DE102020213591A1

DE102020213591A1 - Verteilerplatte für eine elektrochemische Zelle, Verfahren zur Herstellung der Verteilerplatte und elektrochemische Zelle sowie ein Verfahren zum Betrieb der elektrochemischen Zelle

Info

Publication number: DE102020213591A1
Application number: DE102020213591.6A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Berner; Jan Hendrik Ohs; Alexander Eifert; Stefan Klenge; Veronika Schleper; Manuel Schneiter
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
Also published as: US20240006627A1; CN116529914A; WO2022089897A1

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) mit Bodenflächen (33), aufweist,wobei Nebenkanäle (15) auf den Oberflächen (13) und gegebenenfalls auf den Bodenflächen (33) eine Strukturierung (92) bilden undwobei die Verteilerplatte (7) mindestens zwei Bereiche (94) aufweist, in denen sich die Strukturierung (92) der Oberflächen (13) jeweils voneinander unterscheidet. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Verteilerplatte (7), 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 mit Bodenflächen, aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Verteilerplatte, eine elektrochemische Zelle umfassend die Verteilerplatte und ein Verfahren zum Betrieb der 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.
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.
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 2020-47443 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 2020-47440 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.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Verteilerplatte für eine elektrochemische Zelle vorgeschlagen, wobei die Verteilerplatte eine Struktur, umfassend Stege mit Oberflächen und Hauptkanäle mit Bodenflächen, aufweist, wobei Nebenkanäle auf den Oberflächen und gegebenenfalls auf den Bodenflächen eine Strukturierung bilden und wobei die Verteilerplatte mindestens zwei Bereiche aufweist, in denen sich die Strukturierung der Oberflächen jeweils voneinander unterscheidet.
Es wird auch ein Verfahren zur Herstellung der Verteilerplatte vorgeschlagen, wobei zunächst eine hydrophobe Beschichtung auf eine hydrophile Grundplatte aufgebracht wird und dann eine Schicht der hydrophoben Beschichtung mit verschiedener Dicke partiell wieder entfernt wird, so dass die Nebenkanäle entstehen und in Abhängigkeit von der Dicke der entfernten Schicht eine hydrophobe Nebenkanaloberfläche oder hydrophile Nebenkanaloberfläche aufweisen. Unter hydrophob und hydrophil ist in diesem Zusammenhang insbesondere zu verstehen, dass die Beschichtung hier hydrophobere Oberflächeneigenschaften aufweist als die Grundplatte und die hydrophobe Nebenkanaloberfläche hydrophobere Oberflächeneigenschaften aufweist als die hydrophile Nebenkanaloberfläche.
Ferner wird eine elektrochemische Zelle umfassend die Verteilerplatte vorgeschlagen, wobei die Verteilerplatte insbesondere in einem Kathodenraum der elektrochemischen Zelle angeordnet ist.
Weiterhin 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 Zusammensetzung des Gemischs verändert sich bei Überströmung der Verteilerplatte durch die an der Membran stattfindende Reaktion.
Die elektrochemische Zelle, die bevorzugt eine Brennstoffzelle oder ein Elektrolyseur ist, umfasst bevorzugt mindestens die Verteilerplatte, eine Gasdiffusionslage und eine Membran beziehungsweise Membran-Elektroden-Anordnung. Insbesondere ist die Gasdiffusionslage zwischen der Verteilerplatte und der 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 Nebenkanäle können auch als Drainagekanäle, Kapillarkanäle, Rillen oder als mikroskopisch kleine, rillenartige Struktur bezeichnet werden und dienen zur Abführung von entstandenem, flüssigem Reaktionswasser von den Stegen in die Hauptkanäle bzw. in den Hauptkanälen. Die Nebenkanäle sind insbesondere auf einer Seite der Verteilerplatte angeordnet, die in der elektrochemischen Zelle zu einer benachbart angeordneten Gasdiffusionslage zeigt.
Zusätzlich kann die Strukturierung Verteilerkanäle umfassen, wobei die Verteilerkanäle jeweils einen größeren Durchmesser aufweisen als die Nebenkanäle. Die Verteilerkanäle dienen primär zur Versorgung der Gasdiffusionslage unter den Stegen der Bipolarplatte und damit der sich daran anschließenden Elektrode mit Gas, insbesondere mit dem Gemisch enthaltend Sauerstoff. Die Verteilerkanäle führen das Gas insbesondere in die Regionen, wo die Gasdiffusionslage auf den Stegen aufliegt. Die Verteilerkanäle verbinden bevorzugt jeweils zwei, insbesondere zwei benachbarte Hauptkanäle.
Die Verteilerkanäle sind bevorzugt jeweils in einem Winkel zu den Hauptkanälen angeordnet. Bevorzugt schließen die Verteilerkanäle einen Verteilerwinkel von 20° bis 70° mit dem Hauptkanal ein, weiter bevorzugt von 30° bis 60°, insbesondere von 30° bis 45°. Die Verteilerkanäle weisen eine Querschnittsfläche auf, die bevorzugt rechteckig, dreieckig oder U-förmig ist. Eine Querschnittsfläche der Hauptkanäle ist bevorzugt um mindestens einen Faktor von fünfzig größer als eine Querschnittsfläche der Verteilerkanäle. Die Verteilerkanäle können zum Beispiel trapezförmig, wellenförmig, parallel, kreuzförmig oder wabenförmig angeordnet sein. Die Verteilerkanäle sind bevorzugt auf der Seite der Verteilerplatte angeordnet, die in der elektrochemischen Zelle zu einer benachbart angeordneten Gasdiffusionslage zeigt und insbesondere in Kontaktbereichen.
