WO2019175202A1 - Verfahren zum herstellen einer porösen verteilerstruktur - Google Patents

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WO2019175202A1
WO2019175202A1 PCT/EP2019/056204 EP2019056204W WO2019175202A1 WO 2019175202 A1 WO2019175202 A1 WO 2019175202A1 EP 2019056204 W EP2019056204 W EP 2019056204W WO 2019175202 A1 WO2019175202 A1 WO 2019175202A1
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foam
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metal
pore diameter
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Martin Schoepf
Arne Stephen FISCHER
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an (open) porous and in particular electrically conductive distributor structure for distributing a
  • Reactants in a fuel cell for example. PEM or SOF fuel cell, an electrolyzer, a battery, a capacitor or a
  • Catalyst support Furthermore, the invention relates to a corresponding distributor structure and a fuel cell with at least one corresponding gas distributor structure.
  • Porous distribution structures for example metallic foams, suitable for providing a reactant to fuel cells are now known.
  • Metallic foams can fulfill a variety of functions, such as, for example, distributing the reactant through the pores and passing an electric current and heat through the foam structure.
  • porous distribution structures are produced from molten metals by means of blowing agents which serve to foam the metal melts.
  • porous distribution structures are produced by imaging a previously generated placeholder structure with metallic coatings. In this case, the imaging can be achieved by encapsulating the placeholder structure with a molten metal or by coating the placeholder structure, for example with a metal powder or with a thin metal layer in the context of a vacuum-based coating process, such. B. PVD done.
  • the coating can be sintered on the surface of the placeholder structure and / or the placeholder structure can be removed by burning it out of the finished porous distribution structure.
  • the spaceholder structures used here range from Shakes from various salts or plastics to plastic foams made of different materials, such. B. PU.
  • common to most manufacturing processes is that at least one high-temperature process is used and that the final shape of the product is usually given before the high-temperature process, ie before the formation of the actual shape of the metal foam.
  • a placeholder structure made of PU foam this means that first the PU foam is brought into the form required for the product and this is then molded with metal (powder).
  • Pore diameter amount Since the pore diameters of the starting foams are typically not less than about 250 to 350 pm, the thickness of the finished foam mats can not be more than 1 mm thick. In addition, the foam mats can be damaged in the subsequent sintering, whereby the pores are sealed in the Schaummaten and the finished Schaummaten can not functionally work. In addition, the methods described are expensive and relatively expensive. This is due to the fact that the handling of many thin Schaummaten is complicated and time-consuming. Disclosure of the invention
  • the present invention provides a method for producing an (open) porous and in particular electrically conductive, for example, metallic, distributor structure for distributing a reactant in a fuel cell, for example. PEM or SOF fuel cell, in an electrolyzer, in a battery, a capacitor or a catalyst support, the method comprising the steps of:
  • Foam mat of the monolithic block body which forms the porous distribution structure.
  • a planar or plate-shaped disk element with an inner, in particular open, pore structure can be designated, the material thickness, however, is completely decoupled from the pore diameter or independent. This means that the aforementioned restriction regarding the minimum thickness of the foam mats is eliminated.
  • the distributor structure according to the invention can advantageously be used in fuel cells of all types, batteries and capacitors.
  • the idea of the invention lies in the fact that the (outer) shaping of the finished foam mat takes place only after the production of a solid monolithic block body (as outer original shape) with an inner pore structure, and in particular after firing any high-temperature processes.
  • the (outer) shaping of the finished foam mat takes place only after the production of a solid monolithic block body (as outer original shape) with an inner pore structure, and in particular after firing any high-temperature processes.
  • the starting material in the context of the invention is a larger block body made of metal foam, from which the actual foam mats are cut out as finished components and / or removed, for example.
  • WEDM wire-draining process
  • MWDEDM multidrahterosis Procedure
  • Wire erosive methods are based on spark erosion with a wire electrode.
  • many parallel wires order of magnitude of 2 to 10 L 2
  • wire loops are used for cutting, which can be electrically driven in various ways. Oil or deionized water (with or without additives) can be used as the working medium. Due to the parallel processing up to several hundred identical components can be separated out of the block body in one step.
  • the invention thus brings several significant advantages.
  • the (outer) shaping of the finished foam mats takes place only after the foam production or the production step of the foam production.
  • the foam production is simplified considerably, because instead of very many thin foam mats now requires according to the invention in all steps of metal foam production only a massive monolithic
  • Block body to be handled.
  • the manufacturing costs, the production time and the production cost of the foam with respect to the manufactured foam volume in the context of a monolithic block body compared to thin foam mats can be significantly reduced.
  • the downsizing limits are significantly increased in producing the desired material thickness of the manifold structure. It is conceivable material thicknesses, which may be less than a pore diameter, ie below 250 to 350 pm, or even less than half a pore diameter. Consequently, foam mats having a material thickness of only 100 ⁇ m or even less can be produced by means of the method according to the invention. Of course, this also applies to larger pore diameters. Thus, for example, foam mats with pore diameters of 1 mm and a thickness ⁇ 1 mm can be produced.
