DE102019220534A1 - Electrochemical cell with a distribution plate - Google Patents

Electrochemical cell with a distribution plate Download PDF

Info

Publication number
DE102019220534A1
DE102019220534A1 DE102019220534.8A DE102019220534A DE102019220534A1 DE 102019220534 A1 DE102019220534 A1 DE 102019220534A1 DE 102019220534 A DE102019220534 A DE 102019220534A DE 102019220534 A1 DE102019220534 A1 DE 102019220534A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
distribution plate
channels
structuring
electrochemical cell
plate
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
DE102019220534.8A
Other languages
German (de)
Inventor
Ulrich Berner
Andreas Gehrold
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102019220534.8A priority Critical patent/DE102019220534A1/en
Publication of DE102019220534A1 publication Critical patent/DE102019220534A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C25B9/23Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms comprising ion-exchange membranes in or on which electrode material is embedded
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/70Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by fuel cells
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/70Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by fuel cells
    • B60L50/72Constructional details of fuel cells specially adapted for electric vehicles
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01Products
    • C25B1/02Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00Operating or servicing cells
    • C25B15/08Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H01M8/0254Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form corrugated or undulated
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/026Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant characterised by grooves, e.g. their pitch or depth
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04291Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095Fuel cells with polymeric electrolytes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206Metals or alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023Porous and characterised by the material
    • H01M8/0234Carbonaceous material
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/36Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verteilerplatte (7, 8), insbesondere für eine elektrochemische Zelle (1), wobei die Verteilerplatte (7, 8) Kanäle (11) und angrenzende Stege (12) aufweist. Die Unterseiten der Stege (12) bilden eine Kontaktfläche (13) der Verteilerplatte (7, 8). Die Kontaktfläche (13) weist zumindest teilweise eine Strukturierung (30) auf.The present invention relates to a distributor plate (7, 8), in particular for an electrochemical cell (1), the distributor plate (7, 8) having channels (11) and adjoining webs (12). The undersides of the webs (12) form a contact surface (13) of the distributor plate (7, 8). The contact surface (13) has at least partially a structure (30).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrochemische Zelle mit einer Verteilerplatte und eine entsprechende VerteilerplatteThe present invention relates to an electrochemical cell with a distribution plate and a corresponding distribution plate

Stand der TechnikState of the art

Verteilerplatten sind aus dem Stand der Technik bekannt. So ist aus der DE 10 221 951 B4 eine Verteilerplatte bzw. Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle bekannt. Die bekannte Verteilerplatte weist Kanäle und angrenzende Stege auf. Die Unterseiten der Stege bilden eine Kontaktfläche der Verteilerplatte zu einer Diffusionslage der Brennstoffzelle. Dementsprechend sind auch Brennstoffzellen mit derartigen Verteilerplatten und darunterliegenden Diffusionslagen bekannt.Distribution plates are known from the prior art. So is from the DE 10 221 951 B4 a distributor plate or bipolar plate for a fuel cell is known. The known distribution plate has channels and adjacent webs. The undersides of the webs form a contact surface between the distributor plate and a diffusion layer of the fuel cell. Accordingly, fuel cells with such distributor plates and underlying diffusion layers are also known.

Die Bereiche der Diffusionslagen, welche unter den Stegen verlaufen, werden vergleichsweise schlecht mit Reaktionsgas versorgt, speziell unter flutenden Bedingungen, was zu einer ungewollten inhomogenen Stromdichteverteilung führen kann.The areas of the diffusion layers that run under the webs are comparatively poorly supplied with reaction gas, especially under flooding conditions, which can lead to an undesired inhomogeneous current density distribution.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Demgegenüber weist eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle bzw. elektrochemische Zelle mit einer erfindungsgemäßen Verteilerplatte eine deutlich homogenere Gasverteilung auf, was bevorzugt auch zu einer homogeneren Stromdichteverteilung führt.In contrast, a fuel cell according to the invention or electrochemical cell with a distributor plate according to the invention has a significantly more homogeneous gas distribution, which preferably also leads to a more homogeneous current density distribution.

Dazu umfasst die Verteilerplatte Kanäle und angrenzende Stege. Die Unterseiten der Stege bilden eine Kontaktfläche der Verteilerplatte. Die Kontaktfläche weist zumindest teilweise eine Strukturierung auf.For this purpose, the distribution plate includes channels and adjacent webs. The undersides of the webs form a contact surface of the distributor plate. The contact surface is at least partially structured.

Eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, mit einer derartigen Verteilerplatte weist weiterhin eine Diffusionslage und einen Elektrolyten auf; bevorzugt ist der Elektrolyt dabei eine Membran, welche beidseitig mit Elektroden beschichtet ist. Die Unterseiten der Stege bilden dann eine Kontaktfläche der Verteilerplatte zu der Diffusionslage.An electrochemical cell, in particular a fuel cell, with such a distributor plate also has a diffusion layer and an electrolyte; The electrolyte is preferably a membrane which is coated on both sides with electrodes. The undersides of the webs then form a contact surface between the distributor plate and the diffusion layer.

Durch die Strukturierung wird die gleichmäßige Versorgung der Diffusionslage unter der Kontaktfläche mit Reaktionsgas deutlich verbessert, und zwar insofern, dass der Elektrolyt bzw. die Elektrodenschicht unter der Diffusionslage über ihre gesamte Fläche homogen mit Reaktionsgas versorgt wird. Die Strukturierung sorgt dafür, dass durch die zusätzlichen konvektive und diffusive Strömungen des Reaktionsgases bzw. des Reaktanten in der Strukturierung mehr Reaktionsgas in die Diffusionslage unter den Stegen transportiert wird. Die dadurch verbesserte Gasversorgung unter den Stegen führt bevorzugt zusätzlich zu einer geringeren Ansammlung von kondensiertem Wasser eben genau unter diesen Stegen, insbesondere auf einer Kathodenseite bzw. in einem Kathodenraum der Brennstoffzelle. Somit wird durch die Erfindung nicht nur die Gaszufuhr homogenisiert, sondern auch die Wasserabfuhr. Dies führt zu einer verbesserten Wärmeverteilung und zu einer geringeren Alterung der elektrochemischen Zelle bzw. der Brennstoffzelle. Dadurch, dass die Strukturierung in die Kontaktfläche eingebracht ist, wird die dargestellte Effizienzsteigerung der elektrochemischen Zelle zudem ohne eine Bauraumvergrößerung erzielt.The structuring significantly improves the uniform supply of reaction gas to the diffusion layer under the contact surface, to the extent that the electrolyte or the electrode layer under the diffusion layer is homogeneously supplied with reaction gas over its entire surface. The structuring ensures that the additional convective and diffusive flows of the reaction gas or the reactant in the structuring transport more reaction gas into the diffusion layer under the webs. The gas supply under the webs, which is improved as a result, preferably also leads to a lower accumulation of condensed water precisely under these webs, in particular on a cathode side or in a cathode compartment of the fuel cell. Thus, the invention not only homogenizes the gas supply, but also the water discharge. This leads to an improved heat distribution and less aging of the electrochemical cell or the fuel cell. Because the structuring is introduced into the contact area, the illustrated increase in efficiency of the electrochemical cell is also achieved without increasing the installation space.