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 umfassen die Oberflächen 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.
Die Nebenkanäle sind bevorzugt jeweils zumindest teilweise auf den Seitenflächen angeordnet. Bevorzugt sind die Nebenkanäle in dem Kontaktbereich angeordnet und erstrecken sich weiter bevorzugt über den Kontaktbereich hinaus mindestens auf die Seitenflächen.
Durch die poröse Struktur der Gasdiffusionslage 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.
Bevorzugt weisen die Stege Seitenflächen auf, die insbesondere von den Oberflächen der Stege umfasst sind. Die Oberflächen der Stege umfassen 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.
Die Hauptkanäle sind bevorzugt gerade und weiter bevorzugt parallel zueinander auf der Verteilerplatte angeordnet. Die Nebenkanäle weisen jeweils eine Querschnittsfläche auf, die bevorzugt dreieckig, also V-förmig, rund, quadratisch oder vieleckig ist. Bevorzugt ist die Querschnittsfläche der Nebenkanäle V-förmig. Die Querschnittsfläche kann über eine Länge des jeweiligen Nebenkanals konstant sein, oder sich bezüglich Größe und/oder Geometrie ändern.
Bevorzugt betragen eine Breite und/oder eine Tiefe der Nebenkanäle jeweils von 1 µm bis 150 |jm, weiter bevorzugt von 1 µm bis 100 |jm, besonders bevorzugt von 1 µm bis 50 |jm, mehr bevorzugt von 1 µm bis 10 |jm, insbesondere bevorzugt von 1 µm bis 6 µm. Bevorzugt betragen eine Verteilerkanalbreite und/oder eine Verteilerkanaltiefe jeweils von 10 µm bis 400 |jm, weiter bevorzugt sind die Verteilerkanalbreite und/oder die Verteilerkanaltiefe jeweils größer als 50 µm und betragen insbesondere maximal 150 µm.
Bevorzugt umfasst die Gasdiffusionslage, die benachbart zu der Verteilerplatte angeordnet ist, Fasern und weiter bevorzugt ist die Breite der Nebenkanäle kleiner als ein Faserdurchmesser der Gasdiffusionslage, der zum Beispiel etwa 8 µm beträgt. Die Breite der Nebenkanäle kann auch größer als der Faserdurchmesser der Gasdiffusionslage sein. Insbesondere die Breite, aber auch die Tiefe der Nebenkanäle kann in Abhängigkeit von einer Struktur der benachbarten Gasdiffusionslage gewählt werden.
Weiterhin sind insbesondere die Tiefe und die Breite bzw. der Durchmesser der Nebenkanäle so gewählt, dass die Nebenkanäle eine Kapillarwirkung, insbesondere bezüglich Wasser, ausbilden. Unter dem Durchmesser wird insbesondere der größte Durchmesser der Querschnittsfläche verstanden.
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.
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.
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 |jm, 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.
Ferner kann die Verteilerplatte 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 umfassen die Nebenkanäle zumindest teilweise eine hydrophile Nebenkanaloberfläche und können die hydrophile Beschichtung aufweisen, so dass Wasser in die Nebenkanäle hineingezogen wird. Weiterhin kann die Beschichtung eine innere Strukturierung aufweisen und die Nebenkanäle können 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.
Ferner können die Seitenfläche der Stege und die Bodenfläche der Hauptkanäle hydrophil sein bzw. die hydrophile Beschichtung aufweisen, was der Wasserabführung dient.
Der Kontaktbereich der Stege kann hydrophob oder hydrophil sein. Ist der Kontaktbereich hydrophil, so wird sich das Wasser direkt in dem Kontaktbereich sammeln, insbesondere durch Benetzung und/oder Kondensation und dann über die Nebenkanäle in die Hauptkanäle abtransportiert werden. Ist der Kontaktbereich hydrophob, wird sich das Wasser insbesondere direkt in die Nebenkanäle, zum Beispiel auf der Seitenfläche der Stege, insbesondere an einer konvexen Kante zwischen Kontaktbereich und Seitenfläche, begeben und erst dort kondensieren und dann in den, insbesondere benachbarten, Hauptkanal abtransportiert werden.
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. 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 |jm, mehr bevorzugt von 1 µm bis 10 µm auf.
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 Spraybeschichtung.
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.
Die Beschichtung kann auch flächig aufgebracht werden und anschließend, zum Beispiel durch Laserverfahren oder mechanische Verfahren, teilweise entfernt werden, sodass die Nebenkanäle freigelegt werden und insbesondere Seitenwände der Nebenkanäle von der Beschichtung gebildet werden.
Die Nebenkanäle und ggfs. auch 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. Die Nebenkanäle und ggfs. auch 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 also bevorzugt als Funktion des Ortes unterschiedlich strukturiert, insbesondere was eine Ausführung der Nebenkanäle auf 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. Am Einlass liegen beispielsweise 21 Vol.-% vor.
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 zu dem Auslassbereich, wobei weiter bevorzugt zunächst ein erster Bereich und dann ein zweiter Bereich überströmt werden. Weiter bevorzugt weist die Verteilerplatte mehr als zwei Bereiche auf, in denen sich die Strukturierung der Oberflächen jeweils voneinander unterscheidet.
