WO2019072560A1

WO2019072560A1 - Gasverteilerplatte für eine brennstoffzelle

Info

Publication number: WO2019072560A1
Application number: PCT/EP2018/076089
Authority: WO
Inventors: Franz Wetzl; Philipp Scheiner; Elmar Kroner
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2017-10-09
Filing date: 2018-09-26
Publication date: 2019-04-18
Also published as: DE102017217901A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasverteilerplatte (2) für eine Brennstoffzelle, umfassend eine erste Außenschicht (6) und eine zweite unmittelbar an der Außenschicht (6) angeordnete und elektrisch leitend mit der Außenschicht (6) verbundene Innenschicht (4), wobei die Innenschicht (4, 10) eine Gasverteilerstruktur (4a) zur Gasverteilung aufweist und die Gasverteilerstruktur aus einer einen Metallwerkstoff aufweisenden dreidimensionalen Textilie gebildet ist.

Description

Beschreibung

Titel

Gasverteilerplatte für eine Brennstoffzelle Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Gasverteilerplatte nach Gattung des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs, einem Verfahren zur Herstellung der Gasverteilerplatte nach Gattung des nebengeordneten Verfahrensanspruchs sowie einer Brennstoffzelle nach Gattung des nebengeordneten

Vorrichtungsanspruchs.

Stand der Technik

Gasverteilerplatten mit einer Struktur zur Gasverteilung und Strömungsführung für Elektrolyseure und Brennstoffzellen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Hierbei ist in einer Brennstoffzelle oder einem Elektrolyseur in der Regel sowohl auf der Seite der Anode, als auch auf der Seite der Kathode eine

Gasverteilerplatte angeordnet. Beide Platten sind durch eine Membran voneinander getrennt und elektrisch leitend mit der Membran verbunden. Neben der Aufgabe, eine verbesserte Gasverteilung zu gewährleisten, besitzt eine Gasverteilerstruktur die Aufgabe, eine große Oberfläche zu erzeugen, welche nicht nur aus thermischen Gründen zur Kühlung, sondern auch aus chemischen Gründen zur Vergrößerung der aktiven Oberfläche der Platte vorteilhaft ist. Aus dem Stand der Technik sind in dieser Hinsicht Gasverteilerplatten mit aus metallischen Schäumen gebildeten Strukturen bekannt, bei denen die benannten Anforderungen insbesondere durch die feinporige Oberfläche der Schäume erfüllt werden. Allerdings ist sowohl die Herstellung der Schäume teuer, als auch der notwendige Fügeprozess des Schaums an eine Kontaktplatte oder dergleichen aufwendig. Zudem ist es nicht einfach, die schaumartigen Strukturen nach außen hin abzudichten. Schließlich ist aufgrund der weitgehend isotropen Porenverteilung des Schaums eine Vorzugsrichtung des Luftstroms und damit eine Strömungsführung nur in sehr beschränktem Maße erzielbar.

Offenbarung der Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist eine Gasverteilerplatte mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs, ein Verfahren zur Herstellung der Gasverteilerplatte mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs sowie eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des nebengeordneten

Vorrichtungsanspruchs. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den

Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Gasverteilerplatte beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Gasverteilerplatte sowie der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen

Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Die erfindungsgemäße Gasverteilerplatte gemäß dem Hauptanspruch dient neben einer Verbesserung der Gasverteilung und Strömungsführung in

Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren insbesondere der Bereitstellung einer großen Oberfläche. Eine große Oberfläche ist hierbei sowohl im Hinblick auf eine effiziente Wärmeabführung, als auch hinsichtlich eines effizienten

Stoffaustauschs besonders vorteilhaft. Hierbei ist der Vorteil der vorliegenden Gasverteilerplatte insbesondere darin zu sehen, dass gegenüber bekannten Gasverteilerplatten neben der Erfüllung der vorbenannten Anforderungen auch eine Vorzugsrichtung eines Gasstroms erzwungen werden kann und somit eine gezielte Strömungsführung ermöglicht wird. Des Weiteren wird mit der erfindungsgemäßen Gasverteilerplatte eine einfach und kostengünstig herstellbare Gasverteilerplatte vorgeschlagen.

