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.

Stand der Technik

Elektrochemische Zellen sind elektrochemische Energiewandler und in Form von Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren bekannt.

Eine Brennstoffzelle wandelt chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt.

Unter anderem sind Protonenaustauschmembran (Proton Exchange Membrane = PEM)-Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.

Brennstoffzellen weisen eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert, die zur Kathode gelangen. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zur Kathode.

Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet:

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.

Ein Stapel von elektrochemischen Zellen weist üblicherweise Endplatten auf, die die einzelnen Zellen miteinander verpressen und dem Stapel Stabilität verleihen. Die Endplatten können auch als Pluspol beziehungsweise Minuspol des Stapels zum Ableiten des Stroms dienen.

Die Elektroden, also die Anode und die Kathode, und die Membran können konstruktiv zu einer Membran- Elektroden-Anordnung (MEA) zusammengefasst sein, die auch als Membrane Electrode Assembly bezeichnet wird.

Stapel von elektrochemischen Zellen weisen ferner Bipolarplatten auf, die auch als Gasverteilerplatten oder Verteilerplatten bezeichnet werden. Bipolarplatten dienen zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode. Weiterhin weisen Bipolarplatten üblicherweise eine Oberflächenstruktur, insbesondere kanalartige Strukturen, zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels an die Elektroden auf. Insbesondere in Brennstoffzellen dienen die kanalartigen Strukturen auch zur Ableitung des bei der Reaktion entstandenen Wassers. Zusätzlich können die Bipolarplatten Strukturen zur Durchleitung eines Kühlmediums durch die elektrochemische Zelle zur Abführung von Wärme aufweisen. Neben der Medienführung bezüglich Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser gewährleisten die Bipolarplatten einen flächigen elektrischen Kontakt zur Membran.

Zum Beispiel umfasst ein Brennstoffzellenstapel typischerweise bis zu einigen Hundert einzelne Brennstoffzellen, die lagenweise als sogenannte Sandwiches aufeinandergestapelt werden. Die einzelnen Brennstoffzellen weisen eine MEA sowie jeweils eine Bipolarplattenhälfte auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite auf. Eine Brennstoffzelle umfasst insbesondere eine Anoden- Monopolar-Platte und eine Kathoden-Monopolar-Platte, üblicherweise jeweils in Form von geprägten Blechen, die zusammen die Bipolarplatte und damit Kanäle zur Führung von Gas und Flüssigkeiten bilden und zwischen denen das Kühlmedium fließt.

Weiterhin umfassen elektrochemische Zellen in der Regel Gasdiffusionslagen, die der Gasverteilung dienen. Die Gasdiffusionslagen sind zwischen einer Bipolarplatte und einer MEA angeordnet und typischerweise kanalseitig, also in Richtung der angrenzenden Bipolarplatte, aus einem Kohlefaservlies, der auch als „gas diffusion backing“ (GDB) bezeichnet wird, und katalysatorseitig, also in Richtung der Membran, aus einer mikroporösen Schicht, die auch als „micro porous layer“ (MPL) bezeichnet wird, aufgebaut.

Gegenüber einer Brennstoffzelle ist ein Elektrolyseur ein Energiewandler, welcher unter Anlegen von elektrischer Spannung bevorzugt Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Auch Elektrolyseure weisen unter anderem MEAs, Bipolarplatten und Gasdiffusionslagen auf.

Für die Effizienz einer elektrochemischen Zelle, insbesondere mit einer Polymer- Elektrolyt- Membran, ist es besonders wichtig, die auf der Membran angeordneten Elektrodenschichten homogen mit Reaktionsgas zu versorgen.

Bekannte Verteilerplatten weisen insbesondere Kanäle und jeweils angrenzende bzw. benachbarte Stege auf, die eine Struktur bilden. Die Kanäle werden auch als Hauptkanäle oder Channels und die Stege als Lands bezeichnet.

