DE102010015504A1 - Gas diffusion layer for supplying reactant to electrode of membrane-electrode arrangement of polymer-electrolyte-membrane fuel cell of vehicle, has electrically conductive elevations containing amorphous carbon and/or graphite - Google Patents

Gas diffusion layer for supplying reactant to electrode of membrane-electrode arrangement of polymer-electrolyte-membrane fuel cell of vehicle, has electrically conductive elevations containing amorphous carbon and/or graphite Download PDF

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Abstract

The layer has electrically conductive elevations through which channels (5) for reactants are defined together. The electrically conductive elevations contain amorphous carbon and/or graphite. The channels are formed between the elevations by mechanical, chemical and/or physical etching of carbon-containing base materials. The elevations comprise a base (10), which penetrates into a base body (3) of the diffusion layer. The elevations are provided in the form of rods (4). Independent claims are also included for the following: (1) a fuel cell of a vehicle, comprising a gas diffusion layer (2) a method for manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell of a vehicle.

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.The The invention relates to a gas diffusion layer for a fuel cell, in particular of a vehicle, wherein the gas diffusion layer for Applying an electrode of a membrane-electrode assembly the fuel cell is formed with a reactant. The gas diffusion layer has a plurality of electrically conductive bumps, through which channels for the reactant from each other are delimited. Furthermore, the invention relates to a fuel cell with such a gas diffusion layer and a method of manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell.

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.The DE 10 2007 039 467 A1 describes a fuel cell with a gas diffusion layer, on the top of which are applied by physical vapor deposition, electrocoating or screen printing electrically conductive webs. The webs are formed from precious metals or metal oxides or doped metal oxides. In the fuel cell, the webs are brought into abutment with corresponding webs of a bipolar plate. A channel formed in the bipolar plate continues in the direction of the gas diffusion layer, where the channel is bounded laterally by the webs applied to the gas diffusion layer.

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.When The disadvantage of such a gas diffusion layer is the fact to see that the electrically conductive webs a Are subject to corrosion, especially when starting up and Switch off the fuel cell particularly high potentials. On the one hand, the corrosion leads to a mechanical obstruction the gas flow and on the other hand to an increased contact resistance between the bipolar plate and the gas diffusion layer. In addition is the application of the electrically conductive webs expensive and consuming.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Gasdiffusionsschicht der eingangs genannten Art zu schaffen, welche einfach und kostengünstig ist.task Therefore, it is the object of the present invention to provide a gas diffusion layer to create the type mentioned, which is simple and inexpensive is.

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.These Task is characterized by a gas diffusion layer with the characteristics of Patent claim 1, by a fuel cell with the features of claim 6 and by a method having the features of claim 8. Advantageous embodiments with expedient developments of the invention are given in the dependent claims.

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.The Gas diffusion layer according to the invention for a fuel cell, in particular a vehicle, is for applying an electrode of a membrane-electrode assembly of the fuel cell with formed a reactant. The gas diffusion layer has a A plurality of electrically conductive bumps, through which channels are delimited from one another for the reactant are. In this case, at least one of the electrically conductive Elevations of carbon. Carbon is particularly easy and inexpensive mountable. Preferably, all contain electrically conductive Elevations of carbon. In a gas diffusion layer having Fuel cells border the carbonaceous elevations to corresponding ones Webs on the separator plate. Here are the carbonaceous Elevations for a particularly low contact resistance between the gas diffusion layer and the separator plate. Though the carbon of the bumps may also be subject to corrosion, however, the oxidized carbon does not remain in the fuel cell, but this is discharged in gaseous form as carbon dioxide.

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.The electrically conductive surveys can in particular by partial removal of areas from a body be made of the gas diffusion layer, wherein the ablated Areas then form the channels. However, preference is given to the main body of the gas diffusion layer carbonaceous Material applied, from which the elevations are formed. However, the channels can also partially through Trough-shaped removal of the carbonaceous body the gas diffusion layer as well as partially by applying the carbonaceous Materials are realized on the body.

