DE102007005232A1 - Fuel cell assembly, particularly micro fuel cell, has membrane unit with electrode, which is in form of anode or cathode and current conductor structure has electrically conductive current conductor base body - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung (1) enthält: eine Membraneinheit (2) mit mindestens einer Elektrode in Form einer Anode (3) und/oder einer Kathode (4) sowie mindestens einer Stromableiterstruktur (5), welche einen elektrisch leitfähigen Stromableitergrundkörper (6) enthält, und der Stromableitergrundkörper (6) eine Passivierungsschicht (7) mit darin flächig verteilten Einzelkontakten (8) aufweist, wobei die Einzelkontakte (8) so angeordnet sind, dass sie einerseits eine Elrundkörper (6) elektrisch kontaktieren. Mit der Erfindung ist es möglich, auf kostengünstige Weise korrosionsresistente und daher langzeitstabile Brennstoffzellenanordnungen herzustellen.The present invention relates to a fuel cell assembly and a method for the production thereof. The fuel cell arrangement (1) according to the invention comprises: a membrane unit (2) having at least one electrode in the form of an anode (3) and / or a cathode (4) and at least one current collector structure (5) which contains an electrically conductive current collector base body (6), and the Stromableitergrundkörper (6) has a passivation layer (7) with distributed therein single contacts (8), wherein the individual contacts (8) are arranged so that they on the one hand electrically contact a Elrundkörper (6). With the invention it is possible to produce corrosion-resistant and therefore long-term stable fuel cell arrangements in a cost-effective manner.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.The The present invention relates to a fuel cell assembly as well a process for their preparation.
Ein wesentliches, bis heute nicht befriedigend gelöstes Problem bei der technischen Realisierung von Brennstoffzellen ist die Erzielung eines geringen Kontaktwiderstandes zwischen einer Stromableiterstruktur (zum Beispiel einer Bipolarplatte) und einer Membraneinheit bei gleichzeitig minimaler Korrosion und hoher Langzeitstabilität der Stromableiterstruktur. Dies wird bisher am ehesten durch Bipolarplatten aus Graphit erzielt, die aber in der Herstellung teuer und aufgrund ihrer Sprödbruchgefahr für den mobilen Einsatz Probleme zeigen. Es ist deshalb denkbar, Kompositwerkstoffe als Material für Bipolarplatten zu verwenden, deren elektrische Leitfähigkeit allerdings gering ist. Außerdem ist es bekannt, metallische Bi polarplatten zu verwenden. Metallische Bipolarplatten sind dann korrosionsstabil, wenn sie eine (oxydische) Passivierungsschicht ausbilden, wodurch sich aber der elektrische Kontaktwiderstand dann wiederum stark erhöht.One Essential, until today not satisfactorily solved problem in the technical Realization of fuel cells is achieving a low level Contact resistance between a current collector structure (for example a bipolar plate) and a membrane unit with at the same time minimal Corrosion and high long-term stability of the current collector structure. This is best achieved by bipolar plates made of graphite, but in the production of expensive and because of their brittle fracture risk for the mobile Use problems show. It is therefore conceivable composite materials as material for Bipolar plates to use, however, their electrical conductivity is low. Furthermore It is known to use metallic Bi polar plates. Metallic Bipolar plates are then corrosion-resistant if they have an (oxidic) Form passivation layer, which, however, the electrical Contact resistance then again greatly increased.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzellenanordnung zu schaffen, welche eine Stromableiterstruktur aufweist, die eine hohe Korrosionsstabilität aufweist und trotzdem einen geringen Kontaktwiderstand zu einer Membraneinheit/Elektrode zeigt. Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren soll eine kostengünstige Herstellung, auch im industriellen Maßstab, möglich sein.It Therefore, the object of the present invention is a fuel cell assembly to provide which has a current collector structure, the one high corrosion stability and still has a low contact resistance to a Membrane unit / electrode shows. With the production method according to the invention should be a cost-effective production, also on an industrial scale, to be possible.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Dies ist zunächst eine Brennstoffzellenanordnung, enthaltend eine Membraneinheit mit mindestens einer Elektrode in Form einer Anode und/oder einer Kathode, sowie mindestens einer Stromableiterstruktur, welche einen elektrisch leitfähigen Stromableitergrundkörper enthält, und der Stromableitergrundkörper eine Passivierungsschicht mit darin flächig verteilten Einzelkontakten aufweist, wobei die Einzelkontakte so angeordnet sind, dass sie einerseits eine Elektrode und andererseits den Stromableitergrundkörper elektrisch kontaktieren.These Tasks are solved by the subject matters of the independent claims. This is first a fuel cell assembly containing a membrane unit with at least one electrode in the form of an anode and / or a cathode, and at least one Stromableiterstruktur which an electric conductive Stromableitergrundkörper contains and the current collector body a Passivierungsschicht with distributed therein single contacts having, wherein the individual contacts are arranged so that they on the one hand an electrode and on the other hand, the Stromableitergrundkörper electrically to contact.
