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Die Erfindung umfasst eine Diffusionslage für eine elektrochemische Zelle, insbesondere für eine Elektrolysezelle, und eine elektrochemische Zelle mit einer entsprechenden Diffusionslage.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, bei denen bspw. Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser, elektrische Energie und Wärme gewandelt werden; bei Elektrolysezellen läuft der elektrochemische Prozess in die andere Richtung. Zellenstapel elektrochemischer Zellen sind aus mehrteiligen Zellen aufgebaut, welche abwechselnd übereinander angeordnete Membran-Elektroden-Anordnungen und Verteiler- bzw. Bipolarplatten aufweisen. Hierbei dienen die Bipolarplatten zur Versorgung der Elektroden mit Edukten und zur Kühlung des Zellenstapels. Die Bipolarplatten weisen hierzu eine Verteilerstruktur auf, die Edukt enthaltende Fluide entlang den Elektroden führen; üblicherweise besteht eine Bipolarplatte dabei aus zwei Verteilerplatten, kann jedoch auch nur aus einer Verteilerplatte bestehen. Die Verteilerstrukturen sind üblicherweise als Kanäle ausgebildet, wodurch die unterschiedlichen Fluide leitbar sind. Eine derartige Bipolarplatte ist beispielsweise aus der
DE10221951A1 bekannt.
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Zwischen den Bipolarplatten und den Membran-Elektroden-Anordnungen sind Diffusionslagen angeordnet, welche auch als Bestandteil der Membran-Elektroden-Anordnungen angesehen werden können. Diese Diffusionslagen werden, insbesondere im Fall von Elektrolysezellen, auch als poröse Transportschichten bezeichnet. Eine derartige Transportschicht ist beispielsweise aus der
DE102020132271A1 bekannt.
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Vorliegende Erfindung soll nun den Aufbau der Bipolarplatten und Diffusionslagen, insbesondere für Elektrolysezellen, verbessern.
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Offenbarung der Erfindung
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Dazu weist die Diffusionslage für eine elektrochemische Zelle in einer xy-Ebene eine im Wesentlichen ebene Form auf. Die Diffusionslage ist aus einer porösen Struktur gebildet. In der Diffusionslage sind in der xy-Ebene verlaufende Kanäle ausgebildet. Die Kanalhöhe verläuft demzufolge in der z-Richtung.
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Dadurch können Kanalstrukturen in der benachbarten Bipolarplatte bzw. Verteilerplatte entfallen und anstelle dessen einfach ein ebenes Trennblech verwendet werden. Insbesondere bei Verteilerplatten aus Titan ist dies ein großer Vorteil, da das Umformen von Kanalstrukturen in Titanbleche aufgrund der flachen Spannungs-Dehnungs-Kurve von Titan sehr großen Toleranzen unterworfen ist.
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In vorteilhaften Weiterbildungen sind die Kanäle der Diffusionslage nicht durchgängig ausgeführt. Das heißt es existiert im aktiven Feld der elektrochemischen Zelle in einer Hauptströmungsrichtung - also in der xy-Ebene - keine durchgängige Strömungsverbindung nur über Kanäle hinweg, sondern das oder die Fluide müssen neben Kanälen auch die dazu korrespondierenden porösen Stege durchströmen. Die Fluide bekommen dadurch einen Strömungsanteil in z-Richtung aufgezwungen. Der Fluidtransport zur Membran-Elektroden-Anordnung hin bzw. von dieser weg wird dadurch verbessert. Die Hauptströmungsrichtung verläuft üblicherweise in der xy-Ebene der elektrochemischen Zelle und dient der flächigen Verbreitung der Edukte und Produkte der Reaktion, so dass die Membran-Elektroden-Anordnung möglichst homogen mit Eduktfluiden versorgt werden kann, bzw. Produktfluide möglichst homogen aus ihr abgeführt werden können.
