WO2008113520A1 - Gasverteilerfeldplatte für eine brennstoffzelle und eine solche enthaltende brennstoffzelle - Google Patents

Gasverteilerfeldplatte für eine brennstoffzelle und eine solche enthaltende brennstoffzelle Download PDF

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WO2008113520A1
WO2008113520A1 PCT/EP2008/002060 EP2008002060W WO2008113520A1 WO 2008113520 A1 WO2008113520 A1 WO 2008113520A1 EP 2008002060 W EP2008002060 W EP 2008002060W WO 2008113520 A1 WO2008113520 A1 WO 2008113520A1
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gas
fuel cell
channel
gas distributor
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PCT/EP2008/002060
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Joachim Scholta
Heiko Holz
Werner Lehnert
Ludwig JÖRISSEN
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Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg Gemeinnützige Stiftung
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Definitions

  • the invention relates to a gas distributor field plate for a fuel cell, wherein in the gas distribution field plate parallel gas guide channels for the reaction gases are arranged with a meandering structure. Furthermore, the invention relates to a fuel cell with such a gas distributor field plate on the cathode side and / or anode side.
  • a fuel cell is in particular a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell.
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • PEM fuel cells emit hydrogen or reformate from various sources and processes with an inert gas content of about 20 to 70%.
  • air is almost always used as the oxygen source.
  • reaction gases it is important to implement the reaction gases as much as possible while maintaining the cell voltage. This requires a uniform guidance of the reaction gases over the cell in such a way that depletion zones, which locally lead to a greatly reduced current density, are avoided as far as possible.
  • the gas guide should continue to be able to take place in at least one direction with a sufficiently high speed for discharging condensate accumulating as droplets.
  • the gas guidance can be carried out to achieve a sufficiently high speed via individual channels or a plurality of channels arranged in parallel with a meandering structure. This may extend uniformly over the active region or may include localized branching of more complex structure. It is also known that with suitable channel arrangement, such as similar
  • Channel lengths and similar curve number of the individual channels a uniform velocity distribution in the channels can be achieved.
  • WO 2005/024985 A2 shows that a uniform velocity distribution can be achieved by providing webs of varying width at the meander boundary channels in order to reduce the transverse transport of media along the meander boundary channels. Even with such a designed gas distributor field plate falls under certain operating conditions of the fuel cell so much condensate water in the liquid phase that a removal of this water is absolutely necessary to avoid resulting from the at least partial flooding of gas ducts performance degradation and / or damage to the fuel cell.
  • a variant of this approach according to DE 100 01 606 A1 is to select the pressure drop across the cell so high that the product water formed can be completely guided in the gas phase.
  • US 2005/0191541 A1 proposes the possibility, which is very complicated to implement, of separating the product water formed directly in the individual channels and discharging them separately from the gaseous media.
  • US 2003/10129468 Al proposes the use of bipolar plates of defined porosity, which should allow separate removal of the liquid component from the channels
  • the invention has the object of providing a gas distributor field plate for a fuel cell, in which the Gasbowungskanale are arranged in a maander-shaped structure, and in a simple manner at a possible low pressure drop across the cell even at low flow speeds and current densities safe discharge Furthermore, it is intended to provide a fuel cell equipped with such a gas distributor field plate, which operates satisfactorily not only under rated power but also in the partial load range with low current densities associated therewith
  • a fuel cell according to the invention which is equipped with a gas distributor field plate according to the invention, it is possible to keep the pressure difference across the fuel cell as low as possible both on the anode side and on the cathode side, so that the auxiliary energy requirement resulting from the necessary compaction work According to the invention, it is thus possible, on the one hand, to provide the lowest possible pressure drop across the cell at the nominal point and, on the other hand, to permit discharge of condensate even at gas flows which are as low as possible compared to the nominal operating point.
