DE102020213578A1 - Distribution plate for an electrochemical cell and electrochemical cell - Google Patents

Distribution plate for an electrochemical cell and electrochemical cell Download PDF

Info

Publication number
DE102020213578A1
DE102020213578A1 DE102020213578.9A DE102020213578A DE102020213578A1 DE 102020213578 A1 DE102020213578 A1 DE 102020213578A1 DE 102020213578 A DE102020213578 A DE 102020213578A DE 102020213578 A1 DE102020213578 A1 DE 102020213578A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
channel
secondary channel
distributor plate
channels
main
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
DE102020213578.9A
Other languages
German (de)
Inventor
Ulrich Berner
Manuel Schneiter
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 DE102020213578.9A priority Critical patent/DE102020213578A1/en
Publication of DE102020213578A1 publication Critical patent/DE102020213578A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/75—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having bipolar electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/77—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having diaphragms
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verteilerplatte (7) für eine elektrochemische Zelle (1), wobei die Verteilerplatte (7) eine Struktur, umfassend Stege (12) mit jeweils einer Oberfläche (13) und Hauptkanäle (11) mit jeweils einer Bodenfläche (33), aufweist, wobei in den Bodenflächen (33) der Hauptkanäle (11) jeweils mindestens ein Nebenkanal (15) angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrochemische Zelle (1).The invention relates to a distributor plate (7) for an electrochemical cell (1), the distributor plate (7) having a structure comprising webs (12) each having a surface (13) and main channels (11) each having a bottom surface (33), has, wherein in the bottom surfaces (33) of the main ducts (11) in each case at least one secondary duct (15) is arranged. The invention also relates to an electrochemical cell (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Verteilerplatte für eine elektrochemische Zelle, wobei die Verteilerplatte eine Struktur, umfassend Stege mit jeweils einer Oberfläche und Hauptkanäle mit jeweils einer Bodenfläche, aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrochemische Zelle.The invention relates to a distributor plate for an electrochemical cell, the distributor plate having a structure comprising webs each having a surface and main channels each having a bottom surface. The invention also relates to an electrochemical cell.

Elektrochemische Zellen sind elektrochemische Energiewandler und in Form von Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren bekannt.Electrochemical cells are electrochemical energy converters and are known in the form of fuel cells or electrolyzers.

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.A fuel cell converts chemical reaction energy of a continuously supplied fuel and an oxidant into electrical energy. In known fuel cells, in particular hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) are converted into water (H 2 O), electrical energy and heat.

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.Among others, proton exchange membranes (PEM) fuel cells are known. Proton exchange membrane fuel cells have a centrally located membrane that is permeable to protons, i.e. hydrogen ions. The oxidizing agent, in particular atmospheric oxygen, is thus spatially separated from the fuel, in particular hydrogen.

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.Fuel cells have an anode and a cathode. The fuel is fed to the anode of the fuel cell and catalytically oxidized to protons, releasing electrons, which then reach the cathode. The electrons emitted are derived from the fuel cell and flow to the cathode via an external circuit.

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 The oxidizing agent, in particular atmospheric oxygen, is supplied to the cathode of the fuel cell and reacts by absorbing the electrons from the external circuit and protons to form water. The resulting water is drained from the fuel cell. The gross reaction is: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O

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.There is a voltage between the anode and the cathode of the fuel cell. To increase the voltage, several fuel cells can be arranged mechanically one behind the other to form a fuel cell stack, which is also referred to as a stack or fuel cell assembly, and connected electrically in series.

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.A stack of electrochemical cells typically has end plates that press the individual cells together and provide stability to the stack. The end plates can also serve as the positive or negative pole of the stack to drain the current.

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.The electrodes, ie the anode and the cathode, and the membrane can be structurally combined to form a membrane electrode assembly (MEA), which is also referred to as a membrane electrode assembly.

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.Stacks of electrochemical cells also include bipolar plates, also referred to as gas distribution plates or distribution plates. Bipolar plates are used to evenly distribute fuel to the anode and evenly distribute oxidant to the cathode. Furthermore, bipolar plates usually have a surface structure, in particular channel-like structures, for distributing the fuel and the oxidizing agent to the electrodes. In fuel cells in particular, the channel-like structures also serve to drain away the water formed during the reaction. In addition, the bipolar plates can have structures for conducting a cooling medium through the electrochemical cell to dissipate heat.

Neben der Medienführung bezüglich Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser gewährleisten die Bipolarplatten einen flächigen elektrischen Kontakt zur Membran.In addition to guiding the media with regard to oxygen, hydrogen and water, the bipolar plates ensure a flat electrical contact with the membrane.

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.For example, a fuel cell stack typically includes up to a few hundred individual fuel cells that are stacked on top of one another in layers as so-called sandwiches. The individual fuel cells have an MEA and a bipolar plate half on the anode side and on the cathode side. A fuel cell includes in particular an anode monopolar plate and a cathode monopolar plate, usually in the form of embossed metal sheets, which together form the bipolar plate and thus channels for conducting gas and liquids and between which the cooling medium flows.

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.Furthermore, electrochemical cells generally include gas diffusion layers, which are used for gas distribution. The gas diffusion layers are arranged between a bipolar plate and an MEA and are typically made of a carbon fiber fleece on the channel side, i.e. in the direction of the adjacent bipolar plate, which is also referred to as "gas diffusion backing" (GDB), and on the catalyst side, i.e. in the direction of the membrane, of one microporous layer, also referred to as a "micro porous layer" (MPL).

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.Compared to a fuel cell, an electrolyser is an energy converter, which prefers what when electrical voltage is applied ser to hydrogen and oxygen splits. Electrolyzers also have, among other things, MEAs, bipolar plates and gas diffusion layers.

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.For the efficiency of an electrochemical cell, in particular with a polymer electrolyte membrane, it is particularly important to supply the electrode layers arranged on the membrane homogeneously with reaction gas.

