DE102010015504A1 - Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle, Brennstoffzelle und Verfahren zum Fertigen einer Gasdiffusionsschicht - Google Patents

Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle, Brennstoffzelle und Verfahren zum Fertigen einer Gasdiffusionsschicht Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle (1), insbesondere eines Fahrzeugs, wobei die Gasdiffusionsschicht zum Beaufschlagen einer Elektrode einer Membran-Elektroden-Anordnung (2) der Brennstoffzelle (1) mit einem Reaktand ausgebildet ist, und wobei die Gasdiffusionsschicht eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Stegen (4) aufweist, durch welche Kanäle (5) für den Reaktanden voneinander abgegrenzt sind. Zumindest einer der elektrisch leitfähigen Stege (4) enthält Kohlenstoff. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle (1) mit einer solchen Gasdiffusionsschicht sowie ein Verfahren zum Fertigen einer Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle, insbesondere eines Fahrzeugs, wobei die Gasdiffusionsschicht zum Beaufschlagen einer Elektrode einer Membran-Elektroden-Anordnung der Brennstoffzelle mit einem Reaktand ausgebildet ist. Die Gasdiffusionsschicht weist eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Erhebungen auf, durch welche Kanäle für den Reaktanden voneinander abgegrenzt sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle mit einer solchen Gasdiffusionsschicht und ein Verfahren zum Fertigen einer Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle.
  • Die DE 10 2007 039 467 A1 beschreibt eine Brennstoffzelle mit einer Gasdiffusionsschicht, auf deren Oberseite durch physikalische Dampfphasenabscheidung, Elektrobeschichtung oder Siebdruck elektrisch leitfähige Stege aufgebracht sind. Die Stege sind aus Edelmetallen gebildet oder aus Metalloxiden bzw. dotierten Metalloxiden. In der Brennstoffzelle werden die Stege mit korrespondierenden Stegen einer Bipolarplatte in Anlage gebracht. Ein in der Bipolarplatte ausgebildeter Kanal setzt sich so in Richtung auf die Gasdiffusionsschicht hin fort, wo der Kanal durch die auf die Gasdiffusionsschicht aufgebrachten Stege seitlich begrenzt ist.
  • Als nachteilig bei einer derartigen Gasdiffusionsschicht ist der Umstand anzusehen, dass die elektrisch leitfähigen Stege einer Korrosion unterworfen sind, insbesondere wenn beim Anfahren und Abschalten der Brennstoffzelle besonders hohe Potentiale anliegen. Die Korrosion führt einerseits zu einer mechanischen Behinderung des Gasflusses und andererseits zu einem erhöhten Kontaktwiderstand zwischen der Bipolarplatte und der Gasdiffusionsschicht. Zudem ist das Aufbringen der elektrisch leitfähigen Stege teuer und aufwändig.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Gasdiffusionsschicht der eingangs genannten Art zu schaffen, welche einfach und kostengünstig ist.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Gasdiffusionsschicht mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Die erfindungsgemäße Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle, insbesondere eines Fahrzeugs, ist zum Beaufschlagen einer Elektrode einer Membran-Elektroden-Anordnung der Brennstoffzelle mit einem Reaktand ausgebildet. Die Gasdiffusionsschicht weist eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Erhebungen auf, durch welche Kanäle für den Reaktanden voneinander abgegrenzt sind. Hierbei enthält zumindest eine der elektrisch leitfähigen Erhebungen Kohlenstoff. Kohlenstoff ist besonders einfach und kostengünstig bereitstellbar. Bevorzugt enthalten alle elektrisch leitfähigen Erhebungen Kohlenstoff. In einer die Gasdiffusionsschicht aufweisenden Brennstoffzelle grenzen die kohlenstoffhaltigen Erhebungen an korrespondierende Stege der Separatorplatte an. Hier sorgen die kohlenstoffhaltigen Erhebungen für einen besonders geringen Kontaktwiderstand zwischen der Gasdiffusionsschicht und der Separatorplatte. Zwar kann auch der Kohlenstoff der Erhebungen einer Korrosion unterliegen, jedoch verbleibt der oxidierte Kohlenstoff nicht in der Brennstoffzelle, sondern dieser wird gasförmig als Kohlendioxid ausgetragen.