Oberflächen der Stege, die zumindest teilweise zur Ausdehnungsebene der Verteilerplatte parallel sind, umfassen Kontaktflächen der Verteilerplatte zu einer angrenzenden Gasdiffusionslage der elektrochemischen Zelle. Die Gase Wasserstoff und Sauerstoff passieren die Gasdiffusionslage von den Kanälen der Verteilerplatte zur Reaktionszone an der Membran. Die Bereiche der Gasdiffusionslage, die auf den Stegen der Verteilerplatte aufliegen, und damit die entsprechenden Bereiche der darunterliegenden MEA, werden vergleichsweise schlecht mit Reaktionsgas versorgt, insbesondere unter flutenden Bedingungen der elektrochemischen Zelle, was zu einer ungewollt inhomogenen Stromdichteverteilung führen kann.

Auf der Seite der Membran, auf der Luft, also Sauerstoff, zugeführt wird, entsteht im Betrieb der Brennstoffzelle Wasser, das durch die Gasdiffusionslage zu den Kanälen der Verteilerplatte transportiert und von dort aus der Zelle entfernt werden muss. Typische Betriebstemperaturen für elektrochemische Zellen, die eine Membran aufweisen, betragen weniger als 120°C, so dass das Wasser typischerweise in der Gasdiffusionslage kondensiert und flüssig vorliegt. In der Gasdiffusionslage ist die Transportrichtung des Wassers der Transportrichtung des Gases entgegengesetzt und angesammeltes Wasser kann die Nachführung von Reaktionsgas, insbesondere Sauerstoff, stark behindern.

Je höher die Leistungsdichte der elektrochemischen Zelle, desto mehr Wasser wird erzeugt, so dass der Abtransport der Mengen an flüssigem Wasser im Kontaktbereich zwischen Gasdiffusionslage und Luftkanalseite der Verteilerplatten unzureichend sein kann.

JP 2020-47441 A beschreibt ein verbessertes Drainagesystem für Bipolarplatten, in dem zusätzliche Rillen in Flanken der Stege parallel zur Richtung der Hauptkanäle vorgesehen sind.

JP 2020-47443 A beschreibt Bipolarplatten mit verbesserter Wasserabfuhr, wobei Stege der Bipolarplatten ein zusätzliches Kanalsystem aufweisen, das quer zur Richtung der Hauptkanäle angeordnet ist. Jeweils zwei Kanäle des zusätzlichen Kanalsystems weisen einen gemeinsamen Abfluss auf. Ferner sind Querstrukturen in Hauptkanälen einer Verteilerplatte offenbart, die zu einem hohen Druckverlust führen.

JP 2020-47440 A betrifft ebenfalls Bipolarplatten mit verbessertem

Drainagesystem, wobei die Stege quer zur Richtung der Hauptkanäle Kerben aufweisen und zusätzliche Rillen entlang der Flanken der Stege parallel zur Richtung der Hauptkanäle vorliegen.

Offenbarung der Erfindung

Es wird eine Verteilerplatte für eine elektrochemische Zelle vorgeschlagen, wobei die Verteilerplatte eine Struktur, umfassend Stege mit 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.

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.

Bevorzugt wird der Schritt b. vor dem Schritt c. ausgeführt.

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.

Bevorzugt umfasst die Gasdiffusionslage ein Vlies, insbesondere ein Kohlefaservlies, und gegebenenfalls eine mikroporöse Schicht, wobei das Vlies auf einer Seite der Gasdiffusionslage angeordnet ist, die zu der Verteilerplatte zeigt. Weiter bevorzugt besteht die Gasdiffusionslage aus dem Kohlefaservlies und gegebenenfalls der mikroporösen Schicht. Bei dem Vlies kann die Gasdurchlässigkeit in Dickenrichtung, also in Richtung zur Membran, vergleichbar mit der Gasdurchlässigkeit in der Ebene sein, also in Richtungen parallel zu der Membran.

Die Verteilerplatte umfasst bevorzugt Kohlenstoff wie Graphit, ein Metall wie Edelstahl oder Titan und/oder eine Legierung enthaltend das Metall. Weiter bevorzugt ist die Verteilerplatte aus Kohlenstoff, dem Metall und/oder der Legierung aufgebaut. Insbesondere besteht eine Grundplatte der Verteilerplatte aus Kohlenstoff, dem Metall und/oder der Legierung.