In einer vorteilhaften Weiterbildung weisen zumindest einige der Kanäle in ihren Flanken im Bereich der Strukturierung Staukanten auf. Die Kanäle definieren eine Hauptströmungsrichtung des entsprechenden Reaktionsgases einer elektrochemischen Zelle. Die Staukanten verbessern nun vorteilhafterweise die Umleitung eines Teils des Massenstroms des Reaktionsgases aus dem Kanal in die Strukturierung, also aus der Hauptströmungsrichtung in eine Nebenströmungsrichtung, indem sie einen Teil des Reaktionsgases aufstauen, bzw. umlenken, so dass eben verstärkt Reaktionsgas auch unter den Stegen in die Diffusionslage und weiter zu den Elektrodenschichten strömen bzw. diffundieren kann.In an advantageous development, at least some of the channels have damming edges in their flanks in the area of the structuring. The channels define a main flow direction of the corresponding reaction gas of an electrochemical cell. The baffle edges now advantageously improve the diversion of part of the mass flow of the reaction gas from the channel into the structuring, i.e. from the main flow direction into a secondary flow direction, by damming up or deflecting part of the reaction gas, so that even more reaction gas is also under the webs in the diffusion layer and can flow or diffuse further to the electrode layers.

In bevorzugten Weiterbildungen weisen ein oder mehrere Kanäle entlang einer Flanke Versetzungen zu den Staukanten auf. Diese Versetzungen führen dazu, dass die Flanke des Kanals zwischen zwei Staukanten zwar einen Versetzungswinkel zur Hauptströmungsrichtung aufweist. Makroskopisch betrachtet weist der Kanal jedoch über seine gesamte Länge einen im Wesentlichen konstanten Strömungsquerschnitt bzw. eine im Wesentlichen konstante Kanalbreite auf. Ein Versetzungswinkel zur Hauptströmungsrichtung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Staukanten beträgt dabei vorteilhafterweise 1° bis 30°.In preferred developments, one or more channels have offsets with respect to the damming edges along a flank. These offsets mean that the flank of the channel between two dam edges has an offset angle to the main flow direction. Viewed macroscopically, however, the channel has an essentially constant flow cross-section or an essentially constant channel width over its entire length. An offset angle to the main flow direction between two successive dam edges is advantageously 1 ° to 30 °.

Vorteilhafterweise verbindet die Strukturierung zwei benachbarte Kanäle fluidisch. Dadurch entstehen vergleichsweise geringe Strömungsverluste innerhalb der Strukturierung, insbesondere wenn die Verbindung unter einem vorteilhaften Winkel von 45° bis 60° zur Hauptströmungsrichtung erfolgt.The structuring advantageously connects two adjacent channels fluidically. This results in comparatively low flow losses within the structure, in particular if the connection is made at an advantageous angle of 45 ° to 60 ° to the main flow direction.

In bevorzugten Ausführungen weist die Verteilerplatte in der Kontaktfläche eine Beschichtung auf. Die Beschichtung kann dabei sowohl dem Korrosionsschutz der Verteilerplatte als auch der Verringerung des elektrischen Übergangswiderstands zur Diffusionslage dienen. Dabei kann die Strukturierung in die Beschichtung eingebracht sein, oder in eine Grundplatte der Verteilerplatte, auf die die Beschichtung aufgebracht ist, wobei die Strukturierung durch die Beschichtung weitestgehend erhalten bleibt. Insbesondere wenn die Beschichtung additiv aufgebracht wird, ist es vorteilhaft die Strukturierung erst mit der Beschichtung aufzubringen, da für die Strukturierung so kein zusätzlicher Fertigungsschritt erforderlich ist.In preferred embodiments, the distributor plate has a coating in the contact surface. The coating can serve both to protect the distributor plate from corrosion and to reduce the electrical contact resistance to the diffusion layer. The structuring can be introduced into the coating, or into a base plate of the distributor plate to which the coating is applied, the Structuring is largely retained by the coating. In particular when the coating is applied additively, it is advantageous to apply the structuring only with the coating, since no additional manufacturing step is required for the structuring.

In vorteilhaften Ausführungen umfasst die Strukturierung Nebenkanäle. Bevorzugt ist dabei der Querschnitt eines Nebenkanals um mindestens den Faktor 50 kleiner als der Querschnitt eines Kanals. Dadurch führt der Kanal in Hauptströmungsrichtung einen deutlich höheren Massenstrom an Reaktionsgas als ein Nebenkanal, so dass eine ausreichende Versorgung der Diffusionslage mit Reaktionsgas unter dem Kanal aufrechterhalten wird.In advantageous embodiments, the structuring includes secondary channels. The cross section of a secondary channel is preferably smaller by at least a factor of 50 than the cross section of a channel. As a result, the channel carries a significantly higher mass flow of reaction gas in the main flow direction than a secondary channel, so that a sufficient supply of the diffusion layer with reaction gas is maintained under the channel.

Die Nebenkanäle sind vorteilhafterweise trapezförmig, wellenförmig, parallel, kreuzförmig oder wabenförmig angeordnet. Dadurch kann die Strömung des Reaktionsgases in der Strukturierung und damit auch in den darunter liegenden Diffusionslagen gezielt beeinflusst werden.The secondary channels are advantageously trapezoidal, wave-shaped, parallel, cross-shaped or honeycomb-shaped. This allows the flow of the reaction gas in the structuring and thus also in the underlying diffusion layers to be influenced in a targeted manner.

In Ausführungen der Verteilerplatte mit Nebenkanälen und Staukanten ist es besonders vorteilhaft, wenn die Staukanten bündig am Eingang der Nebenkanäle angeordnet sind. Dadurch wird das Reaktionsgas in Hauptströmungsrichtung an den Staukanten abgebremst und in die Nebenkanäle eingeleitet. Die Versorgung der Nebenkanäle mit Reaktionsgas ist dadurch besonders gut gestaltet.In designs of the distributor plate with secondary channels and retaining edges, it is particularly advantageous if the retaining edges are arranged flush at the entrance of the secondary channels. As a result, the reaction gas is slowed down in the main flow direction at the dam edges and introduced into the secondary channels. The supply of the secondary channels with reaction gas is particularly well designed as a result.

Die Erfindung umfasst auch eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, mit einer Verteilerplatte nach den beschriebenen Ausführungsformen. Die elektrochemische Zelle weist weiterhin eine Diffusionslage und einen Elektrolyten auf, welcher beispielsweise eine Membran sein kann, die wiederum mit Elektroden beschichtet ist. Die Unterseiten der Stege der Verteilerplatte bilden die Kontaktfläche der Verteilerplatte zu der Diffusionslage.The invention also comprises an electrochemical cell, in particular a fuel cell, with a distributor plate according to the described embodiments. The electrochemical cell also has a diffusion layer and an electrolyte, which can be a membrane, for example, which in turn is coated with electrodes. The undersides of the webs of the distributor plate form the contact surface between the distributor plate and the diffusion layer.