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.Known distributor plates have, in particular, channels and respective adjoining or neighboring webs, which form a structure. The canals are also referred to as main canals or channels and the lands as lands. Surfaces of the lands that are at least partially parallel to the plane of extension of the distributor plate comprise contact surfaces of the distributor plate with an adjacent gas diffusion layer of the electrochemical cell. The gases hydrogen and oxygen pass through the gas diffusion layer from the channels of the distributor plate to the reaction zone on the membrane. The areas of the gas diffusion layer that rest on the webs of the distributor plate, and thus the corresponding areas of the underlying MEA, are comparatively poorly supplied with reaction gas, especially under flooding conditions of the electrochemical cell, which can lead to an unintentionally inhomogeneous current density distribution.

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.On the side of the membrane on which air, i.e. oxygen, is supplied, water is produced during fuel cell operation, which is transported through the gas diffusion layer to the channels of the distributor plate and from there has to be removed from the cell. Typical operating temperatures for electrochemical cells that have a membrane are less than 120° C., so that the water is typically condensed and liquid in the gas diffusion layer. In the gas diffusion layer, the transport direction of the water is opposite to the transport direction of the gas, and accumulated water can severely impede the replenishment of reaction gas, in particular oxygen.

Je höher die Leistungsdichte der elektrochemischen Zelle, desto mehr Wasser wird erzeugt, so dass der Abtransport der Mengen an flüssigem Wasser im Kontaktbereich zwischen Gasdiffusionslage und Luftkanalseite der Verteilerplatten unzureichend sein kann.The higher the power density of the electrochemical cell, the more water is produced, so that the amount of liquid water that is transported away in the contact area between the gas diffusion layer and the air channel side of the distributor plates can be insufficient.

JP 2020-47441 A beschreibt ein verbessertes Drainagesystem für Bipolarplatten, in dem zusätzliche Rillen in Flanken der Stege parallel zur Richtung der Hauptkanäle vorgesehen sind. JP 2020-47441A describes an improved drainage system for bipolar plates in which additional grooves are provided in flanks of the webs parallel to the direction of the main channels.

JP 2020-47443 A beschreibt Bipolarplatten mit verbesserter Wasserabfuhr, wobei Stege der Bipolarplatten ein zusätzliches Kanalsystem aufweisen, das quer zur Richtung der Hauptkanäle angeordnet ist. Jeweils zwei Kanäle des zusätzlichen Kanalsystems weisen einen gemeinsamen Abfluss auf. Ferner sind Querstrukturen in Hauptkanälen einer Verteilerplatte offenbart, die zu einem hohen Druckverlust führen. JP 2020-47443 A describes bipolar plates with improved water drainage, with webs of the bipolar plates having an additional channel system which is arranged transversely to the direction of the main channels. Every two channels of the additional channel system have a common drain. Furthermore, transverse structures in main channels of a distributor plate are disclosed, which lead to a high pressure loss.

JP 2020-47440 A betrifft ebenfalls Bipolarplatten mit verbessertem Drainagesystem, wobei die Stege quer zur Richtung der Hauptkanäle Kerben aufweisen und zusätzliche Rillen entlang der Flanken der Stege parallel zur Richtung der Hauptkanäle vorliegen. JP 2020-47440 A also relates to bipolar plates with an improved drainage system, wherein the ridges have notches transverse to the direction of the main channels and additional grooves are present along the flanks of the ridges parallel to the direction of the main channels.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Es wird eine Verteilerplatte für eine elektrochemische Zelle vorgeschlagen, wobei die Verteilerplatte eine Struktur, umfassend Stege mit jeweils einer Oberfläche und Hauptkanäle mit jeweils einer Bodenfläche, aufweist, wobei in den Bodenflächen der Hauptkanäle jeweils mindestens ein Nebenkanal angeordnet ist. Ferner wird eine elektrochemische Zelle umfassend die Verteilerplatte vorgeschlagen.A distributor plate for an electrochemical cell is proposed, the distributor plate having a structure comprising webs each having a surface and main channels each having a bottom surface, with at least one secondary channel being arranged in the bottom surfaces of the main channels. An electrochemical cell comprising the distributor plate is also proposed.

Die elektrochemische Zelle, die bevorzugt eine Brennstoffzelle oder ein Elektrolyseur ist, umfasst bevorzugt mindestens eine Verteilerplatte, mindestens eine Gasdiffusionslage und mindestens eine Membran beziehungsweise Membran-Elektroden-Anordnung. Insbesondere ist jeweils eine Gasdiffusionslage zwischen einer Verteilerplatte und einer Membran angeordnet.The electrochemical cell, which is preferably a fuel cell or an electrolyzer, preferably comprises at least one distributor plate, at least one gas diffusion layer and at least one membrane or membrane-electrode assembly. In particular, a gas diffusion layer is arranged between a distributor plate and a membrane.

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.The gas diffusion layer preferably has a porous structure and is more preferably in contact with the distributor plate under a high pressure of approximately 10 to 15 bar. The membrane is preferably a polymer electrolyte membrane containing, for example, perfluorosulfonic acid (PFSA), in particular Nafion, or consists of perfluorosulfonic acid (PFSA), in particular Nafion. Furthermore, alkaline membranes can also be used.

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.The gas diffusion layer preferably comprises a fleece, in particular a carbon fiber fleece, and optionally a microporous layer, the fleece being arranged on a side of the gas diffusion layer which faces the distributor plate. More preferably, the gas diffusion layer consists of the carbon fiber fleece and optionally the microporous layer. In the case of the fleece, the gas permeability in the direction of thickness, ie in the direction of the membrane, can be comparable to the gas permeability in the plane, ie in directions parallel to the membrane.

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.The distributor plate preferably comprises carbon such as graphite, a metal such as stainless steel or titanium and/or an alloy containing the metal. More preferably, the distributor plate is made of carbon, the metal and/or the alloy. In particular, a base plate of the distributor plate consists of carbon, the metal and/or the alloy.

