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Patents

  1. Advanced Patent Search
Publication numberDE4206490 A1
Publication typeApplication
Application numberDE19924206490
Publication date9 Sep 1993
Filing date2 Mar 1992
Priority date2 Mar 1992
Also published asDE4206490C2
Publication number19924206490, 924206490, DE 4206490 A1, DE 4206490A1, DE-A1-4206490, DE19924206490, DE4206490 A1, DE4206490A1, DE924206490
InventorsKonstantin Dr Ledjeff, Volker Dipl Ing Peinecke
ApplicantFraunhofer Ges Forschung
Export CitationBiBTeX, EndNote, RefMan
External Links: DPMA, Espacenet
Electrically conductive gas distributor structure for fuel cell - is texture roughened before application of hydrophobic coating
DE 4206490 A1
Abstract
The electrically conductive gas distributer structure (4) for a fuel cell is located between a current distributer element (5) and an electrode (3) connected to a membrane electrolyte (1). It takes the form of a flat porous body of fibres (28) made of an electrochemically stable metal. Its deliberately roughened structure is coated with a hydrophobic polymer layer (41). Its manufacturing process consists of the following steps: (1) cleaning of the porous body structure by means of a solution; (2) roughening the surface of the body by chemical, physical or mechanical means; (4) treatment of the body with an emulsion or a suspension containing a hydrophobic agent; (5) sintering, melting or burning-in of the hydrophobic layer. An acid or alkaline solution is used as an erasive agent. Oxalic acid is an example of such agents. Alternative, plasma etching is used to produce a roughening effect. Titanium, tantalum, miobium, platinum or palladium, or an alloy of these metals is used as the material for the fibres (28). The hydrophobic polymer layer consists of polyvinylidene fluoride (PVDF) or polyteyrafluoroehtylene (PTFE). The fibres (28) form a mat with at least one layer. USE/ADVANTAGE - For manufacture of fuel cells. It allows effective reversible-action cells to be produced.
Claims(9)  translated from German
1. Elektrisch leitfähige Gasverteilerstruktur ( 4 ) für eine Brennstoffzelle, die zwischen einem Stromver teilerelement ( 5 ) und einer mit einem Membranelektroly ten ( 1 ) verbundenen Elektrode ( 3 ) angeordnet ist, da durch gekennzeichnet, daß sie flä chig und Fasern ( 28,32 ) eines elektrochemisch stabilen Metalles umfassend ausgestaltet ist und daß sie vor der Beschichtung mit einer hydrophoben Polymerschicht ( 41 ) mit einem erasiven Mittel zur Aufrauhung ihres Gefüges ( 31 , 33 ) behandelt worden ist. 1. Electrically conductive gas diffusion structure (4) for a fuel cell, the divider element between a Stromver (5) and a ten with a Membranelektroly (1) connected to the electrode (3) is arranged, characterized in that it FLAE guages and fibers (28, 32) of an electrochemically stable metal is fully configured and that it has been treated prior to coating with a hydrophobic polymer layer (41) having a erasiven means for roughening of its structure (31, 33).
2. Gasverteilerstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erasive Mittel eine Säure oder eine Lauge ist. 2. The gas distribution structure according to claim 1, characterized in that the Erasive agent is an acid or a lye.
3. Gasverteilerstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erasive Mittel Oxalsäure ist. 3. The gas distribution structure according to claim 2, characterized in that the Erasive agent is oxalic acid.
4. Gasverteilerstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erasive Mittel der Abtrag durch Plasmaätzen ist. 4. The gas distribution structure according to claim 1, characterized in that the agent is Erasive the removal by plasma etching.
5. Gasverteilerstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektro chemisch stabile Metall der Fasern ( 28 ) Titan, Tantal, Niob, Platin oder Palladium oder eine Legierung aus diesen Metallen ist. 5. The gas distribution structure according to any one of the preceding claims, characterized in that the electrochemically stable metal fibers (28) of titanium, tantalum, niobium, platinum, or palladium, or an alloy of these metals.
6. Gasverteilerstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die hydrophobe Polymerschicht ( 41 ) aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polytetrafluoräthylen (PTFE) hergestellt ist. 6. The gas distribution structure according to any one of the preceding claims, characterized in that the hydrophobic polymer layer (41) of polyvinylidene fluoride (PVDF) or polytetrafluoroethylene (PTFE) is made.
7. Gasverteilerstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern ( 28 ) der Struktur eine mindestens eine Lage umfassende Matte bilden. 7. The gas distribution structure according to any one of the preceding claims, characterized in that the fibers (28) of the structure form at least one layer comprising a mat.
8. Verfahren zur Herstellung einer Gasverteiler struktur, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: 8. A method for producing a gas diffusion structure, characterized by the following process steps:
  • - des Reinigens eines porösen Grundkörpers in einem Lösungsmittel, - Of cleaning a porous body in a solvent,
  • - des Aufrauhens der gesamten oder von Teilberei chen der Oberfläche des Grundkörpers mit chemischen, physikalischen oder mechanischen Mitteln, - Roughening the surfaces of all or part of making the surface of the body with chemical, physical or mechanical means,
  • - des Benetzens des Grundkörpers mit einer Emulsion oder Suspension, die ein Hydrophobierungsmittel ent hält, und - The wetting of the substrate with an emulsion or suspension, which holds a hydrophobing agent ent, and
  • - des Sinterns, Aufschmelzens oder des Einbrennens der erhaltenen hydrophoben Schicht. - Sintering, melting or baking the resulting hydrophobic layer.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß der Grundkörper in einer Säure und/oder Lauge geätzt wird. 9. The method according to claim 8, characterized in that the base body is etched in an acid and / or alkali.
Description  translated from German

Die Erfindung betrifft eine elektrisch leitfähige Gasverteilerstruktur für eine Brennstoffzelle, die zwischen einem Stromverteilerelement und einer mit einem Membranelektrolyten verbundenen Elektrode ange ordnet ist und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. The invention relates to an electrically conductive gas diffusion structure for a fuel cell which is arranged between a current distributor member and a connected electrode attached to a membrane electrolyte, and a method for their preparation.

