DE102005002174A1 - Fluidverteilungsschicht und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

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Abstract

Es wird unter anderem eine Fluidverteilungsschicht, beispielsweise für die Membran einer Brennstoffzelle, beschrieben, die ein dreidimensionales System umgrenzter Kanäle zum Transport eines Fluids aufweist, wobei in unterschiedliche Dimensionen laufende Kanäle an definierten Punkten in Fluidverbindung stehen, und das Kanalsystem auf einer ersten Oberfläche der Schicht Ausgänge aufweist, so dass auf der anderen Oberfläche der Schicht ungleichmäßig zugeführtes Fluid vom Kanalsystem so verteilt wird, dass an allen Ausgängen des Kanalsystems auf der ersten Oberfläche der Schicht Fluidströme austreten, die zu einem, über die gesamte erste Oberfläche betrachtet, im Wesentlichen homogenen Fluidverteilungsmuster führen. Die Erfindung beschreibt ebenfalls eine Membrananordnung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Fluidverteilungsschicht mittels durchbrochener, aufeinandergestapelter Folien.

Description

  • Die vorliegende Erfindung ist auf eine Fluidverteilungsschicht, eine mit der Schicht versehene Mehrschichtmembran und ein Verfahren zu ihrer Herstellung gerichtet.
  • Eine derartige Fluidverteilungsschicht oder Mehrschichtmembran kann beispielsweise in einer Brennstoffzelle zum Einsatz kommen.
  • Brennstoffzellensysteme sind bereits seit langem bekannt und haben in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen. Ähnlich wie Batteriesysteme erzeugen Brennstoffzellen elektrische Energie auf chemischem Weg durch eine Redoxreaktion von Kraftstoff (zum Beispiel Wasserstoff) und Sauerstoff, wobei die einzelnen Reaktanten kontinuierlich zugeführt und die Reaktionsprodukte kontinuierlich abgeführt werden.
  • Bei einer Brennstoffzelle werden die zwischen elektrisch neutralen Molekülen oder Atomen ablaufenden Oxidations- und Reduktionsprozesse in der Regel über einen Elektrolyten räumlich getrennt. Eine Brennstoffzelle besteht grundsätzlich aus einem Anodenteil, an den ein Kraftstoff zugeführt wird. Weiterhin weist die Brennstoffzelle einen Kathodenteil auf, an dem ein Oxidationsmittel zugeführt wird. Räumlich getrennt sind der Anoden- und Kathodenteil durch den Elektrolyten. Bei einem derartigen Elektrolyten kann es sich beispielsweise um eine Membran (MEA) handeln. Solche Membranen haben die Fähigkeit, Ionen durchzuleiten, Gase jedoch zurückzuhalten. Die bei der Oxidation abgegebenen Elektronen werden nicht lokal von Atom zu Atom übertragen, sondern als elektrischer Strom durch einen Verbraucher geleitet.
  • Als gasförmiger Reaktionspartner für die Brennstoffzelle können beispielsweise Wasserstoff als Kraftstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel im Kathodenteil verwendet werden.
  • Will man die Brennstoffzelle mit einem leicht verfügbaren oder leichter zu speichernden Kraftstoff, wie etwa Erdgas, Methanol, Propan, Benzin, Diesel oder anderen Kohlenwasserstoffen, anstelle von Wasserstoff betreiben, muss man den Kohlenwasserstoff in einer Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten eines Kraftstoffs in einem sogenannten Reformierungsprozess zunächst in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln. Diese Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten eines Kraftstoffs besteht beispielsweise aus einer Dosiereinheit mit Verdampfer, einem Reaktor für die Reformierung, beispielsweise für die Wasserdampfreformierung, einer Gasreinigung sowie häufig auch wenigstens einem katalytischen Brenner zur Bereitstellung der Prozesswärme für die endothermen Prozesse, beispielsweise den Reformierungsprozess.
  • Ein Brennstoffzellensystem besteht in der Regel aus mehreren Brennstoffzellen, die beispielsweise wiederum aus einzelnen Schichten gebildet sein können. Die Brennstoffzellen sind vorzugsweise hintereinander angeordnet, beispielsweise sandwichartig übereinander gestapelt. Ein derart ausgebildetes Brennstoffzellensystem wird dann als Brennstoffzellenstapel beziehungsweise Brennstoffzellenstack bezeichnet.
  • Um diese gasförmigen Reaktionspartner gleichmäßig verteilt an die Membran heranzuführen, das heißt zur gleichmäßigen Verteilung der Reaktanten auf die aktive Fläche einer MEA, wird üblicherweise eine Verteilerschicht auf beiden Seiten der Membran angebracht. Hierbei haben sich, insbesondere in der PEM-Brennstoffzellentechnologie, Gewebe und Vliese auf Graphitfaserbasis als Hauptlösung durchgesetzt. Solche Gasdiffusionslagen (GDLs) können je nach Kundenwunsch hydrophil, hydrophob, mit oder ohne Mikrolayer oder auch mit Katalysatorschicht aufgerüstet werden und sind auf dem freien Markt erhältlich.
  • Gegenwärtig auf dem Markt verfügbare Gasdiffusionslagen sind üblicherweise als Gewebe oder Vliese aus Graphitfasern erhältlich. Die Anordnung der Fasern ist hierbei chaotisch, das heißt zufällig. Herstellungsbedingt ergeben sich hierbei unvermeidbare Schwankungen bezüglich der Dicke der Gasdiffusionslagen sowie der Porosität und damit der Gasdurchlässigkeit. Die Folge sind Inhomogenitäten bezüglich des Stofftransports in einem Stack von Membranen innerhalb einer Brennstoffzellenanordnung. Dies kann im Extremfall zu einem Absacken der Zellspannungen einzelner unversorgter Zellen und damit zu einer deutlichen Funktionsbeeinträchtigung des gesamten Stacks führen. Ein weiterer Nachteil ist die hohe Kompressibilität dieser Materialien. Aufgrund des hohen unelastischen Anteils bei der Verpressung treten Setzungsprobleme auf. Es ist damit eine Hysterese bezüglich der Dickenänderung über die Zahl der Verpressungszyklen zu beobachten.
