Die Erfindung betrifft eine Verteilerplatte für eine elektrochemische Zelle, wobei die Verteilerplatte eine Struktur, umfassend Stege mit Oberflächen und Hauptkanäle mit Bodenflächen, aufweist und die Oberflächen der Stege Verteilerkanäle aufweisen. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrochemische Zelle.

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

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

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

Brennstoffzellen weisen eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert, die zur Kathode gelangen. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zur Kathode. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet:

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. Die in diesen Schriften beschriebenen Kanäle dienen aufgrund ihrer Dimensionierung der Abführung von Wasser und sind nicht für einen Gastransport ausgelegt, der die Sauerstoffversorgung unter den Stegen verbessern würde.

Offenbarung der Erfindung

Es wird eine Verteilerplatte für eine elektrochemische Zelle vorgeschlagen, wobei die Verteilerplatte eine Struktur, umfassend Stege mit Oberflächen und Hauptkanäle mit Bodenflächen, aufweist und die Oberflächen der Stege Verteilerkanäle aufweisen, wobei mindestens ein Verteilerkanal, insbesondere der genannten Verteilerkanäle, einen Nebenkanal aufweist, der den mindestens einen Verteilerkanal mit einer Bodenfläche eines, insbesondere benachbarten, Hauptkanals und/oder einer Seitenfläche eines Stegs, insbesondere fluidisch, verbindet und wobei der Nebenkanal einen kleineren Durchmesser, bevorzugt eine kleinere Breite und/oder Tiefe, insbesondere eine kleinere Querschnittsfläche, als der mindestens eine Verteilerkanal aufweist. Ferner wird eine elektrochemische Zelle umfassend die Verteilerplatte vorgeschlagen.

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 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 Verteilerkanäle dienen primär zur Versorgung der Gasdiffusionslage unter den Stegen der Bipolarplatte und damit der sich daran anschließenden Elektrode mit Gas, insbesondere Sauerstoff. Die Verteilerkanäle führen das Gas insbesondere in die Regionen, wo die Gasdiffusionslage auf den Stegen aufliegt. Der mindestens eine Verteilerkanal verbindet bevorzugt zwei, insbesondere zwei benachbarte, Hauptkanäle. Hingegen führt der Nebenkanal primär entstandenes flüssiges Reaktionswasser von den Stegen in den, insbesondere benachbarten, Hauptkanal ab. Bevorzugt weist mehr als ein Verteilerkanal einen Nebenkanal auf. Weiter bevorzugt liegt pro Verteilerkanal je ein Nebenkanal vor. Der Nebenkanal kann auch als Drainagekanal, Kapillarkanal, Rille oder als mikroskopisch kleine, rillenartige Struktur bezeichnet werden.

Der mindestens eine Verteilerkanal und der Nebenkanal sind insbesondere auf einer Seite der Verteilerplatte angeordnet, die in der elektrochemischen Zelle zu einer benachbart angeordneten Gasdiffusionslage zeigt.

Die Verteilerplatte, die auch als Bipolarplatte bezeichnet werden kann, weist bevorzugt eine wellenförmige Struktur auf, wobei sich Stege und Hauptkanäle abwechseln und weiter bevorzugt jeweils parallel zueinander angeordnet sind.

Bevorzugt umfassen die Oberflächen der Stege jeweils mindestens einen Kontaktbereich, der auch als Kontaktfläche bezeichnet werden kann und an dem die benachbart angeordnete Gasdiffusionslage anliegt. Bevorzugt sind die Kontaktbereiche der Stege im Wesentlichen parallel zu den Bodenflächen der Hauptkanäle angeordnet. Im Wesentlichen parallel ist dahingehend zu verstehen, dass eine Ebene, in der die Kontaktbereiche liegen, und die Bodenflächen einen Winkel von weniger als 30°, weiter bevorzugt weniger als 20°, mehr bevorzugt weniger als 10° und insbesondere weniger als 5° einschließen.

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°, mehr bevorzugt in einem Bereich von 90° bis 125°, insbesondere bevorzugt von 95° bis 110° liegt. Ferner sind die Seitenflächen bevorzugt zu den Kontaktbereichen abgewinkelt angeordnet. Bevorzugt sind die Bodenflächen zumindest teilweise planar.

