DE102018203826A1

DE102018203826A1 - Elektrochemischer Energiewandler mit reduziertem Übergangswiderstand

Info

Publication number: DE102018203826A1
Application number: DE102018203826.0A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Kneule; Arne Stephen Fischer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2019-09-19
Also published as: WO2019175014A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Energiewandler (1) in dem Gase erzeugt und/oder verbraucht werden, umfassend mindestens eine Medienverteilstruktur (6, 7) und mindestens eine Gasdiffusionslage (4, 5), wobei an den Kontaktbereichen (20) zwischen der Oberfläche der mindestens einen Medienverteilstruktur (6, 7) und der Oberfläche der mindestens einen Gasdiffusionslage (4, 5) ein flächiger, elektrisch leitfähiger Kontakt ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen elektrochemischen Energiewandlers (1) sowie dessen Verwendung.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Energiewandler mit einem reduzierten Übergangswiderstand zwischen verschiedenen Komponenten des elektrochemischen Energiewandlers, wie z.B. zwischen Medienverteilstruktur und Gasdiffusionslage. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen elektrochemischen Energiewandlers sowie dessen Verwendung.
Stand der Technik
Elektrochemische Energiewandler sind elektrochemische Zellen, die in der Lage sind chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln und/oder elektrische Energie in chemische Energie umzuwandeln. Bekannte elektrochemische Energiewandler sind beispielsweise Brennstoffzellen und Elektrolyseure. Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) in Wasser (H₂O), elektrische Energie und Wärme gewandelt. Ein Elektrolyseur ist ein elektrochemischer Energiewandler, welcher Wasser (H₂O) mittels elektrischer Energie in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) spaltet.
Häufig werden bei dem Betrieb der elektrochemischen Energiewandler Gase erzeugt (Elektrolyseur) oder verbraucht (Brennstoffzelle). Die jeweilige Reaktion findet an einer zentral im elektrochemischen Energiewandler angeordneten Membran statt. Um die Gase zu der Membran in dem elektrochemischen Energiewandler zu leiten (bzw. von der Membran wegzuleiten), umfassen diese üblicherweise mindestens eine Medienverteilstruktur sowie mindestens eine zwischen der Medienverteilstruktur und der Membran angeordnete Gasdiffusionslage. Die Medienverteilstruktur übernimmt dabei die grobe Verteilung der Gase in dem elektrochemischen Energiewandler, welche dann durch die Gasdiffusionslage gleichmäßiger verteilt und in einer Brennstoffzelle definiert zur Membran geführt werden bzw. in einem Elektrolyseur von dieser abgeführt werden.
An der Membran findet die eigentliche elektrochemische Reaktion statt. Um einen möglichst guten Grad der Energieumwandlung zu erreichen, ist es essentiell, dass die elektrische Leitfähigkeit der Medienverteilstrukturen und der Gasdiffusionslagen möglichst hoch ist. Kritisch ist hier insbesondere der Kontaktwiderstand zwischen der Medienverteilstruktur und der Gasdiffusionslage. Dieser wird häufig auch als Übergangswiderstand bezeichnet. Stoffschlüssige Verbindungen, die durch Schweißen, Löten oder Sintern erzielt werden, haben einen geringen Kontaktwiderstand zwischen den zu verbindenden Komponenten zur Folge, sind in der Regel jedoch nur dann möglich, wenn die mindestens eine Medienverteilstruktur und die mindestens eine Gasdiffusionslage aus demselben Material gefertigt sind. Sind diese Komponenten aus unterschiedlichen Materialien hergestellt, hat dies häufig einen hohen Übergangswiderstand zur Folge.
DE 11 2004 001 443 B4 offenbart die Verbindung der Anoden- und der Kathodenseite von Bipolarplatten mittels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs.
DE 43 14 745 C1 beschreibt eine Brennstoffzelle, die aus einem thermoplastischen Grundpolymer gefertigt ist, und in der ein Stromableiter und ein Gasverteilerring durch Verkleben oder Verschweißen miteinander verbunden sein können.
E. Firat et al. beschreiben ein Verfahren zur Montage graphitischer Brennstoffzellenstapel, wobei unter anderem die Gasdiffusionslage und die Bipolarplatte durch eine umlaufende Klebstoffschicht verbunden werden und der Klebstoff elektrisch leitfähig ist (Poster von E. Firat, S. Brokamp, P. Beckhaus, A. Heinzel, C. Tzschoch, K. Dilger, 9. Workshop „AiF-Brennstoffzellenallianz“ 2016 - Mittelstandsforschung für die Energiewende; 21. Juni 2016, ZBT, Duisburg).
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Energiewandler, in dem Gase erzeugt und/oder verbraucht werden, umfassend mindestens eine Medienverteilstruktur und mindestens eine Gasdiffusionslage, wobei an den Kontaktbereichen zwischen der Oberfläche der mindestens einen Medienverteilstruktur und der Oberfläche der mindestens einen Gasdiffusionslage ein flächiger, elektrisch leitfähiger Kontakt ausgebildet ist.
