DE102020213574A1

DE102020213574A1 - Verteilerplatte für eine elektrochemische Zelle, elektrochemische Zelle und Verfahren zum Betrieb einer elektrochemischen Zelle

Info

Publication number: DE102020213574A1
Application number: DE102020213574.6A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Berner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-10-29
Filing date: 2020-10-29
Publication date: 2022-05-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verteilerplatte (7) für eine elektrochemische Zelle (1), wobei die Verteilerplatte (7) eine Struktur, umfassend Stege (12) mit Oberflächen (13) und Hauptkanäle (11), aufweist, wobei Verteilerkanäle (60) auf den Oberflächen (13) jeweils eine Strukturierung (92) bilden und wobei die Verteilerplatte (7) mindestens zwei Bereiche (94) aufweist, in denen sich die Strukturierung (92) der Oberflächen (13) jeweils voneinander unterscheidet. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrochemische Zelle (1) und ein Verfahren zum Betrieb einer elektrochemischen Zelle (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Verteilerplatte für eine elektrochemische Zelle, wobei die Verteilerplatte eine Struktur, umfassend Stege mit Oberflächen und Hauptkanäle, aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrochemische Zelle und ein Verfahren zum Betrieb einer elektrochemischen Zelle.
Elektrochemische Zellen sind elektrochemische Energiewandler und in Form von Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren bekannt.
Eine Brennstoffzelle wandelt chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) in Wasser (H₂O), elektrische Energie und Wärme gewandelt.
Unter anderem sind Protonenaustauschmembran (Proton Exchange Membrane = PEM)-Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.
Brennstoffzellen weisen eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert, die zur Kathode gelangen. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zur Kathode.
Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet: O₂ + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O
Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel, der auch als Stack oder Brennstoffzellenaufbau bezeichnet wird, angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.
Ein Stapel von elektrochemischen Zellen weist üblicherweise Endplatten auf, die die einzelnen Zellen miteinander verpressen und dem Stapel Stabilität verleihen. Die Endplatten können auch als Pluspol beziehungsweise Minuspol des Stapels zum Ableiten des Stroms dienen.
Die Elektroden, also die Anode und die Kathode, und die Membran können konstruktiv zu einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) zusammengefasst sein, die auch als Membrane Electrode Assembly bezeichnet wird.
Stapel von elektrochemischen Zellen weisen ferner Bipolarplatten auf, die auch als Gasverteilerplatten oder Verteilerplatten bezeichnet werden. Bipolarplatten dienen zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode. Weiterhin weisen Bipolarplatten üblicherweise eine Oberflächenstruktur, insbesondere kanalartige Strukturen, zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels an die Elektroden auf. Insbesondere in Brennstoffzellen dienen die kanalartigen Strukturen auch zur Ableitung des bei der Reaktion entstandenen Wassers. Zusätzlich können die Bipolarplatten Strukturen zur Durchleitung eines Kühlmediums durch die elektrochemische Zelle zur Abführung von Wärme aufweisen.
Neben der Medienführung bezüglich Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser gewährleisten die Bipolarplatten einen flächigen elektrischen Kontakt zur Membran.
Zum Beispiel umfasst ein Brennstoffzellenstapel typischerweise bis zu einigen Hundert einzelne Brennstoffzellen, die lagenweise als sogenannte Sandwiches aufeinandergestapelt werden. Die einzelnen Brennstoffzellen weisen eine MEA sowie jeweils eine Bipolarplattenhälfte auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite auf. Eine Brennstoffzelle umfasst insbesondere eine Anoden-Monopolar-Platte und eine Kathoden-Monopolar-Platte, üblicherweise jeweils in Form von geprägten Blechen, die zusammen die Bipolarplatte und damit Kanäle zur Führung von Gas und Flüssigkeiten bilden und zwischen denen das Kühlmedium fließt.
Weiterhin umfassen elektrochemische Zellen in der Regel Gasdiffusionslagen, die der Gasverteilung dienen. Die Gasdiffusionslagen sind zwischen einer Bipolarplatte und einer MEA angeordnet und typischerweise kanalseitig, also in Richtung der angrenzenden Bipolarplatte, aus einem Kohlefaservlies, der auch als „gas diffusion backing“ (GDB) bezeichnet wird, und katalysatorseitig, also in Richtung der Membran, aus einer mikroporösen Schicht, die auch als „micro porous layer“ (MPL) bezeichnet wird, aufgebaut.