Bei der Gasverteilerplatte handelt es sich vorzugsweise um eine

Brennstoffzellen-Gasverteilerplatte oder Elektrolyseur-Gasverteilerplatte, insbesondere um eine PEM-Brennstoffzellen-Gasverteilerplatte oder eine PEM- Elektrolyseur-Gasverteilerplatte. Erfindungsgemäß ist die Gasverteilerplatte zumindest zweiteilig gebildet und weist eine erste als Außenschicht und eine zweite als Innenschicht gebildete Schicht auf. Hierbei ist gegenständlich vorgesehen, dass die Innenschicht unmittelbar an der Außenschicht angeordnet und elektrisch leitend mit dieser verbunden ist. Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, dass die Innenschicht eine Gasverteilerstruktur zur Gasverteilung aufweist, wobei die Gasverteilerstruktur aus einer einen Metallwerkstoff aufweisenden dreidimensionalen Textilie gebildet ist. Die Gasverteilerstruktur kann hierbei nur einen Teil der Innenschicht, vorzugsweise einen zentral angeordneten Teil der Innenschicht umfassen oder über die gesamte Fläche der

Innenschicht verteilt sein.

Eine die Innenfläche nur tlw. umfassende Gasverteilerstruktur kann insbesondere für eine vereinfachte Verbindung der Schichten miteinander sinnvoll sein, die dann vorteilhafterweise über die von der Gasverteilerstruktur frei bleibenden

Bereiche der Innenschicht erfolgt. Hierbei können die Verbindungsbereiche als Klebeflächen, Lötflächen oder Schweißflächen genutzt werden. Alternativ oder kumulativ können in den Verbindungsbereichen auch Verbindungselemente vorgesehen sein.

Neben einer zweiteiligen Ausführung kann die erfindungsgemäße

Gasverteilerplatte auch aus mehr als zwei Teilen gebildet sein, insbesondere dreiteilig ausgeführt sein. Eine zweiteilige Ausgestaltung kann hierbei insbesondere schneller und einfacher gefertigt sein, wohingegen eine aus mehr als zwei Teilen gebildete Gasverteilerplatte dagegen eine flexiblere Fertigung ermöglicht. Als Textilie wird im Rahmen der Erfindung eine aus einzelnen Fasern zusammengesetzte gewebeartige Struktur verstanden. Die erfindungsgemäße Gasverteilerstruktur kann hierbei sowohl homogen gebildet sein und

ausschließlich aus Fasern desselben Materials zusammengesetzt sein, als auch inhomogen gebildet sein und dann entsprechend aus Fasern unterschiedlicher

Materialien zusammengesetzt sein. Hierbei kann eine inhomogen

zusammengesetzte Gasverteilerstruktur nicht nur zwei, sondern auch mehr als zwei verschiedene Materialien umfassen. Die Textilien können gegenständlich in vielfältiger Weise gebildet sein, bspw. in Form von Geweben, Gewirken,

Gestricken, Gesticken, Geflechten, Nähgewirken, Vliesstoffen oder Filzen und dergleichen. Diese Strukturen können ferner aus einzelnen Fasern und/oder Garnen und/oder Zwirnen und/oder Seilen und/oder Drähten und dergleichen zusammengesetzt sein. Eine erfindungsgemäße aus einer dreidimensionalen Textilie gebildete Gasverteilerstruktur zeichnet sich hierbei nicht nur durch eine einfache und kostengünstige Herstellung aus, sondern garantiert auch eine effiziente und steuerbare Gasverteilung und Strömungsführung von Gasen und Fluiden entlang der Struktur.

Die Innenschicht der erfindungsgemäßen Gasverteilerplatte kann gegenständlich formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig, bevorzugt eine Kombination aus von zwei, besonders bevorzugt eine Kombination von drei Verbindungsarten mit der Außenschicht verbunden sein. Hierbei kann die Verbindung lösbar oder auch unlösbar gebildet sein. Im Rahmen einer formschlüssigen Verbindung können die Innen- und die Außenschicht der Gasverteilerplatte bspw. über eine Nut- Feder- Verbindung, eine

Schwalbenschwanzverbindung oder eine Zahnkupplung miteinander verbunden sein. Eine kraftschlüssige Verbindung kann hingegen gekeilt oder geklemmt, insbesondere geschraubt gebildet sein. Bei einer stoffschlüssigen Verbindung können die Innen- und die Außenschicht der Gasverteilerplatte ferner über eine Klebeverbindung, vorzugsweise über eine Schweißverbindung, insbesondere über eine Lötverbindung miteinander verbunden sein. Im Rahmen einer

Schweißverbindung können die beiden Schichten hierbei insbesondere gasgeschweißt, lichtbogengeschweißt, widerstandsgeschweißt oder

reibgeschweißt werden. Im Rahmen einer Lötverbindung können die beiden Schichten hochtemperaturgelötet, vorzugsweise hartgelötet, insbesondere weichgelötet sein.