  • the invention may provide that in step b) a material thickness of the foam mat is independent of a pore diameter within the
  • Block body is set.
  • the thickness of the foam mats, which are cut out of the monolithic block body freely adjustable. This makes it possible to produce very thin foam mats (absolute and relative to the pore diameter), which optimally to the
  • the invention can provide that in step a) a pore diameter is set independently of a material thickness of the foam mat required later.
  • a pore diameter is set independently of a material thickness of the foam mat required later.
  • step a) a block body with open pores is formed, wherein in step b) a
  • Material thickness of the foam mat is flexible compared to a pore diameter within the block body is selected.
  • the methods described above can be used, in which molten metal foams are foamed by means of a propellant or placeholder structures are provided with metallic coatings. Due to the open pores, the flow of the reactant can be ensured regardless of the material thickness of the foam mat, so that the material thickness of the foam mat can be adjusted completely independent of the pore diameter within the block body.
  • step a) a block body is formed with closed pores. This expands the possibilities of producing the foam as part of a massive monolithic block body. Thereafter, in step b), a material thickness of the foam mat smaller than a pore diameter within the block body can be selected. It can also be ensured that the pores are open (and thus
  • Distribution structure is enabled.
  • step a) from a
  • Metal foam or a metal mesh is formed, and / or that the block body is produced in step a) from a molten metal by means of a blowing agent.
  • a conductive and stable distribution structure can be made possible.
  • the invention may provide that the block body is formed in step a) by means of a placeholder structure, which is encapsulated with a molten metal, and / or that the block body is formed in step a) using a placeholder structure, which is coated with metal, for example.
  • the placeholder structure can, for. B. from a plastic, for example. PU, be formed.
  • beads can be poured from a plastic material into a mold, which are cast or coated with molten metal before or after, and then cohesively, for example, by sintering, connected to each other. This allows a simple and inexpensive method of manufacturing the block body.
  • the invention can provide that in step b) the block body is cut into a multiplicity of foam mats, in particular simultaneously.
  • the invention can provide that in step b) an EDM, a wire-erosive method (WEDM) or a multi-wire method erosive method (MWEDM) is used. Spark erosive processes are force-free processes.
  • WEDM wire-erosive method
  • MWDEDM multi-wire method erosive method
  • the invention provides a distributor structure for distributing a reactant in a fuel cell, which is in the form of a foam mat with an (open) pore structure or of an (open) porous material, in particular electrically conductive, for example.
  • Metallic, foam is formed
  • the invention provides that the pore structure has a pore diameter which is independent of a material thickness of the foam mat.
  • the distributor structure according to the invention it is possible to provide material thicknesses which are very low and may even be below the pore diameter.
  • the manifold structure can be made by a method that can be performed as described above.
  • the invention provides a fuel cell which has at least one distributor structure on a cathode side and / or on an anode side, which is produced by means of a method described above.
  • a relatively thin, lightweight and inexpensive fuel cell can be provided.
  • the same advantages are achieved by means of the fuel cell according to the invention, which have been described above in connection with the method according to the invention. In the present case, full reference is made to these advantages.
  • Fig. 2a shows another possible installation for producing a
  • Fig. 2b shows another possible installation for producing a
  • Fig. 3 shows a still further possible installation for producing a
  • Fig. 4 shows a possible foam structure according to the invention
  • Fig. 5 shows another possible foam structure according to the invention.
  • FIGS. 1 to 3 show different installations by means of which a method according to the invention can be carried out, which is used to produce a (open) porous and in particular electrically conductive, for example metallic, distributor structure 10 for distributing a reactant in a fuel cell, for example PEM - or SO F fuel cell, an electrolyzer, a battery, a capacitor or a catalyst support is used.
  • the invention provides that the method comprises the following steps:
  • FIGS. 4 and 5 show the solid monolithic block body 100 immediately before performing step b), in which the mono lithic block body 100 (as outer original shape) in, in particular simultaneously several, foam mats S is tailored, which in the figures 4 and 5 are shown. Finally, the foam mats S from FIGS. 4 and 5 serve as the porous distributor structures 10 in the sense of the invention. After step b), the distributor structures 10 without further processing, in particular without cleaning, ready for use, for example. In a fuel cell, not shown.
  • the inventive idea is that the shape of the finished foam mat S after the production of a solid monolithic
  • Block body 100 with an inner pore structure P and in particular after completion of any high-temperature processes, takes place.
  • the starting material in the context of the invention is thus a larger or solid and monolithic block body 100 made of metal foam.
  • the actual foam mats S as finished components preferably by means of a spark erosive Method (EDM), in particular a wire-draining method (WEDM, see Figures 1 and 3) or a multi-wire erosive method (MWEDM, see Figures 2a and 2b) are cut from the block body 100.