  • Die elektrisch leitfähigen Erhebungen können insbesondere durch partielles Abtragen von Bereichen aus einem Grundkörper der Gasdiffusionsschicht hergestellt sein, wobei die abgetragenen Bereiche dann die Kanäle bilden. Bevorzugt wird jedoch auf den Grundkörper der Gasdiffusionsschicht kohlenstoffhaltiges Material aufgebracht, aus welchem die Erhebungen gebildet werden. Die Kanäle können jedoch auch teilweise durch rinnenförmiges Abtragen des kohlenstoffhaltigen Grundkörpers der Gasdiffusionsschicht als auch teilweise durch Aufbringen des kohlenstoffhaltigen Materials auf den Grundkörper realisiert werden.
  • Für eine besonders effektive Versorgung der Elektrode der Membran-Elektroden-Anordnung der Brennstoffzelle mit dem Reaktand ist ein besonders schmaler und gleichzeitig besonders tiefer Kanal vorteilhaft. Insbesondere beim Verwenden metallischer Separatorplatten in der Brennstoffzelle ist jedoch der Herstellung tiefer Kanalstrukturen eine durch den maximal möglichen Umformgrad bedingte Grenze gesetzt. Nichtmetallische, beispielsweise graphitische Separatorplatten haben jedoch fertigungstechnische und produkttechnische Nachteile. Durch die Verwendung der vorliegend beschriebenen Gasdiffusionsschicht für die Brennstoffzelle kann ein Kanal mit geringer Breite und gleichzeitig großer Tiefe auch für aus einem Metall gebildete Separatorplatten realisiert werden, da ein Teil des Kanals durch die Erhebungen begrenzt ist. Ein schmaler, tiefer Kanal weist einen größeren durchströmbaren Querschnitt auf als ein gleich breiter Kanal geringerer Tiefe. Somit kann die mit der vorliegend beschriebenen Gasdiffusionsschicht versehene Brennstoffzelle mit einem geringeren Ausgangsdruck der Reaktanden beaufschlagt werden, da geringere Druckabfälle und geringere parasitäre Druckverluste beim Durchströmen der Kanäle auftreten.
  • Das Aufbringen der elektrisch leitfähigen, kohlenstoffhaltigen Erhebungen auf den Grundkörper der Gasdiffusionsschicht bringt auch eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Gasdiffusionsschicht mit sich. Dies ermöglicht es, als Grundkörper für die Gasdiffusionsschicht auf kostengünstige, da vergleichsweise wenig energieintensiv herstellbare Rollware zurückzugreifen. Derartige Rollware als Halbzeug für die Gasdiffusionsschicht kann aus einem imprägnierten Graphitfasergelege gebildet sein, welches in einem kontinuierlichen Prozess in einem Brennofen konditioniert wird. Im Gegensatz zu einem Grundkörper für die Gasdiffusionsschicht, welcher aus Blattware als Halbzeug gebildet ist, muss letzterer in einem Batch-Prozess bei hoher Temperatur graphitisiert werden, was besonders energieintensiv und somit teuer ist.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die elektrisch leitfähigen Erhebungen zumindest bereichsweise aus amorphem Kohlenstoff und/oder Graphit gebildet. Insbesondere amorpher Kohlenstoff, etwa in Form einer Rußpaste, welche auf den Grundkörper der Gasdiffusionsschicht aufgebracht wird, ist besonders kostengünstig verfügbar und führt so zu einer besonders kostengünstigen Gasdiffusionsschicht.
  • Bei einer Brennstoffzelle, insbesondere für ein Fahrzeug, welche eine erfindungsgemäße Gasdiffusionsschicht aufweist, ist eine Membran-Elektroden-Anordnung der Brennstoffzelle über die Gasdiffusionsschicht mit einem Reaktand beaufschlagbar. Hierbei sind die elektrisch leitfähigen Erhebungen der Gasdiffusionsschicht zumindest bereichsweise mit korrespondierenden Erhebungen einer Separatorplatte in Anlage gebracht.