Die Unterscheidung der verschiedenen Strukturierung in den verschiedenen Bereichen kann auf der Anwesenheit beziehungsweise Abwesenheit von Nebenkanälen, der Ausführung der Nebenkanäle und der An- beziehungsweise Abwesenheit von einer oder mehreren Beschichtungen beruhen.
Bevorzugt unterscheidet sich die Strukturierung der mindestens zwei Bereiche jeweils hinsichtlich einer Anzahl an Nebenkanälen pro Fläche, einer Geometrie der Nebenkanäle und/oder einer Anordnung der Nebenkanäle. Weiter bevorzugt nimmt die Anzahl an Nebenkanälen pro Fläche in Richtung von dem Einlassbereich zu dem Auslassbereich zu. In jedem einzelnen Bereich kann die Anzahl von Nebenkanälen pro Fläche konstant oder variabel sein. Die Nebenkanäle weisen bevorzugt eine Nebenkanaloberfläche auf, insbesondere nimmt ein Verhältnis von Nebenkanaloberfläche pro Gesamtfläche, bezogen auf jeweils einen Bereich, in Richtung von dem Einlassbereich zu dem Auslassbereich zu. Die Nebenkanäle dienen insbesondere der Abfuhr von flüssigem Wasser. In der Nähe des Auslassbereichs wird mehr flüssiges Wasser pro Fläche produziert als in der Nähe des Einlassbereichs, so dass bevorzugt mehr Nebenkanäle vorliegen, wo mehr flüssiges Wasser abzuführen ist.
Die Strukturierung der mindestens zwei Bereiche kann sich alternativ oder zusätzlich jeweils hinsichtlich einer Anzahl an Verteilerkanälen pro Fläche, einer Geometrie der Verteilerkanäle und/oder einer Anordnung der Verteilerkanäle unterscheiden. Weiterhin kann die Beschichtung, insbesondere bezüglich Material beziehungsweise Zusammensetzung und Dicke der Beschichtung in den mindestens zwei Bereichen variieren.
Bevorzugt ist die Strukturierung innerhalb jeweils eines der mindestens zwei Bereiche jeweils einheitlich.
Weiterhin kann die Verteilerplatte mindestens einen planaren Bereich ohne Nebenkanäle und/oder Verteilerkanäle aufweisen. In einer Ausführungsform ist mindestens einer der zwei Bereiche ein planarer Bereich ohne Nebenkanäle. In dem mindestens einen planaren Bereich liegt entsprechend keine Strukturierung vor. Bevorzugt ist der planare Bereich ohne Nebenkanäle 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.
Bevorzugt sind mindestens ein erster Bereich, ein zweiter Bereich und ein dritter Bereich in Richtung von dem Einlassbereich zu dem Auslassbereich hintereinander angeordnet, insbesondere in angegebener Reihenfolge.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Verteilerplatte genau drei Bereiche auf. Im Betrieb der elektrochemischen Zelle herrschen in dem ersten Bereich, der auch als Eingangsbereich bezeichnet werden kann, typischerweise trockene Bedingungen. In dem zweiten Bereich, der auch als mittlerer Bereich bezeichnet werden kann, herrschen typischerweise variable Bedingungen, wobei hohe Temperaturen und eine Wasserproduktion möglich sind. In dem dritten Bereich, 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 mündet in dem ersten Bereich mindestens einer der Nebenkanäle in eine Endstruktur, wobei sich der mindestens eine Nebenkanal in der Endstruktur in mindestens zwei Unterkanäle verzweigt und insbesondere die mindestens zwei Unterkanäle jeweils einen kleineren 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 das im Hauptkanal geführte Gemisch 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 mindestens eine 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.
In dem zweiten Bereich umfasst die Strukturierung bevorzugt zusätzlich die Verteilerkanäle.
In dem dritten Bereich ist bevorzugt mindestens einer der Nebenkanäle mit einem ersten Teil in einem ersten Winkel in einem Bereich von 30° bis 150° zu den Hauptkanälen angeordnet und mit einem zweiten Teil in einem zweiten Winkel in einem Bereich von weniger als 45° zu den Hauptkanälen angeordnet. Zusätzlich oder alternativ kann mindestens einer der Nebenkanäle jeweils einen Endbereich aufweisen, in dem die Tiefe des mindestens einen Nebenkanals in Richtung eines nächstliegenden Hauptkanals, insbesondere in einer Hauptstromrichtung, abnimmt und/oder die Breite des mindestens einen Nebenkanals in Richtung des nächstliegenden Hauptkanals, insbesondere in der Hauptstromrichtung, zunimmt. In dem Endbereich nimmt weiter bevorzugt die Tiefe kontinuierlich ab und/oder die Breite kontinuierlich zu. Insbesondere nimmt in dem Endbereich der Durchmesser des mindestens einen Nebenkanals zu. Unter der Formulierung „in Richtung des nächstliegenden Hauptkanals“ ist eine Richtung entlang des Nebenkanals von dem Steg, insbesondere dem Kontaktbereich, zu dem Endbereich zu verstehen. Die Endbereiche können auch als Ablösebereiche bezeichnet werden. In den Endbereichen werden Wassertropfen aus den Nebenkanälen in die Hauptkanäle ausgetragen und es erfolgt eine Ablösung von Wassertropfen aus den Nebenkanälen. Der Endbereich des mindestens einen Nebenkanals ist bevorzugt auf einer Seitenfläche der Stege oder auf einer Bodenfläche der Hauptkanäle angeordnet. Der Endbereich stellt einen Übergang zwischen dem mindestens einen Nebenkanal und der im Wesentlichen planaren Bodenfläche der Hauptkanäle dar. Weiterhin kann in dem dritten Bereich die Strukturierung zusätzlich die Verteilerkanäle umfassen.
