EP3314687A1 - Strömungsfeld einer brennstoffzelle - Google Patents

Strömungsfeld einer brennstoffzelle

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EP3314687A1
EP3314687A1 EP16719403.4A EP16719403A EP3314687A1 EP 3314687 A1 EP3314687 A1 EP 3314687A1 EP 16719403 A EP16719403 A EP 16719403A EP 3314687 A1 EP3314687 A1 EP 3314687A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
channel
channel section
additional
converging
diverging
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16719403.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Haase
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
Publication of EP3314687A1 publication Critical patent/EP3314687A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0263—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant having meandering or serpentine paths
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
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    • H01M8/0265—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant the reactant or coolant channels having varying cross sections
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
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    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
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    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
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    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the flow field of a fuel cell is shaped by the separator plate contour.
  • the fuel, i.d.R. Hydrogen, and the oxidizing agent, i.d.R. Air, are located on the side of the separator plate. Furthermore, cooling with a coolant Kue in the separator plate
  • the goal is the equal distribution of the media (reaction gases, coolant) over the entire active area.
  • channel structures are formed for all three media.
  • the river fields are usually formed of straight, continuously equal-width channels.
  • Bipolar plate is provided with a gas-supplying and a gas-carrying channel network, which are bounded by the gas diffusion electrode and separated from each other.
  • the supplied gas must therefore by the
  • Anode-cathode stack comprising at least one gas diffusion layer and a plurality of fluid inlet channels adjacent thereto. At least one of the fluid inlet channels is configured with a flow resistance increasing in the basic flow direction S of the fluid flowing therethrough, which flow resistance is formed by a decreasing flow cross-sectional area. Even in these embodiments, the fluid flowing in the channel is not optimally utilized. In particular, it comes with larger flow fields to a more irregular chemical reaction, since the gases are not
  • Oxidant O or to fuel B therefore lower than in the inlet channel.
  • the extent of the chemical reaction of the gases in the exhaust duct with the adjacent ion-permeable separator is less than the extent of the chemical reaction of the gases in the inlet duct.
  • the medium traversing the gas diffusion layer collects in the
  • Outlet channel in layers, which are formed adjacent to the separator. These layers therefore have a low concentration of oxidizing agent O or fuel B.
  • Flow channels are each divided at bifurcations into subchannels and then converge again. A mixing of the gas flow takes place only via webs. Again, there is a
  • the technology disclosed herein relates to a fuel cell system having at least one fuel cell.
  • the fuel cell system is
  • a fuel cell is an electrochemical
  • gas generically refers to the oxidant O and the fuel cell fuel B.
  • the fuel cell disclosed herein comprises an anode having one
  • the anode has a supply for a fuel to the anode.
  • Preferred fuels are: hydrogen, low molecular weight alcohol, biofuels, or liquefied natural gas.
  • the cathode has, for example, a supply of oxidizing agent.
  • a fuel cell system comprises at least one fuel cell and peripheral system components (BOP components) that can be used during operation of the at least one fuel cell.
  • BOP components peripheral system components
  • the fuel cell disclosed herein includes an ion selective separator.
  • the ion-selective separator can be designed, for example, as a proton exchange membrane (PEM).
  • PEM proton exchange membrane
  • a cation-selective polymer electrolyte membrane is used.
  • Materials for such a membrane are, for example: Nafion®, Flemion® and Aciplex®.
  • further layers may be provided on the proton exchange membrane, such as a catalyst layer.
  • Fuel cell comprises a gas diffusion layer (hereinafter also called GDL layer), which is arranged adjacent to the separator. It may be, for example, a layer of thin, porous GDL layer
  • Carbon paper or fiber tissue act.
  • the ion selective etching of Carbon paper or fiber tissue act.
  • the fuel cell further comprises at least one separator plate, which forms at least one gas-conducting flow field together with the gas diffusion layer.
  • the separator plate may preferably be a bipolar plate.
  • the bipolar plate may be formed liquid-cooled. Other cooling techniques are also conceivable.
  • the flow field in particular the channel sections and mixing zones disclosed herein, is / are from the areas of the separator plate
  • the flow field is expediently arranged such that it is transported in the flow field Gas from the flow field can go directly into the gas diffusion layer.
  • the gas diffusion layer thus separates the flow field from the
  • ion selective separator Not to be regarded as a flow field in this context is a pre-distribution channel structure which is not arranged on the active surfaces of the ion-permeable separator on which the electrochemical reactions take place. In particular, that forms
  • the flow field preferably has a plurality of channels and / or a plurality of channel sections, wherein the separator plate, the GDL layer and the ion-selective separator together form a flow field for the fuel B (anode chamber) or for the oxidant O by forming the multiple channels
  • a substantially rectangular base area is provided in the separator, which forms the flow field.
  • other basic surface geometries are conceivable.
  • the plurality of channels or channel sections have the same general
  • the plurality of channels or channel sections extend from an inlet region E of the flow field to an outlet region of the flow field.
  • the plurality of channels or channel sections extend from an inlet region E of the flow field to an outlet region of the flow field.
  • Inlet area E arranged on one side of the base and the
  • the at least one channel or at least one channel section can each have a channel inlet E, through which the gas flows into the channel.
  • the channel inlet E with a Vorverteil Quilt V be fluidly connected, which may also be formed in the separator plate.
  • the flow direction S is the already mentioned superordinate flow direction S of the gas in the flow field, that is to say for a rectangular flow field it is preferably from one side to the opposite side.
  • the flow direction S is the longitudinal direction of the at least one channel or channel section.
  • a converging channel section is a
  • a divergent channel section is a channel section whose cross-sectional area increases in the flow direction S.
  • the channel opens in
  • the first channel sections begin at the inlet E. However, this need not be so.
  • the converging channel section is located directly next to the diverging channel section.
  • These two channel sections are thus directly next to each other and are hereinafter also referred to as Kanalabitesspärchen.
  • both channel sections extend substantially parallel.
  • both channel sections have the same general flow direction S, whereby slight deviations from the general flow direction S can occur due to their convergent or diverging channel geometry.
  • At least one barrier is between each converging one
  • the barrier extends away from the separator plate and towards the gas diffusion layer, expediently in such a way that the barrier bears against the GDL layer at least in regions.
  • the gas can also via mixing zones described below from the converging channel section get into the diverging channel section. In other words, a part could also flow around the upstream and downstream ends. If gas flows in the converging channel section, the pressure in the flow direction increases slowly due to the decreasing cross-sectional area. The gas is additionally pressed into the GDL layer by this pressure build-up. It overflows the barrier as the gas squeezes through the GDL layer. Thus, an increased amount of gas passes to the ion-selective separator and reacts there.
  • At least one converging channel section and / or downstream of the at least one diverging channel section is provided at least one additional converging channel section and at least one additional diverging channel section.
  • Downstream in this context means that at least part of the gas that converges through the at least one first converges
  • Downstream means away from the inlet region E in the flow direction S, "upstream”, however, towards the inlet region E towards the flow direction S. "Downstream” and “upstream” therefore do not meaningfully refer to the flow through the GDL layer across the barriers.
  • the additional channel sections that is to say the at least one additional converging channel section and the at least one additional diverging channel section, are preferably arranged and configured in the same way as the first channel sections disclosed here, but only downstream of the first channel sections. Furthermore, the at least one additional converging channel section and the at least one additional diverging section are expedient
  • the additional barrier is preferably designed and arranged in the same way as the first barrier.
  • the additional barrier between the additional converging channel section and the additional divergent channel section is provided such that the gas at least partially flows through the gas diffusion layer to pass directly from the additional converging channel section into the additional divergent channel section.
  • Channel sections may be arranged at least one mixing zone, in which opens at least one of the first channel sections.
  • the additional channel sections may suitably begin.
  • the mixing zone provides an interruption between the first channel sections upstream of the mixing zone and the additional, e.g.
  • an additional converging channel section and an additional diverging channel section originate from a mixing zone.
  • at least one of the first channel sections divides into two additional channel sections, one channel section converging and one channel section being divergent.
  • mixing within the GDL layer is not to be regarded as the mixing zone Mz of the separator plate.
  • Channel sections are expedient in the plan view of the flow field or the separator plate converging or diverging. With others Words run in the plan view, the lateral boundaries of
  • the mixing zones are designed such that turbulence occurs. Any layers adjacent to the ion selective separator then mix with layers of gas flow that are spaced apart, for example, near the channel section bottom.
  • the flow field in the mixing zones is designed such that at least part of the gas flow of the first converging
  • a flow field preferably has at least one, furthermore preferably at least two and particularly preferably at least three mixing zones arranged in series, which are fluid-connected in the flow direction S.
  • one of the three mixing zones is laterally offset in the flow direction S.
  • At least one mixing zone can be fluidly connected upstream with two first mixing zones, wherein the first mixing zones are arranged fluidically parallel to one another.
  • a channel section may have a length in the flow direction S of from about 2 cm to about 15 cm, preferably from about 3 cm to about 10 cm, and more preferably from about 5 cm to about 8 cm.
  • the first convergent or diverging channel sections as well as the additional converging or diverging channel sections may have a length in the
  • the length of the mixing zone Mz is preferably about 0.5 times to about 10 times, and more preferably about 1 times to about 2 times the channel width, in particular at the channel inlet E.
  • the additional converging channel section may be a second
  • diverging channel section may be a second diverging channel section.
  • the additional barrier can be a second barrier. The second
  • Converging channel portion, the second diverging channel portion and the second barrier may be laterally offset in a first direction Y relative to the first converging and diverging channel portions and the first barrier with respect to the flow direction S.
  • first direction Y is perpendicular or in the
  • the additional converging channel portion may be a converging third channel portion, with the additional diverging one
  • Channel section may be a third diverging channel section, and wherein the additional barrier may be a third barrier.
  • Converging channel portion, the third diverging channel portion and the third barrier may be laterally offset from the first direction Y as compared to the second converging and diverging channel portions and the second barrier with respect to the flow direction.
  • the third channel sections are collinear with the first channel sections and the third barrier is collinear with the first barrier.
  • the first converging channel section and / or the first diverging channel section may each also be formed by two first barriers arranged at an angle to each other.