Vorteilhafterweise kann im Rahmen einer zumindest dreiteilig gebildeten Gasverteilerplatte vorgesehen sein, dass die Innenschicht zweiteilig gebildet ist, wobei ein erster Teil vorzugsweise als Kontaktplatte gebildet und stoffschlüssig und elektrisch leitend mit der als zweitem Teil gebildeten Gasverteilerstruktur verbunden ist. Eine derart gebildete Innenschicht ist insbesondere vorteilhaft, da auf diese Weise nur die Innenschicht einfach in bereits bestehende Systeme integriert werden kann und somit eine einfache und kostengünstige Nachrüstung von Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren mit der Innschicht ermöglicht wird. Die Verbindung zur Brennstoffzelle bzw. zur Elektrolyseure wird in diesem Fall vorteilhafterweise über den vorzugsweise als Kontaktplatte gebildeten ersten Teil der Innenschicht hergestellt. Neben einer einfachen Integration der Innenschicht ermöglicht eine zumindest dreiteilig gebildete Gasverteilerplatte bzw. eine zumindest zweiteilig gebildete Innenschicht eine flexible Anpassung der einzelnen Schichten an die Struktur bzw. an das Material. So kann eine mehrteilig gebildete Gasverteilerplatte je nach den gewünschten Eigenschaften zumindest tlw. aus verschiedenen Materialien zusammengesetzt sein. Hierbei ist es insbesondere denkbar, dass eine mehrteilig gebildete Gasverteilerplatte aus verschiedenen Metallwerkstoffen und/oder beschichteten Nicht- Metallwerkstoffen zusammengesetzt ist.

An die Materialien von Gasverteilerplatten von Brennstoffzellen bzw.

Elektrolyseuren werden spezielle technische Anforderungen gestellt. So müssen die Platten nicht nur eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit besitzen, sondern auch robust gegenüber chemischen Einflüssen in der Zelle sein sowie auch den hohen mechanischen Anpressdrücken in der Zelle standhalten können. Zudem ist es insbesondere für den Einsatz in Hochtemperatur- Brennstoffzellen und Hochtemperatur- Elektrolyseuren notwendig, dass die Plattenmaterialien hohen Temperaturen von tlw. weit über 200°C standhalten müssen. Aus diesen Gründen wird vorgeschlagen, dass die erfindungsgemäße Gasverteilerplatte zumindest tlw. aus einem Metallwerkstoff, vorzugsweise zumindest tlw. aus einem Eisen Werkstoff, besonders bevorzugt zumindest tlw. aus einem

Titanwerkstoff gebildet ist. Alternativ oder kumulativ kann die erfindungsgemäße Gasverteilerplatte zumindest tlw. aus Stahl und/oder einem Aluminiumwerkstoff und/oder einem Kupferwerkstoff und/oder einem Nichtmetallwerkstoff, insbesondere einem Kunststoff und/oder einer Keramik gebildet sein. Um bei einer Ausführung mit einer aus einem Nicht- Metallwerkstoff gebildeten

Gasverteilerplatte die notwendige elektrische Leitfähigkeit zu gewährleisten, kann ein Nicht- Metallwerkstoff mit einer entsprechenden elektrisch leitfähigen

Beschichtung versehen sein.

Bezüglich der Materialauswahl der Gasverteilerstruktur kann ferner vorgesehen sein, dass die als dreidimensionale Textilie gebildete Struktur zumindest tlw., vorzugsweise vollständig aus einem Kupferwerkstoff und/oder aus einem Eisen Werkstoff und/oder aus einem Nickelwerkstoff und/oder aus einem

Silberwerkstoff und/oder aus einem Goldwerkstoff gebildet ist. Eine aus einem oder mehreren dieser Materialien gebildete Gasverteilerstruktur verspricht neben einer hohen thermischen Leitfähigkeit insbesondere eine hohe elektrische Leitfähigkeit, die für einen effizienten Betrieb einer Brennstoffzelle bzw. einer Elektrolyseure erforderlich ist. Es versteht sich, dass bei einer zweiteilig gebildeten Innenschicht entsprechend sowohl der erste, als auch der zweite Teil der Innenschicht zumindest tlw. aus einem der genannten Materialien gebildet sein kann. Vorzugsweise ist es hierbei im Rahmen einer flexiblen