Eine solche elektrisch leitfähige Gasverteilerstruktur ist aus der US-PS 42 15 183 bekannt, in der eine elek trochemische Zelle beschrieben worden ist. Such electrically conductive gas diffusion structure is known from US-PS 42 15 183, in which an elec trochemical cell has been described. Die dort dargestellte Brennstoffzelle umfaßt einen Membranelek trolyten, auf dem beidseitig Elektroden angebracht sind. The fuel cell shown therein comprises a Membranelek lyte on which electrodes are attached to both ends. Auf der Anodenseite ist eine grobe leitfähige Verteilerstruktur angeordnet, die an eine Stromvertei lerstruktur angrenzt. On the anode side of a rough conductive distribution structure is arranged adjacent to a lerstruktur Stromvertei. Auf der Kathodenseite ist zwi schen dieser Verteilerstruktur und der Elektrode eine feuchtigkeitsresistente Schicht angeordnet, die aus einem Kohlenstoffpapier besteht, das in einem hydropho ben Polymer eingetaucht worden ist. On the cathode side between the distributor's structure and the electrode is disposed a moisture-resistant layer, which consists of a carbon paper which has been immersed in a hydropho ben polymer.

Diese Gasverteilerstruktur, die den Vorteil hat, billig und leicht verarbeitbar zu sein, weist den Nachteil auf, daß ihre elektrische Leitfähigkeit zu den Elektro den und zu den Stromableitern und -verteilern aufgrund der hydrophoben Beschichtung des Kohlenstoffblattes verbesserungswürdig ist. This gas manifold structure, which has the advantage of being cheap and easy to apply, has the disadvantage that their electrical conductivity to the electric and the current collectors and distributors due to the hydrophobic coating of carbon sheet is improved.

Die dort dargestellte Brennstoffzelle ist natürlich auch bei einer auf Energieeigenversorgung ausgerichte ten Einheit, zum Beispiel für eine Forschungsstation, einsetzbar. The fuel cell shown there is of course at a teaching out of energy self-sufficiency of unity, for example, a research station, can be used. Dann wird die besagte Einheit aber auch über weitere Stromerzeugungsvorrichtungen verfügen, die zu bestimmten lastarmen Zeiten oder zur Tageszeit im Falle von Solargeneratoren einen Überschuß an elektri scher Energie zur Verfügung stellen können. Then said unit but also have more power generation devices that can provide an excess of electrical shear energy is available to certain low-load periods or days in the case of solar generators. Dann ist die elektrochemische Zelle vorteilhafterweise gleich zeitig als Elektrolysezelle ausgebildet. Then, the electrochemical cell is advantageously simultaneously formed as electrolysis cell. Bei einer solchen dann reversibel genannten Zelle kann in Zeiten des Stromüberschusses die zur Verfügung gestellte über schüssige elektrische Energie das in der Brennstoffzel le erhaltene Endprodukt durch Elektrolyse wieder in seine Ausgangsprodukte aufspalten. In such then called reversible cell can split the final product obtained in the Brennstoffzel le by electrolysis into its initial products in times of excess electricity which provided electrical over surplus energy.

Hierbei ist die Gasverteilerstruktur gemäß der US-PS 42 15 183 nicht einsetzbar, da das dort beschriebene Kohlenstoffblatt elektrochemisch nicht stabil ist. Here, the gas diffusion structure is not usable according to US-PS 42 15 183, since the carbon sheet described there is not electrochemically stable.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfin dung die Aufgabe zugrunde, eine Gasverteilerstruktur anzugeben, die in einer reversiblen Zelle einsetzbar ist. Starting from this prior art, the inven tion is based on the object to provide a gas diffusion structure which can be used in a reversible cell.

Diese Aufgabe wird für eine Gasverteilerstruktur erfin dungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gasverteilerstruktur flächig und Fasern eines elektrochemisch stabilen Metalles umfassend ausgestaltet ist und daß sie vor der Beschichtung mit einer hydrophoben Polymerschicht mit einem erasiven Mittel zur Aufrauhung ihres Gefüges behandelt worden ist. This object is achieved for a gas distribution structure inven tion in accordance with the fact that the gas distributor structure surface and fibers of an electrochemically stable metal is fully configured and that it has been treated with a hydrophobic polymer layer with a erasiven means for roughening of its structure prior to coating.

Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, die Leit fähigkeit der Verteilerstruktur zu erhöhen und die Anhaftung der hydrophoben Schicht am Kernmaterial der Gasverteilerstruktur zu erhöhen. Another object of the invention is to increase the managing capability of the manifold structure and to increase the adhesion of the hydrophobic layer on the core material of the gas distribution structure.