In bevorzugten Weiterbildungen ist die Diffusionslage ein Vlies, besonders bevorzugt ein Kohlefaservlies. Bei dem Vlies ist die Gasdurchlässigkeit üblicherweise in Dickenrichtung, also in Richtung zum Elektrolyten bzw. zur Membran, vergleichbar mit der Gasdurchlässigkeit in Ebenenrichtung, also in Richtung von „unter den Kanälen zu unter den Stegen“. Die Versorgung der Bereiche der Diffusionslage unter den Stegen mit Reaktionsgas wird also durch das Vlies in Kombination mit der Strukturierung der Kontaktfläche verbessert. Vorliegende Erfindung ist besonders gut für derartige Vliese geeignet, weil die Bereiche „unter den Stegen“ eben durch die Strukturierung des Stegs selbst mit Reaktionsgas versorgt werden und so auch potenzielle Wasseransammlungen „unter den Stegen“ gut abgeführt werden können.In preferred developments, the diffusion layer is a fleece, particularly preferably a carbon fiber fleece. In the case of the fleece, the gas permeability in the direction of the thickness, ie in the direction of the electrolyte or the membrane, is comparable to the gas permeability in the plane direction, ie in the direction from “under the channels to under the webs”. The supply of the areas of the diffusion layer under the webs with reaction gas is therefore improved by the fleece in combination with the structuring of the contact surface. The present invention is particularly well suited for such nonwovens because the areas “under the webs” are supplied with reaction gas precisely by the structuring of the web itself and thus potential water accumulations “under the webs” can also be easily removed.

In vorteilhaften Ausführungen ist die elektrochemische Zelle eine Brennstoffzelle oder ein Elektrolyseur, wobei der Elektrolyt bevorzugt eine beschichtete Polymerelektrolyt-Membran ist. Ein Elektrolyseur ist ein stationärer Energiewandler, welcher unter Anlegen von elektrischer Spannung bevorzugt Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser spaltet. Für die Effizienz einer Brennstoffzelle bzw. eines Elektrolyseurs mit Polymer-Elektrolyt-Membran ist es besonders wichtig die auf der Membran angeordneten Elektrodenschichten homogen mit Reaktionsgas zu versorgen.In advantageous embodiments, the electrochemical cell is a fuel cell or an electrolyzer, the electrolyte preferably being a coated polymer electrolyte membrane. An electrolyzer is a stationary energy converter which, when an electrical voltage is applied, preferentially splits hydrogen and oxygen from water. For the efficiency of a fuel cell or an electrolyzer with a polymer electrolyte membrane, it is particularly important to homogeneously supply the electrode layers arranged on the membrane with reaction gas.

Die Erfindung umfasst zusätzlich ein Kraftfahrzeug, welches einen Brennstoffzellenstapel mit einer bzw. mehreren der beschriebenen erfindungsgemäßen Brennstoffzellen aufweist. Das Kraftfahrzeug weist somit eine sehr effiziente Brennstoffzelle bzw. einen Brennstoffzellenstapel mit vielen sehr effizienten einzelnen Brennstoffzellen auf. Insbesondere in mobilen Anwendungen ist es sehr wichtig derartige Effizienzsteigerungen ohne Erhöhung des dafür benötigten Bauraums zu erzielen.The invention additionally comprises a motor vehicle which has a fuel cell stack with one or more of the described fuel cells according to the invention. The motor vehicle thus has a very efficient fuel cell or a fuel cell stack with many very efficient individual fuel cells. In mobile applications in particular, it is very important to achieve such increases in efficiency without increasing the installation space required for this.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

  • 1 schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte elektrochemische Zelle.
  • 2 eine Wiederholeinheit einer Kanal-Steg-Struktur einer erfindungsgemäßen Verteilerplatte für eine elektrochemische Zelle in perspektivischer Ansicht auf einen Steg, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
  • 3 einen Schnitt durch einen Bereich einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
  • 4 eine weitere erfindungsgemäße Verteilerplatte für eine elektrochemische Zelle in perspektivischer Ansicht, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
  • 5 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Verteilerplatte, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
  • 6 schematisch weitere Ausführungsformen eines strukturierten Stegs einer Verteilerplatte.
Embodiments of the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the description below. It shows:
  • 1 schematically an electrochemical cell known from the prior art.
  • 2 a repeating unit of a channel-web structure of a distributor plate according to the invention for an electrochemical cell in a perspective view of a web, only the essential areas being shown.
  • 3 a section through a region of an electrochemical cell according to the invention, only the essential regions being shown.
  • 4th a further distribution plate according to the invention for an electrochemical cell in a perspective view, only the essential areas being shown.
  • 5 a plan view of a distributor plate according to the invention, only the essential areas are shown.
  • 6th schematically further embodiments of a structured web of a distributor plate.

1 zeigt schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte Elektrochemische Zelle 1 in Form einer Brennstoffzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Brennstoffzelle 1 weist einen Elektrolyten 2, beispielsweise eine Membran, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Membran auf. Zu einer Seite der Membran 2 ist ein Kathodenraum 1a, zu der anderen Seite ein Anodenraum 1b ausgebildet. 1 shows schematically an electrochemical cell known from the prior art 1 in the form of a fuel cell, only the essential areas are shown. The fuel cell 1 has an electrolyte 2 , for example a membrane, in particular a polymer electrolyte membrane. To one side of the membrane 2 is a cathode room 1a , on the other side an anode compartment 1b educated.

Im Kathodenraum 1a sind von der Membran 2 nach außen weisend - also in Normalenrichtung z - eine Elektrodenschicht 3, eine Diffusionslage 5 und eine Verteilerplatte 7 angeordnet. Analog sind im Anodenraum 1b von der Membran 2 nach außen weisend eine Elektrodenschicht 4, eine Diffusionslage 6 und eine Verteilerplatte 8 angeordnet.In the cathode room 1a are from the membrane 2 pointing outwards - i.e. in the normal direction z - an electrode layer 3 , a diffusion layer 5 and a distribution plate 7th arranged. Analog are in the anode compartment 1b from the membrane 2 an electrode layer facing outwards 4th , a diffusion layer 6th and a distribution plate 8th arranged.

Die Verteilerplatten 7, 8 weisen Kanäle 11 für die Gaszufuhr - beispielsweise Luft im Kathodenraum 1a und Wasserstoff im Anodenraum 1b -zu den Diffusionslagen 5, 6 auf. Die Diffusionslagen 5, 6 bestehen typischerweise kanalseitig - also zu den Verteilerplatten 7, 8 hin - aus einem Kohlefaserflies und elektrodenseitig - also zu den Elektrodenschichten 3, 4 hin - aus einer mikroporösen Partikelschicht.The distribution plates 7th , 8th assign channels 11 for the gas supply - for example air in the cathode compartment 1a and hydrogen in the anode compartment 1b -to the diffusion layers 5 , 6th on. The diffusion layers 5 , 6th typically exist on the duct side - i.e. to the distributor plates 7th , 8th out - from a carbon fiber fleece and on the electrode side - i.e. to the electrode layers 3 , 4th out - from a microporous particle layer.