Die Hauptkanäle sind bevorzugt gerade und weiter bevorzugt parallel zueinander auf der Verteilerplatte angeordnet.

Der Nebenkanal weist eine Querschnittsfläche auf, die bevorzugt dreieckig, also V-förmig, rund, quadratisch oder vieleckig ist. Weiter bevorzugt ist die Querschnittsfläche des Nebenkanals V-förmig. Die Querschnittsfläche des Nebenkanals kann über eine Länge des Nebenkanals konstant sein oder sich bezüglich Größe und/oder Geometrie ändern. Bevorzugt betragen eine Breite und/oder eine Tiefe des Nebenkanals, insbesondere in einem 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 des Nebenkanals 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 des Nebenkanals kann in Abhängigkeit von einer Struktur der benachbarten Gasdiffusionslage gewählt werden.

Weiterhin sind bevorzugt der Durchmesser, insbesondere die Tiefe und/oder die Breite des Nebenkanals so gewählt, dass der Nebenkanal eine Kapillarwirkung, insbesondere bezüglich Wasser, ausbildet. Unter dem Durchmesser wird insbesondere der größte Durchmesser der Querschnittsfläche verstanden.

Die Verteilerkanäle weisen eine Querschnittsfläche auf, die bevorzugt rechteckig, dreieckig oder U-förmig ist. Eine Querschnittsfläche der Hauptkanäle ist bevorzugt um mindestens einen Faktor von fünfzig größer als eine Querschnittsfläche des mindestens einen Verteilerkanals. Bevorzugt betragen eine Verteilerkanalbreite und/oder eine Verteilerkanaltiefe jeweils von 10 pm bis 400 pm, weiter bevorzugt sind die Verteilerkanalbreite und/oder die Verteilerkanaltiefe jeweils größer als 50 pm und insbesondere maximal 150 pm.

Die Verteilerkanäle können zum Beispiel wellenförmig, parallel zueinander, kreuzförmig, trapezförmig oder wabenförmig angeordnet sein. Bevorzugt schließen die Verteilerkanäle einen Verteilerwinkel von 20° bis 70° mit dem Hauptkanal ein, weiter bevorzugt von 30° bis 60°, insbesondere von 30° bis 45°.

Bevorzugt weist die Verteilerplatte zumindest teilweise eine Beschichtung auf. Die Beschichtung kann hydrophiler oder hydrophober als ein Material der Grundplatte der Verteilerplatte sein.

Die Beschichtung kann hydrophob sein und insbesondere einen Lotuseffekt aufweisen. Unter hydrophob ist bevorzugt zu verstehen, dass die Benetzbarkeit schlechter ist als die Benetzbarkeit von Stahl mit glatter Oberfläche mit Wasser, mehr bevorzugt, dass der Kontaktwinkel bezüglich Wassertropfen größer als 70° ist, insbesondere größer als 80°. Die Beschichtung kann insbesondere in den Kontaktbereichen vorliegen, um hier zum Beispiel den Kontaktwiderstand zu senken. Ferner kann die Beschichtung auf den Bodenflächen vorliegen. Weiterhin kann die Beschichtung ausschließlich innerhalb oder ausschließlich außerhalb der Nebenkanäle vorliegen.

Bevorzugt umfasst die Beschichtung Kohlenstoff wie Ruß oder Graphit, insbesondere Kohlenstoffpartikel, und ein, insbesondere organisches, Bindemittel, zum Beispiel Kunstharz und/oder Polyvinylidenfluorid (PVDF). Das Bindemittel kann thermoplastisch oder duroplastisch sein. Die Beschichtung weist bevorzugt eine Schichtdicke in einem Bereich von 1 nm bis 200 pm auf, weiter bevorzugt von 5 nm bis 100 pm, besonders bevorzugt von 5 nm bis 50 pm. 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 optional zumindest teilweise eine Beschichtung aufweisen, die eine innere Strukturierung aufweist. Der Nebenkanal kann durch die innere Strukturierung der Beschichtung gebildet sein. Die innere Strukturierung ist bevorzugt hydrophil ausgebildet, so dass Wasser in die innere Strukturierung wie in einen Docht hineingezogen wird. 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°. Die Beschichtung kann eine hydrophile Komponente, zum Beispiel oxidierte Kohlenstoffpartikel mit Hydroxid-, Carbonyl- und/oder Carboxyl- Gruppen, mit einem Polymerbinder, die insbesondere für Kohlenstoff- Verteilerplatten anwendbar sind, umfassen. Ferner können hydrophile Oberflächeneigenschaften zum Beispiel durch eine Oberflächenbehandlung mit zum Beispiel Sauerstoff oder Säure erzeugt werden. Bevorzugt weist die Beschichtung eine Oberflächenrauigkeit Ra in einem Bereich von 0,1 bis 10 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 wieder von den Kontaktbereichen entfernt werden und dann ein selektives (Laser-)Sintering-Verfahren ausgeführt werden. Hierdurch könnten beispielsweise ausschließlich die Hauptkanäle mit der Beschichtung umfassend die innere Strukturierung 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 der Nebenkanal freigelegt wird und insbesondere Seitenwände des Nebenkanals von der Beschichtung gebildet werden.

