DE4206490A1 - Electrically conductive gas distributor structure for fuel cell - is texture roughened before application of hydrophobic coating - Google Patents
Electrically conductive gas distributor structure for fuel cell - is texture roughened before application of hydrophobic coatingInfo
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Abstract
Description
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 distribution structure for a fuel cell, the between a power distribution element and one with an electrode connected to a membrane electrolyte is classified and a process 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. Die dort dargestellte Brennstoffzelle umfaßt einen Membranelek trolyten, auf dem beidseitig Elektroden angebracht sind. Auf der Anodenseite ist eine grobe leitfähige Verteilerstruktur angeordnet, die an eine Stromvertei lerstruktur angrenzt. 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.Such an electrically conductive gas distribution structure is known from US-PS 42 15 183, in which an elek trochemical cell has been described. These The fuel cell shown comprises a membrane electrode trolytes with electrodes on both sides are. On the anode side is a rough conductive one Distribution structure arranged to a power distribution learning structure adjoins. On the cathode side is between this distribution structure and the electrode moisture-resistant layer arranged that out a carbon paper that is in a hydropho ben polymer has been immersed.
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 distribution structure, which has the advantage of being cheap and being easy to process has the disadvantage on that their electrical conductivity to the electro due to and to the current arresters and distributors the hydrophobic coating of the carbon sheet is in need of improvement.
Die dort dargestellte Brennstoffzelle ist natürlich auch bei einer auf Energieeigenversorgung ausgerichte ten Einheit, zum Beispiel für eine Forschungsstation, einsetzbar. 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. Dann ist die elektrochemische Zelle vorteilhafterweise gleich zeitig als Elektrolysezelle ausgebildet. 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.The fuel cell shown there is natural even with a focus on energy self-sufficiency unit, for example for a research station, applicable. Then the said unit also becomes have other power generation devices that at certain low-load times or at the time of day in In case of solar generators an excess of electri shear energy available. Then the electrochemical cell advantageously the same trained early as an electrolytic cell. At a Such a cell, which is then called reversible, can occur at times of the excess of electricity made available via shot electrical energy in the fuel cell end product obtained by electrolysis to split its starting products.
Hierbei ist die Gasverteilerstruktur gemäß der US-PS 42 15 183 nicht einsetzbar, da das dort beschriebene Kohlenstoffblatt elektrochemisch nicht stabil ist.Here is the gas distribution structure according to the US PS 42 15 183 cannot be used because the one described there Carbon sheet 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.The Erfin is based on this state of the art the task is based on a gas distribution structure specify which can be used in a reversible cell is.
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 task is invented for a gas distribution structure solved according to the invention in that the gas distributor structure flat and fibers of an electrochemically stable Metal is comprehensively designed and that it before Coating with a hydrophobic polymer layer an erasive agent for roughening their structure has been treated.
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 guide ability to increase the distribution structure and the Adhesion of the hydrophobic layer to the core material of the Increase gas distribution structure.
Diese Aufgabe wird für ein Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß es die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:This object is achieved according to the invention for a method solved by having the following process steps includes:
- - des Reinigens eines porösen Grundkörpers in einem Lösungsmittel,- The cleaning of a porous body in one Solvent,
- - des Aufrauhens der gesamten oder von Teilberei chen der Oberfläche des Grundkörpers mit chemischen, physikalischen oder mechanischen Mitteln,- roughening all or part of the area surface of the base body with chemical, physical or mechanical means,
- - des Benetzens des Grundkörpers mit einer Emulsion oder Suspension, die ein Hydrophobierungsmittel ent hält, und- Wetting the base body with an emulsion or suspension containing a water repellent holds, and
- - des Sinterns, Aufschmelzens oder des Einbrennens der erhaltenen hydrophoben Schicht.- sintering, melting or baking the hydrophobic layer obtained.
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. 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.Because the substantially cylindrical fibers of the electrochemically stable metal are roughened, advantageously an acid such as oxalic acid or the plasma etching is used, the hydrophobic Adhere layer well to the surface and remains a sintering firmly connected to this. Through the Etching paths along the grain boundaries remain hard metal grains exist on the surface of the fibers, which then when applying pressure to the fibers in the elec trode and penetrate the power distribution element and thus despite a complete hydrophobicity of the gas ver divider structure an excellent conductivity between create the electrode and the power distributor.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Further advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims.
Es werden nun mehrere Ausführungsbeispiele der Erfin dung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert.There are now several embodiments of the invention dung explained with reference to the drawing.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau einer elektroche mischen Zelle mit einem Membranelektrolyten, Fig. 1 shows a basic structure of an electrochemical cell having 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 cross-section of a two-layer gas distributor structure when the fibers contact each other 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 distribution structure with one another.
Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer elek trochemischen Zelle mit einem zentralen Membranelektro lyten 1. Bei dem Membranelektrolyten 1 handelt es sich um ein Kationen leitendes Polymer, insbesondere um ein Protonen leitendes Polymer. Hierfür kann insbesondere eine Elektrolytmembran 1 aus Perfluorcarbonsulfonsäure- Polymer verwendet werden. An diese zum Beispiel 100 bis 200 Mikrometer dicke Schicht grenzen seitlich die beiden Elektrodenbereiche. 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. An die Membran 1 schließt sich also eine beispielsweise ungefähr 10 Mikrometer breite Elektrodenschicht 3 bzw. 13 an, die die katalytische Reaktion ermöglicht. Diese besteht zum Beispiel aus Platin oder Palladium. Fig. 1 shows the basic structure of an electro-chemical cell with a central membrane electro lyte 1st The membrane electrolyte 1 is a cation-conducting polymer, in particular a proton-conducting polymer. In particular, an electrolyte membrane 1 made of perfluorocarbonsulfonic acid polymer can be used for this. The two electrode areas laterally border this layer, for example 100 to 200 micrometers thick. These are - for the operating state of the fuel cell - for the cathode side of the cell with 2 and for the anode side of the cell with the reference numeral 12 . The membrane 1 is adjoined by an electrode layer 3 or 13 , for example approximately 10 micrometers wide, which enables the catalytic reaction. This consists, for example, of platinum or palladium.
An die Elektroden 3 bzw. 13 grenzen die ungefähr 100 bis 350 Mikrometer breiten bzw. dicken Gasverteiler strukturen 4 bzw. 14. 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. The gas distribution structures 4 and 14 , which are approximately 100 to 350 micrometers wide or thick, adjoin the electrodes 3 and 13 . Against these Gasverteilerstruktu ren 4 and 14 then lateral current dissipation and current distribution elements 5 and 15 are pressed, which are simultaneously provided with openings for the inlet and outlet of the operating fluids of the electrochemical cell.
Im Brennstoffzellenbetrieb wird auf der Anodenseite 12 über einen Anschluß 21 Wasserstoff in das Stromablei terelement 15 eingeblasen. Das Gas verteilt sich grob in den mit dem Bezugszeichen 22 gekennzeichneten Hohl räumen, um dann in die Gasverteilerstruktur 14 einzu dringen. 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. 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. 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.In fuel cell operation, hydrogen is blown into the current collector terelement 15 on the anode side 12 via a connection 21 . The gas is roughly distributed in the cavities identified by the reference numeral 22 in order to then penetrate into the gas distributor structure 14 . The hydrogen is then protonized on the first catalytically active electrode 13 and z. B. the sulfate anions of the membrane electrolyte 1 to the second catalytically active electrode layer 3 . A reducing gas mixture, for example pure oxygen or an oxygen-air mixture, is introduced via the inlet 23 and is introduced into the gas distributor structure 4 via the column 22 of the gas discharge element 5 . The oxygen reacts at the boundary layer 24 between the electrode layer 3 and the electrolyte membrane 1 with the protons in a redox reaction to 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. Daher ist die Gasverteilerstruktur 4 zum Beispiel mit PVDF (Polyviny lidenfluorid) oder PTFE (Polytetrafluoräthylen) hydro phob beschichtet.It now emerges that the gas distributor structure 4 is filled with water pearls or water of reaction by the reaction taking place essentially on the cathode side and thus tends to block with respect to the gas line to the boundary layer 24 . Therefore, the gas distributor structure 4 is coated, for example, with PVDF (polyvinylidene fluoride) or PTFE (polytetrafluoroethylene).
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 conducted via the electrode 13 and the gas distributor structure 14 to the current collector element 15 on the anode side 12 and via the electrode 3 and the gas distributor structure 4 to the current collector element 5 on the cathode side 2 , tapped off and fed, for example, to 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. Wenn nun ein Überangebot an elektrischer Energie vorhanden ist, ist es vorteilhaft, die be schriebene elektrochemische Zelle als reversible Zelle, d. h. auch als Elektrolysezelle einzusetzen.In parallel to this storage medium 26 , an energy generator, for example a solar generator, can also be switched, which also feeds the load, not shown. If there is now an excess supply of electrical energy, it is advantageous to use the electrochemical cell described as a reversible cell, ie also as an 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. 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. In diesem Falle wirkt die Elektrodenseite 2 als Anode und die Elektrodenseite 12 als Kathode.In this case, water is let in via the connection 25 , which advantageously flows via the connection 23 in a circuit 23-25 . This water is then with the help of the current collector elements 5 and 15 and the above gas distributor structures 4 and 14 brought to the redox site electrical energy at the reaction surface 24 separated into its components, so that hydrogen from the connection 21 and from the Connection 23 flows an oxygen-water mixture, which can then be stored again. In this case, the electrode side 2 acts as an anode and the electrode side 12 as a cathode.