  • Converging channel section and / or the additional diverging channel section can each be formed by two additional barriers arranged at an angle to each other.
  • three first barriers arranged at an angle to each other can form the first converging channel section and the first diverging channel section.
  • three additional spaced apart additional barriers may form the additional converging channel section and the additional diverging channel section.
  • Angular to each other means that the barriers are not parallel or collinear with each other.
  • the first barriers are each arranged at the same height in the channel. Further preferably, the additional barriers in the channel are arranged at the same height.
  • the first and / or the additional diverging channel sections may be open at the upstream end so that the gas can flow into the diverging channel section.
  • Inflow opening provided by the upstream or in the upper part of the diverging channel section fresh gas can flow into the channel.
  • the converging channel section is fluidically parallel to
  • the at least one first barrier may be connected to the at least one
  • the connected barriers may be arranged one behind the other in the direction of the separator plate in a direction Y perpendicular to the flow direction S and offset in the direction of flow S, the adjacent barriers connected in the direction Y being perpendicular to the plane
  • Flow direction S may be partially overlapping.
  • the at least one channel can preferably be delimited by lateral channel walls which run parallel to one another at least in sections, preferably over their entire length.
  • the gas is forced over the webs, i. over the contact surface of the bipolar plate to the GDL layer.
  • the oxygen concentration on the ion-permeable separator or on the catalyst surface of the ion-permeable separator increases.
  • the multiple rejuvenation and widening of the canal increases the concentration
  • the efficiency increases, in particular the current strength of the fuel cell.
  • the required air flow and / or the required delivery pressure may be lower.
  • Compressor can be used with less power. A smaller one
  • Compressor reduces costs, weight and space and increases the overall efficiency.
  • the technology disclosed herein preferably has the following advantages:
  • FIG. 1 is a schematic drawing of a fuel cell stack with a plurality of fuel cells 100;
  • Fig. 2 is a schematic plan view of a separator 119 along the
  • FIG. 1 Line AA of Fig. 1; Fig. 3 is a schematic plan view of a part of a separator 119; FIGS. 4 and 5 are schematic plan views of the detail B of FIG. 2; and
  • 6 and 7 are schematic plan views of the detail C of FIG .. 2
  • FIG. 1 shows an enlarged view of a fuel cell stack with a plurality of adjacent fuel cells 100. Two adjacent ones
  • Separator plates 1 19, 1 19 ', 1 19 each bound a fuel cell 100.
  • separator plates 1 19, 1 19', 1 19" are respectively
  • Coolant flow paths 144 are arranged through which coolant K flows. Likewise, it is conceivable that notdeffenbach mitströmte separator plates are provided.
  • Polymer electrolyte membrane 1 5 is limited.
  • the fuel cell 100 or the fuel cell stack leads fuel gas B, for example hydrogen.
  • the gas-carrying channel 1 18 forms, together with the gas diffusion layer 1 17, the cathode space 1 16, through which the fuel gas B, for example hydrogen.
  • Fig. 2 shows a schematic plan view along the line AA of Fig.
  • the three media channels for oxidant O, fuel B and coolant K ue are each arranged on two opposite sides.
  • the gas may for example be air, which acts as an oxidant O.
  • the gas is fuel gas B.
  • the following is generally about gas.
  • a distribution structure V Arranged on the right side with arrows is a distribution structure V (see Fig. 3) which distributes the gas to the flow field SF.
  • Arrows in turn indicate the structure that collects the gas before the gas leaves the fuel cell through the media outlet 13a on the left.
  • a separator plate 1 19 is shown, which has both anode channels 1 13 and cathode channels 1 18.
  • Fig. 3 shows a simplified part of an embodiment of the
  • Separator plate 1 19 Shown is a distribution structure V, which distributes the gas to several channel inlets Ei, Eii of the multiple channels i, ii. To the
  • Distribution structure V is followed by the flow field SF.
  • the flow field SF takes place the electrochemical reaction of the fuel cell, which is the cause of the electric current that provides the fuel cell.
  • the flow field SF and the channels i, ii are only partial here
  • the further channels ii, etc. of the separator plate 1 19 shown here are preferably constructed in the same way as the channel i.
  • the channel i extends from the manifold structure V at the inlet 13e to the collector structure at the outlet 13a of the separator plate 19.
  • the first converging channel portion Ki is formed parallel to the first diverging channel portion Di.
  • the diverging channel section Di and the additional diverging channel D2 disclosed herein are indicated at
  • the opening has, for example, a cross-sectional area A3, di or A3, d2, which is preferably smaller than the upstream opening of the first converging channel K1, or of the additional divergent channel D2.
  • additional converging channel section K2 at least approx. 10%, furthermore Preferably at least about 50%, and more preferably at least about 100% larger than the cross-sectional area A3, di or A3, d2 of the upstream opening of the first diverging channel section Di or the additional
  • the converging channel sections ⁇ , K2 are separated by barriers BA, I, BA, 2 from the diverging channel sections Di, D2.
  • the barriers BA, I, BA, 2 are formed here as elongated webs.
  • both the barriers BA, I, BA, 2 and the channel walls are located on the GDL layer 14, 17 (not shown) (see FIG.
  • Channel cross section increases, an overflow of the barriers BA, I, BA, 2 is effected, which is represented by the arrow F c .
  • the divergent channels Di, D2 there is preferably a suction effect, which favors the transverse flow over the webs.
  • the cross sectional ratio of the channel section outlet cross sections A 4 , di, A 4 , d 2, the diverging channel sections Di, D 2 to the channel section outlet sections A _>, ki, ⁇ 2 2 is preferably exactly the reverse of the corresponding inlets of the channels. Both first channel sections are flowed through by "fresh gas.” Furthermore, a mixing-through flow sets in in both channels.
  • the mixing zone M z separates the first channel sections Ki, Di from the additional channel sections K2, D2, which are here also second
  • Channel sections could be called.
  • the additional channel sections K2, D2 are offset relative to the flow direction S in comparison to the first channel sections Ki, Di.
  • Additional channel sections eg K3, D3, not shown
  • Additional channel sections which are arranged further downstream are in turn arranged offset relative to the additional channel sections K2, D2 shown here.
  • Fig. 4 shows an enlarged view of the detail C of Fig. 2 a
  • the construction of the channel essentially corresponds to that of channel i of FIG. 3. Therefore, only the differences will be discussed below.
  • the channel walls Wi, WN are formed parallel to each other in FIG. You're just lost.
  • the additional channel sections D2, K2 are not arranged with respect to the flow direction S laterally in the Y direction offset from the first channel sections Di, K1. Rather, the first converging channel section K1 is substantially collinear with the additional converging channel section K2.
  • the first divergent channel portion Di is substantially collinear with the additional divergent channel portion D2. Not shown in detail are each adjacent to the channel i arranged channels (indicated by dashed lines).
  • the shown channel walls Wi, Wn simultaneously
  • Fig. 5 is a further enlarged view of the detail C of Fig. 2 of an embodiment.
  • Three first barriers BA, H, BA, I2, BA.13 are arranged at the same height with respect to the flow direction S. Two adjacent barriers of the three first barriers each form a channel section.
  • the barriers arranged adjacent to one another run at an angle to one another and likewise extend at an angle with respect to the flow direction S, in particular at an angle of +/- ⁇ to the flow direction S.
  • the first barriers BA, H, BA, I2 form the first convergent one
  • the first barriers BA, I2 and BA, I3 form the first divergent channel section Di.
  • the barriers BA, I3 and BA, H may expediently be formed parallel to each other. It behaves the same way With the additional barriers, ie the additional barriers BA, 22, BA, 23 form the additional converging channel section K2 and the additional barriers BA, 2I, BA, 22 form the additional diverging channel section D2.
  • a mixing zone Mz is arranged between the first channel sections and the additional channel sections.
  • no channel walls can be provided.
  • no continuous channel walls are preferably provided.
  • the channel sections and / or the mixing zone are of the same length as in the previously mentioned examples of FIGS. 2 and 3. Also in this embodiment, it is advantageous
  • Fig. 6 shows an enlarged detail view C of Figure 2 of an embodiment.
  • the barrier BA, I2 which separates the first converging channel section K1 i from the first divergent channel section D1 i, is connected via a connecting piece VBS.
  • the two barriers BA, I2; BA, 22 have the same height as the one
  • the first barrier BA, H is laterally offset in the Y-direction to the additional second barrier BA, 22nd
  • Distribution terminal v and the inlet connected egg there is a transverse flow Fe through the GDL layer.
  • the inflowing gas divides into the first
  • Diverging channel section Du is the first mixing zone Mz-n, in which the gas from the inlet egg mixed with gas from the neighboring branch shown in dashed lines. The gas then partly passes through the opening at the end KE of the second divergent channel cut D21 into the second one diverging channel section D21. The other part flows from the first mixing zone ⁇ into the second converging passage section K21.
  • the gas from the first inlet Ei flows into a further first mixing zone Mz1 ii, in which gas from the first inlet Ei mixes with gas from a further adjacent branch, which is connected to the inlet En. From the further first mixing zone M Z I Ü then flows in part of the gas mixture of the inlets Ei, En in the second convergent channel K2Ü.
  • the second mixing zone M Z 2i At the downstream end of the second diverging channel section D2 1 , there is the second mixing zone M Z 2i.
  • the second converging channel K2 U also opens in this second mixing zone M Z 2i.
  • This second mixing zone Mz2i is thus fed by the first gas inlet Ei as well as the further gas inlet EN. ES thus results in thorough mixing of the gas in the Y direction perpendicular to the general flow direction S.
  • the second mixing zone M Z 2 is upstream with two first mixing zones
  • first mixing zones Mzi i, Mziü are thus arranged fluidly parallel to each other.
  • these first fluid mixing zones ⁇ - ⁇ , Mziü, which are arranged fluidly parallel to one another, are also arranged adjacent to one another without a further mixing zone lying between them.
  • Fig. 7 also shows the detail C of an embodiment of Figure 2, but in a larger section. The embodiment therefore corresponds to the Example of Figure 6. Some terms have therefore been omitted for simplicity.