Bevorzugt ist der erste Teil des mindestens einen Nebenkanals, der sich insbesondere im Kontaktbereich befindet, im Wesentlichen orthogonal zu den Hauptkanälen, insbesondere zu dem nächstliegenden Hauptkanal, angeordnet. Unter im Wesentlichen orthogonal wird verstanden, dass der erste Winkel 60° bis 120°, weiter bevorzugt 80° bis 100° und besonders bevorzugt 85° bis 95°, zum Beispiel 90°, beträgt. Bevorzugt ist der zweite Teil des jeweiligen Nebenkanals im Wesentlichen parallel zu den Hauptkanälen, insbesondere zu mindestens einem benachbarten Hauptkanal, angeordnet. Unter im Wesentlichen parallel wird verstanden, dass der zweite Winkel weniger als 30°, weiter bevorzugt weniger als 20°, mehr bevorzugt weniger als 10° und insbesondere bevorzugt weniger als 5° beträgt. Durch die Anordnung in dem zweiten Winkel erfolgt eine Ausrichtung des mindestens einen Nebenkanals in der Hauptstromrichtung von dem Gemisch in den Hauptkanälen, insbesondere in der Nähe der Endbereiche.
Bevorzugt weisen die Nebenkanäle jeweils zumindest auf den Seitenflächen der Stege einen gekrümmten Verlauf auf. Alternativ oder zusätzlich können die Nebenkanäle auf den Seitenflächen einen geraden Verlauf mit mindestens einer, bevorzugt mehr als einer, Richtungsänderung, die auch als Knick bezeichnet werden kann, aufweisen. Während die Nebenkanäle im Kontaktbereich im Wesentlichen orthogonal zu den Hauptkanälen verlaufen, erfolgt, insbesondere vor dem Endbereich, bevorzugt eine Angleichung der Richtung der Nebenkanäle zur Richtung der Hauptkanäle. Diese Angleichung erfolgt bevorzugt auf einer gekrümmten Bahn. Dabei wechselt eine Verlaufsrichtung der Nebenkanäle von einem Verlauf im ersten Winkel zu einem Verlauf im zweiten Winkel im Verhältnis zu den Hauptkanälen. Bevorzugt weist der erste Teil des mindestens einen Nebenkanals jeweils einen geraden Verlauf auf.
In dem ersten Bereich weisen die Nebenkanäle in den Kontaktbereichen bevorzugt eine hydrophobe Nebenkanaloberfläche auf. Auf den Seitenflächen und den Bodenflächen liegen in dem ersten Bereich bevorzugt zumindest teilweise hydrophile Oberflächeneigenschaften vor.
In dem zweiten Bereich, insbesondere im Kontaktbereich, weisen die Nebenkanäle bevorzugt teilweise eine hydrophobe Nebenkanaloberfläche und teilweise eine hydrophile Nebenkanaloberfläche auf. Weiter bevorzugt sind Nebenkanäle mit hydrophober Nebenkanaloberfläche und Nebenkanäle mit hydrophiler Nebenkanaloberfläche abwechselnd angeordnet.
In dem dritten Bereich, insbesondere im Kontaktbereich, liegen bevorzugt mehr Nebenkanäle mit hydrophiler Nebenkanaloberfläche als Nebenkanäle mit hydrophober Nebenkanaloberfläche vor.
Zur Herstellung der Nebenkanäle mit hydrophiler Nebenkanaloberfläche kann zunächst die hydrophobe Beschichtung aufgebracht werden, die dann entlang der Nebenkanäle wieder entfernt wird, so dass die wieder freigelegte hydrophile Oberfläche der Grundplatte, die zum Beispiel eine Stahloberfläche aufweist, die Nebenkanaloberfläche bildet. Alternativ kann die Grundplatte bereits einen in die Grundplatte eingeprägten Nebenkanal mit hydrophiler Nebenkanaloberfläche aufweisen. Zur Herstellung eines Nebenkanals mit hydrophober Nebenkanaloberfläche kann zum Beispiel zunächst eine hydrophobe Beschichtung aufgebracht werden, die dann teilweise, aber nicht mit vollständiger Schichtdicke, wieder entfernt wird, so dass ein Nebenkanal entsteht, ohne die Grundplatte wieder freizulegen.
In dem ersten Bereich ist die Strukturierung bevorzugt bezüglich einer Verteilung des Gemischs, insbesondere durch hydrophobe Oberflächen, und gegebenenfalls einer Verdampfung von flüssigem Wasser ausgelegt. Insbesondere begünstigt die Strukturierung in dem ersten Bereich die Verteilung des Gemischs und gegebenenfalls die Verdampfung von flüssigem Wasser.
In dem zweiten Bereich ist die Strukturierung bevorzugt bezüglich der Verdampfung von Wasser und gegebenenfalls eines Abführens von flüssigem Wasser, insbesondere durch hydrophile Oberflächen, ausgelegt. Insbesondere begünstigt die Strukturierung in dem zweiten Bereich bevorzugt die Verdampfung von Wasser und gegebenenfalls das Abführen von flüssigem Wasser.
