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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schichtsystem zur Verteilung eines Gases in einer Brennstoffzelle.
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Stand der Technik
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In einer Brennstoffzelle werden Ionen eines in einem Anodenraum vorgelegten Brennstoffs durch einen ionenleitfähigen Elektrolyten in einen Kathodenraum transportiert, um mit einem im Kathodenraum vorgelegten Oxidationsmittel zu reagieren. Dabei werden Elektronen freigesetzt, die durch einen externen elektrischen Verbraucher geführt werden können.
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Um eine möglichst große Leistungsdichte zu erreichen, ist es erforderlich, den Brennstoff und das Oxidationsmittel jeweils effektiv über die Fläche des Elektrolyten zu verteilen. Zu diesem Zweck werden für gasförmigen Brennstoff, bzw. für gasförmiges Oxidationsmittel, beispielsweise Metallschäume als grobe Gasverteilerstrukturen und daran angrenzende Vliese oder sonstige Faserstrukturen als Gasdiffusionsschichten verwendet.
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Die
WO 2018/121 910 A1 offenbart eine als Metallschaum ausgebildete Strömungsplatte mit anisotropem Strömungswiderstand, die beispielsweise als Bipolarplatte eines Brennstoffzellenstapels eingesetzt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der Erfindung wurde ein Schichtsystem für die Verteilung eines Gases in einer Brennstoffzelle entwickelt. Dieses Schichtsystem umfasst einen metallischen Schaum sowie eine daran angrenzende, und/oder mit dem metallischen Schaum verzahnte, elektrisch leitende Festschicht, welche eine offene, für das Gas durchlässige Porosität aufweist und als Festkörperverbund aus elektrisch leitfähigen Partikeln ausgebildet ist. Dabei setzt der Begriff „Festkörperverbund“ nicht voraus, dass sich die elektrisch leitfähigen Partikel in dem Verbund berühren müssen. Sie können beispielsweise auch durch ein weiteres Material miteinander verbunden sein, welches beispielsweise auch erst später während des Herstellungsprozesses elektrisch leitfähig gemacht wird.
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Es wurde erkannt, dass dieses Schichtsystem überraschenderweise die Dicke von Brennstoffzellen reduzieren und somit die Leistungsdichte insbesondere von Brennstoffzellenstapeln erhöhen kann. Wenn eine als Vlies oder sonstige Faserstruktur ausgebildete Gasdiffusionsschicht mit einem Metallschaum als Gasverteilerstruktur kombiniert wird, dann ist der maßgebliche Faktor, der die Mindestdicke vorgibt, nicht die Effizienz der Gasverteilung, sondern die mechanische Wechselwirkung mit dem Metallschaum beim Verpressen der Brennstoffzelle, bzw. des Brennstoffzellenstapels.
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Wenn ein metallischer Schaum in einer Brennstoffzelle eingesetzt wird, wird in der Regel ein passendes Stück aus einem größeren Materialvorrat zugeschnitten. Bei diesem Zuschneiden können schmale Stege, die einzelne Schaumblasen voneinander abgrenzen, durchtrennt werden und nahezu punktförmige Auflagestellen bilden, die den mechanischen und elektrischen Kontakt mit der angrenzenden Gasdiffusionsschicht herstellen. Wird nun etwa ein auf diese Weise zugeschnittener metallischer Schaum mit Porengrößen zwischen 50 µm und 400 µm und einer Dicke zwischen 400 µm und 1 mm gegen ein Vlies oder Gewebe aus Fasern mit Porengrößen von bis zu 100 µm und Dicken zwischen 100 µm und 200 µm in der Fläche parallel zur Schaumstruktur gepresst, so können die besagten Auflagestellen tief in die Faserstruktur der Gasdiffusionsschicht eindringen. Die Stärke dieses Effekts nimmt mit der Porosität des Schaums und mit der Größe der Schaumkavitäten, die für die Gasverteilung an sich günstig sind, zu. So kann beispielsweise bei einer Porosität des Schaums zwischen 60 % und 90 % bei einem ungünstigen Schnitt durch die Stege des Schaums die Auflagefläche im Vergleich zu einem günstigen Schnitt auf nur noch 10 % reduziert sein. Die auf die komplette Fläche der Brennstoffzelle gerechnete Flächenpressung von typischerweise 150 N/cm2 wird durch solchermaßen verkleinerte Auflagestellen massiv verstärkt, und die Auflagepunkte haben einen Abstand zueinander, der in etwa der Größe der Schaumkavitäten entsprechen kann.
