CN117916917A - 用于电化学电池的分配器板和电化学电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于电化学电池(1)的分配器板(7)，其中，所述分配器板(7)具有包括接片(12)和主通道(11)的结构，所述接片分别具有一个表面(13)和所述主通道分别具有一个底面(33)，其中，所述表面(13)具有至少一个辅助通道(15)和覆盖所述至少一个辅助通道(15)的至少部分的涂层(37)，并且所述涂层(37)是至少部分地多孔的、尤其透水的并且必要时是亲水的。此外，本发明涉及一种电化学电池(1)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于电化学电池的分配器板，其中，分配器板具有包括接片和主通道的结构，所述接片分别具有一个表面，所述主通道分别具有一个底面。此外，本发明涉及电化学电池。
背景技术
电化学电池是电化学能量转化器并且以燃料电池或电解槽的形式是已知的。
燃料电池将连续供应的燃料和氧化剂的化学反应能转化为电能。在已知的燃料电池中，尤其氢(H2)和氧(O2)被转化为水(H2O)、电能和热。
此外，质子交换膜(PEM)-燃料电池是已知的。质子交换膜燃料电池具有中央布置的隔膜，该隔膜对于质子、即氢离子是可透过的。氧化剂、尤其空气中的氧气由此与燃料、尤其氢气在空间上分离。
燃料电池具有阳极和阴极。燃料被供应给燃料电池的阳极并且在释放电子的情况下催化氧化成质子，质子到达阴极。释放的电子从燃料电池被导出并且通过外部电路流到阴极。
氧化剂、尤其空气中的氧气被供应给燃料电池的阴极并且通过吸收来自外部电路的电子和质子反应成水。如此形成的水从燃料电池中被导出。总反应为：
O2+4H++4e-→2H2O
在此，在燃料电池的阳极和阴极之间存在电压。为了提高电压，可以将多个燃料电池机械地彼此相继地布置成燃料电池堆叠，也称为堆或燃料电池结构并且电串联地连接。
电化学电池的堆叠通常具有将各个电池相互压紧并且给堆叠赋予稳定性的端板。端板也可以用作堆叠的正极或负极，用于导出电流。
电极，即阳极和阴极以及隔膜可以在结构设计上合并成隔膜电极组件(MEA)，也称为隔膜电极组。
电化学电池的堆叠还具有双极板，也称为气体分配器板或分配器板。双极板用于将燃料均匀地分布到阳极上以及将氧化剂均匀地分布到阴极上。此外，双极板通常具有表面结构、尤其通道状的结构，用于将燃料以及氧化剂分布到电极上。尤其，在燃料电池中，通道状的结构也用于导出在反应时形成的水。附加地，双极板可以具有用于引导冷却介质通过电化学电池以导出热量的结构。
除了关于氧气、氢气和水的介质引导外，双极板还确保与隔膜的面式电接触。
例如，燃料电池堆叠通常包括多达数百个单个的燃料电池，这些燃料电池层状地作为所谓的三明治堆叠在一起。各个燃料电池在阳极侧和阴极侧上均具有MEA和各一个双极板半部。燃料电池尤其包括通常分别呈压制的板材形式的阳极单极板和阴极单极板，该阳极单极板和阴极单极板一起形成双极板并且从而形成用于引导气体和液体的通道，并且冷却介质在所述通道之间流动。
此外，电化学电池通常包括用于气体分布的气体扩散层。气体扩散层布置在双极板和MEA之间并且通常在通道侧、即朝邻接的双极板的方向由碳纤维绒构成，也称为“气体扩散背衬”(GDB)，并且在催化器侧、即朝隔膜的方向由微孔层，也称为“微孔层”(MPL)构造。
与燃料电池相比，电解槽是一种能量转化器，该能量转化器在施加电压的情况下优选将水分解为氢气和氧气。此外，电解槽也具有MEA、双极板和气体扩散层。