  • a fuel cell according to the invention thus permits operation over a wide range Load range, combined with high gas and air-side sales and with a low pressure drop across the cell, allowing overall high system efficiency over a wide operating range
  • the design of the Gasbowungskanale such that at a given Mimmal gas flow through the cell on the one hand a geometry with the shortest possible Emzelkanallange and on the other hand a minimum value in Kanal GmbH redesign pressure drop is selected, which is sufficient even with such a Mmimal gas flow still allow a discharge of condensate
  • the invention thus relates to a gas distributor field plate for a fuel cell, wherein in the gas distributor field plate parallel gas guide channels for the reaction gases are arranged with a maanderformigen structure, characterized in that the Gasbowungskanale are designed so that at a given Mmimal gas flow through the cell on the one hand shortest possible Emzelkanal GmbH and on the other hand a minimum value of the Kanal GmbHspezifischen pressure drop are provided, which is sufficient to ensure a discharge of condensate at the given Mmimal gas flow
  • the invention furthermore relates to a fuel cell with such a gas distributor field plate on the cathode side and / or anode side
  • the criterion of the channel length specific pressure drop is well suited to ensure a sufficient discharge of condensate - Specified pressure drops of 10-50 mbar / m channel length proved to be suitable. Long-specific pressure drops in the range of 10-30 mbar / m channel length are particularly preferred.
  • This design criterion relates to the minimum operating point at which condensate discharge is to take place
  • the required long-specific pressure drop is achieved with smaller channel cross-sectional areas and thus smaller channel widths and / or channel depths via a higher channel parallelization and an associated lower flow velocity in the channel.
  • This allows a smaller number of deflections within the gas distributor field, resulting in a smaller single channel length
  • the individual channel length is essentially determined by the number of channel deflections. Variations without deflections are conceivable according to the invention if the geometry of the active area has a high length-to-width ratio (for example of> 2) Values between 2 and a maximum of 10 deflections are reasonable and suitable According to the invention, variants which range from 2 to 6 deflections are preferred, with 2 to 3 deflections being particularly preferred.
  • the number of suitably to be selected parallel channels results from the above-described criterion for Kanal GmbHspeziüschen pressure drop and the size of the active surface Bei smaller active surfaces of 50 to 100 cm 2 , this value is suitably in the range of 3 to 20, with larger active surfaces of more than 100 to 600 cm 2 , this value is suitably between 10 and 50 parallel channels
  • channel width viewed from the web edge
  • erfmdungsge- sewer channel cross-sectional shape may for example be V-shaped or semicircular or approximately the shape of a truncated cone or be formed in another way, provided that the requirements for a suitable cross section and the manufacturability of the gas distribution field plate can be met
  • the gas distributor field plate according to the invention can have additional features which have the aim of reducing the channel length-specific pressure drop required for the discharge of condensate. Preference is given, for example, to hydrophobing or hyrophying the channel surfaces to obtain the desired condensate discharge capacity
  • a gas distributor field plate having a mean degree of parallelization of about 3-15, typically about 10 parallel channels, wherein the Gasschreibungskanale then have a channel cross-sectional area of> 0.5 mm 2 , more preferably> 0.5 to 1 mm 2 , b ) A gas distribution field plate with a high degree of parallehsticiansgrad of about 16-50, typically about 25 parallel channels, the
  • the fuel cell according to the invention is a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell
  • FIG. 1 shows the view of a gas distributor field plate according to the invention for a fuel cell
  • FIG. 2 shows current-voltage characteristics and current-pressure difference (cathode side) designations for a fuel cell constructed according to the prior art and a fuel cell according to the invention
  • Figure 1 shows the erfmdungsge4,e arrangement of Gasfarungskanalen a gas distribution field plate based on a 23er meander
  • the invention is not limited to this arrangement, but applies to any number of side by side running channels In the preferred combinations of boundary land width, Parallehsie- degrees of degree. Channel depths and channel cross-cut areas ensure that the total pressure drop across the cell is low compared to conventional constructions with comparable condensate discharge behavior
  • the cell has a gas flow field with a 23-fold parallelled meander with a channel depth and width of approximately 0.4 to 0.6 mm
  • the web width can be selected independently with the aim of adapting to the required maximum current density. In the case of the present embodiment, a web width of 1 mm was chosen.
  • the inflow and outflow areas are designed in such a way that a uniform flow of all channels of a parallelized meander is made possible by means of webs broken in this area.
  • the meanders are arranged so that both a DC and a counterflow of the media can take place.
