WO2018019586A1 - Verfahren zur herstellung eines stromsammlers für eine brennstoffzelle und brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines stromsammlers für eine brennstoffzelle und brennstoffzelle Download PDF

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WO2018019586A1
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binder
fibers
current collector
base material
fuel cell
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PCT/EP2017/067533
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Daniel Simon
Andreas Burghardt
Jens BURGHAUS
Juergen Oberle
Arne Huber
Witold Pieper
Maxim Smirnov
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • Known fuel cells have a plurality of individual cells stacked on top of or next to each other, also known as stacks.
  • Fuel cell stacks include current collectors for establishing electrical contact between the individual cells, and current collectors for passing gases, such as oxygen and / or hydrogen, to the corresponding electrodes of the fuel cell stacks Single cells and removing the resulting from the electrolysis of water and the dissipation of the heat of reaction of the electrodes from the individual cells.
  • gases such as oxygen and / or hydrogen
  • a foam of austenitic stainless steel such. B. 316 L, used with a set porosity of about 70%.
  • the process is very complex, so that the production costs about the
  • a polyurethane foam is first coated with a metal, in particular nickel (Ni), copper (Cu) or iron (Fe), for example by a galvanic coating method.
  • a metal in particular nickel (Ni), copper (Cu) or iron (Fe)
  • the z. B. can be done by heating or burning out.
  • soft annealing and subsequent cooling of the metal foam is completed.
  • the manufacturing cost is about ten times the cost of materials. Disclosure of the invention
  • a first aspect of the invention relates to a method for producing a current collector for a fuel cell.
  • the method has the following steps:
  • a pulverulent or granular base material is mixed with a binder and with fibers. In this way one becomes
  • the mixing is carried out, for example, in a mixing vessel designed for this purpose.
  • the described process makes it possible to produce the current collector in a cost-effective manner, the porosity of the foam in particular being almost unlimited
  • the aforementioned disadvantages of the prior art are at least partially or completely overcome.
  • a powdery or granular base material is understood as meaning a base material which is free-flowing.
  • Base material has, for example, a plurality of base material particles.
  • the base material has, for example. High alloy steel, such. As the austenitic stainless steel 316L or 17-4 PH, and / or nickel and / or titanium.
  • the base material may also comprise copper and / or aluminum and / or low-alloy steel.
  • a coating of the shaped body takes place in order to passivate the base material.
  • the coating can be carried out, for example, liquid, electrolytic or gaseous. For this purpose are, for example.
  • the base material may consist of a material or comprise a mixture of a plurality of materials, wherein a sinterability of the base material is taken into account. It may, for example, be provided according to the invention that the base material has several different ones
  • a base material without a binder has a relatively low formability and dimensional stability, since shaped geometries are easily destructible due to the flowability of the base material. It is therefore the task of the binder to improve a formability or dimensional stability of the base material.
  • the binder By means of the binder, adjacent base material particles can be bonded to one another, wherein a moldability of the base material is maintained.
  • the binder preferably has a relatively high viscosity, so that a good
  • Binder decreases with increasing temperature. For geometries that do not require plastic forming, the powder can be pressed into shape with a very small amount of binder and then sintered.
  • the fibers have a lower melting point and / or a lower chemical resistance and / or a lower decomposition temperature than the base material.
  • a lower melting point has the advantage that the fibers can be leached out of the base material by heating to a temperature above the melting point of the fibers and below the melting point of the base material, whereby corresponding cavities remain.
  • a lower chemical resistance has the advantage that the
  • Fibers by means of a suitable solvent, the z. B. is formed to dissolve the fibers and the base material is not or only slightly attacks from the base material liberable.
  • a lower decomposition temperature has the advantage that the fiber decompose and outgas during the heating in the sintering furnace. It may be provided according to the invention that the fibers are added to a mixture of base material and the binder. Alternatively, the fibers may also be mixed with the base material before the binder. In a further alternative of the method, the fibers may first be mixed with the binder and then with the base material.
  • the shaped body has, for example, a shape or essentially a shape of the current collector to be produced.
  • the shaping of the shaped body preferably takes place in such a way that the fibers are aligned parallel to one another or substantially parallel to one another. Due to the parallel orientation of the fibers, the shaped body has an anisotropy, that is, a direction-dependent microstructure formation.
  • the fibers have the task to create areas that are free of base material and binder and thus form cavities. This has the advantage that after removal of the fibers parallel aligned channels remain in the molding, the z. B. are designed for water removal or oxygen transmission.
