DE102018219065A1

DE102018219065A1 - Elektrodenmaterial und Elektrode zur Betriebsmittelverteilung in einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102018219065A1
Application number: DE102018219065.8A
Authority: DE
Inventors: Juergen Hackenberg; Alexander Eifert; Claudio Baldizzone; Harald Bauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-11-08
Filing date: 2018-11-08
Publication date: 2020-05-14
Also published as: CN112956054A; US11710832B2; US20220006098A1; WO2020094697A1

Abstract

Elektrodenmaterial (1) für eine Brennstoffzelle (50), umfassend einen plattenförmigen Körper (11) aus einem elektrisch leitfähigen Schaum mit einer offenen und durchgängigen Porosität für mindestens ein Betriebsmittel der Brennstoffzelle (50), wobei der plattenförmige Körper (11) eine Oberseite (12) und eine Unterseite (13) aufweist und wobei die jeweils zwischen einem Punkt (12a, 12a') auf der Oberfläche der Oberseite (12) und dem diesem Punkt (12a, 12a') gegenüberliegenden Punkt (13a, 13a') auf der Oberfläche der Unterseite (13) gemessene Dicke (14) des Materials über alle Punkte (12a, 12a') auf der Oberfläche der Oberseite (12) um mindestens 10 % variiert.
Elektrode (2) für eine Brennstoffzelle (50), umfassend einen plattenförmigen Körper (21) aus einem elektrisch leitfähigen Schaum mit einer offenen und durchgängigen Porosität für mindestens ein Betriebsmittel der Brennstoffzelle (50), wobei der plattenförmige Körper (21) eine Oberseite (22) und eine Unterseite (23) aufweist und wobei die Oberseite (22), und/oder die Unterseite (23), Bereiche (22a, 23a) aufweist, in denen die Porosität des plattenförmigen Körpers (11) um mindestens 10 % vermindert ist.
Brennstoffzelle (50) mit der Elektrode (2).
Verfahren zur Herstellung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrode, die zur Verteilung mindestens eines Betriebsmittels einer Brennstoffzelle dient, sowie ein Elektrodenmaterial, ein Verfahren zur Herstellung der Elektrode und eine Brennstoffzelle mit der Elektrode.
Stand der Technik
In einer Brennstoffzelle reagiert ein in einem Anodenraum vorgelegter Brennstoff vermittelt durch einen Elektrolyten mit einem in einem Kathodenraum vorgelegten Oxidationsmittel. Dabei ist der Elektrolyt lediglich ionenleitfähig, und es entstehen freie Elektronen, die einen Strom durch einen externen Verbraucher treiben können.
Um eine optimale Energiedichte der Stromerzeugung zu erzielen, ist es wichtig, dass der Brennstoff und das Oxidationsmittel jeweils gleichmäßig über die ganze Fläche des Elektrolyten verteilt werden. Für die grobe Verteilung werden in bipolare Platten oder Endplatten, die den Anodenraum, bzw. den Kathodenraum, auf der dem Elektrolyten jeweils abgewandten Seite begrenzen, Verteilstrukturen eingebracht. Hieran schließen sich poröse Gasdiffusionsschichten als Elektrodenstrukturen an. Die DE 10 2016 213 057 A1 offenbart ein Beispiel für eine Brennstoffzelle, in der die Bipolarplatte komplexe Verteilstrukturen enthält.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Elektrodenmaterial für eine Brennstoffzelle entwickelt. Dieses Elektrodenmaterial umfasst einen plattenförmigen Körper aus einem elektrisch leitfähigen Schaum mit einer offenen und durchgängigen Porosität für mindestens ein Betriebsmittel der Brennstoffzelle. Der plattenförmige Körper weise eine Oberseite und eine Unterseite auf. Die jeweils zwischen einem Punkt auf der Oberfläche der Oberseite und dem diesem Punkt gegenüberliegenden Punkt auf der Oberfläche der Unterseite gemessene Dicke des Materials variiert über alle Punkte auf der Oberfläche der Oberseite um mindestens 10 %.
Es wurde erkannt, dass großräumige Verteilstrukturen für Betriebsmittel sich durch eine Modulation der Porosität eines Schaums in das Elektrodenmaterial einbringen lassen. Das bedeutet, dass die fertige Elektrode durchgängig aus dem elektrisch leitfähigen Schaum besteht, während die Porosität dieses Schaums lokal unterschiedlich ist. Insbesondere können die Bereiche mit der verminderten Porosität mit der Endplatte oder Bipolarplatte zusammenwirken, um eine Verteilstruktur für das Betriebsmittel zu bilden. Dabei kann die Funktionalität der Verteilstruktur in beliebiger Weise auf die Bereiche mit der verminderten Porosität einerseits und auf die Endplatte oder Bipolarplatte andererseits verteilt sein. So kann beispielsweise die Funktion von in die Endplatte oder Bipolarplatte integrierten Verteilstrukturen durch die Bereiche mit der verminderten Porosität unterstützt werden. Die Bereiche mit der verminderten Porosität können aber auch beispielsweise mit einer planen Oberfläche der Endplatte oder Bipolarplatte zusammenwirken.
Die Bildung von Verteilstrukturen unter Beteiligung der Bereiche mit verminderter Porosität hat in jedem Fall den Vorteil, dass die Verteilung vergleichmäßigt wird. Insbesondere sind alle Bereiche der Verteilstrukturen gut für das Betriebsmittel erreichbar. Die Verteilung durch den offenporigen Schaum ist mit geringem Druckverlust möglich, und die Porosität lässt auch einen Queraustausch lokal unterschiedlicher Druckverluste zu. Insbesondere kann die Erstreckung in der Ebene durch die Schaumstruktur in Strömungsrichtung ein Verhältnis zum Umfang des durchströmten Querschnitts zwischen beispielsweise 0,2 zu 1 und 5 zu 1 annehmen.
Bislang wäre es relativ aufwändig gewesen, insbesondere einen metallischen Schaum mit an bestimmten Stellen lokal variabler Porosität herzustellen. Der normale Prozess des Aufschäumens, der makroskopische Blöcke mit Abmessungen von mehreren Dezimetern auf einmal herstellt, führt zu einer stochastisch regelmäßigen Struktur. Additive Fertigungsverfahren, wie etwa 3D-Druck, benötigen im Vergleich hierzu mehr Zeit.
Es wurde nun erkannt, dass das Elektrodenmaterial mit der variablen Dicke verwendet werden kann, um besonders einfach eine Elektrode mit lokal variabler Porosität herzustellen. Wenn beispielsweise ein Elektrodenmaterial mit lokalen Erhebungen auf eine Soll-Dicke verpresst oder gewalzt wird, dann muss das in den Erhebungen enthaltene Material irgendwo hin. Es kann nur ins Innere des Schaums ausweichen, indem der Schaum dort lokal mehr zusammengedrückt wird. Dieses lokale Zusammendrücken vermindert zugleich lokal die Porosität.
Dabei variiert die Dicke des Materials über alle Punkte auf der Oberfläche der Oberseite um höchstens 50 %. Dann ist noch gewährleistet, dass die aus dem Elektrodenmaterial hergestellte Elektrode auch in den Bereichen mit verminderter Porosität zumindest noch etwas durchlässig für das Betriebsmittel ist.
Aus diesem Grund beträgt auch vorteilhaft die Porosität des Schaums im noch nicht mit Druck behandelten Zustand zwischen 40 % und 80 %.
Beispielsweise kann die Oberseite einer aus einem Schaumblock geschnittenen Scheibe keilförmig auf die Unterseite zulaufen, und/oder die Unterseite kann keilförmig auf die Oberseite zulaufen. Beim Verpressen oder Walzen des Elektrodenmaterials zu einer Elektrode entsteht dann eine Elektrode mit einem stetigen Gradienten der Porosität.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist die Oberseite, und/oder die Unterseite, längliche Erhebungen und/oder Vertiefungen auf, welche kanalartige Strukturen auf der Oberseite, bzw. auf der Unterseite, definieren. Wenn ein solchermaßen strukturiertes Elektrodenmaterial zu einer Elektrode gewalzt oder verpresst wird, dann bewegt sich das Betriebsmittel innerhalb der fertigen Elektrode bevorzugt innerhalb dieser kanalartigen Strukturen. An der Grenzfläche zu Bereichen mit der verminderten Porosität „staut“ sich die Strömung. Dadurch kann die Strömung in der Ebene der plattenförmigen Elektrode, aber auch senkrecht zu dieser Ebene, gelenkt werden.
Zugleich sind aber die Bereiche mit der verminderten Porosität, wie sie beim Zusammendrücken von Erhebungen entstehen, nicht völlig undurchlässig für das Betriebsmittel, sondern tragen nach wie vor zu dessen Verteilung bei. Daher ist beispielsweise die gleichmäßige Versorgung eines an eine so hergestellte Elektrode angrenzenden Elektrolyten gewährleistet. Gasverteilstrukturen in Endplatten oder Bipolarplatten befinden sich hingegen naturgemäß in einem gasdichten Material, das einen Fluss des Betriebsmittels ausschließlich innerhalb der Verteilstrukturen zulässt und ansonsten komplett unterbindet. Daher wird zwischen einer solchen Gasverteilstruktur und dem Elektrolyten in der Regel eine Gasdiffusionsschicht benötigt.
Indem das beschriebene Elektrodenmaterial es nun erlaubt, in ein und derselben Elektrode sowohl die Funktionalität einer makroskopischen Verteilstruktur als auch die Funktionalität einer mikroskopischen Gasdiffusionsschicht zu kombinieren, kann tendenziell eine Brennstoffzelle mit einer solchen Elektrode dünner hergestellt werden. Dadurch wird die Leistungsdichte der Brennstoffzelle erhöht. Dies wiederum ist insbesondere dann relevant, wenn zwecks Erzeugung einer höheren Spannung oder eines höheren Stroms eine Vielzahl von Brennstoffzellen zu einem Stapel (Stack) zusammengeschaltet werden.
Wie zuvor erläutert, können die Vorteile einer variablen Porosität in der Elektrode insbesondere durch das beschriebene Elektrodenmaterial bewirkt werden, das nach dem Komprimieren zu einer fertigen Elektrode diese variable Porosität bewirkt. Physikalisch sind die vorteilhaften Wirkungen der variablen Porosität jedoch lediglich daran gebunden, dass die Porosität überhaupt variabel ist, auf welche Weise dies auch immer bewirkt worden sein mag. So kann beispielsweise ein Durchbruch in der Geschwindigkeit des 3D-Drucks bewirken, dass die hier gegebene allgemeine Lehre, die Porosität einer Elektrode für eine Brennstoffzelle lokal zu variieren, auch in additiver Fertigung genauso wirtschaftlich umsetzbar wird wie derzeit durch das Verpressen oder Walzen von Schäumen.
Daher bezieht sich die Erfindung allgemein auf eine Elektrode für eine Brennstoffzelle. Diese Elektrode umfasst einen plattenförmigen Körper aus einem elektrisch leitfähigen Schaum mit einer offenen und durchgängigen Porosität für mindestens ein Betriebsmittel der Brennstoffzelle. Der plattenförmige Körper weist eine Oberseite und eine Unterseite auf. Die Oberseite, und/oder die Unterseite, weist Bereiche auf, in denen die Porosität des plattenförmigen Körpers um mindestens 10 % vermindert ist.
Nach dem zuvor Beschriebenen ist die Porosität vorteilhaft durch Deformation vermindert. Dies sieht man der fertigen Elektrode gegenständlich an, denn durch Deformation werden beispielsweise Stege mit in der Regel stetigem Krümmungsverlauf, die die Blasen der Porosität bilden, gegenüber ihrer aus dem Rest des Materials ersichtlichen üblichen Länge deutlich gedehnt, gestaucht, geknickt oder sogar gebrochen.
Vorteilhaft ist in den Bereichen mit der verminderten Porosität die Porosität um höchstens 50 % herabgesetzt. Wie zuvor erläutert, sind dann noch alle Bereiche der Elektrode hinreichend durchlässig für das Betriebsmittel.
Vorteilhaft definieren die Bereiche mit der verminderten Porosität kanalartige Strukturen in der Oberseite, bzw. in der Unterseite. Auf diese Weise kann insbesondere erreicht werden, dass ein nur an einer definierten Stelle zugeführtes Betriebsmittel über die gesamte Fläche des Elektrolyten verteilt und somit auch die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle räumlich vergleichmäßigt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gehen die kanalartigen Strukturen in Materialausnehmungen in der Oberfläche der Oberseite, und/oder in der Oberfläche der Unterseite, über. Idealerweise verlaufen die Materialausnehmungen hierbei im Wesentlichen parallel zu den kanalartigen Strukturen. Die Materialausnehmungen bilden Bereiche, in denen ein Betriebsmittel für die Brennstoffzelle, anders als beim Durchdringen des elektrisch leitfähigen Schaums, nur noch einen vernachlässigbaren Druckverlust erfährt. Wird die Elektrode dann in einer Brennstoffzelle eingesetzt, kann somit Energie für die Kompression des Betriebsmittels eingespart und der Gesamtwirkungsgrad der Brennstoffzelle somit erhöht werden.
Dabei sind die Materialausnehmungen vorteilhaft in derjenigen Seite der Elektrode angeordnet, die der Seite, welche die Bereiche mit verminderter Porosität enthält, abgewandt ist. Befinden sich also die Bereiche mit verminderter Porosität in der Oberseite der Elektrode, befinden sich die Materialausnehmungen in der Unterseite der Elektrode und umgekehrt. Die Elektrode kann dann in der Brennstoffzelle beispielsweise so angeordnet sein, dass die Seite, die die Bereiche mit verminderter Porosität enthält, dem Elektrolyten zugewandt ist, während die Seite mit den Materialausnehmungen einer Bipolarplatte oder Endplatte zugewandt ist. Ein im Bereich der Bipolarplatte oder Endplatte zugeführtes Betriebsmittel kann sich dann entlang der Materialausnehmungen zunächst frei verteilen. Auf seinem Weg zum Elektrolyten erfährt es dann einen progressiv zunehmenden Strömungswiderstand, während aber zugleich die gesamte Fläche des Elektrolyten für das Betriebsmittel erreichbar bleibt.
Vorteilhaft reichen die Materialausnehmungen bis in eine maximale Tiefe, die zwischen 10 % und 40 % der maximalen Materialdicke der Elektrode beträgt. Dies stellt einen optimalen Kompromiss dar zwischen einem möglichst hohen Strömungsquerschnitt für das Betriebsmittel einerseits und einer möglichst hohen verbleibenden Stabilität des Elektrodenmaterials andererseits.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung nimmt entlang mindestens einer Richtung entlang der Oberfläche der Oberseite, bzw. entlang der Oberfläche der Unterseite, die Porosität monoton zu oder ab. Auch dieser Verlauf der Porosität kann genutzt werden, um die letztendliche Umsetzung des Betriebsmittels am Elektrolyten zu vergleichmäßigen. Wird beispielsweise das Betriebsmittel an einem linken Rand der plattenförmigen Elektrode durch eine Zuleitung zugeführt, so kann dort die Porosität vergleichsweise niedrig sein, damit der größte Teil des Betriebsmittels sich nach rechts weiterbewegt und später auch dort den Elektrolyten erreicht. An ihrem rechten Rand, wo das Betriebsmittel mit einem verminderten Druck ankommt, kann die Elektrode hingegen vergleichsweise durchlässig in Richtung auf den Elektrolyten sein.
Nach dem zuvor Beschriebenen ist die Elektrode vorteilhaft durch Pressen und/oder Walzen des beschriebenen Elektrodenmaterials hergestellt. An der fertigen Elektrode lässt sich gegenständlich erkennen, ob sie auf diese Weise hergestellt wurde.
Das Pressen kann beispielsweise vorteilhaft durch Pressen zwischen einer ersten, planen Pressfläche und einer zweiten, topographisch strukturierten Pressfläche durchgeführt werden. Das Walzen kann beispielsweise zwischen einer ersten, rein zylindrischen Walze und einer zweiten, ebenfalls zylindrischen, jedoch auf ihrem Zylindermantel topographisch strukturierten Walze durchgeführt werden. Dabei korrespondiert die topographische Strukturierung der zweiten Pressfläche, bzw. der zweiten Walze, zu den Materialausnehmungen. Hierbei ist unter „korrespondiert“ insbesondere zu verstehen, dass die topographische Strukturierung die Orte vorgibt, an der sich die Materialausnehmungen befinden, ohne dass das sich letztendlich einstellende Profil der Materialausnehmungen vollständig dem Profil der topographischen Strukturierung entspricht. Da der elektrisch leitfähige Schaum des Elektrodenmaterials eine gewisse Elastizität aufweist, kann das Elektrodenmaterial nach dem Eindrücken der topographischen Strukturierung teilweise zurückfedern, so dass die Materialausnehmung im Endzustand beispielsweise weniger tief ist als im Moment des Eindrückens.
Die Materialausnehmungen können auch in beliebiger anderer Weise hergestellt werden, wie beispielsweise durch Abtragen mit einem Laserstrahl. Pressen und Walzen mit topographischer Strukturierung sind jedoch insofern vorteilhaft, als die gegenüber dem bisherigen Pressen bzw. Walzen erforderliche Änderung besonders einfach und kostengünstig umsetzbar ist. Hingegen hat das Abtragen mit einem Laserstrahl den Vorteil, dass das verbliebene Material nicht komprimiert wird.
Vorteilhaft beträgt die mittlere Porengröße des Elektrodenmaterials, bzw. der fertigen Elektrode, mindestens in Teilbereichen zwischen 100 µm und 400 µm. Die untere Grenze bewirkt, dass der Druckverlust des Betriebsmittels nicht zu groß wird. Die obere Grenze bewirkt, dass die Verteilung des Betriebsmittels noch hinreichend fein über die Oberfläche des Elektrolyten ist.
Nach dem zuvor Beschriebenen bezieht sich die Erfindung auch auf eine Brennstoffzelle mit einem Anodenraum, einem Kathodenraum und einem Elektrolyten, der den Anodenraum vom Kathodenraum trennt. Der Anodenraum und der Kathodenraum sind auf der dem Elektrolyten abgewandten Seite jeweils durch eine Endplatte oder Bipolarplatte begrenzt. Zwischen mindestens einer Endplatte oder Bipolarplatte einerseits und dem Elektrolyten andererseits ist die zuvor beschriebene Elektrode angeordnet, so dass die Endplatte oder Bipolarplatte mit den Bereichen der Elektrode, in denen die Porosität vermindert ist, zur Bildung einer Verteilstruktur für mindestens ein Betriebsmittel der Brennstoffzelle zusammenwirkt. Wie zuvor erläutert, hat dies unter anderem die Wirkung, dass die Brennstoffzelle insgesamt dünner gebaut werden kann.
Nach dem zuvor Beschriebenen kann die Endplatte oder Bipolarplatte zusätzlich mit Materialausnehmungen der Elektrode zur Bildung der Verteilerstruktur zusammenwirken, um Druckverluste des Betriebsmittels zu vermindern. Der Druckverlust wird grundsätzlich durch den Strömungsquerschnitt, der dem Betriebsmittel dargeboten wird, in Verbindung mit den Wandabständen der vom Betriebsmittel zu durchquerenden Strukturen bestimmt. Bei typischen Abmessungen der Materialausnehmungen lässt er sich auf etwa die Hälfte reduzieren im Vergleich zu einem Zustand, in dem das Betriebsmittel ständig den elektrisch leitfähigen Schaum durchqueren muss.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung des beschriebenen Elektrodenmaterials. Bei diesem Verfahren wird der plattenförmige Körper von einem Block des elektrisch leitfähigen Schaums abgeschnitten. Ein drahtförmiges Schneidwerkzeug wird in einer gleichförmigen Grundbewegung durch den Block bewegt. Die Variation der Dicke wird eingebracht, indem eine Bewegung des Schneidwerkzeugs senkrecht zu dieser Grundbewegung auf die Grundbewegung aufmoduliert wird.
Unter einem drahtförmigen Schneidwerkzeug wird in diesem Zusammenhang insbesondere ein Schneidwerkzeug verstanden, das mindestens eine linienförmige Schneidkante besitzt, wobei bei einer gegebenen Position entlang der Grundbewegung durch den Block eine Bewegung des Schneidwerkzeugs senkrecht zur Richtung dieser Grundbewegung den entlang der Grundbewegung zurückliegenden, d.h. bereits geschnittenen, Teil des Materials unverändert lässt und von ihm auch nicht behindert wird. So tritt beispielsweise ein dünner Draht immer nur an seiner aktuellen Position entlang der Grundbewegung mit dem Block in Wechselwirkung und schneidet entlang einer Linie weiter, die durch die Überlagerung aus Grundbewegung und aufmodulierter Bewegung gegeben ist. Ein ausgedehntes Sägeblatt hingegen beispielsweise stößt, wenn es sich erst einmal vollständig in einem von ihm geschnittenen Spalt im Inneren des Blocks befindet, mit einer der Schneidkante gegenüber liegenden Kante an den Seitenwänden des Spalts an. Das Sägeblatt kann also nicht beliebig verkippt werden, um die Richtung zu ändern, in der der Schnitt durch den Block fortgesetzt wird. Schneiden mit einem drahtförmigen Schneidwerkzeug, auch unter Zuhilfenahme von elektrischen Strömen, ist als solches unter dem Begriff Drahterodieren bekannt.
Es wurde erkannt, dass auf diese Weise das Elektrodenmaterial in makroskopischen Größenordnungen und mit einer großen Klasse an Strukturierungen der lokalen Dicke schnell und kostengünstig hergestellt werden kann. Insbesondere lassen sich Strukturierungen, die sich lateral über die gesamte spätere Elektrode erstrecken und als kanalartige Strukturen für die Führung von Betriebsmitteln verwendet werden können, beispielsweise mit einem durch den ganzen Block reichenden Draht einfach herstellen.
Die Blöcke, in denen der elektrisch leitfähige Schaum vorliegt, haben typischerweise eine Größenordnung von 20 cm x 30 cm x 1 m. Ein plattenförmiger Körper des Elektrodenmaterials kann beispielsweise eine Dicke zwischen 0,5 mm und 3 mm haben. Aus einem Block können somit viele plattenförmige Körper geschnitten werden. Es ist dann vorteilhaft, den Verschnitt zu minimieren, um nicht unnötig Material zu verschwenden. Zu diesem Zweck werden vorteilhaft im Wechsel vollständige Schnitte durch den Block mit modulierter Grundbewegung, d.h. mit einer nicht nur in Richtung der Grundbewegung verlaufenden Schnittfläche, und vollständige Schnitte durch den Block mit nicht modulierter Grundbewegung, d.h. mit einer plan in Richtung der Grundbewegung verlaufenden Schnittfläche, ausgeführt. Die plane Schnittfläche kann dann beispielsweise als Auflagefläche für das Elektrodenmaterial dienen, wenn dieses etwa durch Pressen oder Walzen zu einer fertigen Elektrode verarbeitet wird. Die nicht plane Schnittfläche stellt die Strukturen bereit, die beispielsweise beim Pressen oder Walzen in das Material hineingedrückt werden. Jedes von dem Block abgeschnittene Stück ist dann als plattenförmiger Körper des Elektrodenmaterials verwendbar. An Abfall entsteht nur der an der jeweiligen Schnittkante entstehende Abrieb.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein weiteres Verfahren zur Herstellung der beschriebenen Elektrode aus dem beschriebenen Elektrodenmaterial. Bei diesem Verfahren wird das Elektrodenmaterial in seiner Dicke zumindest vorübergehend um mindestens 20 % und höchstens 60 % komprimiert.
Es wurde erkannt, dass gerade bei einer Komprimierung in diesem Bereich die Porosität innerhalb der Elektrode in einem Maße variiert wird, dass hierdurch ein Strom eines Betriebsmittels innerhalb der Elektrode führbar ist, während zugleich in der ganzen Elektrode noch eine offene Porosität verbleibt und kein Bereich völlig von der Zuführung des Betriebsmittels ausgeschlossen ist. Die Elektrode kann dann besonders gut, wie zuvor beschrieben, eine Doppelfunktion als Verteilstruktur und Diffusionsschicht für das Betriebsmittel erfüllen.
Dabei ist berücksichtigt, dass das Elektrodenmaterial nach dem Wegfall der komprimierenden Kraft teilweise wieder zurückfedert. Die Verformung ist also teilweise plastisch und teilweise elastisch.
Vorteilhaft wird das Elektrodenmaterial für die Komprimierung mit einer Pressung zwischen 200 N/cm² und 3000 N/cm² belastet. Diese Belastungen liegen deutlich über der typischen Pressung von 150 N/cm², der die fertige Elektrode beim üblichen Verpressen in einer Brennstoffzelle, bzw. einem Brennstoffzellenstapel, ausgesetzt ist. Gerade Pressungen in diesem Bereich führen zu einer mindestens teilweise plastischen Verformung des Elektrodenmaterials, ohne dass hierbei zu viele Poren völlig verschlossen oder zerstört werden.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
Ausführungsbeispiele
Es zeigt:

1 Ausführungsbeispiele des Elektrodenmaterials 1;
2 Ausführungsbeispiele der Elektrode 2, erhältlich durch Verpressen oder Walzen der in 1 gezeigten Elektrodenmaterialien 1;
3 Ausführungsbeispiel der Elektrode 2 mit zwei unterschiedlichen Abstufungen einer verminderten Porosität;
4 Beispielhafte Herstellung eines Körpers 11 des Elektrodenmaterials 1 aus einem Block 1a des elektrisch leitfähigen Schaums;
5 Beispielhafte Herstellung einer Vielzahl von Körpern 11, 11' mit minimalem Materialverlust;
6 Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelle 50 mit beispielhaften Elektroden 2.

1a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Elektrodenmaterials 1 in schematischer Schnittzeichnung. Der plattenförmige Körper 11 des Elektrodenmaterials 1 hat eine Oberseite 12 und eine Unterseite 13. Die Unterseite 13 ist plan, die Oberseite 12 ist wellenförmig strukturiert. Die Dicke 14 des Materials, gemessen jeweils zwischen einem Punkt 12a bzw. 12a' auf der Oberseite 12 und einem diesem Punkt 12a bzw. 12a' gegenüberliegenden Punkt 13a bzw. 13a' auf der Unterseite 13 ist auf Grund dieser Strukturierung variabel. Es gibt also Erhebungen 15, sowie in diesem Beispiel auch Vertiefungen 16, in der Oberseite 12 des Elektrodenmaterials 1.
1b zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Elektrodenmaterials 1 in schematischer Schnittzeichnung. Hier ist die Unterseite 13 des plattenförmigen Körpers 11 wiederum plan, während die Oberseite 12 keilförmig auf die Unterseite 13 zuläuft. Daher nimmt die Dicke 14 des plattenförmigen Körpers 11 von links nach rechts kontinuierlich ab.
Die 2a und 2b zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der Elektrode 2, das beispielsweise durch Verpressen oder Walzen des in 1a gezeigten Elektrodenmaterials 1 erhältlich ist. 2a zeigt eine schematische Aufsicht, 2b zeigt eine schematische Schnittzeichnung.
Die Elektrode 2 weist einen plattenförmigen Körper 21 auf, der beispielsweise durch zumindest teilweise plastische Verformung aus dem plattenförmigen Körper 11 des Elektrodenmaterials 1 hervorgegangen ist. Der plattenförmige Körper 21 hat eine Oberseite 22 und eine in 2a nicht sichtbare Unterseite 23. Die in 1a sichtbaren Erhebungen 15 im Elektrodenmaterial 1 werden nach dem Verpressen zu Bereichen 22a mit verminderter Porosität in der Oberseite 22, da das in den Erhebungen 15 enthaltene Material nach innen in den Körper 21 ausweichen muss. Diese Bereiche 22a setzen einem durchströmenden Betriebsmittel für eine Brennstoffzelle 50 einen erhöhten Strömungswiderstand entgegen. Die Zwischenräume zwischen diesen Bereichen 22a definieren kanalartige Strukturen 24 in der Oberseite 22. Im Betrieb der Brennstoffzelle 50 kann der plattenförmige Körper 21 der Elektrode 2 in diesen Bereichen 24 mehr Betriebsmittel aufnehmen und dieses schneller transportieren als in den Bereichen 22a. In 2b sind weiterhin Materialausnehmungen 26 eingezeichnet, in die die kanalartigen Strukturen 24 übergehen. Dabei befinden sich die Materialausnehmungen 26 in der Unterseite 23 der Elektrode, also in der den Bereichen 22a mit verminderter Porosität abgewandten Seite der Elektrode 2.
2c zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Elektrode 2, das beispielsweise durch Verpressen oder Walzen des in 1b gezeigten Elektrodenmaterials 1 erhältlich ist. Die Krafteinwirkung verteilt sich hierbei gleichmäßiger auf die Oberseite 12 und die Unterseite 13 des plattenförmigen Körpers 11 des Elektrodenmaterials 1. Der so erhaltene plattenförmige Körper 21 der Elektrode 2 weist daher sowohl an seiner Oberseite 22 als auch an seiner Unterseite 23 jeweils einen Bereich 22a bzw. 23a mit verminderter Porosität auf. Wie tief dieser Bereich jeweils ins Innere des plattenförmigen Körpers 21 reicht, ist dadurch bestimmt, wieviel Material in dieses Innere ausweichen muss. So ergibt sich etwa beim Verpressen oder Walzen des in 1b gezeigten keilförmigen Körpers 11 des Elektrodenmaterials 1 die in 2c sichtbare Tendenz, dass die Bereiche 22a und 23a am linken Rand des entstehenden Körpers 21 der Elektrode 2 tiefer in diesen hineinragen als am rechten Rand. Innerhalb der Bereiche 22a und 23a wächst außerdem entlang der Richtung 25 von links nach rechts der genaue Betrag der Porosität monoton.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Elektrode 2 in schematischer Schnittzeichnung. Diese Elektrode 2 kann beispielsweise erhalten werden, indem zwei Körper 11 von Elektrodenmaterialien 1 der in 1a gezeigten Art mit den Erhebungen 15 in ihren Oberseiten 12 aufeinander gelegt werden, und zwar um 90° zueinander verdreht, und indem diese Anordnung anschließend gewalzt oder verpresst wird. Alle Erhebungen 15 werden dann analog dem Übergang von 1a zu den 2a und 2b jeweils in Bereiche 22a mit verminderter Porosität umgewandelt mit dem Unterschied, dass es waagerechte und senkrechte solche Bereiche 22a gibt. Der qualitativ wichtigste Unterschied ist jedoch, dass die Kreuzungspunkte der Erhebungen 15 in Bereiche 22a' mit noch stärker verminderter Porosität umgewandelt werden.
Wenn die herzustellende Elektrode 2, wie in 3 gezeigt, rechteckig und nicht quadratisch ist, dann können zwei Körper 11 mit gleichen rechteckigen Abmessungen, aber um 90° zueinander versetzten Orientierungen der Erhebungen 15, beispielsweise hergestellt werden, indem ein Block aus dem elektrisch leitfähigen Schaum abwechselnd jeweils in unterschiedlichen Richtungen geschnitten wird. Werden die Schnitte um 90° zueinander versetzt mit gleicher und regelmäßiger Modulation abwechselnd durchgeführt, entstehen Scheiben, deren Ober- und Unterseite um 90° zueinander versetzte Erhebungen 15 aufweisen. Es entsteht wiederum ein zweiseitig strukturierter Körper, wie er in 3 gezeigt ist.
Geeignete Variationen für z.B. rautenförmige Strömungsfelder, bei denen also rautenförmig angeordnete Zonen höherer und geringerer Porosität bestehen, können erzeugt werden, indem die modulierten Schnitte zur Erzeugung der Ober- und Unterseite der Schaumscheiben um einen Winkel zwischen 0° und 90° zueinander ausgeführt werden.
Die Bereiche 22a' mit der noch stärker verminderten Porosität können in einer Brennstoffzelle 50 beispielsweise genutzt werden, um regelmäßige Stellen zur Homogenisierung der lokalen Reaktionsraten zu erzielen, an denen gezielt Wasser kondensiert, Wärme geleitet wird oder mechanische Stützstellen entstehen.
4 zeigt beispielhaft, wie aus einem Block 1a eines elektrisch leitfähigen Schaums Körper 11 von Elektrodenmaterialien 1 hergestellt werden können. Ein drahtförmiges Schneidwerkzeug 3, das sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckt, wird in einer Grundbewegung 31 von oben nach unten durch den Block 1a geführt. Auf diese Grundbewegung 31 ist eine hierzu senkrechte Bewegung 32 aufmoduliert. Mit dieser weiteren Bewegung 32 lassen sich beispielsweise die in 1a sichtbaren Erhebungen 15 und Vertiefungen 16, oder beispielsweise die in 2b sichtbare Keilform, in den Körper 11 einbringen. In dem in 4 gezeigten Beispiel korrespondieren die Erhebungen 15 des abgeschnittenen Körpers 11 zu Vertiefungen 16 in der Oberfläche des restlichen Blocks 1a, und die Vertiefungen 16 des abgeschnittenen Körpers 11 korrespondieren zu Erhebungen 15 in der Oberfläche des restlichen Blocks 1a. Damit ist bereits die Vorarbeit für die Fertigung des nächsten Körpers 11 geleistet, der im nächsten Arbeitsgang gerade vom Block 1a abgeschnitten werden kann.
5 zeigt beispielhaft, wie eine Vielzahl von Körpern 11, 11' von Elektrodenmaterialien 1 mit minimalem Materialverlust aus einem Block 1a eines elektrisch leitfähigen Schaums hergestellt werden kann. 5a zeigt, wie durch abwechselnde gewundene und gerade Schnitte der Block 1a in eine Vielzahl gleichartiger Körper 11, 11' der in 1a gezeigten Art aufgeteilt werden kann. 5b zeigt, wie durch eine alternierende Abfolge zweier verschiedener schräger Schnitte der Block 1a in eine Vielzahl gleichartiger Körper 11, 11' aufgeteilt werden kann, deren Oberseiten und Unterseiten jeweils aufeinander zulaufen.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelle 50. Die Brennstoffzelle 50 hat einen Anodenraum 50a und einen Kathodenraum 50b, die durch einen Elektrolyten 53 voneinander getrennt sind. Der Anodenraum 50a wird begrenzt durch eine erste Endplatte 51 einerseits und den Elektrolyten 53 andererseits. Der Kathodenraum 50b wird begrenzt durch eine zweite Endplatte 52 einerseits und den Elektrolyten 53 andererseits. Seitliche bzw. umlaufende Dichtungen sind in 6 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet.
Im Anodenraum 50a und im Kathodenraum 50b ist jeweils ein Exemplar der beschriebenen Elektrode 2 angeordnet, hier nach der in 2b dargestellten Art. Die jeweiligen kanalartigen Strukturen 24 außerhalb der Bereiche 22a, in denen die Porosität vermindert ist, wirken mit der jeweiligen Endplatte 51 bzw. 52 zusammen, um Verteilstrukturen 54 bzw . 55 für die Betriebsmittel der Brennstoffzelle 50 zu bilden.
Analog zu 2c gehen hier die kanalartigen Strukturen 24 in Materialausnehmungen 26 der Elektroden 2 über. Dabei sind diese Materialausnehmungen 26 jeweils einer Endplatte 51, 52 zugewandt und erstrecken sich parallel zu den kanalartigen Strukturen 24 senkrecht zur Zeichenebene. Ein im Bereich der Endplatte 51, 52 zugeführtes Betriebsmittel kann also zunächst mit geringem Druckverlust über die gesamte Grenzfläche zwischen der Endplatte 51, 52 und der daran angrenzenden Elektrode 2 verteilt werden. Wenn sich das Betriebsmittel nun innerhalb der Zeichenebene in Richtung des Elektrolyten 53 bewegt, so erfährt es ausgehend von den Materialausnehmungen einen progressiv steigenden Strömungswiderstand.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016213057 A1 [0003]

Claims

Elektrodenmaterial (1) für eine Brennstoffzelle (50), umfassend einen plattenförmigen Körper (11) aus einem elektrisch leitfähigen Schaum mit einer offenen und durchgängigen Porosität für mindestens ein Betriebsmittel der Brennstoffzelle (50), wobei der plattenförmige Körper (11) eine Oberseite (12) und eine Unterseite (13) aufweist und wobei die jeweils zwischen einem Punkt (12a, 12a') auf der Oberfläche der Oberseite (12) und dem diesem Punkt (12a, 12a') gegenüberliegenden Punkt (13a, 13a') auf der Oberfläche der Unterseite (13) gemessene Dicke (14) des Materials über alle Punkte (12a, 12a') auf der Oberfläche der Oberseite (12) um mindestens 10 % variiert.
Elektrodenmaterial (1) nach Anspruch 1, wobei die Dicke des Materials über alle Punkte (12a, 12a') auf der Oberfläche der Oberseite (12) um höchstens 50% variiert.
Elektrodenmaterial (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Porosität des Schaums zwischen 40 % und 80 % beträgt.
Elektrodenmaterial (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Oberseite (12) keilförmig auf die Unterseite (13) zuläuft, und/oder wobei die Unterseite (13) keilförmig auf die Oberseite (12) zuläuft.
Elektrodenmaterial (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Oberseite (12), und/oder die Unterseite (13), längliche Erhebungen (15) und/oder Vertiefungen (16) aufweist, welche kanalartige Strukturen auf der Oberseite (12), bzw. auf der Unterseite (13), definieren.
Elektrode (2) für eine Brennstoffzelle (50), umfassend einen plattenförmigen Körper (21) aus einem elektrisch leitfähigen Schaum mit einer offenen und durchgängigen Porosität für mindestens ein Betriebsmittel der Brennstoffzelle (50), wobei der plattenförmige Körper (21) eine Oberseite (22) und eine Unterseite (23) aufweist und wobei die Oberseite (22), und/oder die Unterseite (23), Bereiche (22a, 23a) aufweist, in denen die Porosität des plattenförmigen Körpers (11) um mindestens 10 % vermindert ist.
Elektrode (2) nach Anspruch 6, wobei die Porosität in den Bereichen (22a, 23a) mit verminderter Porosität durch Deformation vermindert ist.
Elektrode (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, wobei in den Bereichen (22a, 23a) mit der verminderten Porosität die Porosität um höchstens 50 % herabgesetzt ist.
Elektrode (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Bereiche (22a, 23a) mit der verminderten Porosität kanalartige Strukturen (24) in der Oberseite (22), bzw. in der Unterseite (23), begrenzen.
Elektrode (2) nach Anspruch 9, wobei die kanalartigen Strukturen (24) in Materialausnehmungen (26) in der Oberfläche der Oberseite (22), und/oder in der Oberfläche der Unterseite (23), übergehen.
Elektrode (2) nach Anspruch 10, wobei die Materialausnehmungen (26) in derjenigen Seite (23, 22) der Elektrode (2) angeordnet sind, die der Seite (22, 23), welche die Bereiche (22a, 23a) mit verminderter Porosität enthält, abgewandt ist.
Elektrode (2) nach einem der Ansprüche 10 bis 11, wobei die Materialausnehmungen (26) bis in eine maximale Tiefe reichen, die zwischen 10 % und 40 % der maximalen Materialdicke der Elektrode (2) beträgt.
Elektrode (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei entlang mindestens einer Richtung (25) entlang der Oberfläche der Oberseite (22), bzw. entlang der Oberfläche der Unterseite (23), die Porosität monoton zunimmt oder abnimmt.
Elektrode (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 13, hergestellt durch Pressen und/oder Walzen eines Elektrodenmaterials (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Elektrode (2) nach Anspruch 14, hergestellt durch Pressen des Elektrodenmaterials (1) zwischen einer ersten, planen Pressfläche und einer zweiten, topographisch strukturierten Pressfläche, bzw. durch Walzen zwischen einer ersten, rein zylindrischen Walze und einer zweiten, auf ihrem Zylindermantel topographisch strukturierten Walze, wobei die topographische Strukturierung der zweiten Pressfläche, bzw. der zweiten Walze, zu den Materialausnehmungen (26) korrespondiert.
Elektrodenmaterial (1) oder Elektrode (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die mittlere Porengröße mindestens in Teilbereichen zwischen 100 µm und 400 µm beträgt.
Brennstoffzelle (50) mit einem Anodenraum (50a), einem Kathodenraum (50b) und einem Elektrolyten (53), der den Anodenraum (50a) vom Kathodenraum (50b) trennt, wobei der Anodenraum (50a) und der Kathodenraum (50b) auf der dem Elektrolyten (53) abgewandten Seite jeweils durch eine Endplatte oder Bipolarplatte (51, 52) begrenzt sind und wobei zwischen mindestens einer Endplatte oder Bipolarplatte (51, 52) einerseits und dem Elektrolyten (53) andererseits eine Elektrode (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 15 angeordnet ist, so dass die Endplatte oder Bipolarplatte (51, 52) mit den Bereichen (22a) der Elektrode (2), in denen die Porosität vermindert ist, zur Bildung einer Verteilstruktur (54, 55) für mindestens ein Betriebsmittel der Brennstoffzelle (50) zusammenwirkt.
Brennstoffzelle (50) nach Anspruch 17, wobei die Endplatte oder Bipolarplatte (51, 52) zusätzlich mit Materialausnehmungen (26) der Elektrode (2) zur Bildung der Verteilstruktur (54, 55) zusammenwirkt.
Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenmaterials (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 16, wobei der plattenförmige Körper (11) von einem Block (1a) des elektrisch leitfähigen Schaums abgeschnitten wird, wobei ein drahtförmiges Schneidwerkzeug (3) in einer gleichförmigen Grundbewegung (3) durch den Block (1a) bewegt wird und wobei die Variation der Dicke (14) eingebracht wird, indem eine Bewegung (32) des Schneidwerkzeugs (3) senkrecht zu dieser Grundbewegung (31) auf die Grundbewegung (31) aufmoduliert wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei im Wechsel vollständige Schnitte durch den Block (1a) mit modulierter Grundbewegung (31+32) und unmodulierter Grundbewegung (31) ausgeführt werden.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 16 aus einem Elektrodenmaterial (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 16, wobei das Elektrodenmaterial (1) in seiner Dicke zumindest vorübergehend um mindestens 20 % und höchstens 60 % komprimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Elektrodenmaterial (1) für die Komprimierung mit einer Pressung zwischen 200 N/cm² und 3000 N/cm² belastet wird.