  • the cell with a flow field constructed in accordance with the invention permits comparable condensate discharge at considerably reduced pressure drop, in particular at low current densities and increased gas or air conversions. By avoiding flooding phenomena, an increased cell voltage is also made possible.
  • FIG. 2 shows corresponding current-voltage characteristics or current-pressure drop (cathode-side) characteristics for a) according to the state of the art according to WO 2005/024985 A2 (Keilsteg-Flowfield) and b) for a cell constructed according to the invention.
  • the curves were measured in descending order.
  • the test parameters were as follows:
  • Anode 100% H 2 (pure hydrogen, fully moistened), conversion 70%, Tdp 60 0 C
  • Cathode air, conversion 25%, Tdp 60 ° C T-stack 60 0 C (cooling water inlet)

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasverteilerfeldplatte für eine Brennstoffzelle, wobei in der Gasverteilerfeldplatte parallel verlaufende Gasführungskanäle für die Reaktionsgase mit einer mäanderförmigen Struktur angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasführungskanäle so gestaltet sind, dass bei einem vorgegebenen Minimal-Gasfluss über die Zelle einerseits möglichst kurze Einzelkanallängen und andererseits ein Mindestwert des kanallängenspezifischen Druckabfalls vorgesehen werden, welcher ausreicht, um bei dem vorgegebenen Minimal-Gasfluss einen Austrag von Kondensat zu gewährleisten. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle mit einer solchen Gasverteilerfeldplatte auf der Kathodenseite und / oder Anodenseite, insbesondere eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzelle.

Description

Gasverteilerfeldplatte für eine Brennstoffzelle und eine solche enthaltende Brennstoffzelle
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Gasverteilerfeldplatte für eine Brennstoffzelle, wobei in der Gasverteilerfeldplatte parallel verlaufende Gasführungskanäle für die Reaktionsgase mit einer mäanderförmigen Struktur angeordnet sind. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle mit einer solchen Gasverteiler- feldplatte 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 etwa 20 bis 70% . Kathodenseitig wird fast durchgängig Luft als Sauerstoff quelle 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 Verarmungszonen, welche lokal zu einer stark verminderten Stromdichte führen, weitest- möglich vermieden werden. Die Gasführung soll weiterhin in mindestens einer Richtung mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit zur Austragung von als Tröpfchen anfallendem Kondensat erfolgen können.
Stand der Technik
Bekannt ist, dass die Gasführung zur Erreichung einer ausreichend hohen Geschwindigkeit über einzelne Kanäle oder mehrere parallel angeordnete Kanäle mit einer mäanderförmigen Struktur erfolgen kann. Diese kann sich gleichförmig über den aktiven Bereich erstrecken oder auch lokale Verzwei- gungen mit komplexerer Struktur beinhalten. Bekannt ist ebenfalls, dass bei geeigneter Kanalanordnung, wie etwa ähnliche
Kanallängen und ähnliche Kurvenzahl der Einzelkanäle, eine gleichförmige Geschwindigkeitsverteilung in den Kanälen erzielt werden kann.
Aus der WO 2005 /024985 A2 geht hervor, dass eine gleichförmige Geschwindigkeitsverteilung dadurch erfolgen kann, dass an den Mäandergrenzkanälen Stege mit variierender Breite vorgesehen sind, um den Quertransport von Medien entlang der Mäandergrenzkanäle zu vermindern. Auch bei einer so gestalteten Gasverteilerfeldplatte fällt unter bestimmten Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle so viel Kondensatwasser in der Flüssigphase an, dass ein Abtransport dieses Wassers zwingend erforderlich ist, um eine aus der mindestens teilweisen Flutung von Gaskanälen resultierende Leistungsminderung und/oder Schädigung der Brennstoffzelle zu vermeiden.
Bei herkömmlichen Brennstoffzellen ist zwar der Abtransport von Kondensat bei einer hinreichend hohen Druckdifferenz über den betreffenden Kanal nahezu immer möglich. Hierbei wird jedoch entweder der Brennstoffzellenstapel mit einem niedrigeren Umsatzgrad betrieben, was aber zu einem schlechteren Anlagenwirkungsgrad führt, oder die Auslegung der Brennstoffzelle erfolgt auf einen derart hohen Druckabfall über die Zelle, dass auch bei hohen Umsatzgraden und niedrigen Stomdichten ein ausreichender Kondensataustrag erfolgt.