Der mindestens eine Nebenkanal kann auch als Drainagekanal, Kapillarkanal, Rille oder als mikroskopisch kleine, rillenartige Struktur bezeichnet werden und dient zur Abführung von entstandenem Reaktionswasser in den Hauptkanälen. Der mindestens eine Nebenkanal ist insbesondere auf einer Seite der Verteilerplatte angeordnet, die in der elektrochemischen Zelle zu einer benachbart angeordneten Gasdiffusionslage zeigt.The at least one secondary channel can also be referred to as a drainage channel, capillary channel, groove or as a microscopically small, groove-like structure and is used to drain water of reaction that has formed in the main channels. The at least one secondary channel is arranged in particular on a side of the distributor plate which faces an adjacently arranged gas diffusion layer in the electrochemical cell.

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.The distributor plate, which can also be referred to as a bipolar plate, preferably has a wave-shaped structure, with webs and main channels alternating and more preferably each being arranged parallel to one another.

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 den 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.The surface of the webs preferably includes at least one contact area, which can also be referred to as a contact surface, against which the adjacently arranged gas diffusion layer rests. The contact areas of the webs are preferably arranged essentially parallel to the bottom surfaces of the main channels. Substantially parallel is to be understood to mean that a plane in which the contact areas are located and the bottom surfaces enclose an angle of less than 30°, more preferably less than 20°, more preferably less than 10° and in particular less than 5°.

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.The porous structure of the gas diffusion layers makes it difficult for the water, which is typically in liquid form at high current densities, to flow off naturally, so that water can accumulate. This can limit the power density of the electrochemical cell in the contact areas.

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 bevorzugt von 95° bis 110° liegt. Ferner sind die Seitenflächen bevorzugt zu den Kontaktbereichen abgewinkelt angeordnet. Bevorzugt sind die Bodenflächen zumindest teilweise planar.The webs preferably have side faces which are in particular encompassed by the surface of the webs. The surface of the webs more preferably comprises two side surfaces per web, each adjoining a bottom surface of the adjacent main channel. The side surfaces can also be referred to as flanks and are preferably arranged at a flank angle to the bottom surfaces, the flank angle more preferably being in a range from 90° to 135°, more preferably in a range from 90° to 125°, particularly preferably from 95 ° to 110°. Furthermore, the side surfaces are preferably arranged at an angle to the contact areas. Preferably, the bottom surfaces are at least partially planar.

Die Seitenflächen der Stege können frei von Nebenkanälen sein.The side surfaces of the webs can be free of secondary channels.

Bevorzugt sind die Bodenflächen planar, wobei der mindestens eine Nebenkanal in die planare Bodenfläche eingebracht ist. Unter planar werden auch Flächen verstanden, die lediglich fertigungsbedingt, insbesondere durch den Prägeprozess, eine leichte Wellenform und/oder eine leichte Rundung aufweisen.The bottom surfaces are preferably planar, with the at least one secondary channel being introduced into the planar bottom surface. Planar is also understood to mean surfaces that have a slight wavy shape and/or a slight rounding merely as a result of production, in particular as a result of the embossing process.

Bevorzugt hat der mindestens eine Nebenkanal einen geraden Verlauf. Weiter bevorzugt ist der mindestens eine Nebenkanal in einem Winkel von weniger als 45°, mehr bevorzugt von weniger als 30°, weiter bevorzugt von weniger als 10° und insbesondere bevorzugt weniger als 5° zu dem Hauptkanal der jeweiligen Bodenfläche angeordnet, insbesondere zu einer Hauptströmungsrichtung in dem Hauptkanal der jeweiligen Bodenfläche. Der Begriff Hauptströmungsrichtung bezieht sich auf das Gas, das in dem Hauptkanal transportiert wird, insbesondere auf ein sauerstoffhaltiges Gas, das das entstandene Reaktionswasser zum Abtransport aufnimmt. Die Hauptströmungsrichtung verläuft bevorzugt parallel zu den Seitenflächen der angrenzenden Stege.The at least one secondary channel preferably has a straight course. The at least one secondary channel is more preferably arranged at an angle of less than 45°, more preferably less than 30°, more preferably less than 10° and particularly preferably less than 5° to the main channel of the respective bottom surface, in particular to a main flow direction in the main channel of the respective floor area. The term main flow direction refers to the gas that is transported in the main channel, in particular to an oxygen-containing gas that absorbs the water of reaction formed for transport. The main direction of flow preferably runs parallel to the side surfaces of the adjoining webs.

Die Hauptkanäle sind bevorzugt gerade und weiter bevorzugt parallel zueinander auf der Verteilerplatte angeordnet.The main channels are preferably straight and more preferably arranged parallel to one another on the distributor plate.

Der mindestens eine Nebenkanal weist eine Querschnittsfläche auf, die bevorzugt dreieckig, also V-förmig, rund, quadratisch oder vieleckig ist. Bevorzugt ist die Querschnittsfläche des mindestens einen Nebenkanals V-förmig. Die Querschnittsfläche kann über eine Länge des mindestens einen Nebenkanals konstant sein oder sich bezüglich Größe und/ oder Geometrie ändern. Eine Querschnittsfläche der Hauptkanäle ist bevorzugt um mindestens einen Faktor von fünfzig größer als eine Querschnittsfläche des mindestens einen Nebenkanals.The at least one secondary channel has a cross-sectional area that is preferably triangular, that is to say V-shaped, round, square or polygonal. The cross-sectional area of the at least one secondary channel is preferably V-shaped. The cross-sectional area can be constant over a length of the at least one secondary channel or can change in terms of size and/or geometry. A cross-sectional area of the main channels is preferably larger by at least a factor of fifty than a cross-sectional area of the at least one secondary channel.

Bevorzugt betragen die Breite und/oder die Tiefe des mindestens einen Nebenkanals in dem ersten Teil jeweils von 1 µm bis 150 µm, weiter bevorzugt von 1 µm bis 100 µm, besonders bevorzugt von 1 µm bis 50 µm, mehr bevorzugt von 1 µm bis 10 µm, insbesondere bevorzugt von 1 µm bis 6 µm.The width and/or the depth of the at least one secondary channel in the first part is preferably from 1 μm to 150 μm, more preferably from 1 μm to 100 μm, particularly preferably from 1 μm to 50 μm, more preferably from 1 μm to 10 μm, particularly preferably from 1 μm to 6 μm.

