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  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    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. DOLLAR A Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle mit einem solchen Gasverteilerfeld auf der Kathodenseite und/oder Anodenseite, insbesondere eine Polymer-Elektrolyt-Membran(PEM)-Brennstoffzelle.
    公开号:DE102004026134A1
    申请号:DE102004026134
    申请日:2004-05-28
    公开日:2005-04-07
    发明作者:Frank HÄUSSLER；Ludwig Dr. Jörissen；Werner Dr. Lehnert；Joachim Dr. Scholta；Weibo Dr. Zhang
    申请人:Zentrum fur Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Wuerttemberg Gemeinnuetzige Stiftung；ZSW；
    IPC主号:H01M8-02
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Gasverteilerfeld für eine Brennstoffzelle, beidem parallel verlaufende Gasführungskanäle mit einermäanderförmigen Strukturangeordnet sind. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellemit einem solchen Gasverteilerfeld auf der Kathodenseite und/oderAnodenseite. Bei einer solchen Brennstoffzelle handelt es sich insbesondereum eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzelle.
    [0002] PEM-Brennstoffzellenverstromen anodenseitig Wasserstoff oder Reformat aus unterschiedlichenQuellen und Verfahren mit einem Inertgasanteil von 20 bis zu etwa70 %. Kathodenseitig wird fast durchgängig Luft als Sauerstoffquelleverwendet.
    [0003] Inbeiden Fällenkommt es darauf an, die Reaktionsgase möglichst weitgehend unter Erhaltder Zellspannung umzusetzen. Dies erfordert eine gleichmäßige Führung derReaktionsgase überdie Zelle in einer Weise, dass Verarmungszonen, welche lokal zueiner stark verminderten Stromdichte führen, weitestmöglich vermiedenwerden.
    [0004] DieGasführungsoll weiterhin in mindestens einer Richtung mit einer ausreichendhohen Geschwindigkeit zur Austragung von Tröpfchen erfolgen können.
    [0005] Bekanntist, dass die Gasführungzur Erreichung einer ausreichend hohen Geschwindigkeit über einzelneKanäleoder mehrerer parallel angeordnete Kanäle mit einer mäanderförmigen Struktur erfolgenkann. Diese kann sich gleichförmig über den aktivenBereich erstrecken oder auch lokale Verzweigungen mit komplexererStruktur beeinhalten.
    [0006] Bekanntist ebenfalls, dass bei geeigneter Kanalanordnung, wie etwa ähnlicheKanallängenund ähnlicheKurvenanzahl der Einzelkanäle,eine gleichförmigeGeschwindigkeitsverteilung in den Kanälen erzielt werden kann.
    [0007] Beider z. B. in DE 10015 360 A1 beschriebenen Kanalanordnung mit Mäanderstrukturnach dem Stand der Technik verlaufen einige Kanäle nebeneinander, deren statischerDruck erheblich voneinander abweicht, da zwischen den aneinanderliegendenGaskanälengrößere Weglängen mitentsprechenden Druckabfällenliegen können.Daraus resultiert eine Querdiffusion über die Gasdiffusionslage, welchezu einer lokalen Anreicherung von Reaktanden und einem teilweisenhydraulischen Kurzschluss bestimmter Kanalteile führt, welcherseinerseits zu einer Verarmung der Reaktanden in anderen Bereichender aktiven Flächeund einer daraus resultierenden Verminderung der erzielbaren Stromdichteführt.
    [0008] InFolge muß derentsprechende Brennstoffzellenstapel mit einem niedrigeren Umsatzgradbetrieben werden, welcher wiederum zu einem schlechteren Anlagenwirkungsgradführt.
    [0009] DerErfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gasverteilerfeld für eine Brennstoffzellevorzusehen, bei dem die Gasführungskanäle einemäanderförmige Strukturaufweisen, wobei die an den Kanälenauftretende Querdiffusion überdie Gasdiffusionslage soweit vermindert ist, dass eine annähernd gleichmäßige Gasverteilung über diegesamte Mäanderlänge erreichtwird. Ferner soll eine Brennstoffzelle mit möglichst hohen Reaktionsgas-Umsatzgraden vorgesehenwerden, welche einen hohen Anlagewirkungsgrad ermöglicht.
    [0010] Dievorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Gasverteilerfeldgemäß Anspruch1 sowie durch eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 5.
    [0011] Bevorzugtebzw. besonders zweckmäßige Ausführungsformendes Anmeldungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.
