DE102018215464A1

DE102018215464A1 - Verfahren zum Herstellen einer Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102018215464A1
Application number: DE102018215464.3A
Authority: DE
Inventors: Harald Bauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-09-12
Filing date: 2018-09-12
Publication date: 2020-03-12
Also published as: CN112689920A; WO2020052926A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Gasdiffusionslage (GDL) für eine Brennstoffzelle (100), aufweisend folgende Schritte:
1) Bereitstellen von partikelförmigen Komponenten (M1, M2):
a) einer ersten Komponente (M1) mit einem ersten Benetzungswinkel, und
b) einer zweiten Komponente (M2) mit einem zweiten Benetzungswinkel, der sich von dem ersten Benetzungswinkel unterscheidet,
2) Vermischen der ersten Komponente (M1) mit der zweiten Komponente (M2) zu einer inhomogenen Mischung,
3) Herstellen eines bandförmigen Materials aus der inhomogenen Mischung,
4) Zuschneiden einer Gasdiffusionslage (GDL) auf dem bandförmigen Material.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch. Ferner betrifft die Erfindung eine entsprechende Gasdiffusionslage nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch. Zudem betrifft die Erfindung eine entsprechende Brennstoffzelle nach dem nebengeordneten unabhängigen Vorrichtungsanspruch.
Stand der Technik
Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler. Bei Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzellen oder einfach kurz PEM-Brennstoffzellen werden die Reaktanten Wasserstoff und Sauerstoff zur Energiegewinnung in Wasser, elektrische Energie und Wärme umgewandelt. Nach dem Stand der Technik werden PEM-Brennstoffzellen als Stapel aus Wiederholeinheiten, umfassend einen Kathodenbereich, eine Bipolarplatte, einen Anodenbereich und eine Membran-Elektrodeneinheit, aufgebaut. Die Bipolarplatte ist elektrisch leitfähig, aber für Gase und Ionen undurchlässig. Die Bipolarplatte verteilt mittels einer Stegstruktur im Millimeterbereich im Anodenbereich z. B. Wasserstoffgas und im Kathodenbereich z. B. Sauerstoffgas oder Luft. Um den Übergang und die Verteilung der Gase aus der Millimeterstrukturierung der Bipolarplatte auf die nanoskaligen Katalysatorpartikel der Membran-Elektrodeneinheit zu erleichtern, wird sowohl auf einer Kathodenseite der Membran, als auch auf einer Anodenseite der Membran jeweils eine poröse Gasdiffusionslage als eine Elektrodeneinheit eingesetzt. Zunehmend werden in Brennstoffzellen partikelbasierte Gasdiffusionslagen eingesetzt. Auf der Kathodenseite der Membran muss das infolge der chemischen Reaktion gebildete Produktwasser durch die Poren der Gasdiffusionslage abtransportiert werden. Es hat sich gezeigt, dass beim Abtransport des Produktwassers sich „willkürliche“ Wasserpfade innerhalb der Gasdiffusionslage bilden. Im Bereich der lokalen Flutung der porösen Struktur der Gasdiffusionslage ist der Transport des sauerstoffhaltigen Reaktanten behindert, sodass die lokale Performance der Brennstoffzelle schwankt. Dies kann sich wiederum auf die Gesamtperformance der Brennstoffzelle auswirken.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung sieht ein Verfahren zum Herstellen einer Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch vor. Ferner sieht die Erfindung eine entsprechende Gasdiffusionslage nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch vor. Zudem sieht die Erfindung eine entsprechende Brennstoffzelle nach dem nebengeordneten unabhängigen Vorrichtungsanspruch vor. Weitere Vorteile und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Vorteile, Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Membran-Elektrodeneinheit sowie der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Herstellen einer Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle vor, aufweisend folgende Schritte:

1) Bereitstellen von partikelförmigen Komponenten:
1. a) einer ersten Komponente mit einem ersten Benetzungswinkel, und
2. b) einer zweiten Komponente mit einem zweiten Benetzungswinkel, der sich von dem ersten Benetzungswinkel unterscheidet,
2) Vermischen der ersten Komponente mit der zweiten Komponente zu einer inhomogenen Mischung,
3) Herstellen eines bandförmigen Materials aus der inhomogenen Mischung,
4) Zuschneiden einer Gasdiffusionslage auf dem bandförmigen Material.