Materialauswahl möglich, gezielt unterschiedliche Werkstoffe miteinander zu kombinieren, wodurch eine besonders flexible Anpassung der Innenschicht der Gasverteilerplatte an die jeweiligen gewünschten Eigenschaften vorgenommen werden kann. Bspw. kann ein erster als Kontaktteil gebildeter Teil der

Innenschicht der Gasverteilerplatte zumindest tlw. aus einem Kupferwerkstoff gebildet sein, während ein zweiter die Gasverteilerstruktur bildender Teil der Gasverteilerplatte zumindest tlw. aus einem Aluminiumwerkstoff gebildet sein kann. So kann insbesondere der vorzugsweise ein größeres Volumen

einnehmende, die Gasverteilerstruktur bildende zweite Teil in Leichtbauweise ausgeführt sein, wobei trotzdem eine hohe elektrische Leitfähigkeit beider Teile gewährleistet ist. Um Kontaktkorrosionen vorzubeugen, die an den Grenzflächen von aus unterschiedlichen Metall Werkstoffen gebildeten Flächen begünstigt sind, kann ein Teil der Innenschicht darüber hinaus mit einer entsprechenden

Beschichtung versehen sein. Alternativ zu einem entsprechend beschichteten Teil aus einem Aluminiumwerkstoff kann der die Gasverteilerstruktur bildende Teil zumindest tlw. auch aus einem Nicht- Metallwerkstoff gebildet sein, der zur elektrischen Leitfähigkeit mit einem geeigneten Metallwerkstoff beschichtet sein kann. Hinsichtlich der Struktur der Gasverteilerstruktur ist gegenständlich ferner vorgesehen, dass die als dreidimensionale Textilie gebildete Gasverteilerstruktur zumindest tlw. gewebt und/oder gestickt und/oder gewirkt und/oder gestrickt und/oder geflochten und/oder geklöppelt und/oder gehäkelt oder durch ein anderes dem Fachmann als geeignet erscheinendes textiles Verfahren hergestellt sein kann. Eine derart gebildete Struktur ermöglicht eine effektive, insbesondere gezielte Gasverteilung und Strömungsführung entlang der Struktur. Um eine besonders variable Anpassung an die gewünschten Eigenschaften der Gasverteilerstruktur zur gewährleisten, kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass die als dreidimensionale Textilie gebildete Gasverteilerstruktur zumindest tlw. aus einem Nichtmetallwerkstoff, vorzugsweise aus einem

Kunststoff und/oder aus Glas und/oder aus einer Keramik und/oder aus einer

Kohlenstoffverbindung gebildet ist. Eine derartige Anpassung der

Gasverteilerstruktur betreffend die Materialauswahl eröffnet einen größeren Spielraum betreffend die gewünschten Eigenschaften, nicht nur im Hinblick auf die Gasverteilung und Strömungsführung, sondern bspw. auch hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit, der thermischen Leitfähigkeit, des Gewichts, der

Umweltverträglichkeit und dergleichen.

Im Rahmen einer besonders flexiblen Anpassungsfähigkeit der

Gasverteilerstruktur an gewünschte Eigenschaften kann erfindungsgemäß ebenfalls vorgesehen sein, dass die als dreidimensionale Textilie gebildete

Gasverteilerstruktur aus zumindest zwei, vorzugsweise aus mehr als zwei verschiedenen Materialien zusammengesetzt ist, wobei vorzugsweise das Material und die Form des verwendeten Materials je nach den gewünschten Eigenschaften der Gasverteilerstruktur miteinander kombiniert sein können. Bezüglich des Materials muss eine aus einem Nicht- Metallwerkstoff gebildete

Gasverteilerstruktur aus Gründen der elektrischen Leitfähigkeit zumindest tlw. einen Metallwerkstoff umfassen. Hierbei kann der Metall Werkstoff auf

verschiedene Arten an bzw. in die aus einem Nicht- Metallwerkstoff gebildete Gasverteilerstruktur eingeführt werden. So kann eine Einführung über eine Beschichtung des Nicht- Metallwerkstoffs erfolgen, oder bspw. in Form von Fäden oder Spänen und dergleichen in den Nicht- Metallwerkstoff eingeführt werden. Bei einer Beschichtung des Nicht- Metallwerkstoffs kann jener dabei entweder vor oder nach der Fertigung der Gasverteilerstruktur mit dem bzw. den

