WO2022089893A1 - Distributor plate for an electrochemical cell, electrochemical cell, and method for producing the distributor plate - Google Patents

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WO2022089893A1
WO2022089893A1 PCT/EP2021/077446 EP2021077446W WO2022089893A1 WO 2022089893 A1 WO2022089893 A1 WO 2022089893A1 EP 2021077446 W EP2021077446 W EP 2021077446W WO 2022089893 A1 WO2022089893 A1 WO 2022089893A1
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WO
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channels
main
distributor plate
secondary channels
channel
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Application number
PCT/EP2021/077446
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German (de)
French (fr)
Inventor
Jan Hendrik OHS
Veronika SCHLEPER
Stefan Klenge
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/026—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant characterised by grooves, e.g. their pitch or depth
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    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0265—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant the reactant or coolant channels having varying cross sections
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • Distribution plate for an electrochemical cell for an electrochemical cell, electrochemical cell and method of making the distribution plate
  • the invention relates to a distributor plate for an electrochemical cell, the distributor plate having a structure comprising webs each having a surface and main channels.
  • the invention also relates to an electrochemical cell and a method for producing the distributor plate.
  • Electrochemical cells are electrochemical energy converters and are known in the form of fuel cells or electrolyzers.
  • a fuel cell converts chemical reaction energy of a continuously supplied fuel and an oxidant into electrical energy.
  • known fuel cells in particular hydrogen (H2) and oxygen (O2) are converted into water (H2O), electrical energy and heat.
  • PEM proton exchange membranes
  • Fuel cells have an anode and a cathode.
  • the fuel is fed to the anode of the fuel cell and catalytically oxidized to protons, releasing electrons, which then reach the cathode.
  • the delivered Electrons are derived from the fuel cell and flow to the cathode via an external circuit.
  • the oxidizing agent in particular atmospheric oxygen, is supplied to the cathode of the fuel cell and reacts by absorbing the electrons from the external circuit and protons to form water. The resulting water is drained from the fuel cell.
  • the gross reaction is:
  • a voltage between the anode and the cathode of the fuel cell There is a voltage between the anode and the cathode of the fuel cell.
  • several fuel cells can be arranged mechanically one behind the other to form a fuel cell stack, which is also referred to as a stack or fuel cell assembly, and connected electrically in series.
  • a stack of electrochemical cells typically has end plates that press the individual cells together and provide stability to the stack.
  • the end plates can also serve as the positive or negative pole of the stack to drain the current.
  • the electrodes ie the anode and the cathode, and the membrane can be structurally combined to form a membrane electrode assembly (MEA), which is also referred to as a membrane electrode assembly.
  • MEA membrane electrode assembly
  • Stacks of electrochemical cells also include bipolar plates, also referred to as gas distribution plates or distribution plates.
  • Bipolar plates are used to evenly distribute fuel to the anode and evenly distribute oxidant to the cathode.
  • bipolar plates usually have a surface structure, in particular channel-like structures, for distributing the fuel and the oxidizing agent to the electrodes. In fuel cells in particular, the channel-like structures also serve to drain away the water formed during the reaction.
  • the bipolar plates can have structures for conducting a cooling medium through the electrochemical cell to dissipate heat. In addition to guiding the media with regard to oxygen, hydrogen and water, the bipolar plates ensure a flat electrical contact with the membrane.
  • a fuel cell stack typically includes up to a few hundred individual fuel cells that are stacked on top of one another in layers as so-called sandwiches.
  • the individual fuel cells have an MEA and a bipolar plate half on the anode side and on the cathode side.
  • a fuel cell includes in particular an anode monopolar plate and a cathode monopolar plate, usually in the form of embossed metal sheets, which together form the bipolar plate and thus channels for conducting gas and liquids and between which the cooling medium flows.
  • electrochemical cells generally include gas diffusion layers, which are used for gas distribution.
  • the gas diffusion layers are arranged between a bipolar plate and an MEA and are typically made of a carbon fiber fleece on the channel side, i.e. in the direction of the adjacent bipolar plate, which is also referred to as "gas diffusion backing" (GDB), and on the catalyst side, i.e. in the direction of the membrane, of one microporous layer, also referred to as a "micro porous layer” (MPL).
  • GDB gas diffusion backing
  • MPL micro porous layer
  • an electrolyser In contrast to a fuel cell, an electrolyser is an energy converter which splits water into hydrogen and oxygen when an electrical voltage is applied. Electrolyzers also have, among other things, MEAs, bipolar plates and gas diffusion layers.
  • Known distributor plates have, in particular, channels and respective adjoining or neighboring webs, which form a structure.
  • the canals are also referred to as main canals or channels and the lands as lands.
  • Surfaces of the lands that are at least partially parallel to the plane of extension of the distributor plate comprise contact surfaces of the distributor plate with an adjacent gas diffusion layer of the electrochemical cell.
  • the gases Hydrogen and oxygen pass through the gas diffusion layer from the distribution plate channels to the reaction zone on the membrane.
  • the areas of the gas diffusion layer that rest on the webs of the distributor plate, and thus the corresponding areas of the underlying MEA, are comparatively poorly supplied with reaction gas, especially under flooding conditions of the electrochemical cell, which can lead to an unintentionally inhomogeneous current density distribution.
  • JP 2020-47441 A describes an improved drainage system for bipolar plates, in which additional grooves are provided in flanks of the webs parallel to the direction of the main channels.
  • JP 2020-47443 A describes bipolar plates with improved water drainage, with webs of the bipolar plates having an additional channel system which is arranged transversely to the direction of the main channels. Every two channels of the additional channel system have a common drain. Furthermore, transverse structures in main channels of a distributor plate are disclosed, which lead to a high pressure loss.
  • JP 2020-47440 A also relates to bipolar plates with an improved
  • Drainage system with the ridges notched transversely to the direction of the main channels have and additional grooves along the flanks of the ridges are parallel to the direction of the main channels.
  • a distributor plate for an electrochemical cell having a structure comprising webs each having a surface and main channels, and the surface of the webs having secondary channels, the secondary channels each having an end region in which a depth of the secondary channels is Direction of a nearest main channel decreases and / or a width of the side channels in the direction of the nearest main channel, in particular in a main flow direction in the main channels, increases.
  • the branch channels are arranged with a first part at a first angle in a range of 30° to 150° to the main channels and with a second part at a second angle in a range of less than 45° to the main channels.
  • an electrochemical cell comprising the distributor plate
  • a method for producing the distributor plate comprising at least the following steps: a. providing a flat component, b. Production of the secondary channels, in particular by means of embossing and/or using a laser, on the flat component and c. Forming the main channels from the flat component, so that the distribution plate is created.
  • Step b is preferred. before step c. executed.
  • the electrochemical cell which is preferably a fuel cell or an electrolyzer, preferably comprises at least one distributor plate, at least one gas diffusion layer and at least one membrane or membrane-electrode arrangement.
  • a gas diffusion layer is arranged between a distributor plate and a membrane.
  • the gas diffusion layer preferably has a porous structure and is more preferably in contact with the distributor plate under a high pressure of approximately 10 to 15 bar.
  • the membrane is preferably a polymer-electrolyte membrane, which is also referred to as a proton exchange membrane or proton exchange membrane (PEM) and which, for example, contains perfluorosulfonic acid (PFSA), in particular National, or is made of perfluorosulfonic acid (PFSA), in particular National, consists.
  • alkaline membranes can also be used.
  • the gas diffusion layer preferably comprises a fleece, in particular a carbon fiber fleece, and optionally a microporous layer, the fleece being arranged on a side of the gas diffusion layer which faces the distributor plate. More preferably, the gas diffusion layer consists of the carbon fiber fleece and optionally the microporous layer.
  • the gas permeability in the direction of thickness, ie in the direction of the membrane can be comparable to the gas permeability in the plane, ie in directions parallel to the membrane.
  • the distributor plate preferably comprises carbon such as graphite, a metal such as stainless steel or titanium and/or an alloy containing the metal. More preferably, the distributor plate is made of carbon, the metal and/or the alloy. In particular, a base plate of the distributor plate consists of carbon, the metal and/or the alloy.
  • the secondary channels can also be referred to as drainage channels, capillary channels, grooves or as a microscopically small, groove-like structure and are used to drain the reaction water that has formed into the main channels.
  • the secondary channels are arranged on a side of the distributor plate which faces an adjacently arranged gas diffusion layer in the electrochemical cell.
  • At least one secondary channel preferably connects two, in particular two adjacent, main channels.
  • At least one side channel can also end with a first end on a web, in particular in a contact area, while a second end ends in the nearest main channel.
  • the wording “in the direction of the nearest main channel” is to be understood as meaning a direction along the secondary channel from the web, in particular the contact area, to the end area.
  • the distributor plate which can also be referred to as a bipolar plate, preferably has a wave-shaped structure, with webs and main channels alternating and more preferably each being arranged parallel to one another.
  • the surface of the webs preferably includes at least one contact area, which can also be referred to as a contact surface, against which the adjacently arranged gas diffusion layer rests.
  • the contact areas of the webs are preferably arranged essentially parallel to the bottom surfaces of the main channels. Substantially parallel is to be understood in the sense that a plane in which the contact areas lie and the bottom surfaces enclose an angle of less than 30°, more preferably less than 20°, more preferably less than 10° and in particular less than 5°.
  • the porous structure of the gas diffusion layers makes it difficult for the water, which is typically in liquid form at high current densities, to flow off naturally, so that water can accumulate. This can limit the power density of the electrochemical cell in the contact areas.
  • the webs preferably have side faces which are in particular encompassed by the surface of the webs.
  • the surface of the webs more preferably comprises two side surfaces per web, each adjoining a bottom surface of the adjacent main channel.
  • the side surfaces can also be referred to as flanks and are preferably arranged at a flank angle to the base surfaces, the flank angle more preferably being in a range from 90° to 135°, in particular from 95° to 125°.
  • the side surfaces are preferably arranged at an angle to the contact areas.
  • the side faces can be flat or at least partially rounded.
  • the bottom surfaces are at least partially planar.
  • the secondary channels are more preferably each arranged at least partially on the side surfaces.
  • the side surfaces are preferably arranged at an angle to the contact area, which can also be referred to as a contact surface.
  • the secondary channels are preferably arranged in the contact area and more preferably extend beyond the contact area at least onto the side surfaces.
  • the main ducts preferably have the bottom surfaces, with the end regions of the secondary ducts being arranged in each case on the side surfaces of the webs or on the bottom surfaces of the main ducts.
  • the bottom surface of the respective adjacent main channel preferably adjoins the surface of the webs.
