WO2005024985A2 - Gasverteilerfeld für eine brennstoffzelle und ein solches enthaltende brennstoffzelle - Google Patents

Gasverteilerfeld für eine brennstoffzelle und ein solches enthaltende brennstoffzelle Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a gas distribution field for a fuel cell, in which parallel gas guide channels are arranged with a meandering structure.
  • the invention further relates to a fuel cell with such a gas distribution field on the cathode side and / or anode side.
  • a fuel cell is, in particular, a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell.
  • PEM fuel cells emit hydrogen or reformate on the anode side from various sources and processes with an inert gas content of 20 to about 70%. On the cathode side, air is used almost continuously as an oxygen source.
  • the gas should continue to be able to flow in at least one direction at a sufficiently high speed to discharge droplets.
  • the gas can be routed to achieve a sufficiently high speed via individual channels or several channels arranged in parallel with a meandering structure. This can extend uniformly over the active area or also contain local branches with a more complex structure.
  • the invention has for its object to provide a gas distribution field for a fuel cell, in which the gas guide channels have a meandering structure, the transverse diffusion occurring at the channels over the gas diffusion layer being reduced to such an extent that an approximately uniform gas distribution over the entire meander length is achieved , Furthermore, a fuel cell with the highest possible reaction gas conversion rates should be provided, which enables a high level of plant efficiency.
  • the cross-transport of media along the meandering border channels is reduced and thereby an even 7 - flow achieved through all channels. This enables the construction of fuel cells with a high degree of sales and efficiency.
  • the invention thus relates to a gas distribution field for a fuel cell, in which gas routing channels running in parallel are arranged with a meandering structure, characterized in that webs of varying width are provided on the meandering border channels in order to reduce the transverse transport of media along the meandering border channels.
  • the invention further relates to a fuel cell with such a gas distribution field on the cathode side and / or anode side.
  • the above-mentioned object can be achieved by varying the width of the web at the relevant transitions of the gas guide channels in such a way that the cross flow that occurs is just sufficient to pass the reaction zone above the relevant one To enable a sufficient reactant concentration in the web section.
  • two configurations are provided for the variation of the web width at the meandering boundary channels: a) a widening of the web in question by a constant amount, b) a widening of the web in question by a variable amount, especially a widening of the web in question in a wedge shape.
  • Configuration a) enables the cross-flow problem to be solved according to the invention.
  • Variant b) which enables the inventive solution to the cross-flow problem without accepting a depletion of reactants over the web part with a short channel length, is therefore particularly preferred.
  • the specific scope of the additional widening as well as the additional wedge shape depends on the properties of the selected gas diffusion layer as well as the selected channel geometries. Geometries which are effective according to the invention can be determined both by means of model calculations and by determining the performance characteristics of fuel cells constructed by varying the web geometries.
  • the structure and components of a fuel cell according to the invention correspond to the prior art, with the exception of the gas distribution field according to the invention on the cathode side and / or anode side, preferably both on the cathode side and on the anode side.
  • the fuel cell according to the invention is particularly preferably a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell.
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • FIG. 1 the detail of a gas distribution field of a fuel cell designed according to the invention
  • FIG. 2 current-voltage characteristic curves for gas distribution fields constructed according to the prior art and according to the invention
  • FIG. 3 sales characteristic curves for a fuel cell constructed according to the prior art and for a fuel cell according to the invention.
  • FIG. 1 shows the arrangement according to the invention using a three-way meander.
  • the invention is not limited to this arrangement, but applies to any number of channels running in parallel.
  • the preferred wedge shape results in a structure which is slightly angled with respect to the horizontal or vertical structure and which has additional advantages in the form of an easier discharge of water droplets when the main flow direction is downward.
  • the invention is explained on the basis of a polymer membrane fuel cell, without being restricted to this cell type.
  • An exemplary embodiment of a gas distribution field (flow field) constructed according to the invention is explained using a polymer membrane fuel cell with an active area of 100 cm 2 :
  • a cell constructed according to the prior art has a flow field with a triple parallel meander with a channel and web width of approximately 0.8 mm.
  • the channel depth is in the range of 1.2 to 1.6 mm.
  • the inflow and outflow areas are constructed in such a way that a web is interrupted by webs which are interrupted several times in this area
  • the arrangement of the meanders on the anode and cathode side can allow a flow in the same, crossed or opposite flow direction.