Die Verteilerkanäle und/oder der Nebenkanal 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. Die Verteilerkanäle und/oder der Nebenkanal können beschichtet oder unbeschichtet sein.

In einer ersten bevorzugten Ausführungsform endet der Nebenkanal auf einem planaren Teil der Bodenfläche des Hauptkanals oder der Seitenfläche des Stegs oder an einer Kante zwischen der Bodenfläche des Hauptkanals und der Seitenfläche des Stegs. Weiter bevorzugt endet der Nebenkanal abrupt an einem Endpunkt, also an einem Abschnitt mit konstanter Breite und Tiefe. Alternativ können sich in Richtung des Endpunktes die Breite und/oder die Tiefe des Nebenkanals verringern. Unter dem Begriff abrupt ist insbesondere zu verstehen, dass am Endpunkt keine Einmündung in einen weiteren Nebenkanal oder Verzweigung in mehrere Kanäle vorliegt.

In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform mündet der Nebenkanal in einen weiteren Nebenkanal auf der Bodenfläche des Hauptkanals. Bevorzugt ist der weitere Nebenkanal ausschließlich auf der Bodenfläche angeordnet. Der weitere Nebenkanal kann entlang einer Kante zwischen der Seitenfläche und der Bodenfläche angeordnet sein, wobei der weitere Nebenkanal insbesondere auf einer ersten Seite von der Seitenfläche begrenzt ist. Die Kante, an der die Seitenfläche und die Bodenfläche Zusammentreffen, kann auch als Schnittkante oder Schnittlinie bezeichnet werden. Ferner kann der weitere Nebenkanal entlang einer Symmetrieachse des Hauptkanals angeordnet sein, wobei der weitere Nebenkanal denselben Abstand zu beiden jeweils benachbarten Seitenflächen aufweisen kann. Dies kann auch dadurch beschrieben werden, dass der weitere Nebenkanal mittig in dem Hauptkanal verläuft. Bevorzugt ist der weitere Nebenkanal in einem Anordnungswinkel von weniger als 45° zu dem Hauptkanal angeordnet. Je Hauptkanal kann ein weiterer Nebenkanal vorliegen oder mehrere weitere Nebenkanäle können vorliegen, in die jeweils mindestens ein Nebenkanal von den Stegen mündet.

In einer dritten bevorzugten Ausführungsform mündet der Nebenkanal in eine Endstruktur, wobei sich der Nebenkanal in der Endstruktur in mindestens zwei Unterkanäle verzweigt und die mindestens zwei Unterkanäle jeweils einen kleineren Durchmesser aufweisen als der Nebenkanal. Insbesondere ist eine jeweilige Größe der Querschnittsfläche der mindestens zwei Unterkanäle kleiner als eine Größe der Querschnittsfläche des Nebenkanals. Die Endstruktur kann auch als feinere Struktur oder Erweiterung bezeichnet werden, wodurch die Oberfläche des flüssigen Wassers effektiv vergrößert wird, so dass eine Abfuhr und/oder Verdampfung des flüssigen Wassers in eine im Hauptkanal geführte Gasphase verbessert werden kann. Weiter bevorzugt weist die Endstruktur mindestens drei Unterkanäle auf, wobei sich mindestens ein Unterkanal in weitere, mindestens zwei weitere Unterkanäle verzweigen kann. Der Nebenkanal und mindestens einer der Unterkanäle schließen bevorzugt teilweise einen Winkel in einem Bereich von 20° bis 70°, mehr bevorzugt 30° bis 60°, zum Beispiel 45° ein. Ferner enden die mindestens zwei Unterkanäle bevorzugt in einer Ausrichtung im Wesentlichen parallel zu dem Nebenkanal. Die Unterkanäle haben bevorzugt einen geraden Verlauf zwischen jeweiligen Abzweigungen.