  • EDM spark erosive Method
  • WEDM wire-draining method
  • MWEDM multi-wire erosive method
  • the block body 100 is positioned on a wire mesh of a wire 1 (see Figures 1 and 3) or a plurality of wires 1, 2, 3 ... (see Figures 2a and 2b) and grounded or on the other Switched pole of the generator.
  • Each wire 1, 2, 3, ... can extend between two cartridges 103, 104.
  • the wire mesh is further wound around two rollers 101, 102.
  • a generator see Figure 1
  • the wires 1, 2, 3, ... are energized.
  • the spark erosion now arises on the wires 1, 2, 3, ..., which act as electrodes.
  • the wires 1, 2, 3, ..., which are energized, thus cut the block body 100 into slices completely or almost free of force.
  • the foam structure S will cut gently.
  • Oil or deionized water (with or without additives) can be used as the working medium. Due to the parallel processing up to several hundred identical components can be cut out of the block body 100 in a working step b).
  • the invention thus brings several significant advantages, such as
  • Schaummaten S decoupled from the pore diameter d whereby the limits down when producing the desired thickness D of the distribution structure 10 are significantly expanded.
  • a material thickness d below 100 pm can be achieved.
  • the starting material is processed, for example, sintered, as a solid monolithic block body 100.
  • the pore structure P can be formed inside the block body 100 having open pores. Consequently, in the
  • Step b) the material thickness D of the foam mat S are made completely independent of the pore diameter d within the block body 100 to allow an unimpeded flow of the reactant through the manifold structure 10.
  • the pore structure P can be formed within the block body 100 with closed pores.
  • the material thickness D of the foam mat S smaller than the pore diameter d within the block body 100 can be selected.
  • the pores can be opened to control the flow of the reactant through the
  • the invention can provide a distribution structure 10 in the form of a foam mat S with a pore structure P, wherein the pore structure P a
  • Foam mat is S.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer porösen Verteilerstruktur (10) zum Verteilen eines Reaktanten in einer Brennstoffzelle, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Herstellen eines massiven monolithischen Blockkörpers (100) mit einer inneren Porenstruktur (P), b) Herausschneiden mindestens einer Schaummatte (S) aus dem monolithischen Blockkörper (100), die die poröse Verteilerstruktur (10) bildet.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Herstellen einer porösen Verteilerstruktur
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer (offen-) porösen und insbesondere elektrisch leitfähigen Verteilerstruktur zum Verteilen eines
Reaktanten in einer Brennstoffzelle, bspw. PEM- oder SOF-Brennstoffzelle, einem Elektrolyseur, einer Batterie, einem Kondensator oder einem
Katalysatorträger. Ferner betrifft die Erfindung eine entsprechende Verteiler struktur sowie eine Brennstoffzelle mit mindestens einer entsprechenden Gasverteilerstruktur.
Stand der Technik
Poröse Verteilerstrukturen, bspw. metallische Schäume, die zum Bereitstellen eines Reaktanten an Brennstoffzellen geeignet sind, sind mittlerweile bekannt. Metallische Schäume können dabei vielfältige Funktionen erfüllen, wie bspw. Verteilen des Reaktanten durch die Poren und Leiten eines elektrischen Stroms sowie Wärme durch die Schaumstruktur. Zum einen werden solche porösen Verteilerstrukturen aus Metallschmelzen mithilfe von Treibmitteln hergestellt, die zum Aufschäumen der Metallschmelzen dienen. Zum anderen werden solche porösen Verteilerstrukturen durch Abbilden einer zuvor erzeugten Platzhalter struktur mit metallischen Beschichtungen hergestellt. Das Abbilden kann dabei durch ein Umgießen der Platzhalterstruktur mit einer Metallschmelze oder durch Beschichten der Platzhalterstruktur, bspw. mit einem Metallpulver oder mit einer dünnen Metallschicht im Rahmen eines vakuumbasierten Beschichtungs verfahrens, wie z. B. PVD, erfolgen. Anschließend kann die Beschichtung an der Oberfläche der Platzhalterstruktur versintert und/oder die Platzhalterstruktur durch Herausbrennen aus der fertigen porösen Verteilerstruktur herausgelöst. Die zum Einsatz kommenden Platzhalterstrukturen reichen dabei von Schütungen aus verschiedenen Salzen oder Kunststoffen bis hin zu Kunststoff schäumen aus verschiedenen Materialien, wie z. B. PU. Gemeinsam haben jedoch die meisten Herstellungsverfahren, dass mindestens ein Hochtemperatur prozess zum Einsatz kommt und dass die endgültige Form des Erzeugnisses zumeist vor dem Hochtemperaturprozess, also vor der Entstehung der eigentlichen Form des Metallschaumes, vorgegeben wird. Am Beispiel einer Platzhalterstruktur aus PU-Schaum bedeutet dies, dass zunächst der PU- Schaum in die für das Erzeugnis benötigte Form gebracht wird und diese anschließend mit Metall(-Pulver) abgeformt wird.