  • Eine für den Einsatz in einem Fahrzeug vorgesehene Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle – kurz PEMFC – kann wie folgt aufgebaut sein. Die PEMFC enthält die Membran-Elektroden-Anordnung – kurz MEA, die aus einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten Polymer-Elektrolyt-Membran (auch Ionomer-Membran oder Protonen-Austausch-Membran) – kurz PEM – aufgebaut ist. Die MEA ist ihrerseits wiederum zwischen zwei Separatorplatten angeordnet, wobei die eine Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Brennstoff aufweist und die andere Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Oxidationsmittel und wobei die Kanäle der MEA zugewandt sind. Solche Separatorplatten dienen daher u. a. als Verteilelemente für den jeweiligen Reaktand. Die Kanäle bilden eine Kanalstruktur, ein sog. Flow Field.
  • Die Elektroden, Anode und Kathode, sind im Allgemeinen als Gasdiffusionselektroden – kurz GDE – ausgebildet. Diese haben die Funktion, den bei der elektrochemischen Reaktion (z. B. 2H2 + O2 → 2H2O) erzeugten Strom abzuleiten und die Reaktionsstoffe, Edukte und Produkte, durchdiffundieren zu lassen. Eine GDE besteht aus wenigstens einer Gasdiffusionsschicht bzw. Gasdiffusionslage – kurz GDL – und einer Katalysatorschicht, die der PEM zugewandt ist und an der die elektrochemische Reaktion abläuft. Die GDE kann ferner noch eine Gasverteilungslage aufweisen, die sich der Gasdiffusionslage anschließt und die in der PEMFC einer Separatorplatte zugewandt ist. Gasdiffusionslage und Gasverteilungslage unterscheiden sich v. a. in ihren Porengrößen und damit in der Art des Transportmechanismus für einen Reaktionsstoff (Diffusion bzw. Verteilung).
  • Eine derartige Brennstoffzelle kann bei relativ geringen Betriebstemperaturen elektrischen Strom mit hoher Leistung erzeugen. Reale Brennstoffzellen sind meist zu so genannten Brennstoffzellenstapeln – kurz Stacks – gestapelt, um eine hohe Leistungsabgabe zu erzielen, wobei anstelle der monopolaren Separatorplatten bipolare Separatorplatten, so genannte Bipolarplatten, eingesetzt werden und monopolare Separatorplatten nur die beiden endständigen Abschlüsse des Stacks bilden. Sie werden z. T. Endplatten genannt und können sich baulich erheblich von den Bipolarplatten unterscheiden.
  • Die Bipolarplatten sind im Allgemeinen aus zwei Teilplatten zusammengesetzt. Diese Teilplatten weisen im Wesentlichen komplementäre und bzgl. einer Spiegelebene spiegelbildliche Formen auf. Die Teilplatten müssen aber nicht zwingend spiegelbildlich sein. Wichtig ist lediglich, dass sie zumindest eine gemeinsame Berührungsfläche aufweisen, an der sie verbunden werden können. Die Teilplatten weisen eine unebene Topographie auf. Hierdurch entstehen an den jeweils voneinander weg weisenden Oberflächen der Teilplatten die vorstehend bereits erwähnten Kanalstrukturen. An den jeweils aufeinander zuweisenden Oberflächen der Teilplatten besteht z. B. bei geprägten metallischen Teilplatten die zur o. g. Kanalstruktur komplementäre Kanalstruktur. Beim Aufeinanderlegen der beiden Teilplatten entsteht dadurch zwischen den Teilplatten, auf deren zueinander hin weisenden Oberflächen, ein Hohlraum, welcher aus einem System mehrerer miteinander verbundener Tunnels besteht. Der Hohlraum bzw. das System der Tunnels ist durch eine im Wesentlichen die Teilplatten im Randbereich umlaufende Fügung flüssigkeitsdicht umrandet, wobei Öffnungen zur Kühlmittelzufuhr und -abfuhr vorgesehen sind, sodass der Hohlraum für die Verteilung eines Kühlmittels genutzt werden kann.