Bevorzugt ist der Nebenkanal mit einem ersten Teil in einem ersten Winkel in einem Bereich von 30° bis 150° zum Hauptkanal angeordnet und mit einem zweiten Teil in einem zweiten Winkel in einem Bereich von weniger als 45° zum Hauptkanal angeordnet.

Weiter bevorzugt ist der erste Teil des Nebenkanals, der sich insbesondere unmittelbar an und/oder in dem mindestens einen Verteilerkanal befindet, im Wesentlichen orthogonal zum Hauptkanal angeordnet. Unter „im Wesentlichen orthogonal“ wird verstanden, dass der erste Winkel 60° bis 120°, weiter bevorzugt 80° bis 100° und besonders bevorzugt 85° bis 95° beträgt.

Weiter bevorzugt ist der zweite Teil des Nebenkanals im Wesentlichen parallel zum Hauptkanal angeordnet. Unter „im Wesentlichen parallel“ wird verstanden, dass der zweite Winkel weniger als 30°, bevorzugt weniger als 20°, mehr bevorzugt weniger als 10° und insbesondere bevorzugt weniger als 5° beträgt. Durch die Anordnung des zweiten Teils des Nebenkanals in dem zweiten Winkel erfolgt eine Ausrichtung des Nebenkanals in eine Hauptstromrichtung von der Gasphase im Hauptkanal.

Bevorzugt hat der Nebenkanal einen gekrümmten Verlauf, der auch als runder Verlauf bezeichnet werden kann und der insbesondere den ersten Teil des Nebenkanals mit dem zweiten Teil des Nebenkanals verbindet. Alternativ oder zusätzlich kann der Nebenkanal einen geraden Verlauf mit mindestens einer, bevorzugt mehr als einer, Richtungsänderung, die auch als Knick bezeichnet werden kann, aufweisen. Auch der erste Teil und/oder der zweite Teil können jeweils einen gekrümmten Verlauf haben.

Es können auch mehr als zwei Teile des Nebenkanals vorliegen, so dass mehr als zwei Winkel im Verhältnis zum Hauptkanal eingestellt werden können.

Dass der mindestens eine Verteilerkanal einen Nebenkanal aufweist, ist insbesondere dahingehend zu verstehen, dass der Nebenkanal mindestens eine Fortsetzung des Verteilerkanals bildet. Der Nebenkanal kann, insbesondere unmittelbar, an oder in dem mindestens einen Verteilerkanal beginnen.

Bevorzugt verläuft der Nebenkanal teilweise in dem mindestens einen Verteilerkanal beziehungsweise innerhalb des mindestens einen Verteilerkanals. Dies kann auch dadurch beschrieben werden, dass sich der Nebenkanal und der mindestens eine Verteilerkanal überlappen. Der Nebenkanal kann auch auf einer Gesamtlänge des mindestens einen Verteilerkanals vorliegen. Der mindestens eine Verteilerkanal weist bevorzugt einen Boden auf, in dem der Nebenkanal teilweise angeordnet ist. Der Durchmesser des Nebenkanals kann in dem mindestens einen Verteilerkanal konstant sein oder in Richtung des Hauptkanals zunehmen.

Die Seitenfläche des Stegs kann mindestens eine Staukante aufweisen, wobei der Nebenkanal bevorzugt zumindest teilweise entlang der mindestens einen Staukante angeordnet ist. Mehrere Staukanten können zum Beispiel versetzte Erhebungen bilden, die in die Verteilerplatte eingeprägt sein können. Die mindestens eine Staukante führt zu einer verstärkten Strömung der Gasphase von dem Hauptkanal in die Verteilerkanäle. Insbesondere ist die mindestens eine Staukante bündig an einem Eingang in den mindestens einen Verteilerkanal angeordnet. Die Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen sind frei miteinander kombinierbar.