Gegenüber einer Brennstoffzelle ist ein Elektrolyseur ein Energiewandler, welcher unter Anlegen von elektrischer Spannung bevorzugt Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Auch Elektrolyseure weisen unter anderem MEAs, Bipolarplatten und Gasdiffusionslagen auf.
Für die Effizienz einer elektrochemischen Zelle, insbesondere mit einer Polymer-Elektrolyt-Membran, ist es besonders wichtig, die auf der Membran angeordneten Elektrodenschichten homogen mit Reaktionsgas zu versorgen.
Bekannte Verteilerplatten weisen insbesondere Kanäle und jeweils angrenzende bzw. benachbarte Stege auf, die eine Struktur bilden. Die Kanäle werden auch als Hauptkanäle oder Channels und die Stege als Lands bezeichnet. Oberflächen der Stege, die zumindest teilweise zur Ausdehnungsebene der Verteilerplatte parallel sind, umfassen Kontaktflächen der Verteilerplatte zu einer angrenzenden Gasdiffusionslage der elektrochemischen Zelle. Die Gase Wasserstoff und Sauerstoff passieren die Gasdiffusionslage von den Kanälen der Verteilerplatte zur Reaktionszone an der Membran. Die Bereiche der Gasdiffusionslage, die auf den Stegen der Verteilerplatte aufliegen, und damit die entsprechenden Bereiche der darunterliegenden MEA, werden vergleichsweise schlecht mit Reaktionsgas versorgt, insbesondere unter flutenden Bedingungen der elektrochemischen Zelle, was zu einer ungewollt inhomogenen Stromdichteverteilung führen kann.
Auf der Seite der Membran, auf der Luft, also Sauerstoff, zugeführt wird, entsteht im Betrieb der Brennstoffzelle Wasser, das durch die Gasdiffusionslage zu den Kanälen der Verteilerplatte transportiert und von dort aus der Zelle entfernt werden muss. Typische Betriebstemperaturen für elektrochemische Zellen, die eine Membran aufweisen, betragen weniger als 120°C, so dass das Wasser typischerweise in der Gasdiffusionslage kondensiert und flüssig vorliegt. In der Gasdiffusionslage ist die Transportrichtung des Wassers der Transportrichtung des Gases entgegengesetzt und angesammeltes Wasser kann die Nachführung von Reaktionsgas, insbesondere Sauerstoff, stark behindern.
Bipolarplatten sind zum Beispiel aus der DE 10 221 951 B4 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Verteilerplatte für eine elektrochemische Zelle vorgeschlagen, wobei die Verteilerplatte eine Struktur, umfassend Stege mit Oberflächen und Hauptkanäle, aufweist, wobei Verteilerkanäle auf den Oberflächen jeweils eine Strukturierung bilden und wobei die Verteilerplatte mindestens zwei Bereiche aufweist, in denen sich die Strukturierung der Oberflächen jeweils voneinander unterscheidet. Ferner wird eine elektrochemische Zelle umfassend die Verteilerplatte vorgeschlagen.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Betrieb der elektrochemischen Zelle vorgeschlagen, wobei ein Gemisch mit einer ersten Zusammensetzung, insbesondere umfassend Sauerstoff, in die Verteilerplatte geführt wird und das Gemisch mit einer zweiten Zusammensetzung, insbesondere umfassend Wasser, von der Verteilerplatte abgeführt wird, wobei die Strukturierung in Abhängigkeit von einer lokalen Zusammensetzung des Gemischs variiert.
Die elektrochemische Zelle, die bevorzugt eine Brennstoffzelle oder ein Elektrolyseur ist, umfasst bevorzugt mindestens eine Verteilerplatte, mindestens eine Gasdiffusionslage und mindestens eine Membran beziehungsweise eine Membran-Elektroden-Anordnung. Insbesondere ist jeweils eine Gasdiffusionslage zwischen einer Verteilerplatte und einer Membran angeordnet.
Die Gasdiffusionslage weist bevorzugt eine poröse Struktur auf und liegt weiter bevorzugt unter einem hohen Druck von ca. 10 bis 15 bar an der Verteilerplatte an. Die Membran ist bevorzugt eine Polymer-Elektrolyt-Membran, die z.B. Perfluorsulfonsäure (PFSA), insbesondere Nafion, enthält oder aus Perfluorsulfonsäure (PFSA), insbesondere Nafion, besteht. Ferner können auch alkalische Membranen eingesetzt werden.