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Da Metallschäume in gewissen Maße eine statistische Struktur aufweisen, besteht grundsätzlich bei jedem Schnitt durch einen solchen Schaum eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass zumindest einige dünne und senkrecht auf der Grenzfläche mit der Gasdiffusionsschicht stehende Stege des Schaums durchtrennt werden. Auch ist nicht auszuschließen, dass der Schnitt durch Bereiche führt, die eine eher nadelige Struktur aufweisen, wodurch die Tendenz, besonders leicht in die Gasdiffusionsschicht einzudringen, noch einmal verstärkt würde.
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Das tiefe Eindringen von Stegen des Metallschaums in die Gasdiffusionsschicht hat nun zum einen zur Folge, dass dort die lokale Flächenpressung teilweise abgebaut wird, was die elektrische Leitfähigkeit verschlechtert. Zum anderen muss insbesondere bei Brennstoffzellen, die eine Polymermembran als Elektrolyt verwenden, auf jeden Fall sichergestellt sein, dass diese Membran beim Verpressen nicht in Kontakt mit dem Metallschaum kommt. Bei einem solchen Kontakt wird die Membran mit hoher Wahrscheinlichkeit beschädigt. Geschieht dies auch nur an einer Stelle, ist die Brennstoffzelle an dieser Stelle kurzgeschlossen. Zugleich können dann Brennstoff und Oxidationsmittel ohne Vermittlung durch die Membran direkt aufeinander treffen.
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Somit muss die Gasdiffusionsschicht mindestens so dick sein, dass zumindest ein komplettes Durchstoßen von Stegen des Metallschaums auch unter ungünstigsten Umständen vermieden wird.
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Es wurde nun erkannt, dass ein Festkörperverbund aus elektrisch leitfähigen Partikeln überraschenderweise auch bei deutlich geringeren Schichtdicken noch resistent gegen ein zu tiefes Eindringen von Stegen des Metallschaums sind. Wenn ein schmaler Steg zwischen Partikeln in die Schicht eindringt und diese auseinander schiebt, dann haben die Partikel eine Tendenz, sich gegeneinander und mit der Blasenstruktur des Metallschaums zu verkanten. Ein weiteres Auseinanderschieben der Partikel wird somit erschwert und schließlich gestoppt, weil kein Freiraum mehr für diese Bewegung der Partikel zur Verfügung steht. Damit kann dann der Steg nicht weiter in die Festschicht eindringen. Das Eindringen wird insbesondere dann erschwert, wenn viele Stege des Schaums gleichzeitig mit der Festschicht in Kontakt stehen, denn die von verschiedenen Stegen des Schaums jeweils verdrängten Partikel behindern und verkanten sich gegenseitig.
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Eine ähnliche Wirkung wird erzielt, wenn die Festschicht mit dem metallischen Schaum verzahnt ist, wobei sich beide Wirkungen auch gegenseitig ergänzen können. Das Verzahnen kann insbesondere einen Formschluss zwischen der Festschicht und dem metallischen Schaum beinhalten. Ein Formschluss kann beispielsweise bewirkt werden, indem der Festkörperverbund aus den Partikeln sich mindestens durch eine Verengung zwischen zwei benachbarten Porenblasen des metallischen Schaums sowie in eine weitere Porenblase, in die diese Verengung mündet, erstreckt. Diese Porenblasen können beispielsweise in dem Schaum untereinander liegen.
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Ein derartiges Verzahnen und insbesondere ein Formschluss hat eine doppelte Wirkung:
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Zum einen wird ein Ablösen der Festschicht vom metallischen Schaum verhindert. Wenn sich die Festschicht beispielsweise ausgehend von einem ersten Berührungspunkt mit dem metallischen Schaum durch einen abgeschnittenen Teil einer ersten Porenblase und durch die Verengung in eine zweite Porenblase erstreckt, dann ist der Teil der Festschicht, der sich jenseits der Verengung in der zweiten Porenblase befindet, zu breit, um durch die Verengung zu passen. Das Ablösen der Festschicht würde aber gerade erfordern, diesen Teil der Festschicht durch die Verengung aus der zweiten Porenblase herauszuziehen. Dies ist nur mit einer Kraftanwendung möglich, die die Verengung aufweitet oder gar zerstört.
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Zum anderen wirkt ein analoger Mechanismus aber auch in die umgekehrte Richtung. Der Teil der Festschicht in der (möglicherweise abgeschnittenen) ersten Porenblase ist ebenfalls zu breit, um die Verengung zu passieren. Das Hereindrücken des metallischen Schaums in die Festschicht würde aber gerade erfordern, diesen Teil der Festschicht durch die Verengung in die zweite Porenblase zu drücken. Auch dies ist wiederum nur mit einem Kraftaufwand möglich, der die Verengung aufweitet oder gar zerstört.
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Jeder Ort, an dem die Festschicht sich durch eine Verengung in eine weitere Porenblase des metallischen Schaums erstreckt, behindert also eine Relativbewegung zwischen dem metallischen Schaum einerseits und der Festschicht andererseits in beiden Richtungen. Da der metallische Schaum von derartigen Orten durchsetzt ist, ist insgesamt eine vergleichsweise große Kraft erforderlich, um den metallischen Schaum von der Festschicht zu lösen oder aber weiter in die Festschicht hineinzudrücken.
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Der Effekt wird noch dadurch verstärkt, dass ein Teil der Festschicht, der sich innerhalb einer Porenblase befindet, an der Wand der Porenblase flächig aufliegt. Dem Versuch, einen Teil der Festschicht durch die Verengung hindurchzuziehen, wirkt die Wand der Porenblase also durch flächige Abstützung entgegen, so dass die spitzen Stege des metallischen Schaums weniger oder sogar gar keine Gelegenheit mehr erhalten, sich durch Kraftausübung auf kleiner Fläche in die Festschicht zu bohren.
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Ebenso wirkt eine solche flächige Abstützung auch dem Ablösen der Festschicht entgegen. Die Verzahnung kann bereits alleine ausreichend sein, um die Haftung sicherzustellen. Somit ist unter anderem der Kreis der möglichen Binder, die für die Festschicht verwendet werden können, erweitert werden, weil nicht mehr notwendig ist, dass dieser Binder gut auf dem metallischen Schaum klebt.
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Es ist dann besonders vorteilhaft, wenn die Verengung eine solche Größe hat, dass sie zumindest für einzelne Partikel, die die Festschicht bilden, durchgängig ist. Die Verzahnung mit der Verengung kann dann beispielsweise hergestellt werden, indem die Partikel durch die Verengung hindurchgeführt und anschließend zu dem Festkörperverbund der Festschicht zusammengefügt werden.
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Im Endeffekt können also in der Brennstoffzelle die Vorteile eines möglichst grobporigen Metallschaums, der eine Gasverteilung mit hohem Durchsatz und geringem Strömungswiderstand ermöglicht, mit den Vorteilen der Festschicht, die eine feinere Gasverteilung ermöglicht und zugleich den Elektrolyten vor Beschädigung schützt, kombiniert werden.
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Der beschriebene Effekt des Verkantens tritt bevorzugt dann auf, wenn die mittlere Größe der elektrisch leitfähigen Partikel zumindest an der Grenzfläche zwischen der Festschicht und dem Schaum so auf die mittlere Maschenweite des Schaums abgestimmt ist, dass das Verkanten der Partikel miteinander und mit den Blasen des Schaums begünstigt wird. Dies ist beispielsweise in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Fall, in der die mittlere Größe der elektrisch leitfähigen Partikel zumindest an der Grenzfläche zwischen der Festschicht und dem Schaum zwischen einem Zwanzigstel und einem Viertel der mittleren Maschenweite des Schaums beträgt.
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Der Festkörperverbund in der Festschicht kann auf beliebige Weise hergestellt werden, wie beispielsweise durch Sintern. Besonders vorteilhaft umfasst der Festkörperverbund jedoch ein Gemisch aus den elektrisch leitfähigen Partikeln und einem amorphen Binder. Im verfestigten Zustand der Festschicht stellt der Binder eine elastische Rückstellkraft bereit, die dem Auseinanderschieben der Partikel durch einen Steg des Schaums entgegenwirkt und einen elastischen Toleranzausgleich beim Stapeln darstellen kann.
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Als Material für die elektrisch leitfähigen Partikel eignet sich insbesondere Kohlenstoffe wie zum Beispiel Graphit, welches beispielsweise mit Polytetrafluorethylen (PTFE) und/oder Polyvinylidenfluorid (PVDF) und/oder einem Acrylat und/oder Nafion als Binder kombiniert werden kann. So kann die Festschicht beispielsweise hergestellt werden, indem PTFE fibrilliert und/oder PVDF aufgeschmolzen wird oder indem ein Acrylat als Binder gelöst wird, wobei die Partikel anschließend beispielsweise über Filmwalzen oder Filmextrusion vernetzt werden können. Der Binder kann beispielsweise pyrolisiert und somit zu einem Kohlenstoff gemacht werden, der dann eine elektrische Verbindung zwischen sich nicht berührenden Graphit-Partikeln herstellt.
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Vorteilhaft ist die Festschicht zwischen 50 µm und 200 µm dick. Die Porosität der Festschicht ist tendenziell geringer als die eines Vlieses. Indem die Festschicht bei gleicher Sicherheit gegen Perforation durch Stege des Metallschaums dünner hergestellt werden kann, muss der Brennstoff, bzw. das Oxidationsmittel, aber nur einen geringeren Weg in der Festschicht zurücklegen. Dies gleicht den Effekt der verminderten Porosität aus und kann ihn sogar überkompensieren.
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Die genaue Dicke der Festschicht kann experimentell optimiert werden, indem beispielsweise bei testweisen Verpressungen mit dem metallischen Schaum die Eindringtiefe der Schaumstruktur in die Festschicht ermittelt und die Dicke der Festschicht dann bis auf eine Mindestdicke, bei der es reproduzierbar noch zu keiner Perforation kommt, abgesenkt wird.
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Vorteilhaft weist die Festschicht eine Porosität zwischen 30 und 70 Volumen-%, bevorzugt zwischen 40 und 60 Volumen-% und ganz besonders bevorzugt zwischen 45 % und 55 Volumen-%, auf. Eine Absenkung der Porosität von den 70 bis 90 Volumen-% einer faserbasierten Gasdiffusionsschicht in diesen Bereich ist durch die verminderte Dicke noch gut zu kompensieren und begünstigt zugleich das gegenseitige Verkanten der Partikel in der Festschicht. Besonders bevorzugt weist die Festschicht eine Porosität von 50 Volumen-% auf.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der metallische Schaum einen rostfreien Stahl. Dieses Metall ist besonders robust sowie temperatur- und korrosionsbeständig. Dafür sind die Kanten von Stegen eines aus rostfreiem Stahl gebildeten metallischen Schaums besonders scharf.
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Nach dem zuvor Beschriebenen ist der Schutz des Elektrolyten vor Kontakt mit dem Metallschaum besonders dann wichtig, wenn der Elektrolyt eine Membran ist, die beim Kontakt mit dem Metallschaum perforiert werden könnte. Die Erfindung bezieht sich daher auch auf eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle mit einem Anodenraum und einem Kathodenraum, die durch eine Polymermembran als Elektrolyten voneinander getrennt sind, wobei im Anodenraum, und/oder im Kathodenraum, mindestens ein Exemplar des zuvor beschriebenen Schichtsystems vorhanden ist. Im Vergleich zu einer Brennstoffzelle mit Festkörperelektrolyt hat eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle den Vorteil, dass die Protonenleitfähigkeit des Elektrolyten bereits bei wesentlich geringeren Betriebstemperaturen in hinreichendem Umfang einsetzt.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung des Schichtsystems, bzw. der Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle. Bei diesem Verfahren werden die elektrisch leitfähigen Partikel auf den metallischen Schaum aufgebracht, und/oder in den Schaum eingebracht, und anschließend zu der Festschicht zusammengefügt. Das Zusammenfügen der Partikel kann insbesondere beispielsweise durch eine Wärmebehandlung der Partikel, und/oder durch eine thermische und/oder eine chemische Aktivierung eines Binders, mit dem die Partikel vermischt sind, eingeleitet werden.
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Das Einbringen der Partikel in den Schaum kann in beliebiger Form geschehen, wie beispielsweise in Pulverform. Besonders vorteilhaft wird jedoch eine Suspension oder eine Paste, die ein Gemisch der Partikel mit einem Lösemittel ist, in mindestens einen Teil des Schaums eingebracht. Diese Paste kann bevorzugt eine hochviskose Konsistenz haben, wie sie zum Siebdrucken verwendet wird. Anschließend wird das Lösemittel entfernt. Das Einbringen in dieser Form ermöglicht unter anderem durch Kapillarwirkung, und/oder beispielsweise durch Druck beim Auftragen im Rahmen eines Siebdruckprozesses, ein tieferes und kontrollierbareres Eindringen der Partikel in den metallischen Schaum. Weiterhin ist auch sichergestellt, dass die Partikel zumindest in einer Art von vorläufigem Verbund zusammen bleiben, so dass sich beim Verfestigen eine zusammenhängende Festschicht bildet, und nicht etwa eine Ansammlung vieler nicht zusammenhängender Brocken aus jeweils mehreren Partikeln.
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Dieser Effekt wird noch weiter verstärkt in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung, in der die Suspension oder die Paste zusätzlich einen Binder enthält.
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Auf diese Weise können die Partikel sich bereits vor dem Verpressen der Brennstoffzelle, bzw. des Brennstoffzellenstapels, zumindest teilweise so relativ zu den Blasen des Schaums anordnen, dass sie sich gegenseitig und mit den Blasen des Schaums verkanten.
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Ein alternatives Verfahren zur Herstellung des Schichtsystems, bzw. der Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle, sieht vor, dass die Partikel zu der Festschicht zusammengefügt werden und die Festschicht auf den Schaum laminiert oder verpresst wird. Auf diese Weise besteht maximale Flexibilität bezüglich der Herstellung der Festschicht. Wie oben beschrieben können die Temperaturen und Kräfte für das Laminieren vorteilhaft variiert werden. Zudem erhält man bei geeigneter Verpressung eine besonders ebene Oberfläche der Festschicht mit geringer Rauhigkeit. Daher eignet sich diese Ausführungsform bevorzugt zum Auftragen weiterer Schichten. Beispielsweise können eine Katalysatorschicht und darauf eine Membran aufgebracht werden („direct membrane coating“). Wie zuvor beschrieben, kann eine frei tragende Festschicht beispielsweise durch Fibrillieren und/oder Aufschmelzen eines Binders mit anschließendem Walzen oder Extrusion hergestellt werden. Die Festschicht kann insbesondere in großtechnischem Maßstab als Meterware in Form von Bahnen hergestellt werden, die dann mit dem Metallschaum zusammengefügt werden können. Beispielsweise können eine Bahn aus dem Material der Festschicht und eine Bahn aus dem metallischen Schaum miteinander laminiert oder verpresst werden und ein Verbundmaterial bilden, das anschließend auf die jeweils in der Brennstoffzelle benötigte Größe zugeschnitten werden kann.
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Es kann auch beispielsweise eine Paste oder ein Schlamm (Slurry) aus Partikeln und wenigstens teilweise gelöstem Binder als dünner Film auf eine Unterlage aufgebracht und getrocknet werden, um eine poröse Festschicht zu erhalten. Diese Festschicht kann dann beispielsweise auf den metallischen Schaum umlaminiert werden.
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Die Festschicht kann auch vor dem Laminieren oder Verpressen mit einer Polymermembran zu einer Membran-Elektroden-Einheit zusammengeführt werden, wobei zwischen der Membran und der Festschicht optional auch mikroporöse Schichten mit oder ohne Katalysatormaterial eingebracht werden können. Eine Membran-Elektroden-Einheit ist beim Zusammenbau der Brennstoffzelle, bzw. des Brennstoffzellenstapels, einfacher zu handhaben als die Membran allein. Insbesondere ist die Membran besser vor Beschädigung durch Perforation geschützt.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
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Figurenliste
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Es zeigt:
- 1 Perspektivische Prinzipskizze mit unterschiedlichen Auflagestellen 24a, 24b eines metallischen Schaums 2;
- 2 Ausführungsbeispiel eines Schichtsystems 1, bei dem eine fertige Festschicht 3 mit dem metallischen Schaum 2 zusammengefügt wurde;
- 3 Ausführungsbeispiel eines Schichtsystems 1, bei dem Partikel 31 zunächst in Kontakt mit dem metallischen Schaum 2 gebracht und dann zur Festschicht 3 verfestigt wurden;
- 4 Ausführungsbeispiel einer Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle 4;
- 5 Ausführungsbeispiele der Verfahren 100 (5a) und 200 (5b);
- 6 Weiteres Ausführungsbeispiel eines Schichtsystems 1 mit Verzahnung der Festschicht 3 im metallischen Schaum 2.
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1 zeigt einen metallische Schaum 2 in ausschnittsweiser perspektivischer Schemazeichnung zur Verdeutlichung der Problemstellung, die den Anlass für die Entwicklung des beschriebenen Schichtsystems gegeben hat. Der Schaum 2 besteht aus Blasen, von denen der Übersichtlichkeit halber nur zwei mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnet sind. Die Blasen 21 werden definiert durch eine metallische Struktur 22.
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Die in 1 gewählte Perspektive ist schräg von oben auf einen aus einem größeren Vorrat des metallischen Schaums 2 ausgeschnittenen Quader gerichtet, d.h., hauptsächlich ist die Oberseite dieses Quaders sichtbar, die in Kontakt mit einer Gasdiffusionsschicht zu bringen ist. Die Flächen des Quaders sind Schnittflächen, die bei dem Ausschneiden durch die metallische Struktur 22 getrieben wurden. Je nach Orientierung dieser Schnittflächen zur metallischen Struktur 22, die im Übrigen in der Realität längst nicht so regelmäßig ist wie in 1 vereinfachend gezeichnet, endet die metallische Struktur 22 beispielsweise an der in 1 gezeigten Oberseite des Quaders aus dem Schaum 2 in lokal unterschiedlichen Auflagestellen. Das Bezugszeichen 24a bezeichnet eine beispielhafte Auflagestelle mit einer vergleichsweise großen Fläche. Das Bezugszeichen 24b bezeichnet beispielhafte Auflagestellen mit einer vergleichsweise kleinen Fläche. Letztere Auflagestellen 24b sind die Enden von spitzen Stegen 22a, die eine Tendenz zeigen, tief in eine angrenzende Gasdiffusionsschicht einzudringen. Dieser Tendenz soll mit der in 1 noch nicht eingezeichneten Festschicht 3 entgegen gewirkt werden. Die in 1 beispielhaft eingezeichneten Kreise 23 dienen der Wiedererkennung zum besseren räumlichen Verständnis beim Übergang zu den in den 2 und 3 gezeigten Schnittzeichnungen.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Schichtsystems 1, bei dem eine fertige Festschicht 3 mit dem metallischen Schaum 2 zusammengefügt wurde, in schematischer Schnittzeichnung. Die Festschicht 3 wurde mit einer definierten Grenzfläche 32 hergestellt, die beim Verpressen mit dem metallischen Schaum 2 leicht eingedrückt wurde.
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Wie durch die Pfeile in den Stegen 22a einerseits und in einigen beispielhaften Partikeln 31 andererseits angedeutet ist, verhindert gerade der Aufbau der Festschicht 3 aus Partikeln 31 ein tieferes Eindringen der Stege 22a. In der in 2 gewählten Perspektive bewegen sich die Stege 22a nach oben und verdrängen dabei die Partikel 31 seitlich. Dies ist aber nur insoweit möglich, als die Partikel 31 seitlich ausweichen können. Wie 2 zeigt, sind die Partikel 31 jedoch ineinander und gegen die Stege 22a verkantet und können nicht weiter ausweichen. Dabei blockieren sich auch Partikel 31, die von verschiedenen Stegen 22a verdrängt werden, gegenseitig. Wie zuvor beschrieben, tritt die Blockade also vorzugsweise dann auf, wenn mehrere Stege 22a gleichzeitig in Kontakt mit der Festschicht 3 sind.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Schichtsystems 1. Im Unterschied zu 2 wurden die Partikel 31 hier zuerst in Kontakt mit dem metallischen Schaum 2 gebracht und erst dann zur Festschicht 3 verbunden. Das bedeutet, dass die Blasen 21 teilweise mit den Partikeln 31 ausgefüllt sind. Dies wiederum hat zur Folge, dass weitere Bereiche der Wände der Stege 22a mit Partikeln 31 in Kontakt sind und versuchen, diese Partikel 31 seitlich zu verdrängen. Dementsprechend ist eher der Zeitpunkt erreicht, zu dem diese Bewegung blockiert wird und ein weiteres Eindringen der Stege 22a nicht mehr möglich ist.
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Das Ausfüllen von Blasen 21 des Schaums 2 durch Partikel 31 verbraucht zwar insgesamt mehr Partikel 31, erhöht aber nicht die Gesamtdicke des aus Schaum 2 und Festschicht 3 gebildeten Schichtsystems 1. Vielmehr kann die Festschicht 3 jenseits des Bereichs, in dem sie in Kontakt mit dem Schaum 2 steht, dünner ausgeführt werden, weil Stege 22a des Schaums 2 früher am weiteren Eindringen gehindert werden.
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Wünschenswert ist in dieser Ausgestaltung, dass, wie in 3 gezeichnet, die Partikel größer sind als der Durchmesser der von einer Blase 21 zur nächsten führenden Poren in der metallischen Struktur 22 des Schaums 2. Die Partikel 31 können dann nicht durch diese Poren von einer Blase 21 zur nächsten fallen.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle 4. Die Brennstoffzelle 4 ist zwischen zwei Endplatten 45a und 45b, die mit einer Kraft F gegeneinander verpresst werden, eingefasst. Sie umfasst einen Anodenraum 41, der durch die zweite Endplatte 45b und die in 4 oben liegende Seite einer protonenleitfähige Polymermembran 43 begrenzt wird, sowie einen Kathodenraum 42, der durch die erste Endplatte 45a und die in 4 unten liegende Seite der Membran 43 begrenzt wird.
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Die Membran 43 ist auf beiden Seiten mit jeweils einer mikroporösen Schicht 43a, 43b belegt. Auf diese mikroporöse Schicht 43a, 43b ist jeweils eine Festschicht 3 laminiert, so dass eine erste Festschicht 3, eine erste mikroporöse Schicht 43a, die Membran 43, eine zweite mikroporöse Schicht 43b und eine zweite Festschicht 3 insgesamt eine kompakte Membran-Elektroden-Einheit 44 bilden. Diese Membran-Elektroden-Einheit 44 ist im Ganzen handhabbar, wobei die in der Mitte liegende Membran 43 vor Beschädigungen geschützt ist.
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Indem sowohl im Anodenraum 41 als auch im Kathodenraum 42 jeweils ein metallischer Schaum 2 in Kontakt mit der jeweiligen Festschicht 3 gebracht wird, entsteht dort jeweils das beschriebene Schichtsystem. Der Kontakt wird in diesem Beispiel durch das Verpressen der Endplatten 45a und 45b gegeneinander hergestellt. Die Brennstoffzelle 4 ist seitlich durch eine umlaufende Dichtung 46 abgedichtet.
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5a zeigt ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens 100, das zur Herstellung des in 3 gezeigten Ausführungsbeispiels des Schichtsystems 1 geeignet ist. In Schritt 110 werden die Partikel 31 auf den Schaum 2 aufgebracht. Alternativ oder auch in Kombination hierzu können die Partikel 31 in Schritt 115 in den Schaum 2 eingebracht werden. Hierzu kann beispielsweise in Schritt 115a eine Suspension oder Paste 30, die die Partikel 31 zusammen mit einem Lösemittel 33 enthält, in den Schaum 2 eingebracht werden, und in Schritt 115b kann das Lösemittel entfernt werden. In Schritt 120 wird die Kombination der Partikel 31 mit dem Schaum 2 so behandelt, dass die Partikel 31 zu der Festschicht 3 verbunden werden. Diese Festschicht 3 ist dann besonders stark an den Schaum 2 gebunden.
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5b zeigt ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens 200, das zur Herstellung des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels des Schichtsystems 1 geeignet ist. In Schritt 210 werden die Partikel 31 zunächst zu der Festschicht 3 zusammengefügt. In Schritt 220 wird diese Festschicht 3 mit der Polymermembran 43 zu der Membran-Elektroden-Einheit 44 zusammengefügt. In Schritt 230 wird die Membran-Elektroden-Einheit 44, und damit auch die in ihr enthaltene Festschicht 3, in Kontakt mit dem metallischen Schaum 2 gebracht. Diese Aufteilung der Herstellung trägt dem Umstand Rechnung, dass der Metallschaum auf qualitativ ganz andere Weise hergestellt wird und möglicherweise sogar von einem anderen Zulieferer stammt als die Festschicht 3 und die mikroporösen Schichten 43a, 43b.
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6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Schichtsystems 1. Im Unterschied zu den in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispielen befinden sich die Partikel 31 nicht nur in den obersten abgeschnittenen Schaumblasen 21 des Schaums 2, sondern auch in den jeweils darunter liegenden Schaumblasen 21. Das Gemisch aus den Partikeln 31 und dem Binder, mit dem sie versetzt sind, wurde zu diesem Zweck durch die Verengungen 21a zwischen den Schaumblasen 21 diffundiert.
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6 zeigt den fertigen Zustand, in dem der Binder 34 verfestigt und das Lösemittel 33 entfernt ist. Die Partikel 31 und der Binder 34 bilden zusammen eine kompakte Festschicht 3, die formschlüssig mit dem metallischen Schaum 2 verbunden ist. Beim Versuch, den Schaum 2 von der Festschicht 3 abzuziehen oder den Schaum 2 weiter in die Festschicht 3 hineinzudrücken, wird sich die Festschicht 3 jeweils im Inneren der Schaumblasen 21 flächig abstützen und den Versuch verhindern, weil der Inhalt einer Schaumblase 21 nach dem Verfestigen nicht mehr im Ganzen durch eine der Verengungen 21a passt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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