DE102021209735A1

DE102021209735A1 - Verteilerplatte für eine elektrochemische Zelle und elektrochemische Zelle

Info

Publication number: DE102021209735A1
Application number: DE102021209735.9A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Berner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-09-03
Filing date: 2021-09-03
Publication date: 2023-03-09
Also published as: CN117916917A; WO2023030780A1

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 die Oberfläche (13) mindestens einen Nebenkanal (15) und eine Beschichtung (37), die mindestens Teile des mindestens einen Nebenkanals (15) abdeckt, aufweist und die Beschichtung (37) mindestens teilweise porös, insbesondere wasserdurchlässig, und gegebenenfalls hydrophil ist. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrochemische Zelle (1).

Description

Technisches Gebiet
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.
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 einige 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 zumindest teilweise 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.
Durch die Struktur der Gasdiffusionslagen wird ein natürliches Abfließen des Wassers, das bei hohen Stromdichten typischerweise in flüssiger Form vorliegt, erschwert, so dass ein Wasserstau, insbesondere unter den Stegen, vorliegen kann. Dieser kann in den Kontaktbereichen die Leistungsdichte der elektrochemischen Zelle begrenzen.
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 welchem 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 jedoch 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.
Weiterhin ist eine Beschichtung von Verteilerplatten bekannt.
Offenbarung der Erfindung
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 die Oberfläche mindestens einen Nebenkanal und eine Beschichtung, die mindestens Teile des mindestens einen Nebenkanals abdeckt, aufweist und die Beschichtung mindestens teilweise porös, insbesondere wasserdurchlässig und gegebenenfalls hydrophil ist.
Ferner wird eine elektrochemische Zelle umfassend die Verteilerplatte vorgeschlagen.
Die elektrochemische Zelle, die bevorzugt eine Brennstoffzelle oder ein Elektrolyseur ist, umfasst bevorzugt mindestens eine erfindungsgemäße Verteilerplatte, mindestens eine Gasdiffusionslage und mindestens eine Membran beziehungsweise Membran-Elektroden-Anordnung. Insbesondere ist jeweils eine Gasdiffusionslage zwischen einer Verteilerplatte und einer Membran angeordnet.
Die Gasdiffusionslage weist bevorzugt eine offenporöse Struktur auf. 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.
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.
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 die Hauptkanäle. Der mindestens eine Nebenkanal ist insbesondere auf einer Seite der Verteilerplatte angeordnet, die in der elektrochemischen Zelle zu einer benachbart angeordneten Gasdiffusionslage zeigt.
Die Verteilerplatte, die auch als Bipolarplatte bezeichnet werden kann, weist bevorzugt eine wellenförmige Struktur auf, wobei sich Stege und Hauptkanäle abwechseln und weiter bevorzugt jeweils parallel zueinander angeordnet sind.
Bevorzugt umfasst die Oberfläche der Stege jeweils mindestens einen Kontaktbereich, der auch als Kontaktfläche bezeichnet werden kann, an dem die benachbart angeordnete Gasdiffusionslage anliegt. Bevorzugt sind die Kontaktbereiche der Stege im Wesentlichen parallel zu 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.
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 entsprechend zu den Kontaktbereichen abgewinkelt angeordnet.
Bevorzugt sind die Bodenflächen planar. Unter „planar“ werden auch Flächen verstanden, die lediglich fertigungsbedingt, insbesondere durch den Prägeprozess, eine leichte Wellenform und/oder eine leichte Rundung aufweisen. Die Hauptkanäle sind bevorzugt gerade und weiter bevorzugt parallel zueinander auf der Verteilerplatte angeordnet.
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. Eine Querschnittsfläche der Hauptkanäle ist bevorzugt um mindestens einen Faktor von fünfzig größer als die Querschnittsfläche des mindestens einen Nebenkanals.
Insbesondere liegt ein Verhältnis von einer Nebenkanalhöhe zu einer Nebenkanalbreite in einem Bereich von 2:1 bis 1:2, weiter bevorzugt von 1,5:1 bis 1:1,5. Zum Beispiel beträgt das Verhältnis der Nebenkanalhöhe zur Nebenkanalbreite 1:1. Die Nebenkanalhöhe und/oder die Nebenkanalbreite liegen bevorzugt in einem Bereich von 1 µm bis 100 µm, weiter bevorzugt in einem Bereich von 1 µm bis 50 µm.
Weiterhin sind insbesondere die Nebenkanalhöhe und die Nebenkanalbreite 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.