Die Verteilerplatten 7, 8 weisen die Kanäle 11 und somit implizit auch an die Kanäle 11 angrenzende Stege 12 auf. Die Unterseiten dieser Stege 12 bilden demzufolge eine Kontaktfläche 13 der jeweiligen Verteilerplatte 7, 8 zu der darunterliegenden Diffusionslage 5, 6.The distribution plates 7th , 8th assign the channels 11 and thus implicitly also to the channels 11 adjacent walkways 12th on. The undersides of these webs 12th consequently form a contact surface 13th the respective distributor plate 7th , 8th to the underlying diffusion layer 5 , 6th .

Erfindungsgemäß weist nun die Kontaktfläche 13 zumindest teilweise eine Strukturierung 30 auf. Dazu zeigt 2 einen Ausschnitt einer Verteilerplatte 7, 8 in perspektivischer Ansicht auf einen Steg 12; der Ausschnitt umfasst quasi eine Wiederholeinheit einer Kanal-Steg-Struktur, mit abwechselnd angeordneten Kanälen 11 und Stegen 12, wie sie beispielsweise über aktiven Flächen von Brennstoffzellen angeordnet sind. Die Verteilerplatte 7, 8 zeigt einen Kanal 11 für die Gaszufuhr zur nicht dargestellten Diffusionslage und einen Steg 12, wie aus dem Stand der Technik bekannt. Auch ein von dem Kanal 11 fluidisch getrennter Kühlmittelkanal 21 ist aus dem Stand der Technik bekannt.According to the invention, the contact surface now has 13th at least partially a structuring 30th on. To do this shows 2 a section of a distribution plate 7th , 8th in a perspective view of a bridge 12th ; the cutout comprises, as it were, a repeating unit of a channel-web structure, with channels arranged alternately 11 and bars 12th as they are arranged, for example, over active surfaces of fuel cells. The distribution plate 7th , 8th shows a channel 11 for the gas supply to the diffusion layer, not shown, and a web 12th as known from the prior art. Also one from the canal 11 fluidically separated coolant channel 21 is known from the prior art.

In den Kanälen 11 strömt üblicherweise ein Reaktionsgas bzw. ein Reaktant der elektrochemischen Zelle 1, beispielsweise Wasserstoff oder Sauerstoff, in einer Hauptströmungsrichtung 11a, welche durch die Geometrie der Kanäle 11 vorgegeben ist. Die Strukturierung 30 besteht aus Nebenkanälen 31, welche in der Ausführung der 2 in Zickzack-Form bzw. trapezförmig ausgebildet sind, zwei parallel nebeneinander verlaufende Kanäle 11 fluidisch verbinden und eine Nebenströmungsrichtung 31a für den Reaktanten festlegen. Bevorzugt ist der Querschnitt der Nebenkanäle 31 dabei deutlich kleiner als der Querschnitt der Kanäle 11, besonders bevorzugt mindestens um den Faktor 50 kleiner. Die trapezförmige Ausrichtung der Nebenkanäle 31 sorgt dafür, dass sie gleichmäßig von den beiden anliegenden Kanälen 11 mit Reaktionsgas versorgt werden können.In the canals 11 Usually, a reaction gas or a reactant of the electrochemical cell flows 1 , for example hydrogen or oxygen, in a main flow direction 11a which by the geometry of the channels 11 is given. The structuring 30th consists of secondary channels 31 , which in the execution of the 2 are designed in a zigzag shape or trapezoidal shape, two parallel side-by-side channels 11 connect fluidically and a secondary flow direction 31a set for the reactant. The cross-section of the secondary channels is preferred 31 significantly smaller than the cross-section of the channels 11 , particularly preferably at least by the factor 50 smaller. The trapezoidal alignment of the secondary channels 31 ensures that they are evenly spaced from the two adjacent canals 11 can be supplied with reaction gas.

Die Strukturierung 30 bzw. die Nebenkanäle 31 weisen dabei bevorzugt eine Tiefe T von 5 µm bis 200 µm, weiter bevorzugt 20 µm bis 100 µm und besonders bevorzugt 30 µm bis 70 µm auf. Die Länge L der Strukturierung 30 bzw. der Nebenkanäle 31 kann über die gesamte Breite eines Stegs 12 führen, so dass zwei benachbarte Kanäle 11 verbunden werden, wie in 2 dargestellt; die Gasströmung in den Nebenkanälen 31 ist dadurch vergleichsweise stark. Alternativ dazu kann die Länge L auch geringer als die Breite des Stegs 12 sein, so dass die entsprechenden Nebenkanäle 31 keine Verbindung zwischen zwei benachbarten Kanälen 11 darstellen. Die Breite B der Strukturierung 30 bzw. der Nebenkanäle 31 liegt im Bereich von 10 µm bis 1000 µm, bevorzugt 50 µm bis 200 µm.The structuring 30th or the secondary channels 31 preferably have a depth T of 5 μm to 200 μm, more preferably 20 μm to 100 μm and particularly preferably 30 μm to 70 μm. The length L of the structure 30th or the secondary channels 31 can cover the entire width of a web 12th lead so that two adjacent channels 11 connected as in 2 shown; the gas flow in the secondary channels 31 is therefore comparatively strong. Alternatively, the length L can also be less than the width of the web 12th be so that the corresponding secondary channels 31 no connection between two adjacent channels 11 represent. The width B of the structure 30th or the secondary channels 31 is in the range from 10 µm to 1000 µm, preferably 50 µm to 200 µm.

Die Nebenkanäle 31 bzw. die Nebenströmungsrichtung 31a verlaufen in einem Winkel α zu den Kanälen 11 bzw. zur Hauptströmungsrichtung 11a. Der Winkel α liegt vorteilhafterweise im Bereich von 0° bis 90°, bevorzugt 30° bis 75°, und besonders bevorzugt 45° bis 60°.The secondary channels 31 or the secondary flow direction 31a run at an angle α to the channels 11 or to the main flow direction 11a . The angle α is advantageously in the range from 0 ° to 90 °, preferably 30 ° to 75 °, and particularly preferably 45 ° to 60 °.

Neben dem Ausführungsbeispiel der Zickzack-Form der Strukturierung 30 sind weitere Ausführungen denkbar. Beispiele dafür sind Nebenkanäle 31 als geschwungene Linien, als ausschließlich parallele Linien, als sich kreuzende Linien oder als Linien, welche ein wabenartiges Gitter bilden. Selbstverständlich sind auch Kombinationen dieser Ausführungen denkbar.In addition to the exemplary embodiment of the zigzag shape of the structuring 30th other designs are conceivable. Examples of this are secondary channels 31 as curved lines, as exclusively parallel lines, as intersecting lines or as lines that form a honeycomb-like grid. Combinations of these designs are of course also conceivable.