对于电化学电池的效率，尤其具有聚合物电解质隔膜的电化学电池的效率特别重要的是，向布置在隔膜上的电极层均匀地供给以反应气体。
已知的分配器板尤其具有形成结构的通道和对应地邻接的或相邻的接片。通道也称为主通道或Channels并且接片称为陆地(Lands)。接片的至少部分地平行于分配器板的伸展平面的表面包括分配器板与电化学电池的邻接的气体扩散层的接触面。气体氢气和氧气通过气体扩散层从分配器板的通道到达隔膜上的反应区。气体扩散层的置于分配器板的接片上的区域和从而位于其下方的MEA的相应区域相对较差地被供给以反应气体，尤其在电化学电池的溢流的条件下，这可能导致不希望地不均匀的电流密度分布。
在隔膜的供应空气、即氧气的一侧上，在燃料电池的运行中形成水，水穿过气体扩散层被输送到分配器板的通道，并且从那里必须从电池中除去。对于具有隔膜的电化学电池的典型运行温度为小于120℃，使得水通常至少部分地在气体扩散层中冷凝并且液态地存在。在气体扩散层中，水的输送方向与气体的输送方向相反，并且聚积的水能够强烈地阻碍反应气体、尤其氧气的补充。
通过气体扩散层的结构使在高电流密度时通常以液态形式存在的水难以自然地流出，使得可能存在积水，尤其在接片下方。该积水能够限制在接触区域中的电化学电池的功率密度。
电化学电池的功率密度越高，则产生越多的水，使得在气体扩散层与分配器板的空气通道侧之间的接触区域中输送走的液态水的量可能是不足的。
JP 2020-47441A说明了一种用于双极板的改进的排水系统，在该排水系统中，接片的在平行于主通道的方向的侧面中设置有附加的沟槽。
JP 2020-47443A说明了一种具有改进的排水结构的双极板，其中，双极板的接片具有横向于主通道的方向布置的附加的通道系统。附加的通道系统的各两个通道具有一个共同的排出部。此外，公开了在分配器板的主通道中的横向结构，然而，该横向结构导致高的压力损失。
JP 2020-47440A也涉及一种具有改进的排水系统的双极板，其中，接片横向于主通道方向具有切口并且存在沿着接片的侧面平行于主通道的方向的附加沟槽。
此外，分配器板的涂层是已知的。
发明内容
本发明提出一种用于电化学电池的分配器板，其中，分配器板具有包括接片和主通道的结构，所述接片分别具有一个表面，所述主通道分别具有一个底面，其中，所述表面具有至少一个辅助通道和覆盖所述至少一个辅助通道的至少部分的涂层，并且所述涂层是至少部分地多孔的、尤其透水的和必要时是亲水的。
此外，提出一种包括分配器板的电化学电池。
优选是燃料电池或电解槽的电化学电池优选包括至少一个根据本发明的分配器板、至少一个气体扩散层和至少一个隔膜或者说隔膜电极组件。尤其，气体扩散层分别布置在分配器板和隔膜之间。
气体扩散层优选具有打开多孔的结构。该隔膜优选是聚合物电解质隔膜，例如包含全氟磺酸(PFSA)、尤其Nafion或由全氟磺酸(PFSA)、尤其Nafion构成。此外，也可以使用碱性隔膜。
优选地，气体扩散层包括无纺布、尤其碳纤维无纺布和必要时微孔层，其中，无纺布布置在气体扩散层的指向分配器板的一侧上。进一步优选地，气体扩散层由碳纤维无纺布和必要时微孔层构成。
分配器板优选包括碳如石墨、金属如不锈钢或钛和/或包含该金属的合金。进一步优选地，分配器板由碳、金属和/或合金构造。尤其，分配器板的基板由碳、金属和/或合金构成。
至少一个辅助通道也可以称为排水通道、毛细管通道、沟槽或称为微观上小的沟槽状结构，并且用于将已形成的反应水排出到主通道中。至少一个辅助通道尤其布置在分配器板的在电化学电池中指向相邻布置的气体扩散层的一侧上。
也可以称为双极板的分配器板优选具有波形结构，其中，接片和主通道交替并且进一步优选地分别彼此平行地布置。