Die Beschichtung auf den Stegen besitzt bevorzugt eine Höhe in einem Bereich von 0,01 µm bis 50 µm, weiter bevorzugt von 1 µm bis 20 µm. Bevorzugt ist die Beschichtung zumindest in Teilbereichen hydrophiler als ein Material der Grundplatte der Verteilerplatte. Unter hydrophil ist bevorzugt zu verstehen, dass der Kontaktwinkel bezüglich Wassertropfen kleiner als 90° ist, mehr bevorzugt, dass der Kontaktwinkel bezüglich Wassertropfen kleiner als 80° ist, insbesondere kleiner als 40°. Die Beschichtung dient insbesondere der Senkung des elektrischen Kontaktwiderstands der Verteilerplatte auf der Oberfläche der Stege. Die Beschichtung bedeckt die Oberfläche der Stege, insbesondere die Kontaktbereiche, bevorzugt vollständig.
Bevorzugt umfasst die Beschichtung, insbesondere auf den Kontaktbereichen der Stege, Kohlenstoff wie Ruß oder Graphit, insbesondere Kohlenstoffpartikel, und ein, insbesondere organisches Bindemittel, zum Beispiel mindestens ein Polymer wie Polyethylen (PE) oder Polyvinylidenfluorid (PVDF), insbesondere PE. Das Bindemittel kann thermoplastisch oder duroplastisch sein.
Das Aufbringen der Beschichtung auf die Verteilerplatte kann ein Auftragen einer Paste und eine anschließende Trocknung umfassen.
Weiterhin kann die Beschichtung, insbesondere leitfähige Keramikpartikel umfassen, die in einem Sinterschritt aufgebracht werden können.
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.
Der mindestens eine Nebenkanal ist bevorzugt in die Grundplatte der Verteilerplatte, die insbesondere ein Blech ist, eingebracht, zum Beispiel durch Prägen, Ätzen oder Laserarbeiten.
Insbesondere weist die Verteilerplatte den mindestens einen Nebenkanal auf, bevor die Beschichtung auf die Verteilerplatte aufgebracht wird. Die Beschichtung deckt den mindestens einen Nebenkanal, insbesondere flächig, ab, so dass eine Unterbrechung der Kontaktfläche zwischen der Verteilerplatte und der Gasdiffusionslage, die in Abwesenheit der Beschichtung durch den mindestens einen Nebenkanal entstehen würde, vermieden wird. Entsprechend befindet sich der mindestens eine Nebenkanal bevorzugt zwischen der Verteilerplatte und der Beschichtung. Weiter bevorzugt bildet der mindestens eine Nebenkanal einen Hohlraum zwischen der Beschichtung und der Oberfläche. Entsprechend folgt die Beschichtung bevorzugt nicht der Kontur des mindestens einen Nebenkanals. Weiter bevorzugt erstreckt sich die Beschichtung, insbesondere planar, über den mindestens einen Nebenkanal.
Bevorzugt weisen die Stege jeweils einen Kontaktbereich auf und der mindestens eine Nebenkanal ist vollständig in den Kontaktbereichen von der Beschichtung abgedeckt oder überdeckt. Durch die Abdeckung des mindestens einen Nebenkanals mit der Beschichtung wird eine Unterbrechung beziehungsweise ein Spalt in der Kontaktfläche zwischen der Verteilerplatte und der Gasdiffusionslage vermieden, da über den mindestens einen Nebenkanal hinweg der Kontakt zur Gasdiffusionslage über die Beschichtung aufrechterhalten wird.
In einer Ausführungsform ist die Beschichtung nur teilweise porös, insbesondere wasserdurchlässig, und gegebenenfalls hydrophil, wobei weiter bevorzugt ein poröser Bereich der Beschichtung zumindest teilweise an dem mindestens einen Nebenkanal angeordnet ist. Insbesondere deckt der poröse Bereich den mindestens einen Nebenkanal ab, so dass Wasser, das durch die Beschichtung durchdringt, in den mindestens einen Nebenkanal abfließen kann. Insbesondere können Kohlenstoffpartikel und ein Bindemittel mindestens den porösen Bereich der Beschichtung bilden.
Unter „wasserdurchlässig“ ist insbesondere zu verstehen, dass Wasser, insbesondere aus der Gasdiffusionslage kommend, die Beschichtung in Richtung des mindestens einen Nebenkanals überwinden kann.
Der mindestens eine Nebenkanal befindet sich bevorzugt zumindest teilweise im Kontaktbereich der Stege. In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der mindestens eine Nebenkanal auf eine Seitenfläche der Stege und gegebenenfalls auf die Bodenfläche eines, insbesondere benachbarten Hauptkanals. Durch den in diesem Sinne verlängerten mindestens einen Nebenkanal kann das Wasser über den Kontaktbereich hinaus gezielt auf die Bodenfläche in den Bereich der Gasströmung abgeführt werden.
Bevorzugt weist der mindestens eine Nebenkanal einen geraden Verlauf auf. Der gerade Verlauf kann einen Richtungswechsel aufweisen, der auch als Knick bezeichnet werden kann oder abgerundet sein kann.
