner ist als der Druckverlust durch die Zuführkanäle. Zum anderen ist der totale Druckabfall der erfindungsgemäßen Verteilerstruktur von Eingang bis Ausgang gering, da durch jede Noppe nur ein kleiner Teil der gesamten Gaszufuhr strömt.
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Außerdem wird durch die erfindungsgemäße Verteilerstruktur eine Flüssigwasseransammlung unter den Stegen des zweiten Strukturelementes zuverlässig verhindert, da im erfindungsgemäßen Aufbau die Gasströmung durch den Boden der Zuführkanäle und damit durch die Kontaktfläche zwischen der Verteilerstruktur und der Gasdiffusionslage fließt. Somit wird der Flüssigwasserabtransport sichergestellt und die Stege des zweiten Strukturelementes werden nicht mit Flüssigwasser geflutet.
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Ein weiterer Vorteil ist die Gaszuführung senkrecht zur aktiven Fläche. Somit gibt es einen konvektiven Gastransport in die Katalysatorschicht hin zu den aktiven Zentren der aktiven Fläche. Bei konventionellen Bipolarplatten strömt das Gas parallel zur aktiven Fläche und der Gastransport zur Katalysatorschicht erfolgt rein diffusiv. Ein konvektiver Gastransport kann gleichmäßiger und kontrollierter über die gesamte aktive Fläche ausgeführt werden als ein diffusiver Gastransport.
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Um eine optimierte Strömungsführung zu erreichen, kann weiterhin die Ausgestaltung der Zuführkanäle entlang der aktiven Fläche bzw. entlang der Verteilungsfläche variieren. Zum einen können die Zuführkanäle am Einlass weniger Bohrungen bzw. Löcher enthalten oder Löcher mit kleineren Durchmessern aufweisen als am Auslass. Zum anderen kann die gesamte Ausprägung der Zuführkanäle in Breite und/oder in Form variieren.
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Weiterhin ist es denkbar, dass ein Ventilator, bspw. in Form eines Saugers, vorgesehen sein kann, um unterhalb des zweiten Strukturelementes bzw. zwischen dem zweiten Strukturelement und der Gasdiffusionslage das Abgas abzusaugen.
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Ferner kann die Erfindung vorsehen, dass das erste Strukturelement in Form eines ebenen Plattenelementes ausgebildet ist. Ein solches erstes Strukturelement ist einfach und kostengünstig, bringt aber mehrere Vorteile mit sich, darunter Trennung des Raumes zwischen dem ebenen ersten Strukturelement und dem zweiten Strukturelement, um das Reaktionsgas zu verteilen, und zwischen dem zweiten Strukturelement und einer Gasdiffusionslage, um das Produktgas und/oder das Produktwasser abzutransportieren. Dabei ist es denkbar, dass sogar bekannte und/oder vorhandene Bipolarplatten durch ein solches erstes Strukturelement aufgerüstet werden können, indem das erste Strukturelement zwischen den Platten der Bipolarplatte positioniert und auf Abstand zur kathodenseitigen Platte gehalten wird. Somit kann die Erfindung zur Herstellung von verbesserten Verteilerstrukturen sowie zur Aufrüstung von bekannten Verteilerstrukturen genutzt werden. Mit solchen verbesserten oder aufgerüsteten Verteilerstrukturen kann die Performance im Betrieb der Brennstoffzelle bzw. des Elektrolyseur erheblich erhöht werden.
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Weiterhin kann die Erfindung vorsehen, dass das zweite Strukturelement in Form eines geprägten und/oder gestanzten und/oder zumindest bereichsweise durchlöcherten Plattenelementes ausgebildet ist. Ein solches Strukturelement ist ebenfalls einfach und günstig in der Herstellung. Durch ein solches zweites Strukturelement können die im Wesentlichen senkrecht zur aktiven Fläche ausgerichteten Zuführkanäle bereitgestellt werden. Dadurch wird wiederum erreicht, dass das Reaktionsgas senkrecht auf die aktive Fläche geschickt wird. Die Verteilung des Reaktionsgases kann somit konvektiv und somit gezielt, kontrolliert und gleichmäßig über die gesamte aktive Fläche erfolgen.