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.For a particularly effective supply of the electrode of the membrane-electrode assembly the fuel cell with the reactant is a particularly narrow and at the same time particularly deep channel advantageous. Especially when using metallic separator plates in the fuel cell However, the production of deep channel structures is one through the maximum possible deformation degree conditional limit set. Non-metallic, However, for example, graphitic separator plates have manufacturing technology and technical disadvantages. By using the present described gas diffusion layer for the fuel cell can be a channel with small width and large at the same time Depth also for separator plates formed from a metal be realized because a part of the channel bounded by the surveys is. A narrow, deep channel has a larger one through-flowable cross-section as an equal width Channel of lesser depth. Thus, the described with the present Gas diffusion layer provided fuel cell with a lower Starting pressure of the reactants are acted upon, since lower pressure drops and lower parasitic pressure losses during flow the channels occur.

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.The application of the electrically conductive, carbonaceous projections on the body of the gas diffusion layer also brings about an improvement in the mechanical properties of the gas diffusion layer. This makes it possible, as a base body for the gas diffusion layer, to resort to cost-effective, comparatively low-energy-producible rolled goods. Such rolled stock as a semifinished product for the gas diffusion layer can be formed from an impregnated graphite fiber fabric which is conditioned in a continuous process in a kiln. In contrast to a base body for the gas diffusion layer, which is formed of sheet material as a semi-finished product, the latter must be graphitized in a batch process at high temperature, which is particularly energy-intensive and thus expensive.

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.In an advantageous embodiment of the invention, the electrical conductive surveys at least partially made of amorphous Carbon and / or graphite formed. Especially amorphous carbon, about in the form of a carbon black paste, which on the body the gas diffusion layer is applied, is particularly inexpensive available, leading to a particularly cost-effective gas diffusion layer.

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.at a fuel cell, in particular for a vehicle, which has a gas diffusion layer according to the invention, is a membrane electrode assembly of the fuel cell over the gas diffusion layer can be acted upon by a reactant. in this connection are the electrically conductive bumps of the gas diffusion layer at least partially with corresponding surveys of a Separator plate brought into abutment.

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.A intended for use in a vehicle polymer electrolyte membrane fuel cell - in short PEMFC - can be structured as follows. The PEMFC contains the membrane electrode assembly - short MEA, which consists of a Anode, a cathode and an interposed polymer electrolyte membrane (also ionomer membrane or proton exchange membrane) - short PEM - is constructed. The MEA is in turn between arranged two separator plates, wherein the separator plate Has channels for the distribution of fuel and the other separator plate channels for distribution of oxidant and with the channels facing the MEA are. Such Separatorplatten therefore serve u. a. as distribution elements for the particular reactant. The channels form a channel structure, a so-called 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).The electrodes, anode and cathode, are generally designed as gas diffusion electrodes - in short GDE. These have the function of dissipating the current generated in the electrochemical reaction (eg 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) and allowing the reactants, starting materials and products to diffuse through. A GDE consists of at least one gas diffusion layer or gas diffusion layer - in short GDL - and a catalyst layer which faces the PEM and at which the electrochemical reaction takes place. The GDE may also have a gas distribution layer, which adjoins the gas diffusion layer and which faces in the PEMFC a Separatorplatte. Gas diffusion layer and gas distribution layer differ mainly in their pore sizes and thus in the nature of the transport mechanism for a reactant (diffusion or distribution).

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.A Such a fuel cell can operate at relatively low operating temperatures produce high-power electrical power. Real fuel cells are mostly to so-called fuel cell stacks - in short Stacks - stacked to achieve high power output wherein, instead of the monopolar separator plates, bipolar separator plates, so-called bipolar plates, are used and monopolar separator plates only the two terminal terminations of the stack form. They are z. T. end plates called and can structurally differ significantly from the bipolar plates.

