WO2008092700A1 - Fuel cell stack assembly comprising a special current conductor structure - Google Patents

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WO2008092700A1 PCT/EP2008/000816 EP2008000816W WO2008092700A1 WO 2008092700 A1 WO2008092700 A1 WO 2008092700A1 EP 2008000816 W EP2008000816 W EP 2008000816W WO 2008092700 A1 WO2008092700 A1 WO 2008092700A1
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individual contacts
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microns
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Robert Hahn
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell assembly and a method for their preparation.
  • the Stromabieiter Gent which may be a simple Stromableiterplatte or part of a bipolar plate is inventively constructed so that it has a low contact resistance for electrical connection to a membrane unit due to the high electrical conductivity of the individual contacts.
  • the basic idea is that the individual contacts are distributed over the surface area the Stromabieiter Vietnamese and with the - preferably made of metal - Stromableitergrund endeavor in electrical contact.
  • the individual contacts are incorporated in an insulating coating. This means that the surface of the current drainage structure directed toward the membrane unit or to the specific electrode of the membrane unit has a "double-surface" structure.
  • the flat distributed individual contacts are provided, which make the actual electrical contact.
  • the individual contacts are surrounded by passivated, corrosion-resistant material.
  • the base area on which the precious metal contacts are located may be coated with a metal such as magnesium, titanium or zirconium, which forms a natural lhehe oxide layer which is very stable in the interface with the polymer deposited thereon as a corrosion protection layer against a lye attack.
  • a metal such as magnesium, titanium or zirconium
  • polymers are particularly suitable for polyamide or materials such as bitumen or asphalt.
  • the manufacturing method according to the invention provides that a Stromableiter ground phenomenon is provided with distributed in an insulating coating surface single contacts and then the individual contacts are brought into electrical connection with an electrode of the membrane unit.
  • This process is also very easy to produce in microstructures and is therefore recommended for cost-effective industrial production.
  • An advantage of the invention is that the electrical, mechanical and chemical properties of the surface coating need not be optimized in a single material, but practically on two materials (insulating coating to compensate for mechanical stresses, etc. and producing a good electrical Conductivity through the individual contacts) are divided.
  • the contact material of the individual contacts should be have a good electrical conductivity, adhesion to the Stromableiter ground réelle and a good corrosion resistance.
  • the coefficient of thermal expansion and the ductility of this material are of much less importance, since only very small contiguous areas are connected to the Stromableiterground phenomena.
  • the price of the material can be much higher without increasing the overall cost, since only a small substrate surface is coated with it (it is therefore even possible to use gold for the individual contacts).
  • the passivation layer does not require any electrical conductivity and can be designed for optimum adhesion, ductility and chemical resistance.
  • the use of polymers is possible. This makes it possible, for example, to coat a sheet with flat distributed individual contacts and a passivation arranged between the individual contacts and then to deform, without that (as in a total coating with the precious metal) defects or cracks occur. But even in the choice of material for the Stromableiter ground stresses even greater freedom is given. For example, copper or aluminum with a very high conductivity can be used here. These otherwise so susceptible to corrosion, but inexpensive and well-conductive materials in the non-corroded state are covered by the insulating layer so that there is none
  • Impairment of the total conductivity of the current collector structure comes. It should also be noted that the corrosion and thus the long-term stability are also strongly dependent on the operating parameters of the fuel cell (voltage, power density, temperature) and the type of fuel cell (hydrogen PEM, DMFC, DEFC). are pending.
  • the contact resistance as a function of the contact pressure is dependent not only on the electrical conductivity of the materials but also on the mechanical properties (modulus of elastic modulus, compression modulus) and the thickness of the layers (in particular a softer partner, such as a gas diffusion layer attached to the membrane unit). These requirements can be well responded by an appropriate vote of the materials mentioned here.
  • the average distance between the conductive individual contacts is so small that the spreading resistance in the membrane unit (electrode or gas diffusion layer) is negligible.
  • the present arrangement is possible for structures (membrane units) with or without additional gas diffusion layer used.
  • the entire surface of the Stromabieiter Weg can be coated with the individual contacts, or even only a portion of the webs, which are in direct contact with the membrane unit.
  • all fuel cells come with planar cell or stack construction in question ge, in particular micro fuel cells, foil fuel cells, portable fuel cells, all suitable for integration into electrical appliances, clothing or vehicles.
  • the necessary contact pressure between the bipolar plate or the Stromabieiter Modell and the Elektrodenpositioned. Gas diffusion layer of the fuel cell and the electrical contact resistance is simultaneously reduced by applying on the surface of the bipolar plate or the Stromabieiter Modell finely distributed, raised electrical contacts, which of surrounded by a corrosion-resistant coating.
  • the mean distance between the individual contacts is so small that the spreading resistance in the electrode or gas diffusion layer is negligible. If the contacts, which are preferably made of a noble metal or provided with a stainless steel coating, project clearly beyond the surface of the bipolar plate or current drainage structure, a three-dimensional electrical contact is formed in the electrode or gas diffusion layer, which further reduces the contact resistance.
  • the microcontact structure is produced only on the webs of the bipolar plates or the current collector and occupies there only a certain percentage of the total surface, the use of precious metals can be minimized. If the microcontacts are produced as structures with a very high aspect ratio (pillar structures, "no-lawn"), an independent anchorage is created during pressing with the electrode or gas diffusion layer of the fuel cell, so that the contact pressure is removed can be without the contact resistance increases. In this way, the contact resistance is not increased by different thermal expansion or relative movement caused by swelling. As a substrate for the micro-contact structure metals or metallizations, which can be produced cost-effective and lightweight fuel cells.
  • the individual contacts have contact tips and the contact tips of the individual contacts for increasing the contact surface with the membrane unit in an electrode and / or gas diffusion layer of the membrane unit frictionally and / or positively introduced.
  • a contact pressure of the current collector structure on the membrane unit during operation of the fuel cell may possibly even be completely dispensed with. But at least this can be done by the contact pressure lower.
  • the penetration of the individual contacts into the electrode or gas diffusion layer gives an even larger contact area (since lateral contact is also provided), so that even total contact areas are possible, which are larger than the planar plate area of the current drainage structure.
  • a further advantageous embodiment provides that the individual contacts are also partially coated with a corrosion-resistant coating.
  • the foot region of the individual contact may also be coated to a certain height.
  • a further advantageous embodiment provides that the contact tips of the individual contacts are plugged into the membrane unit or even executed (for example, “mushroom-shaped") that they engage behind the membrane unit area.
  • the individual contacts can be made entirely of precious metal (for example gold, silver or platinum). However, it is also possible (this applies in particular for "raised” contacts, which protrude beyond the main level of the insulating layer), that the noble metal coating takes place on a core body, which consists of a metal, a polymer material or a ceramic material. Under certain circumstances, this core body can also be an integral part of the current collector base body. However, it should be noted that the core body, if made of polymer or ceramic, must be electrically conductive or at least has a conductive cover layer which then ultimately connects all the individual contacts, eg gold contact points.
  • the contact resistances of the individual contacts to the membrane unit should be between 1 milliohm and 10 illiohms per square centimeter.
  • the individual contacts should in this case have a diameter between 0.1 microns and 1000 microns, preferably between 1 microns and 100 microns, more preferably between 50 microns and 100 microns.
  • the contact tips may either be planar to the electrical coating, so that overall it is a uniform plane. If the contact tips protrude beyond the plane of the surface of the insulating layer oriented toward the membrane unit, this protrusion should preferably be between 100 microns and 1000 microns.
  • a further advantageous embodiment provides that the distance of the center axes of adjacent individual contacts to each other is between 10 microns and 1000 microns.
  • the central axis is determined here by approximation (that is, by a linear approximation of the centroids of the cross-sectional areas).
  • the thickness of a possibly gas diffusion layer on the membrane unit is preferably between 50 micrometers and 1000 micrometers.
  • the gas diffusion layer may be mechanically connected to increase the conductivity with the rest of the membrane unit, thereby the contact resistance is not increased by different thermal expansion or swelling of the partners involved and the resulting relative movement.
  • the intended Stromabieiter Jardin is applicable to a variety of different fuel cells.
  • the Stromabieiter Jardin part of a Stromablei- terplatte / monopolar plate or a bipolar plate be.
  • the fuel cell arrangement can also be made planar and have a total thickness between 100 micrometers and 1000 micrometers (this thickness specification refers to a membrane unit with monopolar current collector structures arranged on both sides).
  • a planar fuel cell assembly of very low height which consists of a five-unit membrane unit with compressed gas diffusion layer and due to the mechanical / electrical anchoring of the current collector / channel structures with the five-layer membrane unit can be mounted with a very small contact pressure, so that no solid pressure plates or end plates needed.
  • the individual contacts are first inserted or plugged into a Stromableiter groundSystem and then subsequently pressed with the membrane unit so that the contact tips of the individual contacts are frictionally and / or positively anchored in the membrane unit. This results in a particularly good conductivity due to high coverage areas, and the contact pressure can be kept low.
  • the individual contacts can also be produced by coating, preferably by coating elevations of the main body of the current plate.
  • the individual contacts can also grow in a resist structure, which is then removed, thereby "mushroom shapes", which then engage behind, for example, a gas diffusion layer possible.
  • many diverse methods of microstructuring are possible, so individual contacts are also by breeding a "nano-lawn” or by growing carbon nanotubes (CNT) possible, diverse applications of CVD or PVD are applicable.
  • micro-contacts As an advantage of the outstanding individual contacts (micro-contacts), two aspects can be highlighted: reduction of the electrical contact resistance and reduction of the mechanical contact force in order to obtain a small contact resistance. The fact that you can get by with smaller (or no) contact pressure, you can make the fuel cell thinner, easier to run because no pressure plates are needed.
  • a further advantageous embodiment provides that the Stromabieiter Quilt towards the electrode additionally has a lattice-shaped structure, which is coated for improved electrical conductivity partially or pointwise with precious metal.
  • expanded metals, meshes, metal mesh or perforated metal foils are also used as current conductors.
  • these grids also lie between the membrane electrode assembly / gas diffusion layer and a current collector plate or flowfield plate with larger structural dimensions.
  • the metals themselves are stainless steel, copper, titanium or Nobium.
  • FIG. 1 shows a fuel cell arrangement according to the invention, which is particularly suitable for film fuel cells
  • FIG. 2 shows a further embodiment of an inventive Fuel cell arrangement according to the invention, in which the individual contacts engage behind a gas diffusion layer,
  • FIG. 3 is a plan view and a cross-section of a Stromableiter Modell invention
  • Fig. 4b are views of another embodiment of a power drainage structure
  • FIG. 6 shows current collector structures, which show individual contacts with undercut sections
  • Fig. 8 figures for explaining geometric conditions in the individual contacts.
  • FIG. 1 shows a fuel cell arrangement 1 according to the invention.
  • This contains a membrane unit 2 with two electrodes, namely an anode 3 and a cathode 4.
  • a separate gas diffusion layer that builds up on these electrodes is not provided in this embodiment.
  • This is followed in each case by the cathode or from the anode technological Stromablei- ter Vietnamese Scheme 5.
  • These each have an electrically conductive current collector base body 6, wherein the current collector base body 6 has a passivation coating 7 with individual contacts 8 distributed in a planar manner.
  • the individual contacts 8 are in this case arranged so that they contact the one hand, the corresponding anode 3 and cathode 4 and on the other hand, the respective Stromableitergrund stresses 6 electrically.
  • the electrode layer of the MEA is already of such a position and thickness, as well as the channel structure of the current conductor.