  • the meanders are arranged in such a way that both an equal and an
  • the cell with the flow field constructed in accordance with the invention is constructed in the form described above, but has a wedge-shaped course on the webs with the opposite flow direction and thus corresponding increased pressure differences.
  • the web At the flow-deflecting end of the web, it is the same width as the other webs.
  • the web Towards the other end, the web thickens evenly to a width of 1.8 mm, so that the cross flow across the web that occurs at this end (due to the increased pressure difference) is reduced to such an extent that 5 just above the web there is sufficient media supply.
  • FIG. 4 shows corresponding current-voltage characteristics for a) flowfields constructed according to the prior art and b) constructed according to the invention. It is shown that, according to the invention, a significant improvement in the characteristic curve can be achieved 5 at high current densities. Furthermore, a cell constructed according to the invention has an improved profile of the conversion characteristic, as can be seen in FIG. 5.
  • a cell constructed according to the invention has a cell voltage which is improved by up to 50 mV at degrees of conversion of more than 45%, which is due to a reduced transverse diffusion due to the wedge-shaped webs according to the invention and the more uniform effect caused thereby

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasverteilerfeld für eine Brennstoffzelle, bei dem parallel verlaufende Gasführungskanäle mit einer mäanderförmigen Struktur angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass an den Mäandergrenzkanälen Stege mit variierender Breite vorgesehen sind, um den Quertransport von Medien entlang der Mäandergrenzkanäle zu vermindern. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle mit einem solchen Gasverteilerfeld auf der Kathodenseite und/oder Anodenseite, insbesondere eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzelle.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Gasverteilerfeld für eine Brennstoffzelle, bei dem parallel verlaufende Gasführungskanäle mit einer maanderformigen Struktur angeordnet sind. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle mit einem solchen Gasverteilerfeld auf der Kathodenseite und/oder Anodenseite. Bei einer solchen Brennstoffzelle handelt es sich insbesondere um eine Polymer- Elektrolyt-Membran (PEM) -Brennstoffzelle. Hintergrund der Erfindung
PEM-Brennstoffzellen verströmen anodenseitig Wasserstoff oder Reformat aus unterschiedlichen Quellen und Verfahren mit einem Inertgasanteil von 20 bis zu etwa 70 %. Kathodenseitig wird fast durchgängig Luft als Sauerstoffquelle verwendet.
In beiden Fällen kommt es darauf an, die Reaktionsgase möglichst weitgehend unter Erhalt der Zellspannung umzusetzen. Dies erfordert eine gleichmäßige Führung der Reaktionsgase über die Zelle in einer Weise, dass Verarmungszo- nen, welche lokal zu einer stark verminderten Stromdichte führen, weitestmöglich vermieden werden.
Die Gasführung soll weiterhin in mindestens einer Richtung mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit zur Austragung von Tröpfchen erfolgen können.
Stand der Technik
Bekannt ist, dass die Gasführung zur Erreichung einer ausreichend hohen Geschwindigkeit über einzelne Kanäle oder mehrerer parallel angeordnete Kanäle mit einer maanderformigen Struktur erfolgen kann. Diese kann sich gleichförmig über den aktiven Bereich erstrecken oder auch lokale Verzweigungen mit komplexerer Struktur beeinhalten.
Bekannt ist ebenfalls, dass bei geeigneter Kanalanordnung, wie etwa ähnliche Kanallängen und ähnliche Kurvenanzahl der Einzelkanäle, eine gleichförmige Geschwindigkeitsverteilung in den Kanälen erzielt werden kann. Bei der z. B. in DE 100 15 360 AI beschriebenen Kanalanordnung mit Mäanderstruktur nach dem Stand der Technik verlaufen einige Kanäle nebeneinander, deren statischer Druck erheblich voneinander abweicht, da zwischen den aneinanderliegenden Gaskanälen gröJ3ere Weglängen mit entsprechenden Druckabfällen liegen können. Daraus resultiert eine
Querdiffusion über die Gasdiffusionslage, welche zu einer lokalen Anreicherung von Reaktanden und einem teilweisen hydraulischen Kurz- schluss bestimmter Kanalteile führt, welcher seinerseits zu einer Verarmung der Reaktanden in anderen Bereichen der aktiven Fläche und einer daraus resultierenden Verminderung der erzielbaren Stromdichte führt.