Die Stromableiterstruktur, welche eine einfache Stromableiterplatte bzw. Teil einer Bipolarplatte sein kann, ist erfindungsgemäß so aufgebaut, dass diese zur elektrischen Anbindung an eine Membraneinheit aufgrund der hohen elektrischen Leitfähigkeit der Einzelkontakte einen geringen Kontaktwiderstand aufweist. Hierbei ist die Grundidee, dass die Einzelkontakte flächig verteilt sind über die Oberfläche der Stromableiterstruktur und mit dem – vorzugsweise aus Metall gefertigten – Stromableitergrundkörper in elektrischem Kontakt sind. Die Einzelkontakte sind hierbei in einer isolierenden Beschichtung eingebracht. Das heißt, dass die zur Membraneinheit bzw. zu der bestimmten Elektrode der Membraneinheit hin gerichtete Oberfläche der Stromableiterstruktur "zweiflächig" aufgebaut ist. Zum einen sind die flächig verteilten Einzelkontakte vorgesehen, welche die eigentliche elektrische Kontaktierung vornehmen. Zum anderen sind die Einzelkontakte mit passiviertem, korrosionsstabilem Material umgeben.The Current collector structure, which is a simple current collector plate or part of a bipolar plate, is constructed according to the invention that this is due to electrical connection to a membrane unit high electrical conductivity the individual contacts has a low contact resistance. in this connection is the basic idea that the individual contacts are spread over the Surface of the Stromableiterstruktur and with the - preferably made of metal - Stromableitergrundkörper in are electrical contact. The individual contacts are here in one introduced insulating coating. This means that the membrane unit or directed to the particular electrode of the membrane unit surface of the Stromableiterstruktur "two-layered" is constructed. To the one are the area distributed individual contacts provided which the actual electrical Make contact. On the other hand, the individual contacts with surrounded by passivated, corrosion-resistant material.
Durch diese "Aufgabenteilung" ist einerseits bei Wahl von hochleitfähigen und nicht korrodierbaren Metallen für die Einzelkontakte eine genügende Gesamtleitfähigkeit gegeben, andererseits wird der Rohstoffverbrauch nur auf das notwendige Maß beschränkt, da keine ganzflächige Belegung mit beispielsweise einem Edelmetall erfolgen muss. Hinzu kommt ein (beispielsweise bei mechanischer Verformung der Stromableiterstruktur mögliche) Ablösung von Metall kaum in Frage, da die Fläche zum Stromableitergrundkörper hier deutlich minimiert ist. Auch eine Ablösung durch Spannungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten kann vermieden werden, indem die Ausdehnungskoeffizienten und der E-Modul, vor allem der Passivierungsschicht sehr gut angepasst werden kann.By This "division of responsibilities" is on the one hand Choice of highly conductive and non-corrodible metals for the individual contacts a sufficient total conductivity given, on the other hand, the raw material consumption only on the necessary Dimension limited, there no full-surface Occupancy with, for example, a precious metal must be made. Come in addition a (for example, in mechanical deformation of the current collector structure possible) Replacement of Metal hardly in question, because the area to the current collector base body clearly minimized here. Also a replacement due to tensions different thermal expansion coefficient can be avoided be by the expansion coefficients and the modulus of elasticity, before especially the passivation layer can be adapted very well.
Um die Korrosionsfestigkeit über lange Zeiträume zu gewährleisten ist auch eine gute Anpassung der Materialien und Technologien zwischen den elektrisch leitfähigen Kontakten und dem Isolationsbereich dazwischen wichtig. Hier darf es zu keiner Bildung von Spalten oder Rissen kommen, entlang derer ein Stoff transport erfolgen könnte. Man würde auch für eine alkalische Brennstoffzelle andere Materialien verwenden, als für eine Brennstoffzelle bei der die Ionenleitfähigkeit durch Säuregruppen erzeugt wird.Around the corrosion resistance over long periods to ensure is also a good adaptation of materials and technologies between the electrically conductive Contacts and the isolation area in between. Here may there is no formation of gaps or cracks along which a fabric transport could be done. You would too for one alkaline fuel cell use materials other than for a fuel cell at the ionic conductivity by acid groups is produced.
In der besonders aggressiven alkalischen Umgebung könnte die Grundfläche, auf der sich die Edelmetallkontakte befinden mit einem Metall wie Magnesium, Titan oder Zirkon beschichtet sein, welches eine natürliche Oxidschicht bildet, die in der Grenzfläche mit dem darauf abgeschiedenen Polymer als Korrosionsschutzschicht, sehr stabil gegenüber einem Laugenangriff ist. Als Polymere sind dafür besonders geeignet Polyamid oder Werkstoffe wie Bitumen oder Asphalt.In The most aggressive alkaline environment could be the footprint the precious metal contacts are with a metal like magnesium, Titanium or zirconium coated, which is a natural oxide layer forms in the interface with the polymer deposited thereon as a corrosion protection layer, very stable opposite a lye attack is. As polymers are particularly suitable polyamide or materials such as bitumen or asphalt.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren sieht vor, dass ein Stromableitergrundkörper mit in einer isolierenden Beschichtung flächig verteilten Einzelkontakten versehen wird und anschließend die Einzelkontakte in elektrische Verbindung mit einer Elektrode der Membraneinheit gebracht werden.The Production method according to the invention provides that a Stromableitergrundkörper with in an insulating Coating flat Distributed individual contacts is provided and then the individual contacts in electrical connection with an electrode of the membrane unit to be brought.
