DE102019220534A1 - Electrochemical cell with a distribution plate - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verteilerplatte (7, 8), insbesondere für eine elektrochemische Zelle (1), wobei die Verteilerplatte (7, 8) Kanäle (11) und angrenzende Stege (12) aufweist. Die Unterseiten der Stege (12) bilden eine Kontaktfläche (13) der Verteilerplatte (7, 8). Die Kontaktfläche (13) weist zumindest teilweise eine Strukturierung (30) auf.The present invention relates to a distributor plate (7, 8), in particular for an electrochemical cell (1), the distributor plate (7, 8) having channels (11) and adjoining webs (12). The undersides of the webs (12) form a contact surface (13) of the distributor plate (7, 8). The contact surface (13) has at least partially a structure (30).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrochemische Zelle mit einer Verteilerplatte und eine entsprechende VerteilerplatteThe present invention relates to an electrochemical cell with a distribution plate and a corresponding distribution plate
Stand der TechnikState of the art
Verteilerplatten sind aus dem Stand der Technik bekannt. So ist aus der
Die Bereiche der Diffusionslagen, welche unter den Stegen verlaufen, werden vergleichsweise schlecht mit Reaktionsgas versorgt, speziell unter flutenden Bedingungen, was zu einer ungewollten inhomogenen Stromdichteverteilung führen kann.The areas of the diffusion layers that run under the webs are comparatively poorly supplied with reaction gas, especially under flooding conditions, which can lead to an undesired inhomogeneous current density distribution.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Demgegenüber weist eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle bzw. elektrochemische Zelle mit einer erfindungsgemäßen Verteilerplatte eine deutlich homogenere Gasverteilung auf, was bevorzugt auch zu einer homogeneren Stromdichteverteilung führt.In contrast, a fuel cell according to the invention or electrochemical cell with a distributor plate according to the invention has a significantly more homogeneous gas distribution, which preferably also leads to a more homogeneous current density distribution.
Dazu umfasst die Verteilerplatte Kanäle und angrenzende Stege. Die Unterseiten der Stege bilden eine Kontaktfläche der Verteilerplatte. Die Kontaktfläche weist zumindest teilweise eine Strukturierung auf.For this purpose, the distribution plate includes channels and adjacent webs. The undersides of the webs form a contact surface of the distributor plate. The contact surface is at least partially structured.
Eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, mit einer derartigen Verteilerplatte weist weiterhin eine Diffusionslage und einen Elektrolyten auf; bevorzugt ist der Elektrolyt dabei eine Membran, welche beidseitig mit Elektroden beschichtet ist. Die Unterseiten der Stege bilden dann eine Kontaktfläche der Verteilerplatte zu der Diffusionslage.An electrochemical cell, in particular a fuel cell, with such a distributor plate also has a diffusion layer and an electrolyte; The electrolyte is preferably a membrane which is coated on both sides with electrodes. The undersides of the webs then form a contact surface between the distributor plate and the diffusion layer.
Durch die Strukturierung wird die gleichmäßige Versorgung der Diffusionslage unter der Kontaktfläche mit Reaktionsgas deutlich verbessert, und zwar insofern, dass der Elektrolyt bzw. die Elektrodenschicht unter der Diffusionslage über ihre gesamte Fläche homogen mit Reaktionsgas versorgt wird. Die Strukturierung sorgt dafür, dass durch die zusätzlichen konvektive und diffusive Strömungen des Reaktionsgases bzw. des Reaktanten in der Strukturierung mehr Reaktionsgas in die Diffusionslage unter den Stegen transportiert wird. Die dadurch verbesserte Gasversorgung unter den Stegen führt bevorzugt zusätzlich zu einer geringeren Ansammlung von kondensiertem Wasser eben genau unter diesen Stegen, insbesondere auf einer Kathodenseite bzw. in einem Kathodenraum der Brennstoffzelle. Somit wird durch die Erfindung nicht nur die Gaszufuhr homogenisiert, sondern auch die Wasserabfuhr. Dies führt zu einer verbesserten Wärmeverteilung und zu einer geringeren Alterung der elektrochemischen Zelle bzw. der Brennstoffzelle. Dadurch, dass die Strukturierung in die Kontaktfläche eingebracht ist, wird die dargestellte Effizienzsteigerung der elektrochemischen Zelle zudem ohne eine Bauraumvergrößerung erzielt.The structuring significantly improves the uniform supply of reaction gas to the diffusion layer under the contact surface, to the extent that the electrolyte or the electrode layer under the diffusion layer is homogeneously supplied with reaction gas over its entire surface. The structuring ensures that the additional convective and diffusive flows of the reaction gas or the reactant in the structuring transport more reaction gas into the diffusion layer under the webs. The gas supply under the webs, which is improved as a result, preferably also leads to a lower accumulation of condensed water precisely under these webs, in particular on a cathode side or in a cathode compartment of the fuel cell. Thus, the invention not only homogenizes the gas supply, but also the water discharge. This leads to an improved heat distribution and less aging of the electrochemical cell or the fuel cell. Because the structuring is introduced into the contact area, the illustrated increase in efficiency of the electrochemical cell is also achieved without increasing the installation space.