In Folge muß der entsprechende Brennstoffzellenstapel mit einem niedrigeren Umsatzgrad betrieben werden, welcher wiederum zu einem schlechteren Anlagenwirkungsgrad führt.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gasverteilerfeld für eine Brennstoffzelle vorzusehen, bei dem die Gasführungskanäle eine mäanderför- mige Struktur aufweisen, wobei die an den Kanälen auftretende Querdiffusion über die Gasdiffusionslage soweit vermindert ist, dass eine annähernd gleichmäßige Gasverteilung über die gesamte Mäanderlänge erreicht wird. Ferner soll eine Brennstoffzelle mit möglichst hohen Reaktionsgas-Umsatzgraden vorgesehen werden, welche einen hohen Anlagewirkungsgrad ermög- licht.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Gasverteiler - feld gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 5.
Bevorzugte bzw. besonders zweckmäßige Ausführungsformen des Anmeldungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Gasverteilerfeld wird der Quertransport von Medien entlang der Maandergrenzkanale vermindert und dadurch eine gleichmä7 -ßige Strömung durch alle Kanäle erreicht. Dies ermöglicht den Aufbau von Brennstoffzellen mit hohem Umsatzgrad und Wirkungsgrad.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Gasverteilerfeld für eine Brennstoffzelle, bei dem parallel verlaufende Gasführungskanäle mit einer maanderformigen Stuktur angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass an den Mäandergrenzkanälen Stege mit variierender Breite vorgesehen sind, um den Quertransport von Medien entlang der Maandergrenzkanale zu vermindern.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Brennstoffzelle mit einem solchen Gasverteilerfeld auf der Kathodenseite und/oder Anodenseite.
Gemäß der Erfindung hat sich somit gezeigt, dass die oben genannte Aufgabe dadurch gelöst werden kann, dass der an den betreffenden Übergängen der Gasführungskanäle vorhandene Steg in seiner Breite derart variiert wird, dass die auftretende Querströmung gerade ausreichend ist, um an der Reaktionszone oberhalb des betreffenden Stegabschnitts eine ausreichende Reak- tandenkonzentration zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß sind für die Variation der Stegbreite an den Mäandergrenzkanälen zwei Konfigurationen vorgesehen: a) Eine Verbreiterung des betreffenden Steges um einen konstanten Betrag, b) eine Verbreiterung des betreffenden Steges um einen variablen Betrag, speziell eine Verbreiterung des betreffenden Steges in Keilform.
Konfiguration a) ermöglicht eine erfindungsgemäße Lösung des Querströmungsproblems. In einem Stegbereich mit nur kurzer überbrückender Kanallänge kann jedoch durch die Verbreiterung eine gewisse Verarmung der Reaktandenkonzentration auftreten. Besonders bevorzugt ist daher Variante b), welche die erfindungsgemäße Lösung des Querströmungsproblems ohne Inkaufnahme einer Reaktandenverarmung über dem Stegteil mit kurzer Kanallänge ermöglicht. Der konkrete Umfang der zusätzlichen Verbreiterung wie auch der zusätzlichen Keilform ist abhängig von den Eigenschaften der gewählten Gasdiffusionslage wie auch den gewählten Kanalgeometrien. Erfindungsgemäß wirksame Geometrien können sowohl über Modellrechnungen als auch über die Ermittlung von Leistungskennlinien aufgebauter Brennstoffzellen unter Variation der Steggeometrien ermittelt werden.
Der Aufbau und die Komponenten einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle entsprechen dem Stand der Technik, mit Ausnahme des erfindungsgemäJSen Gasverteilerfeldes auf der Kathodenseite und/ oder Anodenseite, vorzugsweise sowohl auf der Kathoden- als auch der Anodenseite. Insbesondere bevorzugt handelt es sich bei der erfindungsgemäj3en Brennstoffzelle um eine Polymer - Elektrolyt-Membran (PEM) -Brennstoffzelle .
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung wird anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1: Den Ausschnitt eines erfindungsgemäß ausgeführten Gasverteilerfeldes einer Brennstoffzelle;
Figur 2: Strom-Spannungskennlinien für nach dem Stand der Technik aufgebaute und erfindungsgemäße Gasverteilerfelder; und Figur 3: Umsatz-Kennlinien für eine nach dem Stand der Technik aufgebaute sowie eine erfindungsgemä e Brennstoffzelle.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung anhand eines Dreier-Mäanders. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anordnung beschränkt, sondern gilt für eine beliebige Anzahl parallel laufender Kanäle. Bei der bevorzugten Keilform ergibt sich eine gegenüber der waagerechten bzw. senkrechten leicht angewinkelte Struktur, welche bei einer nach unten führenden Hauptströmungsrichtung zusätzliche Vorteile in Form eines erleichterten Austrags von Wassertröpfchen aufweist.