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.The Bipolar plates are generally composed of two partial plates. These sub-plates have substantially complementary and with respect to a mirror plane mirror-image forms. The partial plates But they do not necessarily have to be mirror images. Important is just that they have at least one common touchpad have, where they can be connected. The partial plates point an uneven topography on. This results in the respective facing away from each other surfaces of the sub-panels already mentioned channel structures. At the respective consists of facing surfaces of the sub-panels z. B. in embossed metal part plates to the o. G. Channel structure complementary channel structure. When stacked of the two partial plates thereby arises between the partial plates, on their mutually facing surfaces, a cavity, which consists of a system of several interconnected tunnels consists. The cavity or the system of the tunnel is through a essentially the partial plates in the edge region circumferential joint framed liquid-tight, with openings to the Coolant supply and removal are provided so that the Cavity for the distribution of a coolant can be used.

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.Thus, the tasks of a bipolar plate include: the distribution of oxidizing agent and reducing agent; the distribution of coolant and thus the cooling (better tempering) of the fuel cell; the fluidic separation of the individual cells of a stack from each other; furthermore the electri cal contacting the series-connected single cells of a stack and thus the passage of the electric current generated by the individual cells.

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.A PEM can contain several components. The most important component is one or more proton-conductive ionomers. Furthermore, reinforcing components such. As organic fibers (especially PTFE fibers) and / or inorganic fibers (especially glass fibers) may be included, the z. B. may be formed as a woven or knitted fabric. Furthermore, fillers may be included, such as. B. metal oxide particles (especially silica gel, SiO 2 ), the z. B. assume a function in the moisturization of the PEM. In addition, other components may be included, such as. As phosphoric acid, low molecular weight amphoteric (especially imidazole and / or pyrazole). However, a PEM can also consist of a proton-conductive glass film, in particular of a nanoporous phosphosilicate glass film. If a catalyst layer is applied to one or both of the main surfaces of the PEM, it is generally referred to as a catalyst-coated membrane-CCM for short.

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.at the gas diffusion layer according to the invention The fuel cell may have the channel depth of the flow field on the required for a desired pressure drop Depth to be adjusted. This is especially true when the separator plate Made of a metal, so very narrow channels Limits are set by the available forming processes.

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.at the inventive method for manufacturing a Gas diffusion layer for a fuel cell, in particular of a vehicle, the gas diffusion layer is for applying an electrode of a membrane electrode assembly of the fuel cell formed with a reactant. The gas diffusion layer is here with a plurality of electrically conductive elevations provided through which channels for the reactant be separated from each other. At least one of the electrically conductive Elevations is made from a carbon-containing base material educated. This can be achieved by applying the carbon Base material on a base body of the gas diffusion layer and / or by removing the channels from the body respectively.

Die für die erfindungsgemäße Gasdiffusionsschicht und die Brennstoffzelle beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren.The for the gas diffusion layer according to the invention and the fuel cell described advantages and preferred embodiments also apply to the invention Method.

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.The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the below mentioned in the figure description and / or in the figure alone shown features and feature combinations are not only in the specified combination, but also usable in other combinations or in isolation, without to leave the scope of the invention.

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.Further Advantages, features and details of the invention will become apparent the claims, the following description is more preferred Embodiments and with reference to the drawing. This shows fragmentary and in a sectional view of a fuel cell for a vehicle.

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.A fuel cell shown in the figure 1 includes a membrane-electrode assembly 2 to which a basic body 3 adjacent to a gas diffusion layer. On the main body 3 are elevations in the form of webs 4 applied. Two bars each 4 border a channel 5 laterally. Through the channel 5 During operation of the fuel cell, a reaction gas flows, for example on one side of the membrane-electrode arrangement 2 Hydrogen gas and on the other hand oxygen-containing air. These reactants pass through the gas diffusion layer, reacting at the respective electrodes of the membrane-electrode assembly 2 to water and thereby generate electricity.

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.The bridges 4 are arranged so that they become surveys 6 which are complementary in a bipolar plate 7 are formed. Two adjacent surveys 6 the bipolar plate 7 border laterally and down a portion of the channel 5 off, which to the sides and up through the bars 4 and the main body 3 is limited. By doing that through the bipolar plate 7 formed channel structure in the gas diffusion layer is a particularly large depth of the channels 5 reachable. The one in the bipolar plate 7 formed area of the respective channel 5 can be a height 8th from 0.4 mm to 0.5 mm and a maximum width 9 from 0.7 mm to 0.8 mm. Starting from this maximum width in the area of the bipolar plate 7 In this case, the cross section of the channel tapers 5 in a direction away from the gas diffusion layer. The bridges 4 are trapezoidal in the illustrated example, wherein the shorter side of the trapezium of the bipolar plate 7 is facing. The channel 5 thus has a diamond shape in cross section. The channels 5 can in principle but also have other cross-sections, z. B. U-shaped cross sections or circular segment-shaped cross sections and the like.

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.The channels 5 between the electrically conductive webs 4 can either by structured application of the webs 4 on the main body 3 the gas diffusion layer can be made, or it can be applied to the main body 3 a carbon-containing layer are applied, from which then by mechanical and / or chemical and / or physi removing the ridges 4 be worked out.

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.This erosion may be by laser and / or electron beam and / or by a mechanical scraper or cutter or the like, and / or by chemical abrasion, such as by etching the areas in which the channels 5 to be trained. When applying separate webs 4 on the main body 3 can the carbonaceous web 4 be prepared by means of a doctor blade, a nozzle and / or in a screen printing process. As material for the bars 4 is suitable amorphous carbon, which in the form of a soot paste over the entire surface or already in the form of the webs 4 on the main body 3 can be applied. In addition or alternatively, graphite can be used.

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.Under physical abrasion is within the scope of the present invention understood: evaporation, heating, deformation, cracking by photons, Molding, melting, merging, coating, Spraying, and the like. This can be done, for example, by action of light or other radiation of all kinds (eg electron beams) done, z. B. with the help of UV lamps, diodes and the like. This z. B. Mask method, scanner technology, warm Forming tools, etc. are used.

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.When applying or working out and / or at least partially after the application or removal of the webs 4 These can be made hydrophilic or hydrophobic depending on the desired function. For example, the hydrophobicity of the webs 4 the hydrophobicity of the body 3 be adapted to the gas diffusion layer. By hydrophilic shaping of the webs 4 These can be like a wick to keep in the channels 5 forming water of reaction over the webs 4 is deducted and thus a sufficient gas supply to the electrodes of the membrane-electrode assembly 2 is guaranteed. This is particularly useful if the fuel cell 1 is operated with a comparatively high current density, which is accompanied by a comparatively high amount of water of reaction. Also by a hydrophobic design of the webs 4 can be achieved that water easily by means of the reaction gases from the webs 4 can remove and so the gas flow in the channels 5 hardly obstructed.

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.By hydrophilic forming the webs 4 they can serve to store water of reaction and so even in the absence or insufficient humidification of the reaction gases through a humidifier for a satisfactory humidification in the membrane of the membrane-electrode assembly 2 to care. Also, the bridge can 4 each have different interfacial tensions in its interior and on its surface, so that both the expulsion of water of reaction from the channel 5 and wicking simultaneously with a reservoir function of the lands 4 is feasible.

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.Also, by treating the main body 3 and / or the webs 4 or the soot layer from which the webs 4 be worked out by means of a laser, an electron beam, an infrared radiator, a drying device and / or a sintering device they are transformed so that there is a desired hydrophobicity, hydrophilicity, gas permeability and / or water permeability. Such a treatment of the main body 3 and / or the webs 4 may be by means of mechanical means, such as compaction means for three-dimensional patterning, roughening and the like, and / or by means of chemical means enabling roughening and / or modification of the surface and / or three-dimensional modification or structuring.

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.By treating the body 3 and / or webs 4 With the laser, the electron beam, an ionizing or Deionisiereinrichtung, and / or by mechanical or chemical means and / or by surface activation means, the penetration depth of the webs 4 into the main body 3 before and / or during and / or after their application to the base body 3 be set. If one the basic body 3 facing base 10 of the bridges 4 partially into the body 3 penetrates, can flow through the gas diffusion layer in the two-dimensional direction of extent and / or in the direction of the membrane-electrode assembly 2 be set down.