Erfindungsgemäße elektrochemische Energiewandler sind sämtliche elektrochemischen Zellen, in denen chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird oder elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt wird, wobei Gase erzeugt und/oder verbraucht werden. Beispiele für solche elektrochemischen Energiewandler sind Brennstoffzellen und Elektrolyseure. Stärker bevorzugt sind Brennstoffzellen oder Elektrolyseure, die mindestens eine Polymermembran umfassen. Die Polymermembran kann leitfähig gegenüber Protonen oder Hydroxid-Ionen sein. Geeignete Protonenaustauschmembranen (Proton-Exchange-Membran, PEM) und Hydroxidionenaustauschmembranen (Hydroxy-Exchange-Membran, HEM) sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Der elektrochemische Energiewandler umfasst typischerweise mindestens eine Anodenseite und mindestens eine Kathodenseite. Sowohl auf der Anodenseite, als auch auf der Kathodenseite befinden sich jeweils mindestens eine Struktur zur Grobverteilung der Medien (sog. Medienverteilstruktur), mindestens eine Struktur zur Feinverteilung der Medien (sog. Gasdiffusionslage), sowie eine Elektrode, welche sich unmittelbar an der Membran befindet. Üblicherweise sind die Medienverteilstruktur, die Gasdiffusionslage und die Elektrode jeweils elektrisch leitfähig.
Die Medienverteilstruktur weist jeweils mindestens eine Struktur auf, die es ermöglicht fluide Medien gleichmäßig zu verteilen. In einer Ausführungsform ist die Medienverteilstruktur beispielsweise als Bipolarplatte ausgestaltet. Die Medienverteilstruktur dient in einer Brennstoffzelle einerseits der Verteilung des Brennstoffs auf der Anodenseite bzw. des Oxidationsmittels auf der Kathodenseite. Darüber hinaus ist es möglich unter Verwendung einer entsprechend ausgebildeten Medienverteilstruktur einen Kühlkreislauf zu etablieren, um so ggf. entstehende Wärmeenergie aus der Brennstoffzelle abzuleiten. Der Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel werden durch Anschlussstellen in die Medienverteilstruktur eingeleitet und verteilt.
Zur weiteren (feineren) Verteilung des Brennstoffs und des Oxidationsmittels wird der Brennstoff an der Anodenseite in eine poröse Gasdiffusionslage eingeleitet. Ebenso wird das Oxidationsmittel an der Kathodenseite in eine poröse Gasdiffusionslage eingeleitet. Die Gasdiffusionslagen verteilen die Gase gleichmäßig und transportieren diese zur Membran, welche zwischen den Gasdiffusionslagen angeordnet ist und Anoden- und Kathodenseite voneinander trennt. Die Gasdiffusionslagen sind ebenfalls elektrisch leitfähig.
In einem Elektrolyseur dient die Medienverteilstruktur zur Verteilung des mittels Elektrolyse zu zersetzenden Mediums bzw. des Abtransports der entstehenden Reaktionsprodukte, insbesondere Gase. Darüber hinaus ist es möglich unter Verwendung einer entsprechend ausgebildeten Medienverteilstruktur einen Kühlkreislauf zu etablieren, um so ggf. entstehende Wärme aus dem Elektrolyseur abzuleiten. In der Regel ist die Wärmeentwicklung bei der Elektrolyse jedoch gering, sodass ein Kühlkreislauf häufig nicht benötigt wird. Durch Anschlussstellen der Medienverteilstruktur können die Edukte eingeleitet und verteilt sowie die Produkte entnommen werden.
Auch der Elektrolyseur verfügt über poröse Gasdiffusionslagen, welche zur weiteren Verteilung der Edukte zur Membran bzw. zur Ableitung der Produkte von der Membran dienen. Die Gasdiffusionslagen sind ebenfalls elektrisch leitfähig.
Die Medienverteilstrukturen der elektrochemischen Energiewandler sind aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt. Hierbei kann es sich um ein Metall, eine Metalllegierung, ein elektrisch leitfähiges Polymer oder auch um eine elektrisch leitfähige Kohlenstoffverbindung handeln. Als elektrisch leitfähige Metalle und Metalllegierungen sind insbesondere Eisen, Titan, Kupfer, Nickel, Aluminium sowie Legierungen der genannten Metalle zu nennen. Elektrisch leitfähige Polymere umfassen Polymere, die aufgrund ihrer chemischen Struktur elektrisch leitfähig sind (intrinsische Leitfähigkeit), insbesondere Polymere, die konjugierte Doppelbindungen enthalten. Als Beispiele sind Polypyrrol, Polythiophen, Polyanilin, Polyparaphenylen, Polyacetylen, Polyethin, sowie Derivate und Copolymere der vorgenannten. Diese können auch dotiert sein. Darüber hinaus können leitfähige Polymere durch den Zusatz leitfähiger Additive zu einem nicht elektrisch leitfähigen Polymer erhalten werden, insbesondere durch Zusatz von Partikeln aus Metall, Ruß und/oder Graphit und/oder Graphen, Kohlenstofffasern, Kohlenstoffnanoröhrchen, sowie durch den Zusatz von Partikeln und/oder Fasern der zuvor genannten intrinsisch leitfähigen Polymere. Diese leitfähigen Additive sind vorzugsweise gleichmäßig in dem nicht elektrisch leitfähigen Polymer verteilt. Als elektrisch leitfähige Kohlenstoffverbindungen sind insbesondere Graphit und Graphen zu nennen. Zudem können die vorgenannten Polymere, welche bereits eine intrinsische elektrische Leitfähigkeit besitzen, durch den Zusatz der vorgenannten leitfähigen Additive hinsichtlich ihrer elektrischen Leitfähigkeit verbessert werden.