Diese Aufgabe wird für ein Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß es die folgenden Verfahrensschritte umfaßt: This object is achieved for a method according to the invention in that it comprises the following process steps:

  • - des Reinigens eines porösen Grundkörpers in einem Lösungsmittel, - Of cleaning a porous body in a solvent,
  • - des Aufrauhens der gesamten oder von Teilberei chen der Oberfläche des Grundkörpers mit chemischen, physikalischen oder mechanischen Mitteln, - Roughening the surfaces of all or part of making the surface of the body with chemical, physical or mechanical means,
  • - des Benetzens des Grundkörpers mit einer Emulsion oder Suspension, die ein Hydrophobierungsmittel ent hält, und - The wetting of the substrate with an emulsion or suspension, which holds a hydrophobing agent ent, and
  • - des Sinterns, Aufschmelzens oder des Einbrennens der erhaltenen hydrophoben Schicht. - Sintering, melting or baking the resulting hydrophobic layer.

Dadurch, daß die im wesentlichen zylindrischen Fasern des elektrochemisch stabilen Metalls aufgerauht werden, wobei vorteilhafterweise eine Säure wie Oxalsäure oder das Plasmaätzen eingesetzt wird, kann die hydrophobe Schicht gut an der Oberfläche anhaften und bleibt nach einer Sinterung fest mit dieser verbunden. Characterized in that the substantially cylindrical fibers of the electrochemically stable metal are roughened, advantageously an acid such as oxalic acid or plasma etching is used, the hydrophobic layer may adhere well to the surface and remains firmly connected thereto by sintering. Durch die Ätzwege entlang der Korngrenzen bleiben harte Metall körner an der Oberfläche der Fasern bestehen, die dann bei der Ausübung von Druck auf die Fasern in die Elek trode und das Stromverteilerelement eindringen und somit trotz einer vollkommenen Hydrophobie der Gasver teilerstruktur eine hervorragende Leitfähigkeit zwi schen der Elektrode und dem Stromverteiler schaffen. By Ätzwege along the grain boundaries hard metal remain grains exist on the surface of the fibers, which then upon the application of pressure electrode to the fibers in the Elek and the current distribution element penetrate and thus divider structure despite a perfect hydrophobicity of Gasver rule excellent conductivity between the create electrode and the current distribution.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Further advantageous embodiments of the invention are characterized in the claims.

Es werden nun mehrere Ausführungsbeispiele der Erfin dung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Several embodiments of the invention will become more now be described by way of example with reference to the drawings.

Es zeigen: In the drawings:

Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau einer elektroche mischen Zelle mit einem Membranelektrolyten, Fig. 1 shows a basic structure of an electrochemical cell with a membrane electrolyte mix,

Fig. 2 schematische Darstellung einer Elektroden seite einer elektrochemischen Zelle nach Fig. 1, Fig. 2 shows a schematic representation of an electrode side of an electrochemical cell according to Fig. 1,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Querschnit tes einer zweilagigen Gasverteilerstruktur bei Kontakt der Fasern untereinander und Fig. 3 is an enlarged view of the Querschnit tes a two-layer gas manifold structure on contact among the fibers and

Fig. 4 die Mikrostruktur des Querschnittes zweier Schichten einer Gasverteilerstruktur unter einander. Fig. 4 shows the microstructure of the cross section of two layers of a gas distributor structure with each other.

Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer elek trochemischen Zelle mit einem zentralen Membranelektro lyten 1 . Fig. 1 shows the basic structure of an elec trochemical cell membrane with a central electric electrolytes. 1 Bei dem Membranelektrolyten 1 handelt es sich um ein Kationen leitendes Polymer, insbesondere um ein Protonen leitendes Polymer. In the electrolyte membrane 1 is a cation-conducting polymer, in particular a proton-conducting polymer. Hierfür kann insbesondere eine Elektrolytmembran 1 aus Perfluorcarbonsulfonsäure- Polymer verwendet werden. This can be used from 1 Perfluorcarbonsulfonsäure- polymer electrolyte membrane in particular a. An diese zum Beispiel 100 bis 200 Mikrometer dicke Schicht grenzen seitlich die beiden Elektrodenbereiche. Laterally to this, for example, 100 to 200 micrometer thick layer borders the two electrode regions. Diese sind - für den Be triebszustand der Brennstoffzelle - für die Kathoden seite der Zelle mit 2 und für die Anodenseite der Zelle mit dem Bezugszeichen 12 versehen. These are - for the loading operation state of the fuel cell - for the cathode side of the cell 2 and the anode side of the cell provided by the reference numeral 12. An die Membran 1 schließt sich also eine beispielsweise ungefähr 10 Mikrometer breite Elektrodenschicht 3 bzw. 13 an, die die katalytische Reaktion ermöglicht. Therefore endorses the membrane 1 to a, for example, about 10 microns wide electrode layer 3 and 13, which allows the catalytic reaction. Diese besteht zum Beispiel aus Platin oder Palladium. This consists, for example, platinum or palladium.