Weiterhin sind insbesondere die Tiefe und die Breite beziehungsweise der Durchmesser des mindestens einen Nebenkanals so gewählt, dass der mindestens eine Nebenkanal eine Kapillarwirkung, insbesondere bezüglich Wasser, ausbildet. Unter dem Durchmesser wird insbesondere der größte Durchmesser der Querschnittsfläche verstanden.Furthermore, in particular the depth and the width or the diameter of the at least one secondary channel are selected such that the at least one secondary channel forms a capillary effect, in particular with regard to water. The diameter is understood to mean in particular the largest diameter of the cross-sectional area.

Der mindestens eine Nebenkanal kann in eine Endstruktur münden, wobei sich der mindestens eine Nebenkanal in der Endstruktur in mindestens zwei Unterkanäle verzweigt und die mindestens zwei Unterkanäle jeweils einen geringeren Durchmesser aufweisen als der mindestens eine Nebenkanal. Insbesondere ist eine jeweilige Größe der Querschnittsfläche der mindestens zwei Unterkanäle kleiner als eine Größe der Querschnittsfläche des mindestens einen Nebenkanals. Die Endstruktur kann auch als feinere Struktur oder Erweiterung bezeichnet werden, wodurch die Oberfläche des flüssigen Wassers effektiv vergrößert wird, so dass eine Abfuhr und/oder Verdampfung des flüssigen Wassers in eine im Hauptkanal geführte Gasphase verbessert werden kann. Weiter bevorzugt weist die Endstruktur mindestens drei Unterkanäle auf, wobei sich mindestens ein Unterkanal in weitere, mindestens zwei weitere Unterkanäle verzweigen kann. Der Nebenkanal und mindestens einer der Unterkanäle schließen bevorzugt teilweise einen Winkel in einem Bereich von 20° bis 70°, mehr bevorzugt 30° bis 60°, zum Beispiel 45° ein. Ferner enden die mindestens zwei Unterkanäle bevorzugt in einer Ausrichtung im Wesentlichen parallel zu dem mindestens einen Nebenkanal. Die Unterkanäle haben bevorzugt einen geraden Verlauf zwischen jeweiligen Abzweigungen.The at least one secondary channel can open into an end structure, with the at least one secondary channel branching into at least two sub-channels in the end structure and the at least two sub-channels each having a smaller diameter than the at least one secondary channel. In particular, a respective size of the cross-sectional area of the at least two sub-channels is smaller than a size of the cross-sectional area of the at least one secondary channel. The final structure can also be referred to as a finer structure or extension, as a result of which the surface of the liquid water is effectively enlarged, so that a discharge and/or evaporation of the liquid water into a gas phase conducted in the main channel can be improved. More preferably, the end structure has at least three sub-channels, it being possible for at least one sub-channel to branch into at least two further sub-channels. The secondary channel and at least one of the sub-channels preferably partially enclose an angle in a range from 20° to 70°, more preferably 30° to 60°, for example 45°. Furthermore, the at least two sub-channels preferably end in an orientation essentially parallel to the at least one sub-channel. The sub-channels preferably have a straight course between respective branches.

Der mindestens eine Nebenkanal ist bevorzugt entlang einer Kante zwischen einer Seitenfläche und einer Bodenfläche angeordnet. Weiter bevorzugt ist der mindestens eine Nebenkanal auf einer ersten Seite von einer Seitenfläche der Stege begrenzt. Die Kante, an der die Seitenfläche und die Bodenfläche zusammentreffen, kann auch als Schnittkante oder Schnittlinie bezeichnet werden.The at least one secondary channel is preferably arranged along an edge between a side surface and a bottom surface. More preferably, the at least one secondary channel is delimited on a first side by a side surface of the webs. The edge where the side surface and the bottom surface meet can also be referred to as the cutting edge or cutting line.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine Nebenkanal entlang einer Symmetrieachse des Hauptkanals angeordnet. Der mindestens eine Nebenkanal weist mehr bevorzugt denselben Abstand zu den beiden jeweils benachbarten Seitenflächen der entsprechend benachbarten Stege auf. Dies kann auch dadurch beschrieben werden, dass der mindestens eine Nebenkanal mittig in dem Hauptkanal verläuft.In a further preferred embodiment, the at least one secondary channel is arranged along an axis of symmetry of the main channel. The at least one secondary channel is more preferably at the same distance from the two respectively adjacent side surfaces of the correspondingly adjacent webs. This can also be described by the fact that the at least one secondary channel runs in the middle of the main channel.

Ist der mindestens eine Nebenkanal an der Symmetrieachse des Hauptkanals angeordnet, so kann genau ein Nebenkanal je Hauptkanal vorhanden sein.If the at least one secondary channel is arranged on the axis of symmetry of the main channel, there can be exactly one secondary channel per main channel.

Alternativ können in einer Bodenfläche jeweils mehr als ein Nebenkanal angeordnet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform sind genau zwei Nebenkanäle je Hauptkanal vorhanden, die bevorzugt jeweils entlang einer Kante zwischen einer Seitenfläche und der Bodenfläche angeordnet sind.Alternatively, more than one side channel can be arranged in a floor area. In a preferred embodiment, there are exactly two secondary channels per main channel, which are preferably each arranged along an edge between a side surface and the bottom surface.

Ferner können zwei oder mehr Nebenkanäle je Hauptkanal vorhanden sein. So kann zum Beispiel ein erster Nebenkanal entlang der Symmetrieachse des Hauptkanals angeordnet sein und ein zweiter und gegebenenfalls ein dritter Nebenkanal können jeweils entlang der Kanten zwischen einer Seitenfläche und der Bodenfläche angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens ein Nebenkanal zwischen der Symmetrieachse und den Seitenflächen bzw. den Kanten angeordnet sein.Furthermore, there can be two or more sub-channels per main channel. For example, a first secondary channel can be arranged along the axis of symmetry of the main channel and a second and possibly a third secondary channel can each be arranged along the edges between a side surface and the bottom surface. Alternatively or additionally, at least one side channel can be arranged between the axis of symmetry and the side surfaces or the edges.