Bevorzugt umfasst die Gasdiffusionslage ein Vlies, insbesondere ein Kohlefaservlies, und gegebenenfalls eine mikroporöse Schicht, wobei das Vlies auf einer Seite der Gasdiffusionslage angeordnet ist, die zu der Verteilerplatte zeigt. Weiter bevorzugt besteht die Gasdiffusionslage aus dem Kohlefaservlies und gegebenenfalls der mikroporösen Schicht. Bei dem Vlies kann die Gasdurchlässigkeit in Dickenrichtung, also in Richtung zur Membran, vergleichbar mit der Gasdurchlässigkeit in der Ebene sein, also in Richtungen parallel zu der Membran.
Die Verteilerplatte umfasst bevorzugt Kohlenstoff wie Graphit, ein Metall wie Edelstahl oder Titan und/oder eine Legierung enthaltend das Metall. Weiter bevorzugt ist die Verteilerplatte aus Kohlenstoff, dem Metall und/oder der Legierung aufgebaut. Insbesondere besteht eine Grundplatte der Verteilerplatte aus Kohlenstoff, dem Metall und/oder der Legierung.
Die Verteilerkanäle dienen primär zur Versorgung der Gasdiffusionslage unter den Stegen der Bipolarplatte und damit der sich daran anschließenden Elektrode mit dem Gemisch, insbesondere mit Sauerstoff. Die Verteilerkanäle, die auch als Verbindungskanäle bezeichnet werden können, führen das Gas insbesondere in die Regionen, wo die Gasdiffusionslage auf den Stegen aufliegt. Das Gemisch ist bevorzugt ein Gasgemisch, dass zusätzlich eine Flüssigkeit, insbesondere flüssiges Wasser umfassen kann. Typische Komponenten des Gemischs sind Luft, insbesondere Sauerstoff, und gegebenenfalls gasförmiges und/oder flüssiges Wasser.
Die Verteilerkanäle sind insbesondere auf einer Seite der Verteilerplatte angeordnet, die in der elektrochemischen Zelle zu der benachbart angeordneten Gasdiffusionslage zeigt. Die Verteilerkanäle verbinden jeweils bevorzugt zwei, insbesondere zwei benachbarte, Hauptkanäle. Bevorzugt verbindet die Strukturierung zwei benachbarte Hauptkanäle fluidisch.
Die Verteilerplatte, die auch als Bipolarplatte bezeichnet werden kann, weist bevorzugt eine wellenförmige Struktur auf, wobei sich Stege und Hauptkanäle abwechseln und weiter bevorzugt jeweils parallel zueinander angeordnet sind.
Bevorzugt umfasst die Oberfläche der Stege jeweils mindestens einen Kontaktbereich, der auch als Kontaktfläche bezeichnet werden kann, an dem die benachbart angeordnete Gasdiffusionslage anliegt. Bevorzugt sind die Kontaktbereiche der Stege im Wesentlichen parallel zu Bodenflächen der Hauptkanäle angeordnet. Im Wesentlichen parallel ist dahingehend zu verstehen, dass eine Ebene, in der die Kontaktbereiche liegen, und die Bodenflächen einen Winkel von weniger als 30°, weiter bevorzugt weniger als 20°, mehr bevorzugt weniger als 10° und insbesondere weniger als 5° einschließen. Die Strukturierung ist bevorzugt jeweils im Kontaktbereich, weiter bevorzugt ausschließlich im Kontaktbereich der Stege angeordnet.
Durch die poröse Struktur der Gasdiffusionslagen wird ein natürliches Abfließen des Wassers, das bei hohen Stromdichten typischerweise in flüssiger Form vorliegt, erschwert, so dass ein Wasserstau vorliegen kann. Dieser kann in den Kontaktbereichen die Leistungsdichte der elektrochemischen Zelle begrenzen, insbesondere, wenn die Zufuhr des Gemischs unzureichend ist.
Bevorzugt weisen die Stege Seitenflächen auf, die insbesondere von der Oberfläche der Stege umfasst sind. Die Oberfläche der Stege umfasst weiter bevorzugt pro Steg jeweils zwei Seitenflächen, die sich jeweils an eine Bodenfläche des benachbarten Hauptkanals anschließen. Die Seitenflächen können auch als Flanken bezeichnet werden und sind bevorzugt in einem Flankenwinkel zu den Bodenflächen angeordnet, wobei der Flankenwinkel weiter bevorzugt in einem Bereich von 90° bis 135°, mehr bevorzugt in einem Bereich von 90° bis 125°, insbesondere von 95° bis 110° liegt. Ferner sind die Seitenflächen bevorzugt zu den Kontaktbereichen abgewinkelt angeordnet. Bevorzugt sind die Bodenflächen zumindest teilweise planar.
