-
Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle,
betrieben durch zwei Fluide.
-
Elektrochemische Zellen der vorstehend
erwähnten
Art erzeugen elektrische Energie mittels Umsetzung von chemischer
Energie an katalytischen Oberflächen
von Elektroden. Elektrochemische Zellen dieser Art umfassen im wesentlichen
die folgenden Hauptkomponenten:
-
- – Eine
Kathodenelektrode, an der durch Zugabe von Elektronen die Reduktionsreaktion
stattfindet. Die Kathode umfasst mindestens eine Elektrodenträgerschicht,
die als Träger
für den
Katalysator dient.
- – Eine
Anodenelektrode, an der die Oxidationsreaktion durch Abgabe von
Elektronen stattfindet. Die Anode besteht ebenso wie die Kathode
aus mindestens einer Trägerschicht
und einer Katalysatorschicht.
- – Eine
Matrix, die zwischen Kathode und Anode angeordnet ist und als Träger für den Elektrolyten dient.
Der Elektrolyt kann in fester oder flüssiger Phase sowie als Gel
vorliegen.
-
Diese drei oben aufgeführten Komponenten werden
auch als Membran-Elektroden-Einheit (MEA) bezeichnet, wobei auf
einer Seite der Matrix die Kathodenelektrode und auf der anderen
Seite die Anodenelektrode aufgebracht ist.
-
- – Eine
Fluidverteilerplatte, die zwischen den MEAs angeordnet ist und zur
Sammlung und Verteilung von Reaktanten und Oxidanten in elektrochemischen
Zellen dient.
- – Dichtelemente,
die eine Vermischung der Fluide in den elektrochemischen Zellen
und ein Austreten der Fluide aus der Zelle zur Umgebung verhindern.
-
Derartige elektrochemische Zellen
können auch
als Brennstoffzellen in einem sogenannten Brennstoffzellenstapel
angeordnet werden. Hierbei verläuft
die elektrische Stromführung
in einer Reihenschaltung von Zelle zu Zelle. Das Fluidmanagement des
Oxidanten und Reaktanten erfolgt über Sammel- und Verteilerkanäle zu den
einzelnen Zellen, wobei die elektrochemischen Zellen parallel mittels
mindestens jeweils eines Verteilerkanals für jedes Fluid mit dem Reaktant-
und Oxidantfluid versorgt werden.
-
Fluidverteilerplatten für derartige
elektrochemische Zellen bzw. Brennstoffzellen werden wie etwa in
der
US 6,040,076 beschrieben,
durch Umformen dünner
Metallbleche hergestellt. Die Vorteile dabei sind geringes Gewicht
und Volumen bei guter mechanischer Stabilität.
-
Brennstoffzellen, die mit zwei Fluiden
auskommen, können
mit einer Platte pro Zelle als Fluidverteilerplatte betrieben werden. Üblicherweise
sind die Platten mit Zu- und Abführungsdurchbrüchen versehen
und haben im Zentralbereich parallele oder mäanderförmig geführte aktive Bereiche mit Kanälen und
Stegen. Die Zu- und Abführungsdurchbrüche werden
als Ein- und Auslassbereiche
bzw. Ports bezeichnet.
-
Da beim Umformen eines dünnen Bleches eine
Seite der Fluidverteilerplatte stets das Spiegelbild der anderen
Seite darstellt, bestehen besondere Anforderungen für die Zuführungs- und Abführungsbereiche
der Fluidverteilerplatte, da beispielsweise Zuführungskanäle auf der einen Seite der
Platte die Versorgung auf der anderen Seite unterbinden würden, wes halb
in der
US 6,040,076 und
in der
DE 100 47 248 die
Zu- und Abführungsbereiche
mit einer Noppenstruktur mit halber Plattenhöhe ausgeführt werden. Diese Noppenstrukturen
sollen gleichzeitig zu einer besseren Verteilung des Fluids im aktiven Bereich
der Fluidverteilerplatte bzw. der elektrochemischen Zelle dienen.
-
Ein erstrebenswertes Ziel ist es,
kompakte Brennstoffzellenstapel mit geringer Bauhöhe herzustellen.