  • the axis AA is a comparison axis, showing that the first divergent channel is Du and the third divergent one
  • Channel portion D31 downstream of the second diverging Kanaiabiteses D21 are not offset in the Y direction to each other. Meanwhile, the second diverging channel section D21 is offset laterally relative to the general flow direction S. In other words, the third channel sections K31, D31 and the third barrier BA, 3 are laterally offset relative to the first direction Y in comparison to the second converging and diverging channel sections K2, D2 and the second barrier BA, 2 with respect to the flow direction S.
  • the flow field or the channel sections are here by connected barriers or barrier groups BA12-BA22, B 3 23-BA33 and BA21-BA31
  • adjacently arranged connected barriers are arranged intermeshing.
  • Connected barriers are directly connected to each other, for example, via a connector VBS (not shown here).
  • the connector VBS itself can also act as a barrier to the gas.
  • the barriers BA12-BA22, BA23-BA33 and BA21-BA3 are connected barriers.
  • the adjacent connected barriers in the Y direction perpendicular to the flow direction S at least partially partially arranged one behind the other.
  • Flow direction S are two adjacent and connected barriers offset from each other.
  • Connected barriers which are arranged adjacent to one another can be arranged partially overlapping in the Y-direction perpendicular to the flow direction S.
  • Adjacent connected barriers BA12-BA22, BA23-BA33 and BA21-BA31 are two separate barrier groups, each group having two barriers, the are connected via the connecting piece VBS. The two
  • Barrier groups form i.d.R. together a channel section.
  • the gas can branch out of the inlet egg.
  • the inlet Ei it first branches to the first channel sections Du, Ki i. Thereafter, it branches on the second channel sections D21, K21; D2N, K2Ü. In the third stage, it then branches to six channel sections D31, K31; D3n, K3Ü ; D3iü, K3Ni. If blocking occurs in a channel section W, for example a condensate drop W or a piece of ice, this blocking W can be compensated relatively well due to the good branching. In comparison to previously known solutions, even with such a block W, the gas is distributed comparatively well.
  • Thermal damage can preferably be reduced and the
  • the gas present downstream of the blockage can flow off via the channels K31 and D31. It thus forms on the block W from a pressure gradient, which is relatively high. This pressure gradient between the regions upstream and downstream of the interlock W can cause the interlock to dissolve and be removed from the flow field. Thus, a comparatively good cold start or frost start behavior sets in. Also, the individual barriers can be made comparatively wide. The voltage losses between the barriers and the GDL layer are relatively small thanks to the relatively wide barriers.
  • the cross section ratio of the channel section outlet cross sections with one another and the channel section inlet cross sections with one another is preferably the same in FIGS. 4 to 7 as in the previously explained examples of FIGS. 2 and 3. If the explanations given here refer to a channel, its plural (ie several identically constructed channels) should be disclosed simultaneously. For example, the technology disclosed herein preferably includes several pairs of juxtaposed ones
  • converging and diverging channel sections for example, more than 20 pairs.
  • pairs of first, second and third pairs are provided, the first pair upstream of the second
  • Couple, and these second pairs are in turn arranged upstream of the third pair. Overall, more than 30 couples are preferred
  • the couples are preferably each again by
  • Flow direction S is distributed fan-like.

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft eine Brennstoffzelle mit einem ionenselektiven Separator, einer Gasdiffusionsschicht und einer Separatorplatte. Die Separatorplatte bildet zusammen mit der Gasdiffusionsschicht mindestens ein gasführendes Strömungsfeld aus. Im Strömungsfeld sind mindestens ein erster konvergierender Kanalabschnitt und mindestens ein erster divergierender Kanalabschnitt ausgebildet, wobei der konvergierende Kanalabschnitt neben dem divergierenden Kanalabschnitt angeordnet ist. Eine erste Barriere ist zwischen dem konvergierenden Kanalabschnitt und dem divergierenden Kanalabschnitt derart vorgesehen, dass das Gas zumindest teilweise durch die Gasdiffusionsschicht strömt, um direkt vom konvergierenden Kanalabschnitt in den divergierenden Kanalabschnitt zu gelangen. Stromab des mindestens einen konvergierenden Kanalabschnittes und/oder stromab des mindestens einen divergierenden Kanalabschnittes sind mindestens ein zusätzlicher konvergierender Kanalabschnitt, mindestens ein zusätzlicher divergierender Kanalabschnitt und mindestens eine zusätzliche Barriere vorgesehen.

Description

Strömungsfeld einer Brennstoffzelle
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Strömungsfeld einer
Brennstoffzelle.
Das Strömungsfeld bzw. Flussfeld einer Brennstoffzelle wird durch die Separatorplattenkontur geformt. Der Brennstoff, i.d.R. Wasserstoff, und das Oxidationsmittel, i.d.R. Luft, befinden sich seitlich der Separatorplatte. Ferner kann eine Kühlung mit einem Kühlmittel Kue in der Separatorplatte
vorgesehen sein. Ziel ist die Gleichverteilung der Medien (Reaktionsgase, Kühlmittel) über der gesamten aktiven Fläche. Hierbei werden meistens Kanalstrukturen für alle drei Medien geformt. Die Flussfelder sind meist aus geraden, kontinuierlich gleich breiten Kanälen geformt.
Die DE 100 385 89 A1 offenbart eine Brennstoffzelle mit einer
Polymerelektrolytmembran, auf der beidseitig Gasdiffusionselektroden angeordnet sind, die von einer Bipolarplatte überdeckt werden. Die
Bipolarplatte ist mit einem gaszuführenden und einem gasabführenden Kanalnetz versehen, die durch die Gasdiffusionselektrode begrenzt und voneinander getrennt sind. Das zugeführte Gas muss also durch die
Gasdiffusionselektrode wandern, um vom zuführenden in das abführende Kanalsystem zu gelangen.
Die DE 10 2012 221 802 A1 offenbart eine Brennstoffzelle mit einem
Anoden-Kathoden-Stapel, der mindestens eine Gasdiffusionslage und eine Vielzahl daran angrenzender Fluideinlasskanäle umfasst. Mindestens einer der Fluideinlasskanäle ist mit einem in Grundflussrichtung S des darin entlang strömenden Fluids zunehmenden Strömungswiderstand gestaltet, der durch eine sich verkleinernde Strömungsquerschnittsfläche gebildet ist. Auch bei diesen Ausgestaltungen wird das im Kanal strömende Fluid nicht optimal ausgenutzt. Insbesondere kommt es bei größeren Flussfeldern zu einer unregelmäßigeren chemischen Reaktion, da die Gase nicht
gleichmäßig bzw. nicht in einer gleichmäßigen Konzentration über das Strömungsfeld verteilt sind. Bei einer Dead-End-Kanalkonfiguration, wie sie beispielsweise in der Fig. 3 der DE 100 385 89 A1 gezeigt ist, ist zwar sichergestellt, dass das Medium tatsächlich durch die Gasdiffusionsschicht strömt, jedoch kann die Flussrate über die Länge des Strömungsfeldes, d.h. der Kanallängsachse, variieren. Ferner können vergleichsweise hohe Drücke auftreten, die dann größere Kompressoren erfordern könnten. Kommt es bei einer Dead-End-Kanalkonfiguration zu einer Verblockung stromauf vom Dead-End, so kann aus dem Bereich zwischen Dead-End und Verblockung vergleichsweise wenig Gas über die Gasdiffusionsschicht abströmen. Ferner entsteht ein vergleichsweise geringer Druckgradient zwischen dem
Kanalbereich unmittelbar vor der Verblockung und dem Kanalbereich unmittelbar dahinter. Somit wird die Verblockung nur im geringen Maße aus dem Kanal gesaugt. Ferner kann die Verblockung nicht oder nur schlecht die Gasdiffusionsschicht überqueren. Somit könnten Eiseinlagerungen nicht effizient aus dem Strömungsfeld entfernt werden, was sich negativ auf das Kaltstartverhalten auswirken kann. Um der Verblockungsgefahr zu
begegnen, können die Kanäle selbst breiter ausgebildet werden. Dies wirkt sich jedoch negativ auf das Bauvolumen aus. Soll das Bauvolumen gleich bleiben, so müssten die kanalbildenden Stege schmaler ausgeführt werden. Das wiederum würde mit einer kleineren Kontaktfläche zur
Gasdiffusionsschicht einhergehen, was sich dann wiederum auf die
Spannungsverluste zwischen Gasdiffusionsschicht und Separatorplatte auswirken würde.
Das von einem Einlasskanal in einen Auslasskanal übertretende Gas reagiert bereits beim Durchqueren der Gasdiffusionsschicht. Folglich sammelt sich im Auslasskanal Gas mit einer geringeren Konzentration an Oxidationsmittel O bzw. an Brennstoff B an. Im Auslasskanal ist die Konzentration an
Oxidationsmittel O bzw. an Brennstoff B daher niedriger als im Einlasskanal. Mithin ist daher auch das Ausmaß der chemischen Reaktion der Gase im Auslasskanal mit dem angrenzenden ionenpermeablen Separator geringer als das Ausmaß der chemischen Reaktion der Gase im Einlasskanal. Das die Gasdiffusionsschicht durchquerende Medium sammelt sich im
Auslasskanal in Schichten, die benachbart zur Separatorplatte ausgebildet sind. Gerade diese Schichten weisen daher eine geringe Konzentration an Oxidationsmittel O bzw. an Brennstoff B auf. Die von der Separatorplatte beabstandeten Schichten, beispielsweise die Schicht in der Nähe des Kanalbodens, gelangen nicht oder nur im verringerten Ausmaß an die Separatorplatte. Diese beabstandeten Schichten können unter Umständen jedoch eine höhere Konzentration an Oxidationsmittel O bzw. an Brennstoff B aufweisen als die benachbarten Schichten.
Die vorbekannten Lösungen eignen sich zudem schlecht für große
Brennstoffzellen. Hier würde aufgrund der Kanalgeometrie vergleichsweise viel Platz benötigt. Es müssten vergleichsweise große Querschnittflächen vorgesehen werden. Dann wäre aber aufgrund von elastischen
Verformungen ein Kontakt zur Gasdiffusionsschicht nicht immer
gewährleistet.