Die Hauptkanäle sind bevorzugt gerade und weiter bevorzugt parallel zueinander auf der Verteilerplatte angeordnet. Die Verteilerkanäle weisen eine Querschnittsfläche auf, die bevorzugt rechteckig oder dreieckig ist. Die Querschnittsfläche der Verteilerkanäle ist bevorzugt jeweils über eine Länge des jeweiligen Verteilerkanals konstant oder kann variieren. Eine Querschnittsfläche eines der Hauptkanäle ist bevorzugt um mindestens einen Faktor von 50 größer als eine Querschnittsfläche einer der Verteilerkanäle.
Bevorzugt beträgt eine Breite der Verteilerkanäle jeweils von 1 µm bis 500 µm, weiter bevorzugt von größer als 50 µm bis 200 µm. Bevorzugt beträgt eine Tiefe der Verteilerkanäle jeweils von 1 µm bis 300 µm, weiter bevorzugt von 20 µm bis 100 µm.
Bevorzugt weist die Verteilerplatte zumindest teilweise eine, insbesondere hydrophobe, Beschichtung auf, die einen Lotuseffekt aufweisen kann. Unter hydrophob ist bevorzugt zu verstehen, dass die Benetzbarkeit schlechter ist als die Benetzbarkeit von Stahl mit glatter Oberfläche mit Wasser, mehr bevorzugt, dass der Kontaktwinkel bezüglich Wassertropfen größer als 70° ist, insbesondere größer als 80°. Die Beschichtung liegt insbesondere auf den Bodenflächen und/oder in den Kontaktbereichen vor, um hier den Kontaktwiderstand zu senken. Die Beschichtung kann ferner sowohl dem Korrosionsschutz der Verteilerplatte als auch der Verringerung des elektrischen Übergangswiderstands zur Gasdiffusionslage dienen.
Bevorzugt umfasst die Beschichtung Kohlenstoff wie Ruß oder Graphit, insbesondere Kohlenstoffpartikel, und ein, insbesondere organisches, Bindemittel, zum Beispiel Kunstharz und/oder Polyvinylidenfluorid (PVDF). Das Bindemittel kann thermoplastisch oder duroplastisch sein. Die Beschichtung weist bevorzugt eine Schichtdicke in einem Bereich von 1 nm bis 200 µm auf, weiter bevorzugt von 5 nm bis 100 µm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 5 nm bis 50 µm. In den Kontaktbereichen der Stege liegt bevorzugt eine Schichtdicke von mehr als 5 µm vor. Auf den Seitenflächen und den Bodenflächen beträgt die Schichtdicke bevorzugt weniger als 1 µm.
Die Verteilerkanäle können in die Grundplatte der Verteilerplatte, die insbesondere ein Blech ist, und/oder in die Beschichtung der Verteilerplatte eingebracht sein. Im letztgenannten Fall beträgt die Schichtdicke bevorzugt mehr als 5 µm. Bevorzugt sind die Verteilerkanäle in die Beschichtung eingebracht. Die Verteilerkanäle können beschichtet oder unbeschichtet sein.
Bevorzugt weist die Verteilerplatte einen Einlassbereich und einen Auslassbereich mit jeweils einer Portstruktur auf. Der Einlassbereich und der Auslassbereich liegen insbesondere zusätzlich zu den mindestens zwei Bereichen vor. Durch die Portstruktur des Einlassbereichs beziehungsweise des Auslassbereichs können Gase und/oder Flüssigkeiten, insbesondere das Gemisch, der Verteilerplatte zugeführt beziehungsweise von dieser abgeführt werden. Die mindestens zwei Bereiche sind insbesondere Bereiche einer aktiven Fläche der Verteilerplatte. Die aktive Fläche hat bevorzugt eine rechteckige Form.
Die Verteilerplatte ist bevorzugt als Funktion des Ortes unterschiedlich strukturiert, insbesondere was eine Ausführung der Verteilerkanäle auf den Stegen der Verteilerplatte betrifft.