Eine Ausführungsvariante dieses Ansatzes besteht gemäß der DE 100 01 606 Al darin, den Druckabfall über die Zelle so hoch zu wählen, dass das gebildete Produktwasser vollständig in der Gasphase geführt werden kann.
Eine andere Variante besteht gemäß der DE 10 2005 042 498 Al in der Ausbildung eines Noppen-Flowfields, bei welchem ein strömungs- und schwer- kraftgestützter Abtransport des Kondensats erfolgt. Diese Variante erlaubt jedoch keinen lageunabhängigen Betrieb der Brennstoffzelle im Gegensatz zu rein strömungs- und damit druckgetriebenen Austragsmechanismen.
Die US 2005/0191541 Al schlägt die in der Realisierung sehr aufwändige Möglichkeit vor, das gebildete Produktwasser direkt in den einzelnen Kanälen zu separieren und getrennt von den gasförmigen Medien abzuführen. Schließlich schlagt die US 2003 / 10129468 Al die Verwendung von Bipolarplatten definierter Porosität vor, welche eine separate Entfernung des Flus- siganteils aus den Kanälen erlauben sollen
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasverteilerfeldplatte für eine Brennstoffzelle vorzusehen, bei der die Gasfuhrungskanale in einer maander- formigen Struktur angeordnet sind, wobei in einfacher Weise bei einem mog- liehst niedrigen Druckabfall über die Zelle auch bei niedrigen Stromungsgeschwindigkeiten und Stromdichten ein sicherer Austrag von sich bildendem oder über die Medienbefeuchtung zugefuhrtem Kondensat ermöglicht wird Ferner soll eine mit einer solchen Gasverteilerfeldplatte ausgerüstete Brennstoffzelle vorgesehen werden, welche nicht nur unter Nennleistung, sondern auch im Teillastbereich mit damit verbundenen niedrigen Stromdichten einwandfrei arbeitet
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemaß gelost durch eine Gasverteilerfeldplatte gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 8
Bevorzugte bzw besonders zweckmäßige Ausfuhrungsformen des Anmel- dungsgegenstandes sind m den Unteranspruchen angegeben
Bei einer erfindungsgemaßen Brennstoffzelle, die mit einer erfindungsgema- ßen Gasverteilerfeldplatte ausgerüstet ist, ist es möglich, die Druckdifferenz über die Brennstoffzelle sowohl auf der Anoden- als auch auf der Kathoden- seite möglichst niedrig zu halten, so dass der aus der notwendigen Verdichtungsarbeit resultierende Hilfsenergiebedarf minimiert wird Gemäß der Erfindung ist es somit möglich, einerseits einen möglichst niedrigen Druckabfall über die Zelle im Nennpunkt vorzusehen, und andererseits auch bei gegenüber dem Nennbetriebspunkt möglichst weitgehend erniedrigten Gasstromen noch einen Austrag von Kondensat zu erlauben Eine erfmdungsgemaße Brennstoffzelle erlaubt somit einen Betrieb über einen weiten Lastbereich, verbunden mit hohen gas- und luftseitigen Umsatzgraden und mit einem niedrigen Druckabfall über die Zelle, was insgesamt einen hohen Anlagewirkungsgrad über einen weiten Betriebsbereich ermöglicht
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Gemäß der Erfindung erfolgt die Auslegung der Gasfuhrungskanale derart, dass bei einem gegebenen Mimmal-Gasfluss über die Zelle einerseits eine Geometrie mit möglichst kurzer Emzelkanallange und andererseits einem Mindestwert im kanallangenbezogenen Druckabfall gewählt wird, welcher aus- reicht, um auch bei einem solchen Mmimal-Gasfluss noch einen Austrag von Kondensat zu ermöglichen
Gegenstand der Erfindung ist somit eine Gasverteilerfeldplatte für eine Brennstoffzelle, wobei in der Gasverteilerfeldplatte parallel verlaufende Gas- fuhrungskanale für die Reaktionsgase mit einer maanderformigen Struktur angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasfuhrungskanale so gestaltet sind, dass bei einem vorgegebenen Mmimal-Gasfluss über die Zelle einerseits möglichst kurze Emzelkanallangen und andererseits ein Mindestwert des kanallangenspezifischen Druckabfalls vorgesehen werden, welcher aus- reicht, um bei dem vorgegebenen Mmimal-Gasfluss einen Austrag von Kondensat zu gewahrleisten