Metallwerkstoffen beschichtet werden, wobei sich eine Beschichtung vor

Anfertigung der Gasverteilerstruktur aus fertigungstechnischer Sicht anbietet. Bei einer Zuführung von Fäden oder Spänen und dergleichen ist es dagegen vorteilhaft, die Zuführung nach der Fertigung der Gasverteilerstruktur

vorzunehmen. Neben den genannten Materialien kann die gegenständliche Gasverteilerstruktur zumindest tlw. auch aus einem Kunststoff, vorzugsweise einem Polystyrol, einem Polyester, einem Polyethylen, einem Polyethylenterephtalat, einem Polyamid oder einem Polybuthylenterephtalat gebildet sein. Ferner kann die Struktur ebenso Glasfasern und/oder

Keramikfasern und/oder Kohlenstofffasern und dergleichen umfassen. Um eine besonders einfache und kostengünstige Fertigung der Gasverteilerplatte zu gewährleisten, wird ferner vorgeschlagen, dass die als dreidimensionale Textilie gebildete Gasverteilerstruktur zumindest tlw. aus einem Lotmaterial, vorzugsweise einem Hartlot, besonders bevorzugt einem Weichlot, insbesondere einem Diffusionslot gebildet ist, wobei das Lotmaterial vorzugsweise lokal oder vollumfänglich in die als dreidimensionale Textilie gebildete Gasverteilerstruktur eingearbeitet ist. Über eine Einarbeitung des Lotmaterials in die als

dreidimensionale Textilie gebildete Gasverteilerstruktur ist insbesondere eine besonders einfache Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung der

Gasverteilerstruktur möglich - entweder mit der Außenschicht der

Gasverteilerplatte oder mit dem als Kontaktplatte gebildeten ersten Teil der

Innenschicht. Im Rahmen der Verwendung eines aus Hartlot gebildeten

Lotmaterials kann das Lotmaterial hierbei zumindest tlw. hochsilberartig und/oder auf Neusilber- bzw. auf Messing- Basis und/oder auf Phosphor-Basis und/oder auf Aluminium-Basis und/oder auf Nickel-Basis und/oder auf Eisen-Basis gebildet sein. Im Rahmen der Verwendung eines als Weichlot gebildeten Lotmaterials kann das Lotmaterial derweil zumindest tlw. auf Zinn-Basis und/oder auf

Antimon-Basis und/oder bleihaltig und/oder bleifrei gebildet sein. Hierbei kann bei einer Verwendung eines Weichlotes insbesondere ein Reflow- Lötverfahren zum Einsatz kommen, bei dem die verwendete Lötpaste vorzugsweise auf eines, insbesondere auf beide zu verbindenden Teile aufgetragen wird. Im Rahmen der

Verwendung eines aus Diffusionslot gebildeten Lotmaterials kann das

Lotmaterial zudem insbesondere Legierungen umfassen, die eine

intermetallische Phase bilden und dadurch ihre Temperaturstabilität erhalten. Der Einsatz von Diffusionslot zeichnet sich hierbei insbesondere durch die niedrigen Temperaturen aus, die zum Fügen verwendet werden, wodurch ein besonders materialschonendes Fügen ermöglicht wird. Eine Einarbeitung des Lotmaterials kann hierbei vorzugsweise in Form von Drähten erfolgen, die lokal oder vollumfänglich in die Gasverteilerstruktur eingearbeitet sein können, sodass die als dreidimensionale Textilie gebildete Gasverteilerstruktur in einfacher Weise über eine thermischen Behandlung an die gewünschte Oberfläche gelötet werden kann. Alternativ zu einer lokalen Einarbeitung kann das Lotmaterial im Rahmen einer vollumfänglichen Einarbeitung so in das Textil eingearbeitet sein, dass durch die thermische Behandlung eine Abdichtung entsteht, die bspw. einen Austritt von Gasen aus der Textilebene hinaus verhindert. Zudem kann erfindungsgemäß auch der Einbau von Lot- Stegen vorgesehen sein.