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Ferner kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass zwischen dem ersten Strukturelement und dem zweiten Strukturelement mindestens ein elektrisch leitfähiges, insbesondere säulenartiges, Verbindungselement vorgesehen ist. Auf diese einfache Weise kann der elektrische Kontakt zum Leiten von Elektronen und der thermische Kontakt zum Leiten der Abwärme zwischen dem unteren zweiten und dem oberen ersten Strukturelement sichergestellt werden. Oberhalb des ersten Strukturelementes kann eine weitere Verteilerstruktur, an sich in beliebiger Form, für ein zweites Reaktionsgas vorgesehen sein. Ferner kann zwischen dem ersten Strukturelement der erfindungsgemäßen Verteilerstruktur für das erste (bspw. sauerstoffhaltige) Reaktionsgas und der weiteren Verteilerstruktur für das zweite (bspw. brennstoffhaltige) Reaktionsgas eine Kanalstruktur für eine Kühlflüssigkeit vorgesehen sein.
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Zudem ist es denkbar, dass das zweite Strukturelement eine Noppen- und/oder eine Rillenstruktur aufweist, um am Boden der Zuführkanäle eine alternierende Kontaktfläche zu einer Gasdiffusionslage herzustellen. Eine Noppen- und/oder eine Rillenstruktur kann einfach und günstig, bspw. durch Prägen eines Metallbleches, ausgeführt werden. Die Noppen können ferner alternierend, vorzugsweise periodisch, in beide Erstreckungsrichtungen des zweiten Strukturelements verteilten sein. Die Noppen können unterschiedliche, bspw. parallelepidale, zylindrische oder halbkreisförmige, Formen aufweisen.
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Außerdem kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass an einer ersten Seite des zweiten Strukturelementes, die dem ersten Strukturelement zugewandt ist, die Zuführkanäle ausgebildet sind, wobei an einer zweiten Seite des zweiten Strukturelementes, die einer Gasdiffusionslage zuwendbar ist, die Abführkanäle ausgebildet sind. Somit kann ermöglicht werden, dass das Reaktionsgas durch Kanäle geleitet wird, die flugtechnisch von Kanälen getrennt sind, durch die das Abgas bzw. Produktgas abtransportiert wird. Somit kann wiederum der Vorteil erwachsen, dass das Produktwasser nicht dem Gasstrom des frischen Reaktionsgases vermischt wird. Somit kann die Feuchte des Gasstroms des frischen Reaktionsgases und des Abgases leichter und prognosierbarer kontrolliert und/oder gesteuert werden. Für die Abführkanäle kann eine separate Abgasleitung neben einer Kathodenleitung durch die erfindungsgemäße Verteilungsfläche bereitgestellt werden. Zudem ist es denkbar, dass am Ausgang der separaten Abgasleitung ein Ventilator, bspw. in Form eines Saugers vorgesehen sein kann.
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Ferner kann die Erfindung vorsehen, dass am Boden der Zuführkanäle mindestens eine Bohrung im zweiten Strukturelement ausgebildet ist, durch die das Reaktionsgas im Wesentlichen senkrecht zu einer Erstreckungsebene einer Gasdiffusionslage in die Gasdiffusionslage einleitbar ist. Somit kann neben dem konvektiven Zuführen des Reaktionsgases durch die Zuführkanäle beim Durchgang der Bohrung außerdem ein sogenannter Venturi-Effekt in Richtung senkrecht zu einer aktiven Fläche ausgenutzt werden, um die Verteilung des Reaktionsgases zu vergleichmäßigen und zu begünstigen.