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In vorteilhaften Weiterbildungen verlaufen die Hauptströmungsrichtung der elektrochemischen Zelle und die Kanalströmungsrichtung der Kanäle nicht parallel zueinander, besonders bevorzugt liegen sie orthogonal zueinander. Dadurch dienen die Kanäle vor allem einer Querverteilung der Fluide. In Hauptströmungsrichtung liegt ein hoher Anteil an porösen Stegen, durch welche die Fluide gedrückt werden müssen. Die Zu- und Abfuhr der Fluide zur Membran-Elektroden-Anordnung in z-Richtung ist dadurch besonders gut ausgebildet.
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Als poröses, fluiddurchlässiges, offenporiges Material im Sinne der Erfindung kann dabei ein Material verstanden werden, welches Poren aufweist, wobei die Poren einen freien Transportweg für ein Gas oder auch für Wasser bereitstellen. Das bedeutet, dass ein Gas, wie Wasserstoff oder Luft/Sauerstoff, durch einen Grundkörper der Diffusionslage aus diesem Material strömen kann.
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Die Erfindung umfasst auch eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Elektrolysezelle oder Brennstoffzelle. Die elektrochemische Zelle weist eine Membran-Elektroden-Anordnung, eine Diffusionslage nach einer der obigen Ausführungen und eine Verteilerplatte auf. Die Diffusionslage ist zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung und der Verteilerplatte angeordnet. Die Kanäle der Diffusionslage sind von der Verteilerplatte begrenzt.
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Die Kanäle, welche nicht über die gesamte Dicke der Diffusionslage reichen, sind also der Verteilerplatte bzw. der Bipolarplatte zugewandt. Die Verteilerplatte benötigt somit keine zusätzlichen Kanalstrukturen, sondern kann bevorzugt als ebene Platte ohne Kanalstrukturen ausgeführt sein.
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Besonders bevorzugt ist die Verteilerplatte als Titanblech ausgeführt. Titanbleche sind nur mit vergleichsweise großen Toleranzen und mit nur geringen Haltbarkeiten der Umformwerkzeuge umformbar. Die Kanäle sind daher leichter in die Diffusionslage integrierbar als in die Verteilerplatte.
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In vorteilhaften Ausführungen ist die elektrochemische Zelle als Elektrolysezelle, insbesondere als PEM- oder AEM-Elektrolysezelle ausgeführt; PEM steht dabei für Protonenaustauschmembran und AEM für Anionenaustauschmembran. Elektrolysezellen haben typischerweise Verteilerplatten aus Titanblech; die Erfindung ist demzufolge für derartige Typen von elektrochemischen Zellen besonders vorteilhaft.
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Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Diffusionslage sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig in der elektrochemischen Zelle verwendet werden.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
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Es zeigen schematisch:
- 1 Schnitt durch eine bekannte als Elektrolysezelle ausgeführte elektrochemische Zelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
- 2 Schnitt durch eine als Elektrolysezelle ausgeführte elektrochemische Zelle gemäß der Erfindung, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
- 3 Schnitt durch eine weitere elektrochemische Zelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
- 4 Draufsicht auf eine Diffusionslage, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen identische Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte elektrochemische Zelle 100 in Form einer Elektrolysezelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Brennstoffzelle 100 weist eine Membran 2 auf, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Membran. Zu einer Seite der Membran 2 ist ein Anodenraum 100a, zu der anderen Seite ein Kathodenraum 100b ausgebildet.
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Im Anodenraum 100a sind von der Membran 2 nach außen weisend - also in Normalenrichtung bzw. Stapelrichtung z - eine Elektrodenschicht 3, eine Diffusionslage 5 und eine Verteilerplatte 7 angeordnet. Analog sind im Kathodenraum 100b von der Membran 2 nach außen weisend eine Elektrodenschicht 4, eine Diffusionslage 6 und eine Verteilerplatte 8 angeordnet. Die Membran 2 und die beiden Elektrodenschichten 3, 4 bilden eine Membran-Elektroden-Anordnung 1. Weiterhin können auch noch die beiden Diffusionslagen 5, 6 Bestandteil der Membran-Elektroden-Anordnung 1 sein.