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Brennstoffzelle mit einer solchen Gasverteilerfeldplatte auf der Kathodenseite und /oder Anodenseite
Gemäß der Erfindung hat sich anhand von Vergleichsmessungen verschiedener Kanalgeometrien gezeigt, dass bei gegebenen Bipolarplatten- und Gasdif- fusionslagen (GDL)-Mateπahen das Kriterium des kanallangenspezifischen Druckabfalls gut geeignet ist, um einen ausreichenden Austrag von Konden- sat sicherzustellen Bevorzugt haben sich als Auslegungskriterium kanallan- genspezifische Druckabfalle von 10-50 mBar/m Kanallange als geeignet erwiesen Besonders bevorzugt sind langenspezifische Druckabfalle im Bereich von 10-30 mBar/ m Kanallange Dieses Auslegungskriteπum bezieht sich auf den minimalen Betriebspunkt, an dem Kondensataustragung erfolgen soll
Zwar ist es grundsatzlich möglich, den geforderten langenspezifischen Druckabfall bei größeren Kanalquerschnittsflachen und damit größeren Kanalbrei- ten und/oder Kanaltiefen, über eine geringere Kanal-Parallehsierung und eine damit verbundene höhere Stromungsgeschwindigkeit im Kanal zu erreichen Dies bedingt jedoch eine höhere Zahl an Umlenkungen innerhalb des Gasver- teüerfeldes, was wiederum zu einer höheren Emzelkanallange und damit zu einem höheren Gesamtdruckabfall fuhrt
Dazu gegensatzlich wird erfindungsgemaß der geforderte langenspezifische Druckabfall bei kleineren Kanalquerschnittsflachen und damit geringeren Kanalbreiten und /oder Kanaltiefen über eine höhere Kanal-Parallehsierung und eine damit verbundene niedrigere Stromungsgeschwindigkeit im Kanal erreicht Dies ermöglicht eine geringere Zahl an Umlenkungen innerhalb das Gasverteilerfelds, wodurch eine geringere Einzelkanallange resultiert Erfindungsgemaß ist es somit möglich, eine Brennstoffzelle vorzusehen, welche bei gegebenen Gasstromen unter Erhalt der Kondensataustragsfahigkeit einen möglichst niedrigen Druckabfall aufweist
Vergleichsrechnungen und -messungen mit unterschiedlichen Kanalgeometrien am Beispiel einer Zelle mit 100 cm2 Aktivflache haben gezeigt, dass bei einer gegebenen Flowfield-Flache und bei einer als fest angesetzten Kanalsteg- breite von z B 1 mm, erfmdungsgemaße Kanalgeometrien mit einer mittleren oder hohen Anzahl von parallel laufenden Kanälen bei gleichzeitig niedriger Kanalquerschnittsflache pro Kanal im Vergleich zu einer geringen Anzahl von parallel laufenden Kanälen bei gleichzeitig höherer Kanalquerschnittsflache pro Kanal, bei vergleichbarem langenspezifischen Druckabfall und vergleich- barem Kondensataustragsverhalten einen insgesamt niedrigeren Druckabfall aufweisen und daher zu bevorzugen sind
Die Einzelkanallange wird wesentlich durch die Zahl der Kanal-Umlenkungen bestimmt Auch Varianten ohne Umlenkungen sind erfindungsgemaß denk- bar, wenn die Geometrie der Aktivflache ein hohes Langen-zu-Breiten-Verhalt- nis (beispielsweise von > 2) aufweist Bei kleineren Langen-zu-Breiten-Ver- haltmssen zwischen 1 und 2 sind Werte zwischen 2 und maximal 10 Umlenkungen sinnvoll und geeignet Erfindungsgemaß bevorzugt sind dabei Varianten, welche sich im Bereich von 2 bis 6 Umlenkungen bewegen, wobei 2 bis 3 Umlenkungen besonders bevorzugt sind Die Zahl der geeigneterweise zu wahlenden Parallelkanale ergibt sich aus dem oben beschriebenen Kriterium für den kanallangenspeziüschen Druckabfall und der Große der Aktivflache Bei kleineren Aktivflachen von 50 bis 100 cm2 liegt dieser Wert geeigneterweise im Bereich von 3 bis 20, bei größeren Aktivflachen von über 100 bis 600 cm2 hegt dieser Wert geeigneterweise zwischen 10 und 50 Parallelkanalen