Die Gasdiffusionslagen sind üblicherweise aus elektrisch leitfähigen Polymeren oder elektrisch leitfähigen Kohlenstoffverbindungen gefertigt. Geeignete elektrisch leitfähige Polymere umfassen hier ebenfalls Polymere, die aufgrund ihrer Struktur elektrisch leitfähig sind (intrinsische Leitfähigkeit), insbesondere Polymere, die konjugierte Doppelbindungen enthalten. Als Beispiele sind Polypyrrol, Polythiophen, Polyanilin, Polyparaphenylen, Polyacetylen, Polyethin, sowie Derivate und Copolymere der vorgenannten. Diese können auch dotiert sein. Darüber hinaus können leitfähige Polymere durch den Zusatz leitfähiger Additive zu einem nicht elektrisch leitfähigen Polymer erhalten werden, insbesondere durch Zusatz von Partikeln aus Metall, Ruß und/oder Graphit, Graphen, Kohlenstoffnanoröhrchen Kohlenstofffasern, sowie durch den Zusatz von Partikeln und/oder Fasern der zuvor genannten intrinsisch leitfähigen Polymere. Dabei kommen auch Mischungen der zuvor genannten Materialien/Partikel in Frage. Diese leitfähigen Additive sind vorzugsweise gleichmäßig in dem nicht elektrisch leitfähigen Polymer verteilt. Als elektrisch leitfähige Kohlenstoffverbindungen sind insbesondere Graphit und Graphen zu nennen. Zudem können die vorgenannten Polymere, welche bereits eine intrinsische elektrische Leitfähigkeit besitzen, durch den Zusatz der vorgenannten leitfähigen Additive hinsichtlich ihrer elektrischen Leitfähigkeit verbessert werden.
Die Gasdiffusionslagen weisen eine wenigstens teilweise poröse Struktur auf. Die mittleren Durchmesser der Poren der Gasdiffusionslagen liegen hierbei typischerweise in einem Bereich von 1 bis 500 µm. Häufig sind die Gasdiffusionslagen aus Kohlenstoffpapier oder Gewebe gefertigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Medienverteilstruktur und die Gasdiffusionslage aus unterschiedlichen Materialien gefertigt. Dies ist häufig der Fall, da die Medienverteilstruktur und die Gasdiffusionslage unterschiedliche Aufgaben erfüllen. Beispielsweise gibt die Medienverteilstruktur dem elektrochemischen Energiewandler zusätzliche Stabilität und muss gegebenenfalls das Kühlmedium sicher vom Reaktionsraum trennen. Zudem ist zum Abführen der Reaktionswärme als Material für die Medienverteilstruktur ein Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit bevorzugt. Häufig ist die Medienverteilstruktur daher aus einem Metall oder einer Metalllegierung gefertigt, während die Gasdiffusionslage aus einem elektrisch leitfähigen Polymer und/oder einer elektrisch leitfähigen Kohlenstoffverbindung gefertigt ist.
Die Gasdiffusionslage und die Medienverteilstruktur sind benachbart zueinander angeordnet. Durch die individuelle Ausgestaltung beider Komponenten ergeben sich Kontaktbereiche und Bereiche in denen kein unmittelbarer Kontakt besteht. In erster Linie wird dies durch die Medienverteilstruktur erreicht, welche Strukturen zur Verteilung eines Fluids entlang einer Oberfläche der Gasdiffusionslage umfasst. Zwischen diesen Strukturen besteht kein unmittelbarer Kontakt zwischen der Oberfläche der Gasdiffusionslage und der Oberfläche der Medienverteilstruktur. In den weiteren Bereichen der Medienverteilstruktur besteht ein unmittelbarer mechanischer Kontakt zwischen der Oberfläche der Gasdiffusionslage und der Oberfläche der Medienverteilstruktur. Diese Bereiche werden nachfolgend auch Kontaktbereiche genannt. Aufgrund der porösen Struktur der Gasdiffusionslage ist die tatsächliche Fläche die für den elektrischen Kontakt zu Verfügung steht in den Kontaktbereichen im Vergleich zu nicht-porösen Materialien geringer. Der Kontaktwiderstand d.h. der elektrische Widerstand in diesen Kontaktbereichen ist vergleichsweise hoch und kann insbesondere beispielsweise durch Oxidation und andere chemische Veränderungen der Oberfläche der Medienverteilstruktur und/oder der Gasdiffusionslage im Verlauf der Nutzungsdauer weiter ansteigen.