Vorteile der Erfindung

Durch die erfindungsgemäße Verteilerplatte wird sowohl die Gasversorgung der Gasdiffusionslage an den Kontaktbereichen verbessert, also das Eindringen insbesondere des Sauerstoffs in die Bereiche unterhalb der Stege, als auch der Wasseraustrag aus den Kontaktbereichen in die Hauptkanäle der Verteilerplatte.

Durch die Verteilerkanäle wird der Gaszustrom in die Kontaktbereiche verbessert und die Nebenkanäle sorgen für einen guten Abfluss von flüssigem Wasser aus den Verteilerkanälen. Durch spezifische Geometrien der Verteilerkanäle kann die Gaszufuhr weiter verbessert werden. Durch den kleinen Durchmesser der Nebenkanäle entsteht eine Kapillarwirkung, die den Abtransport des Wassers weiter unterstützt.

Durch den weiteren Nebenkanal in dem Hauptkanal wird auch der Abfluss innerhalb der Hauptkanäle weiter optimiert.

Darüber hinaus liegen durch die gegebenenfalls vorhandenen Endstrukturen feinere Strukturen vor, die die Oberfläche des flüssigen Wassers effektiv vergrößern, wodurch eine Abfuhr und Verdampfung in die Gasphase innerhalb der Hauptkanäle verbessert wird.

Die Staukanten, die für eine Gasumlenkung von den Hauptkanälen in die Verteilerkanäle sorgen, können mit Nebenkanälen entlang der Staukanten auch zur Drainage der Kontaktbereiche beitragen.

Ferner kann in die innere Strukturierung der gegebenenfalls vorliegenden Beschichtung flüssiges Wasser eingesogen und zu den Hauptkanälen transportiert werden. 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 Brennstoffzellenstapelaufbau mit Verteilerplatten,

Figur 3 einen Kontaktbereich zwischen einer Gasdiffusionslage und einer Verteilerplatte,

Figur 4 einen Ausschnitt einer Verteilerplatte mit Verteilerkanälen,

Figur 5 einen Ausschnitt einer Verteilerplatte mit Verteilerkanälen und

Nebenkanälen,

Figur 6 eine Schnittansicht entlang einer ersten Schnittebene,

Figur 7 einen Ausschnitt einer Verteilerplatte mit Nebenkanälen innerhalb von Verteilerkanälen,

Figur 8 eine Schnittansicht entlang einer zweiten Schnittebene,

Figur 9 eine Schnittansicht entlang einer dritten Schnittebene,

Figur 10 einen Ausschnitt einer Verteilerplatte mit Nebenkanälen und Endstruktur,

Figur 11 eine weitere Ausführungsform einer Endstruktur,

Figur 12 noch eine weitere Ausführungsform einer Endstruktur, Figur 13 einen Ausschnitt einer Verteilerplatte mit Nebenkanälen und weiteren Nebenkanälen,

Figur 14 einen Ausschnitt einer Verteilerplatte mit Staukanten,

Figur 15 einen Ausschnitt einer Verteilerplatte mit Staukanten und

Nebenkanälen,

Figur 16 eine weitere Schnittansicht entlang der zweiten Schnittebene,

Figur 17 eine weitere Schnittansicht entlang der ersten Schnittebene und

Figur 18 einen Ausschnitt einer Verteilerplatte mit Staukanten, Nebenkanälen und einem weiteren Nebenkanal.

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. Der Verbund von der Membran 2 und der Elektrodenschicht 3 kann auch als Membran-Elektroden-Anordnung 4 bezeichnet werden.

Die Verteilerplatten 7 weisen Hauptkanäle 11 für die Gaszufuhr, beispielsweise von Sauerstoff 43 im Kathodenraum 39 und Wasserstoff 45 im Anodenraum 41, zu den Gasdiffusionslagen 5 auf. Auf den Verteilerplatten 7 wechseln Hauptkanäle 11 und Stege 12 ab.

Auf einer Oberfläche 13 der Stege 12 ist ein Kontaktbereich 47 jeweils zwischen der Verteilerplatte 7 und der benachbart angeordneten Gasdiffusionslage 5 ausgebildet. Ferner weisen die Stege 12 Seitenflächen 31 und die Hauptkanäle 11 Bodenflächen 33 auf.