优选地，接片的表面分别包括至少一个接触区域，该接触区域也可以称为接触面，相邻布置的气体扩散层贴靠在该接触面上。优选地，接片的接触区域基本上平行于主通道的底面布置。基本上平行可以如下理解为，接触区域所在的平面与底面围成小于30°、进一步优选地小于20°、更优选地小于10°并且尤其小于5°的角度。
接片优选具有侧面，该侧面尤其被接片的表面包围。进一步优选地，接片的表面每接片分别包括两个侧面，这两个侧面分别衔接于相邻的主通道的底面。侧面也可以称为侧翼并且优选地相对于底面以一个侧面角(Flankenwinkel)布置，其中，进一步优选地,侧面角位于90°至135°的范围内、更优选地在90°至125°的范围内、尤其优选地在95°至110°的范围内。此外，侧面优选相应地与接触区域成角度地布置。
优选地，底面是平坦的。“平坦的”也理解为仅由制造引起地、尤其通过压制过程具有略微波形和/或略微倒圆的面。主通道优选地是笔直的并且进一步优选地彼此平行地布置在分配器板上。
至少一个辅助通道具有优选为三角形，即V形、圆形、正方形或多边形的横截面。优选地，至少一个辅助通道的横截面是V形的。主通道的横截面优选地比至少一个辅助通道的横截面大至少五十倍。
尤其，辅助通道高度与辅助通道宽度的比位于2:1至1:2的范围内、进一步优选地位于1.5:1至1:1.5的范围内。例如，辅助通道高度与辅助通道宽度的比为1:1。辅助通道高度和/或辅助通道宽度优选地位于1μm至100μm的范围内、进一步优选地位于1μm至50μm的范围内。
此外，尤其如此选择辅助通道高度和辅助通道宽度或至少一个辅助通道的直径，使得至少一个辅助通道形成毛细管效应，尤其关于水。直径尤其理解为横截面的最大直径。
在接片上的涂层优选具有在0.01μm至50μm的范围内、进一步优选在1μm至20μm的范围内的高度。优选地，涂层至少在部分区域中比分配器板的基板的材料是更亲水的。亲水性优选地应理解为关于水滴的接触角小于90°、更优选地关于水滴的接触角小于80°、尤其小于40°。涂层尤其用于降低在接片的表面上的分配器板的接触电阻。涂层优选地完全覆盖接片的表面、尤其接触区域。
优选地，涂层、尤其在接片的接触区域上的涂层包括碳如炭黑或石墨、尤其碳颗粒以及尤其有机粘合剂，例如至少一种聚合物如聚乙烯(PE)或聚偏二氟乙烯(PVDF)、尤其PE。粘合剂可以是热塑性的或热固性的。
将涂层施加到分配器板上可以包括施加糊和随后将其干燥。
此外，涂层尤其可以包括导电的陶瓷颗粒，该导电的陶瓷颗粒可以在烧结步骤中被施加。
涂层可以包含亲水组分，例如具有氢氧化物、羰基和/或羧基以及具有尤其能应用于碳分配器板的聚合物粘合剂的氧化的碳颗粒。此外，可以例如通过用例如氧或酸进行表面处理产生亲水的表面特性。
优选地，例如通过压制、蚀刻或激光加工将至少一个辅助通道引入到分配器板的基板中，该基板尤其是板材。
尤其，在将涂层施加到分配器板上之前，分配器板具有至少一个辅助通道。涂层覆盖至少一个辅助通道、尤其面式地覆盖，使得避免分配器板和气体扩散层之间的接触面中断，该中断将在缺少涂层的情况下通过至少一个辅助通道形成。相应地，至少一个辅助通道优选地位于分配器板和涂层之间。进一步优选地，至少一个辅助通道在涂层和表面之间形成空腔。相应地，涂层优选地不遵循至少一个辅助通道的轮廓。进一步优选地，涂层在至少一个辅助通道上尤其平坦地延伸。
优选地，接片分别具有接触区域，并且至少一个辅助通道在接触区域中被涂层完全覆盖或遮盖。通过以涂层覆盖至少一个辅助通道避免了在分配器板和气体扩散层之间的接触面中的中断或者说间隙，因为超过至少一个辅助通道，与气体扩散层的接触通过涂层被保持。