  • Terfigured very finely structured channel widths between 10 microns and 1 millimeter, so that no further gas diffusion layer is required and the Stromabieiter Quilt (or bipolar plate) with the superficial micro-contact structure containing the individual contacts, pressed directly onto the electrode layer of the anode or cathode can be.
  • This is in particular an advantageous construction for thin, foil-like, planar or micro fuel cells.
  • FIG. 2 shows a structure of another embodiment, wherein here additionally a gas diffusion layer 9 is shown.
  • the thickness of the gas diffusion layer is mainly at 500 microns.
  • the individual contacts 8 in this case have contact tips 8a, wherein the contact tips for increasing the contact surface with the membrane unit in the Gasdiffusi- onslage the membrane unit frictionally and positively introduced (even inserted) and engage behind the membrane unit and the associated gas diffusion layer in some areas.
  • microcontacts columnar structures, "nano-turf"
  • a three-dimensional electrical contact and an independent anchoring are provided during pressing of these individual contacts with the electrodes or gas diffusion layers of the membrane unit, so that then the contact pressure substantially can be canceled without the contact resistance increases or considerably increases.
  • the prerequisite for canceling the contact pressure or a very small contact pressure is that the gas diffusion layer is already mechanically connected to the membrane unit connected (pressed) is, for example, five-layer gas diffusion layer. In this way, the contact resistance is not increased by different thermal expansion or by relative movement caused by swelling.
  • FIG. 3 again shows, in an enlarged representation, the structure of a current conductor structure according to the invention.
  • a Stromableiter groundêt Score 6 which in the present case of metal (aluminum or copper) is, alternatively, a polymer or composite material with an electrically conductive surface is possible, the individual electrical contacts 8 are applied, which are characterized by a high electrical conductivity and corrosion resistance , The individual contacts here are made of gold, whereby the surface of the individual contacts was produced by galvanic deposition.
  • a passivation layer 7 is generated, which does not have to have good electrical conductivity, important here is a high corrosion resistance.
  • the passivation layer can also be a thicker deposited layer of a glass or a ceramic or consist of a wide variety of polymers.
  • Passivation layer with a defined pressure In order to ensure that there is always a cohesion between the contacts 1 and the passivation layer 2, even during thermal cycles or mechanical stress, so that no cracks develop at the interface where the corrosion of the underlying layer (current collector base body 6) begins could.
  • the individual contacts are coated with the passivation layer in regions (ie in their "foot region").
  • a corresponding core to be coated of the individual contacts can also be made of a polymer material or a ceramic material. It should be noted, however, that the core body, if made of polymer or ceramic, must be electrically conductive, or at least has a conductive capping layer, which ultimately will have all the individual contacts, e.g. Connects gold contact points.
  • the contact resistance of the individual contacts 8 to a membrane unit is 5 milliohms per square centimeter.
  • the individual contacts 8 have, according to FIG. 1, a diameter of 50 micrometers.
  • the contact tips 8a protrude 100 micrometers from the main surface plane of the current conductor structure (marked E in the right-hand side in FIG. 3).
  • the distance of the center axes of adjacent individual contacts to each other is (see distance w in FIG. 7) in the present case 90 micrometers.
  • the total thickness of the arrangement shown in Fig. 1 is 200 to 500 microns.
  • FIGS. 4a and 4b show the possibility of providing the contact structure shown in FIG. 3 only on bars 10 of the channel structure 11 or the bars 10 'of a corresponding open grid structure in FIG. 4b (for an open cathode structure).
  • the passivation layer can be provided either only in the area around the individual contacts or in the entire channel or grid structure. If the passivation is produced, for example, by oxidation of the current collector base body 6, this is automatically done at all locations not occupied by individual metal contacts.
  • polymer materials eg, parylene
  • the individual contacts according to the invention can be "selectively" attached, so it is not an admixture of particles in a polymer, etc., in order to increase the conductivity over a total area. Instead, this variant deliberately becomes a structured breakdown intended two materials with different property profiles.
  • the contact structure according to the invention is produced, for example, in a second embodiment by using conductive particles on an electrically conductive basic body
  • the shape and density of the particles is in this case such that always arise electrically conductive paths from the conductive body to surface. This can be conveyed during curing by pressing a subsequently to be removed plate. To allow the conductive contacts to protrude, a selective etching of the polymer could then be performed, e.g. done with reactive ion etching. The contacts do not have to be distributed evenly, there is a medium distance.
  • the single contacts with high conductivity are mounted at a very small distance from each other.
  • These are preferably contacts, which are preferably smaller by an order of magnitude than, for example, in measuring cells in which the conductivity can be determined in some areas with the aid of protruding contacts.
  • all contacts are connected to the same electrically conductive basic body, ie (apart from inhomogeneities of the fuel cell) all are at the same potential.
  • FIGS. FIGS. 5 and 6 show further examples of current collector structures in which the individual contacts have an undercut. If, for example, the contacts are produced galvanically in a resist pattern, which is subsequently removed, a mushroom structure 12 can be produced by monitoring the resist. This can advantageously entangle in the fabric or the fiber structure of the gas diffusion layer, so that there is a kind of Velcro effect and the low contact resistance is maintained even with complete release of the contact force (see analogy to Fig. 2).
  • FIGS. Figures 7 and 8 serve to illustrate the dimensions of the distances and diameters of the contacts. Since precious metals, such as gold, are to be used for the individual contacts 8, a very small, negligible contact resistance can be assumed at these contacts. The greater resistance is due to the lateral current flow towards the contacts. This resistance (spreading resistance, spreading resistance) depends on the distance and diameter of the contacts and the conductivity p of the layers, with thin layers also on the thickness of the layer. If the substrate (thus also the current collector base body) consists of metal (copper or aluminum or stainless steel), the spreading resistance can be neglected there compared to the spreading resistance in the electrode layer or gas diffusion layer of the membrane unit. The conductivity of steel is so high compared to the conductivity of the usual gas diffusion layers that presumably the conductivity of the gas diffusion layer is ultimately decisive for the spreading resistance.
  • the spreading resistance according to FIG. 7 is calculated approximately according to the following formula
  • the contact resistance here (see above) between 1 milliohm and 10 milliohms per square centimeter, the contact diameter of the single contact can be between 0.1 microns and 1000 microns. In an optimized system, the average distance between the individual contacts is so small that the spreading resistance in the electrode or gas diffusion layer is negligible.
  • FIG. 8 shows how the individual contacts 8 protrude significantly beyond the surface E (see also FIG. 3) of the current drainage structure, so that a three-dimensional surface is formed in the electrode or gas diffusion layer. Sional electrical contact is formed, whereby the contact resistance is further reduced.
  • the contact pressure of the current collector structure is distributed over a smaller total area of the contact cross sections. In this way, the total contact pressure necessary for the minimum contact resistance can be significantly reduced. This is another important advantage: the achievement of a uniform and sufficient contact pressure. Achieving low contact resistance is one of the most difficult constructive issues, especially with planar fuel cells, thereby finally providing a solution to this problem.
  • one current-carrying base body is provided with individual contacts 8 distributed over a passivation layer, and then the individual contacts 8 are brought into electrical connection with an electrode (anode 3, cathode 4) of the membrane unit 2, so that the in FIG 1 or 2 generated structures are available. Details of these manufacturing processes have been discussed above in the individual embodiments.

Abstract

The invention relates to a fuel cell stack assembly and to a method for producing the same. The fuel cell assembly (1) contains: a membrane unit (2) comprising at least one electrode in the form of an anode (3) and/or a cathode (4), in addition to at least one current conductor structure (5) containing an electrically conductive current conductor base body (6). The current conductor base body (6) has a passivation layer (7) with individual contacts (8) distributed over the surface, said individual contacts (8) being arranged in such a way that they make electrical contact with an electrode (3, 4) on one side and with the current conductor base body (6) on the other. The invention allows corrosion-resistant fuel cell stack assemblies with excellent long-term stability to be cost-effectively produced.

Description

BrennstoffZeilenanordnung Fuel cell arrangement
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung sowie ein Verfahren zu deren Herstel- lung .The present invention relates to a fuel cell assembly and a method for their preparation.
Ein wesentliches, bis heute nicht befriedigend gelöstes Problem bei der technischen Realisierung von Brennstoffzellen ist die Erzielung eines geringen Kontaktwiderstandes zwischen einer Stromableiter- struktur (zum Beispiel einer Bipolarplatte) und einer Membraneinheit bei gleichzeitig minimaler Korrosion und hoher Langzeitstabilität der Stromableiterstruk- tur. Dies wird bisher am ehesten durch Bipolarplatten aus Graphit erzielt, die aber in der Herstellung teuer und aufgrund ihrer Sprödbruchgefahr für den mobilen Einsatz Probleme zeigen. Es ist deshalb denkbar, Kompositwerkstoffe als Material für Bipolarplatten zu verwenden, deren elektrische Leitfähigkeit allerdings gering ist. Außerdem ist es bekannt, metallische Bi- polarplatten zu verwenden. Metallische Bipolarplatten sind dann korrosionsstabil, wenn sie eine (oxydische) Passivierungsschicht ausbilden, wodurch sich aber der elektrische Kontaktwiderstand dann wiederum stark er- höht .An essential, yet unsatisfactorily solved problem in the technical realization of fuel cells is the achievement of a low contact resistance between a Stromableiter- structure (for example, a bipolar plate) and a membrane unit with minimal corrosion and high long-term stability of Stromableiterstruk- structure. This is best achieved by bipolar plates made of graphite, but which are expensive to manufacture and have problems due to their brittle fracture risk for mobile use. It is therefore conceivable to use composite materials as material for bipolar plates, whose electrical conductivity is low. It is also known to use metallic polar plates to use. Metallic bipolar plates are corrosion-resistant if they form an (oxidic) passivation layer, which in turn greatly increases the electrical contact resistance.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine BrennstoffZeilenanordnung zu schaffen, welche eine Stromabieiterstruktur aufweist, die eine hohe Korrosionsstabilität aufweist und trotzdem einen geringen Kontaktwiderstand zu einer Membraneinheit/Elektrode zeigt. Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren soll eine kostengünstige Herstellung, auch im industriellen Maßstab, möglich sein.It is therefore the object of the present invention to provide a fuel cell assembly which has a current sinker structure which has high corrosion stability and yet exhibits low contact resistance to a membrane unit / electrode. With the manufacturing method according to the invention a cost-effective production, even on an industrial scale, should be possible.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Dies ist zunächst eine BrennstoffZeilenanordnung , enthaltend eine Membraneinheit mit mindestens einer Elektrode in Form einer Anode und/oder einer Kathode, sowie mindestens einer Stromabieiterstruktur, welche einen elektrisch leitfähigen Stromableitergrundkörper enthält, und der Stromableitergrundkörper eine Passivierungsschicht mit darin flächig verteilten Einzelkontakten auf- weist, wobei die Einzelkontakte so angeordnet sind, dass sie einerseits eine Elektrode und andererseits den Stromableitergrundkörper elektrisch kontaktieren.These objects are achieved by the subject-matter of the independent claims. This is initially a fuel cell arrangement, comprising a membrane unit having at least one electrode in the form of an anode and / or a cathode, and at least one Stromabieiterstruktur containing an electrically conductive Stromableitergrundkörper, and the Stromableitergrundkörper has a Passivierungsschicht with distributed therein single contacts, wherein the individual contacts are arranged so that they on the one hand electrically contact an electrode and on the other hand the Stromableitergrundkörper.