  • the binder is the
  • a debindering of the binder from the molding is carried out depending on the selected binder and the selected base material. More preferably, the fiber material is taken into account during debindering, so that the fibers are not damaged during debindering. This has the advantage that settling of residues of the binder in the channels formed by the fibers is prevented or at least reduced. During binder removal, the binder or a predominant part of the binder is removed from the molding.
  • a small proportion of the binder remains between
  • the fibers are removed from the shaped body or Braunling. Preferably, a majority of the fibers become away.
  • the removal of the fibers can be done, for example, by means of a solvent or by melting the fibers due to heating or by outgassing. It may be provided that the debinding and removal of the fibers takes place simultaneously by the same measure. Alternatively, you can
  • the removed fibers each leave a cavity which corresponds or substantially corresponds to a shape of the removed fiber.
  • the brownling is sintered.
  • diffusion processes start in the base material, so that adjacent base material particles enter into a cohesive connection with each other.
  • the base material solidifies to form a solid porous structure.
  • the sintering is thus not up to a maximum achievable final density, but while maintaining a porosity of the molding.
  • a volume fraction of the porosity is at least 5% of the total volume of the base material portion of the
  • the current collector can, for example.
  • the current collector can be deburred and / or finished.
  • current collectors can be produced by simple means and in a cost-effective manner.
  • fibers in the production of the current collector these have inner cavities or channels arranged parallel or substantially parallel to one another, which are designed to pass a fluid, in particular water and / or oxygen and / or hydrogen or the like.
  • the current collector has a high electrical and thermal conductivity and high corrosion resistance.
  • the molding by means of sintering and / or injection molding and / or a doctor blade and / or performed a 3D printing process.
  • the doctoring can preferably be carried out in such a way that the base material powder is laced into a press mold in a mixture with the addition of a binder in several layers by means of the doctor blade, the press mold being lowered after each doctoring step, ie after the production of a doctor blade layer, by a doctor blade layer thickness of the doctor blade layer becomes. In this way, the horizontal alignment of the fibers is ensured.
  • the component is pressed and then sintered.
  • the fibers can be arranged in a simple manner such that they are oriented parallel or substantially parallel to one another.
  • Means can be generated channels in the current collector, which are particularly suitable for passing a fluid in one direction.
  • fibers are added as fibers, the one
  • the fiber material has a melting point which corresponds to or at least substantially corresponds to a melting point of the binder material.
  • the fiber material has the same polarity as the binder material. More preferably, the fiber material corresponds to the binder material.
  • the same or substantially the same melting point of fiber material and binder material has the advantage that debindering of the binder and removal of the fibers by means of heating is improved and, if appropriate, can take place simultaneously or essentially simultaneously.
  • Fiber material and binder material has the advantage that debindering of the binder and removal of the fibers by means of a solvent is improved, provided that the solvent has the same polarity as the fiber material and the binder material.
  • fibers with a fiber length between 5 mm and 100 mm are used as fibers.
  • the fibers have a fiber length between 10 mm and 20 mm.
  • Such fibers are inexpensive to deploy and well suited for parallel alignment and for the formation of channels for the passage of fluids.
  • a binder comprising at least two components is mixed as the binder, a polymer being used as the first component of the binder and a wax as the second component of the binder.
  • binders are particularly suitable for the formability and dimensional stability of the material mixture and can be easily with known methods such. B. by heating or the addition of a solvent, binder.
  • the binder removal of the binder and / or the fibers takes place at a temperature of between 500 ° C and 700 ° C. More preferably, the debinding of the binder and / or the fibers takes place at a temperature of about 600 ° C. At these temperatures, a preferred binder is in a liquid state with particularly low viscosity and thus easily debonded from the molding. The risk of melting and melting of the base material does not exist at these temperatures.
  • Binder and / or the fibers is carried out by means of a solvent.
  • a solvent has the advantage that no thermal effect on the molding is required. Furthermore, a removal of the dissolved binder or the dissolved fibers by the solvent is particularly reliable achievable.
  • the shaped body is formed strip-shaped and thus has a plurality of juxtaposed and interconnected Stromsammlerform stresses.
  • a part is separated from the band-shaped molding.
  • the separation is preferably carried out before sintering, since much less energy is required for the separation in this state than after sintering. Separation after sintering, on the other hand, has the advantage that the risk of damaging the molded body in the sintered component is substantially reduced due to its solid microstructure cohesion.
  • a band-shaped shaping is on a simple manner feasible and allows an advantageous utilization of a work space. Furthermore, the band-shaped forms for a cost-effective continuous flow production is particularly suitable.
  • the sintering takes place at a temperature of between 1100 ° C and 1500 ° C, in particular between 1250 ° C and 1350 ° C.
  • a particularly preferred sintering temperature is 1300 ° C.