D.h. dass möglichst
geringe Kanalhöhen
in den Fluidverteilerplatten realisiert werden sollen. Diese Vorgabe
verschlechtert die grundsätzliche
Engstelle, die sich im Eingangsbereich zwischen Inlay und Fluidverteilerplatte
befindet. Dieser Bereich weist aufgrund der notwendigen zusätzlichen
Abdichtung nur eine halbe Kanalhöhe
auf. Dies trifft für alle
elektrochemischen Zellen bzw. Brennstoffzellen zu, die, wie z.B.
die Direktmethanolbrennstoffzelle, nur mit zwei Medien (Fluiden)
betrieben werden. Hier besteht die Fluidverteilerplatte, die auch
als Separatorplatte oder Bipolarplatte bezeichnet wird, nur aus einer
Einzelplatte. Im Eingangsbereich müssen deshalb die Reaktionsmedien
voneinander getrennt zugeführt
und gegeneinander gedichtet sein. Dazu werden, wie vorstehend erwähnt, entsprechende
Dichtungen verwendet. Da diese zur Entfaltung der Dichtwirkung komprimiert
werden müssen,
wirkt in nachteiliger Weise entgegengesetzt der Dichtkraft eine Kraft
auf die MEA bzw. auf das Inlay, auf dem die Dichtung angebracht
ist. Dadurch entsteht die zusätzliche
Problematik, dass die Dichtung den Portbereich der MEA bzw. das
Inlay auslenkt und so eine zusätzliche
Verengung erzeugt wird. Werden beispielsweise Kunststoffinlays eingesetzt,
so ist bei höheren
Betriebstemperaturen oft eine zusätzliche Auslenkung bis zu einer
irreversiblen Verformung festzustellen.
-
In den Engstellen entstehen ungewollte
und von Zelle zu Zelle oft unterschiedliche Druckverluste, welche
zu Ungleichverteilungen im Brennstoffzellenstapel und so zu verringerter
Leistung führen.
Die Druckverluste, die durch die Ein- und Aus lassbereiche verursacht
werden, sind besonders kritisch einzuschätzen, da sie von Zelle zu Zelle
stark variieren können
und somit einen besonderen Einfluss auf die Zell-zu-Zellleistungen haben.
Diese schwankenden Leistungen von Zelle zu Zelle sind unerwünscht.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt
daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Zelle der eingangs
erwähnten
Art zu schaffen, die die Nachteile des Standes der Technik löst, bei
der insbesondere die Druckverluste in den Ein- und Ausgangsbereichen
möglichst
gering sind und die ein starkes Variieren der Zellleistung im Vergleich
zu anderen Zellen vermeidet.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
-
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird
in einfacher und vorteilhafter Weise ein starker Druckverlust in
den Ein- und Ausgangsbereichen der elektrochemischen Zelle verhindert.
Zum Erhalt des Strömungsquerschnitts
werden in den kritischen Bereichen zusätzliche Abstützungspunkte
in die Fluidverteilerplatte oder das Inlay eingebracht, wobei ein Verengen
des Kanals verhindert wird. Um auf der gegenüberliegenden Seite der Fluidverteilerplatte
Leckagefreiheit garantieren zu können,
sind so breite Dichtungen vorzusehen, dass die Abstützungspunkte
auf der anderen Seite überdeckt
werden, da ein Einprägen
eines erhabenen Abstützungspunkts
auf einer Plattenseite auf der anderen Plattenseite eine Nut erzeugt.
-
Dadurch, dass die Druckverluste in
den Ein- und Ausgangsbereichen möglichst
minimal sind, wird der Gesamtdruckverlust einer Zelle mehr durch
den Anteil des Druckverlusts bestimmt, der an der aktiven Zellfläche in den
Bereichen der Fluidströmungsstruktur
entsteht. Da dieser von Zelle zu Zelle in der Regel nur sehr viel
geringeren Schwankungen unterliegt, wird eine gleichmäßige Leistung
von Zelle zu Zelle erreicht.
-
Erfindungsgemäß kann ferner vorgesehen sein,
dass die Einlegeteile zusätzliche
Aussparungen in den Ein- und Auslassbereichen der Fluidverteilerplatte
aufweisen.
-
Durch diese Maßnahme wird in den kritischen
Bereichen (Portbereiche) zusätzlicher
Raum für
einen ausreichenden Strömungsquerschnitt
geschaffen. Vorteilhafterweise befinden sich die Aussparungen an
den Stellen, unter denen sich in der Fluidverteilerplatte Vertiefungen
für die
Strömungsführung befinden.
-
Von Vorteil ist es, wenn die Fluidverteilerplatte
in den Bereichen der Engstellen derart versetzt ist, dass eine Querschnittsvergrößerung eintritt,
wobei die Dichtelemente in diesen Bereichen eine geringere Höhe aufweisen.
-
Dadurch, dass die Fluidverteilerplatte
in den kritischen Bereichen in der Ebene versetzt ist, wird eine
zusätzliche
Querschnittsvergrößerung erreicht. In
vorteilhafter Weise muss die Dichtungshöhe in diesen Bereichen geringer
sein. Dazu kann die Dichtung auch als Klebung ausgeführt werden,
dies wird bei den geringen verbleibenden Dichtungshöhen als
vorteilhaft angesehen.