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Die Verteilerplatten 7, 8 weisen Kanäle 11 für die Fluidzufuhr - beispielsweise Wasser im Anodenraum 100a -zu den Diffusionslagen 5, 6 auf. Ist die elektrochemische Zelle 100 als Brennstoffzelle ausgeführt, so weisen beide Verteilerplatten 7, 8 Kanäle 11 für die Fluidzufuhr auf; ist die elektrochemische Zelle 100 als Elektrolysezelle ausgeführt, so kann auch nur eine der beiden Verteilerplatten 7, 8, bevorzugt die anodenseitige Verteilerplatte 7, Kanäle 11 für die Fluidzufuhr aufweisen.
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Die Kanäle 11 im Anodenraum 100a bilden ein Anodenflussfeld 11a aus, und die Kanäle 11 im Kathodenraum 100b bilden ein Kathodenflussfeld 11b aus. Die Diffusionslagen 5, 6 können kanalseitig - also zu den Verteilerplatten 7, 8 hin - aus einem Kohlefaserflies und elektrodenseitig - also zu den Elektrodenschichten 3, 4 hin - aus einer mikroporösen Partikelschicht bestehen.
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Die Verteilerplatten 7, 8 weisen die Kanäle 11 und somit implizit auch an die Kanäle 11 angrenzende Stege 12 auf. Die Unterseiten dieser Stege 12 bilden demzufolge eine Kontaktfläche 13 der jeweiligen Verteilerplatte 7, 8 zu der darunterliegenden Diffusionslage 5, 6.
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Üblicherweise unterscheiden sich kathodenseitige Verteilerplatte 7 und anodenseitige Verteilerplatte 8 voneinander; vorteilhafterweise sind die kathodenseitige Verteilerplatte 7 einer elektrochemischen Zelle 100 und die anodenseitige Verteilerplatte 8 der dazu benachbarten elektrochemischen Zelle fest verbunden, beispielsweise durch Schweißverbindungen, und damit zu einer Bipolarplatte zusammengefasst. Im Falle von Elektrolysezellen sind die Verteilerplatten 7, 8 üblicherweise aus Titan ausgeführt.
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Weiterhin weist die elektrochemische Zelle 100 eine Rahmenstruktur 20 auf, mit einer anodenseitigen Dichtung 20a und einer kathodenseitigen Dichtung 20b, so dass sowohl Anodenraum 100a als auch Kathodenraum 100b nach außen abgedichtet sind.
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Erfindungsgemäß ist die Diffusionslage 5, 6 nun so gestaltet, dass sie auf der der Membran-Elektroden-Anordnung 1 abgewandten Seite Fluide (beispielsweise Wasser, Wasserstoff und Sauerstoff) in der xy-Ebene führt, wie in 2 zu sehen. Die Kanäle 11, und damit auch die Stege 12, sind also in der Diffusionslage 5, 6 ausgebildet und werden von der Verteilerplatte 7, 8 begrenzt; das Anodenflussfeld 11a und/oder das Kathodenflussfeld 11b liegen somit nicht mehr in den Verteilerplatten 7, 8, sondern in den Diffusionslagen 5, 6.
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3 zeigt eine weitere elektrochemische Zelle 100 mit in den difusionslagen 5, 6 ausgebildeten Kanälen 11. Die Hauptströmung 50 der zu- und abgeführten Fluide in einem aktiven Bereich 21 der elektrochemischen Zelle 100 erfolgt somit in xy-Ebene in der Diffusionslage 5, 6 bzw. in deren Kanälen 11. Für die Verteilerplatte 7, 8 bzw. für die Bipolarplatte kann also auch ein ebenes Blech ohne Kanalstrukturen verwendet werden, was insbesondere für Bipolarplatten aus Titan ein erheblicher Kostenvorteil ist.