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weisen zumindest einige der Kanäle in ihren Flanken im Bereich der Strukturierung Staukanten auf. Die Kanäle definieren eine Hauptströmungsrichtung des entsprechenden Reaktionsgases einer elektrochemischen Zelle. Die Staukanten verbessern nun vorteilhafterweise die Umleitung eines Teils des Massenstroms des Reaktionsgases aus dem Kanal in die Strukturierung, also aus der Hauptströmungsrichtung in eine Nebenströmungsrichtung, indem sie einen Teil des Reaktionsgases aufstauen, bzw. umlenken, so dass eben verstärkt Reaktionsgas auch unter den Stegen in die Diffusionslage und weiter zu den Elektrodenschichten strömen bzw. diffundieren kann.In an advantageous development, at least some of the channels have damming edges in their flanks in the area of the structuring. The channels define a main flow direction of the corresponding reaction gas of an electrochemical cell. The baffle edges now advantageously improve the diversion of part of the mass flow of the reaction gas from the channel into the structuring, i.e. from the main flow direction into a secondary flow direction, by damming up or deflecting part of the reaction gas, so that even more reaction gas is also under the webs in the diffusion layer and can flow or diffuse further to the electrode layers.
In bevorzugten Weiterbildungen weisen ein oder mehrere Kanäle entlang einer Flanke Versetzungen zu den Staukanten auf. Diese Versetzungen führen dazu, dass die Flanke des Kanals zwischen zwei Staukanten zwar einen Versetzungswinkel zur Hauptströmungsrichtung aufweist. Makroskopisch betrachtet weist der Kanal jedoch über seine gesamte Länge einen im Wesentlichen konstanten Strömungsquerschnitt bzw. eine im Wesentlichen konstante Kanalbreite auf. Ein Versetzungswinkel zur Hauptströmungsrichtung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Staukanten beträgt dabei vorteilhafterweise 1° bis 30°.In preferred developments, one or more channels have offsets with respect to the damming edges along a flank. These offsets mean that the flank of the channel between two dam edges has an offset angle to the main flow direction. Viewed macroscopically, however, the channel has an essentially constant flow cross-section or an essentially constant channel width over its entire length. An offset angle to the main flow direction between two successive dam edges is advantageously 1 ° to 30 °.
Vorteilhafterweise verbindet die Strukturierung zwei benachbarte Kanäle fluidisch. Dadurch entstehen vergleichsweise geringe Strömungsverluste innerhalb der Strukturierung, insbesondere wenn die Verbindung unter einem vorteilhaften Winkel von 45° bis 60° zur Hauptströmungsrichtung erfolgt.The structuring advantageously connects two adjacent channels fluidically. This results in comparatively low flow losses within the structure, in particular if the connection is made at an advantageous angle of 45 ° to 60 ° to the main flow direction.
In bevorzugten Ausführungen weist die Verteilerplatte in der Kontaktfläche eine Beschichtung auf. Die Beschichtung kann dabei sowohl dem Korrosionsschutz der Verteilerplatte als auch der Verringerung des elektrischen Übergangswiderstands zur Diffusionslage dienen. Dabei kann die Strukturierung in die Beschichtung eingebracht sein, oder in eine Grundplatte der Verteilerplatte, auf die die Beschichtung aufgebracht ist, wobei die Strukturierung durch die Beschichtung weitestgehend erhalten bleibt. Insbesondere wenn die Beschichtung additiv aufgebracht wird, ist es vorteilhaft die Strukturierung erst mit der Beschichtung aufzubringen, da für die Strukturierung so kein zusätzlicher Fertigungsschritt erforderlich ist.In preferred embodiments, the distributor plate has a coating in the contact surface. The coating can serve both to protect the distributor plate from corrosion and to reduce the electrical contact resistance to the diffusion layer. The structuring can be introduced into the coating, or into a base plate of the distributor plate to which the coating is applied, the Structuring is largely retained by the coating. In particular when the coating is applied additively, it is advantageous to apply the structuring only with the coating, since no additional manufacturing step is required for the structuring.