  • Temperatures are current collectors of preferred base materials with a porosity of over 5% good to produce.
  • a second aspect of the invention relates to a fuel cell.
  • the fuel cell has at least one anode, at least one cathode, at least one arranged between the anode and cathode electrolyte and at least one current collector.
  • the at least one current collector is produced by means of a method according to the invention.
  • the fuel cell has the same advantages as described above with respect to the method for manufacturing a current collector for a fuel cell. Consequently, the fuel cell can be produced by simple means and in a cost-effective manner.
  • fibers in the production of the current collector these have inner cavities or channels arranged parallel or substantially parallel to one another, which are designed to pass a fluid, in particular water and / or oxygen and / or hydrogen or the like.
  • the current collector has a high electrical and thermal conductivity, especially perpendicular to the predetermined by the microchannels preferred
  • FIG. 2 is a plan view of a molded article after molding
  • Figure 3 is a plan view of the molding after debinding and removing the fibers
  • FIG. 4 shows a plan view of a current collector produced by means of the method according to the invention.
  • Fig. 1 shows schematically the mixing of a base material 2 with a binder 3 and fibers 4 in a mixing container 7 in a side view.
  • a mixing container 7 thus a mixture of materials 5 is generated, in which the fibers 4 arranged disorderly and surrounded by base material 2 and binder 3.
  • Fig. 2 shows schematically a shaped body 6, by means of the method according to the invention from the material mixture 5, z. B. by means of a doctor blade is formed.
  • the fibers 4 are aligned parallel to each other, so that the shaped body 6 has an anisotropy.
  • Base material 2 and the fibers 4 are so dimensionally stable bound together by the binder 3, that an independent collapse of the molded body 6 is avoided.
  • the fibers 4 each have one
  • Fiber length which is less than a molded body length of the shaped body 6.
  • the fiber length may correspond or substantially correspond to the molded body length.
  • the channels 8 each have a channel length which is less than the molded body length.
  • the channel length may correspond or substantially correspond to the molded body length.
  • Fig. 4 shows schematically in plan view a current collector 1, which is produced by the method according to the invention.
  • the base material 2 is through sintered the sintering process to a metal foam 2a.
  • the metal foam 2a thus has a substantially higher dimensional stability than the shaped body 6.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stromsammlers (1) für eine Brennstoffzelle. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Vermengen eines pulverförmigen oder granulatförmigen Basiswerkstoffs (2) mit einem Bindemittel (3) sowie mit Fasern (4) zur Erzeugung eines Werkstoffgemischs (5), wobei die Fasern (4) einen geringeren Schmelzpunkt und/oder eine geringere chemische Beständigkeit als der Basis Werkstoff (2) aufweisen, Formen eines Formkörpers (6) aus dem Werkstoffgemisch (5), Entbindern des Bindemittels (3) aus dem Formkörper (6), Entfernen zumindest eines Teils der Fasern (4) aus dem Formkörper (6) und Sintern des Formkörpers (6). Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle mit einem Stromsammler (1), der mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Herstellung eines Stromsammlers für eine Brennstoffzelle und Brennstoffzelle
Stand der Technik
Bekannte Brennstoffzellen weisen eine Mehrzahl von Einzelzellen auf, die übereinander oder nebeneinander zu Stapeln, die auch als„Stacks" bzw.
„Brennstoffzellen-Stacks" bezeichnet werden, angeordnet sind. Zur Herstellung eines elektrischen Kontakts zwischen den Einzelzellen weisen Brennstoffzellen- Stacks Stromsammler auf. Ferner dienen Stromsammler der Durchleitung von Gasen, wie z. B. Sauerstoff und/oder Wasserstoff, zu den entsprechenden Elektroden der Einzelzellen sowie dem Herausführen des aus der Elektrolyse entstehenden Wassers und der Ableitung der Reaktionswärme der Elektroden aus den Einzelzellen.