在一个实施方式中，涂层仅是部分多孔的、尤其透水的并且必要时是亲水的，其中，进一步优选地，涂层的多孔区域至少部分地布置在至少一个辅助通道上。尤其，多孔区域覆盖至少一个辅助通道，使得穿过涂层侵入的水能够流出到至少一个辅助通道中。尤其，碳颗粒和粘合剂可以至少形成涂层的多孔区域。
“透水的”尤其应理解为水、尤其来自气体扩散层的水可以朝至少一个辅助通道的方向克服涂层。
至少一个辅助通道优选至少部分地位于接片的接触区域中。在一个优选实施方式中，至少一个辅助通道延伸到接片的侧面上并且必要时延伸到尤其相邻的主通道的底面上。通过在该意义上延长的至少一个辅助通道可以将水经由接触区域有针对性地朝底面导出到气体流动的区域中。
优选地，至少一个辅助通道具有笔直的走势。该走势可以具有方向变换部，该方向变换部也可以称为弯折部或可以是倒圆的。
表面可以具有至少两个辅助通道，其中，该至少两个辅助通道可以与主通道成不同角度地布置并且必要时相交，所述角度也可以称为调整角(Anstellwinkel)。辅助通道优选地分别在涂层的多孔区域中相交。该调整角优选位于30°至150°的范围内、进一步优选位于90°至120°的范围内。
在一个优选实施方式中，至少一个辅助通道基本上平行于或基本上垂直于主通道布置。
“基本上平行”尤其理解为，至少一个辅助通道与主通道、尤其与相邻的主通道以小于45°、更优选地小于30°、进一步优选地小于10°并且尤其优选地小于5°的角度延伸或布置，尤其相对于主通道中的主流动方向延伸或布置。术语“主流动方向”是指在主通道中被输送的气体，尤其是含氧的气体，该气体吸收形成的反应水用于输送走。主流动方向优选平行于邻接接片的侧面延伸。
“基本上垂直”相应地理解为，至少一个辅助通道与主通道、尤其相邻的主通道以45°至135°、更优选60°至120°、进一步优选80°至100°、尤其优选85°至95°范围内的角度延伸或布置。
尤其接片的表面优选具有至少一个第一辅助通道和至少一个第二辅助通道，其中，至少一个第一辅助通道基本上平行于主通道布置并且至少一个第二辅助通道基本上垂直于主通道布置。进一步优选地，至少一个第一辅助通道居中地布置在接触区域上，即沿着接触区域的中心轴线。
优选地，至少两个辅助通道通过另一辅助通道相互连接。尤其，另一辅助通道在此与至少两个辅助通道相交。此外，优选地，尤其接片的表面具有至少两个第二辅助通道，并且至少一个第一辅助通道将所述至少两个第二辅助通道相互连接。
不同实施方式可以相互组合。
在接片的表面上的至少一个辅助通道用于改善地导出已经在电化学电池的隔膜上形成并且必须从电化学电池输送的液态水。在此，必须将水从气体扩散层朝主通道的方向除去，其中，同时使分配器板和气体扩散层之间的接触面通过涂层最大化并且接触面尤其是连续地平坦的。
通过涂层遮盖在至少一个辅助通道上的接触面，并且由于涂层的至少部分地多孔的、尤其透水的和必要时亲水的构型，能够尽管接触面完好无损，却将水导出。涂层将水引导到位于其下方的至少一个辅助通道中，其中，整个接片作为与气体扩散层的接触部保持。
附图说明
根据附图和下面的说明详细地阐述本发明的实施方式。
附图示出了：
图1：根据现有技术的电化学电池的示意图，
图2：具有分配器板的燃料电池结构，
图3：在气体扩散层和分配器板之间的接触区域，
图4：根据现有技术的分配器板的局部，
图5：具有涂层的分配器板的局部，
图6、7：具有涂层和辅助通道的分配器板的局部，
图8：具有辅助通道和部分地多孔的涂层的分配器板的局部，
图9：具有彼此连接的辅助通道和部分地多孔的涂层的分配器板的局部，
图10：具有涂层和具有不同调整角的辅助通道的分配器板的局部，