Die verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden.The various embodiments can be combined with one another.

Bevorzugt weist die Verteilerplatte zumindest teilweise eine Beschichtung auf. Die Beschichtung kann hydrophiler oder hydrophober als ein Material der Grundplatte der Verteilerplatte sein. Insbesondere kann zur Senkung des elektrischen Kontaktwiderstands der Verteilerplatte auf der Oberfläche der Stege die Beschichtung aufgebracht sein. Weiterhin kann die Beschichtung die Oberfläche der Stege und gegebenenfalls auch die Hauptkanäle vollständig bedecken oder partiell vorhanden sein.The distributor plate preferably has a coating at least in part. The coating may be more hydrophilic or more hydrophobic than a base plate material of the distributor plate. In particular, the coating can be applied to the surface of the webs to reduce the electrical contact resistance of the distributor plate. Furthermore, the coating can completely cover the surface of the webs and optionally also the main channels or be partially present.

Die Beschichtung kann hydrophob sein und insbesondere einen Lotuseffekt aufweisen. 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 kann insbesondere in den Kontaktbereichen vorliegen, um hier zum Beispiel den Kontaktwiderstand zu senken. Ferner kann die Beschichtung auf den Bodenflächen vorliegen. Weiterhin kann die Beschichtung nur in dem mindestens einen Nebenkanal vorliegen oder nur außerhalb des mindestens einen Nebenkanals.The coating can be hydrophobic and in particular have a lotus effect. Hydrophobic preferably means that the wettability is inferior to the water wettability of smooth-surfaced steel, more preferably that the contact angle with respect to water droplets is greater than 70°, especially greater than 80°. The coating can be present in the contact areas in particular, in order to reduce the contact resistance here, for example. Furthermore, the coating can be present on the floor surfaces. Furthermore, the coating can only be present in the at least one side channel or only outside of the at least one side channel.

Bevorzugt umfasst die Beschichtung, insbesondere auf den Kontaktbereichen der Stege, 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 von 5 nm bis 50 µm. Auf den Bodenflächen und den Seitenflächen umfasst die Beschichtung bevorzugt mindestens ein Polymer, weiterhin ist die Schichtdicke auf den Bodenflächen und/oder den Seitenflächen bevorzugt kleiner als auf den Kontaktbereichen und beträgt mehr bevorzugt bis zu 100 nm. 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.Preferably, the coating, particularly on the contact areas of the webs, comprises carbon such as soot or graphite, particularly carbon particles, and a particularly organic binder, for example synthetic resin and/or polyvinylidene fluoride (PVDF). The binder can be thermoplastic or thermoset. The coating preferably has a layer thickness in a range from 1 nm to 200 μm, more preferably from 5 nm to 100 μm, particularly preferably from 5 nm to 50 μm. On the bottom surfaces and the side surfaces, the coating preferably comprises at least one polymer, and the layer thickness on the bottom surfaces and/or the side surfaces is preferably smaller than on the contact areas and is more preferably up to 100 nm. There is preferably a layer thickness in the contact areas of the webs of more than 5 µm. The layer thickness on the side surfaces and the bottom surfaces is preferably less than 1 μm.

Ferner kann die Verteilerplatte optional zumindest teilweise eine hydrophile Beschichtung aufweisen. Unter hydrophil ist bevorzugt zu verstehen, dass die Benetzbarkeit besser ist als die Benetzbarkeit von Stahl mit glatter Oberfläche mit Wasser, mehr bevorzugt, dass der Kontaktwinkel bezüglich Wassertropfen kleiner als 40° ist, insbesondere kleiner als 10°. Bevorzugt umfasst der mindestens eine Nebenkanal eine hydrophile Nebenkanaloberfläche und kann eine hydrophile Beschichtung aufweisen, so dass Wasser in den mindestens einen Nebenkanal hineingezogen wird. Weiterhin kann die Beschichtung eine innere Strukturierung aufweisen und der mindestens eine Nebenkanal kann durch die innere Strukturierung gebildet sein. Die innere Strukturierung ist bevorzugt hydrophil ausgebildet, so dass Wasser in die innere Strukturierung wie in einen Docht hineingezogen wird.Furthermore, the distributor plate can optionally at least partially have a hydrophilic coating. The hydrophilic preferably means that the wettability is better than the water wettability of smooth-surfaced steel, more preferably that the contact angle with respect to water droplets is smaller than 40°, especially smaller than 10°. The at least one side channel preferably comprises a hydrophilic side channel surface and can have a hydrophilic coating so that water is drawn into the at least one side channel. Furthermore, the coating can have an internal structure and the at least one secondary channel can be formed by the internal structure. The inner structure is preferably hydrophilic, so that water is drawn into the inner structure like a wick.

Ferner können die Seitenfläche der Stege und die Bodenfläche der Hauptkanäle hydrophil sein, was der Wasserabführung dient.Furthermore, the side surface of the ridges and the bottom surface of the main channels can be hydrophilic, which serves to drain water.

Die Beschichtung kann eine hydrophile Komponente, zum Beispiel oxidierte Kohlenstoffpartikel mit Hydroxid-, Carbonyl- und/oder Carboxyl-Gruppen, mit einem Polymerbinder, die insbesondere für Kohlenstoff-Verteilerplatten anwendbar sind, umfassen. Ferner können hydrophile Oberflächeneigenschaften zum Beispiel durch eine Oberflächenbehandlung mit zum Beispiel Sauerstoff oder Säure erzeugt werden. Bevorzugt weist die Beschichtung eine Oberflächenrauigkeit Ra in einem Bereich von 0,1 bis 10 µm und weiter bevorzugt einen maximalen Berg-zu-Tal-Abstand (bulk peak-to-valley maximum distance) von 0,1 µm bis 20 µm, mehr bevorzugt von 1 µm bis 10 µm auf.The coating may comprise a hydrophilic component, for example oxidized carbon particles having hydroxide, carbonyl and/or carboxyl groups, with a polymeric binder, particularly applicable to carbon spreader plates. Furthermore, hydrophilic surface properties can be produced, for example, by a surface treatment with, for example, oxygen or acid. The coating preferably has a surface roughness Ra in a range from 0.1 to 10 μm and more preferably a bulk peak-to-valley maximum distance of from 0.1 μm to 20 μm, more preferably from 1 µm to 10 µm.