  • Es besteht damit ein Bedarf an einer Gasphasenlage beziehungsweise allgemeiner an einer Fluidverteilungsschicht, die eine gleichmäßige Fluidverteilung und eine geringe oder keine Kompressibilität aufweist.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Bereitstellung einer Fluidtransportschicht mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1, einer die erfindungsgemäße Fluidtransportschicht beinhaltende Membrananordnung mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 13 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Fluidtransportschicht mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 19. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Aspekte und Details der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Fluidtransportschicht beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich ebenso auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Membrananordnung, und umgekehrt. Gleiches gilt bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, eine, insbesondere elektrisch leitfähige, Schicht gezielt mit einem definierten mikrostrukturierten dreidimensionalen Kanalsystem aufzubauen. Im Unterschied zu vorbekannten Lösungen sind die Kanäle in ihrer Anordnung vorbestimmt und kontrolliert in die Schicht eingebracht.
  • Die Erfindung ist daher auf eine Fluidverteilungsschicht gerichtet, die ein dreidimensionales System umgrenzter Kanäle zum Transport eines Fluids aufweist, wobei in unterschiedliche Dimensionen laufende Kanäle an definierten Punkten in Fluidverbindung stehen und das Kanalsystem auf einer ersten Oberfläche der Schicht Ausgänge aufweist, so dass auf der anderen Oberfläche der Schicht ungleichmäßig zugeführtes Fluid vom Kanalsystem so verteilt wird, dass an allen Ausgängen des Kanalsystems auf der ersten Oberfläche der Schicht Fluidströme austreten, die zu einem über die gesamte erste Oberfläche betrachtet im Wesentlichen homogenen Fluidverteilungsmuster führen.
  • Unter einer Fluidverteilungsschicht ist ein flaches, jedoch als dreidimensional ansehendes Objekt zu verstehen, bei der auf einer Oberfläche zugeführtes Fluid im Inneren so verteilt wird, dass es auf einer Austrittsoberfläche gleichmäßiger verteilt wird als beim Eintritt.
  • Ein dreidimensionales System umgrenzter Kanäle bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung umgrenzte Kanäle, das heißt mit einer Wand umrandete Kanäle (entweder auf allen Seiten als Röhre oder nur auf einigen Seiten als offene Kanäle), die in allen drei Dimensionen orientiert sind, das heißt zumindest drei verschieden orientierte Arten von Kanälen umfassen.
  • Ein Fluid im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Flüssigkeit oder ein Gas oder ein Gemisch aus beiden.
  • Unter Ausgängen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind die Enden der die erste Oberfläche erreichenden Kanäle zu verstehen, die auf dieser Oberfläche münden, beziehungsweise bei oberflächlich verlaufenden Kanälen die nach außen offene Seite der Kanäle.
  • Unter einem im Wesentlichen homogenen Fluidverteilungsmuster ist ein Muster zu verstehen, bei dem, beispielsweise durch eine gleichmäßige isogonale Anordnung der Ausgänge auf der ersten Oberfläche alle Punkte der ersten Oberfläche nur so weit vom nächsten Ausgang entfernt sind, dass Gradienten der Fluidverteilung an der ersten Oberfläche der aus den Ausgängen austretenden Fluide für die beabsichtigte Verwendung der Fluidverteilungsschicht ohne Belang sind.
  • Die erfindungsgemäße Fluidverteilungsschicht lässt sich bevorzugterweise durch eine gleichmäßige Anordnung von Kanälen in allen drei Dimensionen erreichen.
  • Vorzugsweise entwickeln sich um die Ausgänge herum Verteilungsgradienten des Fluids, die zu Fluidströmen an Punkten auf der ersten Oberfläche von nicht mehr als 10 % Unterschied führen. In einer noch bevorzugteren Ausführungsform sind die Unterschiede der Fluidströme nicht größer als 5 %. Auf diese Weise ist ein im Wesentlichen homogenes Verteilungsmuster des Fluids realisierbar.
  • Die Schicht kann vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu den Oberflächen der Schicht verlaufende Kanäle in mehreren Ebenen übereinander aufweisen. Auf diese Weise ist eine raschere Verteilung des Fluids im Vergleich zu einem Kanalsystem, bei dem nur eine Schicht von horizontal laufenden Kanälen gegeben ist, möglich.
  • Die Kanäle, die parallel zur Oberfläche verlaufen, können darüber hinaus zueinander parallel geführt oder kreuzend geführt werden, und die Fluidverteilungsschicht kann senkrecht oder schräg zu den Oberflächen der Schicht verlaufende Kanäle aufweisen. Auf diese Weise ist auch die dritte Dimension, bei schräg verlaufenden Kanälen sogar mehrere Dimensionen mit einer Kanalschar, des dreidimensionalen Kanalsystems abgedeckt.
  • Vorzugsweise bilden die Kanäle auf der Oberfläche ein geometrisches Muster, beispielsweise auf der zweiten Oberfläche, bei dem die Kanäle eine vorgegebene, vorzugsweise gleichmäßige Versorgung der Oberfläche mit Kanälen bewirken.