In dem dritten Bereich ist die Strukturierung bevorzugt bezüglich des Abführens von flüssigem Wasser ausgelegt. Insbesondere begünstigt die Strukturierung in dem dritten Bereich das Abführen von flüssigem Wasser.
Insbesondere in dem Kathodenraum liegen in dem ersten Bereich, der in der Nähe des Einlassbereichs angeordnet ist, ein trockenes Gemisch und wenig flüssiges Wasser vor. Entsprechend liegen keine oder wenige Nebenkanäle vor. Sind Nebenkanäle vorhanden, so kann insbesondere der Endbereich beziehungsweise die Endstruktur für die Verdampfung von flüssigem Wasser optimiert sein, wobei insbesondere die Endstrukturen ein fächerartiges Auslaufen der Nebenkanäle ermöglichen. Dementsprechend liegen in den Kontaktbereichen der Stege bevorzugt Nebenkanäle mit hydrophober Nebenkanaloberfläche vor, um einen besseren Gasaustausch zu erzielen. In den Hauptkanälen liegen bevorzugt hydrophile Oberflächeneigenschaften und/oder Nebenkanäle mit hydrophilen Nebenkanaloberflächen vor, um das Ablaufen gegebenenfalls vorhandenen flüssigen Wassers zu fördern.
In dem zweiten Bereich, der insbesondere mittig auf der Verteilerplatte beziehungsweise zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich angeordnet ist, liegen bevorzugt teilweise Nebenkanäle vor. Gleichzeitig sind bevorzugt Verteilerkanäle vorhanden, die insbesondere der Verteilung des Gemischs gleichmäßig über die aktive Fläche und insbesondere in den Kontaktbereichen dienen. Endbereiche beziehungsweise Endstrukturen der Nebenkanäle sind bevorzugt für die Verdampfung von flüssigem Wasser optimiert. Optional können die Endbereiche beziehungsweise Endstrukturen für den Austrag von Tropfen flüssigen Wassers optimiert sein. Bevorzugt liegen abwechselnd hydrophile Nebenkanaloberflächen für den Abtransport von flüssigem Wasser und hydrophobe Nebenkanaloberflächen für den Transport des, insbesondere gasförmigen, Gemischs vor.
In dem dritten Bereich ist üblicherweise die Bildung einer großen Menge an flüssigem Wasser an der Membran zu erwarten, so dass die große Menge an flüssigem Wasser aus den Kontaktbereichen ausgetragen werden muss. Entsprechend liegen in dem dritten Bereich bevorzugt mehr Nebenkanäle pro Fläche, insbesondere pro Flächeneinheit, vor als in dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich, wobei die Nebenkanäle weiter bevorzugt mit Verteilerkanälen zur Verteilung des, insbesondere gasförmigen, Gemischs kombiniert sind. Die Endstrukturen beziehungsweise Endbereiche der Nebenkanäle sind weiter bevorzugt für den Abtransport von Tropfen flüssigen Wassers optimiert, wobei die Nebenkanäle bevorzugt so gekrümmt sind, dass eine Strömung des Gemischs in den Hauptkanälen das flüssige Wasser aus den Nebenkanälen herausdrücken kann. Die Nebenkanäle sind bevorzugt an ihren Enden entsprechend dem Endbereich geformt und weisen eine entsprechende Querschnittsgestaltung, insbesondere eine Aufweitung vor, so dass ein breiter, flacher Ablösebereich entsteht, in dem der Strömung des Gemischs ausreichend Wasseroberfläche bereitgestellt wird, um Wassertropfen zu bilden. Weiterhin unterstützend kann hier das Vorliegen der hydrophilen Beschichtung und/oder der hydrophoben Beschichtung sein, um Wasser einerseits aus den Nebenkanälen in den Ablösebereich bzw. Endbereich zu führen und dann dort eine Tropfenbildung zu fördern. Die Beschichtung kann ähnlich wie im zweiten Bereich ausgeführt sein, wobei in dem dritten Bereich bevorzugt mehr hydrophile Nebenkanaloberflächen für den Wasserabtransport und weniger hydrophobe Nebenkanaloberflächen für den Gastransport vorliegen.
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 verschieden strukturierten Bereiche, die auch verschieden beschichtet sein können, werden der Wasseraustrag und die Gaszufuhr entsprechend der örtlich vorliegenden Bedingungen in den einzelnen Bereichen optimiert.
Durch einen gekrümmten Verlauf der Nebenkanäle haben die Nebenkanäle in den Kontaktbereichen eine Richtung näherungsweise senkrecht zur Hauptstromrichtung der Hauptkanäle, so dass dort kurze Abtransportwege für flüssiges Wasser zur Verfügung stehen. Im Ablösebereich für Wassertropfen in den Hauptkanälen hingegen haben die Nebenkanäle durch die Krümmung einen Verlauf näherungsweise parallel zur Hauptstromrichtung, so dass die Ablösung von Wassertropfen aus den Nebenkanälen unterstützt wird.
Durch die Endbereiche wird eine Aufweitung der Nebenkanäle an deren Ende erzielt, so dass der Gemischstrom in den Hauptkanälen das flüssige Wasser leichter aus den Nebenkanälen herausblasen und als Tropfen abführen kann. Eine Beschichtung, insbesondere die beschriebene Einteilung von hydrophiler und hydrophober Beschichtung, kann das Ablösen der Wassertropfen weiter verbessern.