Der erfindungsgemäße elektrochemische Energiewandler löst dieses Problem, indem an den Kontaktbereichen zwischen der Oberfläche der mindestens einen Medienverteilstruktur und der Oberfläche der mindestens einen Gasdiffusionslage ein flächiger, elektrisch leitfähiger Kontakt ausgebildet ist. Der flächige, elektrisch leitfähige Kontakt im Sinne dieser Erfindung ist ein elektrisch leitfähiger Kontakt, welcher nicht punktuell auf unmittelbare Kontaktpunkte zwischen der Oberfläche der mindestens einen Medienverteilstruktur und der Oberfläche der mindestens einen Gasdiffusionslage begrenzt ist, sondern sich durch ein Kontaktierungsmittel zwischen den einzelnen Kontaktpunkten auch auf die umliegenden Bereiche erstreckt. So wird der Kontaktwiderstand des elektrochemischen Energiewandlers signifikant reduziert und langfristig stabilisiert.
Vorzugsweise erstreckt sich der flächige, elektrisch leitfähige Kontakt an den Kontaktbereichen über die gesamte Fläche der einzelnen Kontaktbereiche (Kontaktfläche). In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist der flächige, elektrisch leitfähige Kontakt an sämtlichen Kontaktbereichen zwischen der Oberfläche der mindestens einen Medienverteilstruktur und der Oberfläche der mindestens einen Gasdiffusionslage ausgebildet. Dies ermöglicht eine größtmögliche Reduzierung des Kontaktwiderstands. In einer Ausführungsform ist der flächige, elektrisch leitfähige Kontakt somit über die gesamte Summe der Kontaktflächen der Kontaktbereiche zwischen der mindestens einen Medienverteilstruktur und der mindestens einen Gasdiffusionslage ausgebildet.
In einer Ausführungsform ist der der flächige, elektrisch leitfähige Kontakt in Form einer elektrisch leitfähigen stoffschlüssigen Verbindung ausgebildet. Unter einer stoffschlüssigen Verbindung ist eine Verbindung zu verstehen, bei der die Verbindungspartner durch atomare oder molekulare Kräfte zusammengehalten werden. Eine stoffschlüssige Verbindung ist nicht lösbar und lässt sich nur durch Zerstörung des Verbindungsmittels trennen.
In einer alternativen Ausführungsform ist der flächige, elektrisch leitfähige Kontakt in Form eines lösbaren, elektrisch leitfähigen Kontakts ausgebildet.
Der flächige, elektrisch leitfähige Kontakt wird vorzugsweise durch ein elektrisch leitfähiges Material als Kontaktierungsmittel ausgebildet. Dieses Material zeichnet sich vorzugsweise dadurch aus, dass es unter Bedingungen, bei denen die mindestens eine Gasdiffusionslage und die mindestens eine Medienverteilstruktur mechanisch stabil sind, mindestens teilweise plastisch verformbar ist. So wird gewährleistet, dass bei der Herstellung des elektrochemischen Energiewandlers ein inniger Kontakt zwischen der Oberfläche der Gasdiffusionslage bzw. der Oberfläche der Medienverteilstruktur und des elektrisch leitfähigen Materials erzielt werden kann und sich das Kontaktierungsmittel an die Oberfläche der der Gasdiffusionslage bzw. der Oberfläche der Medienverteilstruktur anschmiegt. Darüber hinaus ist das elektrisch leitfähige Material unter Betriebsbedingten des elektrochemischen Energiewandlers vorzugsweise chemisch und mechanisch stabil. Das bedeutet, dass das elektrisch leitfähige Material während des Betriebs des elektrochemischen Energiewandlers im Wesentlichen keine chemischen Reaktionen eingeht und mechanisch nicht wesentlich verformt wird.
Das elektrisch leitfähige Material weist eine gute elektrische Leitfähigkeit auf, vorzugsweise von mindestens 0,1 S/cm, stärker bevorzugt mindestens 1 S/cm und insbesondere mindestens 10 S/cm, bei 20°C.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem elektrisch leitfähigen Material um ein Material auf Basis eines Polymers mit einem Molekulargewicht von mindestens 500 g/mol, vorzugsweise mindestens 750 g/mol und insbesondere mindestens 1000 g/mol (gemessen mit Gelpermeationschromatographie).
Besonders bevorzugt weist das elektrisch leitfähige Material mindestens während des Betriebs des erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiewandlers in einem Bereich von -40 bis 120°C eine Viskosität von mindestens 10⁴ Pa s, stärker bevorzugt mindestens 10⁵ Pa s, und insbesondere mindestens 10⁶ Pa·s auf. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass zur Herstellung des erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiewandlers ein elektrisch leitfähiges Material eingesetzt wird, dessen Viskosität entweder bereits die genannten Anforderungen erfüllt, oder dass Herstellung des erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiewandlers ein elektrisch leitfähiges Material eingesetzt wird, dessen Viskosität ggf. nachfolgend durch Härtungsprozesse erhöht wird. Geeignete Härtungsprozesse umfassen dabei insbesondere physikalische Verfahren, wie das Erstarren einer Materialschmelze oder das Verdampfen eines Lösungsmittels und chemische Verfahren, wie das chemische Vernetzen eines chemisch reaktionsfähigen Materials.
Geeignete Materialien umfassen Polymere, die aufgrund ihrer Struktur elektrisch leitfähig sind (intrinsische Leitfähigkeit), insbesondere Polymere, die konjugierte Doppelbindungen enthalten. Als Beispiele sind Polypyrrol, Polythiophen, Polyanilin, Polyparaphenylen, Polyacetylen, Polyethin, sowie Derivate und Copolymere der vorgenannten. Diese können auch dotiert sein.