  • Dieses geometrische Muster kann beispielsweise ein Karomuster, aus einander rechtwinklig kreuzenden, in zwei Dimensionen laufenden parallelen Scharen von Kanälen, eine Spirale, ein Spinnennetz mit Radien und kreisförmig auf den Radien laufenden Ringkanälen oder ein Muster paralleler Kanäle mit querlaufenden Endkanälen, in welche die parallelen Kanäle münden, sein. Für die konkrete Ausgestaltung von Kanälen auf oder in der Fluidverteilungsschicht stehen dem Fachmann eine Vielzahl von unterschiedlichen Möglichkeiten zur Verfügung, von denen die zuvor genannten lediglich ein bevorzugtes Auswahlspektrum darstellen. Sie sollen, entweder an der Oberfläche der Fluidverteilungsschicht liegend oder auch in ihrem Inneren verlaufend, eine gleichmäßige Verteilung des Fluids in Richtung parallel zu den Hauptoberflächen bewirken.
  • Die Fluidverteilungsschicht ist vorzugsweise eine Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle, bei der eine gleichmäßige Verteilung des zuzuführenden Kraftstoffs für die Effizienz des chemischen Prozesses wichtig ist. Es versteht sich jedoch, dass weitere Einsatzgebiete einer Fluidverteilungsschicht gemäß der Erfindung vorstellbar sind und vom Fachmann problemlos erwogen werden. Die Fluidverteilungsschicht kann in einer bevorzugten Ausführungsform elektrisch leitfähig sein. Dies ist besonders sinnvoll für den Elektronentransport in einer Brennstoffzelle.
  • Die Oberflächen der Fluidtransportschicht können, beispielsweise mit Hilfe spezieller Beschichtungen, hydrophil oder hydrophob sein. Auf diese Weise lässt sich die Verteilung des Fluids auch in Abhängigkeit von den Eigenschaften dieses Fluids zusätzlich steuern.
  • Die erfindungsgemäße Fluidverteilungsschicht kann weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, dass sie aus aufeinander angeordneten Schichten mit Durchbrüchen oder Vertiefungen besteht, die in gestapelter Anordnung zusammen die Kanäle des Kanalsystems ausbilden. Im Falle von Durchbrüchen entspricht damit die Höhe eines Kanals entweder einer Schicht oder der Gesamtzahl aller Schichten, bei denen aufeinanderliegend Durchbrüche gegeben sind. Wenn Vertiefungen (Rinnen beziehungsweise nach außen offene Kanäle) verwendet werden, hat der jeweilige Kanal entweder die Höhe der Vertiefung oder die Höhe von zwei Vertiefungen, falls zwei aufeinander gelegte Vertiefungen auf der Oberbeziehungsweise Unterseite aufeinanderfolgender Schichten sich ergänzen. Zusätzlich weist jede Schicht Durchbrüche auf, die dazu dienen, Kanäle quer (von der ersten zur zweiten Oberfläche) durch die Fluidverteilungsschicht zu bilden.
  • Die Fluidverteilungsschicht kann auch aus netzartigen Folien aufgebaut sein, deren Zwischenräume zusammen das Kanalsystem bilden.
  • Die Abmessungen der Kanäle werden vorzugsweise an den beabsichtigen Einsatzzweck, das zu transportierende Fluid (Gas oder Flüssigkeit), die Gesamtabmessungen, das Herstellverfahren und/oder dem notwendigen Grad an Gleichmäßigkeit angepasst. Damit können die einzelnen Kanäle im Durchmesser beziehungsweise ihrer Breite weit variieren. Kanäle können im Bereich von Mikrometern bis zu Millimetern reichen. So können die Kanäle beispielsweise einen Durchmesser von 0,01 bis 0,1 mm, vorzugsweise 0,02 bis 0,05 mm aufweisen.
  • Die Erfindung ist weiterhin auf eine Membrananordnung gerichtet, wobei alles Oben bezüglich der Fluidverteilungsschicht Gesagte auch für diese Membrananordnung gilt und umgekehrt, so dass wechselseitig Bezug genommen wird.
  • Damit ist die Erfindung gerichtet auf eine Membrananordnung, aufweisend eine für vorgegebene Substanzen durchlässige Membran und zumindest eine auf einer Seite der Membran angebrachte erfindungsgemäße Fluidverteilungsschicht. Die Membran kann beispielsweise eine Protonen-durchlässige Membran im Falle einer Brennstoffzelle oder eine für andere Ionen durchlässige Membran bei einer anderen Verwendung sein oder eine sonstige semi-permeable Membran, je nach Verwendungszweck. Um zusätzlich zum in der Fluidverteilungsschicht enthaltenen Kanalsystem eine Fluidführung großräumiger Art zu gestatten, können in die Membran und/oder in die zumindest eine Fluidverteilungsschicht Kanäle zur Fluidführung eingearbeitet sein, beispielsweise aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannte Flowfield-Kanäle bei Brennstoffzellenmembranen.
  • Diese Kanäle zur Fluidführung können in die Membran eingelassene Kanäle sein, oder sie können in die Fluidverteilungsschicht eingelassene Kanäle sein. Kombinationen dieser Ausführungsformen sind möglich, und die Kanäle in der Fluidverteilungsschicht können nur teilweise durch die Fluidverteilungsschicht hindurchreichen oder auch vollständig. Auch kann die Fluidverteilungsschicht aus mehreren Elementen bestehen, die so auf der Membran angeordnet sind, dass sich zwischen ihnen Kanäle bilden. In diesem Fall handelt es sich um Flowfield-Kanäle, die nicht durch ein Bearbeitungsverfahren in die Fluidverteilungsschicht eingearbeitet sind, sondern die erst durch das Zusammensetzen der Membrananordnung als solcher entstehen. Für die Anordnung des Kanals oder der Kanäle zwischen den einzelnen Fluidverteilungsschichtelementen stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. So können die Kanäle in Serpentinen verlaufen, aber auch in parallel zueinander geführten Bahnen mit endständig verbundenen Querkanälen oder anderen geeigneten Anordnungen. Die Kanäle können als ein gemeinsamer Kanal betrachtet werden oder als ein Kanalsystem aus mehreren voneinander unterscheidbaren Kanälen zur Fluidführung.