Bei einem den erfindungsgemaßen Auslegungskriteπen genugenden Flowfield ergeben sich zusätzliche Vorteile hinsichtlich der Massenfertigungstaughch- keit der entsprechenden Bipolarplatten, da Verfahren wie Spπtzguss- oder Prageverfahren einfacher mit niedrigen Kanaltiefen zu realisieren sind
Um bei praktikablen Kanaltiefen, welche beispielsweise bei 0,5 mm liegen, ausreichende kanallangenspezifische Druckabfalle zu erzielen, ist es erfin- dungsgemaß bevorzugt, von der üblichen rechteckigen Kanalquerschnittsgeometrie dahingehend abzuweichen, dass sich die Kanalbreite von der Stegkante aus gesehen nach unten zum Kanalboden hin vermindert Die erfmdungsge- maße Kanalquerschnittsform kann beispielsweise V- formig oder halbkreisförmig sein oder etwa die Form eines abgeschnittenen Kegels aufweisen oder auch in anderer Weise geformt sein, sofern den Anforderungen an einen geeigneten Querschnitt sowie an die Herstellbarkeit der Gasverteilerfeldplatte entsprochen werden kann
Mit einer von der reinen Rechteckform abweichenden Querschnittsform sind in den meisten Fallen zusatzliche Vorteile hinsichtlich der Fertigbarkeit von Bipolarplatten verbunden
Weiterhin kann die erfindungsgemaße Gasverteilerfeldplatte zusätzliche Merkmale aufweisen, welche eine Verringerung des für den Austrag von Kondensat erforderlichen kanallangenspezifischen Druckabfalls zum Ziel haben Bevorzugt ist beispielsweise eine Hydrophobierung oder eine Hyrophiherung der Kanaloberflachen zur Erzielung der gewünschten Kondensataustragsfahigkeit
Weiterhin sind folgende Ausfuhrungsformen bevorzugt.
a) Eine Gasverteilerfeldplatte mit einem mittleren Parallehsierungsgrad von etwa 3- 15, typischerweise etwa 10 parallel verlaufenden Kanälen, wobei die Gasfuhrungskanale dann eine Kanalquerschnittsflache von jeweils > 0,5 mm2, weiter vorzugsweise > 0,5 bis 1 mm2, aufweisen, b) Eine Gasverteilerfeldplatte mit einem hohen Parallehsierungsgrad von etwa 16-50, typischerweise etwa 25 parallel verlaufenden Kanälen, wobei die
Gasfuhrungskanale dann eine Kanalquerschnittsflache von jeweils ≤ 0,8 mm2, weiter vorzugsweise 0, 1 bis weniger als 0,5 mm2, aufweisen
Die obigen Ausfuhrungsformen können selbstverständlich auch kombiniert werden mit der zuvor genannten Ausfuhrungsform, bei der die Kanaloberflachen hydrophihert oder hydrophobiert sind
Weiterhin kann die maanderformige Struktur der Gasfuhrungskanale in den erfmdungsgemaßen Gasverteilerfeldplatten so angeordnet sein, dass eine Strömung der Reaktionsgase in gleicher, gekreuzter oder entgegengesetzter Stromungsrichtung ermöglicht wird
Die konkret gewählte Kanalstegbreite wie auch die Art und Kombination des Parallehsierungsgrades der Kanäle und der Kanalquerschnittsflachen sind abhangig von den Eigenschaften der gewählten Gasdiffusionslage wie auch den geforderten Stromdichtebereichen Erfmdungsgemaß wirksame Geometrien können sowohl über Modellrechnungen als auch über die Ermittlung von Leistungskennlmien aufgebauter Brennstoffzellen unter Variation der Paral- lehsierungsgrade, der Kanaltiefen und Kanalgeometrien für einen Fachmann anhand einfacher Versuche ermittelt werden
Jede der oben beschriebenen, erfmdungsgemaßen Ausfuhrungsformen bewirkt gegenüber einem Stand der Technik, welcher durch hohe Kanaltiefen bei längeren Gesamtkanallangen repräsentiert wird, eine verbesserte Kombination der Parameter "Druckabfall bei gegebenem Gasstrom" und "Kondensataus- tragsfahigkeit bei kleinen Gasstromen".