Zur Erfüllung dieser vielfältigen Aufgaben müssen Stromsammler eine hohe Korrosionsbeständigkeit, eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie eine gute Durchleitbarkeit von Wasser aufweisen. Als Stromsammler werden daher oftmals Metallschäume verwendet. Zur Herstellung derartiger
Stromsammler sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Gemäß einem ersten Verfahren wird ein Schaum aus einem austenitisch nichtrostenden Stahl, wie z. B. 316 L, mit einer eingestellten Porosität von etwa 70% eingesetzt. Die Prozessführung ist sehr aufwendig, sodass die Herstellungskosten etwa das
Zehnfache der Materialkosten betragen. Gemäß einem zweiten Verfahren wird zunächst ein Polyurethan-Schaum (PU-Schaum) mit einem Metall, insbesondere Nickel (Ni), Kupfer (Cu) oder Eisen (Fe), beschichtet, z.B. durch ein galvanisches Beschichtungsverfahren. Im Anschluss an das Beschichten erfolgt ein Entbindern des PU-Schaums, das z. B. mittels Erhitzen bzw. Ausbrennen erfolgen kann. Durch Weichglühen und anschließendem Abkühlen wird der Metallschaum fertiggestellt. Auch bei diesem zweiten Verfahren betragen die Herstellungskosten etwa das Zehnfache der Materialkosten. Offenbarung der Erfindung
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stromsammlers für eine Brennstoffzelle. Das Verfahren weist dabei die folgenden Schritte auf:
- Vermengen eines pulverförmigen oder granulatförmigen Basiswerkstoffs mit einem Bindemittel sowie mit Fasern zur Erzeugung eines Werkstoffgemischs, wobei die Fasern einen geringeren Schmelzpunkt und/oder eine geringere chemische Beständigkeit als der Basiswerkstoff aufweisen,
- Formen eines Formkörpers aus dem Werkstoffgemisch,
- Entbindern des Bindemittels aus dem Formkörper,
- Entfernen zumindest eines Teils der Fasern aus dem Formkörper und
- Sintern des Formkörpers.
Erfindungsgemäß wird ein pulverförmiger oder granulatförmiger Basiswerkstoff mit einem Bindemittel sowie mit Fasern vermengt. Auf diese Weise wird ein
Werkstoffgemisch aus Fasern, Basiswerkstoff und Bindemittel erzeugt, das auch als„Feedstock" bezeichnet wird. Das Vermengen erfolgt bspw. in einem hierfür ausgebildeten Mischbehälter. Durch das beschriebene Verfahren ist eine kostengünstige Herstellung des Stromsammlers erzielbar, wobei insbesondere die Porosität des Schaumes nahezu beliebig über den Fertigungsprozess steuerbar ist. Somit werden die genannten Nachteile aus dem Stand der Technik zumindest teilweise oder auch vollständig überwunden.
Erfindungsgemäß wird unter einem pulverförmigen bzw. granulatförmigen Basiswerkstoff ein Basiswerkstoff verstanden, der rieselfähig ist. Ein derartiger
Basiswerkstoff weist bspw. eine Vielzahl von Basiswerkstoffpartikeln auf. Der Basiswerkstoff weist bspw. hochlegierten Stahl, wie z. B. der austenitische, nichtrostende Stahl 316L oder 17-4 PH, und/oder Nickel und/oder Titan auf. Der Basiswerkstoff kann auch Kupfer und/oder Aluminium und/oder niedriglegierten Stahl aufweisen. Bei letzteren Basiswerkstoffen ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass nach dem Sintern ein Beschichten des Formkörpers erfolgt, um den Basiswerkstoff zu passivieren. Das Beschichten kann bspw. flüssig, elektrolytisch oder gasförmig ausgeführt werden. Hierfür sind bspw.
Elektrotauchlackieren, Galvanisieren, Phosphatbeschichten, Oxidieren oder dergleichen bevorzugt. Der Basiswerkstoff kann aus einem Material bestehen oder ein Gemisch aus mehreren Materialien aufweisen, wobei eine Sinterbarkeit des Basiswerkstoffs zu berücksichtigen ist. Es kann bspw. erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Basis Werkstoff mehrere unterschiedliche
verschiedene Metalle aufweist.
Ein Basiswerkstoff ohne Bindemittel weist eine relativ geringe Formbarkeit sowie Formstabilität auf, da geformte Geometrien aufgrund der Rieselfähigkeit des Basiswerkstoffs leicht zerstörbar sind. Es ist daher die Aufgabe des Bindemittels, eine Formbarkeit bzw. Formstabilität des Basis Werkstoffs zu verbessern. Mittels des Bindemittels sind benachbarte Basiswerkstoffpartikel aneinanderbindbar, wobei eine Formbarkeit des Basiswerkstoffs erhalten bleibt. Das Bindemittel weist vorzugsweise eine relativ hohe Viskosität auf, sodass eine gute
Formbarkeit sowie hohe Formstabilität auch komplexer Geometrien gewährleistet ist. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Viskosität des
Bindemittels mit steigender Temperatur abnimmt. Bei Geometrien, die keine plastische Formgebung erfordern, kann das Pulver mit einem sehr geringen Anteil an Bindemittel in Form gepresst und anschließend gesintert werden.