In diesen Ausführungsbeispielen kann sich der Reaktant bzw. das Gas also in den Nebenkanälen 31 zwischen zwei Kanälen 11 bewegen. Dies geschieht durch die starke konvektive Strömung automatisch. Dadurch wird erfindungsgemäß der Bereich der Diffusionslagen 5, 6 unter den Stegen 12 besser mit Reaktionsgas versorgt. Die Homogenität der Gaszufuhr zum Elektrolyten 2 bzw. zu den Elektrodenschichten 3, 4 in Normalenrichtung z wird verbessert. Unter Homogenität der Gaszufuhr wird dabei die Gleichmäßigkeit in der x-y-Ebene der Gaszufuhr zum Elektrolyten 2 bzw. zu den Elektrodenschichten 3, 4 verstanden, wobei die Gaszufuhr zum Elektrolyten 2 selbst vor allem in der Normalenrichtung z erfolgt.In these exemplary embodiments, the reactant or the gas can therefore be in the secondary channels 31 between two channels 11 move. This happens automatically due to the strong convective flow. According to the invention, this creates the area of the diffusion layers 5 , 6th under the bridges 12th better supplied with reaction gas. The homogeneity of the gas supply to the electrolyte 2 or to the electrode layers 3 , 4th in normal direction z is improved. The homogeneity of the gas supply in the xy plane of the gas supply to the electrolyte results in the homogeneity of the gas supply 2 or to the electrode layers 3 , 4th understood, the gas supply to the electrolyte 2 takes place mainly in the normal direction z.

Durch die zusätzlichen konvektiven Strömungen des Reaktanten in den Nebenkanälen 31 wird effektiv mehr Gas in die Diffusionslagen 5, 6 unter die Stege 12 transportiert. Die dadurch verbesserte Gasversorgung unter den Stegen 12 führt zusätzlich zu einer geringeren Ansammlung von kondensiertem Wasser eben genau unter diesen Stegen 12, da die Gasströmung für einen besseren Wasseraustrag unter den Stegen 12 sorgt. Nicht nur die Gaszufuhr wird also homogenisiert, sondern auch die Wasserabfuhr, insbesondere wenn die erfindungsgemäße Verteilerplatte 7 im Kathodenraum 1a einer Brennstoffzelle angeordnet ist.Due to the additional convective flows of the reactants in the side channels 31 effectively gets more gas into the diffusion layers 5 , 6th under the bridges 12th transported. The resulting improved gas supply under the bars 12th also leads to a lower accumulation of condensed water precisely under these webs 12th , because the gas flow for better water discharge under the webs 12th cares. Not only the gas supply is thus homogenized, but also the water discharge, especially when the distributor plate according to the invention 7th in the cathode compartment 1a a fuel cell is arranged.

Die Strukturierung 30 kann vorteilhafterweise beispielsweise mittels Prägung direkt in die Verteilerplatte 7, 8 eingebracht werden. Sie kann äquivalent dazu jedoch auch mittels Materialabtragung - beispielsweise Laserstrukturierung oder Ätzen - oder mittels einer Beschichtung 15 der Kontaktfläche 13 erzeugt werden. Dazu zeigt 3 einen Schnitt durch einen Bereich einer elektrochemischen Zelle 1, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Verteilerplatte 7, 8 weist in dieser Ausführung in der Kontaktfläche 13 eine Beschichtung 15 mit einer Beschichtungsdicke b auf, wobei die Beschichtung 15 bevorzugt die elektrische Leitfähigkeit zwischen der Verteilerplatte 7, 8 und der darunterliegenden Diffusionslage 5, 6 verbessert. In alternativen Ausführungen können auch die Flanken der Stege 12, welche die Kanäle 11 begrenzen mit der Beschichtung 15 versehen sein.The structuring 30th can advantageously, for example, directly into the distributor plate by means of embossing 7th , 8th be introduced. However, it can also be equivalent to this by means of material removal - for example laser structuring or etching - or by means of a coating 15th the contact area 13th be generated. To do this shows 3 a section through a region of an electrochemical cell 1 , whereby only the essential areas are shown. The distribution plate 7th , 8th points in this version in the contact area 13th a coating 15th with a coating thickness b, the coating 15th preferably the electrical conductivity between the distributor plate 7th , 8th and the underlying diffusion layer 5 , 6th improved. In alternative designs, the flanks of the webs 12th showing the channels 11 limit with the coating 15th be provided.

Die Strukturierung 30, welche in der Darstellung der 3 nicht zu sehen ist, kann nun mittels einer variierenden Schichtdicke der Beschichtung 15 erzeugt werden, insbesondere wenn die Beschichtung mittels additivem Fertigungsverfahren aufgebracht wird. Alternativ bzw. ergänzend dazu kann auch die unter der Beschichtung 15 liegende Grundplatte 7a, 8a der Verteilerplatte 7, 8 schon eine analoge Strukturierung 30 aufweisen, welche dann durch die Beschichtung 15 mit einer konstanten Schichtdicke weitestgehend erhalten bleibt. Die Grundplatte 7a, 8a stellt dabei das ursprüngliche, meist metallische, Halbzeug der Verteilerplatte 7, 8 jedoch ohne Beschichtung 15 dar.The structuring 30th , which in the representation of the 3 cannot be seen, can now be done by means of a varying layer thickness of the coating 15th can be generated, especially if the coating is applied by means of an additive manufacturing process. As an alternative or in addition to this, the one under the coating can also be used 15th lying base plate 7a , 8a the distribution plate 7th , 8th already an analogous structure 30th have, which then through the coating 15th is largely retained with a constant layer thickness. The base plate 7a , 8a represents the original, mostly metallic, semi-finished product of the distributor plate 7th , 8th but without coating 15th represent.

Die Tiefe T der Strukturierung 30 kann durch die Beschichtung 15 vorteilhafterweise bis zu 200 µm reichen, bevorzugt jedoch 10 µm bis 100 µm und besonders bevorzugt 20 µm bis 70 µm dick sein. Die Beschichtung 15 ist dabei bevorzugt Kohlenstoff-basiert, vorteilhafterweise aus Kohlenstoffpartikeln mit Binder - beispielsweise aus Ruß mit Binder oder Graphit mit Binder.The depth T of the structure 30th can through the coating 15th advantageously up to 200 μm thick, but preferably 10 μm to 100 μm and particularly preferably 20 μm to 70 μm thick. The coating 15th is preferably carbon-based, advantageously made of carbon particles with a binder - for example made of carbon black with a binder or graphite with a binder.

Weist die Verteilerplatte 7, 8 sowohl eine Strukturierung 30 als auch eine Beschichtung 15 auf, so sind die folgenden Verhältnisse vorteilhaft: Die Strukturierung 30 bzw. die Nebenkanäle 31 haben eine bevorzugte Tiefe T von 0,2 - 1,0-mal der Beschichtungsdicke b, besonders bevorzugt von 0,7 - 1,0-mal der Beschichtungsdicke b.Assigns the distribution plate 7th , 8th both a structuring 30th as well as a coating 15th on, the following ratios are advantageous: The structuring 30th or the secondary channels 31 have a preferred depth T of 0.2-1.0 times the coating thickness b, particularly preferably 0.7-1.0 times the coating thickness b.