Hierbei ist es nun insbesondere notwendig, daß die Gasverteilerstruktur 4 auf der Sauerstoff entwickelnden Seite 2 elektrochemisch stabil ist.It is now particularly necessary that the gas distributor structure 4 on the oxygen-developing side 2 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. Es handelt sich dabei um eine Struktur oder um einen Körper, der als Netz, Vlies, Sinterkörper oder in ähnlicher poröser Struktur vorlie gen kann. Diese Struktur 4 ist weiterhin mit einem hydrophoben Material überzogen, so daß die Gasvertei lerstruktur nicht mit Wasser vollaufen kann. Für den hydrophoben Überzug wird z. B. das schon oben erwähnte Polytetrafluoräthylen verwendet.Therefore, the gas distributor structure 4 consists of an electrochemically stable conductive metal, advantageously of titanium, tantalum, niobium, platinum or an alloy of these. It is a structure or a body that can be in the form of a mesh, fleece, sintered body or similar porous structure. This structure 4 is also coated with a hydrophobic material, so that the gas distributor structure cannot be filled with water. For the hydrophobic coating z. B. uses 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 mat mesh, of interwoven wires, of fibers arranged next to one another or of compressed grains of the described metal or a corresponding alloy.
Eine vergrößerte Darstellung der Gasverteilerstruktur 4 mit den an sie angrenzenden Strukturen ist in der Fig. 2 dargestellt. 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.An enlarged representation of the gas distributor structure 4 with the structures adjoining it is shown in FIG. 2. Fig. 2 shows a schematic, enlarged cross-sectional view of the electrolyte membrane 1, the catalytic electrode layer 3 and the current distributor member 5, between which is embedded Gasvertei lerstruktur. 4
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. 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. Die im wesentlichen zylindrischen Fasern 28 sind zum Beispiel Titanfäden mit einer Dicke von 100 Mikrometern.The current distribution element 5 consists of an electrically conductive, metallic material or of graphite, which has, for example, 1 millimeter wide ribs 27 , between which channels 22 form, through which gas is introduced via the inlets and outlets 23 , 25 and that formed water can be removed. Between these webs 27 of the Stromverteilerele element 5 and the catalyst surface 3 , in the exemplary embodiment of FIG. 2, a single-layer fiber mat 4 is shown, which consists of several fibers 28 lying next to one another. 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. Dabei kann es sich um eine Säure, zum Bei spiel Oxalsäure, oder um eine Lauge handeln. 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.A titanium braid, which consists of the substantially cylindrical titanium fibers 28 , is immersed in an etching liquid for the manufacture of the gas distributor structure 4 . It can be an acid, for example oxalic acid, or an alkali. The result of such a corrosive acid and / or alkali treatment is described in connection with FIG. 3, in which an enlarged two-layer gas distributor 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. Dabei handelt es sich um Kornbereiche des Metalles. 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. Die Flächen der Ausnehmungen gestalten sich dabei im we sentlichen konkav. Die Tiefe der Ausnehmungen ist abhängig von der Stärke der ätzenden Flüssigkeit, der Einwirkdauer und ihrer Temperatur. Die Einwirkzeit sollte zumindest dann beendet werden, wenn die stützen den Verbindungen der Bereiche 33 mit dem Faserkern 32 langsam verbraucht werden.The z. B. used oxalic acid eats in particular along grain boundaries in the fiber core 32 of a titanium wire 28 , with the intermediate regions 33 of the fiber 28 remaining. These are grain areas of the metal. This turns a fiber wire 32 , which is essentially round before the treatment, into a structure which has a plurality of protruding tips 33 and which has material areas 31 removed in the intermediate areas. The surfaces of the recesses are essentially concave. The depth of the recesses depends on the strength of the caustic liquid, the exposure time and its temperature. The exposure time should at least be ended when the supporting connections of the areas 33 to the fiber core 32 are slowly used up.