Dieses Verfahren ist auch in Mikrostrukturen sehr einfach herzustellen und empfiehlt sich daher für die kostengünstige industrielle Herstellung.This process is also very easy to produce in microstructures and is therefore recommended for the cost-effective industrial production.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die elektrischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften der Oberflächenbeschichtung nicht in einem einzigen Material optimiert werden müssen, sondern praktisch auf zwei Materialien (isolierende Beschichtung zum Ausgleich von mechanischen Spannungen etc. und Herstellung einer guten elektrischen Leitfähigkeit durch die Einzelkontakte) aufgeteilt werden.One Advantage of the invention is that the electrical, mechanical and chemical properties of the surface coating not in one single material must be optimized, but practically on two materials (insulating coating to compensate for mechanical stress etc. and producing a good electrical conductivity divided by the individual contacts).
So sollte das Kontaktmaterial der Einzelkontakte vor dringlich eine gute elektrische Leitfähigkeit, Haftung auf dem Stromableitergrundkörper sowie eine gute Korrosionsresistenz aufweisen. Der thermische Ausdehnungskoeffizient und die Duktilität dieses Materials sind aber von viel geringerer Bedeutung, da immer nur sehr kleine zusammenhängende Flächen mit dem Stromableitergrundkörper verbunden sind. Auch der Materialpreis kann viel höher sein, ohne die Gesamtkosten in die Höhe zu treiben, da nur eine geringe Substratfläche damit beschichtet wird (es ist daher sogar möglich, Gold für die Einzelkontakte zu verwenden).So should the contact material of the individual contacts before an urgent good electrical conductivity, adhesion on the current collector body and have a good corrosion resistance. The thermal expansion coefficient and the ductility but this material is of much lesser importance, as always only very small contiguous surfaces with the current collector body are connected. Also the material price can be much higher, without the total costs in the amount to drive, since only a small substrate surface is coated with it (it is therefore even possible Gold for to use the individual contacts).
Die Passivierungsschicht dagegen benötigt keine elektrische Leitfähigkeit und kann für eine optimale Haftung, Duktilität und chemische Beständigkeit ausgelegt werden. Hier ist vor allem der Einsatz von Polymeren möglich. Hierdurch wird es möglich, beispielsweise ein Blech mit flächig verteilten Einzelkontakten sowie einer zwischen den Einzelkontakten angeordneten Passivierung zu beschichten und anschließend zu verformen, ohne, dass (wie bei einer Gesamtbeschichtung mit dem Edelmetall) Defekte oder Risse auftreten. Aber auch in der Wahl des Materials für den Stromableitergrundkörper sind noch größere Freiheiten gegeben. So kann hier zum Beispiel Kupfer oder Aluminium mit einer sehr hohen Leitfähigkeit eingesetzt werden. Diese sonst so korrosionsanfälligen, aber kostengünstigen und im nicht korrodierten Zustand gut leitfähigen Materialien werden durch die isolierende Schicht so abgedeckt, dass es zu keiner Beeinträchtigung der Gesamtleitfähigkeit der Stromableiterstruktur kommt. Anzumerken ist außerdem, dass die Korrosion und damit die Langzeitstabilität auch stark von den Einsatzparametern der Brennstoffzelle (Spannung, Leistungsdichte, Temperatur) und der Art der Brennstoffzelle (Wasserstoff-PEM, DMFC, DEFC) ab hängig sind. Der Kontaktwiderstand als Funktion des Anpressdrucks ist neben der elektrischen Leitfähigkeit der Materialien auch von den mechanischen Eigenschaften (E-Modul, Kompressionsmodul) und der Dicke der Schichten (insbesondere eines weicheren Partners, etwa einer Gasdiffusionslage, welche an der Membraneinheit angebracht ist) abhängig. Auf diese Anforderungen kann durch eine entsprechende Abstimmung der hier genannten Materialien gut reagiert werden.The Passivation layer, however, does not require any electric conductivity and can for optimum adhesion, ductility and chemical resistance be interpreted. Here, above all, the use of polymers is possible. hereby it becomes possible, for example a sheet with flat distributed individual contacts and one arranged between the individual contacts Passivation to coat and then deform, without that (as in a total coating with the precious metal) defects or Cracks occur. But also in the choice of material for the Stromableitergrundkörper are even greater freedom given. For example, here can be copper or aluminum with a very high conductivity be used. These otherwise so prone to corrosion, but cost-effective and in the non-corroded state, good conductive materials are passed through The insulating layer is covered so that it does not interfere the total conductivity the current collector structure comes. It should also be noted that the corrosion and thus the long-term stability also strong of the operational parameters of the fuel cell (voltage, power density, temperature) and the type of fuel cell (hydrogen PEM, DMFC, DEFC) are dependent. The contact resistance as a function of the contact pressure is in addition to the electrical conductivity of the materials also from the mechanical properties (modulus of elasticity, Compression modulus) and the thickness of the layers (in particular a softer partner, such as a gas diffusion layer, which at the Membrane unit attached) depends. To these requirements can by an appropriate vote of the materials mentioned here to be well reacted.