Die Stromabieiterstruktur, welche eine einfache Stromableiterplatte bzw. Teil einer Bipolarplatte sein kann, ist erfindungsgemäß so aufgebaut, dass diese zur elektrischen Anbindung an eine Membraneinheit aufgrund der hohen elektrischen Leitfähigkeit der Einzelkontakte einen geringen Kontaktwiderstand aufweist. Hierbei ist die Grundidee, dass die Einzelkontakte flächig verteilt sind über die Oberfläche der Stromabieiterstruktur und mit dem - vorzugsweise aus Metall gefertigten - Stromableitergrundkörper in elektrischem Kontakt sind. Die Einzelkontakte sind hierbei in einer isolierenden Beschichtung einge- bracht. Das heißt, dass die zur Membraneinheit bzw. zu der bestimmten Elektrode der Membraneinheit hin gerichtete Oberfläche der Stromabieiterstruktur "zweiflächig" aufgebaut ist. Zum einen sind die flächig verteilten Einzelkontakte vorgesehen, welche die eigentliche elektrische Kontaktierung vornehmen. Zum anderen sind die Einzelkontakte mit passiviertem, korrosionsstabilem Material umgeben.The Stromabieiterstruktur, which may be a simple Stromableiterplatte or part of a bipolar plate is inventively constructed so that it has a low contact resistance for electrical connection to a membrane unit due to the high electrical conductivity of the individual contacts. Here, the basic idea is that the individual contacts are distributed over the surface area the Stromabieiterstruktur and with the - preferably made of metal - Stromableitergrundkörper in electrical contact. The individual contacts are incorporated in an insulating coating. This means that the surface of the current drainage structure directed toward the membrane unit or to the specific electrode of the membrane unit has a "double-surface" structure. On the one hand, the flat distributed individual contacts are provided, which make the actual electrical contact. On the other hand, the individual contacts are surrounded by passivated, corrosion-resistant material.
Durch diese "Aufgabenteilung" ist einerseits bei Wahl von hochleitfähigen und nicht korrodierbaren Metallen für die Einzelkontakte eine genügende Gesamtleitfähigkeit gegeben, andererseits wird der Rohstoffverbrauch nur auf das notwendige Maß beschränkt, da keine ganzflächige Belegung mit beispielsweise einem Edelmetall erfolgen muss. Hinzu kommt ein (beispielsweise bei mechanischer Verformung der Stromableiter- struktur mögliche) Ablösung von Metall kaum in Frage, da die Fläche zum Stromableitergrundkörper hier deutlich minimiert ist. Auch eine Ablösung durch Spannun- gen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten kann vermieden werden, indem die Ausdehnungskoeffizienten und der E-Modul, vor allem der Passivierungsschicht sehr gut angepasst werden kann.By this "task sharing" on the one hand given the choice of highly conductive and non-corrodible metals for the individual contacts sufficient overall conductivity, on the other hand, the consumption of raw materials is limited only to the extent necessary, since no full-area occupancy must be done with, for example, a precious metal. In addition, a detachment of metal (which is possible, for example, in the case of mechanical deformation of the current conductor structure) is hardly possible, since the area to the current collector base body is significantly minimized here. Also a detachment by stresses due to different thermal expansion coefficients can be avoided by the expansion coefficients and the modulus of elasticity, especially the passivation layer can be very well adjusted.
Um die Korrosionsfestigkeit über lange Zeiträume zu gewährleisten ist auch eine gute Anpassung der Materialien und Technologien zwischen den elektrisch leitfähigen Kontakten und dem Isolationsbereich da- zwischen wichtig. Hier darf es zu keiner Bildung von Spalten oder Rissen kommen, entlang derer ein Stoff- transport erfolgen könnte. Man würde auch für eine alkalische Brennstoffzelle andere Materialien verwenden, als für eine Brennstoffzelle bei der die Ionenleitfähigkeit durch Säuregruppen erzeugt wird.To ensure corrosion resistance over long periods of time, it is also important to have a good fit between the materials and technologies between the electrically conductive contacts and the insulation area. There must be no formation of cracks or cracks along which a material transport could take place. It would also be used for an alkaline fuel cell materials other than for a fuel cell in which the ionic conductivity is generated by acid groups.
In der besonders aggressiven alkalischen Umgebung könnte die Grundfläche, auf der sich die Edelmetallkontakte befinden mit einem Metall wie Magnesium, Titan oder Zirkon beschichtet sein, welches eine natür- liehe Oxidschicht bildet, die in der Grenzfläche mit dem darauf abgeschiedenen Polymer als Korrosionsschutzschicht, sehr stabil gegenüber einem Laugenangriff ist. Als Polymere sind dafür besonders geeignet Polyamid oder Werkstoffe wie Bitumen oder Asphalt.In the particularly aggressive alkaline environment, the base area on which the precious metal contacts are located may be coated with a metal such as magnesium, titanium or zirconium, which forms a natural lhehe oxide layer which is very stable in the interface with the polymer deposited thereon as a corrosion protection layer against a lye attack. As polymers are particularly suitable for polyamide or materials such as bitumen or asphalt.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren sieht vor, dass ein Stromableitergrundkörper mit in einer isolierenden Beschichtung flächig verteilten Einzelkontakten versehen wird und anschließend die Einzelkon- takte in elektrische Verbindung mit einer Elektrode der Membraneinheit gebracht werden.The manufacturing method according to the invention provides that a Stromableitergrundkörper is provided with distributed in an insulating coating surface single contacts and then the individual contacts are brought into electrical connection with an electrode of the membrane unit.
Dieses Verfahren ist auch in Mikrostrukturen sehr einfach herzustellen und empfiehlt sich daher für die kostengünstige industrielle Herstellung.This process is also very easy to produce in microstructures and is therefore recommended for cost-effective industrial production.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die e- lektrischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften der Oberflächenbeschichtung nicht in einem einzi- gen Material optimiert werden müssen, sondern praktisch auf zwei Materialien (isolierende Beschichtung zum Ausgleich von mechanischen Spannungen etc. und Herstellung einer guten elektrischen Leitfähigkeit durch die Einzelkontakte) aufgeteilt werden.An advantage of the invention is that the electrical, mechanical and chemical properties of the surface coating need not be optimized in a single material, but practically on two materials (insulating coating to compensate for mechanical stresses, etc. and producing a good electrical Conductivity through the individual contacts) are divided.
So sollte das Kontaktmaterial der Einzelkontakte vor- dringlich eine gute elektrische Leitfähigkeit, Haftung auf dem Stromableitergrundkörper sowie eine gute Korrosionsresistenz aufweisen. Der thermische Ausdehnungskoeffizient und die Duktilität dieses Materials sind aber von viel geringerer Bedeutung, da immer nur sehr kleine zusammenhängende Flächen mit dem Stromableitergrundkörper verbunden sind. Auch der Materialpreis kann viel höher sein, ohne die Gesamtkosten in die Höhe zu treiben, da nur eine geringe Substratflä- che damit beschichtet wird (es ist daher sogar möglich, Gold für die Einzelkontakte zu verwenden) .So the contact material of the individual contacts should be have a good electrical conductivity, adhesion to the Stromableitergrundkörper and a good corrosion resistance. However, the coefficient of thermal expansion and the ductility of this material are of much less importance, since only very small contiguous areas are connected to the Stromableitergrundkörper. Also, the price of the material can be much higher without increasing the overall cost, since only a small substrate surface is coated with it (it is therefore even possible to use gold for the individual contacts).
Die Passivierungsschicht dagegen benötigt keine e- lektrische Leitfähigkeit und kann für eine optimale Haftung, Duktilität und chemische Beständigkeit ausgelegt werden. Hier ist vor allem der Einsatz von Polymeren möglich. Hierdurch wird es möglich, beispielsweise ein Blech mit flächig verteilten Einzelkontakten sowie einer zwischen den Einzelkontakten angeordneten Passivierung zu beschichten und anschließend zu verformen, ohne, dass (wie bei einer Gesamtbeschichtung mit dem Edelmetall) Defekte oder Risse auftreten. Aber auch in der Wahl des Materials für den Stromableitergrundkörper sind noch größere Freiheiten gegeben. So kann hier zum Beispiel Kupfer oder Aluminium mit einer sehr hohen Leitfähigkeit eingesetzt werden. Diese sonst so korrosionsanfälligen, aber kostengünstigen und im nicht korrodierten Zustand gut leitfähigen Materialien werden durch die isolierende Schicht so abgedeckt, dass es zu keinerIn contrast, the passivation layer does not require any electrical conductivity and can be designed for optimum adhesion, ductility and chemical resistance. Here, above all, the use of polymers is possible. This makes it possible, for example, to coat a sheet with flat distributed individual contacts and a passivation arranged between the individual contacts and then to deform, without that (as in a total coating with the precious metal) defects or cracks occur. But even in the choice of material for the Stromableitergrundkörper even greater freedom is given. For example, copper or aluminum with a very high conductivity can be used here. These otherwise so susceptible to corrosion, but inexpensive and well-conductive materials in the non-corroded state are covered by the insulating layer so that there is none
Beeinträchtigung der Gesamtleitfähigkeit der Stromab- leiterstruktur kommt. Anzumerken ist außerdem, dass die Korrosion und damit die Langzeitstabilität auch stark von den Einsatzparametern der Brennstoffzelle (Spannung, Leistungsdichte, Temperatur) und der Art der Brennstoffzelle (Wasserstoff-PEM, DMFC, DEFC) ab- hängig sind. Der Kontaktwiderstand als Funktion des Anpressdrucks ist neben der elektrischen Leitfähigkeit der Materialien auch von den mechanischen Eigenschaften (E-Modul, Kompressionsmodul) und der Dicke der Schichten (insbesondere eines weicheren Partners, etwa einer Gasdiffusionslage, welche an der Membraneinheit angebracht ist) abhängig. Auf diese Anforderungen kann durch eine entsprechende Abstimmung der hier genannten Materialien gut reagiert werden.Impairment of the total conductivity of the current collector structure comes. It should also be noted that the corrosion and thus the long-term stability are also strongly dependent on the operating parameters of the fuel cell (voltage, power density, temperature) and the type of fuel cell (hydrogen PEM, DMFC, DEFC). are pending. The contact resistance as a function of the contact pressure is dependent not only on the electrical conductivity of the materials but also on the mechanical properties (modulus of elastic modulus, compression modulus) and the thickness of the layers (in particular a softer partner, such as a gas diffusion layer attached to the membrane unit). These requirements can be well responded by an appropriate vote of the materials mentioned here.
Es ist vorzugsweise darauf zu achten, dass der mittlere Abstand zwischen den leitfähigen Einzelkontakten so gering ist, dass der Spreizungswiderstand in der Membraneinheit (Elektroden- bzw. Gasdiffusions- schicht) vernachlässigbar ist.It is preferably to be ensured that the average distance between the conductive individual contacts is so small that the spreading resistance in the membrane unit (electrode or gas diffusion layer) is negligible.
Die vorliegende Anordnung ist für Aufbauten (Membraneinheiten) mit oder ohne zusätzlicher verwendeter Gasdiffusionslage möglich. Hierbei ist die gesamte Oberfläche der Stromabieiterstruktur mit den Einzelkontakten beschichtbar, oder auch nur ein Bereich der Stege, die in direktem Kontakten zur Membraneinheit stehen. Als Anwendungsgebiet kommen alle Brennstoffzellen mit planarem Zellen- bzw. Stackaufbau in Fra- ge, insbesondere Mikrobrennstoffzellen, Folienbrennstoffzellen, portable Brennstoffzellen, allesamt geeignet zur Integration in elektrische Geräte, Kleidungsstücke oder Fahrzeuge.The present arrangement is possible for structures (membrane units) with or without additional gas diffusion layer used. In this case, the entire surface of the Stromabieiterstruktur can be coated with the individual contacts, or even only a portion of the webs, which are in direct contact with the membrane unit. As a field of application, all fuel cells come with planar cell or stack construction in question ge, in particular micro fuel cells, foil fuel cells, portable fuel cells, all suitable for integration into electrical appliances, clothing or vehicles.