Die DE 10 2008 013 439 A1 offenbart ein Strömungsfeld, in dem die
Strömungskanäle jeweils an Gabelungen in Unterkanäle unterteilt werden und anschließend wieder zusammenlaufen. Eine Durchmischung der Gasströmung findet nur über Stege statt. Auch hier stellt sich eine
vergleichsweise geringe Verteilung des Gases eines Kanals auf die anderen Kanäle ein. Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Insbesondere ist es eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die das Strömungsfeld durchquerenden Gase so an den ionenpermeablen Separator zu führen, dass das Oxidationsmittel O oder der Brennstoff B besser für die chemische Reaktion genutzt werden kann. Ferner ist es eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Auswirkungen von Verblockungen zu verringern bzw. Verblockungen zu vermeiden. Weitere Aufgaben ergeben sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 . Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist
beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer
Energiewandler, der Brennstoff B und Oxidationsmittel O in
Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. In Bezug auf die hier offenbarte Technologie bezeichnet der Begriff„Gas" allgemein das Oxidationsmittel O und den Brennstoff B der Brennstoffzelle. Die hier offenbarte Brennstoffzelle umfasst eine Anode mit einem
Anodenraum und eine Kathode mit einem Kathodenraum, die durch einen ionenselektiven Separator getrennt sind. Die Anode weist eine Zufuhr für einen Brennstoff zur Anode auf. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode weist beispielsweise eine Zufuhr für Oxidationsmittel auf.
Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Ein Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle sowie periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.
Die hier offenbarte Brennstoffzelle umfasst einen ionenselektiven Separator. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®. Ferner können an der Protonenaustauschmembran weitere Schichten vorgesehen sein, wie beispielsweise eine Katalysatorschicht. Die
Brennstoffzelle umfasst eine Gasdiffusionsschicht (nachstehend auch GDL- Schicht genannt), die benachbart zum Separator angeordnet ist. Es kann sich dabei beispielsweise um eine Schicht aus dünnem, porösen
Kohlenstoffpapier oder -fasergewebe handeln. Der ionenselektiven
Separator und die GDL-Schicht sind dem Fachmann geläufig.
Die Brennstoffzelle umfasst ferner mindestens eine Separatorplatte, die zusammen mit der Gasdiffusionsschicht mindestens ein gasführendes Strömungsfeld ausbildet. Bevorzugt kann es sich bei der Separatorplatte um eine Bipolarplatte handeln. Bevorzugt bilden zwei Separatorplatten, eine auf jeder Seite des ionenpermeablen Separators, zusammen mit dem
ionenpermeablen Separator eine Brennstoffzelle aus. Die Bipolarplatte kann flüssigkeitsgekühlt ausgebildet sein. Andere Kühltechniken sind aber auch vorstellbar.
Das Strömungsfeld, insbesondere die hier offenbarten Kanalabschnitte und Mischzonen, wird/werden von den Bereichen der Separatorplatte
ausgebildet, die durch die GDL-Schicht beabstandet an denjenigen Flächen des ionenpermeablen Separators anliegen, an denen beidseitig des
Separators die elektrochemische Reaktion stattfindet. Das Strömungsfeld ist zweckmäßig derart angeordnet, dass das im Strömungsfeld transportierte Gas vom Strömungsfeld direkt in die Gasdiffusionsschicht übergehen kann. Die Gasdiffusionsschicht trennt also das Strömungsfeld von dem
ionenselektiven Separator. Nicht als Strömungsfeld anzusehen ist in diesem Zusammenhang eine Vorverteilerkanalstruktur, die nicht an den aktiven Flächen des ionenpermeablen Separators angeordnet ist, an denen die elektrochemischen Reaktionen stattfinden. Insbesondere bildet das
Strömungsfeld zusammen mit dem ionenselektiven Separator bzw. mit der GDL-Schicht den Kathoden- bzw. Anodenraum aus. Bevorzugt weist das Strömungsfeld mehrere Kanäle und/oder mehrere Kanalabschnitte auf, wobei die Separatorplatte, die GDL-Schicht und der ionenselektive Separator durch die Formung der mehreren Kanäle zusammen ein Strömungsfeld für den Brennstoff B (Anodenraum) oder für das Oxidationsmittel O
(Kathodenraum) ausbilden. Bevorzugt ist im Separator eine im Wesentlichen rechteckige Grundfläche vorgesehen, die das Strömungsfeld ausbildet. Es sind aber auch andere Grundflächengeometrien vorstellbar. Bevorzugt weisen die mehreren Kanäle bzw. Kanalabschnitte dieselbe generelle
Strömungsrichtung S auf. Bevorzugt erstrecken sich die mehreren Kanäle bzw. Kanalabschnitte von einem Einlassbereich E des Strömungsfeldes zu einem Auslassbereich des Strömungsfeldes. Bevorzugt ist der
Einlassbereich E an einer Seite der Grundfläche angeordnet und der
Auslassbereich an einer gegenüberliegenden Seite der Grundfläche.
Bevorzugt ist also kein mäanderförmiger Verlauf der Kanäle im
Strömungsfeld vorgesehen.
Der mindestens eine Kanal bzw. mindestens eine Kanalabschnitt kann jeweils einen Kanaleinlass E aufweisen, durch den das Gas in den Kanal strömt. Hierzu kann der Kanaleinlass E mit einer Vorverteilstruktur V fluidverbunden sein, die ebenfalls in der Separatorplatte ausgebildet sein kann.
Im Strömungsfeld, bevorzugt im mindestens einen Kanal, ist jeweils mindestens ein erster in Strömungsrichtung S konvergierender Kanalabschnitt und jeweils mindestens ein erster in Strömungsrichtung S divergierender Kanalabschnitt ausgebildet. Die Strömungsrichtung S ist dabei die bereits erwähnte übergeordnete Strömungsrichtung S des Gases im Strömungsfeld, für ein rechteckförmiges Strömungsfeld bevorzugt also von einer Seite zur gegenüberliegenden Seite. Anders ausgedrückt ist die Strömungsrichtung S die Längsrichtung des mindestens einen Kanals bzw. Kanalabschnittes. Ein konvergierender Kanalabschnitt ist dabei ein
Kanalabschnitt, der sich in Strömungsrichtung S verjüngt. Die
Kanalquerschnittsfläche nimmt also stromabwärts ab. Ein divergierender Kanalabschnitt ist indes ein Kanalabschnitt, dessen Querschnittsfläche in Strömungsrichtung S zunimmt. Der Kanal öffnet sich also in
Strömungsrichtung S. Bevorzugt beginnen die ersten Kanalabschnitte am Einlass E. Dies muss aber nicht so sein.
Der konvergierende Kanalabschnitt ist direkt neben dem divergierenden Kanalabschnitt angeordnet. Diese beiden Kanalabschnitte liegen also direkt nebeneinander und werden nachstehend auch als Kanalabschnittspärchen bezeichnet. Zweckmäßig verlaufen beide Kanalabschnitte im Wesentlichen parallel. Mit anderen Worten weisen beide Kanalabschnitte dieselbe generelle Strömungsrichtung S auf, wobei es aufgrund ihrer konvergierenden bzw. divergierenden Kanalgeometrie zu leichten Abweichungen gegenüber der generellen Strömungsrichtung S kommen kann.
Mindestens eine Barriere ist jeweils zwischen dem konvergierenden
Kanalabschnitt und dem divergierenden Kanalabschnitt derart vorgesehen, dass das Gas zumindest teilweise durch die Gasdiffusionsschicht strömen muss, um direkt vom konvergierenden Kanalabschnitt in den divergierenden Kanalabschnitt zu gelangen. Insbesondere erstreckt sich die Barriere von der Separatorplatte weg und zur Gasdiffusionsschicht hin, zweckmäßig dergestalt, dass die Barriere zumindest bereichsweise an der GDL-Schicht anliegt. Neben dieser transversalen Strömung kann das Gas ebenfalls über weiter unten beschriebene Mischzonen vom konvergierenden Kanalabschnitt in den divergierenden Kanalabschnitt gelangen. Mit anderen Worten könnte ein Teil auch um die stromauf und stromab angeordneten Enden strömen. Strömt Gas im konvergierenden Kanalabschnitt, so erhöht sich der Druck in Strömungsrichtung langsam aufgrund der abnehmenden Querschnittsfläche. Das Gas wird durch diesen Druckaufbau zusätzlich in die GDL-Schicht gepresst. Es überströmt die Barriere, indem sich das Gas durch die GDL- Schicht zwängt. Somit gelangt eine erhöhte Menge an Gas an den ionenselektiven Separator und reagiert dort.
Stromab des mindestens einen konvergierenden Kanalabschnittes und/oder stromab des mindestens einen divergierenden Kanalabschnittes ist mindestens ein zusätzlicher konvergierender Kanalabschnitt und mindestens ein zusätzlicher divergierender Kanalabschnitt vorgesehen.
Stromab bedeutet in diesem Zusammenhang, dass zumindest ein Teil des Gases, das durch den mindestens einen ersten konvergierenden
Kanalabschnitt und/oder den mindestens einen zweiten divergierenden Kanalabschnitt geflossen ist, danach durch den mindestens einen
zusätzlichen konvergierenden Kanalabschnitt und/oder den mindestens einen zusätzlichen divergierenden Kanalabschnitt fließt. Stromab bedeutet vom Einlassbereich E in Strömungsrichtung S weg,„stromauf" indes zum Einlassbereich E hin entgegen der Strömungsrichtung S.„Stromab" und „stromauf" bezieht sich zweckmäßig also nicht auf die Strömung durch die GDL-Schicht über die Barrieren hinweg.
Die zusätzlichen Kanalabschnitte, also der mindestens eine zusätzliche konvergierende Kanalabschnitt und der mindestens eine zusätzliche divergierende Kanalabschnitt, sind bevorzugt genauso angeordnet und ausgebildet wie die hier offenbarten ersten Kanalabschnitte, nur jedoch stromabwärts der ersten Kanalabschnitte. Zweckmäßig sind ferner der mindestens eine zusätzliche konvergierende Kanalabschnitt und der mindestens eine zusätzliche divergierende
Kanalabschnitt durch eine zusätzliche Barriere voneinander getrennt.