3 zeigt weiterhin exemplarisch einen Kanalmesspunkt M1 und einen Landmesspunkt M2. Der Kanalmesspunkt M1 ist in einem Kanal 11 angeordnet, bevorzugt auf der Kathodenseite einer Brennstoffzelle; er steht in diesem Fall exemplarisch für einen gut mit Oxidationsmittel durchströmten Bereich in dem Kanal 11. Der Landmesspunkt M2 ist in der Diffusionslage 5, 6 bzw. zwischen der Diffusionslage 5, 6 und der Verteilerplatte 7, 8 unter dem Steg 12 angeordnet, bevorzugt ebenfalls auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle; er steht ebenfalls exemplarisch für einen eher schlecht mit Oxidationsmittel durchströmten Bereich in der Diffusionslage 5, 6. 3 also shows an example of a duct measuring point M1 and a land measurement point M2 . The channel measuring point M1 is in a channel 11 arranged, preferably on the cathode side of a fuel cell; in this case it is an example of an area in the channel through which the oxidizing agent flows well 11 . The land measuring point M2 is in the diffusion layer 5 , 6th or between the diffusion layer 5 , 6th and the distribution plate 7th , 8th under the jetty 12th arranged, preferably also on the cathode side of the fuel cell; it is also an example of a region in the diffusion layer through which the oxidizing agent flows rather poorly 5 , 6th .

Simulationen zeigen nun für den Kanalmesspunkt M1, wenn er in der Nähe zu einem Kathodenauslass des Kanals 11 liegt, eine Sauerstoffkonzentration von 11%. Im Falle einer unstrukturierten Kontaktfläche 13 ergibt sich in der Simulation für den Landmesspunkt M2 eine Sauerstoffkonzentration von 2,4%; im Falle einer strukturierten Kontaktfläche 13 ergibt sich jedoch für den Landmesspunkt M2 eine Sauerstoffkonzentration von 4,7%. Die Versorgung der darunter liegenden Elektrodenschicht mit Oxidationsmittel kann somit gemäß der Simulation deutlich verbessert werden. Der Simulation lag dabei eine Strukturierung 30 zugrunde, wie sie im Wesentlichen in der 2 dargestellt ist, mit einer Tiefe T von 100 µm.Für dieses Simulationsergebnis ist es dabei unwesentlich, ob die Kontaktfläche 13 eine Beschichtung 15 aufweist oder nicht.Simulations now show for the duct measuring point M1 when he is close to a cathode outlet of the duct 11 is an oxygen concentration of 11%. In the case of an unstructured contact area 13th results in the simulation for the land measuring point M2 an oxygen concentration of 2.4%; in the case of a structured contact surface 13th however results for the land measuring point M2 an oxygen concentration of 4.7%. The supply of the underlying electrode layer with oxidizing agent can thus be significantly improved according to the simulation. The simulation was structured 30th based on how they are essentially in the 2 is shown, with a depth T of 100 µm. For this simulation result, it is irrelevant whether the contact surface 13th a coating 15th has or not.

4 zeigt eine Ausführung ähnlich zur 2. In der Weiterbildung der 4 weisen die Kanäle 11 im Bereich der Strukturierung 30 jedoch in ihren Flanken noch zusätzliche Staukanten 35 auf. Die Staukanten 35 können vorteilhafterweise dabei in den Flanken der Kanäle 11 quasi Fortsetzungen der Strukturierung 30 darstellen. 4th shows an embodiment similar to 2 . In the further training of the 4th assign the channels 11 in the area of structuring 30th however, there are additional damming edges in their flanks 35 on. The jam edges 35 can advantageously be in the flanks of the channels 11 quasi continuations of the structuring 30th represent.

Durch die Staukanten 35 wird das in der Hauptströmungsrichtung 11a strömende Gas bzw. Fluid effektiv in die Nebenkanäle 31 der Strukturierung 30 geleitet. In der Ausführung der 4 bilden die Staukanten 35 versetzte Strukturen, welche beispielsweise in die Verteilerplatte 7, 8 eingeprägt werden können; die Staukanten 35 können weiterhin durch Abtragung oder additive Beschichtungen aufgebracht werden. Die Staukanten 35 führen zu einer deutlich verstärkten Strömung des Reaktanten in die Strukturierung 30, also in die Nebenkanäle 31. Die Diffusion des Reaktanten in die Bereiche der Diffusionslage 5, 6, welche in Normalenrichtung z unter den Stegen 12 liegen, wird deutlich verbessert. Bevorzugt sind dazu die Staukanten 35 bündig am Eingang der Nebenkanäle 31 angebracht. In ersten Simulationen konnte dadurch der minimale Sauerstoffanteil in der kathodischen Diffusionslage 5 - in der Grenzfläche zur Elektrodenschicht 3

  • - unter den Stegen 12 um 70% erhöht werden.
Through the jam edges 35 becomes that in the main flow direction 11a flowing gas or fluid effectively in the secondary channels 31 the structuring 30th directed. In the execution of the 4th form the jam edges 35 staggered structures, which for example in the distributor plate 7th , 8th can be imprinted; the jam edges 35 can also be applied by removal or additive coatings. The jam edges 35 lead to a significantly increased flow of the reactants into the structuring 30th , so in the secondary channels 31 . The diffusion of the reactant into the areas of the diffusion layer 5 , 6th , which in the normal direction z under the webs 12th is significantly improved. The stowage edges are preferred for this purpose 35 flush with the entrance of the secondary channels 31 appropriate. In the first simulations, this enabled the minimum oxygen content in the cathodic diffusion layer 5 - in the interface to the electrode layer 3
  • - under the bridges 12th can be increased by 70%.

5 zeigt eine Draufsicht auf einen Steg 12 einer Verteilerplatte 7, 8. Diese Verteilerplatte 7, 8 ist eine Weiterbildung der Ausführung nach 4. Die bündig am Eingang der Nebenkanäle 31 angeordneten Staukanten 35 sind gut zu erkennen. In der Ausführung der 5 weisen die Flanken der Kanäle Versetzungen 36 mit Versetzungslängen V auf. Die Versetzungen 36 sind keilförmig unter einem Versetzungswinkel β zur Hauptströmungsrichtung 11a angeordnet. Bevorzugt sind Versetzungswinkel β, Versetzungslänge V und eine Staukantentiefe D der Staukanten 35 dabei so gewählt, dass sich die Breite des Stegs 12 über seine Länge nicht ändert. Der Versetzungswinkel β beträgt vorteilhafterweise 1° bis 30° und besonders bevorzugt 1° bis 10°. Die Versetzungslänge V beträgt vorteilhafterweise 100 µm bis 2000 µm und besonders bevorzugt 200 µm bis 1000 µm. 5 shows a plan view of a web 12th a distribution plate 7th , 8th . This distribution plate 7th , 8th is a further development of the execution according to 4th . The flush at the entrance of the side channels 31 arranged storage edges 35 are easy to see. In the execution of the 5 the flanks of the channels have dislocations 36 with dislocation lengths V. The dislocations 36 are wedge-shaped under one Offset angle β to the main flow direction 11a arranged. Preference is given to the offset angle β, the offset length V and a damming edge depth D of the damming edges 35 chosen so that the width of the web 12th does not change over its length. The offset angle β is advantageously 1 ° to 30 ° and particularly preferably 1 ° to 10 °. The dislocation length V is advantageously 100 μm to 2000 μm and particularly preferably 200 μm to 1000 μm.