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Weiterhin ist es erfindungsgemäß denkbar, dass die Zuführkanäle in Richtung einer Reaktionsgaszufuhr durch die Verteilungsfläche eine größer werdende Querschnittsfläche aufweisen. Somit kann sichergestellt werden, dass von Eingang zu Ausgang, sogar trotz eventueller Druckverluste in Richtung einer Reaktionsgaszufuhr durch die Verteilungsfläche eine gleichmäßige Verteilung des Reaktionsgases über die gesamte Verteilungsfläche ermöglicht werden kann.
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Des Weiteren kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass vom Zuführkanal zum Zuführkanal eine variable oder eine in Richtung einer Reaktionsgaszufuhr durch die Verteilungsfläche wachsende Anzahl an Bohrungen am Boden der Zuführkanäle ausgebildet ist. Durch die wachsende Anzahl von Bohrungen kann ermöglicht werden, dass trotz Druckverluste immer gleichmäßig viel Reaktionsgas der Gasdiffusionslage bereitgestellt werden kann.
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Auch kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass vom Zuführkanal zum Zuführkanal eine Vielzahl an Bohrungen mit unterschiedlichen oder in Richtung einer Reaktionsgaszufuhr durch die Verteilungsfläche größer werdenden Querschnittsflächen am Boden der Zuführkanäle ausgebildet ist. Dadurch kann ebenfalls bewirkt werden, dass eventuelle Druckverluste in Richtung der Reaktionsgaszufuhr ausgeglichen werden können.
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Ferner stellt die Erfindung eine Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur bereit, welche bzw. welcher mit einem Anodenraum und einem Kathodenraum ausgeführt ist, wobei eine Verteilerstruktur wie oben beschrieben zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Gasgemisches zum Kathodenraum vorgesehen ist. Mithilfe der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle oder des erfindungsgemäßen Elektrolyseurs werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verteilerstruktur beschrieben wurden.
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Die erfindungsgemäße Gasverteilerstruktur und ihre Weiterbildungen sowie Vorteile und die erfindungsgemäße Brennstoffzelle bzw. Elektrolyseur und ihre bzw. seine Weiterbildungen sowie ihre bzw. seine Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 einen schematischen Aufbau einer bekannten Bipolarplatte als eine Gasverteilerstruktur,
- 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Gasverteilerstruktur,
- 3 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle bzw. eines Elektrolyseurs mit einer erfindungsgemäßen Gasverteilerstruktur, und
- 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Gasverteilerstruktur gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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In den Figuren werden Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen in der Regel nur einmal beschrieben.
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Die 1 zeigt eine bekannte Verteilerstruktur 10* in Form einer Bipolarplatte aus zwei geprägten Blechen, bspw. für eine Brennstoffzelle 100 oder einen Elektrolyseur. Zwischen den Blechen wird eine Kanalstruktur für eine Kühlflüssigkeit, bspw. Wasser H2O, gebildet. Oberhalb der Bleche wird jeweils ein erstes Reaktionsgas, bspw. ein sauerstoffhaltiges Reaktionsgas O2, oder ein zweites Reaktionsgas, bspw. ein brennstoffhaltiges Reaktionsgas H2, an eine entsprechende anliegende Gasdiffusionslage GDL geleitet. Bei einer Brennstoffzelle 100 sammelt sich jedoch auf der Kathodenseite der Verteilerstruktur 10* an den Kontaktflächen zwischen den Stegen der Bipolarplatte und der Gasdiffusionslage GDL flüssiges Produktwasser H2O an, welches die Poren innerhalb der Gasdiffusionslage GDL verblockt. Dadurch wird der Sauerstoff-Transport hin zur Katalysatorschicht lokal stark gehemmt, sodass die Leistung der Brennstoffzelle 100 lokal einbricht mit der Folge, dass sich die Gesamtperformance der Brennstoffzelle 100 verschlechtert.