Bevorzugt ist die zusätzliche Barriere genauso ausgebildet und angeordnet wie die erste Barriere. Mit anderen Worten ist die zusätzliche Barriere zwischen dem zusätzlichen konvergierenden Kanalabschnitt und dem zusätzlichen divergierenden Kanalabschnitt derart vorgesehen, dass das Gas zumindest teilweise durch die Gasdiffusionsschicht strömt, um direkt vom zusätzlichen konvergierenden Kanalabschnitt in den zusätzlichen divergierenden Kanalabschnitt zu gelangen.
Zwischen den ersten Kanalabschnitten und den zusätzlichen
Kanalabschnitten kann mindestens eine Mischzone angeordnet sein, in die zumindest einer der ersten Kanalabschnitte mündet. In der Mischzone können zweckmäßig die zusätzlichen Kanalabschnitte beginnen. Mit anderen Worten stellt die Mischzone eine Unterbrechung zwischen den ersten Kanalabschnitten stromauf der Mischzone und den zusätzlichen, z.B.
zweiten, Kanalabschnitten stromab der Mischzone dar. Bevorzugt gehen von einer Mischzone jeweils ein zusätzlicher konvergierender Kanalabschnitt und ein zusätzlicher divergierender Kanalabschnitt ab. Noch einmal anders ausgedrückt teilt sich zumindest einer der ersten Kanalabschnitte in zwei zusätzliche Kanalabschnitte auf, wobei ein Kanalabschnitt konvergierend und ein Kanalabschnitt divergierend ausgebildet ist. Insbesondere nicht als Mischzone anzusehen ist dabei die Verteilerstruktur stromauf bzw. stromab vom Strömungsfeld. Insbesondere ist auch ein Mischen innerhalb der GDL- Schicht nicht als Mischzone Mz der Separatorplatte anzusehen.
Die hier offenbarten ersten Kanalabschnitte sowie die zusätzlichen
Kanalabschnitte sind zweckmäßig in der Draufsicht auf das Strömungsfeld bzw. der Separatorplatte konvergierend bzw. divergierend. Mit anderen Worten verlaufen in der Draufsicht die seitlichen Begrenzungen der
Kanalabschnitte in Strömungsrichtung S aufeinander zu oder voneinander weg.
Bevorzugt sind die Mischzonen derart gestaltet, dass es zu Turbulenzen kommt. Etwaige Schichten benachbart zum inonenselektiven Separator durchmischen sich dann mit Schichten der Gasströmung, die beabstandet angeordnet sind, beispielsweise nahe am Kanalabschnittsboden. Bevorzugt ist das Strömungsfeld in den Mischzonen derart ausgebildet, dass sich zumindest ein Teil des Gasstromes des ersten konvergierenden
Kanalabschnittes mit zumindest einem Teil des Gasstromes des ersten divergierenden Kanalabschnittes durchmischt. Somit wird durch die
Mischzone eine gleichmäßigere Konzentration an Oxidationsmitte! O bzw. Brennstoff B erreicht. Etwaige Konzentrationsgradienten in nebeneinander angeordneten Kanalabschnitten (Kanalabschnittspärchen) können somit verringert bzw. vermieden werden.
Bevorzugt weist ein Strömungsfeld mindestens eine, ferner bevorzugt mindestens zwei und besonders bevorzugt mindestens drei in Reihe angeordnete Mischzonen auf, die in Strömungsrichtung S fluidverbunden sind. Bevorzugt ist eine der drei Mischzonen in Strömungsrichtung S lateral versetzt angeordnet.
Zweckmäßig kann mindestens eine Mischzone stromauf mit zwei erste Mischzonen fluidverbunden sein, wobei die ersten Mischzonen fluidisch parallel zueinander angeordnet sind.
Ein Kanalabschnitt kann eine Länge in Strömungsrichtung S aufweisen von ca. 2 cm bis ca. 15 cm, bevorzugt von ca. 3 cm bis ca. 10 cm, und besonders bevorzugt von ca. 5 cm bis ca. 8 cm. Die ersten konvergierenden bzw. divergierenden Kanalabschnitte sowie die zusätzlichen konvergierenden bzw. divergierenden Kanalabschnitte können eine Länge in der
Strömungsrichtung S aufweisen, die mindestens um den Faktor 3, bevorzugt mindestens um den Faktor 5 oder mindestens um den Faktor l Olänger ist als die Länge in der Strömungsrichtung S der mindestens einen Mischzone.
Die Länge der Mischzone Mz beträgt bevorzugt ca. das 0,5-fache bis ca. das 10-fache und besonders bevorzugt ca. das 1 -fache bis ca. das 2-fache der Kanalbreite, insbesondere beim Kanaleinlass E.
Der zusätzliche konvergierende Kanalabschnitt kann ein zweiter
konvergierender Kanalabschnitt sein. Ferner kann der zusätzliche
divergierende Kanalabschnitt ein zweiter divergierender Kanalabschnitt sein. Die zusätzliche Barriere kann eine zweite Barriere sein. Der zweite
konvergierende Kanalabschnitt, der zweite divergierende Kanalabschnitt und die zweite Barriere können im Vergleich zu den ersten konvergierenden und divergierenden Kanalabschnitten und der ersten Barriere bezogen auf die Strömungsrichtung S in eine erste Richtung Y seitlich versetzt angeordnet sein. Bevorzugt verläuft die erste Richtung Y senkrecht bzw. im
Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung S.
Der zusätzliche konvergierende Kanalabschnitt kann ein konvergierender dritter Kanalabschnitt sein, wobei der zusätzliche divergierende
Kanalabschnitt ein dritter divergierender Kanalabschnitt sein kann, und wobei die zusätzliche Barriere eine dritte Barriere sein kann. Der dritte
konvergierende Kanalabschnitt, der dritte divergierende Kanalabschnitt und die dritte Barriere können im Vergleich zu den zweiten konvergierenden und divergierenden Kanalabschnitten und der zweiten Barriere bezogen auf die Strömungsrichtung entgegen der ersten Richtung Y seitlich versetzt angeordnet sein. Bevorzugt verlaufen die dritten Kanalabschnitte kollinear zu den ersten Kanalabschnitten und die dritte Barriere kollinear zu der ersten Barriere. Der erste konvergierende Kanalabschnitt und/oder der erste divergierende Kanalabschnitt können jeweils auch durch zwei winkelig zueinander angeordnete erste Barrieren ausgebildet sein. Der zusätzliche
konvergierende Kanalabschnitt und/oder der zusätzliche divergierende Kanalabschnitt können jeweils durch zwei winkelig zueinander angeordnete zusätzliche Barrieren ausgebildet ist. Bevorzugt können drei winkelig zueinander angeordnete erste Barrieren den ersten konvergierenden Kanalabschnitt und den ersten divergierenden Kanalabschnitt ausbilden. Ferner bevorzugt können drei winkelig zueinander angeordnete zusätzliche Barrieren den zusätzlichen konvergierenden Kanalabschnitt und den zusätzlichen divergierenden Kanalabschnitt ausbilden. Winkelig zueinander bedeutet, dass die Barrieren nicht parallel bzw. kollinear zueinander verlaufen. Bevorzugt sind die ersten Barrieren jeweils auf gleicher Höhe im Kanal angeordnet. Ferner bevorzugt sind auch die zusätzlichen Barrieren im Kanal auf gleicher Höhe angeordnet.
Der erste und/oder der zusätzliche divergierende Kanalabschnitt können am stromaufwärtigen Ende offen sein, so dass das Gas in den divergierenden Kanalabschnitt einströmen kann. Mit anderen Worten ist eine
Zuströmöffnung vorgesehen, durch die stromaufwärts bzw. im oberen Teil des divergierenden Kanalabschnittes frisches Gas in den Kanal strömen kann. Der konvergierende Kanalabschnitt ist fluidisch parallel zum
divergierenden Kanalabschnitt angeordnet. Anders als in vorbekannten Lösungen sammelt sich im parallelen Kanal nicht ausschließlich bereits „verbrauchtes Gas" an, das bereits bei der Überquerung der GDL-Schicht am Katalysator reagiert hat. Dadurch kann ferner der Sauerstoff aus dem Kanalboden vermehrt Richtung Katalysator geführt werden, was eine verlustfreiere Reaktion bewirken kann. Die mindestens eine erste Barriere kann mit der mindestens einen
zusätzlichen Barriere über ein Verbindungsstück verbunden sein.
Die verbundenen Barrieren können in der Draufsicht auf die Separatorplatte in einer Richtung Y senkrecht zur Strömungsrichtung S hintereinander und in Strömungsrichtung S versetzt zueinander angeordnet sein, wobei die benachbarten verbundene Barrieren in der Richtung Y senkrecht zur
Strömungsrichtung S teilweise überlappend angeordnet sein können.
Der mindestens eine Kanal kann bevorzugt von seitlichen Kanalwänden begrenzt werden, die zumindest abschnittsweise, bevorzugt über ihre komplette Länge, parallel zueinander verlaufen.
Die Gestaltung der Kanalgeometrie durch konische Kanäle mit gleichzeitiger mehrfacher Unterbrechung der Struktur bewirkt vorteilhaft eine bessere Vermischung der Strömungen. Durch die konischen Kanäle
(Verengung/Aufweitung der Kanäle) wird das Gas über die Stege gedrückt, d.h. über die Kontaktfläche der Bipolarplatte zur GDL-Schicht. Dadurch erhöht sich die Sauerstoffkonzentration am ionenpermeablen Separator bzw. an der Katalysatorfläche des ionenpermeablen Separators. Die mehrfache Verjüngung und Aufweitung des Kanals erhöht die Konzentration an
Oxidationsmittel O bzw. Brennstoff B weiter.