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Des Weiteren ist es möglich die Anodenflussfelder 11a und die Kathodenflussfelder 11b unterschiedlich zu gestalten, da jedes Flussfeld in einer unterschiedlichen Diffusionslage 5, 6 liegt. Bei der Verwendung von einteiligen Bipolarplatten - also nur einer Verteilerplatte 7, 8 zwischen zwei elektrochemischen Zellen 100 - ergibt sich beim Prägen eines Flussfeldes auf der Gegenseite immer das exakte Negativbild als Flussfeld. Da bei der WasserElektrolyse aus einem Wassermolekül die doppelte volumetrische Menge Wasserstoff wie Sauerstoff gewonnen wird, ist erfindungsgemäß eine unabhängige Optimierung der Flussfelder möglich.
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Die Diffusionslage 5, 6 ist dabei bevorzugt als poröse Struktur gestaltet, die Kanäle 11 müssen daher nicht über die gesamte Länge bzw. Breite der Diffusionslage 5, 6 ausgeführt sein.
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Die Hauptströmungsrichtung 50 ist in manchen Ausführungen durch die Form der Kanäle 11 im aktiven Bereich 21 definiert. Oft verlaufen die Kanäle 11 linear in der xy-Ebene von einer Einlassöffnung 31 der Verteilerplatte 7, 8 zu einer am gegenüberliegenden Ende liegenden Auslassöffnung 32 der Verteilerplatte 7, 8.
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In bevorzugten Ausführungen sind die Kanäle 11 im aktiven Bereich 21 nicht durchgängig ausgeführt. Dazu zeigt 4 eine Draufsicht auf die Kontaktfläche 13 einer besonders vorteilhaften Diffusionslage 5, 6. Die Diffusionslage 5, 6 ist als poröse Struktur ausgeführt, beispielsweise als Streckmetallgitter oder als Metallschaum. Entlang der Hauptströmungsrichtung 50, welche üblicherweise von der Einlassöffnung 31 der elektrochemischen Zelle 100 zu der Auslassöffnung 32 der elektrochemischen Zelle 100 führt, gibt es keine durchgängigen Kanäle 11. Das Medium bzw. das Fluid muss also auch in der Hauptströmungsrichtung 50 (xy-Ebene) durch die poröse Struktur der Stege 12 der Diffusionslage 5, 6 gedrückt werden.
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Der Strömungsweg in der xy-Ebene weist in dieser bevorzugten Ausführungsform somit keine durchgängigen Kanäle auf, so dass das Fluid (beispielsweise Wasser) immer wieder durch die poröse Struktur der Stege 12 der Diffusionslage 5, 6 geführt wird. Das Fluid wird dadurch quasi immer wieder gezwungen auch in z-Richtung zu strömen bzw. zu diffundieren, also in Richtung der Membran-Elektroden-Anordnung 1 - oder von dieser weg. So kann das Fluid (oder mehrere Fluide) gut der Membran-Elektroden-Anordnung 1 zugeführt, oder aus dieser abgeführt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung sind die - bevorzugt nichtdurchgängigen Kanäle 11 - so ausgerichtet, dass ihre Kanalströmungsrichtung 110 im aktiven Bereich 21 nicht mit der Hauptströmungsrichtung 50 zusammenfällt, sondern besonders bevorzugt orthogonal zu dieser liegt. Die Hauptströmungsrichtung 50 wird dann alleine durch die Einlass- und Auslassöffnungen 31, 32 der Verteilerplatte 7, 8 bzw. durch deren Verteilerfelder bestimmt. Diese Ausführungsform weist zwar einen vergleichsweise hohen Druckverlust der Medien in der Hauptströmungsrichtung 50 auf, besitzt aber auch eine sehr gute Querverteilung der Medien und eine sehr gute Zu- und Abfuhr zur Membran-Elektroden-Einheit 1.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10221951 A1 [0002]
- DE 102020132271 A1 [0003]