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 Verteilerplatte,
3 einen Kontaktbereich zwischen einer Gasdiffusionslage und einer Verteilerplatte,
4 einen Ausschnitt einer Verteilerplatte mit Nebenkanälen innerhalb von Verteilerkanälen,
5 eine Schnittansicht entlang einer ersten Schnittebene,
6 eine Schnittansicht entlang einer zweiten Schnittebene,
7 einen Ausschnitt einer Verteilerplatte mit Nebenkanälen und Endstruktur,
8 eine weitere Ausführungsform einer Endstruktur,
9 noch eine weitere Ausführungsform einer Endstruktur,
10 einen Ausschnitt einer Verteilerplatte mit Nebenkanälen und weiteren Nebenkanälen,
11 einen Ausschnitt einer Verteilerplatte mit Nebenkanälen mit gekrümmtem Verlauf,
12 einen Endbereich eines Nebenkanals,
13 eine Draufsicht auf eine Verteilerplatte mit mindestens zwei Bereichen und
14 eine Ausführungsform eines zweiten Bereichs einer Verteilerplatte.

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 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.
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 eine perspektivische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Verteilerplatte 7 mit Nebenkanälen 15, die teilweise innerhalb der Verteilerkanäle 60 angeordnet sind. Die Verteilerplatte 7 weist abwechselnd Hauptkanäle 11 und Stege 12 auf. Entlang der Hauptkanäle 11 liegt eine Hauptstromrichtung 53 vor. Im Verhältnis zur Ausrichtung der Hauptkanäle 11 ist ein Anordnungswinkel 72 bezeichnet. Ferner weisen die Hauptkanäle 11 jeweils eine Symmetrieachse 55 auf.
Die Stege 12 besitzen jeweils eine Oberfläche 13, wovon die zu Bodenflächen 33 der Hauptkanäle 11 abgewinkelt angeordneten Teile als Seitenflächen 31 bezeichnet werden. In dem Kontaktbereich 47 der Oberfläche 13 der Stege 12 sind Verteilerkanäle 60 angeordnet. An die Seitenflächen 31 der Stege 12 schließen sich die Bodenflächen 33 der Hauptkanäle 11 an.
Vier Verteilerkanäle 60 weisen jeweils einen Nebenkanal 15 auf, der Wasser 51 zu einem benachbarten Hauptkanal 11 beziehungsweise zu einer benachbarten Seitenfläche 31 führt und somit den jeweiligen Verteilerkanal 60 mit dem Hauptkanal 11 beziehungsweise mit der Seitenfläche 31 verbindet.
Die Nebenkanäle 15 verlaufen teilweise jeweils in den Verteilerkanälen 60, wobei die Nebenkanäle 15 in einem Boden 88 der Verteilerkanäle 60 angeordnet sind. Entsprechend sind die Nebenkanäle 15 teilweise im Kontaktbereich 47 zu einer Gasdiffusionslage 5 angeordnet.
Ein erster Teil 17 jeden Nebenkanals 15 ist in einem ersten Winkel 19 zum benachbarten Hauptkanal 11 angeordnet und ein zweiter Teil 21 jeden Nebenkanals 15 ist in einem zweiten Winkel 23 zum benachbarten Hauptkanal 11 angeordnet. Die hier dargestellten Nebenkanäle 15 weisen einen gekrümmten Verlauf auf, so dass sich ihre Anordnung relativ zum benachbarten Hauptkanal 11 mit dem Verlauf ändert. Die Nebenkanäle 15 sind jeweils an den Verteilerkanälen 60 im Wesentlichen senkrecht zum Hauptkanal 11 angeordnet und in dem Hauptkanal 11 beziehungsweise in der Nähe des Hauptkanals 11 im Wesentlichen parallel zu dem Hauptkanal 11 angeordnet.
Ein erster Nebenkanal 82 endet auf einem planaren Teil 62 der Bodenfläche 33 des benachbarten Hauptkanals 11. Ein zweiter Nebenkanal 84 endet an einer Kante 59 zwischen der Bodenfläche 33 des Hauptkanals 11 und der Seitenfläche 31 des Stegs 12. Ein dritter Nebenkanal 86 endet auf der Seitenfläche 31 des Stegs 12, so dass das Wasser 51 von der Seitenfläche 31 auf die Bodenfläche 33 des benachbarten Hauptkanals 11 ablaufen kann. Weiterhin sind eine erste Schnittebene 78 und eine zweite Schnittebene 80 markiert.
5 zeigt eine Schnittansicht entlang der in 4 dargestellten ersten Schnittebene 78. In der Oberfläche 13 des Stegs 12 ist der Verteilerkanal 60 angeordnet und in dem Boden 88 des Verteilerkanals 60 befindet sich der Nebenkanal 15, der eine Tiefe 27 und eine Breite 29 besitzt.
6 zeigt eine Schnittansicht entlang der zweiten Schnittebene 80, die in 4 dargestellt ist. Der zweite Nebenkanal 84 ist an der Kante 59 zwischen der Seitenfläche 31 und der Bodenfläche 33 angeordnet. Der dritte Nebenkanal 86 befindet sich in der Seitenfläche 31 des Stegs 12.
7 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Verteilerplatte 7 mit einem Verteilerkanal 60, der in eine Endstruktur 64 mit mehr als zwei Unterkanälen 66 mündet. Es liegen mehrere Unterkanäle 66 vor, die jeweils eine selbe Länge 90 besitzen, aber versetzt zueinander angeordnet sind. Die Endstruktur 64 ist auf der Bodenfläche 33 des Hauptkanals 11 angeordnet.
