CN109478655A - 用于制造用于燃料电池的集电器的方法和燃料电池 - Google Patents

用于制造用于燃料电池的集电器的方法和燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于制造用于燃料电池的集电器(1)的方法。所述方法具有如下步骤：将粉末状的或颗粒状的基础材料(2)与粘合剂(3)以及与纤维(4)混合以用于产生材料混合物(5)，其中，所述纤维(4)具有比所述基础材料(2)更小的熔点和/或更小的化学抗性；由所述材料混合物(5)成形出成形体(6)；使粘合剂(3)从成形体(6)中脱粘；将所述纤维(4)的至少一部分从所述成形体(6)中去除；以及烧结成形体(6)。此外，本发明涉及一种具有集电器(1)的燃料电池，该集电器借助于根据本发明的方法来制造。

Description

用于制造用于燃料电池的集电器的方法和燃料电池
背景技术
已知的燃料电池具有多个单电池，所述单电池彼此相叠置地或并排地布置成堆垛，所述堆垛也被称为“堆”或“燃料电池堆”。为了在单电池之间建立电接触，燃料电池堆具有集电器。此外，集电器用于将气体、例如氧气和/或氢气引导至单电池的相应电极以及将由电解形成的水引出和将电极的反应热从单电池中导出。
为了满足这些不同的任务，集电器必须具有高的耐腐蚀性、良好的导电和导热性以及良好的水的可穿过性。因此，金属泡沫经常被用作为集电器。为了制造这类集电器，已知不同的方法。根据第一种方法，使用由奥氏体不锈钢、例如316L组成的、具有经设定的约70％的孔隙率的泡沫。过程控制是非常费事的，以至于制造成本约为材料成本的十倍。根据第二种方法，首先例如通过电镀的涂覆方法以金属、尤其是镍(Ni)、铜(Cu)或铁(Fe)对聚氨酯泡沫(PU泡沫)进行涂覆。紧接着所述涂覆，进行PU泡沫的脱粘，该脱粘例如可以借助于加热或烧灼去除来实现。
通过球化退火和紧接着的冷却产生金属泡沫。在该第二方法的情况下，制造成本也约为材料成本的十倍。
发明内容
本发明的第一方面涉及一种用于制造用于燃料电池的集电器的方法。在此，所述方法具有如下步骤：
-将粉末状的或颗粒状的基础材料与粘合剂以及与纤维混合以用于产生材料混合物，其中，纤维具有比基础材料更小的熔点和/或更小的化学抗性，
-由材料混合物成形出成形体，
-使粘合剂从成形体中脱粘，
-将纤维的至少一部分从成形体中去除，并且
-烧结成形体。
根据本发明，将粉末状的或颗粒状的基础材料与粘合剂以及与纤维混合。以该方式，产生由纤维、基础材料和粘合剂组成的材料混合物，该材料混合物也被称为“给料”。所述混合例如在为此所构造的混合容器中实现。通过所描述的方法可以实现集电器的成本有利的制造，其中，尤其是泡沫的孔隙率可以在生产过程期间几乎任意地控制。因此，所提到的来自现有技术的缺点被至少部分地克服或也被完全地克服。
根据本发明，粉末状的或颗粒状的基础材料理解为能流动的基础材料。这类基础材料具有例如大量基础材料微粒。基础材料具有例如高合金钢，如奥氏体、不锈钢316L或17-4PH、和/或镍和/或钛。基础材料也可以具有铜和/或铝和/或低合金钢。在后面的基础材料中，根据本发明优选的是，在烧结之后实现成形体的涂覆，以便使基础材料钝化。所述涂覆可以例如液态地、电解地或气态地实施。为此，例如优选电泳涂漆、电镀、磷化涂覆、氧化或类似方法。基础材料可以由一种材料组成或具有由多种材料组成的混合物，其中，需考虑到基础材料的可烧结性。根据本发明例如可以设置，基础材料具有多种不同的金属。
没有粘合剂的基础材料具有相对小的可成形性以及成形稳定性，因为所成形的几何结构由于基础材料的能流动性可以被容易地破坏。因此，粘合剂的任务是改善基础材料的可成形性或成形稳定性。借助于粘合剂使得相邻的基础材料微粒可彼此粘合，其中，基础材料的可成形性得到保持。粘合剂优选具有相对高的粘度，从而即使是复杂的几何结构也确保良好的可成形性以及高的成形稳定性。根据本发明可以设置，粘合剂的粘度随着温度升高而降低。在不要求可塑造型的几何结构的情况下，具有非常少分量的粘合剂的粉末可以被压到模具中，并且紧接着被烧结。