Als eine Gasdiffusionslage im Rahmen der Erfindung kann eine poröse, insbesondere mikroporöse, Elektrodeneinheit verstanden werden, die Katalysatormaterial für die elektrochemische Reaktion, bspw. Platin, aufweisen kann und die mit einer ionenleitfähigen Membran beschichtet werden kann. Die Elektrodeneinheit im Rahmen der Erfindung weist eine Porenstruktur im Nanometerbereich und eine Materialstärke von 20 bis 100 µm auf.
Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass beim Herstellen einer Gasdiffusionslage unterschiedliche Komponenten bzw. Precurser, bspw. in Form von Konglomeraten, verwendet werden, die unterschiedliche Benetzungseigenschaften aufweisen. Die unterschiedlichen Komponenten können jeweils leitfähige Teilchen, bspw. in Form von Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulat-Teilchen, aufweisen, die mittels eines Binders, bspw. eines Polytetrafluorethylen-Granulats (PTFE) und/oder eines Polyvinylidenfluorid-Granulats (PVDF), vorzugsweise in unterschiedlichen Massenanteilen, zumindest zum Teil granuliert und/oder zusammengehalten werden. Die unterschiedlichen Komponenten können vorteilhafterweise mithilfe von unterschiedlichen Herstellungsverfahren bereitgestellt werden, bspw. umfassend eine Sprühgranulation bzw. eine Wirbelschichtgranulierung oder einen mechanischen Scherprozess. Zudem ist es denkbar, dass die Komponenten sich durch folgende Merkmale unterscheiden können, wie Partikelgröße, Partikelform, Partikelart, Partikelzusammensetzung, Hilfsstoffe, Lösemittelart, Lösemittelmenge, Bindermenge oder deren Verteilung im Precurser, um unterschiedliche Benetzungseigenschaften gegenüber dem in der Brennstoffzelle gebildetem Produktwasser bereitzustellen.
Die unterschiedlichen Komponenten bzw. Precurser werden vermischt, ohne die Komponenten zu mehr als 50% zu zerstören, bspw. ohne die Konglomerate zu mehr als 50% aufzulösen. Somit kann eine inhomogene Mischung erhalten werden, die an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Benetzungseigenschaften aufweist. Aus dieser Mischung wird schließlich die Gasdiffusionslage hergestellt, bspw. mittels Auswalzen oder Extrudieren, die an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Benetzungseigenschaften aufweist.
Somit können innerhalb der Gasdiffusionslage in statistisch regelmäßigen Abständen abwechselnd Pfade und/oder Störzonen für das Produktwasser ausbildet werden. Dadurch werden lokale Störungsstellen mit einem verminderten Sauerstofftransport gemindert und besser verteilt. Dadurch wird die lokale sowie gemittelte Stromdichte erhöht und die Performance der Brennstoffzelle verbessert.
Ferner kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Herstellen einer Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle vorsehen, dass Partikel der ersten Komponente und/oder Partikel der zweiten Komponente in einem Volumenverhältnis 2:8 bis 4:6, insbesondere 3:7, bereitgestellt werden. Die erste Komponente kann dabei im Verhältnis zu der zweiten Komponente mit einem geringeren Benetzungswinkel bereitgestellt werden. Durch die zweite Komponente (mit einem größeren Benetzungswinkel) können somit in ausreichenden und regelmäßigen Abständen Pfade für einen verbesserten Abtransport des Produktwassers bereitgestellt werden.