Der notwendig Anpressdruck zwischen der Bipolarplatte bzw. der Stromabieiterstruktur und der Elektrodenbzw. Gasdiffusionsschicht der Brennstoffzelle sowie der elektrische Kontaktwiderstand wird gleichzeitig verringert, indem auf der Oberfläche der Bipolplatte bzw. der Stromabieiterstruktur fein verteilte, erhabene elektrische Kontakte aufgebracht werden, die von einer korrosionsstabilen Beschichtung umgeben sind. Der mittlere Abstand zwischen den Einzelkontakten ist so gering, dass der Spreizungswiderstand in der E- lektroden- bzw. Gasdiffusionsschicht vernachlässigbar ist. Ragen die vorzugsweise aus einem Edelmetall oder mit einer Edelstahlbeschichtung versehenen Kontakte deutlich über die Oberfläche der Bipolplatte bzw. Stromabieiterstruktur hinaus, so entsteht in der E- lektroden- bzw. Gasdiffusionsschicht ein dreidimensi- onaler elektrischer Kontakt, was den Kontaktwiderstand weiter herabsetzt. Da die Mikrokontaktstruktur nur auf den Stegen der Bipolarplatten bzw. der Stromableiter hergestellt wird und dort auch nur einen gewissen Prozentsatz der Gesamtoberfläche einnimmt, kann der Edelmetalleinsatz minimiert werden. Werden die Mikrokontakte als Strukturen mit einem sehr hohen Aspektverhältnis hergestellt (Säulenstrukturen, "Na- no-Rasen") , so entsteht beim Verpressen mit der E- lektroden- bzw. Gasdiffusionsschicht der Brennstoff- zelle eine selbständige Verankerung, so dass anschließen der Anpressdruck aufgehoben werden kann, ohne dass der Kontaktwiderstand zunimmt . Auf diese Weise wird der Kontaktwiderstand auch durch unterschiedliche thermische Ausdehnung oder durch Quellung bedingte Relativbewegung nicht erhöht. Als Substrat für die Mikrokontaktstruktur dienen Metalle oder Metallisierungen, wodurch sich kostengünstige und leichte Brennstoffzellen herstellen lassen.The necessary contact pressure between the bipolar plate or the Stromabieiterstruktur and the Elektrodenbzw. Gas diffusion layer of the fuel cell and the electrical contact resistance is simultaneously reduced by applying on the surface of the bipolar plate or the Stromabieiterstruktur finely distributed, raised electrical contacts, which of surrounded by a corrosion-resistant coating. The mean distance between the individual contacts is so small that the spreading resistance in the electrode or gas diffusion layer is negligible. If the contacts, which are preferably made of a noble metal or provided with a stainless steel coating, project clearly beyond the surface of the bipolar plate or current drainage structure, a three-dimensional electrical contact is formed in the electrode or gas diffusion layer, which further reduces the contact resistance. Since the microcontact structure is produced only on the webs of the bipolar plates or the current collector and occupies there only a certain percentage of the total surface, the use of precious metals can be minimized. If the microcontacts are produced as structures with a very high aspect ratio (pillar structures, "no-lawn"), an independent anchorage is created during pressing with the electrode or gas diffusion layer of the fuel cell, so that the contact pressure is removed can be without the contact resistance increases. In this way, the contact resistance is not increased by different thermal expansion or relative movement caused by swelling. As a substrate for the micro-contact structure metals or metallizations, which can be produced cost-effective and lightweight fuel cells.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.Advantageous developments of the present invention described in the dependent claims.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Einzelkontakte Kontaktspitzen aufweisen und die Kon- taktspitzen der Einzelkontakte zur Erhöhung der Kontaktfläche mit der Membraneinheit in eine Elektroden- und/oder Gasdiffusionslage der Membraneinheit reib- und/oder formschlüssig eingebracht sind.An advantageous development provides that the individual contacts have contact tips and the contact tips of the individual contacts for increasing the contact surface with the membrane unit in an electrode and / or gas diffusion layer of the membrane unit frictionally and / or positively introduced.
Hierdurch kann auf einen Anpressdruck der Stromablei- terstruktur auf die Membraneinheit während des Betriebs der Brennstoffzelle unter Umständen sogar gänzlich verzichtet werden. Zumindest kann hierdurch aber der Anpressdruck geringer ausgeführt sein. Außerdem ist durch das Eindringen der Einzelkontakte in die Elektrode- bzw. Gasdiffusionslage eine noch größere Kontaktfläche gegeben (da auch seitliche Kontak- tierung gegeben ist) , hiermit sind sogar Gesamtkontaktflächen möglich, welche größer sind als die pla- nare Plattenfläche der Stromabieiterstruktur.As a result, a contact pressure of the current collector structure on the membrane unit during operation of the fuel cell may possibly even be completely dispensed with. But at least this can be done by the contact pressure lower. In addition, the penetration of the individual contacts into the electrode or gas diffusion layer gives an even larger contact area (since lateral contact is also provided), so that even total contact areas are possible, which are larger than the planar plate area of the current drainage structure.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Einzelkontakte ebenfalls bereichsweise mit einer korrosionsstabilen Beschichtung beschichtet sind. Beispielsweise kann (bis auf die Einzelkontakt- spitze, welche zwingend mit dem höchstleitfähigen E- delmetall versehen sein sollte) auch der Fußbereich des Einzelkontaktes bis zu einer gewissen Höhe beschichtet sein.A further advantageous embodiment provides that the individual contacts are also partially coated with a corrosion-resistant coating. For example, (except for the individual contact tip, which should necessarily be provided with the highly conductive delimiting metal), the foot region of the individual contact may also be coated to a certain height.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Kontaktspitzen der Einzelkontakte in die Membraneinheit eingesteckt sind oder sogar so ausgeführt sind (zum Beispiel "pilzförmig"), dass sie die Membraneinheit bereichsweise hintergreifen.A further advantageous embodiment provides that the contact tips of the individual contacts are plugged into the membrane unit or even executed (for example, "mushroom-shaped") that they engage behind the membrane unit area.
Die Einzelkontakte können vollständig aus Edelmetall sein (beispielsweise Gold, Silber oder Platin) . Es ist allerdings auch möglich (dies gilt insbesondere für "erhabene" Kontakte, welche über die Hauptebene der Isolierschicht hinausragen) , dass die Edelmetall- beschichtung auf einen Kernkörper erfolgt, welcher aus einem Metall, einem Polymermaterial oder aus einem keramischen Material besteht. Dieser Kernkörper kann unter Umständen auch integraler Bestandteil des Stromableitergrundkörpers sein. Es ist aber zu beach- ten, dass der Kernkörper, falls aus Polymer oder Keramik, elektrisch leitfähig sein muss oder zumindest eine leitfähige Deckschicht besitzt, die dann letzten Endes alle Einzelkontakte, z.B. Gold-Kontaktpunkte miteinander verbindet.The individual contacts can be made entirely of precious metal (for example gold, silver or platinum). However, it is also possible (this applies in particular for "raised" contacts, which protrude beyond the main level of the insulating layer), that the noble metal coating takes place on a core body, which consists of a metal, a polymer material or a ceramic material. Under certain circumstances, this core body can also be an integral part of the current collector base body. However, it should be noted that the core body, if made of polymer or ceramic, must be electrically conductive or at least has a conductive cover layer which then ultimately connects all the individual contacts, eg gold contact points.
Die Kontaktwiderstände der Einzelkontakte zu der Membraneinheit hin sollten zwischen 1 Milliohm und 10 illiohm pro Quadratzentimeter betragen.The contact resistances of the individual contacts to the membrane unit should be between 1 milliohm and 10 illiohms per square centimeter.
Die Einzelkontakte sollen hierbei einen Durchmesser zwischen 0,1 Mikrometer und 1000 Mikrometer, vorzugsweise zwischen 1 Mikrometer und 100 Mikrometer, besonders vorzugsweise zwischen 50 Mikrometer und 100 Mikrometer aufweisen.The individual contacts should in this case have a diameter between 0.1 microns and 1000 microns, preferably between 1 microns and 100 microns, more preferably between 50 microns and 100 microns.
Die Kontaktspitzen können entweder plan zu der elektrischen Beschichtung sein, so dass es sich insgesamt um eine einheitliche Ebene handelt. Wenn die Kontaktspitzen über die Ebene der zu der Membraneinheit hin orientierten Oberfläche der Isolierschicht hinausragen, sollte dieses Hinausragen vorzugsweise zwischen 100 Mikrometer und 1000 Mikrometer betragen.The contact tips may either be planar to the electrical coating, so that overall it is a uniform plane. If the contact tips protrude beyond the plane of the surface of the insulating layer oriented toward the membrane unit, this protrusion should preferably be between 100 microns and 1000 microns.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Abstand der Mittelachsen benachbarter Einzelkontakte zueinander zwischen 10 Mikrometer und 1000 Mikrometer beträgt. Für gekrümmte Einzelkontakte wird die Mittelachse hier durch Näherung bestimmt (also durch eine lineare Näherung der Flächenschwer- punkte der Querschnittsflächen) . Die Dicke einer eventuell Gasdiffusionslage an der Membraneinheit beträgt vorzugsweise zwischen 50 Mikrometern und 1000 Mikrometern.A further advantageous embodiment provides that the distance of the center axes of adjacent individual contacts to each other is between 10 microns and 1000 microns. For curved individual contacts, the central axis is determined here by approximation (that is, by a linear approximation of the centroids of the cross-sectional areas). The thickness of a possibly gas diffusion layer on the membrane unit is preferably between 50 micrometers and 1000 micrometers.
Die Gasdiffusionslage kann zur Erhöhung der Leitfähigkeit mit der übrigen Membraneinheit mechanisch verbunden sein, hierdurch wird der Kontaktwiderstand durch unterschiedliche thermische Ausdehnung oder Quellung der beteiligten Partner und die dadurch ent- stehenden Relativbewegung nicht erhöht.The gas diffusion layer may be mechanically connected to increase the conductivity with the rest of the membrane unit, thereby the contact resistance is not increased by different thermal expansion or swelling of the partners involved and the resulting relative movement.
Die vorgesehene Stromabieiterstruktur ist für eine Vielzahl verschiedener Brennstoffzellen anwendbar. So kann die Stromabieiterstruktur Teil einer Stromablei- terplatte/Monopolarplatte oder auch einer Bipolarplatte sein. Die BrennstoffZeilenanordnung kann auch planar ausgeführt sein und eine Gesamtdicke zwischen 100 Mikrometern und 1000 Mikrometern aufweisen (diese Dickenangabe bezieht sich auf eine Membranein- heit mit beidseitig angeordneten monopolaren Stromab- leiterstrukturen) .The intended Stromabieiterstruktur is applicable to a variety of different fuel cells. Thus, the Stromabieiterstruktur part of a Stromablei- terplatte / monopolar plate or a bipolar plate be. The fuel cell arrangement can also be made planar and have a total thickness between 100 micrometers and 1000 micrometers (this thickness specification refers to a membrane unit with monopolar current collector structures arranged on both sides).
Erfindungsgemäß ist außerdem ein Brennstoffzel- lenstack, bei dem die einzelnen Zellen aus Stromab- leitern oder Bipolarplatten bestehen, welche oben beschrieben wurde .According to the invention, there is also a fuel cell stack in which the individual cells consist of current conductors or bipolar plates which have been described above.