Darüber hinaus können leitfähige Polymere durch den Zusatz leitfähiger Additive zu einem nicht elektrisch leitfähigen Polymer erhalten werden, insbesondere durch Zusatz Partikeln aus Metall, Ruß und/oder Graphit, Kohlenstofffasern, sowie durch den Zusatz von Partikeln und/oder Fasern der zuvor genannten intrinsisch leitfähigen Polymere. Geeignet sind insbesondere Partikel der vorgenannten Materialien, insbesondere Metallpartikel, mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 10 bis 1000 nm, vorzugsweise 100 bis 500 nm.
Die elektrisch leitfähigen Additive werden dem Polymer vorzugsweise in einer Menge von 1 bis 95 Gew.-%, stärker bevorzugt 5 bis 90 Gew.-% und insbesondere 10 bis 85 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des elektrisch leitfähigen Materials, zugegeben und ist vorzugsweise gleichmäßig darin verteilt.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden dem nicht elektrisch leitfähigen Polymer Metall-haltige, elektrisch leitfähige Additive vorzugsweise in einer Menge von 1 bis 95 Gew.-%, stärker bevorzugt 30 bis 90 Gew.-% und insbesondere 50 bis 85 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des elektrisch leitfähigen Materials, zugegeben. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden dem nicht elektrisch leitfähigen Polymer Metall-freie, elektrisch leitfähige Additive vorzugsweise in einer Menge von 1 bis 95 Gew.-%, stärker bevorzugt 5 bis 75 Gew.-% und insbesondere 20 bis 60 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des elektrisch leitfähigen Materials, zugegeben. Metall-haltige, elektrisch leitfähige Additive in Sinne dieser Erfindung sind dabei Additive, welche Metallatome oder Metallionen in jeglicher Form umfassen. Metall-freie, elektrisch leitfähige Additive in Sinne dieser Erfindung sind dabei Additive, welche im Wesentlichen frei von Metallatomen oder Metallionen sind, d.h. weniger als 5 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 2 Gew.-%, und insbesondere weniger als 1 Gew.-% an Metallatomen oder Metallionen umfassen. Als Metall-freie, elektrisch leitfähige Additive sind insbesondere Ruß und/oder Graphit, Kohlenstofffasern, sowie durch den Zusatz von Partikeln und/oder Fasern der zuvor genannten intrinsisch leitfähigen Polymere zu nennen.
Geeignete nicht elektrisch Leitfähige Polymere umfassen insbesondere Polyolefine, wie Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, und Copolymere der genannten, Polyester, wie Polyethylenterephthalat, Polycarbonate, Polyether wie Polyepoxide, Polysulfone, Polyethersulfone, Polyetherketone, sowie Mischungen der genannten. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße elektrisch leitfähige Material mindestens ein Polyolefin insbesondere ein Polyethylen oder Polypropylen, mit einem gewichtsgemittelten Molekulargewicht Mw von 1000 g/mol bis 100.000 g/mol (gemessen mit Gelpermeationschromatographie in Trichlorbenzol gegen einen Polystyrol-Standard), sowie mindestens ein Additiv, insbesondere Metallpartikel, Ruß oder Graphit. Die Metallpartikel sind vorzugsweise ausgewählt aus Kupfer-, Nickel- und/oder Aluminium-Partikeln.
Zudem können als geeignete Materialien die vorgenannten Polymere, welche bereits eine intrinsische elektrische Leitfähigkeit besitzen, eingesetzt werden, wobei deren elektrischen Leitfähigkeit durch den Zusatz der vorgenannten leitfähigen Additive verbessert weiter verbessert wurde. Hier sind bereits geringe Mengen an Additiven in der Regel ausreichend.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das elektrisch leitfähige Material zusätzlich korrosionsschützende Eigenschaften auf. Dies wird vorzugsweise dadurch erzielt, dass das elektrisch leitfähige Material hydrophob ist, und so das Eindringen korrodierender Medien wie Wasser oder Säuren unterdrückt. Zudem ist das elektrisch leitfähige Material vorzugsweise chemisch weitgehend inert. So kann die Oxidation bzw. Korrosion der Kontaktflächen mindestens eines Teils der Oberflächen der Gasdiffusionslage und/oder der Medienverteilerstruktur reduziert oder sogar verhindert werden. Der Kontaktwiderstand kann so langfristig stabil auf einem niedrigen Niveau gehalten werden. Diese Eigenschaften werden insbesondere durch die zuvor beschriebenen Polyolefine erfüllt.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das elektrisch leitfähige Material mindestens einen Kleber auf Epoxidharzbasis. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass sie chemisch sehr inert sind und die darunterliegenden Flächen gut vor Korrosion schützen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind weitere Kontaktbereiche in dem elektrochemischen Energiewandler, welche eine hohe elektrische Leitfähigkeit gewährleisten müssen, ebenfalls mit dem erfindungsgemäßen elektrisch leitfähigen Material versehen, um so einen flächigen, elektrisch leitfähigen Kontakt zu erreichen. Vorzugsweise sind sämtliche Kontaktbereiche in dem elektrochemischen Energiewandler, welche eine hohe elektrische Leitfähigkeit gewährleisten müssen, ebenfalls mit dem erfindungsgemäßen elektrisch leitfähigen Material versehen.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Energiewandlers, wobei das Verfahren mindestens die folgenden Schritte umfasst:

(i) Bereitstellen mindestens einer Medienverteilstruktur und mindestens einer Gasdiffusionslage;
(ii) Beschichten mindestens der Bereiche der mindestens einen Medienverteilstruktur und/oder der mindestens einen Gasdiffusionslage mit einem elektrisch leitfähigen, plastisch verformbaren Material, welche nach dem Zusammenfügen der mindestens einen Medienverteilstruktur und der mindestens einen Gasdiffusionslage in dem elektrochemischen Energiewandler die Kontaktbereiche zwischen beiden ausbilden;
(iii) Zusammenfügen der mindestens einen Medienverteilstruktur und der mindestens einen Gasdiffusionslage, um so einen flächigen, elektrisch leitfähigen Kontakt zwischen der mindestens einen Medienverteilstruktur und der mindestens einen Gasdiffusionslage zu erzielen, welcher durch das mindestens eine elektrisch leitfähige, plastisch verformbare Material ausgebildet wird, wobei das Zusammenfügen gegebenenfalls unter Einwirkung von erhöhtem Druck und/oder erhöhter Temperatur erfolgen kann; und
(iv) gegebenenfalls Härten des elektrisch leitfähigen, plastisch verformbaren Materials, wobei das Härten physikalisch (z.B. durch Erstarren einer Materialschmelze) oder chemisch (z.B. durch chemisches Vernetzen eines chemisch reaktionsfähigen Materials) erfolgen kann.

Bezüglich der einzelnen Komponenten gelten die zuvor gemachten Angaben. Die ausgewählte Temperatur liegt in einem Bereich, in dem das Medienverteilstruktur und das Material der Gasdiffusionslage mechanisch stabil ist. Vorzugsweise liegt die Temperatur in einem Bereich von -40 bis 200°C, insbesondere in einem Bereich von -40 bis 150°C. Der ausgewählte Druck liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0 bis 1 MPa, insbesondere 0,1 bis 0,7 MPa. Druck und Temperatur werden dabei insbesondere so aufeinander abgestimmt, dass ein inniger Kontakt zwischen der Oberfläche der Gasdiffusionslage und dem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet wird, ohne dass das elektrisch leitfähige Material die Poren der Gasdiffusionslage füllt. Vorzugsweise dringt das elektrisch leitfähige Material nicht mehr als bis zu einer Tiefe von 20 %, stärker bevorzugt 10 %, insbesondere 5 %, bezogen auf die Schichtdicke der gesamten Gasdiffusionslage in die Poren derselben ein. In einer bevorzugten Ausführungsform dringt das elektrisch leitfähige Material nicht mehr als bis zu einer Tiefe von 5 %, stärker bevorzugt 2 %, insbesondere 1 %, bezogen auf die Schichtdicke der gesamten Gasdiffusionslage in die Poren derselben ein
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiewandlers zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie und/oder zur Umwandlung elektrischer Energie in chemische Energie.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße elektrochemische Energiewandler zeichnet sich sowohl initial als auch dauerhaft im Betrieb durch einen reduzierten Widerstand zwischen der Medienverteilstruktur und der Gasdiffusionslage aus. Dies bietet insbesondere in Fällen, in denen die Medienverteilstruktur und die Gasdiffusionslage aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind und ein ausreichender elektrisch leitfähiger Kontakt nicht durch herkömmliche Fertigungstechniken wie Schweißen oder Löten erreicht werden kann, große Vorteile. Zudem ist der erfindungsgemäße elektrochemische Energiewandler in einem einfachen Verfahren herstellbar, welches problemlos in bestehende Verfahren zur Herstellung von Brennstoffzellen oder Elektrolyseure integriert werden kann. Darüber hinaus erlaubt der erfindungsgemäße elektrochemische Energiewandler bei seiner Herstellung eine größere Fertigungstoleranz, da das eingesetzte elektrisch leitfähige Material einen Ausgleich über einen breiteren Toleranzberiech ermöglicht.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen elektrochemischen Energiewandlers am Beispiel eines Bren nstoffzellenstapels,
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiewandlers am Beispiel eines Bren nstoffzellenstapels.