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. Ein Steg 12 der Verteilerplatte 7 ist hier mit der Gasdiffusionslage 5 in Kontakt. Ferner ist eine Beschichtung 37 mit einer inneren Strukturierung 74 auf dem Steg 12 der Verteilerplatte 7 angeordnet.

Wasserstoff 45 gelangt von den Hauptkanälen 11 durch die Gasdiffusionslage 5 zu der Elektrodenschicht 3, die auf der Membran 2 angeordnet ist.

Figur 4 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Verteilerplatte 7, die abwechselnd Hauptkanäle 11 und Stege 12 aufweist. Entlang der Hauptkanäle 11 liegt eine Hauptstromrichtung 53 vor. Im Verhältnis zur Ausrichtung der Hauptkanäle 11 ist ein Anordnungswinkel 72 bezeichnet. Ferner weisen die Hauptkanäle 11 jeweils eine Symmetrieachse 55 auf.

Die Stege 12 besitzen jeweils eine Oberfläche 13, wovon die zu Bodenflächen 33 der Hauptkanäle 11 abgewinkelt angeordneten Teile als Seitenflächen 31 bezeichnet werden. In dem Kontaktbereich 47 der Oberfläche 13 der Stege 12 sind Verteilerkanäle 60 angeordnet. An die Seitenflächen 31 der Stege 12 schließen sich die Bodenflächen 33 der Hauptkanäle 11 an. Figur 5 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Verteilerplatte 7 mit Verteilerkanälen 60 und Nebenkanälen 15. Die Verteilerplatte 7 gemäß Figur 5 entspricht im Wesentlichen der Verteilerplatte 7 gemäß Figur 4 mit dem Unterschied, dass an vier Verteilerkanälen 60 jeweils ein Nebenkanal 15 angeordnet ist, der Wasser 51 zu einem benachbarten Hauptkanal 11 beziehungsweise zu einer benachbarten Seitenfläche 31 führt und somit den jeweiligen Verteilerkanal 60 mit dem Hauptkanal 11 beziehungsweise mit der Seitenfläche 31 verbindet. Die Nebenkanäle 15 beginnen an den Verteilerkanälen 60.

Ein erster Teil 17 jeden Nebenkanals 15 ist in einem ersten Winkel 19 zum benachbarten Hauptkanal 11 angeordnet und ein zweiter Teil 21 jeden Nebenkanals 15 ist in einem zweiten Winkel 23 zum benachbarten Hauptkanal 11 angeordnet. Die hier dargestellten Nebenkanäle 15 weisen einen gekrümmten Verlauf auf, so dass sich ihre Anordnung relativ zum benachbarten Hauptkanal 11 mit dem Verlauf ändert. Die Nebenkanäle 15 sind jeweils an den Verteilerkanälen 60 im Wesentlichen senkrecht zum Hauptkanal 11 angeordnet und in dem Hauptkanal 11 beziehungsweise in der Nähe des Hauptkanals 11 im Wesentlichen parallel zu dem Hauptkanal 11 angeordnet.

Ein erster Nebenkanal 82 endet auf einem planaren Teil 62 der Bodenfläche 33 des benachbarten Hauptkanals 11. Ein zweiter Nebenkanal 84 endet an einer Kante 59 zwischen der Bodenfläche 33 des Hauptkanals 11 und der Seitenfläche 31 des Stegs 12. Ein dritter Nebenkanal 86 endet auf der Seitenfläche 31 des Stegs 12, so dass das Wasser 51 von der Seitenfläche 31 auf die Bodenfläche 33 des benachbarten Hauptkanals 11 ablaufen kann.

Weiterhin ist eine erste Schnittebene 76 markiert.

Figur 6 zeigt eine Schnittansicht entlang der ersten Schnittebene 76, die in Figur 5 dargestellt ist. Der Nebenkanal 15 ist in der Seitenfläche 31 des Stegs 12 angeordnet und weist eine Querschnittsfläche 35 auf, die V-förmig ist. Der Nebenkanal 15 besitzt eine Breite 29 und eine Tiefe 27.