Außerdem erfindungsgemäß ist eine planare Brennstoffzellenanordnung sehr geringer Höhe, die aus einer fünlagigen Membraneinheit mit verpresster Gasdiffusionslage besteht und aufgrund der mechanischen/elektrischen Verankerung der Stromableiter/Kanalstrukturen mit der fünflagigen Membraneinheit mit sehr kleinem Anpressdruck montiert werden kann, so dass damit keine massiven Andruckplatten oder Endplatten benötigt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren ist es möglich, dass die Einzelkontakte in einen Stromableitergrundkörper zunächst eingesteckt oder aufge- steckt werden und dann anschließend mit der Membraneinheit so verpresst werden, dass die Kontaktspitzen der Einzelkontakte reib- und/oder formschlüssig in der Membraneinheit verankert sind. Hierdurch ergibt sich eine besonders gute Leitfähigkeit aufgrund hoher ϋberdeckungsflachen, auch der Anpressdruck kann gering gehalten werden.In addition, according to the invention is a planar fuel cell assembly of very low height, which consists of a five-unit membrane unit with compressed gas diffusion layer and due to the mechanical / electrical anchoring of the current collector / channel structures with the five-layer membrane unit can be mounted with a very small contact pressure, so that no solid pressure plates or end plates needed. In the production method according to the invention, it is possible that the individual contacts are first inserted or plugged into a Stromableitergrundkörper and then subsequently pressed with the membrane unit so that the contact tips of the individual contacts are frictionally and / or positively anchored in the membrane unit. This results in a particularly good conductivity due to high coverage areas, and the contact pressure can be kept low.
Die Einzelkontakte können allerdings auch durch Be- schichtung, vorzugsweise durch Beschichtung von Erhe- bungen des Stromplattengrundkörpers entstehen. Die Einzelkontakte können auch in einer Resiststruktur aufwachsen, welche anschließend entfernt wird, hierdurch werden "Pilzformen", welche dann beispielsweise eine Gasdiffusionslage hintergreifen, möglich. Außer- dem sind viele vielfältige Verfahren der Mikrostruk- turierung möglich, so sind Einzelkontakte auch durch Züchtung eines "Nano-Rasens" oder durch Aufwachsen von Carbon-Nano-Tubes (CNT) möglich, vielfältige Anwendungen der CVD- oder PVD- sind anwendbar.However, the individual contacts can also be produced by coating, preferably by coating elevations of the main body of the current plate. The individual contacts can also grow in a resist structure, which is then removed, thereby "mushroom shapes", which then engage behind, for example, a gas diffusion layer possible. In addition, many diverse methods of microstructuring are possible, so individual contacts are also by breeding a "nano-lawn" or by growing carbon nanotubes (CNT) possible, diverse applications of CVD or PVD are applicable.
Als Vorteil der herausragenden Einzelkontakte (Mikro- kontakte) können zwei Aspekte herausgestellt werden: Verringerung des elektrischen Kontaktwiderstands und Verringerung der mechanischen Anpresskraft , um einen kleinen Kontaktwiderstand zu bekommen. Dadurch, dass man mit kleinerem (oder gar keinem) Anpressdruck auskommt, kann man die Brennstoffzelle dünner, leichter ausführen da keine Anpressplatten benötigt werden.As an advantage of the outstanding individual contacts (micro-contacts), two aspects can be highlighted: reduction of the electrical contact resistance and reduction of the mechanical contact force in order to obtain a small contact resistance. The fact that you can get by with smaller (or no) contact pressure, you can make the fuel cell thinner, easier to run because no pressure plates are needed.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Stromabieiterstruktur zu der Elektrode hin zusätzlich eine gitterförmige Struktur aufweist, welche zur verbesserten elektrischen Leitfähigkeit bereichsweise bzw. punktweise mit Edelmetall beschichtet ist.A further advantageous embodiment provides that the Stromabieiterstruktur towards the electrode additionally has a lattice-shaped structure, which is coated for improved electrical conductivity partially or pointwise with precious metal.
Für Methanolbrennstoffzellen sowie bei offenen Kathodenseiten verwendet man als Stromableiter auch Streckmetalle, Gitter, Gewebe aus Metall oder perforierte Metallfolien. Bei bestimmten Aufbauten liegen diese Gitter auch zwischen der Membranelektrodeneinheit/Gasdiffusionslage und einer Stromableiterplatte oder Flowfield-Platte mit größeren Strukturabmessungen. Als Metalle selbst wird Edelstahl, Kupfer, Titan oder Nobium verwendet .For methanol fuel cells as well as open cathode sides, expanded metals, meshes, metal mesh or perforated metal foils are also used as current conductors. In certain constructions, these grids also lie between the membrane electrode assembly / gas diffusion layer and a current collector plate or flowfield plate with larger structural dimensions. The metals themselves are stainless steel, copper, titanium or Nobium.
Meist werden diese Gitter ganzflächig mit Edelmetall wie Gold oder Platin beschichtet.Most of these lattices are coated over the entire surface with precious metal such as gold or platinum.
Hier könnte man entsprechend der Erfindung nur die äußeren Bereiche, die jeweils im Kontakt zur Gasdif- fusionslage oder zu den Stromableiterplat- ten/Flowfields stehen lokal mit Edelmetall beschichten. Sinnvoll wäre, Kupfer zunächst mit einer ganz- flächigen Schutzschicht aus Nobium oder Titan zu beschichten und dann die punktförmige Gold oder Platin Kontakte herzustellen.Here, according to the invention, only the outer regions, which are in contact with the gas diffusion layer or the current collector plates / flowfields, could be locally coated with precious metal. It would be sensible to first coat copper with an all-over protective layer of Nobium or titanium and then to produce the punctiform gold or platinum contacts.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen werden in den anderen abhängigen Ansprüchen beschrieben.Further advantageous developments are described in the other dependent claims.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:The present invention will now be explained with reference to several figures. Show it:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenan- ordnung, welche insbesondere für Folien- brennstoffzellen geeignet ist,1 shows a fuel cell arrangement according to the invention, which is particularly suitable for film fuel cells,
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfin- dungsgemäßen BrennstoffZeilenanordnung, bei der die Einzelkontakte eine Gasdiffusionslage hintergreifen,2 shows a further embodiment of an inventive Fuel cell arrangement according to the invention, in which the individual contacts engage behind a gas diffusion layer,
Fig. 3 eine Draufsicht und ein Querschnitt einer erfindungsgemäßen Stromableiterstruktur,3 is a plan view and a cross-section of a Stromableiterstruktur invention,
Fxg . 4aFxg. 4a
Fig . 4b Ansichten einer weiteren Ausführungsform einer Stromabieiterstruktur,Fig. 4b are views of another embodiment of a power drainage structure,
Fig . 5 ,Fig. 5,
FFiigg.. 66 Stromabieiterstrukturen, welche Einzelkontakte mit hinterschnittenen Abschnitten zeigen und Fig. 7,FIG. 6 shows current collector structures, which show individual contacts with undercut sections, and FIG. 7, FIG.
Fig. 8 Figuren zur Erläuterung geometrischer Ver- hältnisse bei den Einzelkontakten.Fig. 8 figures for explaining geometric conditions in the individual contacts.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Brennstoffzellen- anordnung 1. Diese enthält eine Membraneinheit 2 mit zwei Elektroden, nämlich einer Anode 3 und einer Ka- thode 4. Eine auf diesen Elektroden aufbauende gesonderte Gasdiffusionslage ist in dieser Ausführungsform nicht vorgesehen. Hieran schließen sich jeweils von der Kathode bzw. von der Anode wegweisend Stromablei- terstrukturen 5 an. Diese weisen jeweils einen elekt- risch leitenden Stromableitergrundkörper 6 auf, wobei der Stromableitergrundkörper 6 eine Passivierungsbe- schichtung 7 mit darin flächig verteilten Einzelkontakten 8 aufweist. Die Einzelkontakte 8 sind hierbei so angeordnet, dass sie einerseits die entsprechende Anode 3 bzw. Kathode 4 und andererseits den jeweiligen Stromableitergrundkörper 6 elektrisch kontaktieren.1 shows a fuel cell arrangement 1 according to the invention. This contains a membrane unit 2 with two electrodes, namely an anode 3 and a cathode 4. A separate gas diffusion layer that builds up on these electrodes is not provided in this embodiment. This is followed in each case by the cathode or from the anode groundbreaking Stromablei- terstrukturen 5. These each have an electrically conductive current collector base body 6, wherein the current collector base body 6 has a passivation coating 7 with individual contacts 8 distributed in a planar manner. The individual contacts 8 are in this case arranged so that they contact the one hand, the corresponding anode 3 and cathode 4 and on the other hand, the respective Stromableitergrundkörper 6 electrically.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Elektro- denschicht der MEA bereits von einer solchen Posität und Dicke, außerdem die Kanalstruktur der Stromablei- terstruktur sehr fein strukturiert (Kanalbreiten zwischen 10 Mikrometer und 1 Millimeter) , so dass hier keine weitere Gasdiffusionslage benötigt wird und die Stromabieiterstruktur (bzw. Bipolarplatte) mit der oberflächlichen Mikrokontaktstruktur, welche die Einzelkontakte enthält, direkt auf die Elektrodenschicht der Anode bzw. Kathode aufgepresst werden kann. Dieses ist insbesondere ein vorteilhafter Aufbau für dünne, folienartige, planare oder Mikrobrennstoffzel- len.In the present embodiment, the electrode layer of the MEA is already of such a position and thickness, as well as the channel structure of the current conductor. Terstruktur very finely structured (channel widths between 10 microns and 1 millimeter), so that no further gas diffusion layer is required and the Stromabieiterstruktur (or bipolar plate) with the superficial micro-contact structure containing the individual contacts, pressed directly onto the electrode layer of the anode or cathode can be. This is in particular an advantageous construction for thin, foil-like, planar or micro fuel cells.
Fig. 2 zeigt einen Aufbau einer anderen Ausführungs- form, wobei hier zusätzlich eine Gasdiffusionslage 9 gezeigt, ist. Die Dicke der Gasdiffusionslage liegt vorwiegend bei 500 Mikrometern.FIG. 2 shows a structure of another embodiment, wherein here additionally a gas diffusion layer 9 is shown. The thickness of the gas diffusion layer is mainly at 500 microns.
Die Einzelkontakte 8 weisen hierbei Kontaktspitzen 8a auf, wobei die Kontaktspitzen zur Erhöhung der Kontaktfläche mit der Membraneinheit in die Gasdiffusi- onslage der Membraneinheit reib- und formschlüssig eingebracht sind (sogar eingesteckt sind) und die Membraneinheit bzw. die dazugehörende Gasdiffusionslage bereichsweise hintergreifen. Bei mit sehr hohem Aspektverhältnis hergestellten Mikrokontakten (Säu- lenstrukturen, "Nano-Rasen" ) ist beim Verpressen dieser Einzelkontakte mit den Elektroden bzw. Gasdiffusionsschichten der Membraneinheit ein dreidimensionaler elektrischer Kontakt und eine selbstständige Verankerung gegeben, so dass anschließend der Anpress- druck im Wesentlichen aufgehoben werden kann, ohne dass der Kontaktwiderstand zunimmt bzw. beträchtlich zunimmt. Voraussetzung für das Aufheben des Anpressdrucks oder einen sehr kleinen Anpressdruck ist bei einem Aufbau einer BrennstoffZeilenanordnung mit ei- ner Gasdiffusionslage allerdings, dass die Gasdiffusionslage bereits mechanisch mit der Membraneinheit verbunden (verpresst) ist, es sich beispielsweise Fünf -Lagen-Gasdiffusionslage handelt. Auf diese Weise wird der Kontaktwiderstand auch durch unterschiedliche thermische Ausdehnung oder durch Quellung beding- te Relativbewegung nicht erhöht.The individual contacts 8 in this case have contact tips 8a, wherein the contact tips for increasing the contact surface with the membrane unit in the Gasdiffusi- onslage the membrane unit frictionally and positively introduced (even inserted) and engage behind the membrane unit and the associated gas diffusion layer in some areas. When microcontacts (columnar structures, "nano-turf") are produced with a very high aspect ratio, a three-dimensional electrical contact and an independent anchoring are provided during pressing of these individual contacts with the electrodes or gas diffusion layers of the membrane unit, so that then the contact pressure substantially can be canceled without the contact resistance increases or considerably increases. However, in the case of a construction of a fuel cell arrangement with a gas diffusion layer, the prerequisite for canceling the contact pressure or a very small contact pressure is that the gas diffusion layer is already mechanically connected to the membrane unit connected (pressed) is, for example, five-layer gas diffusion layer. In this way, the contact resistance is not increased by different thermal expansion or by relative movement caused by swelling.