  • the side surfaces of the ridges are typically located between a contact area of the ridge and a bottom surface of the adjacent main duct. If a secondary channel only extends to the side surface of the web, the end region is preferably arranged on the side surface. If the secondary channel extends from the contact area over the side surface of the web to the bottom surface of the nearest main channel, the end area of the secondary channel is preferably arranged on the bottom surface of the main channel.
  • the end area represents a transition between the secondary channels and the essentially planar bottom surface of the main channels, with the bottom surface preferably being structure-free apart from the end areas.
  • At least one of the secondary channels can also open into an end structure in the end region, with the secondary channel branching into at least two sub-channels in the end structure and the at least two sub-channels each having a smaller diameter, in particular a smaller width and/or depth, than the secondary channel.
  • a respective size of the cross-sectional area of the at least two sub-channels is smaller than a size of the cross-sectional area of the secondary channel.
  • the diameter is understood to mean in particular the largest diameter of the cross-sectional area.
  • the final structure can also be referred to as a finer structure or extension, as a result of which the surface of the liquid water is effectively enlarged, so that a discharge and/or evaporation of the liquid water into a gas phase conducted in the main channel can be improved.
  • the end structure has at least three sub-channels, it being possible for at least one sub-channel to branch into at least two further sub-channels.
  • the secondary channel and at least one of the sub-channels preferably partially enclose an angle in a range from 20° to 70°, more preferably 30° to 60°, for example 45°.
  • the at least two sub-channels preferably end in an orientation substantially parallel to the sub-channel.
  • the first part of the respective secondary channel which is located in particular in the contact area, is preferably arranged essentially orthogonally to the main channels, in particular to at least one adjacent main channel, so that the shortest possible distance for water drainage results.
  • “Substantially orthogonal” means that the first angle is 60° to 120°, more preferably 80° to 100° and particularly preferably 85° to 95°.
  • the second part of the respective secondary channel is preferably arranged essentially parallel to the main channels, in particular to at least one adjacent main channel.
  • essentially parallel is meant that the second angle is less than 30°, more preferably less than 20°, more preferably less than 10° and most preferably less than 5°.
  • the secondary channels are aligned in the main flow direction of air in the main channels, in particular in the vicinity of the end regions.
  • the end areas can also be referred to as detachment areas.
  • water droplets are discharged from the secondary channels into the main channels and water droplets are detached from the secondary channels.
  • the secondary channels each have a curved profile at least on the side surfaces of the webs.
  • the secondary channels on the side surfaces can have a straight course with at least one, preferably more than one, change in direction, which can also be referred to as a kink.
  • the direction of the secondary channels preferably aligns with the direction of the main channels in front of the end area. This alignment preferably takes place on a curved path.
  • the course direction of the secondary channels changes from a course at the first angle to a course at the second angle in relation to the main channels.
  • the first part of the secondary channels preferably has a straight course in each case.
  • the main channels are preferably straight and more preferably arranged parallel to one another on the distributor plate.
  • the secondary channels have a cross-sectional area that is preferably triangular, that is to say V-shaped, round, square or polygonal.
  • the cross-sectional area of the secondary channels is preferably V-shaped.
  • the cross-sectional area can be constant over a length of the secondary channels, which in particular extends to the end regions but does not include the end regions, or can change in terms of size and/or geometry.
  • a cross-sectional area of the main channels is preferably larger by at least a factor of fifty than a cross-sectional area of the secondary channels.
  • the depth of the respective secondary channel preferably decreases in the direction of the nearest main channel and the width increases in the direction of the nearest main channel, in particular in the main flow direction. More preferably, the depth decreases continuously and/or the width increases continuously. The depth preferably decreases until the level of the bottom surface is reached and the side channel ends there.
  • the maximum width of the secondary channel in the end area is preferably equal to a main channel width, in particular with regard to the bottom surface of the main channel.
  • the width and/or the depth of the secondary channels in the first part are preferably from 1 ⁇ m to 150 ⁇ m, more preferably from 1 ⁇ m to 100 ⁇ m, particularly preferably from 1 ⁇ m to 50 ⁇ m, more preferably from 1 ⁇ m to 10 ⁇ m. particularly preferably from 1 pm to 6 pm.
  • the gas diffusion layer which is arranged adjacent to the distributor plate, preferably comprises fibers and more preferably the width of the side channels is smaller than a fiber diameter of the gas diffusion layer, which is, for example, about 8 ⁇ m.
  • the width of the secondary channel can also be greater than the fiber diameter of the gas diffusion layer. In particular, the width, but also the depth of the side channels can be selected depending on a structure of the adjacent gas diffusion layer.
  • the depth and the width of the secondary channels are selected in such a way that the secondary channels form a capillary effect, in particular with regard to water.
  • the distributor plate preferably has a coating at least in part.
  • the coating can be more hydrophilic or more hydrophobic than a material of the be the base plate of the distributor plate.
  • the coating can be applied to the surface of the webs to reduce the electrical contact resistance of the distributor plate.
  • the coating can completely cover the surface of the webs and optionally also the main channels or be partially present.
  • the coating can be hydrophobic and in particular have a lotus effect.
  • Hydrophobic preferably means that the wettability is inferior to the water wettability of smooth-surfaced steel, more preferably that the contact angle with respect to water droplets is greater than 70°, especially greater than 80°.
  • the coating is particularly present in the contact areas in order to reduce the contact resistance here.
  • the coating can be present on the floor surfaces.
  • the particularly hydrophobic coating can be present on the floor surfaces and the side channels can be uncoated.
  • the coating preferably comprises carbon such as carbon black or graphite, in particular carbon particles, and a binder, in particular organic, for example synthetic resin and/or polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • the binder can be thermoplastic or thermoset.
  • the coating preferably has a layer thickness in a range from 1 nm to 200 ⁇ m, more preferably from 5 nm to 100 ⁇ m, particularly preferably in a range from 5 nm to 50 ⁇ m, in particular in a range from 5 nm to 50 nm
  • the contact areas of the webs preferably have a layer thickness of more than 5 ⁇ m.
  • the layer thickness on the side surfaces and the bottom surfaces is preferably less than 1 ⁇ m.
  • the distributor plate can at least partially have a hydrophilic coating.
  • the end area has the hydrophilic coating.
  • the hydrophilic preferably means that the wettability is better than the water wettability of smooth-surfaced steel, more preferably that the contact angle with respect to water droplets is smaller than 40°, especially smaller than 10°.
  • a hydrophilic surface can be produced, for example, by microscopic roughening.
  • the coating can have an internal structure and the at least one secondary channel can be formed by the internal structure.
  • the contact area of the ridges can be hydrophobic or hydrophilic. If the contact area is hydrophilic, the water will collect directly in the contact area, in particular through wetting and/or condensation, and will then be transported away via the at least one secondary channel into the main channel. If the contact area is hydrophobic, the water will condense in the gas diffusion layer and directly in the at least one secondary channel and then be transported away into the, in particular adjacent, main channel.
  • the coating may comprise a hydrophilic component, for example oxidized carbon particles having hydroxide, carbonyl and/or carboxyl groups, with a polymeric binder, particularly applicable to carbon spreader plates.
  • a hydrophilic component for example oxidized carbon particles having hydroxide, carbonyl and/or carboxyl groups
  • the coating has a surface roughness Ra in a range of 0.1 to 10 pm and more preferably a bulk peak-to-valley maximum distance of 0.1 pm to 20 pm, more preferably from 1 pm to 10 pm.
  • the coating can be applied, for example, by laser sintering or by methods that are also used to apply a pattern of a metal, ceramic, polymer or mixtures thereof to the distribution plate.
  • Another example of a coating method is spray coating.
  • a coating material such as powder could first be applied to the distributor plate, this could be removed locally in a targeted manner, for example from the contact areas, and then a selective (laser) sintering process could be carried out.
  • a selective (laser) sintering process could be carried out.
  • only the main ducts could be equipped with the coating.
  • the coating can be done selectively, for example by a mask and/or screen printing.
  • the coating can also be applied over a large area and then partially removed, for example by laser methods or mechanical methods, so that the secondary channels are uncovered and in particular side walls of the secondary channels are formed by the coating.
  • the secondary channels can be introduced into the base plate of the distributor plate, which is in particular a metal sheet, and/or into the coating of the distributor plate.
  • the layer thickness is preferably more than 5 ⁇ m.
  • the secondary channels can be introduced into the base plate, for example by embossing under high pressure, before the base plate is shaped over a larger area to form the main channels through which the air and/or coolant is guided.
  • the secondary channels can also be applied by means of a laser, in particular by targeted material evaporation.
  • the distribution plate according to the invention supports and facilitates the removal of reaction product formed, in particular liquid water, from the contact area between gas diffusion layer and distribution plate on the air duct side of the distribution plate of the electrochemical cell.
  • reaction product formed, in particular liquid water the contact area between gas diffusion layer and distribution plate on the air duct side of the distribution plate of the electrochemical cell.
  • the removal of reaction water is accelerated by capillary forces. Due to the first angle in a range from 30° to 150°, the shortest possible transport path of the water on the jetty and in particular in the contact area is achieved. Due in particular to a reduced width of the secondary channels, the gas diffusion layer, in particular fibers of the gas diffusion layer, cannot protrude into the secondary channels, so that the water within the secondary channels can flow through unhindered below the gas diffusion layer.
  • the secondary channels due to the specific geometry of the secondary channels, in particular due to the end regions and possibly the second angle in a range of less than 45°, it is possible for water droplets to be formed and for these to be blown out of the secondary channels by air flowing in the main channels and then over be disposed of in the airflow along the main ducts.
  • the water dissolves in the end area Main channel out of the secondary channels and can be blown through the main channel as a macroscopic drop and by aligning the end areas in the direction of the main channels, the air flow in the main channels can push the resulting droplets out of the secondary channels.
  • the inventively designed end areas of the secondary channels support the removal of the water from the secondary channels, so that water from the contact area can flow into the secondary channel until a uniform distribution or a stationary state is achieved again.
  • the end areas designed according to the invention thus ensure that the side channels are constantly emptied and that liquid water is transported away from the contact area between the gas diffusion layer and the distributor plate.
  • the coating can further improve the detachment of the water droplets from the secondary ducts into the main ducts by supporting the spread of the water in the end area and thus offering the air flow a larger surface to attack.
  • the coating in the main channel can reduce the adhesion of the water droplets and thus improve the removal of the droplets that have formed.