Für den Einsatz von Metallschäumen in Brennstoffzellen oder Baterien werden in sehr großen Mengen (langfristig >10L6 m2 /Jahr) sehr dünne (Dicke < 1mm) offenporige Metallschaummaten benötigt, die mit geringstmöglichen Kosten hergestellt werden müssen. Diese werden zurzeit wie oben beschrieben hergestellt. Allerdings ergeben sich bei den beschriebenen Herstellungsverfahren gewisse Einschränkungen hinsichtlich der Materialstärke der Schaummaten. Gleichwohl erfordern die neuesten Brennstoffzellen mit der fortschreitenden Entwicklung immer dünner werdende Verteilerstrukturen. Dünne Schaummaten erfordern wiederum extrem kleine Porendurchmesser, um eine ausreichende mechanische Stabilität zu gewährleisten. Allerdings kann die Materialstärke des Ausgangsschaumes aus fertigungstechnischen Gründen bei den genannten Herstellungsprozessen nicht weniger als das 3- bzw. 4-fache des
Porendurchmessers betragen. Da die Porendurchmesser der Ausgangsschäume typischerweise nicht kleiner als ca. 250 bis 350 pm sind, kann als Materialstärke der fertigen Schaummaten keine Dicke kleiner als 1 mm erreicht werden. Zudem können die Schaummaten beim anschließenden Versintern beschädigt werden, wodurch die Poren in den Schaummaten verschlossen werden und die fertigen Schaummaten nicht funktionsgemäß arbeiten können. Zudem sind die beschriebenen Verfahren teuer und relativ aufwändig. Dies hängt damit zusammen, dass die Handhabung vieler dünner Schaummaten aufwendig und zeitintensiv ist. Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Herstellen einer (offen-) porösen und insbesondere elektrisch leitfähigen, bspw. metallischen, Verteiler struktur zum Verteilen eines Reaktanten in einer Brennstoffzelle, bspw. PEM- oder SOF-Brennstoffzelle, in einem Elektrolyseur, bei einer Batterie, einem Kondensator oder einem Katalysatorträger, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
a) Herstellen eines massiven monolithischen Blockkörpers mit einer
inneren (insbesondere offenporigen) Porenstruktur (als äußere
Urspungsform),
b) Herausschneiden und/oder Heraustrennen mindestens einer
Schaummatte aus dem monolithischen Blockkörper, die die poröse Verteilerstruktur bildet.
Als Schaummatte im Rahmen der Erfindung kann ein ebenes bzw. planares bzw. plattenförmiges Scheibenelement mit einer inneren, insbesondere offenen, Porenstruktur bezeichnet werden, dessen Materialstärke jedoch komplett von dem Porendurchmesser entkoppelt bzw. unabhängig ist. Dies bedeutet, dass die zuvor genannte Einschränkung hinsichtlich der Mindestdicke der Schaummatten entfällt. Die erfindungsgemäße Verteilerstruktur kann vorteilhafterweise einen Einsatz in Brennstoffzellen jeder Art, Batterien und Kondensatoren finden.
Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass die (äußere) Formgebung der fertigen Schaummatte erst nach der Herstellung eines massiven monolithischen Blockkörpers (als äußere Urspungsform) mit einer inneren Porenstruktur, und insbesondere nach Abschuss jeglicher Hochtemperaturprozesse, erfolgt. Im Gegensatz zu den konventionellen Herstellungsverfahren von porösen
Verteilerstrukturen erfolgt somit die (äußere) Formgebung der fertigen
Schaummatten nicht durch die Form der Platzhalterstrukturen oder durch die Gießformen. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass das Ausgangsmaterial im Rahmen der Erfindung ein größerer Blockkörper aus Metallschaum ist, aus dem die eigentlichen Schaummatten als fertige Bauteile herausgeschnitten und/oder herausgetrennt werden, bspw. mittels eines funkenerosiven Verfahrens (EDM), eines drahterosiven Verfahrens (WEDM) oder eines multidrahterosieven Verfahrens (MWEDM). Drahterosive Verfahren basieren auf der Funkenerosion mit einer Drahtelektrode. Wobei im Falle von multidrahterosiven Verfahren viele parallel geführte Drähte (Größenordnung 2 bis 10L2) oder Drahtschlaufen für das Zuschneiden verwendet werden, die auf verschiedene Arten elektrisch angesteuert werden können. Als Arbeitsmedium kann dabei Öl oder deionisiertes Wasser (mit oder ohne Zusätze) zum Einsatz kommen. Durch die parallele Bearbeitung können dabei bis zu mehrere hundert identische Bauteile in einem Arbeitsschritt aus dem Blockkörper herausgetrennt werden.