Weiterhin kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Herstellen einer Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle vorsehen, dass Partikel der ersten Komponente sich von Partikeln der zweiten Komponente durch mindestens ein Merkmal von den folgenden Merkmalen unterscheiden:

- Partikelgröße,
- Partikelform,
- Partikelart,
- Partikelzusammensetzung,
- Hilfsstoffe, insbesondere Lösemittelart und/oder Binderart,
- Hilfsstoffmenge, Lösemittelmenge, Bindermenge und/oder deren Verteilung in den Partikeln.

All diese Merkmale ermöglichen eine flexible Einstellung der Benetzungseigenschaften und somit eine bestimmbare, vergleichmäßigte Verteilung von Wasserpfaden in der Gasdiffusionslage. Die Merkmale, wie Partikelgröße, Partikelform und Partikelart sind einfache Größen, die durch die Wahl von Partikel bestimmt werden können. Die Merkmale wie Partikelzusammensetzung, die Wahl der Hilfsstoffe, insbesondere Lösemittelart und/oder Binderart, die Wahl der Hilfsstoffmenge, Lösemittelmenge, Bindermenge und/oder deren Verteilung in den Partikeln sind Eigenschaften die vorteilhafterweise während der Herstellung der Komponenten eingestellt werden können. Durch diese Merkmale kann die Flexibilität bei der Einstellung der Benetzungseigenschaften noch weiter erhöht werden.
Des Weiteren kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Herstellen einer Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle vorsehen, dass Partikel der ersten Komponente und/oder Partikel der zweiten Komponente als Konglomerate bereitgestellt werden, die leitfähige Teilchen, bspw. in Form von Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulat-Teilchen, aufweisen, die mittels eines Binders, bspw. eines Polymers-Granulats, bspw. eines Polytetrafluorethylen-Granulats (PTFE) und/oder eines Polyvinylidenfluorid-Granulats (PVDF), zumindest zum Teil granuliert und/oder zusammengehalten werden. Somit können die Komponenten in Form von trockenen oder fast trockenen Vormischungen bereitgestellt werden, die im Schritt 2) vermischt werden und die im Schritt 3) zu einem Bandmaterial verarbeitet werden können. Durch die Größe, Form und Zusammensetzung der Konglomerate können nicht nur bestimmte Benetzungseigenschaften innerhalb der Partikel bestimmt werden, sondern auch die Größe der Pfade und/oder Störzonen für das Produktwasser innerhalb der Gasdiffusionslage beeinflusst werden. Zudem kann durch die Größe der Konglomerate die Materialstärke des bandförmigen Materials bestimmt werden.
Zudem ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass Partikel der ersten Komponente und/oder Partikel der zweiten Komponente ein Polytetrafluorethylen-Granulat und/oder ein Polyvinylidenfluorid-Granulat, vorzugsweise in unterschiedlichen Massenanteilen, als Binder aufweisen. Solche Binder weisen unterschiedliche Benetzungseigenschaften auf. Zudem schaffen solche Binder unterschiedlich große Partikel und/oder unterschiedlich große Konglomerate als Partikel. Dazu kommt noch, dass durch das Verhältnis der Massenanteile von 0:1 bis 1:0 die Flexibilität bei der Einstellung der Benetzungseigenschaften auf eine einfache Art und Weise erhöht werden kann.
Außerdem ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass Partikel der ersten Komponente und/oder Partikel der zweiten Komponente die leitfähigen Teilchen und den Binder in einem Massenverhältnis von 7:3 bis 9:1, insbesondere 8:2, aufweisen. Durch den ausreichenden Massenanteil der leitfähigen Teilchen wird die elektrische Leitfähigkeit der Komponenten sichergestellt. Durch den Anteil des Binders kann eine zusammenhängende Mischung sichergestellt werden, die im Schritt 3) zu einem Bandmaterial verarbeitet werden kann.