  • Figure 1 is a schematic representation of an electrochemical cell according to the prior art
  • FIG. 2 shows a fuel cell structure with distributor plates
  • FIG. 3 shows a contact area between a gas diffusion layer and a distributor plate
  • FIG. 4 shows a contact area between a gas diffusion layer and a distributor plate with secondary channels
  • Figure 5 shows a section of a distributor plate with secondary channels with a curved course
  • FIG. 6 shows an end area of a side channel.
  • FIG. 1 schematically shows an electrochemical cell 1 in the form of a fuel cell according to the prior art.
  • the electrochemical cell 1 has a membrane 2 as the electrolyte.
  • the membrane 2 separates a cathode space 39 from an anode space 41.
  • An electrode layer 3 , a gas diffusion layer 5 and a distributor plate 7 are arranged on the membrane 2 in the cathode space 39 and anode space 41 .
  • the distributor plates 7 have main channels 11 for the gas supply, for example air 43 in the cathode space 39 and hydrogen 45 in the anode space 41 to the gas diffusion layers 5 .
  • Main channels 11 and webs 12 alternate on the distributor plates 7 .
  • the webs 12 On a surface 13 of the webs 12 there is a contact area 47 between the distributor plate 7 and the adjacently arranged gas diffusion layer 5 educated. Furthermore, the webs 12 have side surfaces 31 and the main channels 11 have bottom surfaces 33 .
  • FIG. 2 shows a fuel cell structure comprising a plurality of distributor plates 7 and membrane-electrode assemblies 4 which comprise membranes 2 .
  • Oxygen 43 or air containing the oxygen 43 and hydrogen 45 are conducted through the distributor plates 7 to the membrane electrode assemblies 4 .
  • water 51 is discharged in the main channels 11 of the distributor plates 7, in which oxygen 43 or air containing the oxygen 43 is supplied.
  • the distributor plates 7 serve to guide a coolant 49.
  • Figure 3 shows a contact area 47 between a gas diffusion layer 5 and a distributor plate 7 in an electrochemical cell 1.
  • the main channel 11 shown has a bottom surface 33 and an adjacent web 12 with a surface 13 has a side surface 31. Part of the surface 13 of the web 12 forms the contact area 47.
  • FIG. 4 shows a section of a contact area 47 between a gas diffusion layer 5 and a distributor plate 7 with secondary channels 15.
  • the gas diffusion layer 5 is arranged on the distributor plate 7.
  • FIG. Water 51 has collected in the side channels 15, which are free of the gas diffusion layer 5, and can flow off unhindered.
  • FIG. 5 shows a plan view of a section of a distributor plate 7 with secondary channels 15 which have a curved course at the transition from a first part 17 to a second part 21 of the secondary channels 15.
  • the first part 17 of the secondary channels 15 is in each case arranged at a first angle 19 to the main channels 11 with a main flow direction 53 .
  • the second part 21 of the secondary channels 15 is each arranged at a second angle 23 to the main channels 11 and the main flow direction 53 .
  • the secondary channels 15 have end regions 25 which open into the main channels 11 so that drops of water 51 detach from the secondary channels 15 into the main channels 11 .
  • FIG. 6 shows an end region 25 of a side channel 15.
  • the side channel 15 has a V-shaped cross-sectional area 35.
  • FIG. The secondary channel 15 has a depth 27 which decreases in the end region 25 and a width 29 which increases in the end region 25. Due to the changed geometry of the secondary channel 15 in the end area 25 , the inflowing air has an enlarged water surface and easier access to the water surface than in the narrow secondary channel 15 , particularly when the secondary channel 15 is not completely full.
  • the end area 25 can have a coating 37 , for example in order to support the enlargement of the water surface in the end area 25 at a given filling level of the secondary channel 15 and/or the detachment process of the water droplets into the main channel 11 .

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Abstract

The invention relates to a distributor plate (7) for an electrochemical cell (1), the distributor plate (7) having a structure comprising connecting portions (12), each having a surface (13), and main ducts (11). The surface (13) of the connecting portions (12) has secondary ducts (15), each secondary duct (15) having an end region (25) in which a depth (27) of the secondary ducts (15) in the direction of an adjacent main duct (11) decreases and/or a width (29) of the secondary ducts (15) in the direction of the adjacent main duct (11) increases. The invention further relates to an electrochemical cell (1) and to a method for producing the distributor plate (7).

Description

Verteilerplatte für eine elektrochemische Zelle, elektrochemische Zelle und Verfahren zur Herstellung der Verteilerplatte Distribution plate for an electrochemical cell, electrochemical cell and method of making the distribution plate
Die Erfindung betrifft eine Verteilerplatte für eine elektrochemische Zelle, wobei die Verteilerplatte eine Struktur, umfassend Stege mit jeweils einer Oberfläche und Hauptkanäle, aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrochemische Zelle und ein Verfahren zur Herstellung der Verteilerplatte. The invention relates to a distributor plate for an electrochemical cell, the distributor plate having a structure comprising webs each having a surface and main channels. The invention also relates to an electrochemical cell and a method for producing the distributor plate.
Stand der Technik State of the art
Elektrochemische Zellen sind elektrochemische Energiewandler und in Form von Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren bekannt. Electrochemical cells are electrochemical energy converters and are known in the form of fuel cells or electrolyzers.
Eine Brennstoffzelle wandelt chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt. A fuel cell converts chemical reaction energy of a continuously supplied fuel and an oxidant into electrical energy. In known fuel cells, in particular hydrogen (H2) and oxygen (O2) are converted into water (H2O), electrical energy and heat.
Unter anderem sind Protonenaustauschmembran (Proton Exchange Membrane = PEM)-Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt. Among others, proton exchange membranes (PEM) fuel cells are known. Proton exchange membrane fuel cells have a centrally located membrane that is permeable to protons, i.e. hydrogen ions. The oxidizing agent, in particular atmospheric oxygen, is thus spatially separated from the fuel, in particular hydrogen.
Brennstoffzellen weisen eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert, die zur Kathode gelangen. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zur Kathode. Fuel cells have an anode and a cathode. The fuel is fed to the anode of the fuel cell and catalytically oxidized to protons, releasing electrons, which then reach the cathode. The delivered Electrons are derived from the fuel cell and flow to the cathode via an external circuit.
Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet: The oxidizing agent, in particular atmospheric oxygen, is supplied to the cathode of the fuel cell and reacts by absorbing the electrons from the external circuit and protons to form water. The resulting water is drained from the fuel cell. The gross reaction is:
O2 + 4H+ + 4e 2H2O O 2 + 4H + + 4e 2H 2 O
Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel, der auch als Stack oder Brennstoffzellenaufbau bezeichnet wird, angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden. There is a voltage between the anode and the cathode of the fuel cell. To increase the voltage, several fuel cells can be arranged mechanically one behind the other to form a fuel cell stack, which is also referred to as a stack or fuel cell assembly, and connected electrically in series.
Ein Stapel von elektrochemischen Zellen weist üblicherweise Endplatten auf, die die einzelnen Zellen miteinander verpressen und dem Stapel Stabilität verleihen. Die Endplatten können auch als Pluspol beziehungsweise Minuspol des Stapels zum Ableiten des Stroms dienen. A stack of electrochemical cells typically has end plates that press the individual cells together and provide stability to the stack. The end plates can also serve as the positive or negative pole of the stack to drain the current.
Die Elektroden, also die Anode und die Kathode, und die Membran können konstruktiv zu einer Membran- Elektroden-Anordnung (MEA) zusammengefasst sein, die auch als Membrane Electrode Assembly bezeichnet wird. The electrodes, ie the anode and the cathode, and the membrane can be structurally combined to form a membrane electrode assembly (MEA), which is also referred to as a membrane electrode assembly.
Stapel von elektrochemischen Zellen weisen ferner Bipolarplatten auf, die auch als Gasverteilerplatten oder Verteilerplatten bezeichnet werden. Bipolarplatten dienen zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode. Weiterhin weisen Bipolarplatten üblicherweise eine Oberflächenstruktur, insbesondere kanalartige Strukturen, zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels an die Elektroden auf. Insbesondere in Brennstoffzellen dienen die kanalartigen Strukturen auch zur Ableitung des bei der Reaktion entstandenen Wassers. Zusätzlich können die Bipolarplatten Strukturen zur Durchleitung eines Kühlmediums durch die elektrochemische Zelle zur Abführung von Wärme aufweisen. Neben der Medienführung bezüglich Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser gewährleisten die Bipolarplatten einen flächigen elektrischen Kontakt zur Membran. Stacks of electrochemical cells also include bipolar plates, also referred to as gas distribution plates or distribution plates. Bipolar plates are used to evenly distribute fuel to the anode and evenly distribute oxidant to the cathode. Furthermore, bipolar plates usually have a surface structure, in particular channel-like structures, for distributing the fuel and the oxidizing agent to the electrodes. In fuel cells in particular, the channel-like structures also serve to drain away the water formed during the reaction. In addition, the bipolar plates can have structures for conducting a cooling medium through the electrochemical cell to dissipate heat. In addition to guiding the media with regard to oxygen, hydrogen and water, the bipolar plates ensure a flat electrical contact with the membrane.
Zum Beispiel umfasst ein Brennstoffzellenstapel typischerweise bis zu einigen Hundert einzelne Brennstoffzellen, die lagenweise als sogenannte Sandwiches aufeinandergestapelt werden. Die einzelnen Brennstoffzellen weisen eine MEA sowie jeweils eine Bipolarplattenhälfte auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite auf. Eine Brennstoffzelle umfasst insbesondere eine Anoden- Monopolar-Platte und eine Kathoden-Monopolar-Platte, üblicherweise jeweils in Form von geprägten Blechen, die zusammen die Bipolarplatte und damit Kanäle zur Führung von Gas und Flüssigkeiten bilden und zwischen denen das Kühlmedium fließt. For example, a fuel cell stack typically includes up to a few hundred individual fuel cells that are stacked on top of one another in layers as so-called sandwiches. The individual fuel cells have an MEA and a bipolar plate half on the anode side and on the cathode side. A fuel cell includes in particular an anode monopolar plate and a cathode monopolar plate, usually in the form of embossed metal sheets, which together form the bipolar plate and thus channels for conducting gas and liquids and between which the cooling medium flows.
Weiterhin umfassen elektrochemische Zellen in der Regel Gasdiffusionslagen, die der Gasverteilung dienen. Die Gasdiffusionslagen sind zwischen einer Bipolarplatte und einer MEA angeordnet und typischerweise kanalseitig, also in Richtung der angrenzenden Bipolarplatte, aus einem Kohlefaservlies, der auch als „gas diffusion backing“ (GDB) bezeichnet wird, und katalysatorseitig, also in Richtung der Membran, aus einer mikroporösen Schicht, die auch als „micro porous layer“ (MPL) bezeichnet wird, aufgebaut. Furthermore, electrochemical cells generally include gas diffusion layers, which are used for gas distribution. The gas diffusion layers are arranged between a bipolar plate and an MEA and are typically made of a carbon fiber fleece on the channel side, i.e. in the direction of the adjacent bipolar plate, which is also referred to as "gas diffusion backing" (GDB), and on the catalyst side, i.e. in the direction of the membrane, of one microporous layer, also referred to as a "micro porous layer" (MPL).