Die Erfindung wird anhand einer Polymermembran-Brennstoffzelle erläutert, ohne auf diesen Zelltyp beschränkt zu sein. 1 Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß aufgebauten Gasverteilerfeldes (Flowfield) wird anhand einer Polymermembran-Brennstoffzelle mit 100 cm2 Aktivfläche erläutert:
5 Eine nach dem Stand der Technik aufgebaute Zelle weist ein Flowfield mit einem dreifach parallelisierten Mäander mit einer Kanal- und Stegbreite von etwa 0,8 mm auf. Die Kanaltiefe liegt im Bereich von 1 ,2 bis 1 ,6 mm. Nach dem Stand der Technik sind die Ein- und Ausströmungsbereiche so aufgebaut, dass durch in diesem Bereich mehrfach unterbrochene Stege eine
1.0 gleichmäßige Anströmung aller Kanäle eines parallelisierten Mäanders ermöglicht wird. Die Anordnungen der Mäander auf der Anoden- und Kathodenseite können eine Strömung in gleicher, gekreuzter oder entgegengesetzter Strömungsrichtung ermöglichen. Im Ausführungsbeispiel sind die Mäander so angeordnet, dass sowohl eine Gleich- als auch eine
15 Gegenströmung der Medien erfolgen kann.
Die Zelle mit erfindungs gemäß aufgebautem Flowfield ist in oben beschriebener Form aufgebaut, weist jedoch an den Stegen mit entgegengesetzter Strömungsrichtung und damit korrespondierenden 0 erhöhten Druckdifferenzen einen keilförmigen Verlauf auf. Am strömungsum- lenkseitigen Ende des Steges ist dieser gleich breit wie die übrigen Stege. Zum anderen Ende hin verdickt sich der Steg gleichmäßig auf eine Breite von 1,8 mm, so dass die an diesem Ende auftretende Querströmung über den Steg (bedingt durch die erhöhte Druckdifferenz) etwa so weit vermindert wird, dass 5 über dem Steg gerade noch eine ausreichende Medienversorgung gegeben ist.
Diese Anordnung lässt gegenüber dem Stand der Technik insbesondere bei höheren Stromdichten und erhöhten Gas- bzw. Luftumsätzen eine verbesserte Zellspannung erwarten. 0 In Figur 4 sind entsprechende Strom-Spannungskennlinien für a) nach dem Stand der Technik aufgebaute und b) erfindungsgemäß aufgebaute Flowfields wiedergegeben. Es zeigt sich, dass erfindungsgemäß eine signifikante Verbesserung des Kennlinienverlaufs bei hohen Stromdichten erzielt werden 5 kann. Weiterhin weist eine erfindungsgemäß aufgebaute Zelle einen verbesserten Verlauf der Umsatzkennlinie auf, wie in Figur 5 erkennbar ist.
Es zeigt sich, dass eine erfindungsgemäß aufgebaute Zelle bei Umsatzgraden von mehr als 45 % eine um bis zu 50 mV verbesserte Zellspannung aufweist, was mit einer durch die erfindungsgemäßen keilförmigen Stege verminderten Querdiffusion und der dadurch bewirkten gleichmäßigeren
Strömungsverteilung erklärt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Gasverteilerfeld für eine Brennstoffzelle, bei dem parallel verlaufende Gasführungskanäle mit einer maanderformigen Stuktur angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass an den Mäandergrenzkanälen Stege mit variierender Breite vorgesehen sind, um den Quertransport von Medien entlang der Maandergrenzkanale zu vermindern.
2. Gasverteilerfeld nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass an den Mäandergrenzkanälen Stege mit ansteigender Breite vorgesehen sind.
3. Gasverteilerfeld nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den Mäandergrenzkanälen Stege mit keilförmig ansteigender Breite vorgesehen sind.
4. Gasverteilerfeld nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass an den Mäandergrenzkanälen Stege mit im Vergleich zu den übrigen Stegen gleichmäßig erhöhter Breite vorgesehen sind.
5. Brennstoffzelle mit einem Gasverteilerfeld gemäß einem der Ansprüche 1-4 auf der Kathodenseite und/oder Anodenseite.
6. Brennstoffzelle nach Anspruch 5, bei der es sich um eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) -Brennstoffzelle handelt.
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