  • Schließlich ist die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Fluidverteilungsschicht gerichtet, welches das stapelnde Anordnen von Materialschichten aufeinander aufweist, die mit Durchbrüchen und/oder Vertiefungen an den Stellen vorgesehener Kanäle versehen sind, wobei die Abfolge von Durchbrüchen in den einzelnen Schichten zusammen die Kanäle bilden, wie bereits oben unter Bezugnahme auf die Fluidverteilungsschicht erläutert. Bei diesem Verfahren kommt es auf die exakte Positionierung der einzelnen Materialschichten aufeinander an, um auch in Richtung durch die Fluidverteilungsschicht hindurch durchgehende Kanäle zu erhalten und bei Kanälen, die durch mehrere Schichten hindurchreichen, auch bei parallel zu den Hauptoberflächen verlaufenden, den gewünschten Querschnitt zu erzielen.
  • Die Materialschichten, aus denen die Fluidtransportschicht erfindungsgemäß aufgebaut wird, können mikrostrukturierte Folien oder Netze mit Durchbrüchen sein, die aufeinander gestapelt werden.
  • Unter mikrostrukturierten Folien ist im Falle der vorliegenden Erfindung eine Folie zu verstehen, die mittels geeigneter Verfahren, zum Beispiel Prägen, Stanzen oder Laserlöchern hergestellt, geeignet dimensionierte Durchbrüche aufweist. Die Netze beziehungsweise Folien können des weiteren mit Folienformgebungsverfahren hergestellt sein, beispielsweise durch Extrusion, Kaschierung, Prägung, Thermoformung und dergleichen. Netze mit Durchbrüchen können ebenfalls auf diese Weise hergestellt werden, können jedoch auch in für Netze üblichen Weisen, beispielsweise durch Flechten und dergleichen, hergestellt werden, solange es möglich ist, ein Netzmuster zu erhalten, das die notwendigen Kanaldurchmesser für die jeweilige Anordnung sicherstellt.
  • Die Materialschichten können auch in situ gebildete Materialschichten sein, wobei zum Beispiel im Stand der Technik übliche Verfahren wie das Rapid Prototyping verwendet werden können, beispielsweise der Einsatz von lasergesteuerter Photopolymerisation, wie dem Fachmann auf dem Gebiet der werkzeuglosen Fertigungstechnik bekannt.
  • Nachfolgend soll die Erfindung anhand konkreter Ausführungsbeispiele erläutert werden, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen folgendes dargestellt ist:
  • 1 ist eine perspektivische Teilansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fluidverteilungsschicht;
  • 2 ist eine vertikale Schnittansicht der Fluidverteilungsschicht der 1;
  • 3 ist eine horizontale Schnittansicht auf die Fluidverteilungsschicht der 1;
  • 4 zeigt in vertikaler Schnittansicht die Kanäle des erfindungsgemäß verwendeten Kanalsystems, die quer durch die erfindungsgemäße Fluidverteilungsschicht laufen;
  • 5 ist eine horizontale Schnittansicht verschiedener Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Fluidverteilungsschichten, bei denen außen liegenden rinnenartigen Kanäle gezeigt werden;
  • 6 zeigt horizontale Schnittansichten zweier unterschiedliche Ebenen einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fluidverteilungsschicht in Aufsicht;
  • 7 zeigt vertikale Schnittansichten verschiedener Ausführungsformen der Anbringung der ertindungsgemäßen Fluidverteilungsschicht auf einer nichtstrukturierten BPP;
  • 8 zeigt vertikale Schnittansichten verschiedener Ausführungsformen der Anbringung der erfindungsgemäßen Fluidverteilungsschicht auf einer Membran;
  • 9 zeigt in Aufsicht verschiedene Ausführungsformen der Anordnung von Elementen der erfindungsgemäßen Fluidverteilungsschicht auf einer Membran;
  • 10 zeigt vertikale Schnittansichten verschiedener Ausführungsformen des ebenen- beziehungsweise lagenweisen Aufbaus der erfindungsgemäßen Fluidverteilungsschicht im Querschnitt mit eingezeichneten Kanälen; und
  • 11 zeigt die vertikale Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform eines mehrlagigen Aufbaus der ertindungsgemäßen Fluidverteilungsschicht aus netzartigen Einzellagen.
  • Der zentrale Ansatz der vorliegenden Erfindung ist der gezielte Aufbau einer, bevorzugt elektrisch leitfähigen, Schicht beziehungsweise Folie mit einem definierten, mikrostrukturierten dreidimensionalen Kanalnetz, zum Beispiel durch ein werkzeugloses Verfahren, wie Rapid Prototyping, beispielsweise durch Photopolymerisation oder im Massenfertigungsprozess durch Schichtung mehrerer Folien mit Dicken im Mikrometerbereich.
  • Die Grundidee der vorliegenden Erfindung stellt ein systematisches mikrostrukturiertes dreidimensionales Netzwerk bereit, in welchem die Kanäle derart miteinander verknüpft sind, dass, im Falle einer Anwendung bei Brennstoffzellen, sowohl in GDL-Ebene (Gasdiffusionslagenebene) als auch senkrecht zur GDL-Ebene ein gleichmäßiger beziehungsweise die Gleichmäßigkeit herstellender Stofftransport gewährleistet ist. Es versteht sich, dass die Erfindung auf andere Gebiete als Brennstoffzellenmembranen anwendbar ist. Erreicht werden kann dies beispielsweise erfindungsgemäß durch parallel und senkrecht zur GDL-Ebene verlaufende Kanäle mit Kreuzungspunkten.