Figur 7 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Verteilerplatte 7 mit Nebenkanälen 15 innerhalb von Verteilerkanälen 60. Die Verteilerplatte 7 gemäß Figur 7 entspricht im Wesentlichen der Verteilerplatte 7 gemäß Figur 5 mit dem Unterschied, dass die Nebenkanäle 15 teilweise jeweils in den Verteilerkanälen 60 verlaufen, wobei die Nebenkanäle 15 in einem Boden 88 der Verteilerkanäle 60 angeordnet sind. Entsprechend sind die Nebenkanäle 15 teilweise im Kontaktbereich 47 zu einer Gasdiffusionslage 5 angeordnet. Zusätzlich sind eine zweite Schnittebene 78 und eine dritte Schnittebene 80 markiert.

Figur 8 zeigt eine Schnittansicht entlang der in Figur 7 dargestellten zweiten Schnittebene 78. In der Oberfläche 13 des Stegs 12 ist der Verteilerkanal 60 angeordnet und in dem Boden 88 des Verteilerkanals 60 befindet sich der Nebenkanal 15.

Figur 9 zeigt eine Schnittansicht entlang der dritten Schnittebene 80, die in Figur 7 dargestellt ist. Der zweite Nebenkanal 84 ist an der Kante 59 zwischen der Seitenfläche 31 und der Bodenfläche 33 angeordnet. Der dritte Nebenkanal 86 befindet sich in der Seitenfläche 31 des Stegs 12.

Figur 10 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Verteilerplatte 7 mit einem Nebenkanal 15, der in eine Endstruktur 64 mit mehr als zwei Unterkanälen 66 mündet. Es liegen mehrere Unterkanäle 66 vor, die jeweils eine selbe Länge 90 besitzen, aber versetzt zueinander angeordnet sind. Die Endstruktur 64 ist auf der Bodenfläche 33 des Hauptkanals 11 angeordnet.

Figur 11 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Endstruktur 64, wobei die Unterkanäle 66 jeweils verschiedene Längen 90 aufweisen und die Länge 90 innerhalb der Endstruktur 64 von innen nach außen abnimmt.

Figur 12 zeigt noch eine weitere Ausführungsform einer Endstruktur 64 mit Unterkanälen 66, wobei die Unterkanäle 66 in Gruppen versetzt zueinander angeordnet sind.

Figur 13 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Verteilerplatte 7 mit Verteilerkanälen 60, Nebenkanälen 15 und weiteren Nebenkanälen 70. Die Nebenkanäle 15 sind teilweise innerhalb der Verteilerkanäle 60 angeordnet und münden alle in einen weiteren Nebenkanal 70, der entlang einer Symmetrieachse 55 des Hauptkanals 11 angeordnet ist. Der Anordnungswinkel 72 der weiteren Nebenkanäle 70 beträgt in der dargestellten Ausführungsform 0°, entsprechend verlaufen die weiteren Nebenkanäle 70 parallel zum Hauptkanal 11. Weiterhin nehmen die Breite 29 und die Tiefe 27 der Nebenkanäle 15 in den Verteilerkanälen 60 mit Abflussrichtung zu.

Figur 14 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Verteilerplatte 7 mit Staukanten 68, die auf der Seitenfläche 31 des Stegs 12 ausgebildet sind. Auch die andere Seitenfläche 31 des Stegs 12 kann optional mindestens eine Staukante 68 aufweisen.

Figur 15 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Verteilerplatte 7 mit Staukanten 68 und daran entlang angeordneten Nebenkanälen 15.

Figur 16 zeigt eine Schnittansicht entlang der zweiten Schnittebene 76, die in Figur 15 dargestellt ist.

Figur 17 zeigt eine Schnittansicht entlang der zweiten Schnittebene 76, die in Figur 15 dargestellt ist. Der Nebenkanal 15 entlang der Staukante 68 auf der Seitenfläche 31 des Stegs 12 wird deutlich.

Figur 18 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Verteilerplatte 7 mit Verteilerkanälen 60, Nebenkanälen 15, Staukanten 68 und einem weiteren Nebenkanal 70. Ein Nebenkanal 15 verläuft entlang einer der Staukanten 68 und mündet in dem weiteren Nebenkanal 70, der parallel zu einer Symmetrieachse 55 des Hauptkanals 11 verläuft.

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.