In vorteilhaften Ausführungen umfasst die Strukturierung Nebenkanäle. Bevorzugt ist dabei der Querschnitt eines Nebenkanals um mindestens den Faktor 50 kleiner als der Querschnitt eines Kanals. Dadurch führt der Kanal in Hauptströmungsrichtung einen deutlich höheren Massenstrom an Reaktionsgas als ein Nebenkanal, so dass eine ausreichende Versorgung der Diffusionslage mit Reaktionsgas unter dem Kanal aufrechterhalten wird.In advantageous embodiments, the structuring includes secondary channels. The cross section of a secondary channel is preferably smaller by at least a factor of 50 than the cross section of a channel. As a result, the channel carries a significantly higher mass flow of reaction gas in the main flow direction than a secondary channel, so that a sufficient supply of the diffusion layer with reaction gas is maintained under the channel.
Die Nebenkanäle sind vorteilhafterweise trapezförmig, wellenförmig, parallel, kreuzförmig oder wabenförmig angeordnet. Dadurch kann die Strömung des Reaktionsgases in der Strukturierung und damit auch in den darunter liegenden Diffusionslagen gezielt beeinflusst werden.The secondary channels are advantageously trapezoidal, wave-shaped, parallel, cross-shaped or honeycomb-shaped. This allows the flow of the reaction gas in the structuring and thus also in the underlying diffusion layers to be influenced in a targeted manner.
In Ausführungen der Verteilerplatte mit Nebenkanälen und Staukanten ist es besonders vorteilhaft, wenn die Staukanten bündig am Eingang der Nebenkanäle angeordnet sind. Dadurch wird das Reaktionsgas in Hauptströmungsrichtung an den Staukanten abgebremst und in die Nebenkanäle eingeleitet. Die Versorgung der Nebenkanäle mit Reaktionsgas ist dadurch besonders gut gestaltet.In designs of the distributor plate with secondary channels and retaining edges, it is particularly advantageous if the retaining edges are arranged flush at the entrance of the secondary channels. As a result, the reaction gas is slowed down in the main flow direction at the dam edges and introduced into the secondary channels. The supply of the secondary channels with reaction gas is particularly well designed as a result.
Die Erfindung umfasst auch eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, mit einer Verteilerplatte nach den beschriebenen Ausführungsformen. Die elektrochemische Zelle weist weiterhin eine Diffusionslage und einen Elektrolyten auf, welcher beispielsweise eine Membran sein kann, die wiederum mit Elektroden beschichtet ist. Die Unterseiten der Stege der Verteilerplatte bilden die Kontaktfläche der Verteilerplatte zu der Diffusionslage.The invention also comprises an electrochemical cell, in particular a fuel cell, with a distributor plate according to the described embodiments. The electrochemical cell also has a diffusion layer and an electrolyte, which can be a membrane, for example, which in turn is coated with electrodes. The undersides of the webs of the distributor plate form the contact surface between the distributor plate and the diffusion layer.
In bevorzugten Weiterbildungen ist die Diffusionslage ein Vlies, besonders bevorzugt ein Kohlefaservlies. Bei dem Vlies ist die Gasdurchlässigkeit üblicherweise in Dickenrichtung, also in Richtung zum Elektrolyten bzw. zur Membran, vergleichbar mit der Gasdurchlässigkeit in Ebenenrichtung, also in Richtung von „unter den Kanälen zu unter den Stegen“. Die Versorgung der Bereiche der Diffusionslage unter den Stegen mit Reaktionsgas wird also durch das Vlies in Kombination mit der Strukturierung der Kontaktfläche verbessert. Vorliegende Erfindung ist besonders gut für derartige Vliese geeignet, weil die Bereiche „unter den Stegen“ eben durch die Strukturierung des Stegs selbst mit Reaktionsgas versorgt werden und so auch potenzielle Wasseransammlungen „unter den Stegen“ gut abgeführt werden können.In preferred developments, the diffusion layer is a fleece, particularly preferably a carbon fiber fleece. In the case of the fleece, the gas permeability in the direction of the thickness, ie in the direction of the electrolyte or the membrane, is comparable to the gas permeability in the plane direction, ie in the direction from “under the channels to under the webs”. The supply of the areas of the diffusion layer under the webs with reaction gas is therefore improved by the fleece in combination with the structuring of the contact surface. The present invention is particularly well suited for such nonwovens because the areas “under the webs” are supplied with reaction gas precisely by the structuring of the web itself and thus potential water accumulations “under the webs” can also be easily removed.