Gegenüber einer Brennstoffzelle ist ein Elektrolyseur ein Energiewandler, welcher unter Anlegen von elektrischer Spannung bevorzugt Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Auch Elektrolyseure weisen unter anderem MEAs, Bipolarplatten und Gasdiffusionslagen auf. In contrast to a fuel cell, an electrolyser is an energy converter which splits water into hydrogen and oxygen when an electrical voltage is applied. Electrolyzers also have, among other things, MEAs, bipolar plates and gas diffusion layers.
Für die Effizienz einer elektrochemischen Zelle, insbesondere mit einer Polymer- Elektrolyt- Membran, ist es besonders wichtig, die auf der Membran angeordneten Elektrodenschichten homogen mit Reaktionsgas zu versorgen. For the efficiency of an electrochemical cell, in particular with a polymer-electrolyte membrane, it is particularly important to supply the electrode layers arranged on the membrane homogeneously with reaction gas.
Bekannte Verteilerplatten weisen insbesondere Kanäle und jeweils angrenzende bzw. benachbarte Stege auf, die eine Struktur bilden. Die Kanäle werden auch als Hauptkanäle oder Channels und die Stege als Lands bezeichnet. Known distributor plates have, in particular, channels and respective adjoining or neighboring webs, which form a structure. The canals are also referred to as main canals or channels and the lands as lands.
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. Surfaces of the lands that are at least partially parallel to the plane of extension of the distributor plate comprise contact surfaces of the distributor plate with an adjacent gas diffusion layer of the electrochemical cell. the gases Hydrogen and oxygen pass through the gas diffusion layer from the distribution plate channels to the reaction zone on the membrane. The areas of the gas diffusion layer that rest on the webs of the distributor plate, and thus the corresponding areas of the underlying MEA, are comparatively poorly supplied with reaction gas, especially under flooding conditions of the electrochemical cell, which can lead to an unintentionally inhomogeneous current density distribution.
Auf der Seite der Membran, auf der Luft, also Sauerstoff, zugeführt wird, entsteht im Betrieb der Brennstoffzelle Wasser, das durch die Gasdiffusionslage zu den Kanälen der Verteilerplatte transportiert und von dort aus der Zelle entfernt werden muss. Typische Betriebstemperaturen für elektrochemische Zellen, die eine Membran aufweisen, betragen weniger als 120°C, so dass das Wasser typischerweise in der Gasdiffusionslage kondensiert und flüssig vorliegt. In der Gasdiffusionslage ist die Transportrichtung des Wassers der Transportrichtung des Gases entgegengesetzt und angesammeltes Wasser kann die Nachführung von Reaktionsgas, insbesondere Sauerstoff, stark behindern. On the side of the membrane on which air, i.e. oxygen, is supplied, water is produced during fuel cell operation, which is transported through the gas diffusion layer to the channels of the distributor plate and from there has to be removed from the cell. Typical operating temperatures for electrochemical cells that have a membrane are less than 120° C., so that the water is typically condensed and liquid in the gas diffusion layer. In the gas diffusion layer, the transport direction of the water is opposite to the transport direction of the gas, and accumulated water can severely impede the replenishment of reaction gas, in particular oxygen.
Je höher die Leistungsdichte der elektrochemischen Zelle, desto mehr Wasser wird erzeugt, so dass der Abtransport der Mengen an flüssigem Wasser im Kontaktbereich zwischen Gasdiffusionslage und Luftkanalseite der Verteilerplatten unzureichend sein kann. The higher the power density of the electrochemical cell, the more water is generated, so that the amount of liquid water that is transported away in the contact area between the gas diffusion layer and the air channel side of the distributor plates can be insufficient.
JP 2020-47441 A beschreibt ein verbessertes Drainagesystem für Bipolarplatten, in dem zusätzliche Rillen in Flanken der Stege parallel zur Richtung der Hauptkanäle vorgesehen sind. JP 2020-47441 A describes an improved drainage system for bipolar plates, in which additional grooves are provided in flanks of the webs parallel to the direction of the main channels.
JP 2020-47443 A beschreibt Bipolarplatten mit verbesserter Wasserabfuhr, wobei Stege der Bipolarplatten ein zusätzliches Kanalsystem aufweisen, das quer zur Richtung der Hauptkanäle angeordnet ist. Jeweils zwei Kanäle des zusätzlichen Kanalsystems weisen einen gemeinsamen Abfluss auf. Ferner sind Querstrukturen in Hauptkanälen einer Verteilerplatte offenbart, die zu einem hohen Druckverlust führen. JP 2020-47443 A describes bipolar plates with improved water drainage, with webs of the bipolar plates having an additional channel system which is arranged transversely to the direction of the main channels. Every two channels of the additional channel system have a common drain. Furthermore, transverse structures in main channels of a distributor plate are disclosed, which lead to a high pressure loss.
JP 2020-47440 A betrifft ebenfalls Bipolarplatten mit verbessertemJP 2020-47440 A also relates to bipolar plates with an improved
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. Drainage system, with the ridges notched transversely to the direction of the main channels have and additional grooves along the flanks of the ridges are parallel to the direction of the main channels.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention
Es wird eine Verteilerplatte für eine elektrochemische Zelle vorgeschlagen, wobei die Verteilerplatte eine Struktur, umfassend Stege mit jeweils einer Oberfläche und Hauptkanäle, aufweist, und die Oberfläche der Stege Nebenkanäle aufweist, wobei die Nebenkanäle jeweils einen Endbereich aufweisen, in dem eine Tiefe der Nebenkanäle in Richtung eines nächstliegenden Hauptkanals abnimmt und/oder eine Breite der Nebenkanäle in Richtung des nächstliegenden Hauptkanals, insbesondere in einer Hauptstromrichtung in den Hauptkanälen, zunimmt. Bevorzugt sind die 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. A distributor plate for an electrochemical cell is proposed, the distributor plate having a structure comprising webs each having a surface and main channels, and the surface of the webs having secondary channels, the secondary channels each having an end region in which a depth of the secondary channels is Direction of a nearest main channel decreases and / or a width of the side channels in the direction of the nearest main channel, in particular in a main flow direction in the main channels, increases. Preferably, the branch channels are arranged with a first part at a first angle in a range of 30° to 150° to the main channels and with a second part at a second angle in a range of less than 45° to the main channels.
Ferner wird eine elektrochemische Zelle umfassend die Verteilerplatte vorgeschlagen sowie ein Verfahren zur Herstellung der Verteilerplatte, umfassend mindestens folgende Schritte: a. Bereitstellen eines flächigen Bauteils, b. Herstellen der Nebenkanäle, insbesondere mittels Prägen und/oder unter Verwendung eines Lasers, auf dem flächigen Bauteil und c. Bilden der Hauptkanäle aus dem flächigen Bauteil, so dass die Verteilerplatte entsteht. Furthermore, an electrochemical cell comprising the distributor plate is proposed, as well as a method for producing the distributor plate, comprising at least the following steps: a. providing a flat component, b. Production of the secondary channels, in particular by means of embossing and/or using a laser, on the flat component and c. Forming the main channels from the flat component, so that the distribution plate is created.
Bevorzugt wird der Schritt b. vor dem Schritt c. ausgeführt. Step b is preferred. before step c. executed.
Die elektrochemische Zelle, die bevorzugt eine Brennstoffzelle oder ein Elektrolyseur ist, umfasst bevorzugt mindestens eine Verteilerplatte, mindestens eine Gasdiffusionslage und mindestens eine Membran beziehungsweise Membran- Elektroden-Anordnung. Insbesondere ist jeweils eine Gasdiffusionslage zwischen einer Verteilerplatte und einer Membran angeordnet. 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 auch als Protonen-Austausch-Membran oder Proton Exchange Membrane (PEM) bezeichnet wird und die z.B. Perfluorsulfonsäure (PFSA), insbesondere Nation, enthält oder aus Perfluorsulfonsäure (PFSA), insbesondere Nation, besteht. Ferner können auch alkalische Membranen eingesetzt werden. The electrochemical cell, which is preferably a fuel cell or an electrolyzer, preferably comprises at least one distributor plate, at least one gas diffusion layer and at least one membrane or membrane-electrode arrangement. In particular, a gas diffusion layer is arranged between a distributor plate and a membrane. The gas diffusion layer preferably has a porous structure and is more preferably in contact with the distributor plate under a high pressure of approximately 10 to 15 bar. The membrane is preferably a polymer-electrolyte membrane, which is also referred to as a proton exchange membrane or proton exchange membrane (PEM) and which, for example, contains perfluorosulfonic acid (PFSA), in particular Nation, or is made of perfluorosulfonic acid (PFSA), in particular Nation, consists. Furthermore, alkaline membranes can also be used.
Bevorzugt umfasst die Gasdiffusionslage ein Vlies, insbesondere ein Kohlefaservlies, und gegebenenfalls eine mikroporöse Schicht, wobei das Vlies auf einer Seite der Gasdiffusionslage angeordnet ist, die zu der Verteilerplatte zeigt. Weiter bevorzugt besteht die Gasdiffusionslage aus dem Kohlefaservlies und gegebenenfalls der mikroporösen Schicht. Bei dem Vlies kann die Gasdurchlässigkeit in Dickenrichtung, also in Richtung zur Membran, vergleichbar mit der Gasdurchlässigkeit in der Ebene sein, also in Richtungen parallel zu der Membran. The gas diffusion layer preferably comprises a fleece, in particular a carbon fiber fleece, and optionally a microporous layer, the fleece being arranged on a side of the gas diffusion layer which faces the distributor plate. More preferably, the gas diffusion layer consists of the carbon fiber fleece and optionally the microporous layer. In the case of the fleece, the gas permeability in the direction of thickness, ie in the direction of the membrane, can be comparable to the gas permeability in the plane, ie in directions parallel to the membrane.