Insgesamt steigert sich die Effizienz, insbesondere die Stromstärke der Brennstoffzelle. Vorteilhaft können der benötigte Luftstrom und/oder der benötigte Förderdruck geringer sein. Somit kann gegebenenfalls ein
Kompressor mit geringerer Leistung eingesetzt werden. Ein kleinerer
Kompressor verringert Kosten, Gewicht und Bauraum und steigert den Gesamtwirkungsgrad. Die hier offenbarte Technologie geht bevorzugt mit folgenden Vorteilen einher:
- verbesserte chemische Reaktion in der Brennstoffzelle aufgrund einer besseren Durchmischung des Gases sowie gleichmäßigeren
Verteilung der Gase im Strömungsfeld mit geringeren
Konzentrationsgradienten und einer erhöhten Oxidationsmittel- Konzentration in der Katalysatorschicht;
- die thermischen und elektrochemischen Auswirkungen von
verblockten Kanalabschnitte lassen sich reduzieren;
- Verblockungen werden besser abgesaugt und/oder herausgedrückt;
- besseres Kaltstartverhalten, da vergleichsweise weniger
Verblockungen im Strömungsfeld vorliegen;
- geringerer Platzbedarf und verringertes Gesamtgewicht;
- vergleichsweise breite Barrieren ermöglichen vergleichsweise geringe Spannungsverluste am Übergang auf die GDL-Schicht;
- verbesserte Steifigkeit der Separatorplatte;
- geringerer Luft- und Druckbedarf ermöglicht den Einsatz eines
kleineren und somit günstigeren Kompressors;
- leichte bzw. leichtere Verteilung des Gases eines gasführenden
Kanalabschnittes des Strömungsfeldes auf benachbarte
Kanalabschnitte; und/oder
- höherer Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Zeichnung eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Brennstoffzellen 100;
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf einen Separator 119 entlang der
Linie A-A der Fig. 1 ; Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf einen Teil eines Separators 119; Fig. 4 und 5 schematische Draufsichten auf das Detail B der Fig. 2; und
Fig. 6 und 7 schematische Draufsichten auf das Detail C der Fig. 2.
Fig. 1 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren benachbarten Brennstoffzellen 100. Zwei benachbarte
Separatorplatten 1 19, 1 19', 1 19" begrenzen jeweils eine Brennstoffzelle 100. In den Separatorplatten 1 19, 1 19', 1 19" sind jeweils
Kühlmittelströmungspfade 144 angeordnet, durch die Kühlmittel K fließt. Ebenso ist es vorstellbar, dass nicht kühlmitteldurchströmte Separatorplatten vorgesehen sind. Der gasführende Kanal 1 13 der Separatorplatte 1 19' sowie der benachbarte Raum u.a. mit der Gasdiffusionsschicht 1 14 bilden hier den Anodenraum 1 12 aus, der durch die Separatorplatte 1 19' und der
Polymerelektrolytmembran 1 5 begrenzt wird. In diesem Anodenraum 112 führt die Brennstoffzelle 100 bzw. der Brennstoffzellenstapel Brenngas B, bspw. Wasserstoff. Der gasführende Kanal 1 18 bildet zusammen mit der Gasdiffusionsschicht 1 17 den Kathodenraum 1 16 aus, durch den der
Oxidationsmittelstrom O fließt. Seitlich begrenzt wird der hier gezeigte
Brennstoffzellenstapel durch Endplatten, die hier nicht weiter erörtert werden.
Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht gemäß der Linie A-A der Fig. . Hier sind die drei Medienkanäle für Oxidationsmittel O, Brennstoff B und Kühlmittel Kue jeweils auf zwei gegenüberliegenden Seiten angeordnet. Es sind aber auch andere Konfigurationen denkbar. Durch den Medienport 13e wird das Strömungsfeld mit Gas versorgt. Das Gas kann beispielsweise Luft sein, welche als Oxidationsmittel O fungiert. Ferner ist auch denkbar, dass das Gas Brenngas B ist. Nachstehend ist allgemein von Gas die Rede. Auf der rechten Seite ist mit Pfeilen eine Verteilstruktur V (vgl. Fig. 3) angedeutet, die das Gas auf das Strömungsfeld SF verteilt. Auf der linken Seite ist mit Pfeilen wiederum die Struktur angedeutet, die das Gas einsammelt, bevor das Gas die Brennstoffzelle durch den Medienauslass 13a auf der linken Seite verlässt. Nicht näher dargestellt in Fig. 2 ist der genaue Verlauf der Kanäle 1 13, 1 18. Hier ist eine Separatorplatte 1 19 gezeigt, die sowohl Anodenkanäle 1 13 als auch Kathodenkanäle 1 18 aufweist.
Selbstverständlich könnte auch nur einer dieser Kanäle vorgesehen sein.
Fig. 3 zeigt stark vereinfacht einen Teil einer Ausgestaltung der
Separatorplatte 1 19. Gezeigt ist eine Verteilstruktur V, die das Gas auf mehrere Kanaleinlässe Ei, Eii der mehreren Kanäle i, ii verteilt. An die
Verteilstruktur V schließt sich das Strömungsfeld SF an. Im Strömungsfeld SF findet die elektrochemische Reaktion der Brennstoffzelle statt, die ursächlich ist für den elektrischen Strom, den die Brennstoffzelle bereitstellt. Das Strömungsfeld SF sowie die Kanäle i, ii sind hier nur teilweise
dargestellt. Ihr linker Rand ist abgeschnitten. Nachstehend wird lediglich der unterste Kanal i näher beschrieben. Bevorzugt sind die weiteren Kanäle ii, etc. der hier gezeigten Separatorplatte 1 19 genauso aufgebaut wie der Kanal i. Bevorzugt erstreckt sich der Kanal i von Verteilerstruktur V am Einlass 13e bis zur Kollektorstruktur am Auslass 13a der Separatorplatte 1 19. Der erste konvergierende Kanalabschnitt Ki ist parallel zum ersten divergierenden Kanalabschnitt Di ausgebildet. Der divergierende Kanalabschnitt Di und der hier offenbarte zusätzliche divergierende Kanal D2 weisen am
stromaufwärtigen Ende KE oder unmittelbar benachbart hierzu eine Öffnung auf, durch die das Gas in den divergierenden Kanal Di bzw. D2 fließen kann. Die Öffnung weist beispielsweise eine Querschnittsfläche A3,di bzw. A3,d2 auf, die bevorzugt kleiner ist als die stromaufwärtige Öffnung des ersten konvergierenden Kanals K1 , bzw. des zusätzlichen divergierenden Kanals D2. Bevorzugt ist die Querschnittsfläche A i bzw. Ai,k2 der stromaufwärtigen Öffnung des ersten konvergierenden Kanalabschnittes K1 bzw. des
zusätzlichen konvergierenden Kanalabschnittes K2 mind. ca. 10%, ferner bevorzugt mind. ca. 50% und besonders bevorzugt mind. ca. 100% größer als die Querschnittsfläche A3,di bzw. A3,d2 der stromaufwärtigen Öffnung des ersten divergierenden Kanalabschnittes Di bzw. des zusätzlichen
divergierenden Kanalabschnittes D2.
Die konvergierenden Kanalabschnitte Κι , K2 werden durch Barrieren BA,I , BA,2 von den divergierenden Kanalabschnitten Di , D2 getrennt. Die Barrieren BA,I , BA,2 sind hier als längliche Stege ausgebildet. Bevorzugt liegen sowohl die Barrieren BA,I , BA,2 als auch die Kanalwände an der hier nicht gezeigten GDL-Schicht 1 14, 1 17 (vgl. Fig. 1) an.
Aufgrund des Druckes im konvergierenden Kanalabschnitt Ki , K2, der durch den sich allmählich zum Kanalabschnittsausgang hin verengenden
Kanalquerschnitt zunimmt, wird eine Überströmung der Barrieren BA,I , BA,2 bewirkt, die durch den Pfeil Fc repräsentiert wird. Gleichzeitig kommt es in den divergierenden Kanälen Di , D2 bevorzugt zu einer Sogwirkung, die die Querströmung über die Stege hinweg begünstigt. Das Querschittsverhältnis der Kanalabschnittsauslassquerschnitte A4,di, A4,d2, der divergierenden Kanalabschnitte Di , D2 zu den Kanalabschnittsauslassquerschnitte A_>,ki , Α2 2 ist bevorzugt genau umgekehrt wie an den entsprechenden Einlassen der Kanäle. Beide erste Kanalabschnitte werden von„frischem Gas" durchströmt. Ferner stellt sich in beiden Kanälen eine durchmischende Strömung ein.
Die Mischzone Mz trennt hier die ersten Kanalabschnitte Ki , Di von den zusätzlichen Kanalabschnitten K2, D2, die man hier auch als zweite
Kanalabschnitte bezeichnet könnten.
Bevorzugt sind die zusätzlichen Kanalabschnitte K2, D2 bezogen auf die Strömungsrichtung S im Vergleich zu den ersten Kanalabschnitten Ki , Di versetzt angeordnet. Ebenso ist die zusätzliche Barriere BA,2 versetzt zur ersten Barriere ΒΑ,Ι angeordnet. Zusätzliche Kanalabschnitte (z.B. K3, D3, nicht gezeigt) die weiter stromab angeordnet sind, sind wiederum versetzt zu den hier gezeigten zusätzlichen Kanalabschnitten K2, D2 angeordnet.
Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Details C der Fig. 2 einer
Ausgestaltung. Der Aufbau des Kanals entspricht im Wesentlichen dem des Kanals i der Fig. 3. Nachstehend wird daher nur auf die Unterschiede eingegangen. Die Kanalwände Wi, WN sind in der Fig. 6 parallel zueinander ausgebildet. Sie verlaufen gerade. Die zusätzlichen Kanalabschnitte D2, K2 sind nicht in Bezug auf die Strömungsrichtung S lateral in Y-Richtung versetzt zu den ersten Kanalabschnitten Di , K1 angeordnet. Vielmehr verläuft der erste konvergierende Kanalabschnitt K1 im Wesentlichen kollinear zum zusätzlichen konvergierenden Kanalabschnitt K2. Ebenso verläuft der erste divergierende Kanalabschnitt Di im Wesentlichen kollinear zum zusätzlichen divergierenden Kanalabschnitt D2. Nicht näher gezeigt sind die jeweils benachbart zum Kanal i angeordneten Kanäle (gestrichelt angedeutet).