Es ist vorzugsweise darauf zu achten, dass der mittlere Abstand zwischen den leitfähigen Einzelkontakten so gering ist, dass der Spreizungswiderstand in der Membraneinheit (Elektroden- bzw. Gasdiffusionsschicht) vernachlässigbar ist.It It is preferable to ensure that the mean distance between the conductive one Single contacts is so low that the spreading resistance in the membrane unit (electrode or gas diffusion layer) negligible is.
Die vorliegende Anordnung ist für Aufbauten (Membraneinheiten) mit oder ohne zusätzlicher verwendeter Gasdiffusionslage möglich. Hierbei ist die gesamte Oberfläche der Stromableiterstruktur mit den Einzelkontakten beschichtbar, oder auch nur ein Bereich der Stege, die in direktem Kontakten zur Membraneinheit stehen. Als Anwendungsgebiet kommen alle Brennstoffzellen mit planarem Zellen- bzw. Stackaufbau in Frage, insbesondere Mikrobrennstoffzellen, Folienbrennstoffzellen, portable Brennstoffzellen, allesamt geeignet zur Integration in elektrische Geräte, Kleidungsstücke oder Fahrzeuge.The this arrangement is for Superstructures (membrane units) with or without additional gas diffusion layer used possible. Here is the entire surface the current collector structure can be coated with the individual contacts, or even just a portion of the webs that are in direct contact with the membrane unit stand. As application area, all fuel cells come with planar Cell or stack construction in question, in particular micro fuel cells, Foil fuel cells, portable fuel cells, all suitable for integration into electrical appliances, garments or Vehicles.
Der notwendig Anpressdruck zwischen der Bipolarplatte bzw. der Stromableiterstruktur und der Elektroden- bzw. Gasdiffusionsschicht der Brennstoffzelle sowie der elektrische Kontaktwiderstand wird gleichzeitig verringert, indem auf der Oberfläche der Bipolplatte bzw. der Stromableiterstruktur fein verteilte, erhabene elektrische Kontakte aufgebracht werden, die von einer korrosionsstabilen Beschichtung umgeben sind. Der mittlere Abstand zwischen den Einzelkontakten ist so gering, dass der Spreizungswiderstand in der Elektroden- bzw. Gasdiffusionsschicht vernachlässigbar ist. Ragen die vorzugsweise aus einem Edelmetall oder mit einer Edelstahlbeschichtung versehenen Kontakte deutlich über die Oberfläche der Bipolplatte bzw. Stromableiterstruktur hinaus, so entsteht in der Elektroden- bzw. Gasdiffusionsschicht ein dreidimensionaler elektrischer Kontakt, was den Kontaktwiderstand weiter herabsetzt. Da die Mikrokontaktstruktur nur auf den Stegen der Bipolarplatten bzw. der Stromableiter hergestellt wird und dort auch nur einen gewissen Prozentsatz der Gesamtoberfläche einnimmt, kann der Edelmetalleinsatz minimiert werden. Werden die Mikrokontakte als Strukturen mit einem sehr hohen Aspektverhältnis hergestellt (Säulenstrukturen, "Nano-Rasen"), so entsteht beim Verpressen mit der Elektroden- bzw. Gasdiffusionsschicht der Brennstoffzelle eine selbständige Verankerung, so dass anschließen der Anpressdruck aufgehoben werden kann, ohne dass der Kontaktwiderstand zunimmt. Auf diese Weise wird der Kontaktwiderstand auch durch unterschiedliche thermische Ausdehnung oder durch Quellung bedingte Relativbewegung nicht erhöht. Als Substrat für die Mikrokontaktstruktur dienen Metalle oder Metallisierungen, wodurch sich kostengünstige und leichte Brennstoffzellen herstellen lassen.Of the necessary contact pressure between the bipolar plate or the Stromableiterstruktur and the electrode or Gas diffusion layer of the fuel cell and the electrical contact resistance is simultaneously reduced by on the surface of the bipolar plate or the Current collector structure finely distributed, raised electrical contacts be applied by a corrosion-resistant coating are surrounded. The mean distance between the individual contacts is so small that the spreading resistance in the electrode or gas diffusion layer is negligible. The prefer made of a precious metal or provided with a stainless steel coating Contacts clearly over the surface the bipolar plate or Stromableiterstruktur addition, it arises in the electrode or gas diffusion layer is a three-dimensional electrical contact, which further reduces the contact resistance. There the microcontact structure only on the webs of the bipolar plates or the current conductor is made and there only a certain Percentage of total surface takes the precious metal can be minimized. Will the Micro-contacts manufactured as structures with a very high aspect ratio (Column structures, "Nano-turf"), arises during the Pressing with the electrode or gas diffusion layer of the fuel cell an independent one Anchoring, so connect The contact pressure can be canceled without the contact resistance increases. In this way, the contact resistance is also due to different thermal Expansion or relative movement due to swelling is not increased. When Substrate for the Micro-contact structure serve metals or metallizations, thereby cost-effective and make light fuel cells.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.advantageous Developments of the present invention described in the dependent claims.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Einzelkontakte Kontaktspitzen aufweisen und die Kontaktspitzen der Einzelkontakte zur Erhöhung der Kontaktfläche mit der Membraneinheit in eine Elektroden- und/oder Gasdiffusionslage der Membraneinheit reib- und/oder formschlüssig eingebracht sind.A advantageous development provides that the individual contacts contact tips and the contact tips of the individual contacts to increase the contact area with the membrane unit in an electrode and / or gas diffusion layer of the membrane unit friction and / or positively introduced are.