6 zeigt schematisch weitere Ausführungsformen der Strukturierung 30, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Neben der trapezförmigen Anordnung der Nebenkanäle 31, wie sie in den 2 und 4 dargestellt ist, zeigen die 6 a-d folgende Ausführungsformen:

  • - 6a) wellenförmige Anordnung der Nebenkanäle 31.
  • - 6b) parallele Anordnung der Nebenkanäle 31.
  • - 6c) kreuzförmige Anordnung der Nebenkanäle 31.
  • - 6d) wabenförmige Anordnung der Nebenkanäle 31.
6th shows schematically further embodiments of the structuring 30th , whereby only the essential areas are shown. In addition to the trapezoidal arrangement of the secondary channels 31 like them in the 2 and 4th is shown show the 6 ad following designs:
  • - 6a) undulating arrangement of the secondary channels 31 .
  • - 6b) parallel arrangement of the secondary channels 31 .
  • - 6c ) cross-shaped arrangement of the secondary channels 31 .
  • - 6d ) honeycomb arrangement of the secondary channels 31 .

Die trapezförmige, wellenförmige, kreuzförmige und wabenförmige Anordnungen der Nebenkanäle 31 haben dabei den Vorteil, dass die Nebenkanäle 31 von beiden an dem zugehörigen Steg 12 anliegenden Kanälen 11 mit Reaktionsgas gespeist werden können. Dadurch kann eine gezielt gleichmäßige Strömung des Reaktionsgases unter den Stegen 12 in den Diffusionslagen 5, 6 erzwungen werden.The trapezoidal, wave-shaped, cross-shaped and honeycomb arrangements of the secondary channels 31 have the advantage that the secondary channels 31 of both on the associated bridge 12th adjacent canals 11 can be fed with reaction gas. This enables a targeted, uniform flow of the reaction gas under the webs 12th in the diffusion layers 5 , 6th be forced.

Im Unterschied dazu leistet die parallele Anordnung der Nebenkanäle 31 eine gezielt inhomogene Strömung des Reaktionsgases in den Nebenkanälen 31 von einem Kanal 11 zum nächsten. Dadurch können zum einen die Strömungsverluste reduziert werden, zum anderen kann aber auch die Versorgung der Elektrodenschichten 3, 4 in der z-Richtung versetzt zur Struktur der Kanäle 11 erfolgen.In contrast to this, the parallel arrangement of the secondary channels works 31 a targeted inhomogeneous flow of the reaction gas in the secondary channels 31 from a canal 11 to the next. In this way, on the one hand, the flow losses can be reduced, on the other hand, the supply of the electrode layers can also be achieved 3 , 4th offset in the z-direction to the structure of the channels 11 respectively.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 10221951 B4 [0002]DE 10221951 B4 [0002]

Claims (16)

Verteilerplatte (7, 8), insbesondere für eine elektrochemische Zelle (1), wobei die Verteilerplatte (7, 8) Kanäle (11) und angrenzende Stege (12) aufweist, wobei die Unterseiten der Stege (12) eine Kontaktfläche (13) der Verteilerplatte (7, 8) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (13) zumindest teilweise eine Strukturierung (30) aufweist.Distribution plate (7, 8), in particular for an electrochemical cell (1), the distribution plate (7, 8) having channels (11) and adjacent webs (12), the undersides of the webs (12) having a contact surface (13) of the Form distribution plate (7, 8), characterized in that the contact surface (13) at least partially has a structure (30). Verteilerplatte (7, 8) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Kanäle (11) in ihren Flanken im Bereich der Strukturierung (30) Staukanten (35) aufweisen.Distribution plate (7, 8) Claim 1 characterized in that at least some of the channels (11) have retaining edges (35) in their flanks in the area of the structuring (30). Verteilerplatte (7, 8) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (11) entlang einer Flanke Versetzungen (36) der Staukanten (35) aufweist.Distribution plate (7, 8) Claim 2 characterized in that the channel (11) has offsets (36) of the retaining edges (35) along one flank. Verteilerplatte (7, 8) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung (30) zwei benachbarte Kanäle (11) fluidisch verbindet.Distribution plate (7, 8) after one of the Claims 1 to 3 characterized in that the structuring (30) fluidly connects two adjacent channels (11). Verteilerplatte (7, 8) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerplatte (7, 8) in der Kontaktfläche (13) eine Beschichtung (15) aufweist.Distribution plate (7, 8) after one of the Claims 1 to 4th characterized in that the distributor plate (7, 8) has a coating (15) in the contact surface (13). Verteilerplatte (7, 8) nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung (30) in die Beschichtung (15) eingebracht ist.Distribution plate (7, 8) Claim 5 characterized in that the structuring (30) is introduced into the coating (15). Verteilerplatte (7, 8) nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung (30) in eine Grundplatte (7a, 8a) der Verteilerplatte (7, 8) eingebracht ist, wobei die Strukturierung (30) durch die Beschichtung (15) weitestgehend erhalten bleibt.Distribution plate (7, 8) Claim 5 characterized in that the structuring (30) is introduced into a base plate (7a, 8a) of the distributor plate (7, 8), the structuring (30) being largely retained by the coating (15). Verteilerplatte (7, 8) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung (30) Nebenkanäle (31) umfasst, wobei bevorzugt der Querschnitt eines Nebenkanals (31) um mindestens den Faktor 50 kleiner ist als der Querschnitt eines Kanals (11).Distribution plate (7, 8) after one of the Claims 1 to 7th characterized in that the structuring (30) comprises secondary channels (31), the cross section of a secondary channel (31) preferably being at least 50 times smaller than the cross section of a channel (11). Verteilerplatte (7, 8) nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Kanäle (11) in ihren Flanken im Bereich der Strukturierung (30) Staukanten (35) aufweisen, wobei die Staukanten (35) bündig am Eingang der Nebenkanäle (31) angeordnet sind.Distribution plate (7, 8) Claim 8 characterized in that at least some of the channels (11) have retaining edges (35) in their flanks in the area of the structure (30), the retaining edges (35) being arranged flush at the entrance of the secondary channels (31). Verteilerplatte (7, 8) nach Anspruch 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenkanäle (31) trapezförmig, kreuzförmig oder wellenförmig angeordnet sind.Distribution plate (7, 8) Claim 8 or 9 characterized in that the secondary channels (31) are trapezoidal, cross-shaped or wave-shaped. Verteilerplatte (7, 8) nach Anspruch 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenkanäle (31) parallel angeordnet sind.Distribution plate (7, 8) Claim 8 or 9 characterized in that the secondary channels (31) are arranged in parallel. Verteilerplatte (7, 8) nach Anspruch 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenkanäle (31) wabenförmig angeordnet sind.Distribution plate (7, 8) Claim 8 or 9 characterized in that the secondary channels (31) are arranged in a honeycomb shape. Elektrochemische Zelle (1) mit einer Verteilerplatte (7, 8) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die elektrochemische Zelle (1) eine Diffusionslage (5, 6) und einen Elektrolyten (2) aufweist, wobei die Unterseiten der Stege (12) eine Kontaktfläche (13) der Verteilerplatte (7, 8) zu der Diffusionslage (5, 6) bilden.Electrochemical cell (1) with a distributor plate (7, 8) according to one of the preceding claims, wherein the electrochemical cell (1) has a diffusion layer (5, 6) and an electrolyte (2), the undersides of the webs (12) having a Form the contact surface (13) of the distributor plate (7, 8) with the diffusion layer (5, 6). Elektrochemische Zelle (1) nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionslage (5, 6) ein Vlies, insbesondere ein Kohlefaservlies ist.Electrochemical cell (1) according to Claim 13 characterized in that the diffusion layer (5, 6) is a fleece, in particular a carbon fiber fleece. Elektrochemische Zelle (1) nach einem der Ansprüche 13 oder 14 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle (1) eine Brennstoffzelle oder ein Elektrolyseur ist, wobei der Elektrolyt (2) bevorzugt eine Polymerelektrolyt-Membran ist.Electrochemical cell (1) according to one of the Claims 13 or 14th characterized in that the electrochemical cell (1) is a fuel cell or an electrolyzer, the electrolyte (2) preferably being a polymer electrolyte membrane. Kraftfahrzeug mit einer als Brennstoffzelle ausgeführten elektrochemischen Zelle (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 15.Motor vehicle with an electrochemical cell (1) designed as a fuel cell according to one of the Claims 13 to 15th .
DE102019220534.8A 2019-12-23 2019-12-23 Electrochemical cell with a distribution plate Pending DE102019220534A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019220534.8A DE102019220534A1 (en) 2019-12-23 2019-12-23 Electrochemical cell with a distribution plate