纤维具有比基础材料更小的熔点和/或更小的化学抗性和/或更低的分解温度。更小的熔点具有以下优点：纤维可以通过加热到高于纤维的熔点以及低于基础材料的熔点的温度而从基础材料中脱出，由此保留相应的中空空间。更小的化学抗性具有以下优点：纤维可以借助于适当的溶剂从基础材料脱出，该溶剂例如构造用于溶解纤维并且不侵蚀或仅稍微侵蚀基础材料。更低的分解温度具有以下优点：纤维在烧结炉中加热期间分解并析出气体。
根据本发明可以设置，纤维被混入至由基础材料和粘合剂组成的混合物。替代地，纤维也可以在粘合剂之前与基础材料混合。在所述方法的另一替代方案中，纤维可以首先与粘合剂并且紧接着与基础材料混合。
紧接着，由材料混合物成形出成形体。在此，成形体例如具有待制造的集电器的形状或基本上具有该集电器的形状。在此，成形体的成形优选如此实现，使得纤维彼此平行或基本上彼此平行地定向。通过纤维的平行的定向，成形体具有各向异性，即与方向有关的组织构造。纤维具有以下任务：提供没有基础材料和粘合剂并且由此构成中空空间的任务区域。这具有以下优点：在去除纤维之后，彼此平行地定向的通道保留在成形体中，所述通道例如构造用于水导出或氧气穿过。通过粘合剂确保成形体的成形稳定性。
根据本发明，紧接着实现粘合剂从成形体中的脱粘。以该方式由成形体产生褐色产物。在此，所述脱粘根据所选择的粘合剂和所选择的基础材料来进行。进一步优选地，在脱粘时考虑纤维材料，使得纤维在脱粘时不受损伤。这具有以下优点：防止或至少减少粘合剂的残留物沉积在由纤维构造的通道中。在脱粘时，从成形体中去除粘合剂或粘合剂的主要部分。优选地，小分量的粘合剂保留在相邻的基础材料微粒之间，以便由此确保成形体的最小成形稳定性。
在另一方法步骤中，从成形体或褐色产物中去除纤维的至少一部分。优选地，纤维的一大部分被去除。纤维的去除可以例如借助于溶剂或通过纤维基于加热的熔化或通过析出气体来实现。可以设置，纤维的脱粘和去除同时通过相同的措施来实现。替代地，可以设置，纤维的去除尤其在褐色产物的烧结时通过烧灼去除来实现。被去除的纤维分别留下空腔，该空腔相应于或基本上相应于被去除的纤维的形状。
在另一方法步骤中，褐色产物被烧结。在烧结时，在基础材料中发生扩散过程，从而相邻的基础材料微粒相互进入材料锁合的连接。通过例如冷却到室温，基础材料在构造牢固的多孔组织的情况下固化。因此，所述烧结不进行至最大可实现的最终密度，而是在维持成形体的孔隙率的情况下进行。孔隙率的体积分量优选为成形体的基础材料分量的总体积的至少5％。如有可能，在烧结之后进行被烧结的褐色产物的后处理、尤其是机械后处理。在后处理时，集电器例如可以从集电器复合体中分离。附加地，集电器可以被去毛刺和/或精加工。
通过根据本发明的用于制造集电器的方法，可以借助简单的措施以及以成本有利的方式制造集电器。通过在制造集电器时使用纤维，使这些纤维具有彼此平行地或基本上彼此平行地布置的内部空腔或通道，所述空腔或通道构造用于使流体、尤其是水和/或氧气和/或氢气或类似物穿过。通过适当地选择基础材料，集电器具有高的导电性以及导热性和高的耐腐蚀性。
根据所述方法的优选构型，所述成形借助于烧结挤压和/或注塑成型和/或刮拭(Rakel)和/或3D打印方法来执行。根据本发明，刮拭优选可以如此实现，使得混合物中的基础材料粉末在添加粘合剂的情况下以多个层的形式借助于刮板被刮拭到压模中，其中，压模在每个刮拭步骤之后、即在产生一个刮拭层之后以刮拭层的刮拭层厚度下降。以该方式确保纤维的水平定向。在填充压模之后，构件被挤压并且紧接着被烧结。在注塑成型、刮拭和3D打印时，纤维可以以简单的方式如此布置，使得这些纤维彼此平行地或基本上彼此平行地定向。由此，可以借助简单的措施产生在集电器中的通道，所述通道特别适合于流体沿一个方向的引导。