Hierdurch kann auf einen Anpressdruck der Stromableiterstruktur auf die Membraneinheit während des Betriebs der Brennstoffzelle unter Umständen sogar gänzlich verzichtet werden. Zumindest kann hierdurch aber der Anpressdruck geringer ausgeführt sein. Außerdem ist durch das Eindringen der Einzelkontakte in die Elektrode- bzw. Gasdiffusionslage eine noch größere Kontaktfläche gegeben (da auch seitliche Kontaktierung gegeben ist), hiermit sind sogar Gesamtkontaktflächen möglich, welche größer sind als die planare Plattenfläche der Stromableiterstruktur.hereby can be based on a contact pressure of the current collector structure on the membrane unit while The operation of the fuel cell may even be omitted altogether become. But at least this can reduce the contact pressure accomplished be. Furthermore is due to the penetration of the individual contacts in the electrode or Gas diffusion layer given an even larger contact area (since lateral contact is given), hereby are even Total contact surfaces possible, which are bigger as the planar plate surface the current collector structure.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Einzelkontakte ebenfalls bereichsweise mit einer korrosionsstabilen Beschichtung beschichtet sind. Beispielsweise kann (bis auf die Einzelkontaktspitze, welche zwingend mit dem höchstleitfähigen Edelmetall versehen sein sollte) auch der Fußbereich des Einzelkontaktes bis zu einer gewissen Höhe beschichtet sein.A Another advantageous embodiment provides that the individual contacts also partially with a corrosion-resistant coating are coated. For example, (except for the single contact tip, which mandatory with the highly conductive precious metal should be provided) and the foot of the individual contact up to a certain height be coated.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Kontaktspitzen der Einzelkontakte in die Membraneinheit eingesteckt sind oder sogar so ausgeführt sind (zum Beispiel "pilzförmig"), dass sie die Membraneinheit bereichsweise hintergreifen.A Another advantageous embodiment provides that the contact tips the individual contacts are plugged into the membrane unit or even so executed are (for example, "mushroom-shaped") that they are the membrane unit in some areas.
Die Einzelkontakte können vollständig aus Edelmetall sein (beispielsweise Gold, Silber oder Platin). Es ist allerdings auch möglich (dies gilt insbesondere für "erhabene" Kontakte, welche über die Hauptebene der Isolierschicht hinausragen), dass die Edelmetallbeschichtung auf einen Kernkörper erfolgt, welcher aus einem Metall, einem Polymermaterial oder aus einem keramischen Material besteht. Dieser Kernkörper kann unter Umständen auch integraler Bestandteil des Stromableitergrundkörpers sein. Es ist aber zu beachten, dass der Kernkörper, falls aus Polymer oder Keramik, elektrisch leitfähig sein muss oder zumindest eine leitfähige Deckschicht besitzt, die dann letzten Endes alle Einzelkontakte, z. B. Gold-Kontaktpunkte miteinander verbindet.The Single contacts can Completely made of precious metal (for example gold, silver or platinum). It is also possible (This is especially true for "sublime" contacts, which are beyond the main level protrude the insulating layer) that the noble metal coating on a core body takes place, which consists of a metal, a polymer material or a ceramic material. This core may also be be an integral part of the Stromableitergrundkörpers. It is too note that the core body, if made of polymer or ceramic, must be electrically conductive or at least a conductive Cover layer, which ultimately has all the individual contacts, z. B. Gold contact points together.
Die Kontaktwiderstände der Einzelkontakte zu der Membraneinheit hin sollten zwischen 1 Milliohm und 10 illiohm pro Quadratzentimeter betragen.The contact resistance of the individual contacts to the membrane unit should be between 1 Milliohm and 10 illiohm per square centimeter.
Die Einzelkontakte sollen hierbei einen Durchmesser zwischen 0,1 Mikrometer und 1000 Mikrometer, vorzugsweise zwischen 1 Mikrometer und 100 Mikrometer, besonders vorzugsweise zwischen 50 Mikrometer und 100 Mikrometer aufweisen.The Single contacts should have a diameter between 0.1 microns and 1000 microns, preferably between 1 microns and 100 Micrometer, more preferably between 50 microns and 100 Have micrometer.
Die Kontaktspitzen können entweder plan zu der elektrischen Beschichtung sein, so dass es sich insgesamt um eine einheitliche Ebene handelt. Wenn die Kontaktspitzen über die Ebene der zu der Membraneinheit hin orientierten Oberfläche der Isolierschicht hinausragen, sollte dieses Hinausragen vorzugsweise zwischen 100 Mikrometer und 1000 Mikrometer betragen.The Contact tips can either plan to be the electrical coating, so it overall, it is a single level. When the contact tips over the Level of the membrane unit towards the surface oriented Protruding insulating layer, this protrusion should preferably between 100 microns and 1000 microns.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Abstand der Mittelachsen benachbarter Einzelkontakte zueinander zwischen 10 Mikrometer und 1000 Mikrometer beträgt. Für gekrümmte Einzelkontakte wird die Mittelachse hier durch Näherung bestimmt (also durch eine lineare Näherung der Flächenschwerpunkte der Querschnittsflächen).A Another advantageous embodiment provides that the distance of the Central axes of adjacent individual contacts to each other between 10 Micrometer and 1000 microns. For curved individual contacts is the Central axis determined here by approximation (ie by a linear approximation the centroids the cross-sectional areas).