Die Nebenkanäle können auch als Drainagekanäle, Kapillarkanäle, Rillen oder als mikroskopisch kleine, rillenartige Struktur bezeichnet werden und dienen zur Abführung von entstandenem 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Bevorzugt ist der zweite Teil des jeweiligen Nebenkanals im Wesentlichen parallel zu den Hauptkanälen, insbesondere zu mindestens einem benachbarten Hauptkanal, angeordnet. Unter „im Wesentlichen parallel“ wird verstanden, dass der zweite Winkel weniger als 30°, weiter bevorzugt weniger als 20°, mehr bevorzugt weniger als 10° und insbesondere bevorzugt weniger als 5° beträgt.

Durch die Anordnung in dem zweiten Winkel erfolgt eine Ausrichtung der Nebenkanäle in der Hauptstromrichtung von Luft in den Hauptkanälen, insbesondere in der Nähe der Endbereiche.

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.

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.

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.

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.

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.

Weiterhin sind insbesondere die Tiefe und die Breite der Nebenkanäle so gewählt, dass die Nebenkanäle eine Kapillarwirkung, insbesondere bezüglich Wasser, ausbilden.

Bevorzugt weist die Verteilerplatte zumindest teilweise eine Beschichtung auf.

Die Beschichtung kann hydrophiler oder hydrophober als ein Material der Grundplatte der Verteilerplatte sein. Insbesondere kann zur Senkung des elektrischen Kontaktwiderstands der Verteilerplatte auf der Oberfläche der Stege die Beschichtung aufgebracht sein. Weiterhin kann die Beschichtung die Oberfläche der Stege und gegebenenfalls auch die Hauptkanäle vollständig bedecken oder partiell vorhanden sein.

Die Beschichtung kann hydrophob sein und insbesondere einen Lotuseffekt aufweisen. Unter hydrophob ist bevorzugt zu verstehen, dass die Benetzbarkeit schlechter ist als die Benetzbarkeit von Stahl mit glatter Oberfläche mit Wasser, mehr bevorzugt, dass der Kontaktwinkel bezüglich Wassertropfen größer als 70° ist, insbesondere größer als 80°. Die Beschichtung 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.

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.

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.

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.

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.

Alternativ könnte auch zunächst ein Beschichtungsmaterial wie Pulver auf die Verteilerplatte aufgetragen werden, dies lokal gezielt wieder zum Beispiel von den Kontaktbereichen entfernt werden und dann ein selektives (Laser-)Sintering- Verfahren ausgeführt werden. Hierdurch könnten beispielsweise ausschließlich die Hauptkanäle mit der Beschichtung ausgerüstet werden. Die Beschichtung kann selektiv erfolgen, zum Beispiel durch eine Maske und/oder Siebdruck.

Die Beschichtung kann auch flächig aufgebracht werden und anschließend, zum Beispiel durch Laserverfahren oder mechanische Verfahren, teilweise entfernt werden, sodass die Nebenkanäle freigelegt werden und insbesondere Seitenwände der Nebenkanäle von der Beschichtung gebildet werden.

Die Nebenkanäle 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.

Die Nebenkanäle können auch mittels eines Lasers, insbesondere durch gezielte Materialverdampfung, aufgebracht werden.

Vorteile der Erfindung

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.

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.

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.

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.

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.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle gemäß dem Stand der Technik,

Figur 2 einen Brennstoffzellenaufbau mit Verteilerplatten, Figur 3 einen Kontaktbereich zwischen einer Gasdiffusionslage und einer Verteilerplatte,

Figur 4 einen Kontaktbereich zwischen einer Gasdiffusionslage und einer Verteilerplatte mit Nebenkanälen,

Figur 5 einen Ausschnitt einer Verteilerplatte mit Nebenkanälen mit gekrümmtem Verlauf und

Figur 6 einen Endbereich eines Nebenkanals.

Ausführungsformen der Erfindung

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.

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.

Im Kathodenraum 39 und Anodenraum 41 sind auf der Membran 2 jeweils eine Elektrodenschicht 3, eine Gasdiffusionslage 5 und eine Verteilerplatte 7 angeordnet.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.