-
In einer Weiterbildung der Erfindung
kann vorgesehen sein, dass die Einlegeteile aus druckstabilen Materialien,
insbesondere aus Metall, gebildet sind.
-
Der Einsatz druckstabiler Materialien,
wie beispielsweise Metall, in den kritischen Bereichen der MEA (den
Inlays) verhindert Verformungen und Querschnittsverengungen zusätzlich.
-
Vorteilhaft ist, wenn um die Auflagefläche der Dichtelemente
in den Ein- und Auslassbereichen der Fluidverteilerplatte Nut-Steg-Kombinationsvorrichtungen
zur Führung
der Dichtelemente angeordnet sind.
-
Nut-Steg-Kombinationen rund um die
Dichtungsauflage dienen als Dichtungsführung auf beiden Plattenseiten.
Sie bilden ein Hindernis gegen Verformungen der Dichtungen gegenüber dem
Plattenrand, was eine Undichtheit nach außen bei Innenüberdruck
vermeidet. Gleichzeitig sind sie ein Schutz vor Überkompression der Dichtungen
(Dichtungszerstörung
durch Materialüberlastung).
Die Dichtungsführungen
gewährleisten
ebenfalls eine Abstützung der
MEA und somit einen konstanten Strömungsquerschnitt.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen und
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und
aus den nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen
Ausführungsbeispielen.
-
Dabei zeigen:
-
1 eine
prinzipmäßige Querschnittsansicht
durch eine herkömmliche
elektrochemische Zelle mit einer Engpassstelle;
-
2 eine
Querschnittsansicht einer herkömmlichen
elektrochemischen Zelle mit einer durch Verformungen entstandenen
Verengung des Strömungsquerschnitts;
-
3 eine
Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle
mit zusätzlichen
Abstützungselementen;
-
4 eine
perspektivische Ansicht der in 3 dargestellten
erfindungsgemäßen elektrochemischen
Zelle;
-
5 eine
weitere perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen elektrochemischen
Zelle gemäß den 3 und 4 ohne Dichtungen;
-
6 eine
Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle
in einer zweiten Ausführungsform
mit Aussparungen in den Inlays; und
-
7 die
erfindungsgemäße elektrochemische
Zelle in einer dritten Ausführungsform
mit einem Versatz der Fluidverteilerplatte in den Engstellen.
-
Die 1 und 2 zeigen eine elektrochemische
Zelle des Standes der Technik, wie sie in einem Brennstoffzellenstapel 1 als
Brennstoffzelle 2 angeordnet sein könnte.
-
Wie aus 1 ersichtlich, weist der Brennstoffzellenstapel 1 eine
Brennstoffzelle 2 des Standes der Technik auf. Der Brennstoffzellenstapel 1 besteht
dazu abwechselnd aus Fluidverteilerplatten 3a und 3b und
Membran-Elektroden-Einheiten 4, die ihrerseits eine Membran 5,
eine Anode 6 und eine Kathode 7 aufweisen. Der
Brennstoffzellenstapel 1 verfügt darüber hinaus über Endplatten 8a und 8b,
die ein Verspannen des Brennstoffzellenstapels 1 ermöglichen,
wobei die Endplatte 8b eine Leitung 9 zur Zuführung eines
ersten Fluids 10 zur Brennstoffzelle 2 aufweist.
Das erste Fluid 10 gelangt über Durchbrüche 11 in die Fluidverteilerplatten 3a, 3b bzw.
zur Anode 6 der Membran-Elektroden-Einheit 4 der
Brennstoffzelle 2. Die Durchbrüche werden als Ein- und Auslassbereich 11 bezeichnet.
Im Bereich der Ein- und Auslassbereiche 11 ist die Membran-Elektroden-Einheit 4 durch
ein Inlay 12 als Stützobjekt
zur Vermeidung von Deformationen ersetzt. Zur Dichtigkeit der Brennstoffzelle 2 zur
Umgebung sind im Außenbereich
der Fluidverteilerplatten 3a, 3b Dichtungen 13a angeordnet.