Fig. 3 zeigt nochmals in einer vergrößerten Darstellung den Aufbau einer erfindungsgemäßen Stromablei- terstruktur. Auf einem Stromableitergrundkörper 6, welcher vorliegend aus Metall (Aluminium oder Kupfer) ist, alternativ ist auch ein Polymer- oder Komposit- werkstoff mit einer elektrisch leitfähigen Oberfläche möglich, werden die elektrischen Einzelkontakte 8 aufgebracht, die sich durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsresistenz auszeichnen. Die Einzelkontakte sind hier aus Gold, wobei die O- berfläche der Einzelkontakte durch galvanische Abscheidung hergestellt wurde. Um die Einzelkontakte 8 rum wird eine Passivierungsschicht 7 erzeugt, die keine gute elektrische Leitfähigkeit besitzen muss, wichtig ist hier eine hohe Korrosionsresistenz . Bei Brennstoffzellen mit Protonenmembranen, bei denen die Ionenleitung durch Säuregruppen realisiert wird, bedeutet dies vor allem, Beständigkeit bei niedrigen PH-Werten. Es kann sich dabei um Oxyde, Nitride, Carbide oder ähnliches handeln, die durch Abscheidung, Dotierung und Tempern, Oxydieren hergestellt werden. Die Passivierungsschicht kann aber auch eine dickere deponierte Schicht eines Glases oder einer Keramik sein oder aus verschiedensten Polymeren bestehen.FIG. 3 again shows, in an enlarged representation, the structure of a current conductor structure according to the invention. On a Stromableitergrundkörper 6, which in the present case of metal (aluminum or copper) is, alternatively, a polymer or composite material with an electrically conductive surface is possible, the individual electrical contacts 8 are applied, which are characterized by a high electrical conductivity and corrosion resistance , The individual contacts here are made of gold, whereby the surface of the individual contacts was produced by galvanic deposition. Around the individual contacts 8 around a passivation layer 7 is generated, which does not have to have good electrical conductivity, important here is a high corrosion resistance. For fuel cells with proton membranes, where the ionic conduction is realized by acid groups, this means, above all, resistance at low pH values. These may be oxides, nitrides, carbides or the like, which are produced by deposition, doping and annealing, oxidation. The passivation layer can also be a thicker deposited layer of a glass or a ceramic or consist of a wide variety of polymers.
Wichtig ist hierbei lediglich eine gute Haftung des Kontaktmaterials (zum Beispiel Gold bei Einzelkontakt 8, der Passivierungsschicht 7 sowie des Stromablei- tergrundkörpers 6) und eine entsprechende Anpassung der thermischen Ausdehnung. Gegebenenfalls wird dieImportant here is only a good adhesion of the contact material (for example, gold in single contact 8, the passivation layer 7 and the Stromablei- tergrundkörpers 6) and a corresponding adjustment of the thermal expansion. If necessary, the
Passivierungsschicht mit einer definierten Druckspan- nung hergestellt, damit auch bei thermischen Zyklen oder mechanischer Beanspruchung immer ein Zusammenhalt zwischen den Kontakten 1 und der Passivierungs- schicht 2 erfolgt, so dass keine Risse an der Grenz- fläche entstehen, an denen die Korrosion der darunter liegenden Schicht (Stromableitergrundkörper 6) einsetzen könnte.Passivation layer with a defined pressure In order to ensure that there is always a cohesion between the contacts 1 and the passivation layer 2, even during thermal cycles or mechanical stress, so that no cracks develop at the interface where the corrosion of the underlying layer (current collector base body 6) begins could.
Wie in Fig. 1, rechtseitig gezeigt, sind die Einzel- kontakte bereichsweise (also in ihrem "Fußbereich") mit der Passivierungsschicht beschichtet.As shown in FIG. 1, on the right side, the individual contacts are coated with the passivation layer in regions (ie in their "foot region").
Zur Einsparung von Edelmetall kann der Stromableitergrundkörper für sich genommen bereits aus seiner O- berfläche ragende Erhebungen haben, welche dann nur noch beschichtet werden mit einem Edelmetall. Neben diesen Kernkörpern aus Metall kann auch ein entsprechender zu beschichtender Kern der Einzelkontakte aus einem Polymermaterial oder einem keramischen Material sein. Es ist aber zu beachten, dass der Kernkörper, falls aus Polymer oder Keramik, elektrisch leitfähig sein muss oder zumindest eine leitfähige Deckschicht besitzt, die dann letzten Endes alle Einzelkontakte, z.B. Gold-Kontaktpunkte miteinander verbindet.To save precious metal, the Stromableitergrundkörper taken alone can have from its O- berfläche projecting elevations, which are then only coated with a precious metal. In addition to these metal core bodies, a corresponding core to be coated of the individual contacts can also be made of a polymer material or a ceramic material. It should be noted, however, that the core body, if made of polymer or ceramic, must be electrically conductive, or at least has a conductive capping layer, which ultimately will have all the individual contacts, e.g. Connects gold contact points.
Vorliegend beträgt der Kontaktwiderstand der Einzel- kontakte 8 zu einer Membraneinheit hin 5 Milliohm pro Quadratzentimeter. Die Einzelkontakte 8 weisen gemäß Fig. 1 einen Durchmesser von 50 Mikrometer auf. Die Kontaktspitzen 8a ragen hierbei 100 Mikrometer aus der Hauptoberflächenebene der Stromleiterstruktur (gekennzeichnet mit E in Fig. 3 rechtseitig) auf.In the present case, the contact resistance of the individual contacts 8 to a membrane unit is 5 milliohms per square centimeter. The individual contacts 8 have, according to FIG. 1, a diameter of 50 micrometers. In this case, the contact tips 8a protrude 100 micrometers from the main surface plane of the current conductor structure (marked E in the right-hand side in FIG. 3).
Der Abstand der Mittelachsen benachbarter Einzelkon- takte zueinander beträgt (siehe Abstand w in Fig. 7) vorliegend 90 Mikrometer. Mit der vorliegenden Anordnung, welche beispielsweise für die planare Folienbrennstoffzelle aus Fig. 1 anwendbar ist, ist eine sehr klein bauende Möglichkeit gegeben, die Gesamtdicke der in Fig. 1 gezeigten Anordnung beträgt 200 bis 500 Mikrometer.The distance of the center axes of adjacent individual contacts to each other is (see distance w in FIG. 7) in the present case 90 micrometers. With the present arrangement, which is applicable, for example, for the planar film fuel cell of Fig. 1, a very small constructive possibility is given, the total thickness of the arrangement shown in Fig. 1 is 200 to 500 microns.
Fig. 4a und 4b zeigen die Möglichkeit, die in Fig. 3 gezeigte Kontaktstruktur nur auf Stegen 10 der Kanal- struktur 11 bzw. den Stegen 10' einer entsprechenden offenen Gitterstruktur in Fig. 4b (für eine offene Kathodenstruktur) vorzusehen. Die Passivierungs- schicht kann dabei entweder nur im Bereich um die Einzelkontakte herum oder in der gesamten Kanal- bzw. Gitterstruktur vorgesehen werden. Wird die Passivie- rung zum Beispiel durch Oxidation des Stromableiter- grundkörpers 6 hergestellt, so geschieht dies automatisch an allen nicht aus Edelmetall bestehenden Einzelkontakten belegten Stellen. Alternativ können Po- lymermaterialien (zum Beispiel Parylene) konform über die gesamte Oberfläche abgeschieden werden, oder zum Beispiel durch Sprühbeschichtung mit anderen Polymeren. Anschließend werden Löcher geöffnet (durch Ätzen oder Laser) und dann die Einzelkontakte 8 galvanisch abgeschieden. Wurden die Einzelkontakte zuerst hergestellt und dann die Polymerbeschichtung durchgeführt, so wird anschließend durch Polieren der Oberfläche ein frei liegender Kontakt an der Kontaktoberfläche erreicht.FIGS. 4a and 4b show the possibility of providing the contact structure shown in FIG. 3 only on bars 10 of the channel structure 11 or the bars 10 'of a corresponding open grid structure in FIG. 4b (for an open cathode structure). The passivation layer can be provided either only in the area around the individual contacts or in the entire channel or grid structure. If the passivation is produced, for example, by oxidation of the current collector base body 6, this is automatically done at all locations not occupied by individual metal contacts. Alternatively, polymer materials (eg, parylene) may be conformally deposited over the entire surface, or, for example, by spray coating with other polymers. Subsequently, holes are opened (by etching or laser) and then the individual contacts 8 electrodeposited. If the individual contacts were produced first and then the polymer coating was carried out, an exposed contact on the contact surface is subsequently achieved by polishing the surface.
In einer Variante können die erfindungsgemäßen Einzelkontakte "gezielt" angebracht werden, es sich also nicht um eine Beimengung von Partikeln in ein Polymer etc. handelt, um die Leitfähigkeit über eine Gesamt- fläche zu erhöhen. Stattdessen wird in dieser Variante ganz bewusst eine strukturierte Aufgliederung zweier Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaftsprofilen beabsichtigt. Die erfindungsgemäße Kontaktstruktur wird in einer zweiten Vairante z.B. dadurch hergestellt, dass auf einem elektrisch leit- fähigem Grundkörper ein mit leitfähigen PartikelnIn one variant, the individual contacts according to the invention can be "selectively" attached, so it is not an admixture of particles in a polymer, etc., in order to increase the conductivity over a total area. Instead, this variant deliberately becomes a structured breakdown intended two materials with different property profiles. The contact structure according to the invention is produced, for example, in a second embodiment by using conductive particles on an electrically conductive basic body
(Gold- oder Silberkörner, -Flakes) gefülltes Polymer aufgebracht und ausgehärtet wird. Die Form und Dichte der Partikel ist hierbei so beschaffen, dass immer elektrisch leitfähige Pfade von dem leitfähigen Grundkörper zu Oberfläche entstehen. Dies kann während der Aushärtung durch Anpressen einer anschließend zu entfernenden Platte befördert werden. Um die leitfähigen Kontakte vorstehen zu lassen könnte anschließend eine selektive Ätzung des Polymers z.B. mit reaktivem lonenätzen erfolgen. Die Kontakte müssen also nicht in gleichmäßigen Abständen verteilt sein, es gibt einen mittleren Abstand.(Gold or silver grains, flakes) filled polymer is applied and cured. The shape and density of the particles is in this case such that always arise electrically conductive paths from the conductive body to surface. This can be conveyed during curing by pressing a subsequently to be removed plate. To allow the conductive contacts to protrude, a selective etching of the polymer could then be performed, e.g. done with reactive ion etching. The contacts do not have to be distributed evenly, there is a medium distance.