Innerhalb der mindestens zwei verschiedenen Bereiche liegt typischerweise eine unterschiedliche Medienversorgung vor, also eine unterschiedliche Verteilung und Zusammensetzung des Gemischs, so dass die Gasversorgung, Feuchte, Temperaturverteilung und Stromverteilung über die gesamte Verteilerplatte, insbesondere die aktive Fläche der Verteilerplatte, stark variieren kann. Bei einer Stromdichte von beispielsweise 1,5 A/cm² und einer Sauerstoffstoichiometrie von ca. 2 liegt in den Hauptkanälen am Auslass ein Sauerstoffanteil von ca. 11 Vol.-% vor, während unter den Stegen in der Nähe der Elektrode lediglich weniger als 3 Vol.-% Sauerstoff im Gemisch enthalten sind.
Weiter bevorzugt sind die mindestens zwei Bereiche hintereinander zwischen dem Einlassbereich und dem Auslassbereich angeordnet. Entsprechend strömt bevorzugt das zugeführte Gemisch vom Einlassbereich über die mindestens zwei Bereiche, wobei weiter bevorzugt zunächst ein erster Bereich und dann ein zweiter Bereich überströmt werden, zu dem Auslassbereich. Weiter bevorzugt weist die Verteilerplatte mehr als zwei Bereiche auf, in denen sich die Strukturierung der Oberflächen jeweils voneinander unterscheidet.
Bevorzugt unterscheidet sich die Strukturierung der mindestens zwei Bereiche jeweils hinsichtlich einer Anzahl an Verteilerkanälen pro Fläche, einer Geometrie der Verteilerkanäle und/oder einer Anordnung der Verteilerkanäle. Weiterhin kann die Beschichtung insbesondere bezüglich Material beziehungsweise Zusammensetzung und Dicke der Beschichtung in den mindestens zwei Bereichen variieren. Die Verteilerkanäle sind bevorzugt jeweils in einem Winkel zu den Hauptkanälen angeordnet, wobei der Winkel in der Strukturierung der mindestens zwei Bereiche, weiter bevorzugt in Richtung von dem Einlassbereich zu dem Auslassbereich, abnimmt. Die Richtung von dem Einlassbereich zu dem Auslassbereich entspricht insbesondere einer Hauptstromrichtung des Gemischs in den Hauptkanälen der Verteilerplatte. Der Winkel eines Verteilerkanals zu den Hauptkanälen, insbesondere zu mindestens einem benachbarten Hauptkanal, beträgt bevorzugt 20° bis 70°, weiter bevorzugt 30° bis 60°, insbesondere 30° bis 45°. Ferner kann sich ein Abstand zwischen den Verteilerkanälen in der Strukturierung der mindestens zwei Bereiche, bevorzugt in Richtung von dem Einlassbereich zu dem Auslassbereich, ändern. Je mehr Verteilerkanäle vorliegen, desto größer ist die direkt überströmte Fläche, insbesondere der Stege. Die Verteilerkanäle können zum Beispiel trapezförmig, wellenförmig, parallel, kreuzförmig oder wabenförmig angeordnet sein. Bevorzugt ist die Strukturierung innerhalb eines der mindestens zwei Bereiche jeweils einheitlich.
Weiterhin kann die Verteilerplatte mindestens einen planaren Bereich ohne Verteilerkanäle aufweisen. In einer Ausführungsform ist mindestens einer der zwei Bereiche ein planarer Bereich ohne Verteilerkanäle. In dem mindestens einen planaren Bereich liegt entsprechend keine Strukturierung vor. Bevorzugt ist der planare Bereich ohne Verteilerkanäle näher an dem Einlassbereich angeordnet als ein anderer der mindestens zwei Bereiche, der eine Strukturierung aufweist. Weiter bevorzugt folgt der planare Bereich, insbesondere direkt, auf den Einlassbereich.
Weiter bevorzugt umfasst die Verteilerplatte drei Bereiche. So kann zum Beispiel der Einlassbereich gefolgt von einem planaren Bereich ohne Verteilerkanäle, gefolgt von zwei Bereichen mit Verteilerkanälen angeordnet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Verteilerplatte genau drei Bereiche auf. Im Betrieb der elektrochemischen Zelle herrschen in einem ersten der drei Bereiche, der auch als Eingangsbereich bezeichnet werden kann, typischerweise trockene Bedingungen. In einem zweiten der drei Bereiche, der auch als mittlerer Bereich bezeichnet werden kann, herrschen typischerweise variable Bedingungen, wobei unter Last hohe Temperaturen und eine starke Wasserproduktion möglich sind. In einem dritten der drei Bereiche, der auch als Endbereich oder Ausgangsbereich bezeichnet werden kann, herrscht typischerweise eine hohe Feuchtigkeit und ein übersättigtes Gemisch liegt vor, wobei es in der Regel zur Kondensation von Wasser kommt.