Der Aufbau und die Komponenten einer erfmdungsgemaßen Brennstoffzelle entsprechen dem Stand der Technik, mit Ausnahme der erfmdungsgemaßen Gasverteilerfeldplatte auf der Kathodenseite und /oder Anodenseite, vorzugsweise sowohl auf der Kathoden- als auch der Anodenseite Bei den verwendbaren Gasdiffussionlagen (GDL)-Mateπalien handelt es sich um die üblicherweise in Polymermembran- , Direktmethanol-, Hochtemperatur-PEM- und Phosphorsaure-Brennstoffzellen verwendeten Gasdiffusionslagen Diese dienen dem Medientransport von und zu den Elektroden sowie der möglichst flächigen Elektrodenkontaktierung Die Gasdiffusionslagen beeinflussen eben- falls den Wasserhaushalt der Zelle und damit insbesondere das Verhalten bei sehr trockenen oder sehr feuchten, das heißt kondensierenden, Betriebsbedingungen
Insbesondere bevorzugt handelt es sich bei der erfindungsgemaßen Brennstoffzelle um eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzelle
Bevorzugte Ausfuhrungsformen der Erfindung
Die Erfindung wird anhand bevorzugter Ausfuhrungsformen mit Bezugnahme auf die Zeichnungen naher erläutert Dabei zeigen
Figur 1 die Ansicht einer erfindungsgemaßen Gasverteilerfeldplatte für eine Brennstoffzelle,
Figur 2 Strom-Spannungs-Kennhnien und Strom-Druckdifferenz (katho- denseitig)-Kennhnien für eine nach dem Stand der Technik aufgebaute sowie eine erfmdungsgemaße Brennstoffzelle
Das Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 1 zeigt die erfmdungsgemaße Anordnung von Gasfuhrungskanalen einer Gasverteilerfeldplatte anhand eines 23er Mäanders Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anordnung beschrankt, sondern gilt für eine beliebige Anzahl nebeneinander laufender Kanäle Bei den bevorzugt gewählten Kombinationen von Grenzstegbreite, Parallehsie- rungsgraden. Kanaltiefen und Kanalquerschmttsflachen ist gewährleistet, dass der Gesamtdruckabfall über die Zelle niedrig ist im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionen mit vergleichbarem Kondensataustragsverhalten
Die Erfindung wird anhand einer Polymermembran-Brennstoffzelle erläutert, ohne auf diesen Zelltyp beschrankt zu sein
Ein Ausfuhrungsbeispiel einer erfindungsgemaß aufgebauten Gasverteilerfeldplatte wird anhand einer Polymermembran-Brennstoffzelle mit 100 cm2 Aktiv- flache erläutert
Die Zelle weist ein Gasverteilerfeld (Flowfield) mit einem 23-fach parallehsier- ten Mäander mit einer Kanaltiefe und -breite von etwa 0,4 bis 0, 6 mm auf Die Stegbreite kann unabhängig davon mit dem Ziel einer Anpassung an die geforderte Maximalstromdichte gewählt werden. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels wurde eine Stegbreite von 1 mm gewählt. Die Ein- und Ausströmungsbereiche sind so aufgebaut, dass durch in diesem Bereich un- terbrochene Stege eine gleichmäßige Anströmung aller Kanäle eines paralleli- sierten Mäanders ermöglicht wird. Vorliegend sind die Mäander so angeordnet, dass sowohl eine Gleich- als auch eine Gegenströmung der Medien erfolgen kann.