Die Erfindung bringt somit mehrere wesentliche Vorteile mit sich. Zum einen findet die (äußere) Formgebung der fertigen Schaummatten erst nach der Schaumherstellung bzw. dem Fertigungsschritt der Schaumherstellung statt. Dadurch vereinfacht sich die Schaumherstellung erheblich, denn anstatt sehr vieler dünner Schaummatten braucht nun gemäß der Erfindung in sämtlichen Schritten der Metallschaumherstellung nur ein massiver monolithischer
Blockkörper gehandhabt werden. Dadurch können die Herstellungskosten, die Herstellungszeit und der Herstellungsaufwand des Schaumes in Bezug auf das gefertigte Schaumvolumen im Rahmen eines monolithischen Blockkörpers im Vergleich zu dünnen Schaummatten wesentlich reduziert werden.
Zum anderen wird mithilfe der Erfindung die Materialstärke der fertigen
Schaummatten komplett von der Porendicke entkoppelt. Somit werden die Grenzen nach unten beim Herstellen der gewünschten Materialstärke der Verteilerstruktur deutlich ausgeweitet. Denkbar sind dabei Materialstärken, die unter einem Porendurchmesser liegen können, also unter 250 bis 350 pm, oder sogar unter einem halben Porendurchmesser. Folglich können mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens Schaummatten mit einer Materialstärke von nur 100 pm oder noch weniger hergestellt werden. Dies gilt natürlich auch für größere Porendurchmesser. Somit könne beispielsweise Schaummatten mit Porendurchmessern von 1 mm und einer Dicke < 1 mm hergestellt werden.
Weiterhin ist es von Vorteil, dass der monolithische Schaumblock
erfindungsgemäß erst nach seiner Herstellung in kleinere und somit auch weniger stabile Teile zerlegt wird. Somit wird die Handhabung während der eigentlichen Herstellung des Metallschaumes im Vergleich zur direkten Herstellung dünner (und mechanisch instabilen) Matten wesentlich vereinfacht. Außerdem müssen sämtliche für die Herstellung des Metallschaumes nötigen Schritte mit wesentlich weniger Teilen durchgeführt werden um das gleiche Volumen Metallschaum zu erhalten.
Ferner kann die Erfindung vorsehen, dass im Schritt b) eine Materialstärke der Schaummatte unabhängig von einem Porendurchmesser innerhalb des
Blockkörpers eingestellt wird. Mit anderen Worten ist die Dicke der Schaum matten, die aus dem monolithischen Blockkörper herausgeschnitten werden, frei einstellbar. Somit wird ermöglicht, sehr dünne Schaummatten herzustellen (absolut und relativ zum Porendurchmesser), die sich optimal an die
Erfordernisse, die sich aus dem Einsatz als Gasverteiler ergeben, anpassen lassen.
Weiterhin kann die Erfindung vorsehen, dass im Schritt a) ein Porendurchmesser unabhängig von einer Materialstärke der später benötigten Schaummatte eingestellt wird. Somit kann die Herstellung des Schaumes im Rahmen eines massiven monolithischen Blockkörpers mit einer inneren Porenstruktur von den Erfordernissen an die fertigen Schaummatten in Teilen entkoppelt werden. Dies vereinfacht die Herstellung des Schaumes wesentlich.
Denkbar ist des Weiteren im Rahmen der Erfindung, dass im Schritt a) ein Blockkörper mit offenen Poren ausgebildet wird, wobei im Schritt b) eine
Materialstärke der Schaummatte flexibel im Vergleich zu einem Porendurch messer innerhalb des Blockkörpers ausgewählt wird. Hierzu können die oben beschriebenen Verfahren verwendet werden, bei denen Metallschmelzen mithilfe eines Treibmittels aufgeschäumt oder Platzhalterstrukturen mit metallischen Beschichtungen versehen werden. Durch die offenen Poren kann der Fluss des Reaktanten unabhängig von der Materialstärke der Schaummatte sichergestellt werden, sodass die Materialstärke der Schaummatte komplett unabhängig vom Porendurchmesser innerhalb des Blockkörpers eingestellt werden kann.
Zudem ist es aber auch denkbar, dass im Schritt a) ein Blockkörper mit geschlossenen Poren ausgebildet wird. Dies erweitert die Möglichkeiten bei der Herstellung des Schaumes im Rahmen eines massiven monolithischen Block- körpers. Danach kann im Schritt b) eine Materialstärke der Schaummatte kleiner als ein Porendurchmesser innerhalb des Blockkörpers ausgewählt werden. Auch kann sichergestellt werden, dass die Poren geöffnet sind (und damit
materialdurchgängig sind) und der Fluss des Reaktanten durch die
Verteilerstruktur ermöglicht wird.
Ebenfalls ist es denkbar, dass der Blockkörper im Schritt a) aus einem
Metallschaum oder einem Metallgeflecht ausgebildet wird, und/oder dass der Blockkörper im Schritt a) aus einer Metallschmelze mithilfe eines Treibmittels hergestellt wird. Somit kann eine leitfähige und stabile Verteilerstruktur ermöglicht werden.