Ferner ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass im Schritt 4) die Gasdiffusionslage mit einer Materialstärke von 20 bis 400 µm bereitgestellt wird. Somit kann die Gasdiffusionslage für den Einsatz in eine Brennstoffzelle sowie in einem Brennstoffzellenstapel ausgebildet werden.
Weiterhin ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass Partikel der ersten Komponente und/oder Partikel der zweiten Komponente einen mittleren Durchmesser von 10% bis 500%, insbesondere 50 bis 200%, von einer Materialstärke des im Schritt 3) herzustellenden bandförmigen Materials aufweisen. Somit kann sichergestellt werden, dass die Partikel je nach Größe in mehreren Lagen eine Gasdiffusionslage bilden bis zu dem Fall, wo ein Partikel die Materialstärke der Gasdiffusionslage bestimmt werden kann. In jedem Falle kann zudem vorgesehen sein, dass durch Bearbeiten der Mischung im Schritt 3), bspw. durch Auswalzen, die Oberfläche der Gasdiffusionslage geglättet werden kann.
Des Weiteren kann die Erfindung bei einem zum Herstellen einer Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle vorsehen, dass Partikel der ersten Komponente mithilfe eines ersten Verfahrens hergestellt werden, wobei Partikel der zweiten Komponente mithilfe eines zweiten Verfahrens hergestellt werden, und wobei sich das erste Verfahren von dem zweiten Verfahren unterscheidet. Somit kann auf eine vorteilhafterweise sichergestellt werden, dass innerhalb der Gasdiffusionslage in regelmäßigen Abständen abwechselnd Pfade und/oder Störzonen für das Produktwasser ausbildet werden.
Zudem kann die Erfindung bei einem zum Herstellen einer Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle vorsehen, dass das erste Verfahren und/oder das zweiten Verfahren ein Granulieren mindestens eines Teils von leitfähigen Teilchen und/oder ein Fibrillieren mindestens eines Teils eines Binders umfasst. Auf diese Weise können die leitfähigen Teilchen innerhalb der Partikel einerseits mit einer hydrophoben Beschichtung versehen und andererseits ein Zusammenhalt innerhalb der Mischung sichergestellt werden.
Außerdem ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass das erste Verfahren eine Wirbelschichtgranulierung umfasst, und/oder dass das zweite Verfahren einen mechanischen Scherprozess umfasst. Dies sind einfache und zuverlässige Verfahren zum Herstellen von Konglomeraten aus zumindest zum Teil granulierten leitfähigen Teilchen, die mithilfe von Fibrillen zusammengehalten werden, die durch die mechanische Beanspruchung des Binders entstehen.
Ferner kann die Erfindung bei einem zum Herstellen einer Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle vorsehen, dass im Schritt 2) ein Lösemittel und/oder Wasser mit einem jeweiligen Massenanteil innerhalb der Mischung von 1 bis 10 Gew% zugegeben wird. Das Lösemittel kann dabei helfen, dass der jeweilige Binder innerhalb der Mischung verflüssigt oder wenigstens suspendiert werden kann. Das Lösemittel und/oder Wasser kann auch bewirken, dass die leitfähigen Teilchen beim Mischen im Schritt 2) nicht beschädigt werden. Die im Schritt 2) gewonnene bzw. fertige Mischung ist eine zusammenhängende Mischung, die weder flüssig noch pastös ist, die aber augenscheinlich trocken bleibt, da das Wasser nur die Partikeloberflächen benetzt aber die Mischung aufgrund der geringen Menge nicht fluidisiert. Das Lösemittel und/oder Wasser können im Schritt 3) weitestgehend verdampfen. Grundsätzlich ist es denkbar, dass nach dem Schritt 3), insbesondere nach dem Schritt 4), ein separater Schritt zu einer Trocknung des bandförmigen Materials vorgesehen sein kann.