Die Fasern weisen einen geringeren Schmelzpunkt und/oder eine geringere chemische Beständigkeit und/oder eine niedrigere Zersetzungstemperatur als der Basiswerkstoff auf. Ein geringerer Schmelzpunkt hat den Vorteil, dass die Fasern durch Erwärmen auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Fasern sowie unterhalb des Schmelzpunktes des Basis Werkstoffs aus dem Basiswerkstoff herauslösbar sind, wodurch entsprechende Hohlräume verbleiben. Eine geringere chemische Beständigkeit hat den Vorteil, dass die
Fasern mittels eines geeigneten Lösungsmittel, das z. B. zum Auflösen der Fasern ausgebildet ist und den Basiswerkstoff nicht oder nur geringfügig angreift vom Basiswerkstoff herauslösbar sind. Eine niedrigere Zersetzungstemperatur hat den Vorteil, dass sich die Faser während des Aufheizens im Sinterofen zersetzen und ausgasen. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Fasern zu einem Gemisch aus Basiswerkstoff und dem Bindemittel beigemengt werden. Alternativ können die Fasern auch vor dem Bindemittel mit dem Basiswerkstoff vermischt werden. In einer weiteren Alternative des Verfahrens können die Fasern zunächst mit dem Bindemittel und anschließend mit dem Basiswerkstoff vermischt werden.
Aus dem Werkstoffgemisch wird anschließend ein Formkörper geformt. Der Formkörper weist dabei bspw. eine Form bzw. im Wesentlichen eine Form des herzustellenden Stromsammlers auf. Das Formen des Formkörpers erfolgt dabei vorzugsweise derart, dass die Fasern parallel zueinander bzw. im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet werden. Durch die parallele Ausrichtung der Fasern weist der Formkörper eine Anisotropie, also eine richtungsabhängige Gefügeausbildung, auf. Die Fasern haben die Aufgabe Bereiche zu schaffen, die frei von Basiswerkstoff und Bindemittel sind und somit Hohlräume bilden. Dies hat den Vorteil, dass nach einem Entfernen der Fasern parallel zueinander ausgerichtete Kanäle im Formkörper verbleiben, die z. B. zur Wasserabfuhr oder Sauerstoffdurchleitung ausgebildet sind. Durch das Bindemittel wird die
Formstabilität des Formkörpers gewährleistet.
Anschließend erfolgt erfindungsgemäß ein Entbindern des Bindemittels aus dem Formkörper. Auf diese Weise wird aus dem Formkörper ein Braunling erzeugt. Das Entbindern erfolgt dabei in Abhängigkeit des ausgewählten Bindemittels und des ausgewählten Basiswerkstoffs. Weiter bevorzugt wird beim Entbindern der Faserwerkstoff berücksichtigt, sodass die Fasern beim Entbindern nicht beschädigt werden. Dies hat den Vorteil, dass ein Absetzen von Rückständen des Bindemittels in den von den Fasern ausgebildeten Kanälen verhindert bzw. zumindest reduziert wird. Beim Entbindern wird das Bindemittel bzw. ein überwiegender Teil des Bindemittels aus dem Formkörper entfernt.
Vorzugsweise verbleibt ein geringer Anteil des Bindemittels zwischen
benachbarten Basiswerkstoffpartikeln, um somit eine Mindestformstabilität des Formkörpers zu gewährleisten.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird zumindest ein Teil der Fasern aus dem Formkörper bzw. Braunling entfernt. Vorzugsweise wird ein Großteil der Fasern entfernt. Das Entfernen der Fasern kann bspw. mittels eines Lösemittels oder durch Aufschmelzen der Fasern aufgrund von Erwärmung oder durch Ausgasen erfolgen. Es kann vorgesehen sein, dass das Entbindern und Entfernen der Fasern gleichzeitig durch dieselbe Maßnahme erfolgt. Alternativ kann
vorgesehen sein, dass das Entfernen der Fasern durch Ausbrennen,
insbesondere beim Sintern des Braunlings, erfolgt. Die entfernten Fasern hinterlassen jeweils eine Kavität, die einer Form der entfernten Faser entspricht bzw. im Wesentlichen entspricht.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird der Braunling gesintert. Beim Sintern kommen im Basiswerkstoff Diffusionsvorgänge in Gang, so dass benachbarte Basiswerkstoffpartikel miteinander eine stoffschlüssige Verbindung eingehen. Durch Abkühlung, z. B. auf Raumtemperatur, erstarrt der Basiswerkstoff unter Ausbildung eines festen porösen Gefüges. Das Sintern erfolgt somit nicht bis zu einer maximal erzielbaren Enddichte, sondern unter Beibehaltung einer Porosität des Formkörpers. Vorzugsweise beträgt ein Volumenanteil der Porosität mindestens 5% des Gesamtvolumens des Basiswerkstoffanteils des