Die Beschichtung kann beispielsweise durch Lasersintern aufgebracht werden oder mit Methoden, die auch dazu dienen, ein Metall, Keramik, ein Polymer oder Mischungen davon in Mustern auf die Verteilerplatte aufzubringen. Ein weiteres Beispiel für eine Beschichtungsmethode ist die Spraybeschichtung.The coating can be applied, for example, by laser sintering or by methods that are also used to apply a pattern of a metal, ceramic, polymer or mixtures thereof to the distribution plate. Another example of a coating method is spray coating.

Alternativ könnte auch zunächst ein Beschichtungsmaterial wie Pulver auf die Verteilerplatte aufgetragen werden, dies lokal gezielt wieder zum Beispiel von den Kontaktbereichen entfernt werden und dann ein selektives (Laser-)Sintering-Verfahren ausgeführt werden. Hierdurch könnten beispielsweise ausschließlich die Hauptkanäle mit der Beschichtung ausgerüstet werden. Die Beschichtung kann selektiv erfolgen, zum Beispiel durch eine Maske und/oder Siebdruck.Alternatively, a coating material such as powder could first be applied to the distributor plate, this could be removed locally in a targeted manner, for example from the contact areas, and then a selective (laser) sintering process could be carried out. In this way, for example, only the main ducts could be equipped with the coating. The coating can be done selectively, for example by a mask and/or screen printing.

Die Beschichtung kann auch flächig aufgebracht werden und anschließend, zum Beispiel durch Laserverfahren oder mechanische Verfahren, teilweise entfernt werden, sodass der mindestens eine Nebenkanal freigelegt wird und insbesondere Seitenwände des mindestens einen Nebenkanals von der Beschichtung gebildet werden.The coating can also be applied over a large area and then partially removed, for example by laser methods or mechanical methods, so that the at least one secondary channel is exposed and in particular side walls of the at least one secondary channel are formed by the coating.

Der mindestens eine Nebenkanal kann 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. Der mindestens eine Nebenkanal kann beschichtet oder unbeschichtet sein. Bevorzugt ist der mindestens eine Nebenkanal in die Beschichtung eingebracht.The at least one secondary channel can be introduced into the base plate of the distributor plate, which is in particular a metal sheet, and/or into the coating of the distributor plate. In the latter case, the layer thickness is preferably more than 5 μm. The at least one side channel can be coated or uncoated. The at least one secondary channel is preferably introduced into the coating.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention

Der mindestens eine Nebenkanal auf der Bodenfläche des Hauptkanals dient der verbesserten Abführung von flüssigem Wasser, das an der Membran der elektrochemischen Zelle entstanden ist und aus der elektrochemischen Zelle transportiert werden muss. Dabei muss das Wasser zunächst aus der Gasdiffusionslage entfernt werden und wird dann von Gas, das durch die Hauptkanäle strömt, entlang des mindestens einen Nebenkanals mitgerissen. The at least one secondary channel on the bottom surface of the main channel is used for improved drainage of liquid water that has formed on the membrane of the electrochemical cell and has to be transported out of the electrochemical cell. In this case, the water must first be removed from the gas diffusion layer and is then entrained along the at least one secondary channel by the gas flowing through the main channels.

Durch den mindestens einen Nebenkanal kann die Bildung von Wassertropfen verlangsamt oder ganz verringert werden, wodurch der Gasfluss im Hauptkanal verbessert wird. Durch die große Oberfläche wird weiterhin die Verdampfung des Wassers verbessert.The formation of water droplets can be slowed down or completely reduced by the at least one secondary channel, as a result of which the gas flow in the main channel is improved. The large surface also improves the evaporation of the water.

Figurenlistecharacter list

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.

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 einen Ausschnitt einer Verteilerplatte gemäß dem Stand der Technik und
  • 5 einen Ausschnitt einer Verteilerplatte mit Nebenkanälen.
Show it:
  • 1 a schematic representation of an electrochemical cell according to the prior art,
  • 2 a fuel cell assembly with distributor plates,
  • 3 a contact area between a gas diffusion layer and a distributor plate,
  • 4 a section of a distributor plate according to the prior art and
  • 5 a section of a distributor plate with secondary channels.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

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.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are given the same reference symbols referred to, with a repeated description of these elements in individual cases is dispensed with. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.

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. 1 shows schematically an electrochemical cell 1 in the form of a fuel cell according to the prior art. The electrochemical cell 1 has a membrane 2 as the electrolyte. The membrane 2 separates a cathode space 39 from an anode space 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.An electrode layer 3 , a gas diffusion layer 5 and a distributor plate 7 are arranged on the membrane 2 in the cathode space 39 and anode space 41 . The combination of the membrane 2 and the electrode layer 3 can also be referred to as a membrane-electrode assembly 4 .

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.The distributor plates 7 have main channels 11 for the supply of gas, for example oxygen 43 in the cathode compartment 39 and hydrogen 45 in the anode compartment 41, to the gas diffusion layers 5. Main channels 11 and webs 12 alternate on the distributor plates 7 .

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.A contact area 47 is formed on a surface 13 of the webs 12 between the distributor plate 7 and the gas diffusion layer 5 arranged adjacent to it. Furthermore, the webs 12 have side surfaces 31 and the main channels 11 have bottom surfaces 33 .