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Die 2 zeigt eine erfindungsgemäße Verteilerstruktur 10 zum Bereitstellen mindestens eines Reaktionsgases, insbesondere eines sauerstoffhaltigen Gasgemisches O2, für eine Brennstoffzelle 100 oder einen Elektrolyseur, die mit einem ersten Strukturelement 11 und einem zweiten Strukturelement 12 ausgeführt ist. Erfindungsgemäß sind das erste Strukturelement 11 und das zweite Strukturelement 12 derart ausgebildet und derart zueinander angeordnet, dass zwischen dem ersten Strukturelement 11 und dem zweiten Strukturelement 12 eine Verteilungsfläche 15 für das Reaktionsgas ausgebildet ist, dass von der Verteilungsfläche 15 eine Vielzahl an Zuführkanälen 16 abgezweigt sind, die im Wesentlichen in eine Richtung F2 senkrecht zur Verteilungsfläche 15 und somit senkrecht zu einer aktiven Fläche der Brennstoffzelle 100 oder des Elektrolyseurs ausgerichtet sind, und dass unterhalb des zweiten Strukturelementes 12 eine Vielzahl an Abführkanälen 17 ausgebildet ist, die parallel zur Verteilungsfläche 15 ausgerichtet sind. Die Abführkanäle 17 sind zudem in eine Richtung F3 senkrecht zu einer Richtung F1 der Reaktionsgaszufuhr durch die Verteilungsfläche 15 ausgerichtet.
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Gemäß der Erfindung werden nun zumindest auf einer Kathodenseite der Verteilerstruktur 10* nicht nur ein Strukturelement, wie es die 1 zeigt, sondern zwei Strukturelemente 11, 12 bereitgestellt, wie es die 2 zeigt. Zwischen den Strukturelementen 11, 12 wird das Reaktionsgas, vorzugsweise sauerstoffhaltiges Reaktionsgas O2, geleitet. Zwischen dem unteren bzw. zweiten Strukturelement 12 und einer Gasdiffusionslage GDL werden unterhalb des zweiten Strukturelementes 12 die Abführkanäle 17 zum Abtransport eines Abgases mit einem Produktwasser H2O gebildet. Die Zuführkanäle 16 und die Abführkanäle 17 sind dabei fluidisch voneinander getrennt.
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Wie es die 3 verdeutlicht, wird das Reaktionsgas durch die Verteilungsfläche 15 verteilt, die parallel zur Erstreckungsebene der Brennstoffzelle 100 anordbar und die mit mehreren von der Verteilungsfläche 15 abzweigenden Zuführkanälen 16 ausgeführt ist. Die Verteilungsfläche 15 und die Zuführkanäle 16 sind zwischen zwei erfindungsgemäßen Strukturelementen 11, 12, bspw. aus metallischen Blechen, ausgebildet. Somit kann das Reaktionsgas über die gesamte aktive Fläche der Brennstoffzelle 100 bzw. des Elektrolyseurs gleichmäßig und mit einem geringen Druckverlust verteilt werden.
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Wie es in der 2 angedeutet ist, können zwischen den Strukturelementen 11, 12 säulen- bzw. linienförmige Verbindungselemente 13 für elektrischen Kontakt sowie mechanische Stabilität vorgesehen sein, ohne die freie Strömung des Reaktionsgases durch die Verteilungsfläche 15 zu hemmen.
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Die Zuführkanäle 16 können bspw. in Form von Rillen oder Noppen mit unterschiedlichen, z. B. rechteckigen oder kreisrunden, Querschnittsflächen, im zweiten Strukturelement 12 eingeprägt sein. Durch die Zuführkanäle 16 wird das Reaktionsgas im Wesentlichen senkrecht zur aktiven Fläche der Brennstoffzelle 100 bzw. des Elektrolyseurs geschickt.
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An der Unterseite der Zuführkanäle 16 werden eine oder mehrere Bohrungen 14 ausgebildet, durch welche das Reaktionsgas in die Gasdiffusionslage GDL entweichen kann. Angrenzend an die Gasdiffusionslage GDL befindet sich eine Membran M, durch welche Wasserstoffionen transportiert werden.