Die Oberfläche kann mindestens zwei Nebenkanäle aufweisen, wobei die mindestens zwei Nebenkanäle in unterschiedlichen Winkeln, die auch als Anstellwinkel bezeichnet werden können, zu den Hauptkanälen angeordnet sein können und sich gegebenenfalls schneiden können. Die Nebenkanäle schneiden sich bevorzugt jeweils in dem porösen Bereich der Beschichtung. Der Anstellwinkel liegt bevorzugt in einem Bereich von 30° bis 150°, weiter bevorzugt von 90° bis 120°.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine Nebenkanal im Wesentlichen parallel oder im Wesentlichen senkrecht zu den Hauptkanälen angeordnet.
Unter „im Wesentlichen parallel“ wird insbesondere verstanden, dass der mindestens eine Nebenkanal in einem Winkel von weniger als 45°, mehr bevorzugt weniger als 30°, weiter bevorzugt weniger als 10° und insbesondere bevorzugt weniger als 5° zu den Hauptkanälen, insbesondere zu einem benachbarten Hauptkanal, verläuft oder angeordnet ist, insbesondere zu einer Hauptstromrichtung in dem Hauptkanal. Der Begriff „Hauptstromrichtung“ bezieht sich auf das Gas, das in dem Hauptkanal transportiert wird, insbesondere auf ein sauerstoffhaltiges Gas, das das entstandene Reaktionswasser zum Abtransport aufnimmt. Die Hauptstromrichtung verläuft bevorzugt parallel zu den Seitenflächen der angrenzenden Stege.
Unter „im Wesentlichen senkrecht“ wird entsprechend verstanden, dass der mindestens eine Nebenkanal in einem Winkel in einem Bereich von 45° bis 135°, mehr bevorzugt von 60° bis 120°, weiter bevorzugt von 80° bis 100° und insbesondere bevorzugt von 85° bis 95°, zu den Hauptkanälen, insbesondere einem benachbarten Hauptkanal, verläuft oder angeordnet ist.
Bevorzugt weist die Oberfläche, insbesondere eines Stegs, mindestens einen ersten Nebenkanal und mindestens einen zweiten Nebenkanal auf, wobei der mindestens eine erste Nebenkanal im Wesentlichen parallel zu den Hauptkanälen angeordnet ist und der mindestens eine zweite Nebenkanal im Wesentlichen senkrecht zu den Hauptkanälen angeordnet ist. Der mindestens eine erste Nebenkanal ist weiter bevorzugt mittig auf dem Kontaktbereich, also entlang einer Mittelachse des Kontaktbereichs, angeordnet.
Bevorzugt sind mindestens zwei Nebenkanäle durch einen weiteren Nebenkanal miteinander verbunden. Insbesondere schneidet hierbei der weitere Nebenkanal die mindestens zwei Nebenkanäle. Weiterhin ist bevorzugt, dass die Oberfläche, insbesondere eines Stegs, mindestens zwei zweite Nebenkanäle aufweist und mindestens ein erster Nebenkanal die mindestens zwei zweiten Nebenkanäle miteinander verbindet.
Die verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden.
Vorteile der Erfindung
Der mindestens eine Nebenkanal auf der Oberfläche der Stege 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 Wasser von der Gasdiffusionslage in Richtung der Hauptkanäle entfernt werden, wobei gleichzeitig die Kontaktfläche zwischen der Verteilerplatte und der Gasdiffusionslage durch die Beschichtung maximiert wird und insbesondere durchgehend planar ist.
Durch die Beschichtung wird die Kontaktfläche über den mindestens einen Nebenkanal überbrückt und durch die mindestens teilweise poröse, insbesondere wasserdurchlässige, und gegebenenfalls hydrophile Ausgestaltung der Beschichtung kann Wasser trotz intakter Kontaktfläche abgeführt werden. Die Beschichtung leitet Wasser in den darunterliegenden, mindestens einen Nebenkanal durch, wobei die volle Stegfläche als Kontakt zur Gasdiffusionslage erhalten bleibt.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle gemäß dem Stand der Technik,
2 einen Brennstoffzellenaufbau mit Verteilerplatten,
3 einen Kontaktbereich zwischen einer Gasdiffusionslage und einer Verteilerplatte,
4 einen Ausschnitt einer Verteilerplatte gemäß dem Stand der Technik,
5 einen Ausschnitt einer Verteilerplatte mit Beschichtung,
6, 7 einen Ausschnitt einer Verteilerplatte mit Beschichtung und Nebenkanal,
8 einen Ausschnitt einer Verteilerplatte mit Nebenkanal und teilweise poröser Beschichtung,
9 einen Ausschnitt einer Verteilerplatte mit untereinander verbundenen Nebenkanälen und teilweise poröser Beschichtung,
10 einen Ausschnitt einer Verteilerplatte mit Beschichtung und Nebenkanälen mit unterschiedlichen Anstellwinkeln,
11 einen Ausschnitt einer Verteilerplatte mit Beschichtung und sich schneidenden Nebenkanälen,
12 einen Ausschnitt einer Verteilerplatte mit Beschichtung und Nebenkanälen mit Richtungswechsel,
13 einen Ausschnitt einer Verteilerplatte mit Beschichtung und untereinander verbundenen Nebenkanälen mit Richtungswechsel,
14 Festkörperoberflächen mit unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften und
14d einen Kontaktwinkel bezüglich Wasser.