Bevorzugt weisen die Verteilerkanäle unterschiedliche Winkel zum Hauptkanal jeweils in den drei Bereichen auf. So ist in dem dritten Bereich ein flacherer Winkel zu den Hauptkanälen als zum Beispiel in dem zweiten Bereich bevorzugt. Der Winkel zu den Hauptkanälen im dritten Bereich beträgt zum Beispiel 30°. Unter dem Winkel zu den Hauptkanälen wird insbesondere der kleinere der von einem Verteilerkanal und einem Hauptkanal eingeschlossene Winkel verstanden. Ein flacherer Winkel zu den Hauptkanälen führt zu weniger Strukturierung pro Fläche, aber zu einer höheren Strömungsgeschwindigkeit in den Verteilerkanälen. Eine hohe Strömungsgeschwindigkeit begünstigt den Austrag von flüssigem Wasser aus dem Kontaktbereich.
Hingegen sind in dem zweiten der drei Bereiche steilere Winkel von zum Beispiel 45° zu den Hauptkanälen bevorzugt, da hier typischerweise eine Stromdichte am höchsten ist, so dass eine verbesserte Sauerstoffzufuhr unter den Stegen, also im Kontaktbereich, angestrebt wird.
In dem ersten der drei Bereiche liegt bevorzugt eine geringe Strukturierung oder keine Strukturierung vor. Eine geringe Strukturierung kann beispielsweise durch einen größeren Abstand der Verteilerkanäle zueinander als in dem zweiten Bereich und dem dritten Bereich ausgeführt sein, da in dem ersten Bereich üblicherweise eine hohe Konzentration an Sauerstoff in dem zugeführten Gemisch vorliegt und geringe Feuchten zu erwarten sind. In dem ersten Bereich wird die Membran bevorzugt feucht gehalten, also nur wenig Querströmung, also eine geringe oder keine Strömungsgeschwindigkeit in den ggfs. vorhandenen Verteilerkanälen erzeugt, da die Querströmung einem Austrocknen dienen würde.
Insbesondere ist die Strukturierung in dem zweiten Bereich bezüglich der Sauerstoffzufuhr optimiert und die Strukturierung in dem dritten Bereich bezüglich einer hohen Strömungsgeschwindigkeit des Gemischs zum Wasseraustrag.
Bevorzugt wird eine Strömungsgeschwindigkeit des Gemischs mittels der Strukturierung so eingestellt, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Gemischs, insbesondere in den Verteilerkanälen, mit der Hauptstromrichtung der Hauptkanäle, also in Richtung von dem Einlassbereich zu dem Auslassbereich, zunimmt. Die Strömungsgeschwindigkeit des Gemischs in den Verteilerkanälen beträgt bevorzugt bis zu 0,5 m/s. Hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Gemischs in den Verteilerkanälen sind insbesondere im mittleren Bereich sowie in der Nähe des Auslassbereichs von Vorteil.
Vorteile der Erfindung
Durch die Variation der Strukturierung in verschiedenen Bereichen der Verteilerplatte kann das Strömungsverhalten an die lokalen Reaktionsbedingungen angepasst werden, so dass zum Beispiel in einer Brennstoffzelle gezielt zunächst die Sauerstoffzufuhr und anschließend der Wasseraustrag gefördert werden kann. Es wird entsprechend den lokal unterschiedlichen Bedingungen und Anforderungen innerhalb der aktiven Fläche der elektrochemischen Zelle Rechnung getragen.
Durch die beschriebenen Strukturierungen wird in Hauptströmungsrichtung des zugeführten Gemischs zunächst mit einer geringen Querströmung die Membran feucht gehalten, dann eine Sauerstoffzufuhr verbessert und anschließend werden höhere Strömungsgeschwindigkeiten zum verbesserten Austrag von flüssigem Wasser erreicht.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle gemäß dem Stand der Technik,
2 einen Brennstoffzellenaufbau mit Verteilerplatten,
3 einen Kontaktbereich zwischen einer Gasdiffusionslage und einer Verteilerplatte,
4 Hauptkanäle einer Verteilerplatte mit Verteilerkanal,
5 eine Draufsicht auf eine Verteilerplatte mit drei verschiedenen Bereichen,
6 eine Draufsicht auf die jeweilige Strukturierung zweier Bereiche und
7 verschiedene Ausführungsformen der Strukturierung.

Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
1 zeigt schematisch eine elektrochemische Zelle 1 in Form einer Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik. Die elektrochemische Zelle 1 weist eine Membran 2 als Elektrolyten auf. Die Membran 2 trennt einen Kathodenraum 39 von einem Anodenraum 41.
Im Kathodenraum 39 und Anodenraum 41 sind auf der Membran 2 jeweils eine Elektrodenschicht 3, eine Gasdiffusionslage 5 und eine Verteilerplatte 7 angeordnet. Der Verbund von der Membran 2 und der Elektrodenschicht 3 kann auch als Membran-Elektroden-Anordnung 4 bezeichnet werden.
Die Verteilerplatten 7 weisen Hauptkanäle 11 für die Gaszufuhr, beispielsweise von Sauerstoff 43 im Kathodenraum 39 und Wasserstoff 45 im Anodenraum 41, zu den Gasdiffusionslagen 5 auf. Auf den Verteilerplatten 7 wechseln Hauptkanäle 11 und Stege 12 ab.
Auf einer Oberfläche 13 der Stege 12 ist ein Kontaktbereich 47 jeweils zwischen der Verteilerplatte 7 und der benachbart angeordneten Gasdiffusionslage 5 ausgebildet. Ferner weisen die Stege 12 Seitenflächen 31 und die Hauptkanäle 11 Bodenflächen 33 auf.
2 zeigt einen Brennstoffzellenaufbau umfassend mehrere Verteilerplatten 7 und Membranelektrodenanordnungen 4, die Membranen 2 umfassen. Durch die Verteilerplatten 7 werden Sauerstoff 43, beziehungsweise Luft, in der der Sauerstoff 43 enthalten ist, und Wasserstoff 45 zu den Membran-ElektrodenAnordnungen 4 geleitet. In den Hauptkanälen 11 der Verteilerplatten 7, in denen Sauerstoff 43, beziehungsweise Luft, in der der Sauerstoff 43 enthalten ist, zugeführt wird, wird Wasser 51 abgeführt. Außerdem dienen die Verteilerplatten 7 zur Führung eines Kühlmittels 49.
3 zeigt einen Kontaktbereich 47 zwischen einer Gasdiffusionslage 5 und einer Verteilerplatte 7. Ein Steg 12 der Verteilerplatte 7 ist hier mit der Gasdiffusionslage 5 in Kontakt. Ferner ist eine Beschichtung 37 auf dem Steg 12 der Verteilerplatte 7 angeordnet. Wasserstoff 45 gelangt von den Hauptkanälen 11 durch die Gasdiffusionslage 5 zu der Elektrodenschicht 3, die auf der Membran 2 angeordnet ist.
4 zeigt zwei Hauptkanäle 11 einer Verteilerplatte 7, die durch einen Verteilerkanal 60 miteinander verbunden sind. Durch den Verteilerkanal 60 strömt ein Gemisch 42 in einem Winkel 19 zu den Hauptkanälen 11 und zu einer Hauptstromrichtung 53 über die Oberfläche 13 des Stegs 12. Der Verteilerkanal 60 weist eine Breite 29 auf.
5 zeigt eine Draufsicht auf eine Verteilerplatte 7, die drei Bereiche 94 aufweist, in denen sich eine Strukturierung 92 der Oberflächen 13 der Stege 12 jeweils voneinander unterscheidet.
Die dargestellte Verteilerplatte 7 weist in einer Hauptstromrichtung 53 eines Gemischs 42 hintereinander einen Einlassbereich 96 mit Portstrukturen 100, einen ersten Bereich 104, einen zweiten Bereich 106, einen dritten Bereich 108 und einen Auslassbereich 98, ebenfalls mit Portstrukturen 100, auf. Gemeinsam stellen die drei Bereiche 94 eine aktive Fläche 102 der Verteilerplatte 7 dar. Die Strukturierungen 92 in den Bereichen 94 sind jeweils den örtlichen Reaktionsbedingungen angepasst, da ein Gehalt an Sauerstoff 43 in dem Gemisch 42 in der Hauptstromrichtung 53 abnimmt, während ein Gehalt an Wasser 51 und damit ein Anteil an Flüssigkeit in dem Gemisch 42 zunimmt.