Gleichwohl kann die Erfindung vorsehen, dass der Blockkörper im Schritt a) mithilfe einer Platzhalterstruktur ausgebildet wird, die mit einer Metallschmelze umgossen wird, und/oder dass der Blockkörper im Schritt a) mithilfe einer Platzhalterstruktur ausgebildet wird, die mit Metall beschichtet wird, bspw.
mithilfe eines vakuumbasierten Beschichtungsverfahrens, wie z. B. PVD, wobei insbesondere nach dem Aushärten des Metalls die Platzhalterstruktur aus dem Blockkörper herausgelöst oder herausgebannt wird. Somit können die Poren innerhalb des Blockkörpers durch die Platzhalterstruktur vorgegeben werden. Die Platzhalterstruktur kann z. B. aus einem Kunststoff, bspw. PU, ausgebildet sein. Hierzu können Kügelchen aus einem Kunststoffmaterial in eine Form geschüttet werden, die zuvor oder danach mit Metallschmelze umgossen oder beschichtet werden, und anschließend stoffschlüssig, bspw. durch Sintern, miteinander verbunden werden. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Methode zum Herstellen des Blockkörpers.
Ferner kann die Erfindung vorsehen, dass im Schritt b) der Blockkörper zu einer Vielzahl an Schaummatten, insbesondere gleichzeitig, zugeschnitten wird. Somit kann die Herstellung von dünnen Verteilerstrukturen, die den hohen
Anforderungen an moderne Brennstoffzellen entsprechen, schnell und einfach erfolgen.
Weiterhin kann die Erfindung vorsehen, dass im Schritt b) ein funkenerosives Verfahren (EDM), ein drahterosives Verfahren (WEDM) oder ein multidraht- erosives Verfahren (MWEDM) verwendet wird. Funkenerosive Verfahren sind kraftfreie Prozesse. Somit kann der Vorteil erreicht werden, dass kein bzw.
beinahe kein Druck auf den Blockkörper bei Herausschneiden des oder der Schaummatten angelegt wird. Somit können sogar filigranste Schaumstrukturen mit kleinsten Porendurchmessern schonend durchtrennt werden, ohne die Porenstruktur zu zerstören oder zu deformieren. Dabei können dünne Drähte (bis ca. 50 pm) zum Einsatz kommen, sodass die Schnittspalten entsprechend schmal verbleiben können. Da ein deionisiertes Wasser bei solchen Verfahren als ein Arbeitsmedium verwendet werden kann, brauchen die fertigen
Schaummatten anschließend nicht gereinigt zu werden. Somit können die Herstellungskosten noch weiter reduziert werden. Da bei einer Bearbeitung mit MWEDM extrem viele Bauteile (10-100) in einem Schritt hergestellt werden, sind die Bearbeitungskosten pro Bauteil extrem gering. Durch die tlw. extrem hohe Porosität der Metallschäume (bis zu > 95%) und somit nur wenig zu
schneidendem Material ist die Bearbeitung mittels funkenerosiver Verfahren schnell, kostengünstig und effizient. Zudem ergeben sich durch die
funkenerosiven Verfahren Auslegungsfreiheiten bei dem Design und neue funktionale Optimierungsmöglichkeiten der Schaummatten, die bspw. mit bestimmten Oberflächenstrukturen versehen sein können.
Des Weiteren sieht die Erfindung eine Verteilerstruktur zum Verteilen eines Reaktanten in einer Brennstoffzelle vor, die in Form einer Schaummatte mit einer (offenen) Porenstruktur bzw. aus einem (offen-) porösen Material, insbesondere elektrisch leitfähigen, bspw. metallischen, Schaum, ausgebildet ist. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Porenstruktur einen Porendurchmesser aufweist, der unabhängig von einer Materialstärke der Schaummatte ist. Mithilfe der erfindungsgemäßen Verteilerstruktur können Materialstärken bereitgestellt werden, die sehr niedrig sind und sogar unterhalb des Porendurchmessers liegen können. Dadurch können relativ dünne, leichte und kostengünstige Brennstoff zellen hergestellt werden. Insbesondere kann die Verteilerstruktur mithilfe eines Verfahrens hergestellt werden, das wie oben beschrieben ausgeführt werden kann. Somit werden mithilfe der erfindungsgemäßen Verteilerstruktur die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungs gemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen. Zudem sieht die Erfindung eine Brennstoffzelle vor, die auf einer Kathodenseite und/oder auf einer Anodenseite mindestens eine Verteilerstruktur aufweist, die mithilfe eines oben beschriebenen Verfahrens hergestellt ist. Mithin kann eine relativ dünne, leichte und kostengünstige Brennstoffzelle bereitgestellt werden. Außerdem werden mithilfe der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Verteilerstruktur sowie deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
Fig. 1 eine beispielhafte Installation zum Herstellen einer Verteilerstruktur im Sinne der Erfindung,
Fig. 2a eine weitere mögliche Installation zum Herstellen einer
Verteilerstruktur im Sinne der Erfindung,
Fig. 2b eine weitere mögliche Installation zum Herstellen einer
Verteilerstruktur im Sinne der Erfindung,
Fig. 3 eine noch weitere mögliche Installation zum Herstellen einer
Verteilerstruktur im Sinne der Erfindung,
Fig. 4 eine mögliche Schaumstruktur im Sinne der Erfindung, und
Fig. 5 eine weitere mögliche Schaumstruktur im Sinne der Erfindung.