  • 1 zeigt ein erstes Beispiel eines solchen Kanalsystems innerhalb einer erfindungsgemäßen Fluidverteilungsschicht. Die Fluidverteilungsschicht 1 weist mehrere quer zur Schicht laufende Lagen oder Ebenen von Kanälen 10 auf, die sich in jeder Lage mit dazu orthogonal laufenden Kanälen 11 kreuzen, um mehrere übereinander angeordnete Ebenen von karomusterartig verlaufenden geschlossenen Kanälen zu bilden. An den Oberflächen der Fluidverteilungsschicht sind darüber hinaus ebenfalls orthogonal kreuzende offene, rinnenartige Kanäle 12 beziehungsweise 13 angeordnet, welche einer oberflächlichen Verteilung des verwendeten Fluids dienen. Vorliegend ist die Oberfläche der Fluidverteilungsschicht 1 so von rinnenartigen Kanälen durchzogen, dass lediglich Stege 14 übrigbleiben.
  • 2 zeigt die vertikale Schnittansicht durch eine Fluidverteilungsschicht 1 der 1. Zu erkennen sind die rinnenförmig ausgehobenen Kanäle 13 sowie die geschlossenen Kanäle 11, die insgesamt fünf Schichten von Kanälen ausbilden. Wie der 3 zu entnehmen ist, die einen horizontalen Schnitt durch die Fluidverteilungsschicht zeigt, sind die einzelnen Kanalebenen der Fluidverteilungsschicht 1 durch senkrecht verlaufende, geschlossene Kanäle 15 miteinander verbunden. Wenn die Kanäle 15 an den Schnittpunkten der Kanäle 10 und 11 beziehungsweise 12 und 13 angebracht sind, verbinden die Kanäle 15 alle Kanäle 10, 11, 12, 13 aller Ebenen miteinander. Bei einer typischen Ausführungsform können die Kanäle beispielsweise eine Breite beziehungsweise (im Falle der geschlossenen Kanäle 10, 11) einen Durchmesser von 0,02 mm aufweisen. Die Tiefe der offenen Kanäle 12, 13, gerechnet von der jeweiligen Oberfläche bis zum Grund der Rinne, kann beispielsweise 0,03 mm betragen. Das Raster, in dem die Kanäle zueinander beabstandet sind, kann vorzugsweise in allen Richtungen 0,04 mm betragen. Es versteht sich, dass diese Abmessungen beispielhafte Größen sind und in weiteren Bereichen schwanken können, so kann der Durchmesser beziehungsweise die Breite der Kanäle von 0,01 bis 0,1 mm oder darüber hinaus reichen und der Abstand kann entsprechend den Anforderungen ebenfalls variiert werden. Maßgeblich für die Auswahl der Raster und Abmessungen der einzelnen Kanäle ist die gewünschte Homogenität der Verteilung, die Möglichkeiten zur Einbringung der Kanäle, das verwendete Material und dergleichen.
  • 1 zeigt Kanäle, die zueinander parallel oder orthogonal verlaufen. Es gibt nur orthogonal und parallel zu den Oberflächen der erfindungsgemäßen Fluidverteilungsschicht laufende Kanäle. Diese Verhältnisse sind nochmals in 4 gezeigt, wobei in 4 der vertikale Schnitt durch die Fluidverteilungsschicht 1 so verläuft, dass gerade die Schnittpunkte 16 der parallel zu denen Ebenen verlaufenden Kanäle 10 (oder 11) und 15 gezeigt sind. Diese Schnittpunkte 16 sind maßgeblich für die gleichmäßige Verteilung des Fluids innerhalb der Fluidverteilungsschicht beziehungsweise an ihren Ausgängen, da der Übergang des Fluids von einer Dimension in eine andere nur an diesen Schnittpunkten der verschiedenen Kanäle erfolgen kann.
  • 4b zeigt als vertikalen Schnitt eine Ausführungsform, die im Inneren der Fluidverteilungsschicht nur senkrecht laufende Kanäle 15 aufweist, und bei der eine laterale Verteilung durch oberflächlich eingebrachte Kanalstrukturen 12/13 zur horizontalen Verteilung der Medien dienen.
  • In 4c werden in vertikaler Schnittansicht sich überkreuzende Kanäle 10, 15 in einer verzahnten Anordnung gezeigt, bei denen kein senkrecht laufender Kanal 15 vollständig durch die Dicke der Fluidverteilungsschicht 1 hindurchführt. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass bei einem konzentrierten Auftrag auf einer Seite der Fluidverteilungsschicht nicht eine übermäßig große Menge an Fluid durch die Kanäle 15 direkt zur anderen Seite der Fluidverteilungsschicht gelangen kann.