  • Somit gehört zu den Aufgaben einer Bipolarplatte: die Verteilung von Oxidationsmittel und von Reduktionsmittel; die Verteilung von Kühlmittel und somit die Kühlung (besser gesagt Temperierung) der Brennstoffzellen; die fluidische Trennung der Einzelzellen eines Stacks voneinander; ferner die elektrische Kontaktierung der hintereinander geschalteten Einzelzellen eines Stacks und somit die Durchleitung des von den Einzelzellen erzeugten elektrischen Stroms.
  • Eine PEM kann mehrere Komponenten enthalten. Die wichtigste Komponente ist dabei ein oder mehrere protonenleitfähige Ionomere. Ferner können verstärkende Komponenten wie z. B. organische Fasern (insbesondere PTFE-Fasern) und/oder anorganische Fasern (insbesondere Glasfasern) enthalten sein, die z. B. als Gewebe oder Gewirke ausgebildet sein können. Ferner können Füllstoffe enthalten sein, wie z. B. Metalloxid-Partikel (insbesondere Kieselgel, SiO2), die z. B. bei der Feuchthaltung der PEM eine Funktion übernehmen. Darüber hinaus können weitere Komponenten enthalten sein, wie z. B. Phosphorsäure, niedermolekulare Amphotere (insbesondere Imidazol und/oder Pyrazol). Eine PEM kann aber auch aus einem protonenleitfähigen Glasfilm bestehen, insbesondere aus einem nanoporösen Phosphosilicat-Glasfilm. Ist auf eine oder beide Hauptoberflächen der PEM eine Katalysatorschicht aufgebracht, so wird im Allgemeinen von einer Catalyst Coated Membrane – kurz CCM – gesprochen.
  • Bei der die erfindungsgemäße Gasdiffusionsschicht aufweisenden Brennstoffzelle kann die Kanaltiefe des Flow Fields auf die für einen erwünschten Druckabfall erforderliche Tiefe angepasst werden. Dies gilt insbesondere, wenn die Separatorplatte aus einem Metall gebildet ist, sodass sehr schmalen Kanälen Grenzen durch die verfügbaren Umformprozesse gesetzt sind.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Fertigen einer Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle, insbesondere eines Fahrzeugs, ist die Gasdiffusionsschicht zum Beaufschlagen einer Elektrode einer Membran-Elektroden-Anordnung der Brennstoffzelle mit einem Reaktand ausgebildet. Die Gasdiffusionsschicht wird hierbei mit einer Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Erhebungen versehen, durch welche Kanäle für den Reaktanden voneinander abgegrenzt werden. Zumindest eine der elektrisch leitfähigen Erhebungen wird aus einem Kohlenstoff enthaltenden Grundmaterial gebildet. Dies kann durch Aufbringen des Kohlenstoffs enthaltenden Grundmaterials auf einen Grundkörper der Gasdiffusionsschicht und/oder durch Abtragen der Kanäle aus dem Grundkörper erfolgen.
  • Die für die erfindungsgemäße Gasdiffusionsschicht und die Brennstoffzelle beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
  • Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt ausschnittsweise und in einer Schnittansicht eine Brennstoffzelle für ein Fahrzeug.
  • Eine in der Figur gezeigte Brennstoffzelle 1 umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung 2, an welche ein Grundkörper 3 einer Gasdiffusionsschicht angrenzt. Auf den Grundkörper 3 sind Erhebungen in Form von Stegen 4 aufgebracht. Jeweils zwei Stege 4 grenzen einen Kanal 5 seitlich ab. Durch den Kanal 5 strömt im Betrieb der Brennstoffzelle ein Reaktionsgas, etwa auf einer Seite der Membran-Elektroden-Anordnung 2 Wasserstoffgas und auf der anderen Seite Sauerstoff enthaltende Luft. Diese Reaktanden treten durch die Gasdiffusionsschicht hindurch, reagieren an den jeweiligen Elektroden der Membran-Elektroden-Anordnung 2 zu Wasser und erzeugen hierbei elektrischen Strom.