Formkörpers. Ggf. erfolgt nach dem Sintern eine Nachbehandlung, insbesondere eine mechanische Nachbehandlung, des gesinterten Braunlings. Bei der Nachbehandlung kann der Stromsammler bspw. von einem
Stromsammlerverbund abgetrennt werden. Zusätzlich kann der Stromsammler entgratet und/oder veredelt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Stromsammlers sind Stromsammler mit einfachen Mitteln sowie auf kostengünstige Art und Weise herstellbar. Durch die Verwendung von Fasern bei der Herstellung des Stromsammlers weisen diese innere parallel bzw. im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete Kavitäten bzw. Kanäle auf, die zum Durchleiten eines Fluids, insbesondere von Wasser und/oder Sauerstoff und/oder Wasserstoff oder dergleichen, ausgebildet sind. Durch eine geeignete Wahl des Basiswerkstoffs weist der Stromsammler eine hohe elektrische sowie thermische Leitfähigkeit und eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird das Formen mittels Sinterpressens und/oder Spritzgießens und/oder eines Rakels und/oder eines 3D-Druckverfahrens durchgeführt. Das Rakeln kann erfindungsgemäß bevorzugt derart erfolgen, dass das Basiswerkstoffpulver in einer Mischung unter Hinzufügung eines Bindemittels in mehreren Schichten mittels des Rakels in eine Pressform geräkelt wird, wobei die Pressform nach jedem Rakelschritt, also nach der Erzeugung einer Rakelschicht, um eine Rakelschichtdicke der Rakelschicht abgesenkt wird. Auf diese Weise wird die horizontale Ausrichtung der Fasern gewährleistet. Nach Füllung der Pressform wird das Bauteil gepresst und anschließend gesintert. Beim Spritzgießen, Rakeln und 3D-Drucken sind die Fasern auf einfache Art und Weise derart anordenbar, dass diese parallel bzw. im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind. Somit sind mit einfachen
Mitteln Kanäle im Stromsammler erzeugbar, die zum Durchleiten eines Fluids in eine Richtung besonders geeignet sind.
Es ist bevorzugt, dass als Fasern Fasern beigemengt werden, die einen
Faserwerkstoff aufweisen, und ein Bindemittel beigemengt wird, das mindestens zwei Komponenten aufweist, wobei zumindest eine der zwei Komponenten des Bindemittels einen Bindemittelwerkstoff aufweist. Der Faserwerkstoff weist einen Schmelzpunkt auf, der einem Schmelzpunkt des Bindemittelwerkstoffs entspricht oder zumindest im Wesentlichen entspricht. Alternativ oder zusätzlich weist der Faserwerkstoff die gleiche Polarität wie der Bindemittelwerkstoff auf. Weiter bevorzugt entspricht der Faserwerkstoff dem Bindemittelwerkstoff. Der gleiche bzw. ein im Wesentlichen gleicher Schmelzpunkt von Faserwerkstoff und Bindemittelwerkstoff hat den Vorteil, dass ein Entbindern des Bindemittels und Entfernen der Fasern mittels Erwärmen verbessert ist und ggf. gleichzeitig bzw. im Wesentlichen gleichzeitig erfolgen kann. Eine gleiche Polarität von
Faserwerkstoff und Bindemittelwerkstoff hat den Vorteil, dass ein Entbindern des Bindemittels und Entfernen der Fasern mittels eines Lösungsmittels verbessert ist, sofern das Lösungsmittel dieselbe Polarität wie der Faserwerkstoff und der Bindemittelwerkstoff aufweist. Es sind somit nicht mehrere verschiedene
Lösungsmittel erforderlich. Hierdurch können die Herstellungskosten des Stromsammlers weiter reduziert werden.
Vorzugsweise werden als Fasern Fasern mit einer Faserlänge zwischen 5 mm und 100 mm verwendet. Insbesondere bevorzugt weisen die Fasern eine Faserlänge zwischen 10 mm und 20 mm auf. Derartige Fasern sind kostengünstig bereitstellbar und zur parallelen Ausrichtung sowie zur Ausbildung von Kanälen zur Durchleitung von Fluiden gut geeignet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird als Bindemittel ein mindestens zwei Komponenten aufweisendes Bindemittel vermengt, wobei als erste Komponente des Bindemittels ein Polymer und als zweite Komponente des Bindemittels ein Wachs verwendet wird. Derartige Bindemittel sind für die Formbarkeit sowie Formstabilität des Werkstoffgemisches besonders geeignet und lassen sich leicht mit bekannten Verfahren, wie z. B. durch Erwärmung oder die Beigabe eines Lösungsmittels, entbindern.
Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass das Entbindern des Bindemittels und/oder der Fasern bei einer Temperatur von zwischen 500°C und 700°C erfolgt. Weiter bevorzugt erfolgt das Entbindern des Bindemittels und/oder der Fasern bei einer Temperatur von etwa 600°C. Bei diesen Temperaturen ist ein bevorzugtes Bindemittel in einem flüssigen Zustand mit besonders niedriger Viskosität und somit leicht aus dem Formkörper entbinderbar. Das Risiko eines Anschmelzens sowie Aufschmelzens des Basiswerkstoffs besteht bei diesen Temperaturen nicht.
Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das Entbindern des
Bindemittels und/oder der Fasern mittels eines Lösemittels durchgeführt wird. Ein Lösemittel hat den Vorteil, dass keine thermische Einwirkung auf den Formkörper erforderlich ist. Ferner ist ein Abführen des gelösten Bindemittels bzw. der gelösten Fasern durch das Lösungsmittel besonders zuverlässig erzielbar.
Vorzugsweise wird der Formkörper bandförmig geformt und weist somit eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten sowie miteinander verbundenen Stromsammlerformkörper auf. Zur Herstellung einer vordefinierten Form des Stromsammlers wird ein Teil vom bandförmigen Formkörper abgetrennt. Das Abtrennen erfolgt vorzugsweise vor dem Sintern, da für das Abtrennen in diesem Zustand wesentlich weniger Energie als nach dem Sintern erforderlich ist. Ein Abtrennen nach dem Sintern hat hingegen den Vorteil, dass die Gefahr des Beschädigens des Formkörpers beim gesinterten Bauteil aufgrund dessen festen Gefügezusammenhalts wesentlich reduziert ist. Ein bandförmiges Formen ist auf eine einfache Art und Weise durchführbar und ermöglicht eine vorteilhafte Ausnutzung eines Arbeitsraums. Ferner ist das bandförmige Formen für eine kostengünstige kontinuierliche Fließfertigung besonders geeignet.
Es ist bevorzugt, dass das Sintern bei einer Temperatur von zwischen 1100°C und 1500°C, insbesondere zwischen 1250°C und 1350°C, erfolgt. Eine besonders bevorzugte Sintertemperatur beträgt 1300°C. Bei derartigen
Temperaturen sind Stromsammler aus bevorzugten Basiswerkstoffen mit einer Porosität von über 5% gut herstellbar.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle weist mindestens eine Anode, mindestens eine Kathode, mindestens einen zwischen Anode und Kathode angeordneten Elektrolyten sowie mindestens einen Stromsammler auf. Der mindestens eine Stromsammler ist mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt. Die Brennstoffzelle weist dieselben Vorteile auf, wie voranstehend bezüglich des Verfahrens zur Herstellung eines Stromsammlers für eine Brennstoffzelle beschrieben worden sind. Demzufolge ist die Brennstoffzelle mit einfachen Mitteln sowie auf kostengünstige Art und Weise herstellbar. Durch die Verwendung von Fasern bei der Herstellung des Stromsammlers weisen diese innere parallel bzw. im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete Kavitäten bzw. Kanäle auf, die zum Durchleiten eines Fluids, insbesondere von Wasser und/oder Sauerstoff und/oder Wasserstoff oder dergleichen, ausgebildet sind. Durch eine geeignete Wahl des Basiswerkstoffs weist der Stromsammler eine hohe elektrische sowie thermische Leitfähigkeit vor allem senkrecht zur durch die Mikrokanäle vorgegebenen bevorzugten
Strömungsrichtung, und eine hohe Korrosionsbeständigkeit, auf.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. In den Figuren zeigt jeweils schematisch:
Figur 1 in einer Seitenansicht das Vermengen gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren,
Figur 2 in einer Draufsicht einen Formkörper nach dem Formen, Figur 3 in einer Draufsicht den Formkörper nach dem Entbindern und Entfernen der Fasern und
Figur 4 in einer Draufsicht einen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Stromsammler.
Fig. 1 zeigt schematisch das Vermengen eines Basis Werkstoffs 2 mit einem Bindemittel 3 und Fasern 4 in einem Mischbehälter 7 in einer Seitenansicht. In dem Mischbehälter 7 wird somit ein Werkstoffgemisch 5 erzeugt, in dem die Fasern 4 ungeordnet angeordnet sowie von Basiswerkstoff 2 und Bindemittel 3 umgeben sind.