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Zwischen den Vertiefungen für die Zuführkanäle 16 unterhalb des zweiten Strukturelementes 12 bzw. zwischen der Gasdiffusionslage GDL und dem zweiten Strukturelement 12 wird das Produktgas (Elektrolyseur) oder das Produktwasser H2O mit einem überschüssigen Gasgemisch (Brennstoffzelle 100) parallel zur Verteilungsfläche 15 bzw. parallel zur Erstreckungsebene der Gasdiffusionslage GDL aus der Brennstoffzelle 100 bzw. aus dem Elektrolyseur abgeführt.
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Folglich werden durch zwei Strukturelemente 11, 12 zwei separate Kanalstrukturen für das Reaktionswasser H2O (Elektrolyseur) oder das Reaktionsgas (Brennstoffzelle 100) und für das Produktgas (Elektrolyseur) oder das Produktwasser H2O mit einem überschüssigen Gasgemisch (Brennstoffzelle 100) gebildet, sodass die Edukte und die Produkte einer entsprechenden elektrochemischen Reaktion fluidtechnisch voneinander getrennt sind. Von der anderen Seite der Brennstoffzelle 100 bzw. des Elektrolyseurs kann eine zweite Verteilerstruktur, an sich in einer beliebigen Form, bspw. als eine geprägte Metallplatte, für das zweite Reaktionsgas, bspw. das brennstoffhaltige Reaktionsgas H2, realisiert werden. Ferner kann zwischen dem ersten Strukturelement 11 der erfindungsgemäßen Verteilerstruktur 10 für das erste (bspw. sauerstoffhaltige) Reaktionsgas und der zweiten Verteilerstruktur für das zweite (bspw. brennstoffhaltige) Reaktionsgas eine Kanalstruktur für eine Kühlflüssigkeit, bspw. Wasser H2O, vorgesehen sein.
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Vorteilhafterweise wird über die Verteilungsfläche 15 das zugeführte Reaktionsgas gleichmäßig über die gesamt aktive Fläche Seite der Brennstoffzelle 100 bzw. des Elektrolyseurs verteilt, vorzugsweise mit einem geringen Druckverlust. Davon abzweigend wird die aktive Fläche punktuell mit Frischgas (Reaktionsgas) versorgt. Im Gegensatz zur bekannten einteiligen Bipolarplatten aus der 1 reichert sich die Gaskonzentration nicht von Eingang bis Ausgang ab, sondern die gesamte aktive Fläche wird punktuell mit Frischgas versorgt. Eine gleichmäßige Frischgasversorgung durch alle Zuführkanäle 16 wird dadurch erzielt, dass der Druckverlust innerhalb der Verteilungsfläche 15 deutlich kleiner ist als der Druckverlust durch die Zuführkanäle 16. Zum anderen ist der totale Druckabfall der erfindungsgemäßen Verteilerstruktur 10 von Eingang bis Ausgang gering, da durch jeden Zuführkanal 16 nur ein kleiner Teil der gesamten Gaszufuhr strömt.
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Durch die erfindungsgemäße Verteilerstruktur 10 wird eine Flüssigwasseransammlung unter den Vertiefungen des zweiten Strukturelementes 12 zuverlässig verhindert, da das Reaktionsgas direkt durch die Kontaktflächen 12a zwischen der Verteilerstruktur 10 und der Gasdiffusionslage GDL fließt. Somit wird der Flüssigwasserabtransport sichergestellt und die Vertiefungen des zweiten Strukturelementes 12 werden nicht mit Flüssigwasser geflutet.