Neben dem Eintauchen in die genannten Säuren oder Laugen ist es auch möglich, eine solche Struktur durch Plasmaätzen zu erhalten. Dabei ist es möglich durch entsprechendes Anordnen eines Fasernetzes, daß nur die später zu den Strukturen 3 und 5 zeigenden Oberflächen aufgerauht werden. 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 addition to immersion in the acids or bases mentioned, it is also possible to obtain such a structure by plasma etching. By arranging a fiber network accordingly, it is possible that only the surfaces that later show the structures 3 and 5 are roughened. In a simple embodiment of the roughening, this can also be achieved with an abrasive paper. B. a so-called 400-grit sandpaper can be used.
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. Dann ist es auch möglich die besagte zweite Schicht lediglich aufzurauhen und keine hydrophobe Beschichtung bei dieser zweiten Schicht vorzusehen. 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.In the two-layer layer shown, the layer closer to the electrode 3 can consist of titanium, whereas the second, other layer can consist of graphite or a second metal. Then it is also possible to merely roughen said second layer and not to provide a hydrophobic coating for this second layer. The layers can e.g. B. also be made of stainless steel or niobium, and in simple applications, the single layer can consist of the material mentioned.
Die Fig. 4 zeigt nun in weiterer Vergrößerung zwei solche Fasern 28, die in einem Oberflächenbereich aufeinanderstoßen. Nach der Ätzbehandlung und einer nachfolgenden Reinigung sind die verwobenen Drähte oder Streckgitter mit einer Schicht 41 eines hydrophoben Materials überzogen worden. Dieses lagert sich insbe sondere in den Ausnehmungen 31 der Fasern 28 an und führt zu einer ausgeprägten Spitzenbildung im Bereich 33. 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. FIG. 4 shows, in further enlargement of two such fibers 28, which abut each other in a surface region. After the etching treatment and subsequent cleaning, the woven wires or expanded metal have been coated with a layer 41 of a hydrophobic material. This accumulates in particular in the recesses 31 of the fibers 28 and leads to a pronounced tip formation in the area 33 . The hydrophobic layer can be obtained by immersion in the corresponding polymer solution and by subsequent sintering at a temperature corresponding to the polymer of, for. B. 125 degrees Celsius or z. B. 360 degrees Celsius can be adhered better when using 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. 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. 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.In a Aufeinandertref fen of two fiber cores 32 shown in FIG. 4, the points 33 , which consist of hard grain centers 33 , now press into corresponding recesses 31 of the adjacent fiber. The relatively soft hydrophobic polymer mate rial 41 is pushed together in the penetration area 42 , so that the hard grain tip 33 pushes through the polymer layer 41 and penetrates into the metallic core 32 of the adjacent fiber 28 . This results in excellent electrical conductivity between two adjacent fibers 28 , and at the same time wetting and filling of the gas distributor structure 4 can be effectively prevented by the hydrophobic layers 41 being pushed together, in particular because of the opposite 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. 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.Looking back at FIG. 2, it can also be seen that tips 31 of the fiber 28 also penetrate into the ribs 27 of the current conductor element 5 at locations 43 and into the catalytic electrode layer 3 at locations 44 . Thus, in spite of a complete and nowhere destroyed hydrophobic coating 41 of the gas distributor structure 4, it is ensured that a lower electrical contact resistance between the electrodes layer 3 is given over the gas distributor structure 4 to the current conductor element 5 .
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. Insbesondere ver meidet das Aufrauhen auch eine Herabsetzung der Wärme leitfähigkeit von der Elektrode 3 zum Stromableiterele ment 5.In this way, the function is achieved interactively that the electrolytic cell operation can be carried out due to the electrochemically stable metal, but that at the same time an improved conductivity without mass transfer, which leads to an increased effectiveness of the fuel cell, occurs. In particular, the roughening also avoids a reduction in the thermal conductivity from the electrode 3 to the current collector element 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 a fueling point is simplified, since it is now sufficient to mechanically compress the mutually opposite electrode regions 2 and 12 or their current conductor elements 5 and 15 with the correspondingly arranged layers, since the gas distributor structures 4 and 14 by the adjacent surfaces by thrusting grain tips 33 to ensure the necessary electrical contact.
Die erhöhte Leitfähigkeit führt gleichzeitig zu einer gegebenenfalls regelbaren erhöhten Zelltemperatur von z. B. 75 bis 85 Grad Celsius, die die Wärmeabfuhr begün stigt. Dadurch sind höhere elektrische/thermische Leistungen erreichbar.The increased conductivity also leads to a optionally adjustable increased cell temperature of e.g. B. 75 to 85 degrees Celsius, which begin heat dissipation increases. This makes higher electrical / thermal Achievements attainable.