Außerdem ist zu sagen, dass die Einzelkontakte mit hoher Leitfähigkeit (auch um den Spreizungswiderstand niedrig zu halten) in sehr kleinem Abstand zueinander angebracht sind. Es handelt sich hierbei vorzugsweise um Kontakte, welche vorzugsweise um eine Größenordnung kleiner sind als beispielsweise in Messzellen, bei denen bereichsweise die Leitfähigkeit mit Hilfe herausstehender Kontakte ermittelt werden kann. Außerdem sind vorliegend im Gegensatz zu den Einzelkontakten in Messzellen alle Kontakte mit dem gleichen elektrisch leitfähigen Grundkörper verbunden, also (abgesehen von Inhomogenitäten der Brennstoffzelle) alle auf dem gleichen Potential liegen.In addition, it should be noted that the single contacts with high conductivity (also to keep the spreading resistance low) are mounted at a very small distance from each other. These are preferably contacts, which are preferably smaller by an order of magnitude than, for example, in measuring cells in which the conductivity can be determined in some areas with the aid of protruding contacts. In addition, in contrast to the individual contacts in measuring cells, in the present case all contacts are connected to the same electrically conductive basic body, ie (apart from inhomogeneities of the fuel cell) all are at the same potential.
Fign. 5 und 6 zeigen weitere Beispiele von Stromab- leiterstrukturen, bei denen die Einzelkontakte einen Hinterschnitt aufweisen. Werden beispielsweise die Kontakte galvanisch in einer Resiststruktur hergestellt, die anschließend entfernt wird, so lässt sich durch Überwachen über den Resist eine Pilzstruktur 12 erzeugen. Diese kann sich vorteilhaft in dem Gewebe oder der Faserstruktur der Gasdiffusionslage verhaken, so dass dort eine Art Klettschlusseffekt gegeben ist und der geringe Kontaktwiderstand auch bei völligem Lösen der Anpress- kraft erhalten bleibt (siehe Analogie zu Fig. 2) .FIGS. FIGS. 5 and 6 show further examples of current collector structures in which the individual contacts have an undercut. If, for example, the contacts are produced galvanically in a resist pattern, which is subsequently removed, a mushroom structure 12 can be produced by monitoring the resist. This can advantageously entangle in the fabric or the fiber structure of the gas diffusion layer, so that there is a kind of Velcro effect and the low contact resistance is maintained even with complete release of the contact force (see analogy to Fig. 2).
Es können, wie in Fig. 6 gezeigt (siehe hierzu ebenfalls Fig. 2) auch noch längere Einzelkontaktstrukturen hergestellt werden, zum Beispiel durch galvanische Abscheidung in Polymermembranen, in denen vorher eine Mikrokanalstruktur erzeugt wurde. Anschließend werden diese Polymermembranen dann aufgelöst. Die Mikrokanalstruktur kann durch Punktieren mit feinen Nadeln oder durch Beschuss mit energetischen Teilchen erzielt werden. Die entstehenden Strukturen müssen nicht völlig symmetrisch oder gleichartig sein. Wichtig sind nur eine mittlere, gleichmäßige Verteilung und eine Vorzugsrichtung senkrecht zum Substrat . Die so erzeugten Strukturen mit Durchmessern von wenigen Mikrometern, teilweise sogar kleiner als 1 Mikrome- ter, würden auch als "Nano-Rasen" bezeichnet. Gleichzeitig können aber auch Carbon-Nano-Tubes (CNT) verwendet werden, die vorher strukturiert auf dem Substrat aufgewachsen sind.As shown in FIG. 6 (see also FIG. 2), even longer individual contact structures can be produced, for example by electrodeposition in polymer membranes in which a microchannel structure was previously produced. Subsequently, these polymer membranes are then dissolved. The microchannel structure can be achieved by puncturing with fine needles or by bombardment with energetic particles. The resulting structures need not be completely symmetric or similar. Important are only a medium, uniform distribution and a preferred direction perpendicular to the substrate. The structures thus produced with diameters of a few micrometers, sometimes even less than 1 micrometre, would also be referred to as "nano-turf". At the same time, however, it is also possible to use carbon nanotubes (CNTs), which have been grown in a structured manner on the substrate before.
Fign. 7 und 8 dienen der Darstellung der Dimensionen der Abstände und Durchmesser der Kontakte. Da Edelmetalle, wie zum Beispiel Gold, für die Einzelkontakte 8 verwendet werden sollen, ist von einem sehr kleinen, vernachlässigbaren Kontaktwiderstand an diesen Kontakten auszugehen. Der größere Widerstand entsteht durch den lateralen Stromfluss zu den Kontakten hin. Dieser Widerstand (Spreizungswiderstand, Spreading- Resistance) ist vom Abstand und Durchmesser der Kontakte und der Leitfähigkeit p der Schichten abhängig, bei dünnen Schichten auch von der Dicke der Schicht. Besteht das Substrat (also auch der Stromableiter- grundkörper) aus Metall (Kupfer oder Aluminium bzw. Edelstahl) kann der Spreizungswiderstand dort gegenüber dem Spreizungswiderstand in der Elektrodenschicht oder Gasdiffusionslage der Membraneinheit vernachlässigt werden. Die Leitfähigkeit von Stahl ist gegenüber der Leitfähigkeit von den üblichen Gasdiffusionslagen derart hoch, dass vermutlich die Leitfähigkeit der Gasdiffusionslage letztlich für den Spreizungswiderstand maßgebend ist. Der Spreizungswi- derstand entsprechend Fig. 7 berechnet sich näherungsweise nach folgender FormelFIGS. Figures 7 and 8 serve to illustrate the dimensions of the distances and diameters of the contacts. Since precious metals, such as gold, are to be used for the individual contacts 8, a very small, negligible contact resistance can be assumed at these contacts. The greater resistance is due to the lateral current flow towards the contacts. This resistance (spreading resistance, spreading resistance) depends on the distance and diameter of the contacts and the conductivity p of the layers, with thin layers also on the thickness of the layer. If the substrate (thus also the current collector base body) consists of metal (copper or aluminum or stainless steel), the spreading resistance can be neglected there compared to the spreading resistance in the electrode layer or gas diffusion layer of the membrane unit. The conductivity of steel is so high compared to the conductivity of the usual gas diffusion layers that presumably the conductivity of the gas diffusion layer is ultimately decisive for the spreading resistance. The spreading resistance according to FIG. 7 is calculated approximately according to the following formula
Rspread = 4 p*d2/ 3w2* [ l+d/ ( w-d) ] .Rsp r ead p = 4 * d 2 / 3w 2 * [l + d / (wd)].
Je größer der Schichtwiderstand des Stromableiter- grundkörpers 6 oder der Gasdiffusionslage bzw. der Elektrodenschicht der Membraneinheit ist, umso kleiner sollte der Abstand zwischen den Einzelkontakten 8 sein. Die Kontaktwiderstände liegen hierbei (siehe oben) zwischen 1 Milliohm und 10 Milliohm pro Quadratzentimeter, der Kontaktdurchmesser des Einzelkontaktes kann zwischen 0,1 Mikrometer und 1000 Mikrometer liegen. Bei einem optimierten System ist der mittlere Abstand zwischen den Einzelkontakten so ge- ring, dass der Spreizungswiderstand in der Elektroden- bzw. Gasdiffusionsschicht vernachlässigbar ist.The greater the sheet resistance of the current collector base body 6 or the gas diffusion layer or the electrode layer of the membrane unit, the smaller the distance between the individual contacts 8 should be. The contact resistance here (see above) between 1 milliohm and 10 milliohms per square centimeter, the contact diameter of the single contact can be between 0.1 microns and 1000 microns. In an optimized system, the average distance between the individual contacts is so small that the spreading resistance in the electrode or gas diffusion layer is negligible.
In Fig. 8 ist zu sehen, wie die Einzelkontakte 8 deutlich über die Oberfläche E (siehe auch Fig. 3) der Stromabieiterstruktur hinausragen, so dass in der Elektroden- bzw. Gasdiffusionsschicht ein dreidimen- sionaler elektrischer Kontakt entsteht, wodurch der Kontaktwiderstand weiter herabgesetzt wird. Außerdem verteilt sich der Anpressdruck der Stromableiter- struktur auf eine kleinere Gesamtfläche der Kontakt- querschnitte . Auf diese Weise kann der insgesamt für den minimalen Kontaktwiderstand notwendige Anpress- druck deutlich reduziert werden. Dies ist ein weiterer wichtiger Vorteil: Die Erzielung eines gleichmäßigen und ausreichenden Anpressdruckes. Die Erzielung eines niedrigen Kontaktwiderstand ist eines der schwierigsten konstruktiven Probleme, insbesondere bei planaren Brennstoffzellen, hierdurch wird endlich eine Lösung dieses Problems bereitgestellt.FIG. 8 shows how the individual contacts 8 protrude significantly beyond the surface E (see also FIG. 3) of the current drainage structure, so that a three-dimensional surface is formed in the electrode or gas diffusion layer. Sional electrical contact is formed, whereby the contact resistance is further reduced. In addition, the contact pressure of the current collector structure is distributed over a smaller total area of the contact cross sections. In this way, the total contact pressure necessary for the minimum contact resistance can be significantly reduced. This is another important advantage: the achievement of a uniform and sufficient contact pressure. Achieving low contact resistance is one of the most difficult constructive issues, especially with planar fuel cells, thereby finally providing a solution to this problem.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Brennstoffzel- lenanordnungen wird jeweils ein Stromableitergrund- körper mit in einer Passivierungsschicht flächig verteilten Einzelkontakten 8 versehen und anschließend die Einzelkontakte 8 in elektrische Verbindung mit einer Elektrode (Anode 3, Kathode 4) der Membraneinheit 2 gebracht, so dass die in Fig. 1 bzw. 2 erzeugten Strukturen erhältlich sind. Auf Einzelheiten dieser Herstellungsprozesse wurde bei den einzelnen Ausführungsformen weiter oben eingegangen. In order to produce the fuel cell arrangements according to the invention, in each case one current-carrying base body is provided with individual contacts 8 distributed over a passivation layer, and then the individual contacts 8 are brought into electrical connection with an electrode (anode 3, cathode 4) of the membrane unit 2, so that the in FIG 1 or 2 generated structures are available. Details of these manufacturing processes have been discussed above in the individual embodiments.

Claims

Patentansprüche claims
1. Brennstoffzellenanordnung (1), enthaltend eine1. Fuel cell assembly (1) containing a
Membraneinheit (2) mit mindestens einer Elektrode in Form einer Anode (3) und/oder einer Kathode (4) , sowie mindestens einer Stromabieiterstruktur (5) , welche einen elektrisch leitfähigen Stromableiter- grundkörper (6) enthält, und der Stromableitergrundkörper (6) eine Passivie- rungsschicht (7) mit darin flächig verteilten Einzelkontakten (8) aufweist, wobei die Einzelkontakte (8) so angeordnet sind, dass sie einerseits eine Elektrode (3, 4) und andererseits den Stromableitergrundkörper (6) elektrisch kontaktieren.Membrane unit (2) with at least one electrode in the form of an anode (3) and / or a cathode (4), and at least one Stromabieiterstruktur (5), which contains an electrically conductive Stromableiter- basic body (6), and the Stromableitergrundkörper (6) a passivation layer (7) with distributed therein single contacts (8), wherein the individual contacts (8) are arranged so that they contact on the one hand an electrode (3, 4) and on the other hand the Stromableitergrundkörper (6) electrically.
2. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelkontakte (8) Kontaktspitzen (8a) aufweisen und die Kontaktspitzen (8a) der Einzelkontakte (8) zur Erhöhung mit der Kontaktfläche mit der Membranein- heit (2) in eine Elektroden- und/oder Gasdiffusionslage (9) der Membraneinheit (2) reib- und/oder formschlüssig eingebracht ist.2. Fuel cell assembly according to claim 1, characterized in that the individual contacts (8) contact tips (8a) and the contact tips (8a) of the individual contacts (8) to increase with the contact surface with the Membranein- unit (2) in an electrode and / or gas diffusion layer (9) of the membrane unit (2) is frictionally and / or positively introduced.
3. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelkon- takte (8) bereichsweise mit der Passivierungs- schicht (7) beschichtet sind.3. Fuel cell arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the individual contacts (8) are partially coated with the passivation layer (7).
4. Brennstoffzelleanordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktspitzen (8a) in die Membraneinheit (2) eingesteckt sind.4. Fuel cell arrangement according to one of claims 2 or 3, characterized in that the Contact tips (8a) are inserted into the membrane unit (2).
5. BrennstoffZeilenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktspitzen (8a) die Membraneinheit (2) bereichsweise hintergreifen.5. Fuel cell arrangement according to one of claims 2 to 4, characterized in that the contact tips (8a) engage behind the membrane unit (2) in regions.
6. BrennstoffZeilenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelkontakte (8) aus Edelmetall sind oder einen Kernkörper aufweisen, welcher mit Edelmetall beschichtet ist.6. Fuel cell arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the individual contacts (8) are made of precious metal or have a core body which is coated with noble metal.
7. BrennstoffZeilenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Edelmetall Gold, Silber oder Platin ist.7. Fuel cell assembly according to claim 6, characterized in that the noble metal is gold, silver or platinum.
8. BrennstoffZeilenanordnung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernkörper aus einem Metall, einem elektrisch leitfähigen Polymer oder einer elektrisch leitfähigen Keramik ist, wobei es ausreichend ist, dass die Körper aus Polymer oder Keramik mit einer außen leitfähigen Schicht versehen sind.8. fuel cell assembly according to any one of claims 6 or 7, characterized in that the core body of a metal, an electrically conductive polymer or an electrically conductive ceramic, wherein it is sufficient that the body of polymer or ceramic provided with an externally conductive layer are.
9. BrennstoffZeilenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktwiderstände der Einzelkontakte (8) zwischen 1 Milliohm und 10 Milliohm pro Quadratzentimeter betragen.9. Fuel cell arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the contact resistances of the individual contacts (8) amount to between 1 milliohm and 10 milliohms per square centimeter.
10. BrennstoffZeilenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelkontakte (8) einen Durchmesser zwi- sehen 0,1 und 1000 Mikrometer, vorzugsweise zwischen 1 Mikrometer und 100 Mikrometer, besonders vorzugsweise zwischen 50 Mikrometer und 100 Mikrometer aufweisen.10. fuel cell assembly according to any one of the preceding claims, characterized in that the individual contacts (8) see a diameter between 0.1 and 0.1 microns, preferably between 1 micron and 100 microns, especially preferably between 50 microns and 100 microns.
11. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktspitzen (8a) zwischen 100 Mikrometer und11. Fuel cell arrangement according to one of claims 2 to 10, characterized in that the contact tips (8a) between 100 microns and
1000 Mikrometer aus der Hauptoberflächenebene hinausragen.1000 microns protrude from the main surface plane.
12. Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Mittelachsen benachbarter Einzelkontakte (8) zueinander zwischen 10 Mikrometer und 1000 Mikrometer beträgt.12. Fuel cell assembly according to one of the preceding claims, characterized in that the distance between the center axes of adjacent individual contacts (8) to each other between 10 microns and 1000 microns.
13. Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Gasdiffusionslage (9) zwischen 5013. Fuel cell arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the thickness of the gas diffusion layer (9) between 50
Mikrometer und 1000 Mikrometer liegt.Micrometer and 1000 microns.
14. Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionslage (9) mit der übrigen Memb- raneinheit (2) bereits mechanisch verbunden ist.14. Fuel cell arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the gas diffusion layer (9) with the remaining membrane unit (2) is already mechanically connected.
15. Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromabieiterstruktur (5) Teil einer Stromableiterplatte oder einer Bipolarplatte ist.15. Fuel cell arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the Stromabieiterstruktur (5) is part of a Stromableiterplatte or a bipolar plate.
16. Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese Brennstoffzellenanordnung (1) planar ist und eine Gesamtdicke zwischen 100 Mikrometern und 1000 Mikrometern hat. 16. Fuel cell arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that said fuel cell assembly (1) is planar and has a total thickness between 100 microns and 1000 microns.
17. Brennstoffzellenstack, enthaltend mindestens eine BrennstoffZeilenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche .17. A fuel cell stack, comprising at least one fuel cell arrangement according to one of the preceding claims.
18. Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorher- gehenden Ansprüche, nämlich planare Brennstoff- zellenanordnung sehr geringer Höhe, die aus einer Fünflagen-Membraneinheit mit verpresster Gasdiffusionslage besteht und aufgrund der mechanischen/elektrischen Verankerung der Stromab- leiter/Kanalstrukturen mit der Fünflagen-18. Fuel cell arrangement according to one of the preceding claims, namely planar fuel cell arrangement of very small height, which consists of a five-layer membrane unit with compressed gas diffusion layer and due to the mechanical / electrical anchoring of the current discharge / channel structures with the five-layer
Membraneinheit mit nur sehr kleinem Anpressdruck montierbar ist, und damit massive Andruckplatten oder Endplatten verzichtbar sind.Membrane unit can be mounted with only a very small contact pressure, and thus massive pressure plates or end plates are dispensable.
19. Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorher- gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromabieiterstruktur (5) zu der Elektrode (3, 4) hin zusätzlich eine gitterförmige Struktur aufweist, welche zur verbesserten elektrischen Leitfähigkeit bereichsweise bzw. punktuell mit Edelmetall beschichtet ist.19. Fuel cell arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the Stromabieiterstruktur (5) to the electrode (3, 4) out additionally has a lattice-shaped structure, which is partially or selectively coated with noble metal for improved electrical conductivity.
20. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung (1) , wobei zumindest ein Stromab- leitergrundkörper (6) mit in einer isolierenden Beschichtung flächig verteilten Einzelkontakten versehen wird und anschließend die Einzelkontakte (8) in elektrische Verbindung mit einer E- lektrode (3; 4) der Membraneinheit (2) oder Diffusionslage (9) gebracht werden.20. A method for producing a fuel cell arrangement (1), wherein at least one current conductor main body (6) is provided with individual contacts distributed in an insulating coating, and then the individual contacts (8) are electrically connected to an electrode (3, 4) the membrane unit (2) or diffusion layer (9) are brought.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich- net, dass die Einzelkontakte (8) anschließend mit einer Membraneinheit (2) so verpresst werden, dass die Kontaktspitzen (8a) der Einzelkon- takte (8) reib- und/oder formschlüssig in der Membraneinheit (2) verankert sind.21. Method according to claim 20, characterized in that the individual contacts (8) are subsequently pressed with a membrane unit (2) in such a way that the contact tips (8a) of the individual components clocks (8) frictionally and / or positively anchored in the membrane unit (2).
22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelkontakte (8) in den Stromab- leitergrundkörper (6) eingesteckt oder aufgesteckt werden.22. The method according to claim 20, characterized in that the individual contacts (8) in the Stromab- conductor base body (6) are inserted or plugged.
23. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelkontakte (8) durch Beschichten, vorzugsweise von Erhebungen des Stromabieiterkörpers (6) entstehen.23. The method according to claim 21, characterized in that the individual contacts (8) by coating, preferably of elevations of the Stromabieiterkörpers (6) arise.
24. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelkontakte (8) in einer Re- siststruktur aufwachsen, welche anschließend entfernt wird.24. The method according to claim 20, characterized in that the individual contacts (8) grow in a resist structure, which is subsequently removed.
25. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelkontakte (8) durch CVD- oder PVD-Verfahren entstehen. 25. The method according to claim 20, characterized in that the individual contacts (8) by CVD or PVD process arise.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103367771A (en) * 2012-03-30 2013-10-23 本田技研工业株式会社 Metal separator for fuel cells and manufacturing method thereof

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010032856A1 (en) * 2010-07-30 2012-02-02 Forschungszentrum Jülich GmbH Method for production of bipolar plate for e.g. direct methanol-fuel cell, involves locally removing portion of corrosion protection layer to expose regions of metallic plate, and depositing noble metal on exposed regions of metallic plate
WO2014173750A1 (en) * 2013-04-26 2014-10-30 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Process for producing a bipolar plate and also a layer structure, bipolar plate and layer structure having a bipolar plate
JP6287721B2 (en) 2014-09-17 2018-03-07 トヨタ車体株式会社 Polymer electrolyte fuel cell and separator
PT3770303T (en) * 2019-07-26 2022-10-06 Zentrum Fuer Sonnenenergie Und Wasserstoff Forschung Baden Wuerttemberg Electrode packing unit for a stack structure of an electrochemical reactor
DE102021209997B3 (en) * 2021-09-09 2023-01-26 Reinz-Dichtungs-Gmbh Laser surface treated separator plate and method of manufacture and method of characterizing the same
EP4279637A1 (en) 2022-05-18 2023-11-22 Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg Electrode plate with integrated current transformer structure and electrode package unit

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1235288A1 (en) * 1999-09-17 2002-08-28 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Polymer electrolyte fuel cell
WO2002084773A2 (en) * 2001-04-14 2002-10-24 Daimlerchrysler Ag Fuel cell
WO2005015672A2 (en) * 2003-07-01 2005-02-17 Commissariat A L'energie Atomique Fuel cell in which a fluid circulates essentially parallel to the electrolytic membrane and method for production of such a fuel cell
EP1591560A1 (en) * 2003-02-07 2005-11-02 HONDA MOTOR CO., Ltd. Method for passivating stainless steel product and method for producing stainless steel separator for fuel cell

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1030393B1 (en) 1997-10-14 2006-08-02 Nisshin Steel Co., Ltd. Separator for low temperature type fuel cell and method of production thereof
US6372376B1 (en) 1999-12-07 2002-04-16 General Motors Corporation Corrosion resistant PEM fuel cell
DE10036272A1 (en) 2000-07-26 2002-02-07 Daimler Chrysler Ag Bipolar fuel cell plate forming gas tight connection between its main outer surfaces, includes distributed, conductive, corrosion-resistant surface clusters
DE10040499C2 (en) 2000-08-18 2002-06-27 Forschungszentrum Juelich Gmbh Contact layer and a fuel cell comprising such a contact layer
US6887613B2 (en) 2002-12-04 2005-05-03 General Motors Corporation Corrosion resistant PEM fuel cell
US20050130013A1 (en) 2003-12-16 2005-06-16 Honda Motor Co., Ltd. Metal separator for fuel cell and method for producing the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1235288A1 (en) * 1999-09-17 2002-08-28 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Polymer electrolyte fuel cell
WO2002084773A2 (en) * 2001-04-14 2002-10-24 Daimlerchrysler Ag Fuel cell
EP1591560A1 (en) * 2003-02-07 2005-11-02 HONDA MOTOR CO., Ltd. Method for passivating stainless steel product and method for producing stainless steel separator for fuel cell
WO2005015672A2 (en) * 2003-07-01 2005-02-17 Commissariat A L'energie Atomique Fuel cell in which a fluid circulates essentially parallel to the electrolytic membrane and method for production of such a fuel cell

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103367771A (en) * 2012-03-30 2013-10-23 本田技研工业株式会社 Metal separator for fuel cells and manufacturing method thereof

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