An die Elektroden 3 bzw. 13 grenzen die ungefähr 100 bis 350 Mikrometer breiten bzw. dicken Gasverteiler strukturen 4 bzw. 14 . To the electrodes 3 and 13 limits the approximately 100 to 350 microns wide or thick gas distributor structures 4 and 14 respectively. Gegen diese Gasverteilerstruktu ren 4 bzw. 14 werden dann seitliche Stromableitungs- und Stromverteilerelemente 5 bzw. 15 angedrückt, die gleichzeitig mit Öffnungen zum Ein- und Auslaß der Be triebsstoffe der elektrochemischen Zelle versehen sind. Against this Gasverteilerstruktu selectable 4 or 14 lateral Stromableitungs- and power distribution elements are then 5 or 15 is pressed, the operating materials simultaneously with openings for inlet and outlet of loading of the electrochemical cell are provided.

Im Brennstoffzellenbetrieb wird auf der Anodenseite 12 über einen Anschluß 21 Wasserstoff in das Stromablei terelement 15 eingeblasen. In the fuel cell operation is terelement on the anode side 12 via a terminal 21 is hydrogen in the bubbled Stromablei 15. Das Gas verteilt sich grob in den mit dem Bezugszeichen 22 gekennzeichneten Hohl räumen, um dann in die Gasverteilerstruktur 14 einzu dringen. The gas is distributed roughly spaces marked with the reference numeral 22 hollow, then einzu in the gas distribution structure 14 penetrate. Der Wasserstoff wird dann an der ersten kata lytisch wirkenden Elektrode 13 protonisiert und über z. B. die Sulfatanionen des Membranelektrolyten 1 zur zweiten katalytisch wirkenden Elektrodenschicht 3 befördert. The hydrogen is then protonated at the first kata lytically active electrode 13 and conveys the sulfate anions of the electrolyte membrane 1 to the second catalytic electrode layer 3 through z. B.. Über den Einlaß 23 wird ein reduzierendes Gasgemisch, zum Beispiel reiner Sauerstoff oder eine Sauerstoff-Luftmischung eingeleitet, die über die Spalte 22 des Gasableitungselementes 5 in die Gasver teilerstruktur 4 eingeleitet wird. Via the inlet 23 is a reducing gas mixture is introduced, for example, pure oxygen or an oxygen-air mixture, which is introduced via the gaps 22 of the gas outlet element 5 in the Gasver divider structure 4. Der Sauerstoff reagiert an der Grenzschicht 24 zwischen der Elektro denschicht 3 und der Elektrolytmembran 1 mit den Proto nen in einer Redoxreaktion zu Wasser, welches dann aus dem Auslaß 25 unten herausfließt. The oxygen reacts at the interface 24 between the electric denschicht 3 and the electrolyte membrane 1 with the Proto nen in a redox reaction to form water, which then flows out of the outlet 25 below.

Dabei ergibt sich nun, daß durch die im wesentlichen kathodenseitig stattfindende Reaktion die Gasverteiler struktur 4 mit Wasserperlen bzw. Reaktionswasser ge füllt wird und so dazu neigt, bezüglich der Gasleitung zu der Grenzschicht 24 hin zu verstopfen. This results now that ge by the substantially cathode side reaction taking place the gas manifold structure 4 with water beads or water of reaction is crowded and so tends respect to the gas line to the boundary layer 24 through to clog. Daher ist die Gasverteilerstruktur 4 zum Beispiel mit PVDF (Polyviny lidenfluorid) oder PTFE (Polytetrafluoräthylen) hydro phob beschichtet. Therefore, the gas diffusion structure 4, for example, with PVDF (polyviny lidenfluorid) or PTFE (polytetrafluoroethylene) hydro phobic coating.

Der durch die Redoxreaktion erzeugte Strom wird über die Elektrode 13 und die Gasverteilerstruktur 14 zum Stromableiterelement 15 der Anodenseite 12 sowie über die Elektrode 3 und die Gasverteilerstruktur 4 zum Stromableiterelement 5 an der Kathodenseite 2 geführt, abgegriffen und zum Beispiel einer Last oder einem Speichermedium 26 zugeführt. The current generated by the redox reaction is passed over the electrode 13 and the gas manifold structure 14 for Stromableiterelement 15 of the anode side 12 and the electrode 3 and the gas distributor structure 4 for Stromableiterelement 5 on the cathode side 2, tapped and fed to, for example, a load or a storage medium 26 ,

Parallel zu diesem Speichermedium 26 kann auch ein Energieerzeuger, zum Beispiel ein Solargenerator ge schaltet sein, der ebenfalls die nicht dargestellte Last speist. In parallel with this storage medium 26 can also be a power generator, for example, a solar generator GE be switched on, which also feeds the load, not shown. Wenn nun ein Überangebot an elektrischer Energie vorhanden ist, ist es vorteilhaft, die be schriebene elektrochemische Zelle als reversible Zelle, dh auch als Elektrolysezelle einzusetzen. Now, when an oversupply of electric power is present, it is advantageous to use the BE required electrochemical cell as reversible cell, ie as electrolysis cell.