  • 4d schließlich zeigt den vertikalen Schnitt eines Systems aus diagonal, das heißt unter einem Winkel zur Oberfläche der Fluidverteilungsschicht 1 verlaufenden Kanälen 17 und damit kreuzenden, anders ausgerichteten Kanäle 18 mit Verbindungspunkten 19. Durch die schräge Anordnung der Kanäle kann bei dieser Ausführungsform eine Verteilung auch in lateraler Richtung innerhalb der Fluidverteilungsschicht 1 erreicht werden, ohne dass zusätzlich parallel zu den Oberflächen in einer oder mehreren Ebenen verlaufende Kanäle (10, 11) vorgesehen sein müssen. Es versteht sich, dass bei diesem System entweder zusätzliche parallel zur Oberfläche verlaufende Kanäle vorgesehen sein können, die senkrecht zur Bildebene verlaufen und beispielsweise durch die Schnittpunkte 19 zusätzlich hindurchgehen, oder dass drei verschieden orientierte Schare von Kanälen 17, 18 vorgesehen sein können, um einen Transport nicht nur in Richtung der Papierebene, sondern auch orthogonal dazu zu ermöglichen. Schließlich ist es ebenfalls denkbar, dass die laterale Fluidverteilung hauptsächlich in Oberflächenkanälen, wie Kanälen 12, 13, verläuft und die Kanäle 17, 18 in erster Linie dazu dienen, eine Kleinbereichslateralverteilung zusätzlich zur orthogonalen Verteilung quer durch die Dicke der Fluidverteilungsschicht bereitzustellen.
  • Grundsätzlich wirkt sich ein oberflächlich beidseitig in die Fluidverteilungsschicht integriertes Kanalnetzwerk bei allen Ausführungen positiv auf den Fluidtransport aus. Im Folgenden sollen Möglichkeiten zum Aufbau einer solchen oberflächlich gelegenen Kanalstruktur aus Kanälen 12, 13 gemäß der Erfindung diskutiert werden. Auch bezüglich dieser horizontalen Kanäle gibt es in Anlehnung an gängige makroskopische Flussfelder für Bipolarplatten von Brennstoffzellen verschiedenste Ausführungsmöglichkeiten bezüglich der einzubringenden Mikrostruktur.
  • 5a zeigt den vertikalen Schnitt durch ein gestapeltes Netzwerk aus senkrecht zueinander stehenden rillenartigen Kanälen 12, 13, die sich an Schnittpunkten 20 kreuzen, wobei die Schnittpunkte 20 die oberflächlichen Bereiche der Röhren 15 in senkrechter Richtung bilden können.
  • 5b zeigt den horizontalen Schnitt durch eine gestapelte Parallel-Flowfieldähnliche Anordnung von Kanälen 21, 22 wobei die parallel orientierten Kanäle 21 in breitere Kanäle 22 münden, die der Zufuhr bzw. Weiterleitung des Fluids dienen. 5c zeigt eine gestapelte horizontale mäanderförmige Flowfield-Anordnung, bei der ein Kanal 22 mäanderförmig über die gesamte Oberfläche der erfindungsgemäßen Fluidverteilungsschicht 1 geleitet wird. Ähnlich der verzahnten Vertikallösung der 4c ist es des weiteren möglich, auf der Oberfläche der erfindungsgemäßen Fluidverteilungsschicht gemäß 5d eine gestapelte verzahnte Flowfield-Anordnung vorzusehen. Die Nummerierung der Kanäle entspricht der von 5b, da sie eine ähnliche Funktion aufweisen, jedoch nicht komplett von einem Kanal 22 bis zum auf der gegenüber liegenden Kanal 22 reichen. Bei der konzentrisch-kreisförmigen Anordnung der Kanäle 23 gemäß 5e muss die Beschickung so erfolgen, dass die Kanäle befüllt werden können.
  • In 5f ist eine horizontale spiralförmige Anordnung mit zumindest einer gleichsinnig laufenden Spirale 24 dargestellt, bei der sich selbst bei Zufuhr an einer einzigen Stelle das Fluid im Laufe der Zeit über die gesamte Länge des einzelnen Kanals 24 verteilen wird.
  • Auch in 5g ist eine horizontale konzentrische Anordnung von Kanälen 24 implementiert, die jedoch durch radial verlaufende Kanäle 25 zum rascheren Fluidtransport und einer vereinfachten Beschickung ergänzt sind.
  • Im Gegensatz zu der in 5f gezeigten Spirale 24 zeigt die 6, dass mehrere Spiralen 24, 26 auch gegensinnig angeordnet sein können. Die Anordnung der Spirale 26 kann sich hierbei entweder auf die gegenüber liegende Oberfläche der Fluidverteilungsschicht 1 beziehen oder auch auf im Inneren der Schicht angeordnete Spiralkanäle. Ein wichtiges Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Fluidverteilungsschicht ist als Gasdiffusionslage (GDL) bei einer Bipolarplatte in einem Brennstoffzellensystem. Eine solche Fluidverteilungsschicht bzw. GDL1 kann im Fertigungsprozess auf unterschiedlichste Weise mit den Baukomponenten der Bipolargruppe bzw. CCM verbunden werden. So zeigt 7a den vertikalen Schnitt durch eine oberflächliche Aufbringung der Fluidverteilungsschicht 1 auf die Bipolarplatte 2 unter Auslassung von in die Bipolarplatte 2 eingebrachten Führungskanälen 3, und 7b zeigt eine Aufbringung mit Überbrückung der Kanäle 3. Diese Kanäle 3 gehören zu einem makroskopischen Flowfield der Bipolarplatte und sind nicht mit den mikroskopischen Kanälen innerhalb der Fluidverteilungsschicht zu verwechseln.
  • Es ist ebenfalls gemäß der vertikalen Schnittzeichnung 7c möglich, in die Fluidverteilungsplatte Kanäle 4 eines makroskopischen Flowfields einzubringen, beispielsweise durch Fräsen oder dergleichen, und diese Fluidverteilungsschichten auf eine nicht-strukturierte Bipolarplatte 2 aufzubringen.
  • Schließlich kann, wie im vertikalen Schnitt in 7d gezeigt, die Fluidverteilungsschicht 1 auch in einzelnen Elementen vorliegen, die, ohne eine weitere makroskopische Flowfieldstruktur aufzuweisen, für sich auf der Bipolarplatte 2 angebracht werden und wobei die zwischen ihnen ausgebildeten Zwischenräume 5 das makroskopische Flowfield bilden.