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, die abwechselnd Hauptkanäle 11 und Stege 12 aufweist. Entlang der Hauptkanäle 11 liegt eine Hauptstromrichtung 53 vor. Ferner ist ein Flankenwinkel 17 gekennzeichnet.
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.
5 zeigt einen Ausschnitt einer Verteilerplatte 7, die auf einer Oberfläche 13 der Stege 12 im Kontaktbereich 47 eine Beschichtung 37 aufweist.
6 zeigt einen Ausschnitt einer Verteilerplatte 7, im Wesentlichen gemäß 5, die einen Nebenkanal 15 aufweist, der vollständig von der porösen Beschichtung 37 abgedeckt ist.
In 7 ist der Ausschnitt der Verteilerplatte 7 gemäß 6 dargestellt, wobei der Abtransport von Wasser 51 vom Kontaktbereich 47 der Stege 12 in dem Nebenkanal 15 entlang der Seitenflächen 31 in den Hauptkanal 11 gezeigt ist. Dazu erstreckt sich der Nebenkanal 15 auf die Seitenfläche 31 des Stegs 12 sowie auf die Bodenflächen 33 des Hauptkanals 11. Das Wasser 51 läuft aus dem Kontaktbereich 47 entlang der Seitenfläche 31 in dem Nebenkanal 15 auf die Bodenfläche 33 ab.
8 zeigt einen Ausschnitt einer Verteilerplatte 7, die im Wesentlichen 7 entspricht, wobei die Beschichtung 37 hier nur teilweise porös ist und einen porösen Bereich 150 aufweist. Der poröse Bereich 150 überschneidet sich mit dem Nebenkanal 15, so dass Wasser 51 durch den porösen Bereich 150 in den Nebenkanal 15 ablaufen kann.
9 zeigt einen Ausschnitt einer Verteilerplatte 7 mit insgesamt drei Nebenkanälen 15. Ein erster Nebenkanal 15, 152 ist parallel zu dem Hauptkanal 11 und ferner mittig auf dem Kontaktbereich 47 angeordnet. Zwei zweite Nebenkanäle 15, 154 sind senkrecht zu dem Hauptkanal 11 angeordnet. Der erste Nebenkanal 15, 152 verbindet die zweiten Nebenkanäle 15, 154 miteinander, wobei der erste Nebenkanal 15, 152 die zweiten Nebenkanäle 15, 154 jeweils in dem porösen Bereich 150 der Beschichtung 37 schneidet. Wasser 51 kann aus dem ersten Nebenkanal 15, 152 über die zweiten Nebenkanäle 15, 154 in den Hauptkanal 11 ablaufen. Die Hohlräume 158 zwischen der Beschichtung 37 und der Oberfläche 13, in denen das Wasser 51 fließen kann, sind erkennbar.
10 zeigt einen Ausschnitt einer Verteilerplatte 7, wobei unter der Beschichtung 37 vier Nebenkanäle 15 angeordnet sind, die jeweils in einem anderen Winkel 19, der auch als Anstellwinkel bezeichnet werden kann, in Bezug auf den Hauptkanal 11 ausgerichtet sind.
11 zeigt einen Ausschnitt einer Verteilerplatte 7, auf dem Nebenkanäle 15 jeweils unterschiedliche Winkel 19 aufweisen und sich schneiden.
12 zeigt einen Ausschnitt einer Verteilerplatte 7, auf dem zwei Nebenkanäle 15 einen geraden Verlauf mit einem Richtungswechsel 156 aufweisen.
13 zeigt einen Ausschnitt einer Verteilerplatte 7, auf dem Nebenkanäle 15, teilweise mit Richtungswechsel 156, durch einen ersten Nebenkanal 15, 152, der parallel zum Hauptkanal 11 angeordnet ist, miteinander verbunden sind.
14 zeigt Festkörper 20 mit Festkörperoberflächen 21, die unterschiedliche Oberflächeneigenschaften bezüglich eines Tropfens von Wasser 51 aufweisen, der von einer Gasphase 23 umgeben ist. Die dargestellten Festkörperoberflächen 21 besitzen a) hydrophile, b) hydrophobe bzw. c) superhydrophobe Oberflächeneigenschaften.
14d illustriert einen Kontaktwinkel 22 bezüglich Wasser 51 auf einem Festkörper 20 mit einer Festkörperoberfläche 21.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 202047441 A [0020]
JP 202047443 A [0021]
JP 202047440 A [0022]