Vorteilhafterweise kann die Erfindung vorsehen, dass im Schritt 2) ein Mischen erfolgt, ohne die Partikel der Komponenten zu mehr als 50% aufzubrechen. Damit können die Komponenten innerhalb der Mischung ausreichend verteilt werden und die unterschiedlichen Benetzungseigenschaften in einem ausreichenden Maße aufrechterhalten werden.
Weiterhin kann die Erfindung vorsehen, dass im Schritt 3) das bandförmige Material mithilfe von Auswalzen oder Extrudieren hergestellt wird. Somit kann das bandförmige Material als ein dünner Film mithilfe von Verfahren hergestellt werden, die aus der Kunststoffverarbeitung bekannt sind. Solche Verfahren eignen sich vorteilhafterweise für eine hoch optimierbare Herstellung verbunden mit einer hohen Qualität und einer niedrigen Ausschussrate.
Des Weiteren kann die Erfindung vorsehen, dass im Schritt 3) mindestens eine Walze oder eine Extruderschnecke auf eine Temperatur 50 °C bis 400 °C beheizt wird. Die Temperatur kann dabei von dem Mischverhältnis zwischen sowie von den Merkmalen der ersten Komponente a) und der zweiten Komponente b) abhängen. Somit kann im Schritt 3) das Lösemittel und/oder Wasser weitestgehend verdampfen und das bandförmige Material zudem geglättet werden.
Zudem sieht die vorliegende Erfindung eine Gasdiffusionslage vor, die mithilfe eines Verfahrens hergestellt werden kann, welches wie oben beschrieben ausgeführt werden kann. Mithilfe der erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Weiterhin sieht die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle mit einer Gasdiffusionslage vor, die mithilfe eines Verfahrens hergestellt werden kann, welches wie oben beschrieben ausgeführt werden kann. Mithilfe der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle werden ebenfalls die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Figurenliste
Die erfindungsgemäße Gasverteilerstruktur und die erfindungsgemäße Brennstoffzelle und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

1 eine schematische Schnittdarstellung einer bekannten Gasdiffusionslage,
2 eine schematische Schnittdarstellung einer Gasdiffusionslage im Sinne der Erfindung,
3 eine schematische Darstellung einer Gasdiffusionslage im Sinne der Erfindung in einer Draufsicht,
4 eine vergrößerte schematische Darstellung einer Gasdiffusionslage im Sinne der Erfindung in einer Draufsicht,
5 eine vergrößerte Schnittdarstellung einer Gasdiffusionslage im Sinne der Erfindung, und
6 eine schematische Darstellung von Wasserpfaden durch eine Gasdiffusionslage im Sinne der Erfindung.

In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.
Die 1 zeigt eine bekannte Gasdiffusionslage GDL* die auf einer Membran M aufliegt. Die Gasdiffusionslage GDL* und die Membran M sind aneinander elektrisch angeschlossen. Die Gasdiffusionslage GDL* und die Membran M bilden zusammen eine Membran-Elektrodeneinheit MEA für eine Brennstoffzelle 100*.
Die 2 zeigt eine Gasdiffusionslage GDL im Sinne der Erfindung, die ebenfalls auf einer Membran M aufliegt. Die Gasdiffusionslage GDL und die Membran M sind im Rahmen der Erfindung elektrisch aneinander verbunden. Die Gasdiffusionslage GDL und die Membran M bilden zusammen eine Membran-Elektrodeneinheit MEA für eine Brennstoffzelle 100.
Wie es aus der 2 erkennbar ist, weist die Gasdiffusionslage GDL im Sinne der Erfindung unterschiedliche Komponenten M1, M2 bzw. unterschiedliche Precurser, bspw. in Form von Konglomeraten, auf, die erfindungsgemäß unterschiedliche Benetzungseigenschaften aufweisen (vgl. später die 6).
Die Gasdiffusionslage GDL im Sinne der Erfindung wird mithilfe eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt, das folgende Schritte aufweist:

1) Bereitstellen von partikelförmigen Komponenten M1, M2:
1. a) einer ersten Komponente M1 mit einem ersten Benetzungswinkel, und
2. b) einer zweiten Komponente M2 mit einem zweiten Benetzungswinkel, der sich von dem ersten Benetzungswinkel unterscheidet und der vorzugsweise größer als der erste Benetzungswinkel ist,
2) Vermischen der ersten Komponente M1 mit der zweiten Komponente M2 zu einer inhomogenen Mischung,
3) Herstellen eines bandförmigen Materials aus der inhomogenen Mischung,
4) Zuschneiden einer Gasdiffusionslage GDL auf dem bandförmigen Material.

Wie es ferner aus der 2 sowie aus der 3 erkennbar ist, können die unterschiedlichen Komponenten M1, M2 mehrere, vorzugsweise leitfähige, Teilchen, bspw. in Form von Kohlenstoff- und/oder Graphit-Granulat-Teilchen, aufweisen. Diese Teilchen können mittels eines Binders, bspw. eines Polytetrafluorethylen-Granulats (PTFE) und/oder eines Polyvinylidenfluorid-Granulats (PVDF), vorzugsweise in unterschiedlichen Massenanteilen, zumindest zum Teil granuliert und/oder zusammengehalten werden.
Um die unterschiedlichen Komponenten M1, M2 zu erhalten, können vorteilhafterweise unterschiedliche Herstellungsverfahren genutzt werden, bspw. umfassend eine Sprühgranulation bzw. eine Wirbelschichtgranulierung oder einen mechanischen Scherprozess.
Zudem ist es denkbar, dass die Komponenten M1, M2 sich durch folgende Merkmale unterscheiden können, wie:

Diese unterschiedlichen Merkmale können dazu dienen, unterschiedliche Benetzungseigenschaften gegenüber dem in der Brennstoffzelle 100 gebildeten Produktwasser bereitzustellen, wie es schematisch in der 6 angedeutet ist.
Die unterschiedlichen Komponenten M1, M2 werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens im Schritt 2) vermischt, ohne die Komponenten M1, M2 zu mehr als 50% zu zerstören, bspw. ohne die Konglomerate zu mehr als 50% aufzulösen.
Vorteilhafterweise kann im Schritt 2) eine inhomogene Mischung erhalten werden, die an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Benetzungseigenschaften aufweist.
Aus dieser Mischung kann im Schritt 3) eine Gasdiffusionslage GDL im Sinne der Erfindung hergestellt werden, bspw. mittels Auswalzen oder Extrudieren, die an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Benetzungseigenschaften aufweist.
Wie es schematisch die 4 und 5 sowie die 6 zeigen, können mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens innerhalb der Gasdiffusionslage GDL in regelmäßigen Abständen abwechselnd Pfade und/oder Störzonen für das Produktwasser ausbildet werden. Dadurch werden lokale Störungsstellen mit einem verminderten Sauerstofftransport gemindert und gleichmäßig verteilt. Dadurch wird die lokale sowie gemittelte Stromdichte erhöht und die Performance der Brennstoffzelle verbessert.
Wie es aus den 4 und 5 ungefähr erkennbar ist, können Partikel der ersten Komponente M1 und/oder Partikel der zweiten Komponente M2 in einem Volumenverhältnis 2:8 bis 4:6, insbesondere 3:7, bereitgestellt werden. Durch den Massenanteil der zweiten Komponente M2 (mit einem größeren Benetzungswinkel) können somit in ausreichenden und regelmäßigen Abständen Pfade für einen verbesserten Abtransport des Produktwassers bereitgestellt werden.
Innerhalb der Partikel der unterschiedlichen Komponenten M1, M2 können leitfähige Teilchen und der Binder in einem Massenverhältnis von 7:3 bis 9:1, insbesondere 8:2, vorgesehen sein, um eine elektrisch leitfähige und zugleich zusammenhängende Gasdiffusionslage GDL zu erhalten.