  • Gänzlich auf ein makroskopisches Flowfield in Form von Kanälen 3, 4 oder 5 verzichten die Ausführungsformen gemäß 7e und 8a, bei der zwei Fluidverteilungsschichten bzw. GDL 1 einfach auf eine Bipolarplatte 2 beziehungsweise eine CCM (Catalyst Coated Membrane, katalyssatorbeschichtete Membran) aufgebracht sind.
  • In 8b ist ähnlich der 7c eine mit makroskopischen Kanälen versehene Fluidverteilungsschicht 1 auf beiden Seiten einer CCM 6 aufgebracht. 8c zeigt schließlich, dass es auch möglich ist, Einzelelemente von Fluidverteilungsschichten 1 auf eine CCM 6 aufzubringen.
  • Auch bezüglich der makroskopischen, fertigungstechnischen Anbringung der Fluidverteilungsschicht 1 an die Bipolarplatte 2 oder die CCM 6 bei Aufsicht, das heißt in horizontaler Richtung, sind verschiedenste Varianten denkbar. Der Grundaufbau besteht aus der Bipolarplatte 2 oder der CCM 6 als Träger, einem Rahmen zur Medienzufuhr 7, und der Fluidverteilungsschicht bzw. GDL 1. Verschiedene Ausführungsformen sind in 9 gezeigt. Nach 9a kann die Fluidverteilungsschicht aus mehreren einzelnen Stücken bestehend angeordnet werden, so dass ein paralleles Flussfeld mit Kanälen 5 entsteht. Eine mäanderförmige Anordnung des Kanals 5 ergibt sich durch versetztes Anordnen von länglichen Elementen der Fluidverteilungsschicht 1 auf der Bipolarplatte 2 bzw. der CCM 6, wie in 9b dargestellt.
  • Durch Bereitstellen einer serpentinenartig geformten Fluidverteilungsschicht 1 gemäß 9c kann eine verzahnte Anordnung von Kanälen 5 zwischen den einzelnen Serpentinen der Fluidverteilungsschicht erreicht werden. In 9d, die beispielsweise mehrfach geschichtete mikrostrukturierte Flowfields nach 5 darstellt, erfolgt auch die makroskopische Verteilung innerhalb der Fluidverteilungsschicht.
  • Die Beschreibung wendet sich nunmehr der erfindungsgemäßen Herstellung einer erfindungsgemäßen Fluidverteilungsschicht zu. Fertigungstechnisch kann der Aufbau einer solchen GDL beziehungsweise einer Fluidverteilungsschicht über werkzeuglose Fertigungsverfahren wie Rapid Prototyping (Photopolymerisation mit Hilfe eines Laserstrahls), durch Stapeln von mikrostrukturierten Folien oder Netzen mit Dicken im Mikrometermaßstab oder dergleichen umgesetzt werden.
  • Von besonderer massenfertigungstechnischer Relevanz sind hierbei Verfahren, bei denen die Fluidverteilungsschicht aus Folien aufgebaut wird. Diese können entweder geprägte mit eingestanzten Durchbrüchen versehene Metallfolien oder Metallnetze mit Dicken-Strukturen im Mikrometerbereich sein oder über Extrusionsverfahren erzeugte Kunststofffolien oder Netze mit Dicken-Strukturen im Mikrometerbereich, beispielsweise unter Verwendung elektrisch leitender Kunststoffe. Erfindungsgemäß kann hier sowohl im Falle der Metallfolien beziehungsweise Metallnetze, als auch bezüglich der Kunststofffolien beziehungsweise Netze durch die Einbringung von Graphit/Ruß-Pulvern, zum Beispiel in Form einer Dispersion oder einer Suspension, eine deutliche Verbesserung der elektrischen Kontaktierung der Folien untereinander und mit der Bipolarplatte oder der CCM erreicht werden.
  • 10a zeigt den vertikalen Schnitt durch drei einseitig mit halbkreisförmigen Kanälen strukturierten Folien, die ihre Strukturierung alle auf der gleichen Seite aufweisen. Dadurch ergeben sich bezüglich der oberen Schicht 1a nach oben offene, halbkreisförmige Kanäle 26, während die Schichten 1b und 1c jeweils halbkreisförmige, von den angrenzenden Folien geschlossene Kanäle 27 aufweisen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind bei dieser und den folgenden Darstellungen die einzelnen Lagen der Fluidverteilungsschicht 1 abwechselnd schraffiert und unschraffiert ausgeführt. Zur vertikalen Verteilung des Fluids sind die Folien bei bestimmten Ausführungsformen mit Durchbrüchen 15 versehen.
  • 10b zeigt den vertikalen Schnitt durch einen Aufbau aus vier einseitig strukturierten Folien, die jedoch alternierend angeordnet sind, so dass sich bei exakter Aufeinanderlegung der Halbkanäle jeweils kreisförmige Kanäle 28 zwischen je zwei der einseitig strukturierten Folien ausbilden. Dabei bilden die Strukturen der Folien 1a und 1b jeweils Kanäle 28 und die der Folien 1c und 1d ebenfalls. Auch hier übernehmen Durchbrüche 15 die vertikale Verteilung des Fluids.
  • Zweiseitig strukturierte Folien sind in 10c als vertikaler Schnitt gezeigt, die exakt übereinander liegend dazu führen, dass sich außer den offenen Kanälen 26 an der Ober- und Unterseite der Fluidverteilungsschicht 1 nach oben und unten orientierte halbkreisförmige Kanäle 27 an den Übergängen der internen Folienoberflächen bilden. Analog zu 10b zeigt 10d eine Ausführungsform, bei der beidseitig strukturierte Folien aufgrund einer Versetzung der mittleren Folie 1b zur Ausbildung von Kanälen 28 mit kreisförmigem Querschnitt führen. Fertigungstechnisch lässt sich mit der beidseitig strukturierten Variante eine höhere Zahl an Kanälen pro Volumeneinheit erzeugen.