图11：具有涂层和相交的辅助通道的分配器板的局部，
图12：具有涂层和具有方向变换部的辅助通道的分配器板的局部，
图13：具有涂层和彼此连接的具有方向变换部的辅助通道的分配器板的局部，
图14：具有不同表面特性的固体表面，和
图14d：关于水的接触角。
在下面本发明的实施方式的描述中，相同或相似的元件用相同的附图标记标明，其中，在个别情况下省略对这些元件的重复说明。附图仅示意性地示出本发明的内容。
具体实施方式
图1示意性地示出呈根据现有技术的燃料电池形式的电化学电池1。电化学电池1具有作为电解质的隔膜2。隔膜2将阴极室39与阳极室41隔开。
在阴极室39和阳极室41中，在隔膜2上分别布置有电极层3、气体扩散层5和分配器板7。隔膜2和电极层3的复合体也可以称为隔膜-电极组件4。
分配器板7具有用于向气体扩散层5供应气体，例如阴极室39中的氧气43和阳极室41中的氢气45的主通道11。主通道11和接片12在分配器板7上交替。
在接片12的表面13上，接触区域47分别在分配器板7和相邻布置的气体扩散层5之间形成。此外，接片12具有侧面31并且主通道11具有底面33。
图2示出包括多个分配器板7和隔膜-电极组件4的燃料电池结构，所述隔膜-电极组件包括隔膜2。通过分配器板7将氧气43或在其中含有氧气43的空气和氢气45引导至隔膜-电极组件4。在分配器板7的供应氧气43或在其中含有氧气43的空气的主通道11中导出水51。此外，分配器板7用于引导冷却介质49。
图3示出在气体扩散层5和分配器板7之间的接触区域47。分配器板7的接片12在此与气体扩散层5接触。此外，涂层37布置在分配器板7的接片12上。氢气45从主通道11穿过气体扩散层5到达布置在隔膜2上的电极层3。
图4示出分配器板7的局部的立体俯视图，该分配器板具有交替的主通道11和接片12。沿着主通道11存在主流动方向53。此外，标明了侧面角17。
接片12具有表面13，其中与主通道11的底面33成角度布置的部分被称为侧面31。主通道11的底面33衔接到接片12的侧面31上。
图5示出分配器板7的局部，该分配器板在接片12的表面13上在接触区域47中具有涂层37。
图6示出基本上根据图5的分配器板7的局部，该分配器板具有完全被多孔的涂层37覆盖的辅助通道15。
在图7中示出根据图6的分配器板7的局部，其中，示出了将水51从接片12的接触区域47在辅助通道15中沿着侧面31输送到主通道11中。为此，辅助通道15延伸至接片12的侧面31上以及主通道11的底面33上。水51从接触区域47沿着侧面31在辅助通道15中流出到底面33上。
图8示出分配器板7的局部，其基本上相应于图7，其中，涂层37在此是仅部分地多孔的并且具有多孔区域150。多孔区域150与辅助通道15相交，使得水51能够通过多孔区域150流出到辅助通道15中。
图9示出具有总共三个辅助通道15的分配器板7的局部。一个第一辅助通道15、152平行于主通道11布置并且还居中地布置在接触区域47上。两个第二辅助通道15、154垂直于主通道11布置。第一辅助通道15、152将第二辅助通道15、154相互连接，其中，第一辅助通道15、152分别在涂层37的多孔区域150中与第二辅助通道15、154相交。水51能够从第一辅助通道15、152经由第二辅助通道15、154流出到主通道11中。可看到在涂层37和表面13之间的空腔158，水51能够在所述空腔中流动。
图10示出分配器板7的局部，其中，四个辅助通道15布置在涂层37下方，这些辅助通道分别以不同的角度19相对于主通道11定向，该角度也可以称为调整角。