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019220534.8A DE102019220534A1 (en) 2019-12-23 2019-12-23 Electrochemical cell with a distribution plate

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102019220534A1 true DE102019220534A1 (en) 2021-06-24

Family

ID=76206537

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102019220534.8A Pending DE102019220534A1 (en) 2019-12-23 2019-12-23 Electrochemical cell with a distribution plate

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102019220534A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113571727A (en) * 2021-07-20 2021-10-29 大连海事大学 Novel bipolar plate with wave-shaped structure and under-ridge flow channel coupling proton exchange membrane fuel cell
WO2023030780A1 (en) * 2021-09-03 2023-03-09 Robert Bosch Gmbh Distributor plate for an electrochemical cell, and electrochemical cell

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060216553A1 (en) * 2005-03-28 2006-09-28 Shuo-Jen Lee Fuel cell with bipolar plates having micro channels and its manufacturing method
US20080038619A1 (en) * 2006-08-09 2008-02-14 Daido Tokushuko Kabushiki Kaisha Metallic bipolar plate for fuel cells,and fuel cell comprising the same
JP2017079145A (en) * 2015-10-20 2017-04-27 株式会社デンソー Fuel battery cell
KR101983912B1 (en) * 2017-12-15 2019-05-29 한양대학교 산학협력단 Separator and fuel cell including the separator

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060216553A1 (en) * 2005-03-28 2006-09-28 Shuo-Jen Lee Fuel cell with bipolar plates having micro channels and its manufacturing method
US20080038619A1 (en) * 2006-08-09 2008-02-14 Daido Tokushuko Kabushiki Kaisha Metallic bipolar plate for fuel cells,and fuel cell comprising the same
JP2017079145A (en) * 2015-10-20 2017-04-27 株式会社デンソー Fuel battery cell
KR101983912B1 (en) * 2017-12-15 2019-05-29 한양대학교 산학협력단 Separator and fuel cell including the separator

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113571727A (en) * 2021-07-20 2021-10-29 大连海事大学 Novel bipolar plate with wave-shaped structure and under-ridge flow channel coupling proton exchange membrane fuel cell
CN113571727B (en) * 2021-07-20 2022-06-03 大连海事大学 Flow field structure of bipolar plate of fuel cell
WO2023030780A1 (en) * 2021-09-03 2023-03-09 Robert Bosch Gmbh Distributor plate for an electrochemical cell, and electrochemical cell

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102017124843B4 (en) Single cell of a fuel cell
EP3884535B1 (en) Fuel cell plate, bipolar plate and fuel cell device
EP3329536A1 (en) Bipolar plate and membrane electrode unit for a fuel cell arranged in a fuel cell stack, fuel cell and fuel cell stack
DE102015207397A1 (en) Porous channel structure for a fuel cell
DE102019220534A1 (en) Electrochemical cell with a distribution plate
DE102018220464A1 (en) Distribution structure for fuel cell and electrolyzer
DE102014206336A1 (en) Bipolar plate, fuel cell and a motor vehicle
WO2019185350A1 (en) Gas distributor structure for a fuel cell
DE102016200398A1 (en) Bipolar plate for fuel cells with three individual plates, fuel cell stack with such bipolar plates and vehicle with such a fuel cell stack
DE102015214520A1 (en) Membrane for a membrane-electrode assembly of a fuel cell and manufacturing process
DE102022106498A1 (en) Electrolyser for water electrolysis and method for water electrolysis
DE10038589A1 (en) Electrochemical cell
WO2017025557A1 (en) Membrane electrode assembly for a fuel cell, and fuel cell
WO2016120233A1 (en) Method for producing a catalytically coated membrane and membrane electrode assembly and fuel cell stack having same
DE102019218425A1 (en) Bipolar plate
DE102018114006A1 (en) Bipolar plate and fuel cell having a bipolar plate
DE102021214824A1 (en) Media distributor structure, bipolar plate and electrochemical cell
DE102018211078B3 (en) Bipolar plate for fuel cells with three individual plates, and fuel cell and fuel cell stack with such bipolar plates
DE102016124313A1 (en) Fuel cell stack with improved condensate management
DE102016121954A1 (en) Bipolar plate, fuel cell stack and a motor vehicle
DE102008017600A1 (en) Gas distribution field plate with improved gas distribution for a fuel cell and a fuel cell containing such
DE102021115559A1 (en) fuel cell
DE102020213580A1 (en) Distribution plate for an electrochemical cell and electrochemical cell
DE102014217050A1 (en) Bipolar plate and fuel cell
DE102023117512A1 (en) Bipolar plate and low temperature polymer electrolyte membrane fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified