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DE19757077C2 - Verfahren zur Herstellung von porösen, flächenhaften Komponenten für eine Brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von porösen, flächenhaften Komponenten für eine Brennstoffzelle

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DE19757077C2 DE19757077A DE19757077A DE19757077C2 DE 19757077 C2 DE19757077 C2 DE 19757077C2 DE 19757077 A DE19757077 A DE 19757077A DE 19757077 A DE19757077 A DE 19757077A DE 19757077 C2 DE19757077 C2 DE 19757077C2
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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von porösen, flächenhaften Komponenten für eine Brennstoffzelle beschrieben, bei dem aus einem fließfähigem Vormaterial ein poröses Flächenmaterial (1) geformt und gehärtet wird. Erfindungsgemäß wird vor und/oder während des Härtens ein äußeres Kraftfeld an das Flächenmaterial (1) angelegt. Hierdurch werden die in dem Flächenmaterial (1) vorhandenen Poren so ausgerichtet und orientiert, daß durch die Poren gebildete Kapillaren (2) den kürzesten Weg durch das Flächenmaterial (1) nehmen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von porösen, flächenhaften Komponenten für eine Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es sind Verfahren zur Herstellung von porösen, flächenhaften Komponenten für Brennstoffzellen, insbesondere Schmelzkarbonatbrennstoffzellen, bekannt, bei denen aus einem fließfähigem Vormaterial ein poröses Flächenmaterial geformt und dieses dann gehärtet wird. Bei den porösen, flächenhaften Komponenten kann es sich insbesondere um Elektroden und Elektrolytmatrizen der Brennstoffzellen handeln. Die Formung des fließfähigen Vormaterials zu dem Flächenmaterial erfolgt beispielsweise durch einen Foliengieß-, einen Extrudier- oder einen Trockenabstreichprozeß.
Aus der US 4,555,453 geht es bereits als bekannt hervor, in einer Suspension als Pulver enthaltenes Elektrolytmaterial als Elektrolytschicht auf einer Elektrode abzuscheiden. Zur Abscheidung wird ein elektrisches Feld angewendet das vermittels zweier Elektroden in der Suspension anliegt. Die Abscheidung erfolgt kontinuierlich während die Elektrode als Band durch die Suspension hindurchgeführt wird.
Die in der porösen, flächenhaften Komponente der Brennstoffzelle vorhandenen Poren bilden kapillarähnliche Wege, über welche die in der Brennstoffzelle vorhandenen Fluide, Brenngas, Anodengas oder Elektrolyt, transportiert werden. In Hinblick auf das Erreichen eines möglichst geringen Widerstandes, welcher dem Fluid entgegensteht, ist ein möglichst kurzer Weg der Kapillaren vorteilhaft. Dies führt zu einer besseren Elektrolytverteilung und einer besseren Gasverteilung in der Brennstoffzelle.
Die Aufgabe der Erfindung ist es somit ein Verfahren zur Herstellung von porösen, flächenhaften Komponenten für eine Brennstoffzelle anzugeben, mit welchem es möglich ist, kapillarähnliche Wege mit möglichst geringer Länge durch die flächenhaften Komponente zu erreichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Gemäß der Erfindung wird bei einem Verfahren zur Herstellung von porösen, flächenhaften Komponenten für eine Brennstoffzelle, bei dem aus einem fließfähigen Vormaterial ein poröses Flächenmaterial geformt und gehärtet wird, vor und/während des Härtens ein äußeres Kraftfeld an das Flächenmaterial angelegt.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, daß durch das Anlegen des äußeren Kraftfeldes die in dem noch fließfähigen Material vorhandenen oder sich bildenden Poren in Bezug auf die Feldlinien des äußeren Kraftfeldes orientiert werden und dadurch kapillarähnliche Wege bilden, deren Länge gering ist. Hierdurch ergibt sich ein kleinerer Widerstand, eine bessere Elektrolytverteilung und eine bessere Gasverteilung. Weiterhin ergibt sich daraus eine Verbesserung der Dreiphasenreaktion in der Brennstoffzelle.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Magnetfeld als äußeres Feld an das Flächenmaterial angelegt.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein elektrisches Feld als äußeres Feld an das Flächenmaterial angelegt.
Vorteilhafterweise wird das Feld senkrecht zur Ebene des Flächenmaterials angelegt.
Vorteilhafterweise wird ein äußeres Kraftfeld verwendet, das homogen ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Flächenmaterial durch einen Foliengießprozeß hergestellt.
Dies ist vorteilhafterweise so gestaltet, daß ein fließfähiges Vormaterial auf einen flächenhaften Träger aufgebracht, über die Fläche des Trägers verteilt und gehärtet wird.
Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, daß der flächenhafte Träger kontinuierlich bewegt und das fließfähige Vormaterial kontinuierlich auf den flächenhaften Träger aufgebracht wird, und daß das verteilte Vormaterial kontinuierlich an einer Einrichtung zur Erzeugung des äußeren Kraftfeldes vorbeibewegt wird.
Vorteilhafterweise umfaßt hierbei der flächenhafte Träger ein umlaufendes Förderband, auf welchem das fließfähige Vormaterial mittels einer Verteilervorrichtung in einer Schicht mit gleichmäßiger Dicke aufgebracht wird.
Dies kann dadurch vorteilhaft weitergebildet sein, daß der flächenhafte Träger eine Trägerfolie umfaßt, welche als unmittelbare Unterlage für das Flächenmaterial dient, und von der das Flächenmaterial leicht getrennt werden kann.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird das Flächenmaterial durch einen Extrudierprozeß hergestellt.
Hierbei wird vorteilhafterweise das fließfähige Vormaterial durch eine Extrudierdüse gepreßt und beim Passieren und/oder nach dem Verlassen der Extrudierdüse an einer Einrichtung zur Erzeugung des äußeren Kraftfeldes vorbeigeführt.
Gemäß einer anderen alternativen Ausführungsform kann das Flächenmaterial durch einen Trockenabstreichprozeß hergestellt werden.
Hierbei wird vorteilhafterweise das fließfähige Vormaterial mittels eines Abstreichmessers (Rakel) geformt und beim Passieren und/oder nach dem Passieren des Abstreichmessers an einer Einrichtung zur Erzeugung des äußeren Kraftfeldes vorbeigeführt.
Das Härten des zu dem Flächenmaterial geformten Vormaterials erfolgt vorzugsweise durch Trocknung.
Die Trocknung erfolgt vorteilhafterweise in mehreren Phasen, wobei das äußere Kraftfeld zumindest in einer der ersten Trocknungsphasen angelegt wird.
Vorteilhafterweise wird das Flächenmaterial durch eine gleichzeitig dem Erzeugen des äußeren Kraftfeldes und dem Härten des Flächenmaterials dienende Einrichtung geführt.
Das Flächenmaterial kann vorteilhafterweise in Form eines kontinuierlichen Bandes einer flexiblen Folie hergestellt werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung besteht das Flächenmaterial aus einem leitfähigen Material und wird zur Herstellung von Elektroden für Brennstoffzellen verwendet.
Insbesondere enthält das Flächenmaterial leitfähiges Nickel.
Hierbei wird insbesondere als Kraftfeld ein homogenes Magnetfeld verwendet.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung besteht das Flächenmaterial aus einem Elektrolytmaterial und wird zur Herstellung von Elektrolytmatritzen für Brennstoffzellen verwendet.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a) und 1b) schematisierte vergrößerte Querschnittsansichten durch Ausschnitte von einem porösen Flächenmaterial, welches als Komponente für eine Brennstoffzelle verwendet wird, wobei Fig. 1a) den Querschnitt durch ein herkömmliches Flächenmaterial und Fig. 1b) den Querschnitt durch ein gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Flächenmaterial zeigt;
Fig. 2 eine schematisierte Seitenansicht einer Einrichtung, wie sie zur Herstellung von porösen, flächenhaften Komponenten für eine Brennstoffzelle durch einen Foliengießprozeß gemäß einem Aspekt der Erfindung verwendet werden kann; und
Fig. 3 eine schematisierte, vergrößerte Seitenschnittansicht einer Extrudierdüse, wie sie in einer Einrichtung zur Durchführung eines Extrudierprozeßes zur Herstellung von porösen Flächenmaterialien gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung verwendet werden kann.
In Fig. 1a) bedeutet Bezugszeichen 1 ein poröses Flächenmaterial, welches eine Komponente einer Brennstoffzelle bildet, wie beispielsweise eine Elektrode. In dem Flächenmaterial sind durch die nicht im einzelnen dargestellten Poren kapillarartige Wege oder Kapillaren 2 gebildet, welche beim Betrieb der Brennstoffzelle von einem Fluid, im Falle einer Elektrode also von einem Gas durchströmt werden. Wie ersichtlich ist, bilden die Kapillaren 2 nicht den kürzesten Weg zwischen den beiden gegenüberliegenden Oberflächen des Flächenmaterials 1, so daß das Flächenmaterial 1 einen größeren Strömungswiderstand darstellt, als notwendig.
Fig. 1b) zeigt ebenfalls eine vergrößerte Seitenschnittansicht durch einen Teil eines porösen Flächenmaterials für eine Komponente einer Brennstoffzelle, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist. Wie zu sehen ist, sind die beiden gegenüberliegenden Oberflächen des Flächenmaterials 1 durch die Poren verbunden, wobei die durch die Poren des Materials gebildeten kapillarartigen Wege oder Kapillaren 2 so ausgebildet sind, daß sie dem kürzesten Weg zwischen den beiden gegenüberliegenden Oberflächen 1a und 1b folgen, also senkrecht zur Oberfläche des Flächenmaterials verlaufen.
Gemäß der Erfindung erfolgt die Herstellung von porösen, flächenhaften Komponenten für eine Brennstoffzelle allgemein dadurch, daß aus einem fließfähigen Vormaterial ein poröses Flächenmaterial 1 geformt und dieses dann gehärtet wird, wobei vor und/oder während des Härtens ein äußeres Kraftfeld an das Flächenmaterial 1 angelegt wird.
Das äußere Kraftfeld ist vorzugsweise ein Magnetfeld oder ein elektrisches Feld, wobei die Art und Stärke des Feldes durch die Werkstoffeigenschaften des Flächenmaterials 1 bestimmt werden.
Fig. 2 zeigt eine Einrichtung, mit welcher das poröse Flächenmaterial 1 gemäß einem Aspekt der Erfindung durch einen Foliengießprozeß hergestellt werden kann. Ein Förderband 13 ist über zwei Transportwalzen 11, 12 geführt, so daß es eine endlose Umlaufbewegung vollführen kann. Die Spannung des Förderbandes 13 wird mittels zweier Umlenkwalzen 14 eingestellt. Eine der Transportwalzen 12 wird von einem Antrieb 9 in Rotation versetzt, welcher beispielsweise aus einem Elektromotor und einem nachgeschalteten Getriebe bestehen kann. Über das Förderband 13 ist eine Trägerfolie 3 geführt, welche von einer Vorratsrolle 10 abgegeben wird. Die Trägerfolie 3 wird zusammen mit dem Förderband 13 transportiert und bildet zusammen mit diesem einen flächenhaften Träger für das poröse Flächenmaterial 1.
Das poröse Flächenmaterial 1 wird bei der gezeigten Einrichtung in Form einer flexiblen Folie auf dem flächenhaften Träger 3, 13 hergestellt. Dazu wird ein fließfähiges Vormaterial 4 in Form eines Schlickers auf die auf dem Förderband 13 befindliche Trägerfolie aufgebracht und mittels einer Verteilungsvorrichtung 15 in Form eines als Streichblech ausgebildeten Abstreichmessers (Rakel) bei der Bewegung des Förderbandes 13 zu einer Schicht gleichmäßiger Dicke auf der Trägerfolie 3 verteilt.
In Bewegungsrichtung, durch einen Pfeil dargestellt, ist der im wesentlichen aus dem Gießschuh oder Rakelkasten und dem Abstreichmesser bestehenden Verteilungsvorrichtung 15 eine Trockenhaube 8 nachgeschaltet, in welcher die verteilte Schicht des fließfähigen Vormaterials 4 zu einem flexiblen, porösen Material 1 getrocknet wird. Eine Einrichtung zur Erzeugung eines äußeren Kraftfeldes 5 in Form eines homogenen Magnetfeldes ist durch einen unter dem Förderband 13 angeordneten Elektromagneten 6 und einen über dem Förderband 13 und dem Flächenmaterial 1 angeordneten Gegenpol 7 gebildet. Somit passiert die aus dem fließfähigen Vormaterial 4 gebildete Schicht während des Trocknens auch den Elektromagnet 6 und den Gegenpol 7, so daß während des Trocknungsvorgangs die Poren in dem Flächenmaterial 1 sich entlang der Feldlinien des homogenen Magnetfeldes 5 orientieren und damit die durch die Poren gebildeten Kapillaren 2 eine Orientierung senkrecht zur Oberfläche des Flächenmaterials 1 annehmen, wie in Fig. 1b) gezeigt.
Nach dem Passieren der durch den Elektromagneten 6 und den Gegenpol 7 gebildeten Einrichtung zur Erzeugung des äußeren Kraftfeldes ist das Flächenmaterial 1 soweit ausgehärtet, daß die unter dem Einfluß des Kraftfeldes angenommene Orientierung der Poren in dem Flächenmaterial 1 erhalten bleibt.
Nach dem Verlassen der Trockenhaube 8 wird das Flächenmaterial 1 von der Trägerfolie 3 getrennt und auf einer Sammelwalze 17 für das Flächenmaterial aufgewickelt, wogegen die Trägerfolie 3 auf einer Sammelwalze 16 aufgewickelt wird.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann das poröse Flächenmaterial 1 auch durch einen Extrudierprozeß hergestellt werden. In Fig. 3 ist eine Extrudierdüse 25 schematisch und vergrößert dargestellt, durch welche ein fließfähiges Vormaterial 4 gepreßt wird. Nach dem Verlassen der Extrudierdüse 25 passiert das am Ausgang der Extrudierdüse 25 gebildete Flächenmaterial 1 eine Einrichtung zur Erzeugung eines äußeren Kraftfeldes 5 in Form eines homogenen Magnetfeldes, welche durch einen Elektromagnet 6 und einen Gegenpol 7 gebildet ist, welche sich unterhalb bzw. oberhalb des Flächenmaterials 1 befinden. Durch das Kraftfeld 5 werden die Poren in dem Flächenmaterial 1 wiederum entlang den Feldlinien ausgerichtet, so daß die Kapillaren 2 einen Verlauf senkrecht zur Oberfläche des Flächenmaterials 1 annehmen, wie in Fig. 1b) gezeigt.
Anstelle der beschriebenen Techniken durch Foliengießen oder Extrudieren kann das Flächenmaterial 1 auch durch andere Techniken gebildet werden, etwa durch Trockenabstreichen.
Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen wird das äußere Kraftfeld 5 in Form eines homogenen Magnetfeldes erzeugt. Durch ein Magnetfeld wird bei ferromagnetische Substanzen enthaltenden Flächenmaterialien 1, wie Nickel enthaltenden Elektroden die gewünschte Orientierung und Anordnung der Poren in dem Material erreicht. Abweichend davon können entsprechend den Werkstoffeigenschaften des Flächenmaterials auch andere Arten von Feldern, insbesondere elektrische Felder verwendet werden, um die Poren in dem Flächenmaterial auszurichten und zu orientieren.
Bezugszeichenliste
1
Flächenmaterial
2
kapillarartige Wege, Kapillaren
3
Trägerfolie
4
fließfähiges Vormaterial
5
äußeres Kraftfeld
6
Elektromagnet
7
Gegenpol
8
Trockenhaube
9
Antrieb
10
Vorratsrolle der Trägerfolie
11
Transportwalze
12
Transportwalze
13
Förderband
14
Umlenkwalzen
15
Verteilungsvorrichtung
16
Sammelwalze für Trägerfolie
17
Sammelwalze für Flächenmaterial
25
Extrudierdüse

Claims (21)

1. Verfahren zur Herstellung von porösen, flächenhaften Komponenten für eine Brennstoffzelle, bei dem aus einem fließfähigen Vormaterial (4) ein poröses Flächenmaterial (1) geformt und gehärtet wird, und bei dem ein äußeres Kraftfeld (5) zur Anwendung kommt, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftfeld (5) zur Ausrichtung der Poren verwendet wird, das vor und/oder während des Härtens an das Flächenmaterial (1) angelegt wird, und daß das Kraftfeld (5) im wesentlichen homogen und im wesentlichen senkrecht zur Ebene des Flächenmaterials (1) verlaufend angelegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnetfeld (5) als äußeres Feld an das Flächenmaterial (1) angelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisches Feld als äußeres Feld an das Flächenmaterial (1) angelegt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenmaterial (1) durch einen Foliengießprozeß hergestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein fließfähiges Vormaterial (4) auf einen flächenhaften Träger (3, 13) aufgebracht, über die Fläche des Trägers (3, 13) verteilt und gehärtet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der flächenhafte Träger (3, 13) kontinuierlich bewegt und das fließfähige Vormaterial (4) kontinuierlich auf den flächenhaften Träger (3, 13) aufgebracht wird, und daß das verteilte Vormaterial (4) kontinuierlich an einer Einrichtung (6, 7) zur Erzeugung des äußeren Kraftfeldes (5) vorbeibewegt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der flächenhafte Träger (3, 13) ein umlaufendes Förderband (13) umfaßt, auf welchem das fließfähige Vormaterial (4) mittels einer Verteilungsvorrichtung (15) in einer Schicht mit gleichmäßiger Dicke aufgebracht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der flächenhafte Träger (3, 13) eine Trägerfolie (3) umfaßt, welche als unmittelbare Unterlage für das Flächenmaterial (1) dient, und von der das Flächenmaterial (1) leicht getrennt werden kann.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfolie (3) zusammen mit dem Förderband (13) vorgeschoben wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenmaterial (1) durch einen Extrudierprozeß hergestellt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das fließfähige Vormaterial (4) durch eine Extrudierdüse (25) gepreßt und beim Passieren und/oder nach dem Verlassen der Extrudierdüse (25) an einer Einrichtung (6, 7) zur Erzeugung des äußeren Kraftfeldes (5) vorbeigeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenmaterial (1) durch einen Trockenabstreichprozeß hergestellt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das fließfähige Vormaterial (4) mittels eines Abstreichmessers (einer Rakel) geformt und beim Passieren und/oder nach dem Passieren des Abstreichmessers an einer Einrichtung (6, 7) zur Erzeugung des äußeren Kraftfeldes (5) vorbeigeführt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Härten durch Trocknung erfolgt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Trocknung in mehreren Phasen erfolgt, wobei das äußere Kraftfeld mindestens in einer der ersten Trocknungsphasen angelegt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenmaterial (1) durch eine gleichzeitig dem Erzeugen des äußeren Kraftfeldes (5) und dem Härten des Flächenmaterials dienende Einrichtung (6, 7, 8) geführt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenmaterial (1) in Form eines kontinuierlichen Bandes einer flexiblen Folie hergestellt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenmaterial (1) aus einem leitfähigen Material besteht und zur Herstellung von Elektroden für Brennstoffzellen verwendet wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenmaterial (2) leitfähiges Nickel enthält.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß als Kraftfeld (5) ein homogenes Magnetfeld verwendet wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenmaterial (1) aus einem Elektrolytmaterial besteht und zur Herstellung von Elektrolytmatritzen für Brennstoffzellen verwendet wird.
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