Des weiteren sind zur Abdichtung des ersten Fluids 10 zum
Ka thodenbereich der Brennstoffzelle 2 bzw. zu einem dort
entlang geführten
zweiten Fluid 14 Dichtungen 13b vorgesehen. Diese
Dichtungen 13b werden durch Nut-Steg-Kombinationen 15 geführt. Die
Nut-Steg-Kombinationen 15 bilden ein Hindernis gegen Verformungen
der Dichtungen und stellen gleichzeitig einen Schutz vor Überkompression
der Dichtungen (Dichtungszerstörung
durch Materialüberlastung)
dar. Die Dichtungen 13a, 13b können entweder auf den Fluidverteilerplatten 3a, 3b oder
auf der MEA 4 angebracht werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
besteht das Inlay 12 aus einem Laminat mit der herausgeführten Membran 5 und
einer Schicht aus einem Kunststoffmaterial. In einem anderen Ausführungsbeispiel könnten auch
mehrere Schichten anderer Materialien vorgesehen sein. Des weiteren
kann das Inlay 12 auch als Anformteil 12 ausgebildet
sein, das mit der Membran-Elektroden-Einheit 4 gasdicht
verbunden ist. Die Fluidverteilerplatten 3a, 3b sind
im vorliegenden Ausführungsbeispiel
aus einem metallischen Blech mit einer Blechdicke zwischen 0,05
und 1,0 mm geprägt.
-
In 1 ist
die Gesamtkanalhöhe
mit b bezeichnet. Wie aus 1 ersichtlich,
weist der Krümmungsbereich
des ersten Fluids 10 von den Ein- und Auslassbereichen 11 im
Bereich der Dichtungen 13b eine Engstelle 16 auf
. Diese wurde in 1 durch
einen Kreis zusätzlich
hervorgehoben. Diese Engstelle 16 vermindert den Strömungsquerschnitt
a zwischen MEA 4 bzw. Inlay 12 und Fluidverteilerplatte 3a im Gegensatz
zur Gesamtkanalhöhe
b erheblich.
-
In 2 ist
der Brennstoffzellenstapel 1 vom Blickpunkt des Kathodenstroms
des zweiten Fluids 14 dargestellt. Durch den Pfeil 17 wird
die Richtung der resultierenden Kraft beschrieben, die auf den Brennstoffzellenstapel 1 einwirkt
und zu Verformungen des Inlays 12 vor allem im Bereich
der Dichtungen 13b führen
kann. Komponenten dieser resultierenden Kraft können die Gewichtskraft, die
Kraft, die von den komprimierten Dichtungen ausgeht, sowie die Kraft,
mit welcher der Brennstoffzellenstapel verspannt ist, sein.
-
In 2 wird
deutlich, dass die ohnehin schon kritische in 1 dargestellte Engstelle 16 durch
derartige Verformungen noch mehr verengt werden kann. Auch dieses
Phänomen
ist durch einen Kreis hervorgehoben.
-
Die nachfolgend beschriebenen 3 bis 7 zeigen Ausführungsformen der Brennstoffzelle 2 gemäß der Erfindung
zur Lösung
des beschriebenen Engstellenproblems.
-
Wie in 3 dargestellt,
weist die Fluidverteilerplatte 3a im Bereich der Engstelle 16 zusätzliche Noppen 18 zur
Abstützung
der Engstelle 16 auf. Die Noppen 18 dienen dem
Erhalt des Strömungsquerschnitts.
Um auf der gegenüberliegenden
Seite der Fluidverteilerplatte 3a Leckagefreiheit garantieren
zu können,
sind die Dichtungen 13b in diesem Bereich so vorzusehen,
dass die Noppen 18 überdeckt
werden.
-
In einem anderen Ausführungsbeispiel
könnten
die Noppen 18 auch am Inlay 12 angebracht sein.
-
In 4 ist
die Fluidverteilerplatte 3a dargestellt. Sie weist zur
Erhaltung des Strömungsquerschnitts
im Bereich der Engstelle 16 die Noppen 18 auf.
-
In 5 ist
dieselbe erfindungsgemäße Ausführungsform
der Fluidverteilerplatte 3a wie in 4 dargestellt. Die Dichtungen 13a und 13b wurden weggelassen,
um deutlich zu machen, dass die Noppen 18 durch Prägen auf
der anderen Seite der Fluidverteilerplatte 3a Nuten darstellen.
-
Wie aus 6 ersichtlich, weisen die Inlays 12 zusätzlich an
den Engstellen 16 Aussparungen 20 auf, um eine
Verbesserung der Strömungsführung in diesen
Bereichen zu gewährleisten.
-
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
wurde Metall zur Fertigung der Inlays 12 verwendet, was noch
eine weitere Druckstabilität
und damit einen ausreichenden Strömungsquerschnitt schafft.
-
In 7 weist
die Fluidverteilerplatte 3a zur Bereitstellung von weiterem
Strömungsquerschnitt einen
Versatz f auf, wobei eine Stelle 21 die neutrale Prägezone der
Fluidverteilerplatte 3a markiert. Die Höhe der Dichtungen 13b muss
in diesen Bereichen natürlich
geringer sein.
-
In einem anderen Ausführungsbeispiel
könnte
die Dichtung 13b deshalb auch als Klebung ausgeführt sein.