In diesem Fall wird über den Anschluß 25 Wasser einge lassen, welches vorteilhafterweise über den Anschluß 23 in einem Kreislauf 23-25 fließt. In this case, leave through the port 25 Water is flowing in a circuit 23-25 advantageously through the terminal 23. Dieses Wasser wird mit Hilfe der dann über die Stromableiterelemente 5 bzw. 15 und über die genannten Gasverteilerstrukturen 4 bzw. 14 zum Redox-Ort herangeführten elektrischen Energie an der Umsetzungsoberfläche 24 in seine Bestandteile ge trennt, so daß aus dem Anschluß 21 Wasserstoff und aus dem Anschluß 23 ein Sauerstoff-Wasser-Gemisch strömt, welches dann wieder abgespeichert werden kann. This water will by means of which then the Stromableiterelemente 5 and 15 and said gas distributor structures 4 or 14 to the redox site zoom-commutative electric power separates at the reaction surface 24 ge into its components, so that the out of the connector 21 is hydrogen and from port 23 is an oxygen-water mixture flows, which can then be stored again. In diesem Falle wirkt die Elektrodenseite 2 als Anode und die Elektrodenseite 12 als Kathode. In this case, the electrode side and the electrode 2 as an anode side 12 acts as a cathode.

Hierbei ist es nun insbesondere notwendig, daß die Gasverteilerstruktur 4 auf der Sauerstoff entwickelnden Seite 2 elektrochemisch stabil ist. Here, it is now particularly necessary that the gas distributor structure 4 on the oxygen side 2 developing is electrochemically stable.

Daher besteht die Gasverteilerstruktur 4 aus einem elektrochemisch stabilen leitfähigen Metall, vorteil hafterweise aus Titan, Tantal, Niob, Platin oder einer Legierung aus diesen. Therefore, the gas diffusion structure 4 of an electrochemically stable conductive metal, advantageously enough, of titanium, tantalum, niobium, platinum or an alloy of these. Es handelt sich dabei um eine Struktur oder um einen Körper, der als Netz, Vlies, Sinterkörper oder in ähnlicher poröser Struktur vorlie gen kann. This is a structure or a body as a network vorlie, non-woven, sintered body or a porous structure in a similar gene may. Diese Struktur 4 ist weiterhin mit einem hydrophoben Material überzogen, so daß die Gasvertei lerstruktur nicht mit Wasser vollaufen kann. This structure 4 is further coated with a hydrophobic material, so that the Gasvertei lerstruktur can not fill up with water. Für den hydrophoben Überzug wird z. B. das schon oben erwähnte Polytetrafluoräthylen verwendet. For the hydrophobic coating such. As already used the above-mentioned polytetrafluoroethylene.

Die Gasverteilerstruktur 4 besteht insbesondere aus einem ein- oder auch mehrlagigen Mattengeflecht, aus verwobenen Drähten, aus nebeneinander angeordneten Fasern oder aus zusammengepreßten Körnern des beschrie benen Metalls oder einer entsprechenden Legierung. The gas distribution structure 4 consists in particular of a single or multi-layer matting also, of interwoven wires, of adjacently disposed fibers or grains of the compressed described surrounded metal or a corresponding alloy.

Eine vergrößerte Darstellung der Gasverteilerstruktur 4 mit den an sie angrenzenden Strukturen ist in der Fig. 2 dargestellt. An enlarged view of the gas distributor structure adjacent to it 4 with the structures shown in FIG. 2. Die Fig. 2 zeigt in einer schematischen, vergrößerten Querschnittsansicht die Elektrolytmembran 1 , die katalytisch wirkende Elektrodenschicht 3 und das Stromverteilerelement 5 , zwischen denen die Gasvertei lerstruktur 4 eingebettet ist. Fig. 2 shows in a schematic, enlarged cross-sectional view of the electrolyte membrane 1, the catalytic electrode layer 3 and the current distributor member 5, between which the Gasvertei lerstruktur 4 is embedded.

Das Stromverteilerelement 5 besteht aus einem elek trisch leitfähigen, metallischen Material oder aus Graphit, welches über zum Beispiel 1 Millimeter breite Rippen 27 verfügt, zwischen denen sich Kanäle 22 aus bilden, durch die Gas über die Ein- und Auslässe 23 , 25 eingeleitet und das gebildete Wasser abgeführt werden kann. The current distribution element 5 consists of an elec- trically conductive metallic material or graphite which has, for example, 1 mm wide ribs 27 between which channels 22 of form through which gas through the inlets and outlets 23, 25 initiated and the water formed can be removed. Zwischen diesen Stegen 27 des Stromverteilerele mentes 5 und der Katalysatorfläche 3 ist im Ausfüh rungsbeispiel der Fig. 2 eine einlagige Fasermatte 4 dargestellt, die aus mehreren nebeneinander liegenden Fasern 28 besteht. Between these webs 27 of the Stromverteilerele Mentes 5 and the catalyst surface 3 is in Ausfüh of FIG. 2, for example approximately a single-layer fiber mat 4 shown, which consists of a plurality of adjacent fibers 28. Die im wesentlichen zylindrischen Fasern 28 sind zum Beispiel Titanfäden mit einer Dicke von 100 Mikrometern. The substantially cylindrical fibers 28 are, for example, titanium threads with a thickness of 100 micrometers.

Ein Titangeflecht, welches aus den im wesentlichen zylindrischen Titanfasern 28 besteht, wird zur Herstel lung der Gasverteilerstruktur 4 in eine Ätzflüssigkeit getaucht. A titanium mesh, which consists of the generally cylindrical titanium fibers 28 is, for the produc- tion of gas diffusion structure 4 in an etching liquid immersed. Dabei kann es sich um eine Säure, zum Bei spiel Oxalsäure, oder um eine Lauge handeln. This may be an acid, oxalic In game, or a solution. Das Ergeb nis einer solchen ätzenden Säure- und/oder Laugenbe handlung ist im Zusammenhang mit der Fig. 3 beschrie ben, in der vergrößert eine zweilagige Gasverteiler struktur 4 dargestellt ist. The resulting ratio of such a corrosive acid and / or action is Laugenbe ben described in connection with FIG. 3, in the magnified a two-layer gas diffusion structure 4 is shown.