Die Dicke einer eventuell Gasdiffusionslage an der Membraneinheit beträgt vorzugsweise zwischen 50 Mikrometern und 1000 Mikrometern.The Thickness of any gas diffusion layer on the membrane unit is preferably between 50 microns and 1000 microns.
Die Gasdiffusionslage kann zur Erhöhung der Leitfähigkeit mit der übrigen Membraneinheit mechanisch verbunden sein, hierdurch wird der Kontaktwiderstand durch unterschiedliche thermische Ausdehnung oder Quellung der beteiligten Partner und die dadurch entstehenden Relativbewegung nicht erhöht.The Gas diffusion layer can increase the conductivity with the rest Membrane unit be mechanically connected, thereby the contact resistance by different thermal expansion or swelling of the involved Partner and the resulting relative movement is not increased.
Die vorgesehene Stromableiterstruktur ist für eine Vielzahl verschiedener Brennstoffzellen anwendbar. So kann die Stromableiterstruktur Teil einer Stromableiterplatte/Monopolarplatte oder auch einer Bipolarplatte sein. Die Brennstoffzellenanordnung kann auch planar ausgeführt sein und eine Gesamtdicke zwischen 100 Mikrometern und 1000 Mikrometern aufweisen (diese Dickenangabe bezieht sich auf eine Membraneinheit mit beidseitig angeordneten monopolaren Stromableiterstrukturen).The provided Stromableiterstruktur is for a variety of different Fuel cell applicable. So the current collector structure part a Stromableiterplatte / monopolar plate or a bipolar plate be. The fuel cell assembly may also be designed planar and a total thickness between 100 microns and 1000 microns (This thickness refers to a membrane unit with monopolar current collector structures arranged on both sides).
Erfindungsgemäß ist außerdem ein Brennstoffzellenstack, bei dem die einzelnen Zellen aus Stromableitern oder Bipolarplatten bestehen, welche oben beschrieben wurde.According to the invention is also a Fuel cell stack, in which the individual cells from Stromabitern or bipolar plates described above.
Außerdem erfindungsgemäß ist eine planare Brennstoffzellenanordnung sehr geringer Höhe, die aus einer fünlagigen Membraneinheit mit verpresster Gasdiffusionslage besteht und aufgrund der mechanischen/elektrischen Verankerung der Stromableiter/Kanalstrukturen mit der fünflagigen Membraneinheit mit sehr kleinem Anpressdruck montiert werden kann, so dass damit keine massiven Andruckplatten oder Endplatten benötigt werden.In addition, according to the invention is a planar fuel cell assembly of very low height, made of a five-fold Membrane unit with compressed gas diffusion layer exists and due the mechanical / electrical anchoring of current conductors / channel structures with the five-ply Membrane unit can be mounted with very low contact pressure, so that no massive pressure plates or end plates are needed.
Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren ist es möglich, dass die Einzelkontakte in einen Stromableitergrundkörper zunächst eingesteckt oder aufgesteckt werden und dann anschließend mit der Membraneinheit so verpresst werden, dass die Kontaktspitzen der Einzelkontakte reib- und/oder formschlüssig in der Membraneinheit verankert sind. Hierdurch ergibt sich eine besonders gute Leitfähigkeit aufgrund hoher Überdeckungsflächen, auch der Anpressdruck kann gering gehalten werden.In the manufacturing method according to the invention, it is possible that the individual contacts in a Stromableitergrundkörper first inserted or plugged and then subsequently be pressed with the membrane unit so that the contact tips of the individual contacts are frictionally and / or positively anchored in the membrane unit. This results in a particularly good conductivity due to high coverage areas, and the contact pressure can be kept low.
Die Einzelkontakte können allerdings auch durch Beschichtung, vorzugsweise durch Beschichtung von Erhebungen des Stromplattengrundkörpers entstehen. Die Einzelkontakte können auch in einer Resiststruktur aufwachsen, welche anschließend entfernt wird, hierdurch werden "Pilzformen", welche dann beispielsweise eine Gasdiffusionslage hintergreifen, möglich. Außerdem sind viele vielfältige Verfahren der Mikrostrukturierung möglich, so sind Einzelkontakte auch durch Züchtung eines "Nano-Rasens" oder durch Aufwachsen von Carbon-Nano-Tubes (CNT) möglich, vielfältige Anwendungen der CVD- oder PVD- sind anwendbar.The Single contacts can but also by coating, preferably by coating arise from surveys of Stromplattengrundkörpers. The individual contacts can also grow up in a resist structure, which is subsequently removed becomes, thereby "mushroom forms", which then for example engage behind a gas diffusion layer, possible. There are also many different procedures the microstructuring possible, Individual contacts are also by breeding a "nano-lawn" or by growing up carbon nanotubes (CNT) possible, diverse Applications of CVD or PVD are applicable.