    [0012] Beidem erfindungsgemäßen Gasverteilerfeldwird der Quertransport von Medien entlang der Mäandergrenzkanäle vermindertund dadurch eine gleichmä ßige Strömung durchalle Kanäleerreicht. Dies ermöglichtden Aufbau von Brennstoffzellen mit hohem Umsatzgrad und Wirkungsgrad.
    [0013] Gegenstandder Erfindung ist somit ein Gasverteilerfeld für eine Brennstoffzelle, beidem parallel verlaufende Gasführungskanäle mit einermäanderförmigen Stukturangeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass an den Mäandergrenzkanälen Stege mitvariierender Breite vorgesehen sind, um den Quertransport von Medienentlang der Mäandergrenzkanäle zu vermindern.
    [0014] Gegenstandder Erfindung ist weiterhin eine Brennstoffzelle mit einem solchenGasverteilerfeld auf der Kathodenseite und/oder Anodenseite.
    [0015] Gemäß der Erfindunghat sich somit gezeigt, dass die oben genannte Aufgabe dadurch gelöst werdenkann, dass der an den betreffenden Übergängen der Gasführungskanäle vorhandeneSteg in seiner Breite derart variiert wird, dass die auftretendeQuerströmunggerade ausreichend ist, um an der Reaktionszone oberhalb des betreffendenStegabschnitts eine ausreichende Reaktandenkonzentration zu ermöglichen.
    [0016] Erfindungsgemäß sind für die Variationder Stegbreite an den Mäandergrenzkanälen zweiKonfigurationen vorgesehen: a) Eine Verbreiterungdes betreffenden Steges um einen konstanten Betrag, b) eine Verbreiterung des betreffenden Steges um einen variablenBetrag, speziell eine Verbreiterung des betreffenden Steges in Keilform.
    [0017] Konfigurationa) ermöglichteine erfindungsgemäße Lösung desQuerströmungsproblems.In einem Stegbereich mit nur kurzer überbrückender Kanallänge kannjedoch durch die Verbreiterung eine gewisse Verarmung der Reaktandenkonzentration auftreten.Besonders bevorzugt ist daher Variante b), welche die erfindungsgemäße Lösung desQuerströmungsproblemsohne Inkaufnahme einer Reaktandenverarmung über dem Stegteil mit kurzerKanallängeermöglicht.
    [0018] Derkonkrete Umfang der zusätzlichenVerbreiterung wie auch der zusätzlichenKeilform ist abhängigvon den Eigenschaften der gewähltenGasdiffusionslage wie auch den gewählten Kanalgeometrien. Erfindungsgemäß wirksameGeometrien können sowohl über Modellrechnungenals auch überdie Ermittlung von Leistungskennlinien aufgebauter Brennstoffzellenunter Variation der Steggeometrien ermittelt werden.
    [0019] DerAufbau und die Komponenten einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle entsprechendem Stand der Technik, mit Ausnahme des erfindungsgemäßen Gasverteilerfeldesauf der Kathodenseite und/oder Anodenseite, vorzugsweise sowohlauf der Kathoden- als auch der Anodenseite. Insbesondere bevorzugthandelt es sich bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle um einePolymer-Elektrolyt-Membran(PEM)-Brennstoffzelle.
    [0020] DieErfindung wird anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezugnahmeauf die Zeichnungen nähererläutert.Dabei zeigen:
    [0021] 1: Den Ausschnitt eines erfindungsgemäß ausgeführten Gasverteilerfeldeseiner Brennstoffzelle;
    [0022] 2: Strom-Spannungskennlinienfür nach demStand der Technik aufgebaute und erfindungsgemäße Gasverteilerfelder; und
    [0023] 3: Umsatz-Kennlinien für eine nachdem Stand der Technik aufgebaute sowie eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle.
    [0024] DasAusführungsbeispielgemäß 1 zeigt die erfindungsgemäße Anordnunganhand eines Dreier-Mäanders.Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anordnung beschränkt, sonderngilt füreine beliebige Anzahl parallel laufender Kanäle. Bei der bevorzugten Keilformergibt sich eine gegenüberder waagerechten bzw. senkrechten leicht angewinkelte Struktur,welche bei einer nach unten führenden HauptströmungsrichtungzusätzlicheVorteile in Form eines erleichterten Austrags von Wassertröpfchen aufweist.
    [0025] DieErfindung wird anhand einer Polymermembran-Brennstoffzelle erläutert, ohneauf diesen Zelltyp beschränktzu sein.