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden. Die Figuren 1 bis 3 zeigen unterschiedliche Installationen, mithilfe von welchen ein erfindungsgemäßes Verfahren ausgeführt werden kann, welches zum Herstellen einer (offen-) porösen und insbesondere elektrisch leitfähigen, bspw. metallischen, Verteilerstruktur 10 zum Verteilen eines Reaktanten in einer Brennstoffzelle, bspw. PEM- oder SO F- Brennstoffzelle, einem Elektrolyseur, einer Batterie, einem Kondensator oder einem Katalysatorträger dient. Die Erfindung sieht dabei vor, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist:
a) Herstellen eines massiven monolithischen Blockkörpers 100 mit einer inneren Porenstruktur P,
b) Herausschneiden mindestens einer Schaummatte S aus dem
monolithischen Blockkörper 100, die die poröse Verteilerstruktur 10 bildet.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen dabei den massiven monolithischen Blockkörper 100 unmittelbar vor dem Durchführen des Schrittes b), bei welchem der mono lithische Blockkörper 100 (als äußere Urspungsform) in, insbesondere gleichzeitig mehrere, Schaummatten S zugeschnitten wird, die in den Figuren 4 und 5 gezeigt sind. Die Schaummatten S aus den Figuren 4 und 5 dienen schließlich als die porösen Verteilerstrukturen 10 im Sinne der Erfindung. Nach dem Schritt b) sind die Verteilerstrukturen 10 ohne weitre Verarbeitung, insbesondere ohne eine Reinigung, bereit für den Einsatz, bspw. in einer nicht dargestellten Brennstoffzelle.
Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass die Formgebung der fertigen Schaummatte S nach der Herstellung eines massiven monolithischen
Blockkörpers 100 mit einer inneren Porenstruktur P, und insbesondere nach Abschluss jeglicher Hochtemperaturprozesse, erfolgt. Somit kann die
Formgebung der fertigen Schaummatten S unabhängig von der Form der Platzhalterstrukturen oder von der Gießform erfolgen. Das Ausgangsmaterial im Rahmen der Erfindung ist somit ein größerer bzw. massiver und monolithischer Blockkörper 100 aus Metallschaum.
Wie es aus den Figuren 1 bis 3 zum Ausdruck kommt, können die eigentlichen Schaummatten S als fertige Bauteile vorzugsweise mittels eines funkenerosiven Verfahrens (EDM), insbesondere eines drahterosiven Verfahrens (WEDM, vgl. die Figuren 1 und 3) oder eines multidrahterosiven Verfahrens (MWEDM, vgl. die Figuren 2a und 2b) aus dem Blockkörper 100 zugeschniten werden.
Hierzu wird der Blockkörper 100 auf einem Drahtgeflecht aus einem Draht 1 (vgl. die Figuren 1 und 3) oder aus mehreren Drähten 1, 2, 3... (vgl. die Figuren 2a und 2b) positioniert und geerdet bzw. auf den anderen Pol des Generators geschaltet. Jeder Draht 1, 2, 3, ... kann sich dabei zwischen zwei Kartuschen 103, 104 erstrecken. Das Drahtgeflecht wird weiterhin um zwei Rollen 101, 102 gewickelt. Mithilfe eines Generators (vgl. Figur 1), jeweils eines Generators (vgl. die Figuren 2a und 2b) oder eines gemeinsamen Generators 110 (vgl. Figur 3) werden die Drähte 1, 2, 3, ... unter Strom gesetzt. Die Funkenerosion entsteht nun an den Drähten 1, 2, 3, ..., die als Elektroden wirken. Die Drähte 1, 2, 3, ..., die unter Strom gesetzt werden, schneiden folglich den Blockkörper 100 in Scheiben völlig bzw. beinahe kraftfrei. Somit wird die Schaumstruktur S schonend zerschniten.
Als Arbeitsmedium kann dabei Öl oder deionisiertes Wasser (mit oder ohne Zusätze) zum Einsatz kommen. Durch die parallele Bearbeitung können dabei bis zu mehrere hundert identische Bauteile in einem Arbeitsschrit b) aus dem Blockkörper 100 herausgeschniten werden.
Die Erfindung bringt somit mehrere wesentliche Vorteile mit sich, wie
vereinfachte Schaumherstellung im Schrit a), denn anstat sehr vieler kleiner Schaummaten S braucht nun gemäß der Erfindung in sämtlichen Schriten der Metallschaumherstellung nur ein massiver monolithischer Blockkörper 100 gehandhabt werden.