  • Die Stege 4 sind so angeordnet, dass sie zu Erhebungen 6 komplementär sind, welche in einer Bipolarplatte 7 ausgebildet sind. Jeweils zwei benachbarte Erhebungen 6 der Bipolarplatte 7 grenzen seitlich und nach unten hin einen Teilbereich des Kanals 5 ab, welcher zu den Seiten und nach oben hin durch die Stege 4 und den Grundkörper 3 begrenzt ist. Dadurch, dass sich die durch die Bipolarplatte 7 gebildete Kanalstruktur in der Gasdiffusionsschicht fortsetzt, ist eine besonders große Tiefe der Kanäle 5 erreichbar. Der in der Bipolarplatte 7 gebildete Bereich des jeweiligen Kanals 5 kann eine Höhe 8 von 0,4 mm bis 0,5 mm aufweisen und eine größte Breite 9 von 0,7 mm bis 0,8 mm. Ausgehend von dieser maximalen Breite im Bereich der Bipolarplatte 7 verjüngt sich vorliegend der Querschnitt des Kanals 5 in eine Richtung weg von der Gasdiffusionsschicht. Die Stege 4 sind in dem dargestellten Beispiel trapezförmig ausgebildet, wobei die kürzere Seite des Trapezes der Bipolarplatte 7 zugewandt ist. Der Kanal 5 weist also im Querschnitt eine Rautenform auf. Die Kanäle 5 können prinzipiell aber auch andere Querschnitte aufweisen, z. B. U-förmige Querschnitte oder Kreissegment-förmige Querschnitte und dergleichen.
  • Die Kanäle 5 zwischen den elektrisch leitfähigen Stegen 4 können entweder durch strukturiertes Aufbringen der Stege 4 auf den Grundkörper 3 der Gasdiffusionsschicht hergestellt sein, oder es kann auf den Grundkörper 3 eine kohlenstoffhaltige Schicht aufgebracht werden, aus welcher dann durch mechanisches und/oder chemisches und/oder physikalisches Abtragen die Stege 4 herausgearbeitet werden.
  • Dieses Abtragen kann mithilfe eines Lasers und/oder Elektronenstrahls und/oder durch einen mechanischen Schaber oder Fräser oder dergleichen und/oder durch chemisches Abtragen erfolgen, etwa durch Ätzen der Bereiche, in welchen die Kanäle 5 ausgebildet werden sollen. Beim Aufbringen separater Stege 4 auf den Grundkörper 3 kann der kohlenstoffhaltige Steg 4 mittels eines Rakels, einer Düse und/oder in einem Siebdruckverfahren hergestellt werden. Als Material für die Stege 4 eignet sich amorpher Kohlenstoff, welcher etwa in Form einer Rußpaste vollflächig oder bereits in Form der Stege 4 auf den Grundkörper 3 aufgebracht werden kann. Ergänzend oder alternativ kann Graphit zum Einsatz kommen.
  • Unter physikalischem Abtragen wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung verstanden: Verdampfen, Erwärmen, Verformen, Cracken durch Photonen, Einformen, Aufschmelzen, Zusammenfließen, Beschichten, Aufspritzen, und dergleichen. Dies kann beispielsweise durch Einwirkung von Licht oder sonstiger Strahlung aller Art (z. B. Elektronenstrahlen) erfolgen, z. B. mit Hilfe von UV-Lampen, Dioden und dergleichen. Dabei können z. B. Maskenverfahren, Scannertechnik, warme Formpresswerkzeuge usw. zum Einsatz kommen.
  • Beim Aufbringen oder Herausarbeiten und/oder zumindest teilweise nach dem Aufbringen oder Herausarbeiten der Stege 4 können diese je nach gewünschter Funktion hydrophil oder hydrophob ausgestaltet werden. Beispielsweise kann die Hydrophobie der Stege 4 der Hydrophobie des Grundkörpers 3 der Gasdiffusionsschicht angepasst werden. Durch hydrophiles Ausgestalten der Stege 4 können diese nach Art eines Dochtes dafür sorgen, dass sich in den Kanälen 5 bildendes Reaktionswasser über die Stege 4 abgezogen wird und somit eine ausreichende Gasversorgung der Elektroden der Membran-Elektroden-Anordnung 2 gewährleistet ist. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Brennstoffzelle 1 mit einer vergleichsweise hohen Stromdichte betrieben wird, welche mit einer vergleichsweise hohen Reaktionswassermenge einhergeht. Auch durch ein hydrophobes Ausgestalten der Stege 4 kann erreicht werden, dass sich Wasser leicht mittels der Reaktionsgase von den Stegen 4 entfernen lässt und so den Gasfluss in den Kanälen 5 kaum behindert.
  • Durch hydrophiles Ausbilden der Stege 4 können diese dem Speichern von Reaktionswasser dienen und so auch bei fehlender oder ungenügender Befeuchtung der Reaktionsgase durch einen Befeuchter noch für eine zufriedenstellende Befeuchtung im Bereich der Membran der Membran-Elektroden-Anordnung 2 sorgen. Auch kann der Steg 4 in seinem Inneren und an seiner Oberfläche jeweils unterschiedliche Grenzflächenspannungen aufweisen, so dass sowohl das Austreiben von Reaktionswasser aus dem Kanal 5 und eine Dochtwirkung gleichzeitig mit einer Reservoirfunktion der Stege 4 realisierbar ist.
  • Auch können durch Behandlung des Grundkörpers 3 und/oder der Stege 4 oder der Rußschicht, aus welchen die Stege 4 herausgearbeitet werden, mittels eines Lasers, eines Elektronenstrahls, eines Infrarotstrahlers, einer Trocknungseinrichtung und/oder einer Sintereinrichtung diese so umgestaltet werden, dass sich eine gewünschte Hydrophobie, Hydrophilie, Gaspermeabilität und/oder Wasserpermeabilität ergibt. Eine solche Behandlung des Grundkörpers 3 und/oder der Stege 4 kann mittels mechanischer Einrichtungen, etwa Kompaktiereinrichtungen zum dreidimensionalen Modifizieren bzw. Strukturieren, Aufraueinrichtungen und dergleichen und/oder mittels chemischer Einrichtungen erfolgen, welche ein Aufrauen und/oder ein Modifizieren der Oberfläche und/oder ein dreidimensionales Modifizieren oder Strukturieren ermöglichen.
  • Durch Behandeln des Grundkörpers 3 und/oder Stege 4 mit dem Laser, dem Elektronenstrahl, einer Ionisiereinrichtung oder Deionisiereinrichtung, und/oder auf mechanischem oder chemischem Wege und/oder durch Oberflächenaktivierungseinrichtungen kann die Eindringtiefe der Stege 4 in den Grundkörper 3 vor und/oder während und/oder nach deren Aufbringen auf den Grundkörper 3 eingestellt werden. Wenn eine dem Grundkörper 3 zugewandte Basis 10 der Stege 4 bereichsweise in den Grundkörper 3 eindringt, kann eine Durchströmbarkeit der Gasdiffusionsschicht in deren zweidimensionaler Erstreckungsrichtung und/oder in Richtung auf die Membran-Elektroden-Anordnung 2 hin eingestellt werden.
  • Durch die bereichsweise in den Grundkörper 3 eindringende Basis 10 kann sichergestellt werden, dass aus den Kanälen 5 in den Grundkörper 3 eindringende Reaktanden sich senkrecht zu der durch den Grundkörper 3 definierten zweidimensionalen Erstreckungsrichtung auf die Elektroden hin bewegen und in weniger starkem Maße seitlich entweichen können. Es wird also die Permeabilität in der zweidimensionalen Erstreckungsrichtung des Grundkörpers 3 so eingestellt, dass der Druckverlust unter den Stegen 4 reduziert wird, wobei die Versorgung der Reaktionsbereiche mit Gasen verbessert ist. Dies führt ebenfalls zu einem verbesserten Austrag von Reaktionswasser bei hoher Stromdichte.