Die Verteilerplatte umfasst bevorzugt Kohlenstoff wie Graphit, ein Metall wie Edelstahl oder Titan und/oder eine Legierung enthaltend das Metall. Weiter bevorzugt ist die Verteilerplatte aus Kohlenstoff, dem Metall und/oder der Legierung aufgebaut. Insbesondere besteht eine Grundplatte der Verteilerplatte aus Kohlenstoff, dem Metall und/oder der Legierung. The distributor plate preferably comprises carbon such as graphite, a metal such as stainless steel or titanium and/or an alloy containing the metal. More preferably, the distributor plate is made of carbon, the metal and/or the alloy. In particular, a base plate of the distributor plate consists of carbon, the metal and/or the alloy.
Die Nebenkanäle können auch als Drainagekanäle, Kapillarkanäle, Rillen oder als mikroskopisch kleine, rillenartige Struktur bezeichnet werden und dienen zur Abführung von entstandenem Reaktionswasser in die Hauptkanäle. Die Nebenkanäle sind insbesondere auf einer Seite der Verteilerplatte angeordnet, die in der elektrochemischen Zelle zu einer benachbart angeordneten Gasdiffusionslage zeigt. Mindestens ein Nebenkanal verbindet bevorzugt zwei, insbesondere zwei benachbarte, Hauptkanäle. Mindestens ein Nebenkanal kann auch mit einem ersten Ende auf einem Steg, insbesondere in einem Kontaktbereich, enden, während ein zweites Ende in dem nächstliegenden Hauptkanal endet. 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 Verteilerplatte, die auch als Bipolarplatte bezeichnet werden kann, weist bevorzugt eine wellenförmige Struktur auf, wobei sich Stege und Hauptkanäle abwechseln und weiter bevorzugt jeweils parallel zueinander angeordnet sind. The secondary channels can also be referred to as drainage channels, capillary channels, grooves or as a microscopically small, groove-like structure and are used to drain the reaction water that has formed into the main channels. In particular, the secondary channels are arranged on a side of the distributor plate which faces an adjacently arranged gas diffusion layer in the electrochemical cell. At least one secondary channel preferably connects two, in particular two adjacent, main channels. At least one side channel can also end with a first end on a web, in particular in a contact area, while a second end ends in the nearest main channel. The wording “in the direction of the nearest main channel” is to be understood as meaning a direction along the secondary channel from the web, in particular the contact area, to the end area. The distributor plate, which can also be referred to as a bipolar plate, preferably has a wave-shaped structure, with webs and main channels alternating and more preferably each being arranged parallel to one another.
Bevorzugt umfasst die Oberfläche der Stege jeweils mindestens einen Kontaktbereich, der auch als Kontaktfläche bezeichnet werden kann, an dem die benachbart angeordnete Gasdiffusionslage anliegt. Bevorzugt sind die Kontaktbereiche der Stege im Wesentlichen parallel zu Bodenflächen der Hauptkanäle angeordnet. Im Wesentlichen parallel ist dahingehend zu verstehen, dass eine Ebene, in der die Kontaktbereiche liegen, und die Bodenflächen einen Winkel von weniger als 30°, weiter bevorzugt weniger als 20°, mehr bevorzugt weniger als 10° und insbesondere weniger als 5° einschließen. The surface of the webs preferably includes at least one contact area, which can also be referred to as a contact surface, against which the adjacently arranged gas diffusion layer rests. The contact areas of the webs are preferably arranged essentially parallel to the bottom surfaces of the main channels. Substantially parallel is to be understood in the sense that a plane in which the contact areas lie and the bottom surfaces enclose an angle of less than 30°, more preferably less than 20°, more preferably less than 10° and in particular less than 5°.
Durch die poröse Struktur der Gasdiffusionslagen wird ein natürliches Abfließen des Wassers, das bei hohen Stromdichten typischerweise in flüssiger Form vorliegt, erschwert, so dass ein Wasserstau vorliegen kann. Dieser kann in den Kontaktbereichen die Leistungsdichte der elektrochemischen Zelle begrenzen. The porous structure of the gas diffusion layers makes it difficult for the water, which is typically in liquid form at high current densities, to flow off naturally, so that water can accumulate. This can limit the power density of the electrochemical cell in the contact areas.
Bevorzugt weisen die Stege Seitenflächen auf, die insbesondere von der Oberfläche der Stege umfasst sind. Die Oberfläche der Stege umfasst weiter bevorzugt pro Steg jeweils zwei Seitenflächen, die sich jeweils an eine Bodenfläche des benachbarten Hauptkanals anschließen. Die Seitenflächen können auch als Flanken bezeichnet werden und sind bevorzugt in einem Flankenwinkel zu den Bodenflächen angeordnet, wobei der Flankenwinkel weiter bevorzugt in einem Bereich von 90° bis 135°, insbesondere von 95° bis 125°, liegt. Ferner sind die Seitenflächen bevorzugt zu den Kontaktbereichen abgewinkelt angeordnet. Die Seitenflächen können eben oder zumindest teilweise gerundet sein. Bevorzugt sind die Bodenflächen zumindest teilweise planar. The webs preferably have side faces which are in particular encompassed by the surface of the webs. The surface of the webs more preferably comprises two side surfaces per web, each adjoining a bottom surface of the adjacent main channel. The side surfaces can also be referred to as flanks and are preferably arranged at a flank angle to the base surfaces, the flank angle more preferably being in a range from 90° to 135°, in particular from 95° to 125°. Furthermore, the side surfaces are preferably arranged at an angle to the contact areas. The side faces can be flat or at least partially rounded. Preferably, the bottom surfaces are at least partially planar.
Die Nebenkanäle sind weiter bevorzugt jeweils zumindest teilweise auf den Seitenflächen angeordnet. Ferner sind die Seitenflächen bevorzugt zu dem Kontaktbereich, der auch als Kontaktfläche bezeichnet werden kann, abgewinkelt angeordnet. Bevorzugt sind die Nebenkanäle in dem Kontaktbereich angeordnet und erstrecken sich weiter bevorzugt über den Kontaktbereich hinaus mindestens auf die Seitenflächen. Ferner weisen die Hauptkanäle bevorzugt die Bodenflächen auf, wobei die Endbereiche der Nebenkanäle jeweils auf den Seitenflächen der Stege oder auf den Bodenflächen der Hauptkanäle angeordnet sind. An die Oberfläche der Stege schließt sich bevorzugt die Bodenfläche des jeweils benachbarten Hauptkanals an. The secondary channels are more preferably each arranged at least partially on the side surfaces. Furthermore, the side surfaces are preferably arranged at an angle to the contact area, which can also be referred to as a contact surface. The secondary channels are preferably arranged in the contact area and more preferably extend beyond the contact area at least onto the side surfaces. Furthermore, the main ducts preferably have the bottom surfaces, with the end regions of the secondary ducts being arranged in each case on the side surfaces of the webs or on the bottom surfaces of the main ducts. The bottom surface of the respective adjacent main channel preferably adjoins the surface of the webs.
Die Seitenflächen der Stege sind typischerweise zwischen einem Kontaktbereich des Stegs und einer Bodenfläche des benachbarten Hauptkanals angeordnet. Erstreckt sich ein Nebenkanal lediglich bis auf die Seitenfläche des Stegs, so ist der Endbereich bevorzugt auf der Seitenfläche angeordnet. Erstreckt sich der Nebenkanal von dem Kontaktbereich über die Seitenfläche des Stegs zur Bodenfläche des nächstliegenden Hauptkanals, so ist der Endbereich des Nebenkanals bevorzugt auf der Bodenfläche des Hauptkanals angeordnet. The side surfaces of the ridges are typically located between a contact area of the ridge and a bottom surface of the adjacent main duct. If a secondary channel only extends to the side surface of the web, the end region is preferably arranged on the side surface. If the secondary channel extends from the contact area over the side surface of the web to the bottom surface of the nearest main channel, the end area of the secondary channel is preferably arranged on the bottom surface of the main channel.
Der Endbereich stellt einen Übergang zwischen den Nebenkanälen und der im Wesentlichen planaren Bodenfläche der Hauptkanäle dar, wobei die Bodenfläche, abgesehen von den Endbereichen, bevorzugt strukturfrei ist. The end area represents a transition between the secondary channels and the essentially planar bottom surface of the main channels, with the bottom surface preferably being structure-free apart from the end areas.
Mindestens einer der Nebenkanäle kann in dem Endbereich auch in eine Endstruktur münden, wobei sich der Nebenkanal in der Endstruktur in mindestens zwei Unterkanäle verzweigt und die mindestens zwei Unterkanäle jeweils einen kleineren Durchmesser, insbesondere eine kleinere Breite und/oder Tiefe, aufweisen als der Nebenkanal. Insbesondere ist eine jeweilige Größe der Querschnittsfläche der mindestens zwei Unterkanäle kleiner als eine Größe der Querschnittsfläche des Nebenkanals. Unter dem Durchmesser wird insbesondere der größte Durchmesser der Querschnittsfläche verstanden. 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 Verdunstung des flüssigen Wassers in eine im Hauptkanal geführte Gasphase verbessert werden kann. Weiter bevorzugt weist die Endstruktur mindestens drei Unterkanäle auf, wobei sich mindestens ein Unterkanal in weitere, mindestens zwei weitere Unterkanäle verzweigen kann. Der Nebenkanal und mindestens einer der Unterkanäle schließen bevorzugt teilweise einen Winkel in einem Bereich von 20° bis 70°, mehr bevorzugt 30° bis 60°, zum Beispiel 45° ein. Ferner enden die mindestens zwei Unterkanäle bevorzugt in einer Ausrichtung im Wesentlichen parallel zu dem Nebenkanal. Bevorzugt ist der erste Teil des jeweiligen Nebenkanals, der sich insbesondere im Kontaktbereich befindet, im Wesentlichen orthogonal zu den Hauptkanälen, insbesondere zu mindestens einem benachbarten Hauptkanal, angeordnet, so dass sich eine möglichst kurze Wegstrecke zur Wasserabfuhr ergibt. Unter „im Wesentlichen orthogonal“ wird verstanden, dass der erste Winkel 60° bis 120°, weiter bevorzugt 80° bis 100° und besonders bevorzugt 85° bis 95° beträgt. At least one of the secondary channels can also open into an end structure in the end region, with the secondary channel branching into at least two sub-channels in the end structure and the at least two sub-channels each having a smaller diameter, in particular a smaller width and/or depth, than the secondary channel. In particular, a respective size of the cross-sectional area of the at least two sub-channels is smaller than a size of the cross-sectional area of the secondary channel. The diameter is understood to mean in particular the largest diameter of the cross-sectional area. The final structure can also be referred to as a finer structure or extension, as a result of which the surface of the liquid water is effectively enlarged, so that a discharge and/or evaporation of the liquid water into a gas phase conducted in the main channel can be improved. More preferably, the end structure has at least three sub-channels, it being possible for at least one sub-channel to branch into at least two further sub-channels. The secondary channel and at least one of the sub-channels preferably partially enclose an angle in a range from 20° to 70°, more preferably 30° to 60°, for example 45°. Furthermore, the at least two sub-channels preferably end in an orientation substantially parallel to the sub-channel. The first part of the respective secondary channel, which is located in particular in the contact area, is preferably arranged essentially orthogonally to the main channels, in particular to at least one adjacent main channel, so that the shortest possible distance for water drainage results. “Substantially orthogonal” means that the first angle is 60° to 120°, more preferably 80° to 100° and particularly preferably 85° to 95°.