图11示出分配器板7的局部，在该分配器板上，辅助通道15分别具有不同的角度19并且相交。
图12示出分配器板7的局部，在该分配器板上，两个辅助通道15具有带有方向变换部156的笔直走势。
图13示出分配器板7的局部，在该分配器板上，辅助通道15部分地与方向变换部156通过平行于主通道11布置的第一辅助通道15、152相互连接。
图14示出具有固体表面21的固体20，该固体表面关于水51的水滴具有不同的表面特性，所述水滴被气相23包围。所示的固体表面21具有a)亲水性、b)疏水性或c)超疏水性的表面特性。
图14d图示出在具有固体表面21的固体20上关于水51的接触角22。
本发明不限于在这里所描述的实施例和在其中强调的方面。而是，在通过权利要求给出的范围内能够进行大量的修改，这些修改在本领域技术人员的能力范围内。
Claims (10)
1.一种用于电化学电池(1)的分配器板(7)，其中，所述分配器板(7)具有包括接片(12)和主通道(11)的结构，所述接片分别具有表面(13)和所述主通道分别具有底面(33)，其中，所述表面(13)具有至少一个辅助通道(15)和覆盖所述至少一个辅助通道(15)的至少部分的涂层(37)，并且所述涂层(37)是至少部分地多孔的、尤其透水的并且必要时是亲水的。
2.根据权利要求1所述的分配器板(7)，其特征在于，所述至少一个辅助通道(15)在所述涂层(37)和所述表面(13)之间形成空腔(158)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的分配器板(7)，其特征在于，所述接片(12)分别具有接触区域(47)并且在所述接触区域(47)中，所述至少一个辅助通道(15)完全被所述涂层(37)覆盖。
4.根据前述权利要求中任一项所述的分配器板(7)，其特征在于，所述涂层(37)仅是部分地多孔的、尤其透水的并且必要时是亲水的，并且所述涂层(37)的多孔区域(150)至少部分地布置在所述至少一个辅助通道(15)上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的分配器板(7)，其特征在于，所述至少一个辅助通道(15)延伸到所述接片(12)的侧面(31)上并且必要时延伸到主通道(11)的底面(33)上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的分配器板(7)，其特征在于，所述至少一个辅助通道(15)具有笔直的走势，该走势必要时具有方向变换部(156)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的分配器板(7)，其特征在于，所述表面(13)具有至少两个辅助通道(15)并且所述至少两个辅助通道(15)相对于所述主通道(11)以不同角度(19)布置并且必要时相交。
8.根据前述权利要求中任一项所述的分配器板(7)，其特征在于，所述表面(13)具有至少一个第一辅助通道(15、152)和至少一个第二辅助通道(15、154)，其中，所述至少一个第一辅助通道(15、152)基本上平行于所述主通道(11)布置并且所述至少一个第二辅助通道(154)基本上正交于所述主通道(11)布置。
9.根据前述权利要求中任一项所述的分配器板(7)，其特征在于，至少两个辅助通道(15)通过另一辅助通道(15)相互连接。
10.一种电化学电池(1)，包括根据权利要求1至9中任一项所述的分配器板(7)。
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