2 zeigt einen Brennstoffzellenaufbau umfassend mehrere Verteilerplatten 7 und Membran-Elektroden-Anordnungen 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-Elektroden-Anordnungen 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. 2 shows a fuel cell structure comprising a plurality of distributor plates 7 and membrane-electrode assemblies 4, the membranes 2 include. Oxygen 43 or air containing the oxygen 43 and hydrogen 45 are conducted through the distributor plates 7 to the membrane electrode assemblies 4 . In the main channels 11 of the distributor plates 7, in which oxygen 43 or air containing the oxygen 43 is supplied, water 51 is discharged. In addition, the distributor plates 7 serve to guide a coolant 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. 3 shows a contact area 47 between a gas diffusion layer 5 and a distributor plate 7. A web 12 of the distributor plate 7 is in contact with the gas diffusion layer 5 here. Furthermore, a coating 37 is arranged on the web 12 of the distributor plate 7 . Hydrogen 45 passes from the main channels 11 through the gas diffusion layer 5 to the electrode layer 3, which is arranged on the membrane 2.

4 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Verteilerplatte 7, die abwechselnd Hauptkanäle 11 und Stege 12 aufweist. Entlang der Hauptkanäle 11 liegt eine Hauptstromrichtung 53 vor. Im Verhältnis zur Ausrichtung der Hauptkanäle 11 ist ein Winkel 19 bezeichnet. Ferner weisen die Hauptkanäle 11 jeweils eine Symmetrieachse 55 auf. 4 shows a perspective top view of a section of a distributor plate 7, which has alternating main channels 11 and webs 12. There is a main flow direction 53 along the main channels 11 . An angle 19 is indicated in relation to the orientation of the main channels 11 . Furthermore, the main channels 11 each have an axis of symmetry 55 .

Die Stege 12 weisen eine Oberfläche 13 auf, wovon die zu Bodenflächen 33 der Hauptkanäle 11 abgewinkelt angeordneten Teile als Seitenflächen 31 bezeichnet werden. An die Seitenflächen 31 der Stege 12 schließen sich die Bodenflächen 33 der Hauptkanäle 11 an.The webs 12 have a surface 13 of which the parts arranged at an angle to the bottom surfaces 33 of the main channels 11 are referred to as side surfaces 31 . The bottom surfaces 33 of the main channels 11 adjoin the side surfaces 31 of the webs 12 .

5 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Verteilerplatte 7 mit Nebenkanälen 15, die in den Bodenflächen 33 der Hauptkanäle 11 angeordnet sind. Die Nebenkanäle 15 ausgenommen, entspricht die Darstellung im Wesentlichen 4. 5 shows a perspective top view of a section of a distributor plate 7 with secondary channels 15 which are arranged in the bottom surfaces 33 of the main channels 11. With the exception of the secondary channels 15, the illustration corresponds essentially 4 .

Ein Nebenkanal 15 ist entlang der Symmetrieachse 55 eines Hauptkanals 11 angeordnet. Ein weiterer Nebenkanal 15 ist auf einer ersten Seite 57 von einer Seitenfläche 31 der Stege 12 begrenzt. Noch ein weiterer Nebenkanal 15 ist zwischen der Symmetrieachse 55 und einer Kante 59 der Seitenfläche 31 des Steges 12 angeordnet. In dieser Bodenfläche 33 ist also mehr als ein Nebenkanal 15 angeordnet. Die Nebenkanäle 15 weisen eine Breite 29 und eine Tiefe 27 auf.A secondary channel 15 is arranged along the axis of symmetry 55 of a main channel 11 . Another secondary channel 15 is delimited on a first side 57 by a side face 31 of the webs 12 . Yet another secondary channel 15 is arranged between the axis of symmetry 55 and an edge 59 of the side face 31 of the web 12 . In this floor area 33 more than one secondary channel 15 is therefore arranged. The secondary channels 15 have a width 29 and a depth 27 .

In der hier dargestellten Ausführungsform haben die Nebenkanäle 15 einen geraden Verlauf und die Bodenflächen 33 sind planar. Ferner sind die Nebenkanäle 15 in einem Winkel 19 von weniger als 45°, hier 0°, zu dem Hauptkanal 11 der jeweiligen Bodenfläche 33 angeordnet.In the embodiment shown here, the secondary channels 15 have a straight course and the bottom surfaces 33 are planar. Furthermore, the secondary channels 15 are arranged at an angle 19 of less than 45°, here 0°, to the main channel 11 of the respective bottom surface 33 .

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.The invention is not limited to the exemplary embodiments described here and the aspects highlighted therein. Rather, within the range specified by the claims, a large number of modifications are possible, which are within the scope of expert action.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN 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 documents cited 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

  • JP 2020047441 A [0019]JP 2020047441A [0019]
  • JP 2020047443 A [0020]JP2020047443A [0020]
  • JP 2020047440 A [0021]JP2020047440A [0021]

Claims (10)