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. The second part of the respective secondary channel is preferably arranged essentially parallel to the main channels, in particular to at least one adjacent main channel. By “essentially parallel” is meant that the second angle is less than 30°, more preferably less than 20°, more preferably less than 10° and most preferably less than 5°.
Durch die Anordnung in dem zweiten Winkel erfolgt eine Ausrichtung der Nebenkanäle in der Hauptstromrichtung von Luft in den Hauptkanälen, insbesondere in der Nähe der Endbereiche. As a result of the arrangement at the second angle, the secondary channels are aligned in the main flow direction of air in the main channels, in particular in the vicinity of the end regions.
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. The end areas can also be referred to as detachment areas. In the end areas, water droplets are discharged from the secondary channels into the main channels and water droplets are detached from the secondary channels.
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 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. Preferably, the secondary channels each have a curved profile at least on the side surfaces of the webs. Alternatively or additionally, the secondary channels on the side surfaces can have a straight course with at least one, preferably more than one, change in direction, which can also be referred to as a kink. While the secondary channels in the contact area run essentially orthogonally to the main channels, the direction of the secondary channels preferably aligns with the direction of the main channels in front of the end area. This alignment preferably takes place on a curved path. The course direction of the secondary channels changes from a course at the first angle to a course at the second angle in relation to the main channels.
Bevorzugt weist der erste Teil der Nebenkanäle jeweils einen geraden Verlauf auf. Die Hauptkanäle sind bevorzugt gerade und weiter bevorzugt parallel zueinander auf der Verteilerplatte angeordnet. Die Nebenkanäle weisen 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 der Nebenkanäle, die insbesondere bis zu den Endbereichen reicht, die Endbereiche aber nicht umfasst, konstant sein, oder sich bezüglich Größe und/oder Geometrie ändern. Eine Querschnittsfläche der Hauptkanäle ist bevorzugt um mindestens einen Faktor von fünfzig größer als eine Querschnittsfläche der Nebenkanäle. The first part of the secondary channels preferably has a straight course in each case. The main channels are preferably straight and more preferably arranged parallel to one another on the distributor plate. The secondary channels have a cross-sectional area that is preferably triangular, that is to say V-shaped, round, square or polygonal. The cross-sectional area of the secondary channels is preferably V-shaped. The cross-sectional area can be constant over a length of the secondary channels, which in particular extends to the end regions but does not include the end regions, or can change in terms of size and/or geometry. A cross-sectional area of the main channels is preferably larger by at least a factor of fifty than a cross-sectional area of the secondary channels.
Bevorzugt nimmt in den Endbereichen die Tiefe des jeweiligen Nebenkanals in Richtung des nächstgelegenen Hauptkanals ab und die Breite in Richtung des nächstliegenden Hauptkanals, insbesondere in der Hauptstromrichtung, zu. Weiter bevorzugt nimmt die Tiefe kontinuierlich ab und/oder die Breite kontinuierlich zu. Die Tiefe nimmt bevorzugt ab bis das Niveau der Bodenfläche erreicht ist und der Nebenkanal damit endet. Die maximale Breite des Nebenkanals im Endbereich ist bevorzugt gleich einer Hauptkanalbreite, insbesondere bezüglich der Bodenfläche des Hauptkanals. In the end regions, the depth of the respective secondary channel preferably decreases in the direction of the nearest main channel and the width increases in the direction of the nearest main channel, in particular in the main flow direction. More preferably, the depth decreases continuously and/or the width increases continuously. The depth preferably decreases until the level of the bottom surface is reached and the side channel ends there. The maximum width of the secondary channel in the end area is preferably equal to a main channel width, in particular with regard to the bottom surface of the main channel.
Bevorzugt betragen die Breite und/oder die Tiefe der Nebenkanäle in dem ersten Teil jeweils von 1 pm bis 150 pm, weiter bevorzugt von 1 pm bis 100 pm, besonders bevorzugt von 1 pm bis 50 pm, mehr bevorzugt von 1 pm bis 10 pm, insbesondere bevorzugt von 1 pm bis 6 pm. 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 pm beträgt. Die Breite des Nebenkanals 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. The width and/or the depth of the secondary channels in the first part are preferably from 1 μm to 150 μm, more preferably from 1 μm to 100 μm, particularly preferably from 1 μm to 50 μm, more preferably from 1 μm to 10 μm. particularly preferably from 1 pm to 6 pm. The gas diffusion layer, which is arranged adjacent to the distributor plate, preferably comprises fibers and more preferably the width of the side channels is smaller than a fiber diameter of the gas diffusion layer, which is, for example, about 8 μm. The width of the secondary channel can also be greater than the fiber diameter of the gas diffusion layer. In particular, the width, but also the depth of the side channels can be selected depending on a structure of the adjacent gas diffusion layer.
Weiterhin sind insbesondere die Tiefe und die Breite der Nebenkanäle so gewählt, dass die Nebenkanäle eine Kapillarwirkung, insbesondere bezüglich Wasser, ausbilden. Furthermore, in particular the depth and the width of the secondary channels are selected in such a way that the secondary channels form a capillary effect, in particular with regard to water.
Bevorzugt weist die Verteilerplatte zumindest teilweise eine Beschichtung auf.The distributor plate preferably has a coating at least in part.
Die Beschichtung kann hydrophiler oder hydrophober als ein Material der Grundplatte der Verteilerplatte sein. Insbesondere kann zur Senkung des elektrischen Kontaktwiderstands der Verteilerplatte auf der Oberfläche der Stege die Beschichtung aufgebracht sein. Weiterhin kann die Beschichtung die Oberfläche der Stege und gegebenenfalls auch die Hauptkanäle vollständig bedecken oder partiell vorhanden sein. The coating can be more hydrophilic or more hydrophobic than a material of the be the base plate of the distributor plate. In particular, the coating can be applied to the surface of the webs to reduce the electrical contact resistance of the distributor plate. Furthermore, the coating can completely cover the surface of the webs and optionally also the main channels or be partially present.
Die Beschichtung kann hydrophob sein und insbesondere einen Lotuseffekt aufweisen. Unter hydrophob ist bevorzugt zu verstehen, dass die Benetzbarkeit schlechter ist als die Benetzbarkeit von Stahl mit glatter Oberfläche mit Wasser, mehr bevorzugt, dass der Kontaktwinkel bezüglich Wassertropfen größer als 70° ist, insbesondere größer als 80°. Die Beschichtung liegt insbesondere in den Kontaktbereichen vor, um hier den Kontaktwiderstand zu senken. Ferner kann die Beschichtung auf den Bodenflächen vorliegen. Beispielsweise kann die, insbesondere hydrophobe, Beschichtung auf den Bodenflächen vorliegen und die Nebenkanäle können unbeschichtet sein. The coating can be hydrophobic and in particular have a lotus effect. Hydrophobic preferably means that the wettability is inferior to the water wettability of smooth-surfaced steel, more preferably that the contact angle with respect to water droplets is greater than 70°, especially greater than 80°. The coating is particularly present in the contact areas in order to reduce the contact resistance here. Furthermore, the coating can be present on the floor surfaces. For example, the particularly hydrophobic coating can be present on the floor surfaces and the side channels can be uncoated.
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 pm auf, weiter bevorzugt von 5 nm bis 100 pm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 5 nm bis 50 pm, insbesondere in einem Bereich von 5 nm bis 50 nm. In den Kontaktbereichen der Stege liegt bevorzugt eine Schichtdicke von mehr als 5 pm vor. Auf den Seitenflächen und den Bodenflächen beträgt die Schichtdicke bevorzugt weniger als 1 pm. The coating preferably comprises carbon such as carbon black or graphite, in particular carbon particles, and a binder, in particular organic, for example synthetic resin and/or polyvinylidene fluoride (PVDF). The binder can be thermoplastic or thermoset. The coating preferably has a layer thickness in a range from 1 nm to 200 μm, more preferably from 5 nm to 100 μm, particularly preferably in a range from 5 nm to 50 μm, in particular in a range from 5 nm to 50 nm The contact areas of the webs preferably have a layer thickness of more than 5 μm. The layer thickness on the side surfaces and the bottom surfaces is preferably less than 1 μm.
Ferner kann die Verteilerplatte zumindest teilweise eine hydrophile Beschichtung aufweisen. Insbesondere der Endbereich weist die hydrophile Beschichtung auf. 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°. Eine hydrophile Oberfläche kann zum Beispiel durch mikroskopisches Aufrauhen hergestellt werden. Weiterhin kann die Beschichtung eine innere Strukturierung aufweisen und der mindestens eine Nebenkanal kann durch die innere Strukturierung gebildet sein. 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 den mindestens einen Nebenkanal in den Hauptkanal abtransportiert werden. Ist der Kontaktbereich hydrophob, wird das Wasser in der Gasdiffusionslage und direkt in dem mindestens einen Nebenkanal kondensieren und dann in den, insbesondere benachbarten, Hauptkanal abtransportiert werden. Furthermore, the distributor plate can at least partially have a hydrophilic coating. In particular, the end area has the hydrophilic coating. The hydrophilic preferably means that the wettability is better than the water wettability of smooth-surfaced steel, more preferably that the contact angle with respect to water droplets is smaller than 40°, especially smaller than 10°. A hydrophilic surface can be produced, for example, by microscopic roughening. Furthermore, the coating can have an internal structure and the at least one secondary channel can be formed by the internal structure. The contact area of the ridges can be hydrophobic or hydrophilic. If the contact area is hydrophilic, the water will collect directly in the contact area, in particular through wetting and/or condensation, and will then be transported away via the at least one secondary channel into the main channel. If the contact area is hydrophobic, the water will condense in the gas diffusion layer and directly in the at least one secondary channel and then be transported away into the, in particular adjacent, main channel.
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 pm und weiter bevorzugt einen maximalen Berg-zu-Tal-Abstand (bulk peak-to-valley maximum distance) von 0,1 pm bis 20 pm, mehr bevorzugt von 1 pm bis 10 pm auf. The coating may comprise a hydrophilic component, for example oxidized carbon particles having hydroxide, carbonyl and/or carboxyl groups, with a polymeric binder, particularly applicable to carbon spreader plates. Preferably, the coating has a surface roughness Ra in a range of 0.1 to 10 pm and more preferably a bulk peak-to-valley maximum distance of 0.1 pm to 20 pm, more preferably from 1 pm to 10 pm.