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 Zeichnungen stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
1 stellt schematisch einen Ausschnitt aus einem herkömmlichen elektrochemischen Energiewandler 1 dar. Dieser ist beispielhaft dargestellt in Form eines Brennstoffzellenstapels, umfassend eine Vielzahl einzelner Brennstoffzellen 2. Vorliegend sind zwei Brennstoffzellen 2 dargestellt Jede Brennstoffzelle 2 umfasst dabei eine zentrale Membran 3 welche für Protonen oder Hydroxidionen durchlässig ist. Auf einer Oberfläche der Membran 3 ist flächig eine Gasdiffusionslage 4 angeordnet. Auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Membran 3 ist ebenfalls flächig eine Gasdiffusionslage 5 angeordnet. Diese Gasdiffusionslagen 4, 5 dienen dazu, die Reaktionspartner, beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff, von den unterschiedlichen Seiten gleichmäßig verteilt an die Membran 3 heranzuführen. Zudem werden die Reaktionsprodukte, beispielsweise Wasser, welches bei der Umsetzung von Sauerstoff und Wasserstoff gebildet wird, durch mindestens eine der Gasdiffusionslagen 4 bzw. 5 von der Membran 3 abtransportiert. Die Reaktionspartner werden durch die Medienverteilstruktur 6 bzw. die Medienverteilstruktur 7 in die Brennstoffzelle eingespeist und gleichmäßig zu den Gasdiffusionslagen 4 bzw. 5 geleitet. Dies geschieht über die Kanäle 10 bzw. 11, die zwischen der Oberfläche der Medienverteilstrukturen 6 bzw. 7 und der Oberfläche der Gasdiffusionslagen 4 bzw. 5 ausgebildet sind. Die Kanäle 10 bzw. 11 werden durch Kontaktbereiche 20 voneinander abgegrenzt, in denen ein direkter Kontakt zwischen der Oberfläche der Medienverteilstruktur 6 bzw. 7 und der Oberfläche der Gasdiffusionslagen 4 bzw. 5 besteht. In der Regel umfassen die Medienverteilstrukturen 6 bzw. 7 zusätzlich zu den Kanälen 10 bzw. 11 weitere Kanäle 12, welche von einem Temperiermittel, insbesondere einem Kühlmittel durchströmt werden können. Dies dient dazu die entstehende Reaktionswärme aus der Brennstoffzelle 2 zu entfernen. Die Kanäle 12 stehen in keinem direkten Kontakt zu den Kanälen 10 bzw. 11 oder den Gasdiffusionslagen 4 bzw. 5. Die Wärmeübertragung findet über das Material statt, aus dem die Medienverteilstrukturen 6 bzw. 7 gefertigt sind. Das Temperiermittel kann somit nicht in die Gasdiffusionslagen 4 bzw. 5 eintreten.
Die Gasdiffusionslagen 4 bzw. 5 sind üblicherweise aus einem porösen, elektrisch leitfähigen Material gefertigt. Häufig wird ein elektrisch leitfähiges Polymer oder Graphit eingesetzt. Die Medienverteilstrukturen 6 bzw. 7 sind üblicherweise aus einem nicht porösen, elektrisch leitfähigen und thermisch leitfähigen Material gefertigt. Häufig wird ein Metall oder eine Metalllegierung ei ngesetzt.
Die Kontaktbereiche 20 dienen neben der mechanischen Stabilisierung des elektrochemischen Energiewandlers 1 unter anderem dazu, einen elektrisch leitenden Kontakt zwischen den elektrisch leitfähigen Gasdiffusionslagen 4 bzw. 5 und den elektrisch leitfähigen Medienverteilstrukturen 6 bzw. 7 herzustellen. Dieser ist notwendig, um den an der Membran 3 entstehenden elektrischen Strom abzutransportieren. Sind die Gasdiffusionslagen 4 bzw. 5 und die Medienverteilstrukturen 6 bzw. 7 aus unterschiedlichen Materialien gefertigt, so kann kein ausreichender elektrisch leitfähiger Kontakt an den Kontaktbereichen 20 ausgebildet werden, da die Bereiche z.B. nicht miteinander verschweißt oder verlötet werden können. Das hat einen hohen elektrischen Widerstand zur Folge (hierin auch als Übergangswiderstand oder Kontaktwiderstand bezeichnet), der die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle mindert.
Die in 1 gezeigte schematische Darstellung kann auch auf andere elektrochemische Energiewandler übertragen werden, insbesondere auf Elektrolyseure. Diese weisen prinzipiell dieselbe Struktur auf und verzichten nur häufig auf die Kanäle 12, da bei der Elektrolyse häufig keine Kühlung benötigt wird. Es ist allerdings auch möglich, eine Brennstoffzelle 2 als Elektrolyseur zu betreiben.
2 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiewandlers 1, ebenfalls dargestellt in Form eines Brennstoffzellenstapels, welcher eine Vielzahl von Brennstoffzellen 2 umfasst. Der erfindungsgemäße elektrochemische Energiewandler 1 unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten herkömmlichen elektrochemischen Energiewandler 1 dadurch, dass im Kontaktbereich 20 zwischen der Oberfläche der Gasdiffusionslagen 4 bzw. 5 und der Medienverteilstrukturen 6 bzw. 7 ein elektrisch leitfähiges Material 30 angeordnet ist. Das elektrisch leitfähige Material 30 ist vorzugsweise wenigstens während der Herstellung des erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiewandlers 1 plastisch verformbar und weist zudem vorzugsweise korrosionshemmende Eigenschaften auf. Die elektrische Leitfähigkeit des elektrisch leitfähigen Materials 30 beträgt vorzugsweise mindestens 0,1 S/cm, stärker bevorzugt mindestens 1 S/cm und insbesondere mindestens 10 S/cm, bei 20°C. Das elektrisch leitfähige Material 30 umfasst beispielsweise ein Polyolefin, insbesondere ein Polyethylen oder Polypropylen, mit einem gewichtsgemittelten Molekulargewicht Mw von 1000 g/mol bis 100.000 g/mol (gemessen mit Gelpermeationschromatographie in Trichlorbenzol gegen einen Polystyrol-Standard), welches 10 bis 85 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des elektrisch leitfähigen Materials 30, an Kupferpartikeln mit einer mittleren Teilchengröße von 100 bis 500 nm umfasst. Dieses elektrisch leitfähige Material 30 stellt so einen hervorragenden elektrischen Kontakt zwischen den Gasdiffusionslagen 4 bzw. 5 und den Medienverteilstrukturen 6 bzw. 7 her, indem ein inniger, flächiger Kontakt an den Kontaktbereichen 20, vorzugsweise an sämtlichen Kontaktbereichen 20, ausgebildet wird. Zudem ist das elektrisch leitfähige Material 30 hydrophob und bildet durch diese Eigenschaft eine korrosionshemmende Beschichtung, da das Wasser, welches während des Betriebs der Brennstoffzelle in dieser gebildet wird, im Bereich der Kontaktbereiche 20 nicht mit den Oberflächen der Gasdiffusionslagen 4 bzw. 5 und /oder der Medienverteilstrukturen 6 bzw. 7 in Kontakt treten und diese korrodieren kann.