Die z. B. verwendete Oxalsäure frißt sich insbesondere entlang von Korngrenzen in den Faserkern 32 eines Titandrahtes 28 vor, wobei die Zwischenbereiche 33 der Faser 28 stehen bleiben. The z oxalic acid used. B. eats particularly along grain boundaries in the fiber core 32 of a titanium wire before 28, wherein the intermediate portions 33 of the fiber stop 28. Dabei handelt es sich um Kornbereiche des Metalles. It is grain regions of the metal. Damit wird aus einem vor der Behandlung im wesentlichen runden Faserdraht 32 ein über eine Vielzahl von hervorstehenden Spitzen 33 verfügendes Gebilde, welches in den Zwischenbereichen über weggenommene Materialbereiche 31 verfügt. So that is a pre-treatment substantially round wire 32 is a fiber verfügendes via a plurality of projecting peaks 33 structure which has in the intermediate areas on material taken away regions 31. Die Flächen der Ausnehmungen gestalten sich dabei im we sentlichen konkav. The surfaces of the recesses in the shape thereby we sentlichen concave. Die Tiefe der Ausnehmungen ist abhängig von der Stärke der ätzenden Flüssigkeit, der Einwirkdauer und ihrer Temperatur. The depth of the recesses depends on the strength of the caustic liquid, the duration of action and its temperature. Die Einwirkzeit sollte zumindest dann beendet werden, wenn die stützen den Verbindungen der Bereiche 33 mit dem Faserkern 32 langsam verbraucht werden. The contact time should be at least ended when supporting the compounds of areas 33 with the fiber core 32 are consumed slowly.

Neben dem Eintauchen in die genannten Säuren oder Laugen ist es auch möglich, eine solche Struktur durch Plasmaätzen zu erhalten. In addition to the immersion in the said acids or bases it is also possible to obtain such a structure by plasma etching. Dabei ist es möglich durch entsprechendes Anordnen eines Fasernetzes, daß nur die später zu den Strukturen 3 und 5 zeigenden Oberflächen aufgerauht werden. It is possible by appropriately disposing a fiber network that only the later to the structures 3 and 5 facing surfaces are roughened. In einer einfachen Ausgestaltung der Aufrauhung kann diese auch mit einem Schleifpapier erreicht werden, wobei z. B. ein sogenanntes 400er- Schleifpapier Verwendung finden kann. In a simple embodiment of the roughening this can also be achieved with a sandpaper, where z. B. can find a so-called 400er- sandpaper use.

Bei der dargestellten zweilagigen Schicht kann die der Elektrode 3 nähere Schicht aus Titan bestehen, wohinge gen die zweite, andere Schicht aus Graphit oder einem zweiten Metall bestehen kann. In the illustrated two layer coating the electrode 3 can further layer of titanium exist wohinge conditions the second, another layer of graphite or a second metal may exist. Dann ist es auch möglich die besagte zweite Schicht lediglich aufzurauhen und keine hydrophobe Beschichtung bei dieser zweiten Schicht vorzusehen. Then, it is also possible to roughen only the said second layer and provide no hydrophobic coating in this second layer. Die Schichten können z. B. auch aus Edelstahl oder Niob hergestellt sein, wobei bei einfa chen Anwendungsfällen auch die einzige Schicht aus dem genannten Material bestehen kann. The layers may be made of stainless steel or niobium z. B. also, wherein in simp Chen applications, the single layer of the said material may consist.

Die Fig. 4 zeigt nun in weiterer Vergrößerung zwei solche Fasern 28 , die in einem Oberflächenbereich aufeinanderstoßen. Fig. 4 shows now in a further increase in two such fibers 28 which collide in a surface region. Nach der Ätzbehandlung und einer nachfolgenden Reinigung sind die verwobenen Drähte oder Streckgitter mit einer Schicht 41 eines hydrophoben Materials überzogen worden. After the etching treatment and subsequent purification, the interwoven wires or expanded mesh have been coated with a layer 41 of a hydrophobic material. Dieses lagert sich insbe sondere in den Ausnehmungen 31 der Fasern 28 an und führt zu einer ausgeprägten Spitzenbildung im Bereich 33 . This particular special deposits in the recesses 31 of the fibers 28 and leads to a pronounced peak formation in the region 33rd Die hydrophobe Schicht kann durch Eintauchen in die entsprechende Polymerlösung erhalten und durch anschließendes Sintern bei einer dem Polymer entspre chenden Temperatur von z. B. 125 Grad Celsius oder z. B. 360 Grad Celsius bei der Verwendung von PTFE besser angehaftet werden. The hydrophobic layer can be obtained by immersing into the corresponding polymer solution and subsequent sintering at a corre sponding to the polymer temperature of z. B. 125 degrees Celsius or z. B. 360 degrees Celsius, better be liable for the use of PTFE.