Als Vorteil der herausragenden Einzelkontakte (Mikrokontakte) können zwei Aspekte herausgestellt werden: Verringerung des elektrischen Kontaktwiderstands und Verringerung der mechanischen Anpresskraft, um einen kleinen Kontaktwiderstand zu bekommen. Dadurch, dass man mit kleinerem (oder gar keinem) Anpressdruck auskommt, kann man die Brennstoffzelle dünner, leichter ausführen da keine Anpressplatten benötigt werden.When Advantage of the outstanding single contacts (micro contacts) can be two Aspects are highlighted: reduction of electrical contact resistance and reducing the mechanical contact force to a small To get contact resistance. The fact that you with smaller (or even no) pressure, you can make the fuel cell thinner, lighter To run because no pressure plates needed become.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Stromableiterstruktur zu der Elektrode hin zusätzlich eine gitterförmige Struktur aufweist, welche zur verbesserten elektrischen Leitfähigkeit bereichsweise bzw. punktweise mit Edelmetall beschichtet ist.A Further advantageous embodiment provides that the current collector structure in addition to the electrode a grid-shaped Has structure, which for improved electrical conductivity in areas or pointwise coated with precious metal.
Für Methanolbrennstoffzellen sowie bei offenen Kathodenseiten verwendet man als Stromableiter auch Streckmetalle, Gitter, Gewebe aus Metall oder perforierte Metallfolien. Bei bestimmten Aufbauten liegen diese Gitter auch zwischen der Membranelektrodeneinheit/Gasdiffusionslage und einer Stromableiterplatte oder Flowfield-Platte mit größeren Strukturabmessungen. Als Metalle selbst wird Edelstahl, Kupfer, Titan oder Nobium verwendet.For methanol fuel cells as well as with open cathode sides one uses as Stromableiter expanded metal, mesh, metal mesh or perforated metal foils. In certain constructions, these grids also lie between the membrane electrode assembly / gas diffusion layer and a current collector plate or flowfield plate with larger structure dimensions. The metals themselves are stainless steel, copper, titanium or Nobium.
Meist werden diese Gitter ganzflächig mit Edelmetall wie Gold oder Platin beschichtet. Hier könnte man entsprechend der Erfindung nur die äußeren Bereiche, die jeweils im Kontakt zur Gasdiffusionslage oder zu den Stromableiterplatten/Flowfields stehen lokal mit Edelmetall beschichten. Sinnvoll wäre, Kupfer zunächst mit einer ganzflächigen Schutzschicht aus Nobium oder Titan zu beschichten und dann die punktförmige Gold oder Platin Kontakte herzustellen.Most of time These grids are over the entire surface coated with precious metals like gold or platinum. Here you could according to the invention, only the outer regions, respectively in contact with the gas diffusion layer or the current collector plates / flowfields stand locally with precious metal coatings. It makes sense, copper first with a full-surface protective layer from Nobium or titanium to coat and then the point-shaped gold or make platinum contacts.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen werden in den anderen abhängigen Ansprüchen beschrieben.Further advantageous developments are described in the other dependent claims.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:The The present invention will now be explained with reference to several figures. It demonstrate:
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Elektrodenschicht der MEA bereits von einer solchen Posität und Dicke, außerdem die Kanalstruktur der Stromablei terstruktur sehr fein strukturiert (Kanalbreiten zwischen 10 Mikrometer und 1 Millimeter), so dass hier keine weitere Gasdiffusionslage benötigt wird und die Stromableiterstruktur (bzw. Bipolarplatte) mit der oberflächlichen Mikrokontaktstruktur, welche die Einzelkontakte enthält, direkt auf die Elektrodenschicht der Anode bzw. Kathode aufgepresst werden kann. Dieses ist insbesondere ein vorteilhafter Aufbau für dünne, folienartige, planare oder Mikrobrennstoffzellen.In the present embodiment, the electrode layer of the MEA is already of such a positivity and thickness, also the channel structure of the Stromablei terstruktur very fine structured (channel widths between 10 microns and 1 millimeter), so that no further gas diffusion layer is needed here and the Stromableiterstruktur (or. Bipolarplatte) with the superficial micro-contact structure, which contains the individual contacts, can be pressed directly onto the electrode layer of the anode or cathode. This is in particular an advantageous structure for thin, foil-like, planar or Mi. krobrennstoffzellen.
Die
Einzelkontakte
Wie
in
Zur Einsparung von Edelmetall kann der Stromableitergrundkörper für sich genommen bereits aus seiner Oberfläche ragende Erhebungen haben, welche dann nur noch beschichtet werden mit einem Edelmetall. Neben diesen Kernkörpern aus Metall kann auch ein entsprechender zu beschichtender Kern der Einzelkontakte aus einem Polymermaterial oder einem keramischen Material sein. Es ist aber zu beachten, dass der Kernkörper, falls aus Polymer oder Keramik, elektrisch leitfähig sein muss oder zumindest eine leitfähige Deckschicht besitzt, die dann letzten Endes alle Einzelkontakte, z. B. Gold-Kontaktpunkte miteinander verbindet.to Savings of precious metal can be taken from the Stromableitergrundkörper itself already out of its surface have protruding surveys, which are then only coated with a precious metal. Besides these core metal bodies can also a corresponding core of the individual contacts to be coated a polymeric material or a ceramic material. It is but to note that the core body, if made of polymer or ceramic, must be electrically conductive or at least a conductive Cover layer, which ultimately has all the individual contacts, z. B. Gold contact points together.