6 zeigt Strukturierungen 92 zweier Bereiche 94, die einen Ausschnitt der Verteilerplatte 7 gemäß 5 darstellen. In der Draufsicht sind die zueinander parallel verlaufenden Hauptkanäle 11 mit jeweils der Hauptstromrichtung 53 erkennbar. Zwischen den Hauptkanälen 11 befinden sich Stege 12 mit Oberflächen 13, wobei die Verteilerkanäle 60 in den Kontaktbereichen 47 der Oberflächen 13 jeweils die Strukturierung 92 bilden.
Die Verteilerkanäle 60 sind jeweils in einem Winkel 19 zu den Hauptkanälen 11 und der Hauptstromrichtung 53 angeordnet. In dem zweiten Bereich 106 ist der Winkel 19 mit 45° größer als in dem dritten Bereich 108, wo der Winkel 19 30° beträgt.
7 zeigt eine Draufsicht auf verschiedene Ausführungsformen einer Strukturierung 92, die von Verteilerkanälen 60 auf einer Oberfläche 13 von Stegen 12 gebildet wird. Die Stege 12 sind jeweils zwischen Hauptkanälen 11 angeordnet, wobei sich eine Seitenfläche 31 der Stege 12 entlang einer Kante 59 an eine Bodenfläche 33 der Hauptkanäle 11 anschließt.
In den verschiedenen Ausführungsformen der Strukturierung 92 sind in dieser Darstellung von links nach rechts die Verteilerkanäle 60 wellenförmig, parallel, kreuzförmig beziehungsweise wabenförmig angeordnet. Entsprechend wird das Gemisch 42, von der Hauptstromrichtung 53 abzweigend, durch die Verteilerkanäle 60 über den Kontaktbereich 47 der Stege 12 geleitet.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10221951 B4 [0018]

Claims

Verteilerplatte (7) für eine elektrochemische Zelle (1), wobei die Verteilerplatte (7) eine Struktur, umfassend Stege (12) mit Oberflächen (13) und Hauptkanäle (11), aufweist, wobei Verteilerkanäle (60) auf den Oberflächen (13) jeweils eine Strukturierung (92) bilden und wobei die Verteilerplatte (7) mindestens zwei Bereiche (94) aufweist, in denen sich die Strukturierung (92) der Oberflächen (13) jeweils voneinander unterscheidet.
Verteilerplatte (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerplatte (7) einen Einlassbereich (96) und einen Auslassbereich (98) mit jeweils einer Portstruktur (100) aufweist und die mindestens zwei Bereiche (94) hintereinander zwischen dem Einlassbereich (96) und dem Auslassbereich (98) angeordnet sind.
Verteilerplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Strukturierung (92) der mindestens zwei Bereiche (94) jeweils hinsichtlich einer Anzahl an Verteilerkanälen (60) pro Fläche, einer Geometrie der Verteilerkanäle (60) und/oder einer Anordnung der Verteilerkanäle (60) unterscheidet.
Verteilerplatte (7) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerkanäle (60) jeweils in einem Winkel (19) zu den Hauptkanälen (11) angeordnet sind und der Winkel (19) in der Strukturierung (92) der mindestens zwei Bereiche (94) in Richtung von dem Einlassbereich (96) zu dem Auslassbereich (98) abnimmt.
Verteilerplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der zwei Bereiche (94) ein planarer Bereich (95) ohne Verteilerkanäle (60) ist.
Verteilerplatte (7) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der planare Bereich (95) auf den Einlassbereich (96) folgt.
Verteilerplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerplatte (7) zumindest teilweise eine, insbesondere hydrophobe, Beschichtung (37) aufweist und gegebenenfalls die Verteilerkanäle (60) in die Beschichtung (37) eingebracht sind.
Elektrochemische Zelle (1) umfassend eine Verteilerplatte (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zum Betrieb einer elektrochemischen Zelle (1), wobei ein Gemisch (42) mit einer ersten Zusammensetzung, insbesondere umfassend Sauerstoff (43), in eine Verteilerplatte (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 geführt wird und das Gemisch mit einer zweiten Zusammensetzung, insbesondere umfassend Wasser (51), von der Verteilerplatte (7) abgeführt wird, wobei die Strukturierung (92) in Abhängigkeit von einer lokalen Zusammensetzung des Gemischs (42) variiert.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strömungsgeschwindigkeit des Gemischs (42) mittels der Strukturierung (92) so eingestellt wird, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Gemischs (42), insbesondere in den Verteilerkanälen (60), mit einer Hauptstromrichtung (53) der Hauptkanäle (11) zunimmt.