优选的是，将具有一种纤维材料的纤维作为纤维和具有至少两种组分的粘合剂混合，其中，粘合剂的这两种组分中的至少一种组分具有粘合剂材料。纤维材料具有以下熔点，该熔点相应于或至少基本上相应于粘合剂材料的熔点。替代地或附加地，纤维材料具有和粘合剂材料相同的极性。进一步优选地，纤维材料相应于粘合剂材料。纤维材料和粘合剂材料的相同的或基本上相同的熔点具有以下优点：粘合剂的脱粘和纤维的去除借助于加热来改善并且如有可能可以同时或基本上同时实现。纤维材料和粘合剂材料的相同的极性具有以下优点：只要溶剂具有和纤维材料与粘合剂材料相同的极性，那么借助于溶剂来改善粘合剂的脱粘和纤维的去除。因此，不需要多个不同的溶剂。由此可以进一步减少集电器的制造成本。
优选地，将具有在5mm与100mm之间的纤维长度的纤维用作为纤维。尤其优选地，纤维具有在10mm与20mm之间的纤维长度。这类纤维可以成本有利地提供并且良好地适合于平行的定向以及适合于构造用于流体的引导的通道。
在所述方法的有利构型中，将具有至少两种组分的粘合剂混合作为粘合剂，其中，将聚合物用作为粘合剂的第一组分，并且将蜡用作为粘合剂的第二组分。这类粘合剂特别适合于材料混合物的可成形性以及成形稳定性并且能够容易地以已知方法、例如通过加热或添加溶剂来脱粘。
根据本发明优选的是，粘合剂和/或纤维的脱粘在500℃与700℃之间的温度中进行。进一步优选地，粘合剂和/或纤维的脱粘在约600℃的温度中进行。在这些温度中，优选的粘合剂处于具有特别低的粘度的液化状态中，并且由此可以容易地从成形体中脱粘。在这些温度下不存在基础材料熔接以及熔化的风险。
根据本发明可以设置，粘合剂和/或纤维的脱粘借助于溶剂来实施。溶剂具有以下优点：不需要到成形体上的热作用。此外，被溶解的粘合剂或脱开的纤维的导出可以通过溶剂特别可靠地实现。
优选地，成形体带状地成形并且由此具有多个并排地布置的以及相互连接的集电器成形体。为了制造集电器的预先限定的形状，将一部分从带状的成形体分离。所述分离优选在烧结之前进行，因为在该状态下为了分离需要比在烧结之后明显更少的能量。而在烧结之后的分离具有以下优点：在经烧结的构件中，由于该构件的组织牢固地接合在一起而显著减少成形体损坏的危险。带状的成形可以以简单的方式实施，并且能够实现工作空间的有利的充分利用。此外，带状的成形特别适合于成本有利的连续的流水线生产。
优选的是，所述烧结在1100℃与1500℃之间的、尤其是1250℃与1350℃之间的温度中进行。特别优选的烧结温度为1300℃。在这种温度中，可以由具有超过5％的孔隙率的优选的基础材料来容易地制造集电器。
本发明的第二方面涉及一种燃料电池。燃料电池具有至少一个阳极、至少一个阴极、至少一个布置在阳极与阴极之间的电解质以及至少一个集电器。所述至少一个集电器借助于根据本发明的方法来制造。燃料电池具有和前面关于用于制造用于燃料电池的集电器的方法所描述的相同的优点。因此，燃料电池可以以简单的措施以及以成本有利的方式来制造。通过在制造集电器时使用纤维，使这些纤维具有彼此平行地或基本上彼此平行地布置的内部空腔或通道，所述空腔或通道构造用于流体、尤其是水和/或氧气和/或氢气或类似物的穿过。通过适当地选择基础材料，集电器具有特别是垂直于通过微通道预先给定的优选流动方向的高的导电性以及导热性和高的耐腐蚀性。
附图说明
下面应参照附图详细地阐释本发明。在附图中：
图1以侧视图示意性示出根据本发明的方法的混合，
图2以俯视图示意性示出在成形之后的成形体，
图3以俯视图示意性示出在脱粘和去除纤维之后的成形体，以及
图4以俯视图示意性示出借助于根据本发明方法制造的集电器。
具体实施方式
图1以侧视图示意性示出基础材料2与粘合剂3和纤维4在混合容器7中的混合。因此，在混合容器7中产生材料混合物5，纤维4不规律地布置在材料混合物中以及被基础材料2和粘合剂3包围。