Auch der erfindungsgemäße elektrochemische Energiewandler gemäß 2 kann sowohl als Brennstoffzelle als auch als Elektrolyseur betrieben werden. Im Falle der Verwendung als Elektrolyseur sind die Kanäle 12, in denen Kühlmittelt durch den Energiewandler strömt, nicht zwingend erforderlich.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 112004001443 B4 [0005]
DE 4314745 C1 [0006]

Claims

Elektrochemischer Energiewandler (1) in dem Gase erzeugt und/oder verbraucht werden, umfassend mindestens eine Medienverteilstruktur (6, 7) und mindestens eine Gasdiffusionslage (4, 5), wobei an den Kontaktbereichen (20) zwischen der Oberfläche der mindestens einen Medienverteilstruktur (6, 7) und der Oberfläche der mindestens einen Gasdiffusionslage (4, 5) ein flächiger, elektrisch leitfähiger Kontakt ausgebildet ist.
Elektrochemischer Energiewandler (1) nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Medienverteilstruktur (6, 7) und die mindestens eine Gasdiffusionslage (4, 5) aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind.
Elektrochemischer Energiewandler (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der flächig, elektrisch leitfähige Kontakt durch ein Kontaktierungsmittel ausgebildet ist.
Elektrochemischer Energiewandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der elektrisch leitfähige Kontakt an sämtlichen Kontaktbereichen (20) zwischen der Oberfläche der mindestens einen Medienverteilstruktur (6, 7) und der Oberfläche der mindestens einen Gasdiffusionslage (4, 5) ausgebildet ist.
Elektrochemischer Energiewandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der elektrisch leitfähige Kontakt sich über die gesamte Summe der Kontaktbereiche (20) zwischen der Oberfläche der mindestens einen Medienverteilstruktur (6, 7) und der Oberfläche der mindestens einen Gasdiffusionslage (4, 5) ausgebildet ist.
Elektrochemischer Energiewandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der elektrisch leitfähige Kontakt durch ein elektrisch leitfähiges Material (30) ausgebildet wird.
Elektrochemischer Energiewandler (1) nach Anspruch 6, wobei das elektrisch leitfähige Material (30) zusätzlich korrosionsschützende Eigenschaften hat.
Elektrochemischer Energiewandler (1) nach Anspruch 6 oder 7, wobei das elektrisch leitfähige Material (30) mindestens polymeres Material umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Energiewandlers (1), wobei das Verfahren mindestens die folgenden Schritte umfasst: (i) Bereitstellen mindestens einer Medienverteilstruktur (6, 7) und mindestens einer Gasdiffusionslage (4, 5); (ii) Beschichten mindestens der Bereiche der mindestens einen Medienverteilstruktur (6, 7) und/oder der mindestens einen Gasdiffusionslage (4, 5) mit einem elektrisch leitfähigen, plastisch verformbaren Material, welche nach dem Zusammenfügen der mindestens einen Medienverteilstruktur (6, 7) und der mindestens einen Gasdiffusionslage (4, 5) in dem elektrochemischen Energiewandler (1) die Kontaktbereiche (20) zwischen beiden ausbilden; und (iii) Zusammenfügen der mindestens einen Medienverteilstruktur (6, 7) und der mindestens einen Gasdiffusionslage (4, 5), um so einen flächigen, elektrisch leitfähigen Kontakt zwischen der mindestens einen Medienverteilstruktur (6, 7) und der mindestens einen Gasdiffusionslage (4, 5) zu erzielen, welcher durch das mindestens eine elektrisch leitfähige, plastisch verformbare Material ausgebildet wird, wobei das Zusammenfügen gegebenenfalls unter Einwirkung von erhöhtem Druck und/oder erhöhter Temperatur erfolgen kann.
Verwendung eines elektrochemischen Energiewandlers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder eines elektrochemischen Energiewandlers, erhalten nach einem Verfahren nach Anspruch 9, zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie und/oder zur Umwandlung elektrischer Energie in chemische Energie.