Die Beschichtung kann beispielsweise durch Lasersintern aufgebracht werden oder mit Methoden, die auch dazu dienen, ein Metall, Keramik, ein Polymer oder Mischungen davon in Mustern auf die Verteilerplatte aufzubringen. Ein weiteres Beispiel für eine Beschichtungsmethode ist die Spraybeschichtung. The coating can be applied, for example, by laser sintering or by methods that are also used to apply a pattern of a metal, ceramic, polymer or mixtures thereof to the distribution plate. Another example of a coating method is spray coating.
Alternativ könnte auch zunächst ein Beschichtungsmaterial wie Pulver auf die Verteilerplatte aufgetragen werden, dies lokal gezielt wieder zum Beispiel von den Kontaktbereichen entfernt werden und dann ein selektives (Laser-)Sintering- Verfahren ausgeführt werden. Hierdurch könnten beispielsweise ausschließlich die Hauptkanäle mit der Beschichtung ausgerüstet werden. Die Beschichtung kann selektiv erfolgen, zum Beispiel durch eine Maske und/oder Siebdruck. Alternatively, a coating material such as powder could first be applied to the distributor plate, this could be removed locally in a targeted manner, for example from the contact areas, and then a selective (laser) sintering process could be carried out. In this way, for example, only the main ducts could be equipped with the coating. The coating can be done selectively, for example by a mask and/or screen printing.
Die Beschichtung kann auch flächig aufgebracht werden und anschließend, zum Beispiel durch Laserverfahren oder mechanische Verfahren, teilweise entfernt werden, sodass die Nebenkanäle freigelegt werden und insbesondere Seitenwände der Nebenkanäle von der Beschichtung gebildet werden. The coating can also be applied over a large area and then partially removed, for example by laser methods or mechanical methods, so that the secondary channels are uncovered and in particular side walls of the secondary channels are formed by the coating.
Die Nebenkanäle 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 pm. Insbesondere wenn die Nebenkanäle in die Grundplatte der Verteilerplatte eingebracht sind, können diese zum Beispiel durch Prägen unter hohem Druck in die Grundplatte eingebracht werden, bevor eine großflächigere Umformung der Grundplatte zur Bildung der Hauptkanäle, durch die Luft und/oder Kühlmittel geführt wird, erfolgt. The secondary channels can be introduced into the base plate of the distributor plate, which is in particular a metal sheet, and/or into the coating of the distributor plate. In the latter case, the layer thickness is preferably more than 5 μm. In particular, if the secondary channels are introduced into the base plate of the distributor plate, they can be introduced into the base plate, for example by embossing under high pressure, before the base plate is shaped over a larger area to form the main channels through which the air and/or coolant is guided.
Die Nebenkanäle können auch mittels eines Lasers, insbesondere durch gezielte Materialverdampfung, aufgebracht werden. The secondary channels can also be applied by means of a laser, in particular by targeted material evaporation.
Vorteile der Erfindung Advantages of the Invention
Durch die erfindungsgemäße Verteilerplatte wird der Abtransport von entstandenem Reaktionsprodukt, insbesondere flüssigem Wasser, aus dem Kontaktbereich zwischen Gasdiffusionslage und Verteilerplatte auf der Luftkanalseite der Verteilerplatte der elektrochemischen Zelle unterstützt und erleichtert. Dadurch kann die elektrochemische Zelle mit höherer Stromdichte und damit mit höherer Leistung betrieben werden. The distribution plate according to the invention supports and facilitates the removal of reaction product formed, in particular liquid water, from the contact area between gas diffusion layer and distribution plate on the air duct side of the distribution plate of the electrochemical cell. As a result, the electrochemical cell can be operated with a higher current density and thus with higher power.
Durch geringe Abmessungen der Nebenkanäle, die im Wesentlichen quer zu den Hauptkanälen im Kontaktbereich zwischen Gasdiffusionslage und Verteilerplatte verlaufen, wird der Abtransport von Reaktionswasser durch Kapillarkräfte beschleunigt. Aufgrund des ersten Winkels in einem Bereich von 30° bis 150° wird ein möglichst kurzer Transportweg des Wassers auf dem Steg und insbesondere im Kontaktbereich erzielt. Durch insbesondere eine reduzierte Breite der Nebenkanäle kann die Gasdiffusionslage, insbesondere Fasern der Gasdiffusionslage, nicht in die Nebenkanäle hineinragen, so dass das Wasser innerhalb der Nebenkanäle unterhalb der Gasdiffusionslage ungehindert hindurchfließen kann. Due to the small dimensions of the secondary channels, which run essentially transversely to the main channels in the contact area between the gas diffusion layer and the distributor plate, the removal of reaction water is accelerated by capillary forces. Due to the first angle in a range from 30° to 150°, the shortest possible transport path of the water on the jetty and in particular in the contact area is achieved. Due in particular to a reduced width of the secondary channels, the gas diffusion layer, in particular fibers of the gas diffusion layer, cannot protrude into the secondary channels, so that the water within the secondary channels can flow through unhindered below the gas diffusion layer.
Ferner ist es durch die spezifische Geometrie der Nebenkanäle, insbesondere durch die Endbereiche und gegebenenfalls den zweiten Winkel in einem Bereich von weniger als 45°, möglich, dass Wassertropfen gebildet werden und diese durch in den Hauptkanälen strömende Luft aus den Nebenkanälen herausgeblasen werden und anschließend über den Luftstrom entlang der Hauptkanäle entsorgt werden. Durch den Endbereich löst sich das Wasser im Hauptkanal aus den Nebenkanälen heraus und kann als makroskopischer Tropfen durch den Hauptkanal geblasen werden und durch die Ausrichtung der Endbereiche in Richtung der Hauptkanäle kann die Luftströmung in den Hauptkanälen die entstandenen Tropfen aus den Nebenkanälen herausdrücken. Furthermore, due to the specific geometry of the secondary channels, in particular due to the end regions and possibly the second angle in a range of less than 45°, it is possible for water droplets to be formed and for these to be blown out of the secondary channels by air flowing in the main channels and then over be disposed of in the airflow along the main ducts. The water dissolves in the end area Main channel out of the secondary channels and can be blown through the main channel as a macroscopic drop and by aligning the end areas in the direction of the main channels, the air flow in the main channels can push the resulting droplets out of the secondary channels.
Aufgrund der Kapillarwirkung wird Wasser aus dem Kontaktbereich in die Nebenkanäle hineingesogen und innerhalb der Nebenkanäle gleichmäßig verteilt. Durch die erfindungsgemäß gestalteten Endbereiche der Nebenkanäle, insbesondere im Hauptkanal, wird die Entfernung des Wassers aus den Nebenkanälen unterstützt, so dass im Nebenkanal Wasser aus dem Kontaktbereich nachströmen kann bis wieder eine Gleichverteilung bzw. ein stationärer Zustand erreicht ist. Die erfindungsgemäß gestalteten Endbereiche sorgen also für eine ständige Entleerung der Nebenkanäle und den Abtransport von flüssigem Wasser aus dem Kontaktbereich zwischen Gasdiffusionslage und Verteilerplatte. Due to the capillary effect, water from the contact area is sucked into the side channels and is evenly distributed within the side channels. The inventively designed end areas of the secondary channels, particularly in the main channel, support the removal of the water from the secondary channels, so that water from the contact area can flow into the secondary channel until a uniform distribution or a stationary state is achieved again. The end areas designed according to the invention thus ensure that the side channels are constantly emptied and that liquid water is transported away from the contact area between the gas diffusion layer and the distributor plate.
Die Beschichtung kann das Ablösen der Wassertropfen aus den Nebenkanälen in die Hauptkanäle hinein weiter verbessern, indem es die Ausbreitung des Wassers im Endbereich unterstützt und dem Luftstrom so eine größere Angriffsfläche bietet. Die Beschichtung im Hauptkanal kann die Anhaftung der Wassertropfen verringern und so den Abtransport der gebildeten Tropfen verbessern. The coating can further improve the detachment of the water droplets from the secondary ducts into the main ducts by supporting the spread of the water in the end area and thus offering the air flow a larger surface to attack. The coating in the main channel can reduce the adhesion of the water droplets and thus improve the removal of the droplets that have formed.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.
Es zeigen: Show it:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle gemäß dem Stand der Technik, Figure 1 is a schematic representation of an electrochemical cell according to the prior art,
Figur 2 einen Brennstoffzellenaufbau mit Verteilerplatten, Figur 3 einen Kontaktbereich zwischen einer Gasdiffusionslage und einer Verteilerplatte, FIG. 2 shows a fuel cell structure with distributor plates, FIG. 3 shows a contact area between a gas diffusion layer and a distributor plate,
Figur 4 einen Kontaktbereich zwischen einer Gasdiffusionslage und einer Verteilerplatte mit Nebenkanälen, FIG. 4 shows a contact area between a gas diffusion layer and a distributor plate with secondary channels,
Figur 5 einen Ausschnitt einer Verteilerplatte mit Nebenkanälen mit gekrümmtem Verlauf und Figure 5 shows a section of a distributor plate with secondary channels with a curved course and
Figur 6 einen Endbereich eines Nebenkanals. FIG. 6 shows an end area of a side channel.
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar. In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference symbols, with a repeated description of these elements being dispensed with in individual cases. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.
Figur 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. FIG. 1 schematically shows an electrochemical cell 1 in the form of a fuel cell according to the prior art. The electrochemical cell 1 has a membrane 2 as the electrolyte. The membrane 2 separates a cathode space 39 from an anode space 41.
Im Kathodenraum 39 und Anodenraum 41 sind auf der Membran 2 jeweils eine Elektrodenschicht 3, eine Gasdiffusionslage 5 und eine Verteilerplatte 7 angeordnet. An electrode layer 3 , a gas diffusion layer 5 and a distributor plate 7 are arranged on the membrane 2 in the cathode space 39 and anode space 41 .
Die Verteilerplatten 7 weisen Hauptkanäle 11 für die Gaszufuhr, beispielsweise von Luft 43 im Kathodenraum 39 und Wasserstoff 45 im Anodenraum 41, zu den Gasdiffusionslagen 5 auf. Auf den Verteilerplatten 7 wechseln Hauptkanäle 11 und Stege 12 ab. The distributor plates 7 have main channels 11 for the gas supply, for example air 43 in the cathode space 39 and hydrogen 45 in the anode space 41 to the gas diffusion layers 5 . Main channels 11 and webs 12 alternate on the distributor plates 7 .