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Ein weiterer Vorteil ist die Gaszuführung senkrecht zur aktiven Fläche, wodurch ein konvektiver Gastransport in die Gasdiffusionslage GDL realisiert werden kann. Bei Bipolarplatten aus der 1 strömt das Reaktionsgas O2, H2 parallel zur aktiven Fläche und der Gastransport zur Katalysatorschicht erfolgt rein diffusiv. Ein konvektiver Gastransport im Sinne der Erfindung kann vorteilhafterweise gleichmäßig und kontrolliert über die gesamte aktive Fläche ausgeführt werden.
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Im Rahmen der Erfindung ist es denkbar, dass ein Ventilator oder ein Sauger vorgesehen sein kann, um unterhalb des zweiten Strukturelementes 12 bzw. zwischen dem zweiten Strukturelement 12 und der Gasdiffusionslage GDL das Abgas abzusaugen und somit den Fluss des Abgases durch die Abführkanäle 17 zu begünstigen.
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Wie die 1 und 2 zeigen, kann das erste Strukturelement 11 in Form eines ebenen Plattenelementes ausgebildet sein. Das zweite Strukturelement 12 kann in Form eines geprägten und/oder gestanzten und/oder zumindest bereichsweise durchlöcherten Plattenelementes ausgebildet sein. Solche Strukturelemente 11, 12 sind einfache und günstige Bauteile. Somit wird eine preisgünstige und einfache Herstellung der Verteilerstruktur 10 bereitgestellt.
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An einer ersten Seite 12.1 des zweiten Strukturelementes 12, die dem ersten Strukturelement 11 zugewandt ist, sind die Zuführkanäle 16 ausgebildet, wobei an einer zweiten Seite 12.2 des zweiten Strukturelementes 12, die der Gasdiffusionslage GDL zuwendbar ist, Abführkanäle 17 ausgebildet sind. Für die Abführkanäle 17 kann eine separate Abgasleitung neben einer Kathodenleitung durch die erfindungsgemäße Verteilungsfläche 15 bereitgestellt werden. Zudem ist es denkbar, dass am Ausgang der separaten Abgasleitung ein Ventilator, bspw. in Form eines Saugers, vorgesehen sein kann.
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Am Boden 16a der Zuführkanäle 16 ist im zweiten Strukturelement 12 mindestens eine, vorzugsweise mehrere Bohrungen 14 ausgebildet, durch die das Reaktionsgas im Wesentlichen senkrecht zur Erstreckungsebene der Gasdiffusionslage GDL in die Gasdiffusionslage GDL einleitbar ist. Somit kann neben dem konvektiven Zuführen des Reaktionsgases durch die Zuführkanäle 16 beim Durchgang der Bohrungen 14 außerdem ein sog. Venturi-Effekt in Richtung senkrecht zu aktiven Fläche ausgenutzt werden, um die Verteilung des Reaktionsgases zu vergleichmäßigen und zu begünstigen.
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Wie es die 4 zeigt, können entweder die Bohrungen 14 oder die Zuführkanäle 16 selbst in Richtung F1 der Reaktionsgaszufuhr eine größer werdende Querschnittsfläche aufweisen, um trotz eines möglichen Druckabfalls von Eingang zu Ausgang durch die Verteilungsfläche 15 eine gleichmäßige Gaszufuhr des Reaktionsgases zur Gasdiffusionslage GDL zu ermöglichen. Zudem ist es denkbar, dass vom Zuführkanal 16 zum Zuführkanal 16 eine in Richtung F1 der Reaktionsgaszufuhr durch die Verteilungsfläche 15 wachsende Anzahl an Bohrungen 14 am Boden 16a der Zuführkanäle 16 ausgebildet sein kann.
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Wie es die 3 zudem andeutet, wird im Rahmen der Erfindung eine Brennstoffzelle 100 oder ein Elektrolyseur mit einem Anodenraum A und einem Kathodenraum K bereitgestellt, die oder der mit einer entsprechenden Verteilerstruktur 10 zum Bereitstellen des sauerstoffhaltigen Gasgemisches O2 zum Kathodenraum K ausgebildet ist.
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Die voranstehende Beschreibung der 1 bis 4 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.