Bevorzugt stellen die gezeigten Kanalwände Wi, Wn gleichzeitig die
Kanalwände der benachbarten Kanäle (nicht gezeigt) dar.
Fig. 5 ist eine weitere vergrößerte Ansicht des Details C der Fig. 2 einer Ausgestaltung. Drei erste Barrieren BA,H , BA,I2, BA.13 sind auf gleicher Höhe bzgl. der Strömungsrichtung S angeordnet. Zwei benachbarte Barrieren der drei ersten Barrieren bilden jeweils einen Kanalabschnitt aus. Die benachbart zueinander angeordneten Barrieren verlaufen winkelig zueinander und verlaufen ebenfalls winkelig in Bezug auf die Strömungsrichtung S, insbesondere im Winkel +/- α zur Strömungsrichtung S. Beispielsweise bilden die ersten Barrieren BA,H , BA,I2 den ersten konvergierenden
Kanalabschnitt K1 aus. Die ersten Barrieren BA,I2 und BA,I3 bilden indes den ersten divergierenden Kanalabschnitt Di aus. Die Barrieren BA,I3 und BA,H können zweckmäßig parallel zueinander ausgebildet sein. Ebenso verhält es sich mit den zusätzlichen Barrieren, d.h. die zusätzlichen Barrieren BA,22, BA,23 bilden den zusätzlichen konvergierenden Kanalabschnitt K2 aus und die zusätzlichen Barrieren BA,2I , BA,22 bilden den zusätzlichen divergierenden Kanalabschnitt D2 aus. Zwischen den ersten Kanalabschnitten und den zusätzlichen Kanalabschnitten ist wiederum eine Mischzone Mz angeordnet. In dieser Konfiguration können bevorzugt keine Kanalwände vorgesehen sein. Bevorzugt sind insbesondere keine durchgehenden Kanalwände vorgesehen. Bevorzugt sind die Kanalabschnitte und/oder die Mischzone gleich lang ausgebildet wie in den zuvor angeführten Beispielen der Fig. 2 und 3. Auch in dieser Ausgestaltung kommt es zur vorteilhaften
Querströmung Fe über die Barrieren hinweg und durch die GDL-Schicht.
Fig. 6 zeigt eine vergrößerte Detailansicht C der Figur 2 einer Ausgestaltung. In der hier dargestellten Ausführungsform ist die Barriere BA,I2, die den ersten konvergierenden Kanalabschnitt K1 i vom ersten divergierenden Kanalabschnitt D1 i trennt, über ein Verbindungsstück VBS verbunden. Die beiden Barrieren BA,I2; BA,22 weisen dieselbe Höhe auf wie die das
Verbindungsstück VBS und liegen im montierten Zustand an der GDL- Schicht an. Die erste Barriere BA,H ist in Y-Richtung lateral versetzt angeordnet zur zusätzlichen zweiten Barriere BA,22. Die anderen ersten Barrieren BA,H ; BA,I3, die zusammen mit der Barriere BA,I2 die ersten
Kanalabschnitte Kii,Dii ausbilden, sind hier einstückig mit dem
Verteilanschluss v und den Einlass Ei verbunden. Wie bei den vorhergien Figuren kommt es zu einer Querströmung Fe durch die GDL-Schicht. Direkt am Einlass Ei teilt sich das einströmende Gas auf in die ersten
Kanalabschnitte Kn, D-π. Am stromabwärtigen Ende des ersten
divergierenden Kanalabschnitts Du, befindet sich die erste Mischzone Mz-n, in der sich das Gas vom Einlass Ei mit Gas aus dem gestrichelt gezeigten Nachbarzweig vermischt. Das Gas tritt dann durch die Öffnung am Ende KE des zweiten divergierenden Kanalschnittes D21 teilweise in den zweiten divergierenden Kanalabschnitt D21 ein. Der andere Teil strömt von der ersten Mischzone ΜΖΉ in den zweiten konvergierenden Kanalabschnitt K21 ein.
Aus dem ersten konvergierenden Kanalabschnitt K1 i strömt das Gas aus dem ersten Einlass Ei in eine weitere erste Mischzone Mz1 ii, in der sich Gas aus dem ersten Einlass Ei mit Gas aus einem weiteren Nachbarzweig vermischt, der mit dem Einlass En verbunden ist. Aus der weiteren ersten Mischzone MZI Ü strömt dann ein Teil des Gasgemisches der Einlasse Ei, En in den zweiten konvergierenden Kanal K2Ü ein.
Am stromabwärtigen Ende des zweiten divergierenden Kanalabschnitts D21, befindet sich die zweite Mischzone MZ2i. Neben dem zweiten divergierenden Kanalabschnitt D21 mündet auch der zweite konvergierenden Kanal K2Ü in dieser zweite Mischzone MZ2i. Diese zweite Mischzone Mz2i wird also gespeist vom ersten Gaseilass Ei sowie dem weiteren Gaseinlass EN. ES kommt somit zu einer Durchmischung des Gases in Y-Richtung senkrecht zur generellen Strömungsrichtung S.
Die zweite Mischzone MZ2 ist stromauf mit zwei ersten Mischzonen
fluidverbunden, nämlich mit der mit dem Gaseinlass Ei fluidverbundene ersten Mischzone Mzi i und mit der mit dem weiteren Gaseinlass En fluidverbundene weitere erste Mischzone Mzi ü. Die ersten Mischzonen Mzi i, Mziü sind also fluidisch parallel zueinander angeordnet. Zweckmäßig sind diese fluidisch parallel zueinander angeordneten ersten Mischzonen Μζ-π, Mziü auch benachbart zueinander angeordnet, ohne dass eine weitere Mischzone zwischen ihnen liegt. Als fluidverbunden ist in diesem
Zusammenhang nicht die indirekte Strömung durch die GDL-Schicht anzusehen, sondern vielmehr die direkte Verbindung der entsprechenden Kanalabschnitte, die in der Separatorplatte als Vertiefungen ausgebildet sind.
Fig. 7 zeigt ebenfalls das Detail C einer Ausgestaltung der Figur 2, jedoch in einem größeren Ausschnitt. Das Ausführungsbeispiel entspricht daher dem Beispiel der Figur 6. Einige Bezeichnungen sind daher vereinfachend weggelassen worden. Die Achse A-A ist eine Vergleichsachse, die zeigt, dass der erste divergierende Kanal Du und der dritte divergierende
Kanalabschnitt D31 stromab des zweiten divergierenden Kanaiabschnittes D21 nicht in Y-Richtung versetzt zueinander angeordnet sind. Der zweite divergierende Kanalabschnitt D21 ist indes lateral bezogen auf die generelle Strömungsrichtung S versetzt angeordnet. Mit anderen Worten sind die dritten Kanalabschnitte K31, D31 und die dritte Barriere BA,3 im Vergleich zu den zweiten konvergierenden und divergierenden Kanalabschnitten K2, D2 und der zweiten Barriere BA,2 bezogen auf die Strömungsrichtung S entgegen der ersten Richtung Y seitlich versetzt angeordnet.
Das Strömungsfeld bzw. die Kanalabschnitte werden hier durch verbundenen Barrieren bzw. Barrieregruppen BA12-BA22, B323-BA33 und BA21-BA31
ausgebildet. Bevorzugt sind benachbart angeordnete verbundene Barrieren ineinandergreifend angeordnet.
Verbundene Barrieren sind beispielsweise über ein Verbindungsstück VBS (hier nicht gezeigt) direkt miteinander verbunden. Das Verbindungsstück VBS selbst kann dabei auch als Barriere für das Gas fungieren.
Beispielsweise sind die Barrieren BA12-BA22, BA23-BA33 und BA21-BA3 verbundene Barrieren. In der Draufsicht auf die Separatorplatte 1 19, wie sie in den Figuren 6 und 7 gezeigt ist, sind beispielsweise die benachbarten verbundenen Barrieren in der Y-Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung S zumindest bereichsweise teilweise hintereinander angeordnet. In
Strömungsrichtung S sind zwei benachbarte und verbundene Barrieren versetzt zueinander angeordnet. Verbundene Barrieren die benachbart zueinander angeordnet sind, können in der Y-Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung S teilweise überlappend angeordnet sein. Benachbarte verbundene Barrieren BA12-BA22, BA23-BA33 und BA21-BA31 sind dabei zwei separate Barrieregruppen, wobei jede Gruppe zwei Barrieren aufweist, die über das Verbindungsstück VBS verbunden sind. Die beiden
Barrieregruppen bilden i.d.R. zusammen einen Kanalabschnitt aus.
In der Figur 7 ist mit Pfeilen angedeutet, in welche Kanalabschnitte sich das Gas aus dem Einlass Ei verzweigen kann. Am Einlass Ei verzweigt es sich zunächst auf die ersten Kanalabschnitte Du, Ki i. Danach verzweigt es sich weiter auf die zweiten Kanalabschnitte D21, K21; D2N, K2Ü. In der dritten Stufe verzweigt es sich dann bereits auf sechs Kanalabschnitte D31, K31; D3n, K3Ü; D3iü, K3Ni. Tritt nun in einem Kanalabschnitt eine Verblockung W auf, beispielsweise ein Kondensattropfen W oder ein Eisstück, so kann aufgrund der guten Verzweigung diese Verblockung W vergleichsweise gut kompensiert werden. Im Vergleich zu vorbekannten Lösungen verteilt sich auch bei einer solchen Verblockung W das Gas vergleichsweise gut.
Thermische Schäden können bevorzugt verringert werden und die
Verschlechterung der elektrochemischen Reaktion abgeschwächt werden. Das stromab der Verblockung vorhandene Gas kann über die Kanäle K31 und D31 abfließen. Es bildet sich somit über die Verblockung W ein Druckgradient aus, der vergleichsweise hoch ist. Dieser Druckgradient zwischen den Bereichen stromauf und stromab der Verblockung W kann bewirken, dass die Verblockung sich auflöst und aus dem Strömungsfeld befördert wird. Somit stellt sich ein vergleichsweise gutes Kaltstart bzw. Froststartverhalten ein. Auch können die einzelnen Barrieren vergleichsweise breit ausgebildet werden. Die Spannungsverluste zwischen den Barrieren und der GDL- Schicht fallen dank der relativ breiten Barrieren vergleichsweise gering aus.