Bei einem in der Fig. 4 dargestellten Aufeinandertref fen von zwei Faserkernen 32 drücken sich nun die Spit zen 33 , die ja aus harten Kornzentren 33 bestehen, in entsprechende Ausnehmungen 31 der benachbarten Faser. In a succession Tref shown in FIG. 4 fen of two fiber cores 32 now press the Spit zen 33 yes consist of hard grain centers 33 in corresponding recesses 31 of the adjacent fiber. Dabei wird das relativ weiche hydrophobe Polymer-Mate rial 41 im Eindringbereich 42 zusammengeschoben, so daß die harte Kornspitze 33 die Polymerschicht 41 durch stößt und in den metallischen Kern 32 der benachbarten Faser 28 eindringt. In this case, the relatively soft hydrophobic polymer mate rial 41 is pushed together in the penetration 42, so that the grain hard tip 33, the polymer layer 41 pierces and penetrates into the metallic core 32 of the fiber 28 adjacent. Dadurch ist eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit zwischen zwei benachbarten Fasern 28 gegeben, wobei gleichzeitig durch die zusam mengeschobenen hydrophoben Schichten 41 eine Benetzung und ein Vollaufen der Gasverteilerstruktur 4 wirkungs voll verhindert werden kann, insbesondere wegen der gegenläufigen Transportrichtungen von Sauerstoff und Wasser. Provides superior electrical conductivity between two adjacent fibers is given 28 wherein simultaneously wetting and filling up the gas distributor structure 4 can effect prevented by together amount deferred hydrophobic layers 41, in particular due to the opposing directions of transport of oxygen and water.

Im Rückblick auf die Fig. 2 ist weiter erkennbar, daß auch hier Spitzen 31 der Faser 28 an Orten 43 in Rippen 27 des Stromableiterelementes 5 und an Orten 44 in die katalytische Elektrodenschicht 3 eindringen. Looking back at Fig. 2 is further seen that here too the tips 31 of the fiber 28 to enter or 43 in the ribs 27 Stromableiterelementes 5 and 44 locations in the catalytic electrode layer 3. Somit ist trotz einer vollständigen und an keiner Stelle zerstör ten hydrophoben Beschichtung 41 der Gasverteilerstruk tur 4 sicher gewährleistet, daß ein niedriger elektri scher Übergangswiderstand zwischen der Elektroden schicht 3 über die Gasverteilerstruktur 4 zum Stromab leiterelement 5 hin gegeben ist. Thus, 4 reliably ensured despite a full and Destroy th at no point hydrophobic coating 41 of the gas distribution struc ture that a low electrical shear resistance between the electrode layer 3 through the gas diffusion structure 4 for downstream ladder element 5 is given out.

Damit wird in der Funktion zusammenwirkend erreicht, daß der Elektrolysezellenbetrieb aufgrund des elek trochemisch stabilen Metalles durchführbar ist, als daß aber auch gleichzeitig eine verbesserte Leitfähigkeit ohne Stofftransport, die zu einer erhöhten Effektivität der Brennstoffzelle führt, eintritt. This achieves the function cooperatively in that the electrolysis cell operation is feasible due to the elec-chemically stable metal, as well as that at the same time an improved conductivity without mass transport which leads to an increased efficiency of the fuel cell occurs. Insbesondere ver meidet das Aufrauhen auch eine Herabsetzung der Wärme leitfähigkeit von der Elektrode 3 zum Stromableiterele ment 5 . In particular ver avoid roughening also a reduction of the heat conductivity of the electrode 3 to Stromableiterele management. 5

Gleichzeitig wird der Zusammenbau einer solchen Brenn stoffstelle vereinfacht, da es nun ausreicht, die einander gegenüberliegenden Elektrodenbereiche 2 und 12 respektive deren Stromableiterelemente 5 und 15 mit den entsprechend dazwischen angeordneten Schichten mecha nisch zusammenzupressen, da die Gasverteilerstrukturen 4 bzw. 14 durch die die angrenzenden Oberflächen durch stoßenden Kornspitzen 33 für den notwendigen elektri schen Kontakt sorgen. At the same time, the assembly of such fuel material body is simplified, since it is now sufficient, the opposite electrode portions 2 and 12 respectively, whose Stromableiterelemente 5 and 15 mecha with the correspondingly arranged in between layers compress cally, since the gas diffusion structures 4 or 14 through which the adjacent surfaces ensure piercing grain tips 33 for the necessary electrical contact rule.

Die erhöhte Leitfähigkeit führt gleichzeitig zu einer gegebenenfalls regelbaren erhöhten Zelltemperatur von z. B. 75 bis 85 Grad Celsius, die die Wärmeabfuhr begün stigt. The increased conductivity gives rise to a possibly variable increased cell temperature of z. B. 75 to 85 degrees Celsius, the Stigt begün heat dissipation. Dadurch sind höhere elektrische/thermische Leistungen erreichbar. This results in higher electrical / thermal performance can be achieved.