Um eine besonders vorteilhafte Gasverteilung und Strömungsführung der erfindungsgemäßen Gasverteilerplatte zu gewährleisten, wird darüber hinaus vorgeschlagen, dass die als dreidimensionale Textilie gebildete

Gasverteilerstruktur anisotrop gebildet ist und vorzugsweise definierte Kanäle zur

Gasverteilung aufweist. Eine anisotrope Gasverteilung und Strömungsführung wird hierbei vorzugsweise über die Verwendung einer im Wesentlichen inhomogenen Gasverteilerstruktur erreicht, wobei die Struktur insbesondere im Hinblick auf die Größe der Gasverteilerkanäle inhomogen gebildet ist und dadurch eine Kontrolle über die Durchströmung erlaubt, sodass sich

erfindungsgemäß nicht nur die Strukturgröße, sondern auch eine

Richtungsabhängigkeit einstellen lässt. Eine anisotrope Strömungseigenschaft kann ferner insbesondere über das Aufbringen dichter Lotbrücken erreicht werden, die neben der textil eingearbeiteten Richtungsabhängigkeit zusätzliche Richtungsgeber für Gasströmungen darstellen können. Alternativ kann gegenständlich auch vorgesehen sein, dass die Gasverteilerstruktur isotrop gebildet ist, indem die Gasverteilerstruktur im Wesentlichen homogen

insbesondere im Hinblick auf die Größe und Verteilung der Gasverteilerkanäle homogen gebildet ist.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs. Hierbei ist gegenständlich vorgesehen, dass die Außenschicht und die beiden Teile der Innenschicht sequentiell miteinander verbunden werden, wobei vorzugsweise zuerst eine

Zusammensetzung der Innenschicht erfolgt, bevor die Innenschicht und die

Außenschicht miteinander verbunden werden. Eine derartige sequentielle Fertigung einer zumindest dreiteilig gebildeten Gasverteilerplatte ist

insbesondere dann von Vorteil, wenn die Verbindung der Schichten auf verschiedene Weisen bzw. mittels verschiedener Verfahren erfolgt. So kann die stoffschlüssige Verbindung zwischen einem als Kontaktplatte gebildeten ersten Teil und einem als Gasverteilerstruktur gebildeten zweiten Teil einer Innenschicht vorzugsweise über ein Lötverfahren, insbesondere ein Reflow- Lötverfahren erfolgen. Eine vorzugsweise stoffschlüssige Verbindung zwischen der derart gebildeten Innenschicht und einer Außenschicht kann anschließend bspw. über ein Schweißverfahren bzw. ein Klebeverfahren erfolgen. Alternativ kann auch eine formschlüssige oder kraftschlüssige Verbindung zwischen der Innen- und der Außenschicht vorgesehen sein, wobei zumindest auf einer der Schichten, vorzugsweise auf beiden Schichten entsprechende Verbindungsmittel angeordnet sein können.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist schließlich eine Brennstoffzelle umfassend zumindest eine erfindungsgemäße Gasverteilerplatte, vorzugsweise zumindest zwei erfindungsgemäße Gasverteilerplatten.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

Figurenbeschreibung

Es zeigen:

Fig. la eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer zweiteilig gebildeten Gasverteilerplatte in einer Schnittansicht,

Fig. lb eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer dreiteilig gebildeten Gasverteilerplatte in einer Schnittansicht,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer

erfindungsgemäßen Gasverteilerplatte gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Schnittansicht, Fig. 3 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Gasverteilerplatte gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer Schnittansicht,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen

Gasverteilerplatte gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen

Gasverteilerplatte gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht;

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen

Gasverteilerplatte gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht.

In den Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale identische Bezugszeichen verwendet.

Figur la zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen

Verfahrens zur Herstellung einer zweiteilig gebildeten Gasverteilerplatte 2 in einer Schnittansicht. Zu erkennen ist, dass die Gasverteilerplatte 2 aus einer ersten Außenschicht 6 und einer zweiten, eine Gasverteilerstruktur bildenden Innenschicht 4 gebildet ist. Die beiden Schichten 4, 6 können formschlüssig, vorzugsweise kraftschlüssig, insbesondere stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Hierbei kann die Verbindung lösbar oder auch unlösbar gebildet sein. Vorzugsweise wird die Verbindung in einem Schritt hergestellt. Die Außenschicht 6 ist hierbei vorzugsweise aus einem Metallwerkstoff und als plattenförmiges Flachteil gebildet. Die eine Gasverteilerstruktur bildende Innenschicht 4 ist zumindest tlw. aus einem Nichtmetallwerkstoff, vorzugsweise aus einem

Kunststoff, aus Glas, aus einer Keramik, aus einer Kohlenstoffverbindung oder dergleichen gebildet und kann sowohl homogen gebildet sein und ausschließlich aus Fasern desselben Materials zusammengesetzt sein, als auch inhomogen gebildet sein und dann entsprechend aus Fasern unterschiedlicher Materialien zusammengesetzt sein. Die Textilien können gegenständlich in vielfältiger Weise gebildet sein, bspw. in Form von Geweben, Gewirken, Gestricken, Geflechten oder dergleichen. Eine aus einem Nicht- Metallwerkstoff gebildete

Gasverteilerstruktur muss aus Gründen der elektrischen Leitfähigkeit zumindest tlw. einen Metallwerkstoff umfassen. Hierbei kann der Metallwerkstoff auf verschiedene Arten an bzw. in die aus einem Nicht- Metallwerkstoff gebildete Gasverteilerstruktur eingeführt werden, bspw. über eine Beschichtung oder in Form von Fäden oder Spänen, die in die Struktur eingebracht werden.