图2示意性示出成形体6，该成形体借助于根据本发明的方法由材料混合物5例如借助于刮拭来成形。通过所述成形的方式，纤维4彼此平行地定向，使得成形体6具有各向异性。基础材料2和纤维4通过粘合剂3如此形状稳定地彼此接合，使得避免成形体6的不受约束的塌缩。在该图示中，纤维4分别具有小于成形体6的成形体长度的纤维长度。替代地，纤维长度可以相应于或基本上相应于成形体长度。
在图3中以俯视图示意性示出在脱粘之后、即在去除多余粘合剂3之后并且在去除纤维4之后的图2中的成形体6。在之前布置有纤维4的部位(参照图2)上，现在布置有彼此平行走向的、呈通道8的形式的中空空间，所述通道构造用于流体、例如水、氧气或类似物的穿过。在该图示中，通道8分别具有小于成形体长度的通道长度。替代地，通道长度可以相应于或基本上相应于成形体长度。
图4以俯视图示意性示出集电器1，该集电器借助于根据本发明的方法来制造。基础材料2通过烧结过程烧结成金属泡沫2a。因此，金属泡沫2a具有比成形体6明显更高的成形稳定性。

Claims (10)

1.用于制造用于燃料电池的集电器(1)的方法，所述方法具有如下步骤：
-将粉末状的或颗粒状的基础材料(2)与粘合剂(3)以及与纤维(4)混合以产生材料混合物(5)，其中，所述纤维(4)具有比所述基础材料(2)更小的熔点和/或更小的化学抗性，
-由所述材料混合物(5)成形出成形体(6)，
-使所述粘合剂(3)从所述成形体(6)中脱粘，
-将所述纤维(4)的至少一部分从所述成形体(6)中去除，并且
-烧结所述成形体(6)。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
所述成形借助于烧结挤压和/或注塑成型和/或刮拭和/或3D打印方法来实施。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
将具有一种纤维材料的纤维(4)作为纤维(4)掺入并且将具有至少两种组分的粘合剂(3)掺入，其中，所述粘合剂(3)的这两种组分中的至少一种组分具有粘合剂材料，其中，所述纤维材料具有以下熔点，该熔点相应于或基本上相应于所述粘合剂材料的熔点，和/或，其中，所述纤维材料具有和所述粘合剂材料相同的极性。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
将具有在5mm与100mm之间的纤维长度的纤维(4)用作为纤维(4)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
将具有至少两种组分的粘合剂(3)作为粘合剂(3)混合，其中，将聚合物用作为所述粘合剂(3)的第一组分，并且将蜡用作为所述粘合剂(3)的第二组分。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述粘合剂(3)和/或所述纤维(4)的脱粘在500℃与700℃之间的温度中进行。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述粘合剂(3)和/或所述纤维(4)的脱粘借助于溶剂来实施。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述成形体(6)带状地成形，并且为了制造所述集电器(1)的预先限定的形状而从带状的所述成形体(6)分离出一部分。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述烧结在1100℃与1500℃之间、尤其在1250℃与1350℃之间的温度中进行。
10.燃料电池，所述燃料电池具有至少一个阳极、至少一个阴极、至少一个布置在阳极与阴极之间的电解质以及至少一个集电器，
其特征在于，
所述至少一个集电器(1)根据权利要求1至9中任一项所述的方法来制造。
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