In vorteilhaften Ausführungen ist die elektrochemische Zelle eine Brennstoffzelle oder ein Elektrolyseur, wobei der Elektrolyt bevorzugt eine beschichtete Polymerelektrolyt-Membran ist. Ein Elektrolyseur ist ein stationärer Energiewandler, welcher unter Anlegen von elektrischer Spannung bevorzugt Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser spaltet. Für die Effizienz einer Brennstoffzelle bzw. eines Elektrolyseurs mit Polymer-Elektrolyt-Membran ist es besonders wichtig die auf der Membran angeordneten Elektrodenschichten homogen mit Reaktionsgas zu versorgen.In advantageous embodiments, the electrochemical cell is a fuel cell or an electrolyzer, the electrolyte preferably being a coated polymer electrolyte membrane. An electrolyzer is a stationary energy converter which, when an electrical voltage is applied, preferentially splits hydrogen and oxygen from water. For the efficiency of a fuel cell or an electrolyzer with a polymer electrolyte membrane, it is particularly important to homogeneously supply the electrode layers arranged on the membrane with reaction gas.
Die Erfindung umfasst zusätzlich ein Kraftfahrzeug, welches einen Brennstoffzellenstapel mit einer bzw. mehreren der beschriebenen erfindungsgemäßen Brennstoffzellen aufweist. Das Kraftfahrzeug weist somit eine sehr effiziente Brennstoffzelle bzw. einen Brennstoffzellenstapel mit vielen sehr effizienten einzelnen Brennstoffzellen auf. Insbesondere in mobilen Anwendungen ist es sehr wichtig derartige Effizienzsteigerungen ohne Erhöhung des dafür benötigten Bauraums zu erzielen.The invention additionally comprises a motor vehicle which has a fuel cell stack with one or more of the described fuel cells according to the invention. The motor vehicle thus has a very efficient fuel cell or a fuel cell stack with many very efficient individual fuel cells. In mobile applications in particular, it is very important to achieve such increases in efficiency without increasing the installation space required for this.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte elektrochemische Zelle. -
2 eine Wiederholeinheit einer Kanal-Steg-Struktur einer erfindungsgemäßen Verteilerplatte für eine elektrochemische Zelle in perspektivischer Ansicht auf einen Steg, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. -
3 einen Schnitt durch einen Bereich einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. -
4 eine weitere erfindungsgemäße Verteilerplatte für eine elektrochemische Zelle in perspektivischer Ansicht, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. -
5 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Verteilerplatte, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. -
6 schematisch weitere Ausführungsformen eines strukturierten Stegs einer Verteilerplatte.
-
1 schematically an electrochemical cell known from the prior art. -
2 a repeating unit of a channel-web structure of a distributor plate according to the invention for an electrochemical cell in a perspective view of a web, only the essential areas being shown. -
3 a section through a region of an electrochemical cell according to the invention, only the essential regions being shown. -
4th a further distribution plate according to the invention for an electrochemical cell in a perspective view, only the essential areas being shown. -
5 a plan view of a distributor plate according to the invention, only the essential areas are shown. -
6th schematically further embodiments of a structured web of a distributor plate.
Im Kathodenraum
Die Verteilerplatten
Die Verteilerplatten
Erfindungsgemäß weist nun die Kontaktfläche
In den Kanälen
Die Strukturierung
Die Nebenkanäle
Neben dem Ausführungsbeispiel der Zickzack-Form der Strukturierung
In diesen Ausführungsbeispielen kann sich der Reaktant bzw. das Gas also in den Nebenkanälen
Durch die zusätzlichen konvektiven Strömungen des Reaktanten in den Nebenkanälen
Die Strukturierung
Die Strukturierung
Die Tiefe T der Strukturierung
Weist die Verteilerplatte
Simulationen zeigen nun für den Kanalmesspunkt
Durch die Staukanten
- -
unter den Stegen 12 um 70% erhöht werden.
- - under the bridges
12th can be increased by 70%.
- -
6a) wellenförmige Anordnung derNebenkanäle 31 . - -
6b) parallele Anordnung derNebenkanäle 31 . - -
6c ) kreuzförmige Anordnung derNebenkanäle 31 . - -
6d ) wabenförmige Anordnung derNebenkanäle 31 .
- -
6a) undulating arrangement of thesecondary channels 31 . - -
6b) parallel arrangement of thesecondary channels 31 . - -
6c ) cross-shaped arrangement of thesecondary channels 31 . - -
6d ) honeycomb arrangement of thesecondary channels 31 .
Die trapezförmige, wellenförmige, kreuzförmige und wabenförmige Anordnungen der Nebenkanäle
Im Unterschied dazu leistet die parallele Anordnung der Nebenkanäle
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