Figur lb zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen

Verfahrens zur Herstellung einer dreiteilig gebildeten Gasverteilerplatte 2 in einer Schnittansicht. Hier wird zunächst die Innenschicht 4 aus einem als Kontaktplatte gebildeten ersten Teil 4b und dem als Gasverteilerstruktur gebildeten zweiten Teil 4a gebildet. Der erste und der zweite Teil 4a, 4b werden hierbei

vorzugsweise stoffschlüssig miteinander verbunden, insbesondere über ein Lötverfahren. Nach der Fertigung der Innenschicht durch das Herstellen einer vorzugsweise stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Kontaktfläche 4b und der Gasverteilerstruktur 4a, erfolgt die Herstellung einer Verbindung der

Innenschicht 4 mit der Außenschicht 6 gemäß Figurla, wobei in diesem Schritt eine formschlüssige, vorzugsweise kraftschlüssige, insbesondere stoffschlüssige Verbindung zwischen dem als Kontaktplatte gebildeten ersten Teil 4b der Innenschicht 4 und der Außenschicht 6 hergestellt wird. Neben einer einfachen Integration der Innenschicht 4 ermöglicht eine zumindest dreiteilig gebildete Gasverteilerplatte 2 bzw. eine zumindest zweiteilig gebildete Innenschicht 4 eine flexible Anpassung der einzelnen Schichten an die Struktur bzw. an das Material.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus einer

erfindungsgemäßen Gasverteilerplatte 2 gemäß einem ersten

Ausführungsbeispiel in einer Schnittansicht. Neben der Außenschicht 6 und der Innenschicht 4 ist zusätzlich noch eine weitere aus Lotmaterial gebildete Schicht

8 gezeigt, die zur Verbindung der Innenschicht 4 und der Außenschicht 6 vorgesehen und zwischen der Innen- bzw. der Außenschicht 4, 6 angeordnet ist. Das Lotmaterial kann vor der Verbindung auf der Außenschicht 6 oder in bzw. an der Innenschicht 4 angeordnet sein. Bei einer Anordnung des Lotmaterials in einer einteiligen, als Gasverteilerstruktur gebildeten Innenschicht kann das Lotmaterial bspw. in Form von Drähten vorliegen, die lokal oder vollumfänglich in die Gasverteilerstruktur eingearbeitet sein können, sodass die als

dreidimensionale Textilie gebildete Gasverteilerstruktur in einfacher Weise über eine thermischen Behandlung an die gewünschte Oberfläche gelötet werden kann. Bei dem Lotmaterial kann es sich um Weichlot, Hartlot oder Diffusionslot handeln, das in verschiedenen Bereichen der Außen- bzw. Innenschicht 6, 4 angeordnet sein kann.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus einer

erfindungsgemäßen Gasverteilerplatte 2 gemäß einem zweiten

Ausführungsbeispiel in einer Schnittansicht. Im Gegensatz zu dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Innenschicht 10 ausschließlich aus einem Nicht- Metallwerkstoff, wie einem Kunststoff, einem Glas, einer Keramik, einer Kohlenstoffverbindung oder dergleichen gebildet und aus Zwecken der elektrischen bzw. thermischen Leitfähigkeit zusätzlich mit einem Metallwerkstoff versetzt. Der Metallwerkstoff ist in diesem Fall in Fäden und Spänen in das aus einem Nicht-Metallwerkstoff gebildete Material eingesetzt und verleiht der Innenschicht 10 somit die nötige elektrische bzw. thermische Leitfähigkeit.

Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen

Gasverteilerplatte 2 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht. Neben der Außenschicht 6 und der Innenschicht 4 sind innerhalb der

Innenschicht 4 parallel zueinander angeordnete Schichten von Lotmaterial 8 angeordnet, über die die als Gasverteilerstruktur gebildete Innenschicht 4 direkt mit der Außenschicht 6 verlötet werden kann.

Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen

Gasverteilerplatte 2 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel in einer

Draufsicht. In dieser Ausführung sind die Schichten von Lotmaterial 8 innerhalb Gasverteilerstruktur durchgehend vollumfänglich entlang der Außenfläche der Innenschicht 4 angeordnet, sodass nach dem Verlöten eine gute Dichtigkeit der Gasverteilerstruktur nach außen hin gewährleistet ist.

Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen

Gasverteilerplatte 2 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht. In dieser Ausführung sind die Schichten von Lotmaterial 8 in Form von dichten Lotbrücken innerhalb der als Gasverteilerstruktur gebildeten Innenschicht 4 angeordnet, sodass eine anisotrope Strömungseigenschaft durch die Gasverteilerstruktur erzeugt wird und eine gezielte Strömungsführung gewährleistet ist.

Claims

Ansprüche

1. Gasverteilerplatte (2) für eine Brennstoffzelle, umfassend eine erste Außenschicht (6) und eine zweite unmittelbar an der Außenschicht (6) angeordnete und elektrisch leitend mit der Außenschicht (6) verbundene Innenschicht (4),

dadurch gekennzeichnet,

dass die Innenschicht (4, 10) eine Gasverteilerstruktur (4a) zur

Gasverteilung aufweist, wobei die Gasverteilerstruktur aus einer einen Metallwerkstoff aufweisenden dreidimensionalen Textilie gebildet ist.

2. Gasverteilerplatte (2) nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Außenschicht (6) und die Innenschicht (4, 10) stoffschlüssig miteinander verbunden, vorzugsweise miteinander verschweißt oder versintert, insbesondere miteinander verlötet sind.

3. Gasverteilerplatte (2) nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Innenschicht (4, 10) zweiteilig gebildet ist, wobei ein erster Teil (4b) vorzugsweise als Kontaktplatte gebildet und stoffschlüssig und elektrisch leitend mit der als zweitem Teil (4a) gebildeten

Gasverteilerstruktur verbunden ist.

Gasverteilerplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die als dreidimensionale Textilie gebildete Gasverteilerstruktur zumindest tlw., vorzugsweise vollständig aus einem Kupferwerkstoff und/oder aus einem Eisenwerkstoff und/oder aus einem Nickelwerkstoff und/oder aus einem Silberwerkstoff und/oder aus einem Goldwerkstoff gebildet ist, wobei die als dreidimensionale Textilie gebildete

Gasverteilerstruktur zumindest tlw. gewebt und/oder gestickt und/oder gewirkt und/oder gestrickt und/oder geflochten und/oder geklöppelt und/oder gehäkelt ist.

Gasverteilerplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die als dreidimensionale Textilie gebildete Gasverteilerstruktur zumindest tlw. aus einem Nichtmetall Werkstoff, vorzugsweise aus

Kunststoff und/oder Glas und/oder Keramik und/oder Kohlenstoff gebildet ist.

Gasverteilerplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die als dreidimensionale Textilie gebildete Gasverteilerstruktur aus zumindest zwei, vorzugsweise aus mehr als zwei verschiedenen

Materialien zusammengesetzt ist, wobei vorzugsweise das Material und die Form der verwendeten Materialien je nach den gewünschten Eigenschaften der Gasverteilerstruktur miteinander kombiniert sein können.

Gasverteilerplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die als dreidimensionale Textilie gebildete Gasverteilerstruktur zumindest tlw. aus einem Lotmaterial (8), vorzugsweise einem Hartlot, besonders bevorzugt einem Weichlot, insbesondere einem Diffusionslot gebildet ist, wobei das Lotmaterial (8) vorzugsweise lokal oder

vollumfänglich in die als dreidimensionale Textilie gebildete

Gasverteilerstruktur eingearbeitet ist.

8. Gasverteilerplatte (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die als dreidimensionale Textilie gebildete Gasverteilerstruktur anisotrop gebildet ist und vorzugsweise definierte Kanäle zur Gasverteilung aufweist.

9. Verfahren zur Herstellung einer Gasverteilerplatte (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Außenschicht (6) und die beiden Teile (4a, 4b) der Innenschicht (4, 10) sequentiell miteinander verbunden werden, wobei vorzugsweise zuerst eine Zusammensetzung der Innenschicht (4, 10) erfolgt, bevor die Innenschicht (4, 10) und die Außenschicht (6) miteinander verbunden werden.

10. Brennstoffzelle umfassend eine Gasverteilerplatte (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.