Vorliegend
beträgt
der Kontaktwiderstand der Einzelkontakte
Der
Abstand der Mittelachsen benachbarter Einzelkontakte zueinander
beträgt
(siehe Abstand w in
Mit
der vorliegenden Anordnung, welche beispielsweise für die planare
Folienbrennstoffzelle aus
In einer Variante können die erfindungsgemäßen Einzelkontakte "gezielt" angebracht werden, es sich also nicht um eine Beimengung von Partikeln in ein Polymer etc. handelt, um die Leitfähigkeit über eine Gesamtfläche zu erhöhen. Stattdessen wird in dieser Variante ganz bewusst eine strukturierte Aufgliederung zweier Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaftsprofilen beabsichtigt. Die erfindungsgemäße Kontaktstruktur wird in einer zweiten Vairante z. B. dadurch hergestellt, dass auf einem elektrisch leitfähigem Grundkörper ein mit leitfähigen Partikeln (Gold- oder Silberkörner, -Flakes) gefülltes Polymer aufgebracht und ausgehärtet wird. Die Form und Dichte der Partikel ist hierbei so beschaffen, dass immer elektrisch leitfähige Pfade von dem leitfähigen Grundkörper zu Oberfläche entstehen. Dies kann während der Aushärtung durch Anpressen einer anschließend zu entfernenden Platte befördert werden. Um die leitfähigen Kontakte vorstehen zu lassen könnte anschließend eine selektive Ätzung des Polymers z. B. mit reaktivem Ionenätzen erfolgen. Die Kontakte müssen also nicht in gleichmäßigen Abständen verteilt sein, es gibt einen mittleren Abstand.In a variant can the individual contacts according to the invention are "targeted" attached, it It is not a matter of adding particles to a polymer etc. is about the conductivity over a total area to increase. Instead, in this variant is deliberately a structured Breakdown of two materials with different property profiles intended. The contact structure according to the invention is in a second Vairante z. B. made by that on an electrically conductive body one with conductive Particles (gold or silver grains, Filled) Polymer applied and cured becomes. The shape and density of the particles is in this case, that always electrically conductive Paths from the conductive body to surface arise. This can be done during the curing by pressing one afterwards transported to be removed plate become. To the conductive Could make contacts subsequently a selective etching of the polymer z. B. with reactive ion etching. The contacts have to so not distributed evenly There is a medium distance.
Außerdem ist zu sagen, dass die Einzelkontakte mit hoher Leitfähigkeit (auch um den Spreizungswiderstand niedrig zu halten) in sehr kleinem Abstand zueinander angebracht sind. Es handelt sich hierbei vorzugsweise um Kontakte, welche vorzugsweise um eine Größenordnung kleiner sind als beispielsweise in Messzellen, bei denen bereichsweise die Leitfähigkeit mit Hilfe herausstehender Kontakte ermittelt werden kann. Außerdem sind vorliegend im Gegensatz zu den Einzelkontakten in Messzellen alle Kontakte mit dem gleichen elektrisch leitfähigen Grundkörper verbunden, also (abgesehen von Inhomogenitäten der Brennstoffzelle) alle auf dem gleichen Potential liegen.Besides that is to say that the single contacts with high conductivity (also to keep the spreading resistance low) in a very small distance attached to each other. These are preferably around contacts, which are preferably smaller by an order of magnitude than For example, in measuring cells, in some areas, the conductivity can be determined with the help of protruding contacts. Besides, they are present in contrast to the individual contacts in measuring cells all contacts connected to the same electrically conductive body, So (apart from inhomogeneities the fuel cell) are all at the same potential.
Werden
beispielsweise die Kontakte galvanisch in einer Resiststruktur hergestellt,
die anschließend
entfernt wird, so lässt
sich durch Überwachen über den
Resist eine Pilzstruktur
Es
können,
wie in
Dieser
Widerstand (Spreizungswiderstand, Spreading-Resistance) ist vom Abstand und Durchmesser
der Kontakte und der Leitfähigkeit ρ der Schichten
abhängig,
bei dünnen
Schichten auch von der Dicke der Schicht. Besteht das Substrat (also auch
der Stromableitergrundkörper)
aus Metall (Kupfer oder Aluminium bzw. Edelstahl) kann der Spreizungswiderstand
dort gegenüber
dem Spreizungswiderstand in der Elektrodenschicht oder Gasdiffusionslage
der Membraneinheit vernachlässigt
werden. Die Leitfähigkeit
von Stahl ist gegenüber
der Leitfähigkeit
von den üblichen
Gasdiffusionslagen derart hoch, dass vermutlich die Leitfähigkeit
der Gasdiffusionslage letztlich für den Spreizungswiderstand maßgebend
ist. Der Spreizungswiderstand entsprechend
Je
größer der
Schichtwiderstand des Stromableitergrundkörpers
In
Zur
Herstellung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnungen
wird jeweils ein Stromableitergrundkörper mit in einer Passivierungsschicht flächig verteilten
Einzelkontakten
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