Fig. 2 zeigt schematisch einen Formkörper 6, der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aus dem Werkstoffgemisch 5, z. B. mittels eines Rakels, geformt ist. Durch die Art und Weise des Formens, sind die Fasern 4 parallel zueinander ausgerichtet, sodass der Formkörper 6 eine Anisotropie aufweist. Der
Basiswerkstoff 2 und die Fasern 4 sind durch das Bindemittel 3 derart formstabil aneinander gebunden, dass ein eigenständiges Kollabieren des Formkörpers 6 vermieden wird. In dieser Darstellung weisen die Fasern 4 jeweils eine
Faserlänge auf, die geringer als eine Formkörperlänge des Formkörpers 6 ist. Alternativ kann die Faserlänge der Formkörperlänge entsprechen bzw. im Wesentlichen entsprechen.
In Fig. 3 ist der Formkörper 6 aus Fig. 2 nach dem Entbindern, also dem
Entfernen des überschüssigen Bindemittels 3, und dem Entfernen der Fasern 4 in einer Draufsicht schematisch dargestellt. An den Stellen, an denen zuvor die Fasern 4 angeordnet waren (vgl. Fig. 2) sind nunmehr parallel zueinander verlaufende Hohlräume in Form von Kanälen 8 angeordnet, die zur Durchleitung von Fluiden, wie z. B. Wasser, Sauerstoff oder dergleichen, ausgebildet sind. In dieser Darstellung weisen die Kanäle 8 jeweils eine Kanallänge auf, die geringer als die Formkörperlänge ist. Alternativ kann die Kanallänge der Formkörperlänge entsprechen bzw. im Wesentlichen entsprechen.
Fig. 4 zeigt schematisch in einer Draufsicht einen Stromsammler 1, der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist. Der Basiswerkstoff 2 ist durch den Sintervorgang zu einem Metallschaum 2a gesintert. Der Metallschaum 2a weist somit eine wesentlich höhere Formstabilität als der Formkörper 6 auf.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Stromsammlers (1) für eine
Brennstoffzelle, aufweisend die Schritte:
Vermengen eines pulverförmigen oder granulatförmigen Basiswerkstoffs (2) mit einem Bindemittel (3) sowie mit Fasern (4) zur Erzeugung eines Werkstoff gern ischs (5), wobei die Fasern (4) einen geringeren Schmelzpunkt und/oder eine geringere chemische Beständigkeit als der Basiswerkstoff (2) aufweisen,
Formen eines Formkörpers (6) aus dem Werkstoffgemisch (5), Entbindern des Bindemittels (3) aus dem Formkörper (6), Entfernen zumindest eines Teils der Fasern (4) aus dem Formkörper (6) und
Sintern des Formkörpers (6).
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Formen mittels Sinterpressens und/oder Spritzgießens und/oder eines Rakels und/oder eines 3D-Druckverfahrens durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Fasern (4) Fasern (4) beigemengt werden, die einen Faserwerkstoff aufweisen und ein Bindemittel (3) beigemengt wird, das mindestens zwei Komponenten aufweist, wobei zumindest eine der zwei Komponenten des Bindemittels (3) einen Bindemittelwerkstoff aufweist, wobei der
Faserwerkstoff einen Schmelzpunkt aufweist, der einem Schmelzpunkt des Bindemittelwerkstoffs entspricht oder im Wesentlichen entspricht, und/oder wobei der Faserwerkstoff die gleiche Polarität wie der Bindemittelwerkstoff aufweist. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Fasern (4) Fasern (4) mit einer Faserlänge zwischen 5 mm und 100 mm verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Bindemittel (3) ein mindestens zwei Komponenten aufweisendes Bindemittel (3) vermengt wird, wobei als erste Komponente des
Bindemittels (3) ein Polymer und als zweite Komponente des Bindemittels (3) ein Wachs verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Entbindern des Bindemittels (3) und/oder der Fasern (4) bei einer Temperatur von zwischen 500°C und 700°C erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Entbindern des Bindemittels (3) und/oder der Fasern (4) mittels eines Lösemittels durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Formkörper (6) bandförmig geformt und zur Herstellung einer vordefinierten Form des Stromsammlers (1) ein Teil vom bandförmigen Formkörper (6) abgetrennt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Sintern bei einer Temperatur von zwischen 1100°C und 1500°C, insbesondere zwischen 1250°C und 1350°C, erfolgt. Brennstoffzelle mit mindestens einer Anode, mindestens einer Kathod mindestens einem zwischen Anode und Kathode angeordneten Elektrolyten sowie mindestens einem Stromsammler,
dadurch gekennzeichnet, dass
der mindestens eine Stromsammler (1) gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt ist.
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