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.By the area in the body 3 penetrating base 10 can be ensured that out of the channels 5 into the main body 3 penetrating reactants perpendicular to the through the body 3 Move defined two-dimensional extension direction towards the electrodes and can escape laterally to a lesser extent. It is therefore the permeability in the two-dimensional direction of extent of the body 3 adjusted so that the pressure loss under the webs 4 is reduced, wherein the supply of reaction areas is improved with gases. This also leads to an improved discharge of water of reaction at high current density.

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.By causing short circuit flows of the fluids (fuel or oxidant) to adjacent channels due to penetration of the base 10 of the bridges 4 into the main body 3 are avoidable, more fuel or oxidant is available for the reaction. The penetration depth of the webs 4 into the main body 3 can be adjusted by treating the carbonaceous coating composition by laser, electron beam, ionizer, deionizer, physically, mechanically, chemically, and / or via surface activation methods before and / or during and / or after application of the coating composition. Likewise, these treatment methods for treating the body 3 are used and the properties of the body 3 Adjust so that the desired penetration depth of the webs 4 into the main body 3 is reached.

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.Furthermore, by the mentioned treatment methods, a particularly good electrical contact between the webs 4 and the bipolar plate 7 be achieved, as well as a particularly good adhesion of the webs 4 on the body 3 ,

11
Brennstoffzellefuel cell
22
Membran-Elektroden-AnordnungMembrane electrode assembly
33
Grundkörperbody
44
Stegweb
55
Kanalchannel
66
Erhebungsurvey
77
Bipolarplattebipolar
88th
Höheheight
99
Breitewidth
1010
BasisBase

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 102007039467 A1 [0002] - DE 102007039467 A1 [0002]

Claims (8)

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.Gas diffusion layer for a fuel cell ( 1 ), in particular of a vehicle, wherein the gas diffusion layer for applying an electrode to a membrane electrode assembly ( 2 ) of the fuel cell ( 1 ) is formed with a reactant, and wherein the gas diffusion layer has a plurality of electrically conductive elevations ( 4 ), through which channels ( 5 ) are delimited from each other for the reactant, characterized in that at least one of the electrically conductive elevations ( 4 ) Contains carbon. Gasdiffusionsschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Erhebungen (4) zumindest bereichsweise aus amorphem Kohlenstoff und/oder Graphit gebildet sind.Gas diffusion layer according to claim 1, characterized in that the electrically conductive elevations ( 4 ) are at least partially formed of amorphous carbon and / or graphite. 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.Gas diffusion layer according to claim 1 or 2, characterized in that the channels ( 5 ) between the electrically conductive bumps ( 4 ) are at least partially formed by mechanical and / or chemical and / or physical removal of a carbonaceous base material. 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.Gas diffusion layer according to one of claims 1 to 3, characterized in that the electrically conductive elevations ( 4 ) have a respective base which at least partially into one of the channels ( 5 ) limiting body ( 3 ) penetrates the gas diffusion layer. Gasdiffusionsschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Erhebungen (4) zumindest bereichsweise hydrophil und/oder hydrophob ausgebildet sind.Gas diffusion layer according to one of claims 1 to 4, characterized in that the electrically conductive elevations ( 4 ) are at least partially hydrophilic and / or hydrophobic. 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.Fuel cell, in particular for a vehicle, having a gas diffusion layer according to one of claims 1 to 5, and having a membrane-electrode arrangement ( 2 ), which can be acted upon via the gas diffusion layer with a reactant, wherein the electrically conductive elevations ( 4 ) of the gas diffusion layer at least in regions with corresponding elevations ( 6 ) a separator plate ( 7 ) are brought into contact. Brennstoffzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Separatorplatte (7) aus einem Metall gebildet ist.Fuel cell according to claim 6, characterized in that the separator plate ( 7 ) is formed of a metal. 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.Method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell ( 1 ), in particular of a vehicle, wherein the gas diffusion layer for applying an electrode to a membrane electrode assembly ( 2 ) of the fuel cell ( 1 ) is formed with a reactant, in which the gas diffusion layer with a plurality of electrically conductive elevations ( 4 ) through which channels ( 5 ) are delimited from one another for the reactant, characterized in that at least one of the electrically conductive elevations ( 4 ) is formed from a carbon-containing base material.
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