8 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Endstruktur 64, wobei die Unterkanäle 66 jeweils verschiedene Längen 90 aufweisen und die Länge 90 innerhalb der Endstruktur 64 von innen nach außen abnimmt.
9 zeigt noch eine weitere Ausführungsform einer Endstruktur 64 mit Unterkanälen 66, wobei die Unterkanäle 66 in Gruppen versetzt zueinander angeordnet sind.
10 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Verteilerplatte 7 mit Verteilerkanälen 60, Nebenkanälen 15 und weiteren Nebenkanälen 70. Die Nebenkanäle 15 sind teilweise innerhalb der Verteilerkanäle 60 angeordnet und münden alle in einen weiteren Nebenkanal 70, der entlang einer Symmetrieachse 55 des Hauptkanals 11 angeordnet ist. Der Anordnungswinkel 72 der weiteren Nebenkanäle 70 beträgt in der dargestellten Ausführungsform 0°, entsprechend verlaufen die weiteren Nebenkanäle 70 parallel zum Hauptkanal 11. Weiterhin nehmen die Breite 29 und die Tiefe 27 der Nebenkanäle 15 in den Verteilerkanälen 60 mit Abflussrichtung zu.
11 zeigt eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Verteilerplatte 7 mit Nebenkanälen 15, die einen gekrümmten Verlauf am Übergang von einem ersten Teil 17 zu einem zweiten Teil 21 der Nebenkanäle 15 aufweisen.
Der erste Teil 17 der Nebenkanäle 15 ist jeweils in einem ersten Winkel 19 zu den Hauptkanälen 11 mit einer Hauptstromrichtung 53 angeordnet. Der zweite Teil 21 der Nebenkanäle 15 ist jeweils einem zweiten Winkel 23 zu den Hauptkanälen 11 und der Hauptstromrichtung 53 angeordnet.
Ferner weisen die Nebenkanäle 15 Endbereiche 25 auf, die in die Hauptkanäle 11 münden, so dass sich Tropfen von Wasser 51 aus den Nebenkanälen 15 in die Hauptkanäle 11 ablösen.
12 zeigt einen Endbereich 25 eines Nebenkanals 15. In der dargestellten Ausführungsform weist der Nebenkanal 15 eine V-förmige Querschnittsfläche 35 auf. Der Nebenkanal 15 besitzt eine Tiefe 27, die in dem Endbereich 25 abnimmt und eine Breite 29, die in dem Endbereich 25 zunimmt. Durch die veränderte Geometrie des Nebenkanals 15 in dem Endbereich 25 löst sich in dem Nebenkanal 15 gestautes Wasser 51 in Form von Tropfen aus dem Nebenkanal 15 ab und wird in der Hauptstromrichtung 53 des Hauptkanals 11 mitgerissen. Der Endbereich 25 kann eine Beschichtung 37 aufweisen.
13 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.
14 zeigt einen Ausschnitt eines zweiten, also mittleren Bereichs 124 einer Verteilerplatte 7. Der Steg 12 weist eine Beschichtung 37 in einem Kontaktbereich 47 auf, wobei die Beschichtung 37 hydrophobe Oberflächeneigenschaften 134 aufweist. Hingegen weisen eine Seitenfläche 31 des Stegs 12 und eine Bodenfläche 33 eines benachbarten Hauptkanals 11 hydrophile Oberflächeneigenschaften 136 auf. Im Kontaktbereich 47 des Stegs 12 sind mehrere Nebenkanäle 15 angeordnet, wobei Nebenkanäle 15 mit einer hydrophoben Nebenkanaloberfläche 130 mit Nebenkanälen 15 mit einer hydrophilen Nebenkanaloberfläche 132 abwechselnd angeordnet sind. Die Nebenkanäle 15 mit hydrophiler Nebenkanaloberfläche 132 erstrecken sich von dem Kontaktbereich 47 bis auf die Seitenfläche 31.
Die hydrophoben Nebenkanaloberflächen 130 wurden erzeugt, indem eine hydrophobe Beschichtung 37 auf eine hydrophile Grundplatte 8 aufgebracht wurde und die hydrophobe Beschichtung 37 lediglich teilweise wieder entfernt wurde, so dass der Nebenkanal 15 gebildet wurde. Eine Dicke 138 der hydrophoben Beschichtung 37 wurde wieder entfernt.
Die hydrophilen Nebenkanaloberflächen 132 wurden gebildet, indem die hydrophobe Beschichtung 37 auf die hydrophile Grundplatte 8 aufgetragen wurde und die hydrophobe Beschichtung 37 dann lokal vollständig wieder entfernt wurde, so dass Teile der hydrophilen Grundplatte 8 freiliegen und die hydrophile Nebenkanaloberfläche 132 bilden. Zur Bildung der hydrophilen Nebenkanaloberflächen 132 kann lediglich die hydrophobe Beschichtung 37 wieder entfernt werden oder es kann eine Prägung auch in die hydrophile Grundplatte 8 fortgesetzt werden, so dass ein tieferer Nebenkanal 15 entsteht.
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
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.
Zitierte Patentliteratur

JP 2020047441 A [0019]
JP 2020047443 A [0020]
JP 2020047440 A [0021]

Claims

Verteilerplatte (7) für eine elektrochemische Zelle (1), wobei die Verteilerplatte (7) eine Struktur, umfassend Stege (12) mit Oberflächen (13) und Hauptkanäle (11) mit Bodenflächen (33), aufweist, wobei Nebenkanäle (15) auf den Oberflächen (13) und gegebenenfalls auf den Bodenflächen (33) 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 Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl an Nebenkanälen (15) pro Fläche in Richtung von dem Einlassbereich (96) zu dem Auslassbereich (98) zunimmt.