  • Im Falle der in der 11 gezeigten vertikalen Schnittansicht durch mikrostrukturierte Netzschichten ist eine Anordnung mit übereinander angeordneten Netzknotenpunkten 30 denkbar, wie in 11a gezeigt, oder eine Anordnung mit versetzt angeordneten Netzknotenpunkten 30, wie in 11b gezeigt. Die gestrichelten Linien 31 kennzeichnen dabei die Ebene der Netze, in denen die die Netze ausbildenden Strukturen liegen, darunter auch kanalartige Strukturen 32, die ein Durchleiten des Fluids gestatten.

Claims (24)

  1. Fluidverteilungsschicht (1), die ein dreidimensionales System umgrenzter Kanäle (1013, 15, 17, 18, 2125) zum Transport eines Fluids aufweist, wobei in unterschiedliche Dimensionen laufende Kanäle (1013, 15, 17, 18) an definierten Punkten (16, 20) in Fluidverbindung stehen, und das Kanalsystem auf einer ersten Oberfläche der Schicht (1) Ausgänge aufweist, so dass auf der anderen Oberfläche der Schicht ungleichmäßig zugeführtes Fluid vom Kanalsystem so verteilt wird, dass an allen Ausgängen des Kanalsystems auf der ersten Oberfläche der Schicht (1) Fluidströme austreten, die zu einem über die gesamte erste Oberfläche betracht im wesentlichen homogenen Fluidverteilungsmuster führen.
  2. Fluidverteilungsschicht (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich um die Ausgänge herum Verteilungsgradienten des Fluids entwickeln können, die zu Fluidströmen an Punkten auf der ersten Oberfläche von nicht mehr als 10 % Unterschied führen.
  3. Fluidverteilungsschicht (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (1) im wesentlichen parallel zu den Oberflächen der Schicht verlaufende Kanäle (10, 11, 12, 13) in mehreren Ebenen übereinander aufweist.
  4. Fluidverteilungsschicht (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie senkrecht oder schräg zu den Oberflächen der Schicht verlaufende Kanäle (15, 17, 18) aufweist.
  5. Fluidverteilungsschicht (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die senkrecht oder schräg verlaufenden Kanäle (15, 17, 18) die Schicht vollständig queren.
  6. Fluidverteilungsschicht (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Kanäle (12, 13, 2125) auf der Oberfläche ein geometrisches Muster bilden, bei dem die Kanäle eine vorgegebene, vorzugsweise gleichmäßige, Versorgung der Oberfläche mit Kanälen bewirken.
  7. Fluidverteilungsschicht (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das geometrische Muster der Kanäle (12, 13, 2125) ein Karomuster, eine Spirale, ein Spinnennetz, oder ein Muster paralleler Kanäle mit querlaufenden Endkanälen (22), in welche die parallelen Kanäle (21) münden, ist.
  8. Fluidverteilungsschicht (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (1) eine Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle ist.
  9. Fluidverteilungsschicht (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie elektrisch leitfähig ist.
  10. Fluidverteilungsschicht (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der Fluidtransportschicht hydrophil oder hydrophob sind.
  11. Fluidverteilungsschicht (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus aufeinander angeordneten Lagen (1a–d) mit Durchbrüchen oder Vertiefungen besteht, die zusammen das Kanalsystem ausbilden.
  12. Fluidverteilungsschicht (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus netzartigen Folien aufgebaut ist, deren Zwischenräume (32) zusammen das Kanalsystem bilden.
  13. Membranordnung, aufweisend eine für vorgegebene Substanzen durchlässige Membran (2, 6) und zumindest eine, auf einer Seite der Membran angebrachte Fluidverteilungsschicht (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12.
  14. Membrananordnung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in die Membran (2, 6) und/oder die zumindest eine Fluidverteilungsschicht Kanäle zur Fluidführung eingearbeitet sind.
  15. Membrananordnung gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle zur Fluidführung in die Membran (2, 6) eingelassene Kanäle (3) sind.
  16. Membrananordnung gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (4) in die Fluidverteilungsschicht eingelassen sind.
  17. Membrananordnung gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidverteilungsschicht (1) aus mehreren Elementen besteht, die so auf der Membran (2, 6) angeordnet sind, dass sich zwischen ihnen Kanäle (5) bilden.
  18. Membrananordnung gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (5) in Serpetinen verlaufen.
  19. Verfahren zur Herstellung einer Fluidverteilungsschicht gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, welches das Anordnen von Materialschichten (1a, 1b, 1c, 1d) aufeinander aufweist, die mit Durchbrüchen und/oder Vertiefungen an den Stellen vorgesehener Kanäle (26, 27, 28) versehen sind, wobei die Abfolge von Durchbrüchen in den einzelnen Schichten zusammen die Kanäle (26, 27, 28) bilden.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschichten mikrostrukturierte Folien oder Netze mit Durchbrüchen sind, die aufeinander gestapelt werden.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass mikrostrukturierte Folien oder Netze mittels eines Folienformgebungsverfahrens hergestellt sind, das ausgewählt ist aus Extrusion, Kaschierung, Prägung und Thermoformung.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche geprägt oder gestanzt werden.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschichten (1a–d) in situ gebildete Materialschichten sind.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die in situ Bildung durch lasergesteuerte Photopolymerisation erfolgt.
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