Verteilerplatte (7) für eine elektrochemische Zelle (1), wobei die Verteilerplatte (7) eine Struktur, umfassend Stege (12) mit jeweils einer Oberfläche (13) und Hauptkanäle (11) mit jeweils einer Bodenfläche (33), aufweist, wobei in den Bodenflächen (33) der Hauptkanäle (11) jeweils mindestens ein Nebenkanal (15) angeordnet ist.Distributor plate (7) for an electrochemical cell (1), the distributor plate (7) having a structure comprising webs (12) each having a surface (13) and main channels (11) each having a bottom surface (33), wherein in at least one secondary duct (15) is arranged on each of the bottom surfaces (33) of the main ducts (11). Verteilerplatte (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenflächen (33) planar sind.Distribution plate (7) after claim 1 , characterized in that the bottom surfaces (33) are planar. Verteilerplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Nebenkanal (15) einen geraden Verlauf hat.Distribution plate (7) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one secondary channel (15) has a straight course. Verteilerplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Nebenkanal (15) in einem Winkel (19) von weniger als 45° zu dem Hauptkanal (11) der jeweiligen Bodenfläche (33) angeordnet ist.Distribution plate (7) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one secondary channel (15) is arranged at an angle (19) of less than 45° to the main channel (11) of the respective bottom surface (33). Verteilerplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite (29) und/oder eine Tiefe (27) des mindestens einen Nebenkanals (15) jeweils von 1 µm bis 150 µm betragen.Distribution plate (7) according to one of the preceding claims, characterized in that a width (29) and/or a depth (27) of the at least one secondary channel (15) is in each case from 1 µm to 150 µm. Verteilerplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (12) Seitenflächen (31) aufweisen und der mindestens eine Nebenkanal (15) entlang einer Kante (59) zwischen einer Seitenfläche (31) und einer Bodenfläche (33) angeordnet ist.Distributor plate (7) according to one of the preceding claims, characterized in that the webs (12) have side surfaces (31) and the at least one secondary channel (15) along an edge (59) between a side surface (31) and a bottom surface (33) is arranged. Verteilerplatte (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Nebenkanal (15) entlang einer Symmetrieachse (55) des Hauptkanals (11) angeordnet ist.Distribution plate (7) according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the at least one secondary channel (15) is arranged along an axis of symmetry (55) of the main channel (11). Verteilerplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Bodenfläche (33) jeweils mehr als ein Nebenkanal (15) angeordnet ist.Distribution plate (7) according to one of the preceding claims, characterized in that more than one secondary channel (15) is arranged in each case in a bottom surface (33). Verteilerplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerplatte (7) zumindest teilweise eine, insbesondere hydrophobe, Beschichtung (37) aufweist und gegebenenfalls der mindestens eine Nebenkanal (15) in die Beschichtung (37) eingebracht ist.Distributor plate (7) according to one of the preceding claims, characterized in that the distributor plate (7) at least partially has a particularly hydrophobic coating (37) and optionally the at least one secondary channel (15) is introduced into the coating (37). Elektrochemische Zelle (1) umfassend eine Verteilerplatte (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.Electrochemical cell (1) comprising a distributor plate (7) according to one of Claims 1 until 9 .
DE102020213578.9A 2020-10-29 2020-10-29 Distribution plate for an electrochemical cell and electrochemical cell Pending DE102020213578A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020213578.9A DE102020213578A1 (en) 2020-10-29 2020-10-29 Distribution plate for an electrochemical cell and electrochemical cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020213578.9A DE102020213578A1 (en) 2020-10-29 2020-10-29 Distribution plate for an electrochemical cell and electrochemical cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102020213578A1 true DE102020213578A1 (en) 2022-05-05

Family

ID=81184135

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102020213578.9A Pending DE102020213578A1 (en) 2020-10-29 2020-10-29 Distribution plate for an electrochemical cell and electrochemical cell

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102020213578A1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002343382A (en) 2001-05-10 2002-11-29 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell
US20090023029A1 (en) 2005-05-13 2009-01-22 Toshihiro Matsumoto Fuel Cell
DE102008030522A1 (en) 2007-07-02 2009-02-05 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Bipolar plate with microgrooves for improved water transport
JP2020047440A (en) 2018-09-18 2020-03-26 トヨタ自動車株式会社 Fuel battery
JP2020047443A (en) 2018-09-18 2020-03-26 トヨタ自動車株式会社 Fuel battery
JP2020047441A (en) 2018-09-18 2020-03-26 トヨタ自動車株式会社 Manufacturing method of separator for fuel cell

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002343382A (en) 2001-05-10 2002-11-29 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell
US20090023029A1 (en) 2005-05-13 2009-01-22 Toshihiro Matsumoto Fuel Cell
DE102008030522A1 (en) 2007-07-02 2009-02-05 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Bipolar plate with microgrooves for improved water transport
JP2020047440A (en) 2018-09-18 2020-03-26 トヨタ自動車株式会社 Fuel battery
JP2020047443A (en) 2018-09-18 2020-03-26 トヨタ自動車株式会社 Fuel battery
JP2020047441A (en) 2018-09-18 2020-03-26 トヨタ自動車株式会社 Manufacturing method of separator for fuel cell

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112005000978B4 (en) Hybrid bipolar plate assembly and devices containing it and their use
DE102008016682B4 (en) Microstructured fuel cell elements for improved water management
DE102008013439B4 (en) Fuel cell stack and bipolar plate for a fuel cell
WO2018015189A1 (en) Method for producing a bipolar plate for a fuel cell, and fuel cell
DE102010033525A1 (en) Continuous porous flow distributor for a fuel cell
DE112005001770T5 (en) Production of an embossed PEM fuel cell plate
EP3329535B1 (en) Membrane-elektrode unit of a fuel cell and a method for the manufacture thereof
DE102006046721A1 (en) Water transport characteristics for diffusion media
DE102020213578A1 (en) Distribution plate for an electrochemical cell and electrochemical cell
DE102009043208B4 (en) Material design to allow fuel cell performance at high center temperature with ultrathin electrodes
DE102020213580A1 (en) Distribution plate for an electrochemical cell and electrochemical cell
WO2022089899A1 (en) Electrochemical cell and method for producing an electrochemical cell
WO2022111922A1 (en) Bipolar plate for an electrochemical cell, arrangement of electrochemical cells, and method for operating said arrangement of electrochemical cells
DE102021209735A1 (en) Distribution plate for an electrochemical cell and electrochemical cell
DE102020213576A1 (en) Distribution plate for an electrochemical cell, electrochemical cell and method of making the distribution plate
DE102020213591A1 (en) Spreader plate for an electrochemical cell, method of making the spreader plate and electrochemical cell, and method of operating the electrochemical cell
DE102020213574A1 (en) Distribution plate for an electrochemical cell, electrochemical cell and method of operating an electrochemical cell
DE102020215022A1 (en) Bipolar plate for an electrochemical cell, assembly of electrochemical cells and method of operating an assembly of electrochemical cells
DE102015215381A1 (en) Membrane electrode unit for a fuel cell and fuel cell
DE102019206117A1 (en) Fuel cell stacks comprising variable biopolar plates
DE102019200617A1 (en) Gas distribution structures for fuel cells and electrolysers
DE102018212880A1 (en) Bipolar plate for a fuel cell and fuel cell stack
DE102020203683A1 (en) Device for media feed-through and method of production
WO2020025254A1 (en) Bipolar plate for a fuel cell, and fuel cell
DE102021214824A1 (en) Media distributor structure, bipolar plate and electrochemical cell

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified