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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Diffusionslage für eine elektrochemische Zelle und ein Verfahren zum Herstellen einer Diffusionslage.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen sind elektrochemische bzw. galvanische Zellen, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandeln, bei der Elektrolyse läuft der elektrochemische Prozess in die andere Richtung. Wesentlicher Bestandteil von Brennstoffzellen und Elektrolysezellen sind Bipolarplatten und Diffusionslagen. Diffusionslagen für elektrochemische Zellen sind beispielsweise aus der
DE10238860A1 bekannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die Perforationsrate einer Diffusionslage zu erhöhen.
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Offenbarung der Erfindung
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Dazu wird die Diffusionslage für eine elektrochemische Zelle nun mittels hydraulischem Stanzen hergestellt. Die Diffusionslage besteht also aus einer Folie, in welche mittels hydraulischem Stanzen eine Vielzahl von Löchern eingebracht wird. Bevorzugt werden in die Folie mehrere Millionen Löcher eingebracht.
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Durch das hydraulische Stanzen können in die Folie mehr Löcher als bislang üblich eingebracht werden, die Perforationsrate der so hergestellten Diffusionslage erhöht sich also gegenüber dem Stand der Technik. Für die elektrochemische Zelle kann durch eine derartige Diffusionslage die Medienversorgung verbessert werden, die Leistungsfähigkeit der elektrochemischen Zelle wird erhöht. Das hydraulische Stanzen ist weiterhin ein sehr schneller Herstellprozess.
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In vorteilhaften Ausführungen ist die Folie eine metallische Folie. Besonders für metallische Folien eignet sich das hydraulische Stanzen sehr gut, da man sehr hohe Drücke realisieren kann. Bevorzugt wird das hydraulische Stanzen dabei mit einem Druck von mindestens 10.000 bar durchgeführt. Vorteilhafterweise weist die Folie eine Dicke von maximal 0,2 mm auf, so dass die Löcher auch wirklich durchstoßen werden können.
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In vorteilhaften Weiterbildungen wird das hydraulische Stanzen als Wasserstanzen durchgeführt. Dies ist aufgrund der Verfügbarkeit von Wasser sehr einfach und kostengünstig durchzuführen.
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In vorteilhaften Ausführungen weisen die Löcher einen Durchmesser von maximal 20 µm auf. Dies ist mit dem hydraulischen Stanzen realisierbar. Dadurch können die Perforationsrate und die Homogenisierung der Perforationen weiter gesteigert werden. Beides ist für die Leistungssteigerung der elektrochemischen Zelle wichtig.
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In vorteilhaften Herstellverfahren ist die Folie während des Stanzens zwischen einer ersten Matrize und einer zweiten Matrize eingespannt. In der ersten Matrize ist der Vielzahl von Löchern entsprechend eine Vielzahl von Durchgangslöchern ausgebildet. Die Durchgangslöcher stehen zu einer Seite fluidisch mit einem Druckbehälter und zur anderen Seite fluidisch mit den (späteren) Löchern in Verbindung. Dadurch wird jedes spätere Loch in der Folie mit Druck beaufschlagt, so dass entsprechend auch alle Löcher durchstoßen werden.
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In vorteilhaften Weiterbildungen ist in der zweiten Matrize der Vielzahl von Löchern entsprechend eine Vielzahl von Sacklöchern ausgebildet, welche fluidisch mit den Löchern in Verbindung stehen. Bevorzugt stehen die Sacklöcher dabei zu Beginn des Verfahrens unter einem Druck welcher maximal dem Atmosphärendruck entspricht. Vor dem Durchstoßen der Löcher liegt an den Sacklöchern also Atmosphärendruck an, so dass die Folie an den Positionen der späteren Löcher eine maximale Druckdifferenz (oben - unten) aufweist und dementsprechend die lokale mechanische Beanspruchung zum Durchstoßen der Löcher führt.
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Die Erfindung umfasst auch eine Diffusionslage, welche mehrere Millionen Löcher aufweist. Bevorzugt ist die Diffusionslage dabei nach einem der obigen Verfahren hergestellt.
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Vorteilhafterweise weisen die Löcher einen Durchmesser von maximal 20 µm auf. Dadurch wird eine hohe und homogene Perforationsrate erzielt.
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Bevorzugt sind die Löcher zylindrisch ausgeführt. Dadurch ist der Strömungsweg in Richtung Membran bzw. katalytischer Schicht der elektrochemischen Zelle optimiert bzw. der Strömungswiderstand reduziert. Dies gilt insbesondere im Vergleich mit quasi stochastischen Perforationen, wie sie beispielsweise Diffusionslagen aus Vliesen aufweisen.
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Die erfindungsgemäßen Diffusionslagen eignen sich besonders für Brennstoffzellen und Elektrolysezellen.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 einen Schnitt durch eine aus dem Stand der Technik bekannt Brennstoffzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
- 2 einen Schnitt durch eine weitere aus dem Stand der Technik bekannt Brennstoffzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
- 3 ein erfindungsgemäßes Herstellverfahren für eine Diffusionslage, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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1 zeigt schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte elektrochemische Zelle 100 in Form einer Brennstoffzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Brennstoffzelle 100 ist als PEM-Brennstoffzelle ausgeführt und weist eine Membran 2 auf, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Membran. Zu einer Seite der Membran 2 ist ein Kathodenraum 100a, zu der anderen Seite ein Anodenraum 100b ausgebildet.
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Im Kathodenraum 100a sind von der Membran 2 nach außen weisend - also in Normalenrichtung bzw. Stapelrichtung z - eine Elektrodenschicht 3, eine Diffusionslage 5 und eine Verteilerplatte 7 angeordnet. Analog sind im Anodenraum 100b von der Membran 2 nach außen weisend eine Elektrodenschicht 4, eine Diffusionslage 6 und eine Verteilerplatte 8 angeordnet. Die Membran 2 und die beiden Elektrodenschichten 3, 4 bilden eine Membran-Elektroden-Anordnung 1. Weiterhin sind auch noch die beiden Diffusionslagen 5, 6 Bestandteil der Membran-Elektroden-Anordnung 1.
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Die Verteilerplatten 7, 8 weisen Kanäle 11 für die Gaszufuhr - beispielsweise Luft im Kathodenraum 100a und Wasserstoff im Anodenraum 100b -zu den Diffusionslagen 5, 6 auf. Die Diffusionslagen 5, 6 bestehen typischerweise kanalseitig - also zu den Verteilerplatten 7, 8 hin - aus einem Kohlefaserflies und elektrodenseitig - also zu den Elektrodenschichten 3, 4 hin - aus einer mikroporösen Partikelschicht.
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Die Verteilerplatten 7, 8 weisen die Kanäle 11 und somit implizit auch an die Kanäle 11 angrenzende Rippen 12 auf. Die Unterseiten dieser Rippen 12 bilden demzufolge eine Kontaktfläche 13 der jeweiligen Verteilerplatte 7, 8 zu der darunterliegenden Diffusionslage 5, 6.
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Üblicherweise unterscheiden sich kathodenseitige Verteilerplatte 7 und anodenseitige Verteilerplatte 8 voneinander; vorteilhafterweise sind die kathodenseitige Verteilerplatte 7 einer elektrochemischen Zelle 100 und die anodenseitige Verteilerplatte 8 der dazu benachbarten elektrochemischen Zelle fest verbunden, beispielsweise durch Schweißverbindungen, und damit zu einer Bipolarplatte zusammengefasst.
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Eine als Elektrolysezelle ausgeführte elektrochemische Zelle kann einen analogen Aufbau aufweisen.
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2 zeigt schematisch eine aus der
DE10238860A1 bekannte elektrochemische Zelle 100 in Form einer Festoxidbrennstoffzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die anodenseitige Diffusionslage 6 ist eine metallische Folie, die gleichzeitig die sogenannte Oberschale einer sogenannten Kassette 60 darstellt. Wie ersichtlich ist diese sich selbstverständlich über ein gewisses Längenmaß senkrecht zur Zeichenebene erstreckende Diffusionslage 6 perforiert, d.h. mit Löchern 30 versehen. Zusammen mit einer weiteren als Unterschale 61 bezeichneten Struktur bildet die Oberschale bzw. Diffusionslage 6 die Kassette 60, die einen Hohlraum einschließt. In einen Teilbereich dieses Hohlraumes kann beispielsweise ein metallisches Drahtgewirk eingebracht sein, was hier jedoch nicht gezeigt ist. In ihren Randbereichen sind die Oberschale 6 und die Unterschale 61 miteinander verschweißt, also über eine rundum verlaufende Schweißnaht stoffschlüssig und somit gasdicht miteinander verbunden.
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Im Wesentlichen im Überdeckungsbereich mit den Löchern 30 ist auf der dem Hohlraum abgewandten Außenseite der Diffusionslage 6 die Membran-Elektroden-Anordnung 1 aufgetragen, wobei die an der Diffusionslage 6 anliegende Schicht die anodenseitige Elektrodenschicht 4 ist. Diese wird im Herstellungsprozess einer elektrochemischen Zelle 100 als erste Schicht mittels eines thermischen Pulver-Sprühverfahrens aufgetragen. Hierauf kann dann die Elektrolytschicht bzw. Membran 2 und die kathodenseitige Elektrodenschicht 3 aufgebracht werden.
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In den Hohlraum der Kassette 60 wird das für die elektrochemische Zelle 1 bzw. für den darin erfolgenden elektrochemischen Umwandlungsprozess benötigte Brenngas zugeführt. Innerhalb des Hohlraumes wird dieses Brenngas dabei geeignet auf die einzelnen Locher 30 verteilt, so dass es dann durch diese zur anodenseitigen Elektrodenschicht 4 gelangen und dort entsprechend reagieren kann.
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In der Ausführung der 2 ist an der Unterschale 61 die kathodenseitige Diffusionslage 5 angebracht. Durch diese Diffusionsalge 5 kann dann Luft bzw. Sauerstoff zur kathodenseitigen Elektrodenschicht 3 einer nicht dargestellten benachbarten elektrochemischen Zelle 100 geführt werden.
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Ein analoger Aufbau gilt auch für eine als Festoxidelektrolysezelle aufgebaute elektrochemische Zelle 100.
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Die Aufgabe der Erfindung ist die Anzahl der Löcher 30 einer Diffusionslage 5, 6 einer elektrochemischen Zelle 100 zu erhöhen, bevorzugt um den Faktor 5-10 zu erhöhen. Gleichzeitig soll idealerweise auch die Verarbeitungsdauer gesenkt werden. Die Erfindung ist für alle Diffusionslagen 5, 6 bzw. Funktionsschichten von elektrochemischen Zellen 100 einsetzbar, welche folienartig gestaltet sind und eine sehr hohe Anzahl von Löchern 30 in Foliendicke aufweisen sollen.
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Bisher wurden die Löcher 30 per Laser in die metallische Folie bzw. in die Diffusionslage 5, 6 eingebracht. Dies dauerte pro Diffusionslage 5, 6 einer typischen elektrochemischen Zelle 100 mehrere Minuten. Erfindungsgemäß soll nun die zu perforierende Folie durch hydraulisches Stanzen, insbesondere durch „Wasserstanzen“, in einem Arbeitsschritt, mit bevorzugt mehreren Millionen Löchern 30, perforiert werden, so dass dadurch die Diffusionslage 5, 6 entsteht.
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Dazu zeigt 3 eine zu bearbeitende Folie 5a, 6a, welche zwischen zwei Matrizen 31, 32 fest eingeklemmt wird. Die erste Matrize 31 weist Durchgangslöcher 33 auf, welche mit einem Druckbehälter 34 fluidisch verbindbar sind. Der Druckbehälter 34 weist eine unter Druck stehende Flüssigkeit bzw. eine unter Druck zu bringende Flüssigkeit, bevorzugt Wasser auf. Die Flüssigkeit kann dabei beispielsweise über einen Zufluss 35 unter Druck gesetzt werden, bevorzugt sogar auf einen Druck von mehreren tausend bar erhöht werden, besonders bevorzugt auf einen Druck von mehr als 10.000 bar. Der Wasserdruck wirkt dann durch die Durchgangslöcher 33 auf die Folie 5a, 6a und bricht diese schließlich durch, so dass die Löcher 30 und mit ihnen die Diffusionslage 5, 6 entsteht.
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Die zweite Matrize 32 weist Sacklöcher 36 auf. Diese Sacklöcher 36 sind zu Beginn des Prozesses bevorzugt ausschließlich mit einem kompressiblen Medium, z.B. Luft gefüllt oder gar als Vakuum ausgeführt. Nach dem Durchbruch eines Lochs 30 füllt sich das entsprechende Sackloch 36 mit Flüssigkeit und es herrscht Gleichdruck nur für das dedizierte Loch 30 vor. So kann sichergestellt werden, dass alle Löcher 30 durchgestoßen werden. Wären die Sacklöcher 36 durchgängig ausgeführt und hätten in einem Sammelbehälter eine fluidische Verbindung, so würden sich nach dem Durchbruch eines Lochs 30 all anderen Löcher der zweiten Matrize 32 rückwärtig füllen und es würde sich ein nicht gewünschter Gleichdruck einstellen. Durch die Sacklöcher 36 kann also sichergestellt werden, dass alle gewünschten Löcher 30 hergestellt werden.
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In bevorzugten Ausführungen weist die Folie 5a, 6a bzw. die Diffusionslage 5, 6 eine Dicke s von maximal 0,2 mm auf. Der Durchmesser d der Durchgangslöcher 33 und Sacklöcher 36 - und damit auch der Durchmesser d der Löcher 30 selbst - beträgt bevorzugt 20 µm oder weniger.
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Die Flüssigkeit in dem Druckbehälter wird vorteilhafterweise unter einen Druck von mindestens 10.000 bar gesetzt, so dass die Löcher 30 auch in eine Folie 5a, 6a aus Edelstahl eingebracht werden können, da die Zugfestigkeit des Edelstahls typischerweise bei 70-80 kN/cm2 liegt. Der hohe Druck von 10.000 bar kann dabei bevorzugt durch eine hydraulische Übersetzung hergestellt werden. Da keine hohen Volumenströme erzeugt werden müssen, ist der Aufwand gering.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Verfahren und Diffusionslagen 5, 6 sind wie folgt:
- • Erhöhung der Perforationsrate bei gleichbleibender Verarbeitungszeit.
- • Wird die Perforationsrate erhöht, so treten Massentransportlimitierungen im späteren Betrieb der elektrochemischen Zelle 100 erst verspätet auf. Dies bedeutet beispielsweise, dass ein höherer Strom pro cm2 aktiver Fläche der elektrochemischen Zelle 100 appliziert werden kann, ohne dass die Zelle selbst degradiert oder sich eine Delamination einer keramischen oder anderweitigen Schicht aufgrund eines Staudrucks von Medien ergibt.
- • Die Leistung einer elektrochemischen Zelle 100 kann deutlich erhöht werden.
- • Letztendlich sinken auch die die Kosten pro kW der elektrochemischen Zelle 100.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10238860 A1 [0002, 0023]