In der Fig. 1 sind die an die Strukturen 5 und 15 angrenzenden Kühlmittelkammern zur effizienten Wärmeab leitung nicht dargestellt. In Fig. 1 adjacent to the structures 5 and 15 for efficient heat dissipation coolant chambers are line not shown. Ebenso sind die zum Betrieb der Brennstoffzelle notwendigen Gasventile, Stromab griffe und Halterungen nicht eingezeichnet. Also required for operation of the fuel cell gas valves, handles and downstream are not drawn in brackets. Der hierfür notwendige Aufbau einer entsprechenden Vorrichtung ist dem Fachmann geläufig. The space required construction of a corresponding device is known to those skilled in the art. Schließlich ist anzumerken, daß die in der Fig. 1 dargestellte Zelle einzig durch einen Druck auf die einander gegenüberliegenden Stromablei terstrukturen 5 und 15 gegeneinander gehalten werden kann, wenn ein dafür geeignetes Gehäuse vorgesehen ist, welches in Folge eine verbesserte Wartbarkeit der Zelle gewährleistet. Finally, it should be noted that the cell illustrated in FIG. 1 terstrukturen only by pressure on the opposing Stromablei 5 and 15 can be kept against each other, if a suitable housing is provided, which ensures an improved maintainability of the cell in a row.

Insgesamt gestattet die beschriebene Gasverteilerstruk tur eine gute elektrische Leitfähigkeit senkrecht zur Elektrode 3 , eine gute elektrische Querleitfähigkeit parallel zur Elektrode 3 . Overall, the gas distributor struc ture described a good electrical conductivity, good electrical conductivity allows cross perpendicular to the electrode 3 in parallel to the electrode 3rd Sie ist weiterhin thermisch leitfähig und thermisch stabil im Betriebszustand der beschriebenen Zelle. She is also thermally conductive and thermally stable in the operating state of the cell described. Ihre Poren sind auch bei größeren Mengen an anfallendem Wasser gasdurchlässig und gleich zeitig weist die Gasverteilerstruktur 4 nur eine gerin ge Porengröße bzw. eine geringe Maschenweite im 10- Mikrometerbereich auf, so daß eine ausreichende Kontak tierung und mechanische Abstützung gegeben ist, wobei das verwendete Gitter zugleich mechanisch stabil und elastisch ist. Your pores are also at greater amounts of resulting water gas permeable and simultaneously, the gas distributor structure 4, only one clotting ge pore size and a small mesh size in the 10 micron range, so that a sufficient Kontak orientation and mechanical support is given, the grid used is both mechanically stable and elastic.

Vorteilhafterweise wird eine Gasverteilerstruktur 4 gemäß den folgenden Verfahrensschritten hergestellt. Advantageously, a gas diffusion structure 4 according to the following steps is prepared. Zuerst wird der poröse Grundkörper, sei es ein Sinter körper, eine Fasermatte oder ein Gitter in einem Lö sungsmittel z. B. in Ultraschall gereinigt. First, the porous body, be it a sintered body, a fiber mat or grid cleaned in a solvent solu z. B. ultrasound. Anschließend wird die gesamte oder Teilbereiche der Oberfläche aufgerauht. Subsequently, the whole or parts of the surface is roughened. Dieses kann chemisch, z. B. mit Säuren und/oder Laugen, physikalisch, z. B. mit Plasma-Ätzen, oder einfach mechanisch durch Anschleifen geschehen. This can be chemically, eg. As with acids and / or bases, physically, z. B. with plasma etching, or simply done mechanically by sanding. Dann wird der so behandelte Körper zwischengereinigt und anschließend mit einer Emulsion oder Suspension benetzt, die eines der genannten oder ein anderes Hydrophobierungsmittel enthält. Then, the body thus treated is between purified and then wetted with an emulsion or suspension containing one of said or other hydrophobing agents. Nach dem Trocknen oder Verdampfen des Emulsions-/Suspensionsmittels wird die hydrophobe Schicht 41 gesintert, aufgeschmolzen oder eingebrannt. After drying or evaporation of the emulsion / suspension agent, the hydrophobic layer 41 is sintered, melted or burned. Eine anschließende Nachreinigung schafft dann den gewünschten aufgerauhten, hydrophoben porösen Gasverteilerkörper 4 . A downstream cleaning then creates the desired roughened hydrophobic porous gas distributor body. 4

Damit ist eine rauhe, gebirgige Oberfläche mit Zacken, Kanten und Spitzen geschaffen, die eine wesentlich größere Oberfläche gegenüber einem unbehandelten Ver gleichskörper aufweist und die zugleich in hervorragen der Weise hydrophob ist. Thus, a rough, mountainous surface with teeth, points and edges is created, which has a much larger surface area compared to an untreated comparatively body and which is also hydrophobic in the projecting manner. Die Rauhigkeit im Bereich von 100 Nanometer bis hin zu einigen Mikrometern schafft die genannte Möglichkeit des Durchstechens der hydro phoben Schicht 41 beim Eindringen der Spitzen in eine benachbarte Oberfläche. The roughness in the range from 100 nanometers up to a few micrometers creates the possibility of piercing the said hydro phobic layer 41 upon penetration of the tips into an adjacent surface.

Die elektrochemisch stabilen Fasern 28 können neben Titan ebenfalls aus den Metallen Tantal, Niob, Platin oder Palladium oder eine Legierung aus diesen Metallen hergestellt sein. The electrochemically stable fibers 28 may be made of the metals tantalum, niobium, platinum or palladium or an alloy of these metals, also in addition to titanium.

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European ClassificationH01M8/02C, H01M8/10B2
Legal Events
DateCodeEventDescription
9 Sep 1993OP8Request for examination as to paragraph 44 patent law
10 Mar 1994D2Grant after examination
8 Sep 19948364No opposition during term of opposition
15 Jan 20048339Ceased/non-payment of the annual fee