    [0026] EinAusführungsbeispieleines erfindungsgemäß aufgebautenGasverteilerfeldes (Flowfield) wird anhand einer Polymermembran-Brennstoffzellemit 100 cm2 Aktivfläche erläutert: Eine nach dem Standder Technik aufgebaute Zelle weist ein Flowfield mit einem dreifachparallelisierten Mäandermit einer Kanal- und Stegbreite von etwa 0,8 mm auf. Die Kanaltiefeliegt im Bereich von 1,2 bis 1,6 mm. Nach dem Stand der Techniksind die Ein- und Ausströmungsbereicheso aufgebaut, dass durch in diesem Bereich mehrfach unterbrochene Stegeeine gleichmäßige Anströmung allerKanäleeines parallelisierten Mäandersermöglichtwird. Die Anordnungen der Mäanderauf der Anoden- und Kathodenseite können eine Strömung ingleicher, gekreuzter oder entgegengesetzter Strömungsrichtung ermöglichen.Im Ausführungsbeispielsind die Mäanderso angeordnet, dass sowohl eine Gleich- als auch eine Gegenströmung derMedien erfolgen kann.
    [0027] DieZelle mit erfindungsgemäß aufgebautem Flowfieldist in oben beschriebener Form aufgebaut, weist jedoch an den Stegenmit entgegengesetzter Strömungsrichtungund damit korrespondierenden erhöhtenDruckdifferenzen einen keilförmigenVerlauf auf. Am strömungsumlenkseitigenEnde des Steges ist dieser gleich breit wie die übrigen Stege. Zum anderen Endehin verdickt sich der Steg gleichmäßig auf eine Breite von 1,8mm, so dass die an diesem Ende auftretende Querströmung über denSteg (bedingt durch die erhöhteDruckdifferenz) etwa so weit vermindert wird, dass über demSteg gerade noch eine ausreichende Medienversorgung gegeben ist.
    [0028] DieseAnordnung lässtgegenüberdem Stand der Technik insbesondere bei höheren Stromdichten und erhöhten Gas-bzw. Luftumsätzeneine verbesserte Zellspannung erwarten.
    [0029] In 4 sind entsprechende Strom-Spannungskennlinienfür a)nach dem Stand der Technik aufgebaute und b) erfindungsgemäß aufgebaute Flowfieldswiedergegeben. Es zeigt sich, dass erfindungsgemäß eine signifikante Verbesserungdes Kennlinienverlaufs bei hohen Stromdichten erzielt werden kann.
    [0030] Weiterhinweist eine erfindungsgemäß aufgebauteZelle einen verbesserten Verlauf der Umsatzkennlinie auf, wie in 5 erkennbar ist.
    [0031] Eszeigt sich, dass eine erfindungsgemäß aufgebaute Zelle bei Umsatzgradenvon mehr als 45 % eine um bis zu 50 mV verbesserte Zellspannung aufweist,was mit einer durch die erfindungsgemäßen keilförmigen Stege verminderten Querdiffusion undder dadurch bewirkten gleichmäßigerenStrömungsverteilungerklärtwerden kann.
    权利要求:
    Claims (6)
    [1] Gasverteilerfeld für eine Brennstoffzelle, bei demparallel verlaufende Gasführungskanäle mit einermäanderförmigen Stukturangeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass an den Mäandergrenzkanälen Stegemit variierender Breite vorgesehen sind, um den Quertransport vonMedien entlang der Mäandergrenzkanäle zu vermindern.
    [2] Gasverteilerfeld nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass an den Mäandergrenzkanälen Stegemit ansteigender Breite vorgesehen sind.
    [3] Gasverteilerfeld nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,dass an den Mäandergrenzkanälen Stegemit keilförmigansteigender Breite vorgesehen sind.
    [4] Gasverteilerfeld nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass an den Mäandergrenzkanälen Stegemit im Vergleich zu den übrigenStegen gleichmäßig erhöhter Breitevorgesehen sind.
    [5] Brennstoffzelle mit einem Gasverteilerfeld gemäß einemder Ansprüche1-4 auf der Kathodenseite und/oder Anodenseite.
    [6] Brennstoffzelle nach Anspruch 5, bei der es sichum eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzelle handelt.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-04-07| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2006-04-06| 8363| Opposition against the patent|
    2013-04-04| R120| Application withdrawn or ip right abandoned|Effective date: 20130205 |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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