  • Dadurch, dass Kurzschlussströmungen der Fluide (Brennstoff bzw. Oxidationsmittel) zu benachbarten Kanälen durch das Eindringen der Basis 10 der Stege 4 in den Grundkörper 3 vermeidbar sind, steht mehr Brennstoff bzw. Oxidationsmittel für die Reaktion zur Verfügung. Die Eindringtiefe der Stege 4 in den Grundkörper 3 kann durch Behandeln der kohlenstoffhaltigen Beschichtungsmasse mittels Laser, Elektronenstrahl, einer Ionisiereinrichtung, einer Deionisiereinrichtung, physikalisch, mechanisch, chemisch und/oder über Oberflächenaktivierungsverfahren vor und/oder während und/oder nach dem Aufbringen der Beschichtungsmasse eingestellt werden. Ebenso können diese Behandlungsverfahren zum Behandeln des Grundkörpers 3 zum Einsatz kommen und die Eigenschaften des Grundkörpers 3 so einstellen, dass die gewünschte Eindringtiefe der Stege 4 in den Grundkörper 3 erreicht wird.
  • Des Weiteren kann durch die genannten Behandlungsverfahren ein besonders guter elektrischer Kontakt zwischen den Stegen 4 und der Bipolarplatte 7 erreicht werden, ebenso wie eine besonders gute Haftung der Stege 4 auf dem Grundkörper 3.
  • 1
    Brennstoffzelle
    2
    Membran-Elektroden-Anordnung
    3
    Grundkörper
    4
    Steg
    5
    Kanal
    6
    Erhebung
    7
    Bipolarplatte
    8
    Höhe
    9
    Breite
    10
    Basis
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102007039467 A1 [0002]

Claims (8)

  1. Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle (1), insbesondere eines Fahrzeugs, wobei die Gasdiffusionsschicht zum Beaufschlagen einer Elektrode einer Membran-Elektroden-Anordnung (2) der Brennstoffzelle (1) mit einem Reaktand ausgebildet ist, und wobei die Gasdiffusionsschicht eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Erhebungen (4) aufweist, durch welche Kanäle (5) für den Reaktanden voneinander abgegrenzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der elektrisch leitfähigen Erhebungen (4) Kohlenstoff enthält.
  2. Gasdiffusionsschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Erhebungen (4) zumindest bereichsweise aus amorphem Kohlenstoff und/oder Graphit gebildet sind.
  3. Gasdiffusionsschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (5) zwischen den elektrisch leitfähigen Erhebungen (4) zumindest bereichsweise durch mechanisches und/oder chemisches und/oder physikalisches Abtragen eines kohlenstoffhaltigen Grundmaterials gebildet sind.
  4. Gasdiffusionsschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Erhebungen (4) eine jeweilige Basis aufweisen, welche zumindest bereichsweise in einen die Kanäle (5) begrenzenden Grundkörper (3) der Gasdiffusionsschicht eindringt.
  5. Gasdiffusionsschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Erhebungen (4) zumindest bereichsweise hydrophil und/oder hydrophob ausgebildet sind.
  6. Brennstoffzelle, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einer Gasdiffusionsschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 5, und mit einer Membran-Elektroden-Anordnung (2), welche über die Gasdiffusionsschicht mit einem Reaktand beaufschlagbar ist, wobei die elektrisch leitfähigen Erhebungen (4) der Gasdiffusionsschicht zumindest bereichsweise mit korrespondierenden Erhebungen (6) einer Separatorplatte (7) in Anlage gebracht sind.
  7. Brennstoffzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Separatorplatte (7) aus einem Metall gebildet ist.
  8. Verfahren zum Fertigen einer Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle (1), insbesondere eines Fahrzeugs, wobei die Gasdiffusionsschicht zum Beaufschlagen einer Elektrode einer Membran-Elektroden-Anordnung (2) der Brennstoffzelle (1) mit einem Reaktand ausgebildet ist, bei welchem die Gasdiffusionsschicht mit einer Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Erhebungen (4) versehen wird, durch welche Kanäle (5) für den Reaktanden voneinander abgegrenzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der elektrisch leitfähigen Erhebungen (4) aus einem Kohlenstoff enthaltenden Grundmaterial gebildet wird.
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