Die Zelle mit erfindungsgemäß aufgebautem Flowfield ermöglicht gegenüber dem Stand der Technik insbesondere bei niedrigen Stromdichten und erhöhten Gas- bzw. Luftumsätzen eine vergleichbare Kondensataustragung bei erheblich erniedrigtem Druckabfall. Durch Vermeidung von Flutungserscheinungen wird ebenfalls eine erhöhte Zellspannung ermöglicht.
In Figur 2 sind entsprechende Strom-Spannungs-Kennlinien bzw. Strom- Druckabfall (kathodenseitig)-Kennlinien für a) nach dem Stand der Technik gemäß der WO 2005/024985 A2 (Keilsteg-Flowfield) und b) für eine erfindungsgemäß aufgebaute Zelle wiedergegeben. Die Kennlinien wurden abstei- gend gemessen. Die Testparameter waren wie folgt:
Anode: 100% H2 (Reinwasserstoff, voll befeuchtet), Umsatz 70%, Tdp 600C Kathode: Luft, Umsatz 25%, Tdp 60°C T-Stack 600C (Kühlwassereintritt)
Aus Figur 2 geht hervor, dass bei der erfindungsgemäßen Zelle eine signifikante Verringerung des Druckabfalls bei gleichen Stromdichten und Umsatzgraden und mindestens gleicher Kondensataustragsfähigkeit erzielt werden kann. Bei der Vergleichszelle kommt ein Flowfield zum Einsatz, welches eine verminderte Querdiffussion aufweist und den für einen Kondensataustrag nötigen Druckabfall durch einen geringen Parallelisierungsgrad (3 Parallel-Ka- näle) und damit unter Einstellung einer hohen Zahl von Umlenkungen und einer hohen Gesamtkanallänge erreicht. Wie in Figur 2 erkennbar, ist der Gesamtdruckabfall hierbei um ca. Faktor 3 und damit deutlich höher, als bei der erfindungsgemäßen Zelle.

Claims

Patentansprüche
1. Gasverteilerfeldplatte für eine Brennstoffzelle, wobei in der Gasverteilerfeldplatte parallel verlaufende Gasführungskanäle für die Reaktionsgase mit einer mäanderförmigen Struktur angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasführungskanäle so gestaltet sind, dass bei einem vorgegebenen Minimal-Gasfluss über die Zelle einerseits möglichst kurze Einzelkanallängen und andererseits ein Mindestwert des kanallängenspezifischen Druckabfalls vorgesehen werden, welcher ausreicht, um bei dem vorgegebenen Minimal- Gasfluss einen Austrag von Kondensat zu gewährleisten.
2. Gasverteilerfeldplatte nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Gasführungskanäle so gestaltet sind, dass ein kanallängenspezifischer Druckabfall von 10-50 mBar/m Kanallänge vorgesehen wird.
3. Gasverteilerfeldplatte nach Anspruch 1 und / oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem mittleren Parallelisierungsgrad von etwa 3- 15 parallel verlaufenden Kanälen die Gasführungskanäle eine Kanalquerschnittsfläche von jeweils ≥ 0,5 mm2, vorzugsweise 0,5- 1 mm2, aufweisen.
4. Gasverteilerfeldplatte nach Anspruch 1 und / oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem hohen Parallelisierungsgrad von etwa 16-50 parallel verlaufenden Kanälen die Gasführungskanäle eine Kanalquerschnittsfläche von jeweils ≤ 0,8 mm2 , vorzugsweise 0, 1 -0,5 mm2, aufweisen.
5. Gasverteilerfeldplatte nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanaloberflächen zur Erzielung der gewünschten Kondensataustragsfähigkeit hydrophiliert oder hydropho- biert sind.
6. Gasverteilerfeldplatte nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Gasführungskanäle eine Querschnittsform aufweisen , bei der sich die Kanalbreite von der Stegkante aus gesehen nach unten zum Kanalboden hin vermindert.
7. Gasverteilerfeldplatte nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mäanderförmige Struktur der Gasführungskanäle eine Strömung der Reaktionsgase in gleicher, gekreuzter oder entgegengesetzter Strömungsrichtung ermöglicht.
8. Brennstoffzelle mit einer Gasverteilerfeldplatte gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 -7 auf der Kathodenseite und/ oder Anodenseite.
9. Brennstoffzelle nach Anspruch 8, bei der es sich um eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzelle handelt.
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