Verteilerplatte (7) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erster Bereich (94, 122), ein zweiter Bereich (94, 124) und ein dritter Bereich (94, 126) in Richtung von dem Einlassbereich (96) zu dem Auslassbereich (98) hintereinander angeordnet sind, wobei - in dem ersten Bereich (94, 122) mindestens einer der Nebenkanäle (15) in eine Endstruktur (64) mündet, wobei sich der mindestens eine Nebenkanal (15) in der Endstruktur (64) in mindestens zwei Unterkanäle (66) verzweigt und insbesondere die mindestens zwei Unterkanäle (66) jeweils einen kleineren Durchmesser aufweisen als der mindestens eine Nebenkanal (15), - in dem zweiten Bereich (94, 124) die Strukturierung (92) zusätzlich Verteilerkanäle (60) umfasst, wobei die Verteilerkanäle (60) jeweils einen größeren Durchmesser aufweisen als die Nebenkanäle (15) und/oder - in dem dritten Bereich (94, 126) mindestens einer der Nebenkanäle mit einem ersten Teil (17) in einem ersten Winkel (19) in einem Bereich von 30° bis 150° zu den Hauptkanälen (11) angeordnet ist und mit einem zweiten Teil (21) in einem zweiten Winkel (23) in einem Bereich von weniger als 45° zu den Hauptkanälen (11) angeordnet ist und/oder wobei mindestens einer der Nebenkanäle (15) jeweils einen Endbereich (25) aufweist, in dem eine Tiefe (27) des mindestens einen Nebenkanals (15) in Richtung eines nächstliegenden Hauptkanals (11) abnimmt und/oder eine Breite (29) des mindestens einen Nebenkanals (15) in Richtung des nächstliegenden Hauptkanals (11) zunimmt und wobei ggfs. die Strukturierung (92) zusätzlich die Verteilerkanäle (60) umfasst.
Verteilerplatte (7) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der erste Bereich (94, 122), der zweite Bereich (94, 124) und der dritte Bereich (94, 126) in Richtung von dem Einlassbereich (96) zu dem Auslassbereich (98) hintereinander angeordnet sind, wobei die Oberflächen (13) der Stege (12) Kontaktbereiche (47) und Seitenflächen (31) umfassen und wobei - in dem ersten Bereich (94, 122) in den Kontaktbereichen (47) die Nebenkanäle (15) eine hydrophobe Nebenkanaloberfläche (112, 130) aufweisen und auf den Seitenflächen (31) und den Bodenflächen (33) zumindest teilweise hydrophile Oberflächeneigenschaften (136) vorliegen, - in dem zweiten Bereich (94, 124) die Nebenkanäle (15) teilweise eine hydrophobe Nebenkanaloberfläche (112, 130) und teilweise eine hydrophile Nebenkanaloberfläche (112, 132) aufweisen und insbesondere Nebenkanäle (15) mit hydrophober Nebenkanaloberfläche (112, 130) und Nebenkanäle (15) mit hydrophiler Nebenkanaloberfläche (112, 132) abwechselnd angeordnet sind und/oder - in dem dritten Bereich (94, 126) mehr Nebenkanäle (15) mit hydrophiler Nebenkanaloberfläche (112, 132) als Nebenkanäle (15) mit hydrophober Nebenkanaloberfläche (112, 130) vorliegen.
Verteilerplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenkanäle (15) eine Breite (29) und/oder eine Tiefe (27) jeweils in einem Bereich von 1 µm bis 150 µm aufweisen.
Verfahren zur Herstellung einer Verteilerplatte (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zunächst eine hydrophobe Beschichtung (37) auf eine hydrophile Grundplatte (8) aufgebracht wird und dann eine Schicht der hydrophoben Beschichtung (37) mit verschiedener Dicke (138) partiell wieder entfernt wird, so dass die Nebenkanäle (15) entstehen und in Abhängigkeit von der Dicke (138) der entfernten Schicht eine hydrophobe Nebenkanaloberfläche (112, 130) oder eine hydrophile Nebenkanaloberfläche (112, 132) aufweisen.
Elektrochemische Zelle (1) umfassend eine Verteilerplatte (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Verteilerplatte (7) insbesondere in einem Kathodenraum (39) der elektrochemischen Zelle (1) angeordnet ist.
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 6 geführt wird und das Gemisch (42) 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 mindestens ein erster Bereich (94, 122), ein zweiter Bereich (94, 124) und ein dritter Bereich (94, 126) in Richtung von dem Einlassbereich (96) zu dem Auslassbereich (98) hintereinander angeordnet sind, wobei - in dem ersten Bereich (94, 122) die Strukturierung (92) bezüglich einer Verteilung des Gemischs (42) und gegebenenfalls einer Verdampfung von Wasser (51) ausgelegt ist, - in dem zweiten Bereich (94, 124) die Strukturierung (92) bezüglich der Verdampfung von Wasser (51) und gegebenenfalls eines Abführens von flüssigem Wasser (51) ausgelegt ist und/oder - in dem dritten Bereich (94, 126) die Strukturierung (92) bezüglich des Abführens von flüssigem Wasser (51) ausgelegt ist.