Claims

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 die Oberfläche (13) mindestens einen Nebenkanal (15) und eine Beschichtung (37), die mindestens Teile des mindestens einen Nebenkanals (15) abdeckt, aufweist und die Beschichtung (37) mindestens teilweise porös, insbesondere wasserdurchlässig, und gegebenenfalls hydrophil ist.
Verteilerplatte (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Nebenkanal (15) einen Hohlraum (158) zwischen der Beschichtung (37) und der Oberfläche (13) bildet.
Verteilerplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (12) jeweils einen Kontaktbereich (47) aufweisen und in den Kontaktbereichen (47) die mindestens einen Nebenkanäle (15) vollständig von der Beschichtung (37) abgedeckt sind.
Verteilerplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (37) nur teilweise porös, insbesondere wasserdurchlässig, und gegebenenfalls hydrophil ist und ein poröser Bereich (150) der Beschichtung (37) zumindest teilweise an dem mindestens einen Nebenkanal (15) angeordnet ist.
Verteilerplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der mindestens eine Nebenkanal (15) auf eine Seitenfläche (31) der Stege (12) und gegebenenfalls auf die Bodenfläche (33) eines Hauptkanals (11) erstreckt.
Verteilerplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Nebenkanal (15) einen geraden Verlauf hat, der gegebenenfalls einen Richtungswechsel (156) aufweist.
Verteilerplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (13) mindestens zwei Nebenkanäle (15) aufweist und die mindestens zwei Nebenkanäle (15) in unterschiedlichen Winkeln (19) zu den Hauptkanälen (11) angeordnet sind und sich gegebenenfalls schneiden.
Verteilerplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (13) mindestens einen ersten Nebenkanal (15, 152) und mindestens einen zweiten Nebenkanal (15, 154) aufweist, wobei der mindestens eine erste Nebenkanal (15, 152) im Wesentlichen parallel zu den Hauptkanälen (11) angeordnet ist und der mindestens eine zweite Nebenkanal (154) im Wesentlichen orthogonal zu den Hauptkanälen (11) angeordnet ist.
Verteilerplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Nebenkanäle (15) durch einen weiteren Nebenkanal (15) miteinander verbunden sind.
Elektrochemische Zelle (1) umfassend eine Verteilerplatte (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.