In der Fig. 1 sind die an die Strukturen 5 und 15 angrenzenden Kühlmittelkammern zur effizienten Wärmeab leitung nicht dargestellt. Ebenso sind die zum Betrieb der Brennstoffzelle notwendigen Gasventile, Stromab griffe und Halterungen nicht eingezeichnet. Der hierfür notwendige Aufbau einer entsprechenden Vorrichtung ist dem Fachmann geläufig. 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.In Fig. 1 the adjacent to the structures 5 and 15 coolant chambers for efficient heat dissipation are not shown. Likewise, the gas valves, Stromab handles and brackets required to operate the fuel cell are not shown. The person skilled in the art is familiar with the construction of a corresponding device necessary for this. Finally, it should be noted that the cell shown in FIG. 1 can only be held against one another by pressing the mutually opposing current conductor structures 5 and 15 if a suitable housing is provided, which consequently ensures improved maintainability of the cell.
Insgesamt gestattet die beschriebene Gasverteilerstruk tur eine gute elektrische Leitfähigkeit senkrecht zur Elektrode 3, eine gute elektrische Querleitfähigkeit parallel zur Elektrode 3. Sie ist weiterhin thermisch leitfähig und thermisch stabil im Betriebszustand der beschriebenen Zelle. 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.Overall, the gas distributor structure described permits good electrical conductivity perpendicular to the electrode 3 and good electrical transverse conductivity parallel to the electrode 3 . It is also thermally conductive and thermally stable in the operating state of the cell described. Your pores are gas-permeable even with larger amounts of water and at the same time, the gas distributor structure 4 has only a small pore size or a small mesh size in the 10 micron range, so that there is sufficient contacting and mechanical support is given, the grid used is mechanically stable and elastic at the same time.
Vorteilhafterweise wird eine Gasverteilerstruktur 4 gemäß den folgenden Verfahrensschritten hergestellt. Zuerst wird der poröse Grundkörper, sei es ein Sinter körper, eine Fasermatte oder ein Gitter in einem Lö sungsmittel z. B. in Ultraschall gereinigt. Anschließend wird die gesamte oder Teilbereiche der Oberfläche aufgerauht. Dieses kann chemisch, z. B. mit Säuren und/oder Laugen, physikalisch, z. B. mit Plasma-Ätzen, oder einfach mechanisch durch Anschleifen geschehen. Dann wird der so behandelte Körper zwischengereinigt und anschließend mit einer Emulsion oder Suspension benetzt, die eines der genannten oder ein anderes Hydrophobierungsmittel enthält. Nach dem Trocknen oder Verdampfen des Emulsions-/Suspensionsmittels wird die hydrophobe Schicht 41 gesintert, aufgeschmolzen oder eingebrannt. Eine anschließende Nachreinigung schafft dann den gewünschten aufgerauhten, hydrophoben porösen Gasverteilerkörper 4.A gas distributor structure 4 is advantageously produced in accordance with the following method steps. First, the porous base body, be it a sintered body, a fiber mat or a grid in a solvent z. B. cleaned in ultrasound. Then all or part of the surface is roughened. This can be chemical, e.g. B. with acids and / or alkalis, physically, e.g. B. with plasma etching, or simply done mechanically by grinding. The body treated in this way is then cleaned and then wetted with an emulsion or suspension which contains one of the abovementioned or another hydrophobizing agent. After the emulsion / suspension agent has dried or evaporated, the hydrophobic layer 41 is sintered, melted or baked. Subsequent post-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. 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.This creates a rough, mountainous surface with serrations, edges and tips, which has a much larger surface compared to an untreated comparative body and which is also outstandingly hydrophobic. The roughness in the range from 100 nanometers to a few micrometers creates the aforementioned possibility of piercing the hydrophobic layer 41 when the tips penetrate 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.In addition to titanium, the electrochemically stable fibers 28 can also be produced from the metals tantalum, niobium, platinum or palladium or an alloy of these metals.
Claims (9)
- - des Reinigens eines porösen Grundkörpers in einem Lösungsmittel,
- - des Aufrauhens der gesamten oder von Teilberei chen der Oberfläche des Grundkörpers mit chemischen, physikalischen oder mechanischen Mitteln,
- - des Benetzens des Grundkörpers mit einer Emulsion oder Suspension, die ein Hydrophobierungsmittel ent hält, und
- - des Sinterns, Aufschmelzens oder des Einbrennens der erhaltenen hydrophoben Schicht.
- - cleaning a porous body in a solvent,
- - the roughening of all or part of the surface of the base body by chemical, physical or mechanical means,
- - The wetting of the base body with an emulsion or suspension containing a water repellent ent, and
- - Sintering, melting or baking the hydrophobic layer obtained.
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