Weiterhin wird mithilfe der Erfindung die Materialstärke D der fertigen
Schaummaten S von dem Porendurchmesser d entkoppelt, wodurch die Grenzen nach unten beim Herstellen der gewünschten Materialstärke D der Verteilerstruktur 10 deutlich erweitert werden. Bei einem Porendurchmesser d unter 250 bis 350 pm kann eine Materialstärke d unter 100 pm erreicht werden. Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass das Ausgangmaterial als massiver monolithischer Blockkörper 100 verarbeitet, bspw. versintert, wird.
Wie es aus der Figur 4 zum Ausdruck kommt, kann die Porenstruktur P innerhalb des Blockkörpers 100 mit offenen Poren ausgebildet werden. Folglich kann im
Schritt b) die Materialstärke D der Schaummatte S völlig unabhängig vom Porendurchmesser d innerhalb des Blockkörpers 100 hergestellt werden, um einen ungehinderten Fluss des Reaktanten durch die Verteilerstruktur 10 zu ermöglichen.
Wie es außerdem aus der Figur 5 zum Ausdruck kommt, kann die Porenstruktur P innerhalb des Blockkörpers 100 mit geschlossenen Poren ausgebildet werden. In diesem Fall kann die Materialstärke D der Schaummatte S kleiner als der Porendurchmesser d innerhalb des Blockkörpers 100 ausgewählt werden. Somit können die Poren geöffnet werden, um den Fluss des Reaktanten durch die
Verteilerstruktur 10 zu ermöglichen.
Somit kann die Erfindung eine Verteilerstruktur 10 in Form einer Schaummatte S mit einer Porenstruktur P ermöglichen, wobei die Porenstruktur P einen
Porendurchmesser d aufweist, der unabhängig von der Materialstärke D der
Schaummatte S ist.
Die voranstehende Beschreibung der Figuren 1 bis 5 beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Herstellen einer porösen Verteilerstruktur (10) zum
Verteilen eines Reaktanten in einer Brennstoffzelle,
wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
a) Herstellen eines massiven monolithischen Blockkörpers (100) mit einer inneren Porenstruktur (P),
b) Herausschneiden mindestens einer Schaummatte (S) aus dem monolithischen Blockkörper (100), die die poröse Verteilerstruktur (10) bildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Schritt b) eine Materialstärke (D) der Schaummatte (S) unabhängig von einem Porendurchmesser (d) innerhalb des Blockkörpers (100) eingestellt wird,
und/oder dass im Schritt a) ein Porendurchmesser (d) innerhalb des Blockkörpers (100) unabhängig von einer Materialstärke (D) der
Schaummatte (S) eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Schritt a) ein Blockkörper (10) mit offenen Poren ausgebildet wird, wobei im Schritt b) eine Materialstärke (D) der Schaummatte (S) flexibel im Vergleich zu einem Porendurchmesser (d) innerhalb des Blockkörpers (100) ausgewählt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass im Schritt a) ein Blockkörper (100) mit geschlossenen Poren ausgebildet wird,
wobei im Schritt b) eine Materialstärke (D) der Schaummatte (S) kleiner als ein Porendurchmesser (d) innerhalb des Blockkörpers (100) ausgewählt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Blockkörper (100) im Schritt a) aus einem Metallschaum oder einem Metallgeflecht ausgebildet wird,
und/oder dass der Blockkörper (100) im Schritt a) aus einer Metallschmelze mithilfe eines Treibmittels hergestellt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Blockkörper (100) im Schritt a) mithilfe einer Platzhalterstruktur ausgebildet wird, die mit einer Metallschmelze umgossen wird,
und/oder dass der Blockkörper (100) im Schritt a) mithilfe einer
Platzhalterstruktur ausgebildet wird, die mit Metall beschichtet wird, wobei insbesondere nach dem Aushärten des Metalls die
Platzhalterstruktur aus dem Blockkörper (100) herausgelöst oder herausgebannt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Schritt b) der Blockkörper (100) zu einer Vielzahl an
Schaummatten (S), insbesondere gleichzeitig, zugeschnitten wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass im Schritt b) ein funkenerosives Verfahren (EDM), ein drahterosives Verfahren (WEDM) oder ein multidrahterosives Verfahren (MWEDM) verwendet wird.
9. Verteilerstruktur (10) zum Verteilen eines Reaktanten in einer
Brennstoffzelle, die in Form einer Schaummatte (S) mit einer Porenstruktur (P) ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Porenstruktur (P) einen Porendurchmesser (d) aufweist, der unabhängig von einer Materialstärke (D) der Schaummatte (S) ist.
10. Brennstoffzelle, die auf einer Kathodenseite und/oder auf einer
Anodenseite mindestens eine Verteilerstruktur (10) aufweist, die nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt wurde.
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