Das Querschittsverhältnis der Kanalabschnittsauslassquerschnitte untereinander sowie der Kanalabschnittseinlassquerschnitte untereinander ist in den Figuren 4 bis 7 bevorzugt gleich wie in den zuvor erläuterten Beispielen der Figuren 2 und 3. Sofern die hier angeführten Erläuterungen auf einen Kanal bezogen sind, soll deren Plural (d.h. mehrere gleichartig aufgebaute Kanäle) gleichzeitig mit offenbart sein. Beispielsweise umfasst die hier offenbarte Technologie bevorzugt mehrere Pärchen von nebeneinander angeordneten
konvergierenden und divergierenden Kanalabschnitten, beispielsweise mehr als 20 Pärchen. Bevorzugt sind Pärchen von ersten, zweiten und dritten Pärchen vorgesehen, wobei die ersten Pärchen stromauf der zweiten
Pärchen, und diese zweiten Pärchen wiederum stromauf der dritten Pärchen angeordnet sind. Insgesamt sind bevorzugt mehr als 30 Pärchen
vorgesehen. Die Pärchen sind bevorzugt wiederum jeweils durch
Mischzonen Mz voneinander getrennt. Mit der hier offenbarten Technologie ist es möglich, dass das Oxidationsmittel O oder der Brennstoff B eines Kanals auf verschiedene der benachbarten Kanäle aufzuteilen, insbesondere derart, dass beginnend von einem Kanaleinlass E am stromaufwärtigen Ende des Strömungsfeldes das Oxidationsmittel O oder der Brennstoff B in
Strömungsrichtung S fächerartig verteilt wird.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der
Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer
Äquivalente zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzelle (100), umfassend:
- einen ionenselektiven Separator (1 15);
- eine Gasdiffusionsschicht (1 14, 117), die benachbart zum
Separator (1 15) angeordnet ist; und
- eine Separatorplatte (1 19, 1 19', 1 19"), die zusammen mit der
Gasdiffusionsschicht (1 14, 1 17) ein gasführendes Strömungsfeld (SF) ausbildet;
- wobei im Strömungsfeld (SF) mindestens ein erster
konvergierender Kanalabschnitt (Ki) und mindestens ein erster divergierender Kanalabschnitt (Di) ausgebildet ist, wobei der erste konvergierende Kanalabschnitt (Ki) neben dem ersten
divergierenden Kanalabschnitt (Di) angeordnet ist,
- wobei eine erste Barriere (ΒΑ,Ι) zwischen dem ersten
konvergierenden Kanalabschnitt (Ki) und dem ersten
divergierenden Kanalabschnitt (Di) derart vorgesehen ist, dass das Gas zumindest teilweise durch die Gasdiffusionsschicht (1 14, 1 17) strömt, um direkt vom ersten konvergierenden Kanalabschnitt (Ki) in den erste divergierenden Kanalabschnitt (Ki) zu gelangen, dadurch gekennzeichnet,
dass stromab des mindestens einen ersten konvergierenden
Kanalabschnittes (Ki) und/oder stromab des mindestens einen ersten divergierenden Kanalabschnittes (Di) mindestens ein zusätzlicher konvergierender Kanalabschnitt (K2, K3), mindestens ein zusätzlicher divergierender Kanalabschnitt (D2, D3) und mindestens eine zusätzliche Barriere (BA,2, BA,3) vorgesehen sind; und
dass zwischen den ersten Kanalabschnitten (Ki , Di) und den zusätzlichen Kanalabschnitten (K2, D2) mindestens eine Mischzone (Mzi) angeordnet ist, in der mindestens einer der ersten
Kanalabschnitte (Ki , Di) mündet, und in der die zusätzlichen
Kanalabschnitte (K2, D2) beginnen. Brennstoffzelle (100) nach Anspruch 1 , wobei der erste divergierende Kanalabschnitt (Di) und/oder der zusätzliche divergierende
Kanalabschnitt (D2, D3) an seinem stromaufwärtigen Ende (KE) offen ist/sind, so dass das Gas in den divergierenden Kanalabschnitt (Di ; D2, D3) einströmen kann.
Brennstoffzelle (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der zusätzliche konvergierende Kanalabschnitt (K2) ein zweiter konvergierender Kanalabschnitt (K2) ist, wobei der zusätzliche divergierende Kanalabschnitt (D2) ein zweiter divergierende
Kanalabschnitt (D2) ist, wobei die zusätzliche Barriere (BA,2) eine zweite Barriere (BA,2) ist, und wobei der zweite konvergierende
Kanalabschnitt (K2), der zweite divergierende Kanalabschnitt (D2) und die zweite Barriere (BA,2) im Vergleich zu den ersten konvergierenden und divergierenden Kanalabschnitten (Ki , Di) und der ersten Barriere (ΒΑ,Ι) bezogen auf die Strömungsrichtung (S) des Gases in eine erste Richtung (Y) seitlich versetzt angeordnet sind.
Brennstoffzelle (100) nach Anspruch 3, wobei der zusätzliche konvergierende Kanalabschnitt (K3) ein dritter Kanalabschnitt (K3) ist, wobei der zusätzliche divergierende Kanalabschnitt (D3) ein dritter divergierende Kanalabschnitt (D3) ist, und wobei die zusätzliche Barriere (BA,3) eine dritte Barriere (BA,3) ist, und wobei der dritte konvergierende Kanalabschnitt (K3), der dritte divergierende
Kanalabschnitt (D3) und die dritte Barriere (BA,3) im Vergleich zu den zweiten konvergierenden und divergierenden Kanalabschnitten (K2, D2) und der zweiten Barriere (BA,2) bezogen auf die Strömungsrichtung (S) entgegen der ersten Richtung (Y) seitlich versetzt angeordnet sind. Brennstoffzelle (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei mindestens eine Mischzone (Mz) stromauf mit zwei ersten Mischzonen (Mz) fluidverbunden ist, wobei die zwei ersten Mischzonen (Mz) fluidisch parallel zueinander angeordnet sind.
Brennstoffzelle (100) nach Anspruch 4 oder 5, wobei zwischen den zweiten Kanalabschnitten (K2, D2) und den dritten Kanalabschnitten (K3, D3) mindestens eine zweite Mischzone (MZ2) angeordnet ist, in der mindestens einer der zweiten Kanalabschnitte (K2, D2) mündet, und in der die dritten Kanalabschnitte (K3, D3) beginnen.
Brennstoffzelle (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die ersten konvergierenden und/oder divergierenden Kanalabschnitte sowie die zusätzlichen konvergierenden und/oder divergierenden Kanalabschnitte eine Länge in Strömungsrichtung (S) aufweisen von ca. 2 cm bis ca. 15 cm, bevorzugt von ca. 3 cm bis ca. 10 cm, und besonders bevorzugt von ca. 5 cm bis ca. 8 cm.
Brennstoffzelle (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, die ersten konvergierenden und/oder divergierenden Kanalabschnitte sowie die zusätzlichen konvergierenden und/oder divergierenden Kanalabschnitte eine Länge in der Strömungsrichtung (S) aufweisen, die mindestens um den Faktor 3, bevorzugt mindestens um den Faktor 5, mindestens um den Faktor 10 oder mindestens um den Faktor 20 länger ist als die Länge der mindestens einen Mischzone (Mz) in der Strömungsrichtung (S).
Brennstoffzelle (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die ersten konvergierenden und/oder divergierenden Kanalabschnitte sowie die zusätzlichen konvergierenden und/oder divergierenden Kanalabschnitte über Mischzonen (Mz) fluidisch derart miteinander verbunden sind, dass Oxidationsmittel (O) oder Brennstoff (B) in der Separatorplatte (1 19, 1 19', 1 19") auf mehrere benachbarte
konvergierende und/oder divergierende Kanalabschnitte verteilbar ist. 0. Brennstoffzelle (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste konvergierenden Kanalabschnitt (Ki) und/oder der erste divergierende Kanalabschnitt (Di) jeweils durch zwei winkelig zueinander angeordnete erste Barrieren (BA,H ; BA,I2; BA,I3) ausgebildet ist, und/oder
wobei der zusätzliche konvergierende Kanalabschnitt (K2) und/oder der zusätzliche divergierende Kanalabschnitt (D2) jeweils durch zwei winkelig zueinander angeordnete zusätzliche Barrieren (BA,2I ; BA,22; BA,23) ausgebildet ist.
1 1 . Brennstoffzelle (100) nach Anspruch 10, wobei drei winkelig
zueinander angeordnete erste Barrieren (ΒΑ,Π ; BA,I2; BA,I3) den ersten konvergierenden Kanalabschnitt (K1) und den ersten divergierenden Kanalabschnitt (Di) ausbilden, und/oder
wobei drei winkelig zueinander angeordnete zusätzliche Barrieren (BA,2I ; BA,22; BA,23) den zusätzlichen konvergierenden Kanalabschnitt (K2) und den zusätzlichen divergierenden Kanalabschnitt (D2) ausbilden.
12. Brennstoffzelle (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mindestens eine erste Barriere (BA,I) mit der mindestens einen zusätzlichen Barriere (BA,2) über ein Verbindungsstück (VBS) verbunden ist.
13. Brennstoffzelle (100) nach Anspruch 12, wobei eine verbundene
Barriere in der Draufsicht auf die Separatorplatte (1 19, 1 19', 1 19") teilweise überlappend zu einer anderen benachbarten verbundenen Barriere angeordnet ist. Brennstoffzelle (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei jeweils ein erster konvergierender Kanalabschnitt (Κ-ι), ein erster divergierender Kanalabschnitt (Di), ein zusätzlicher konvergierender Kanalabschnitt (K2, K3) und ein zusätzlicher divergierender
Kanalabschnitt (D2, D3) einen Kanal (113, 118) ausbilden, und wobei der Kanal (113, 118) von seitlichen Kanalwänden (Wi, Wn) begrenzt wird, die zumindest abschnittsweise parallel zueinander verlaufen.
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