Auf einer Oberfläche 13 der Stege 12 ist ein Kontaktbereich 47 jeweils zwischen der Verteilerplatte 7 und der benachbart angeordneten Gasdiffusionslage 5 ausgebildet. Ferner weisen die Stege 12 Seitenflächen 31 und die Hauptkanäle 11 Bodenflächen 33 auf. On a surface 13 of the webs 12 there is a contact area 47 between the distributor plate 7 and the adjacently arranged gas diffusion layer 5 educated. Furthermore, the webs 12 have side surfaces 31 and the main channels 11 have bottom surfaces 33 .
Figur 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. FIG. 2 shows a fuel cell structure comprising a plurality of distributor plates 7 and membrane-electrode assemblies 4 which comprise membranes 2 . Oxygen 43 or air containing the oxygen 43 and hydrogen 45 are conducted through the distributor plates 7 to the membrane electrode assemblies 4 . In the main channels 11 of the distributor plates 7, in which oxygen 43 or air containing the oxygen 43 is supplied, water 51 is discharged. In addition, the distributor plates 7 serve to guide a coolant 49.
Figur 3 zeigt einen Kontaktbereich 47 zwischen einer Gasdiffusionslage 5 und einer Verteilerplatte 7 in einer elektrochemischen Zelle 1. Der gezeigte Hauptkanal 11 weist eine Bodenfläche 33 auf und ein angrenzender Steg 12 mit einer Oberfläche 13 besitzt eine Seitenfläche 31. Ein Teil der Oberfläche 13 des Stegs 12 bildet den Kontaktbereich 47. Figure 3 shows a contact area 47 between a gas diffusion layer 5 and a distributor plate 7 in an electrochemical cell 1. The main channel 11 shown has a bottom surface 33 and an adjacent web 12 with a surface 13 has a side surface 31. Part of the surface 13 of the web 12 forms the contact area 47.
Figur 4 zeigt einen Ausschnitt eines Kontaktbereichs 47 zwischen einer Gasdiffusionslage 5 und einer Verteilerplatte 7 mit Nebenkanälen 15. Die Gasdiffusionslage 5 ist auf der Verteilerplatte 7 angeordnet. In den Nebenkanälen 15, die frei von der Gasdiffusionslage 5 sind, ist Wasser 51 angesammelt und kann ungehindert abfließen. FIG. 4 shows a section of a contact area 47 between a gas diffusion layer 5 and a distributor plate 7 with secondary channels 15. The gas diffusion layer 5 is arranged on the distributor plate 7. FIG. Water 51 has collected in the side channels 15, which are free of the gas diffusion layer 5, and can flow off unhindered.
Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Verteilerplatte 7 mit Nebenkanälen 15, die einen gekrümmtem Verlauf am Übergang von einem ersten Teil 17 zu einem zweiten Teil 21 der Nebenkanäle 15 aufweisen. FIG. 5 shows a plan view of a section of a distributor plate 7 with secondary channels 15 which have a curved course at the transition from a first part 17 to a second part 21 of the secondary channels 15.
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 in einem zweiten Winkel 23 zu den Hauptkanälen 11 und der Hauptstromrichtung 53 angeordnet. The first part 17 of the secondary channels 15 is in each case arranged at a first angle 19 to the main channels 11 with a main flow direction 53 . The second part 21 of the secondary channels 15 is each arranged at a second angle 23 to the main channels 11 and the main flow direction 53 .
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. Figur 6 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 wird der anströmenden Luft eine vergrößerte Wasseroberfläche und insbesondere bei nicht vollständig gefülltem Nebenkanal 15 ein leichterer Zugang zur Wasseroberfläche als im engen Nebenkanal 15 geboten. Aufgrund von Reibung zwischen anströmender Luft und der Wasseroberfläche wird im Endbereich 25 das Wasser 51 weiter aus dem Nebenkanal 15 gedrückt und es löst sich in dem Nebenkanal 15 gestautes Wasser 51 in Form von Tropfen aus dem Nebenkanal 15 ab und wird in Hauptstromrichtung 53 des Hauptkanals 11 mitgerissen. Der Endbereich 25 kann eine Beschichtung 37 aufweisen, beispielsweise um im Endbereich 25 die Vergrößerung der Wasseroberfläche bei gegebenem Füllstand des Nebenkanals 15 oder/und den Ablöseprozess der Wassertropfen in den Hauptkanal 11 hinein zu unterstützen. Furthermore, the secondary channels 15 have end regions 25 which open into the main channels 11 so that drops of water 51 detach from the secondary channels 15 into the main channels 11 . FIG. 6 shows an end region 25 of a side channel 15. In the embodiment shown, the side channel 15 has a V-shaped cross-sectional area 35. FIG. The secondary channel 15 has a depth 27 which decreases in the end region 25 and a width 29 which increases in the end region 25. Due to the changed geometry of the secondary channel 15 in the end area 25 , the inflowing air has an enlarged water surface and easier access to the water surface than in the narrow secondary channel 15 , particularly when the secondary channel 15 is not completely full. Due to friction between the inflowing air and the water surface, the water 51 is pressed further out of the secondary channel 15 in the end region 25 and water 51 that has accumulated in the secondary channel 15 is released in the form of drops from the secondary channel 15 and is discharged in the main flow direction 53 of the main channel 11 carried away. The end area 25 can have a coating 37 , for example in order to support the enlargement of the water surface in the end area 25 at a given filling level of the secondary channel 15 and/or the detachment process of the water droplets into the main channel 11 .
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen. The invention is not limited to the exemplary embodiments described here and the aspects highlighted therein. Rather, within the range specified by the claims, a large number of modifications are possible, which are within the scope of expert action.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verteilerplatte (7) für eine elektrochemische Zelle (1), wobei die Verteilerplatte (7) eine Struktur, umfassend Stege (12) mit jeweils einer Oberfläche (13) und Hauptkanäle (11), aufweist, und die Oberfläche (13) der Stege (12) Nebenkanäle (15) aufweist, wobei die Nebenkanäle (15) jeweils einen Endbereich (25) aufweisen, in dem eine Tiefe (27) der Nebenkanäle (15) in Richtung eines nächstliegenden Hauptkanals (11) abnimmt und/oder eine Breite (29) der Nebenkanäle (15) in Richtung des nächstliegenden HauptkanalsA distributor plate (7) for an electrochemical cell (1), the distributor plate (7) having a structure comprising webs (12) each having a surface (13) and main channels (11), and the surface (13) of the Webs (12) has secondary channels (15), the secondary channels (15) each having an end region (25) in which a depth (27) of the secondary channels (15) decreases in the direction of a main channel (11) that is closest and/or a width (29) of the secondary channels (15) in the direction of the nearest main channel
(11) zunimmt sind. (11) are increasing.
2. Verteilerplatte (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenkanäle (15) mit einem ersten Teil (17) in einem ersten Winkel (19) in einem Bereich von 30° bis 150° zu den Hauptkanälen (11) angeordnet sind und mit einem zweiten Teil (21) in einem zweiten Winkel (23) in einem Bereich von weniger als 45° zu den Hauptkanälen (11) angeordnet sind. 2. Distribution plate (7) according to claim 1, characterized in that the secondary channels (15) are arranged with a first part (17) at a first angle (19) in a range of 30° to 150° to the main channels (11). and having a second part (21) at a second angle (23) in a range of less than 45° to the main ducts (11).
3. Verteilerplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (12) Seitenflächen (31) aufweisen und die Nebenkanäle (15) jeweils zumindest teilweise auf den Seitenflächen (31) angeordnet sind. 3. Distribution plate (7) according to one of the preceding claims, characterized in that the webs (12) have side surfaces (31) and the secondary channels (15) are each arranged at least partially on the side surfaces (31).
4. Verteilerplatte (7) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkanäle (11) Bodenflächen (33) aufweisen und die Endbereiche (25) der Nebenkanäle (15) jeweils auf den Seitenflächen (31) der Stege4. Distribution plate (7) according to claim 3, characterized in that the main channels (11) have bottom surfaces (33) and the end regions (25) of the secondary channels (15) each on the side surfaces (31) of the webs
(12) oder auf den Bodenflächen (33) der Hauptkanäle (11) angeordnet sind. (12) or on the bottom surfaces (33) of the main channels (11).
5. Verteilerplatte (7) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenkanäle (15) jeweils zumindest auf den Seitenflächen (31) der Stege (12) einen gekrümmten Verlauf aufweisen. Verteilerplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (29) und/oder die Tiefe (27) der Nebenkanäle (15) in dem ersten Teil (17) jeweils von 1 pm bis 150 pm betragen und insbesondere eine Querschnittsfläche (35) der Nebenkanäle (15) V-förmig ist. Verteilerplatte (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerplatte (7) zumindest teilweise eine, insbesondere hydrophobe, Beschichtung (37) aufweist. Verteilerplatte (7) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenkanäle (15) in die Beschichtung (37) eingebracht sind. Elektrochemische Zelle (1) umfassend eine Verteilerplatte (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 8. Verfahren zur Herstellung einer Verteilerplatte (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend mindestens folgende Schritte: a. Bereitstellen eines flächigen Bauteils (8), b. Herstellen der Nebenkanäle (15), insbesondere mittels Prägen und/oder unter Verwendung eines Lasers, auf dem flächigen Bauteil (8) und c. Bilden der Hauptkanäle (11) aus dem flächigen Bauteil (8), so dass die Verteilerplatte (7) entsteht. 5. Distribution plate (7) according to claim 3 or 4, characterized in that the secondary channels (15) each have a curved profile at least on the side surfaces (31) of the webs (12). Distribution plate (7) according to one of the preceding claims, characterized in that the width (29) and / or the depth (27) of the secondary channels (15) in the first part (17) are each from 1 pm to 150 pm and in particular one Cross-sectional area (35) of the side channels (15) is V-shaped. Distributor plate (7) according to one of the preceding claims, characterized in that the distributor plate (7) at least partially has a coating (37), in particular a hydrophobic coating. Distribution plate (7) according to Claim 7, characterized in that the secondary channels (15) are introduced into the coating (37). Electrochemical cell (1) comprising a distributor plate (7) according to one of Claims 1 to 8. Method for producing a distributor plate (7) according to one of Claims 1 to 8, comprising at least the following steps: a. Providing a flat component (8), b. Production of the secondary channels (15), in particular by means of embossing and/or using a laser, on the flat component (8) and c. Forming the main channels (11) from the flat component (8) so that the distributor plate (7) is formed.
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