Im Rahmen der Erfindung kann im Schritt 4) die Gasdiffusionslage GDL mit einer Materialstärke von 20 bis 400 µm bereitgestellt werden. Ferner ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass Partikel der ersten Komponente M1 und/oder Partikel der zweiten Komponente M2 einen mittleren Durchmesser von 10% bis 500%, insbesondere 50 bis 200%, dieser Materialstärke aufweisen können.
Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Gasdiffusionslage (GDL) für eine Brennstoffzelle (100), aufweisend folgende Schritte: 1) Bereitstellen von partikelförmigen Komponenten (M1, M2): a) einer ersten Komponente (M1) mit einem ersten Benetzungswinkel, und b) einer zweiten Komponente (M2) mit einem zweiten Benetzungswinkel, der sich von dem ersten Benetzungswinkel unterscheidet, 2) Vermischen der ersten Komponente (M1) mit der zweiten Komponente (M2) zu einer inhomogenen Mischung, 3) Herstellen eines bandförmigen Materials aus der inhomogenen Mischung, 4) Zuschneiden einer Gasdiffusionslage (GDL) auf dem bandförmigen Material.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel der ersten Komponente (M1) und/oder Partikel der zweiten Komponente (M2) in einem Volumenverhältnis 2:8 bis 4:6 bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel der ersten Komponente (M1) sich von Partikeln der zweiten Komponente (M2) durch mindestens ein Merkmal von den folgenden Merkmalen unterscheiden: - Partikelgröße, - Partikelform, - Partikelart, - Partikelzusammensetzung, - Hilfsstoffe, - Hilfsstoffmenge.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel der ersten Komponente (M1) und/oder Partikel der zweiten Komponente (M2) als Konglomerate bereitgestellt werden, die leitfähige Teilchen aufweisen, die mittels eines Binders zumindest zum Teil granuliert und/oder zusammengehalten werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel der ersten Komponente (M1) und/oder Partikel der zweiten Komponente (M2) ein Polytetrafluorethylen-Granulat (PTFE) und/oder ein Polyvinylidenfluorid-Granulat (PVDF) als Binder aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel der ersten Komponente (M1) und/oder Partikel der zweiten Komponente (M2) die leitfähigen Teilchen und den Binder in einem Massenverhältnis von 7:3 bis 9:1 aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt 4) die Gasdiffusionslage (GDL) mit einer Materialstärke von 20 bis 400 µm bereitgestellt wird, und/oder dass Partikel der ersten Komponente (M1) und/oder Partikel der zweiten Komponente (M2) einen mittleren Durchmesser von 10% bis 500%, insbesondere 50 bis 200%, von einer Materialstärke des im Schritt 3) herzustellenden bandförmigen Materials aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel der ersten Komponente (M1) mithilfe eines ersten Verfahrens hergestellt werden, wobei Partikel der zweiten Komponente (M2) mithilfe eines zweiten Verfahrens hergestellt werden, und wobei sich das erste Verfahren von dem zweiten Verfahren unterscheidet.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verfahren und/oder das zweiten Verfahren ein Granulieren mindestens eines Teils von leitfähigen Teilchen und/oder ein Fibrillieren mindestens eines Teils eines Binders umfasst, und/oder dass das erste Verfahren eine Wirbelschichtgranulierung umfasst, und/oder dass das zweite Verfahren einen mechanischen Scherprozess umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt 2) ein Lösemittel und/oder Wasser mit einem jeweiligen Massenanteil innerhalb der Mischung von 1 bis 10 Gew% zugegeben wird, und/oder dass im Schritt 2) ein Mischen erfolgt, ohne die Partikel der Komponenten (M1, M2) zu mehr als 50% aufzubrechen.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt 3) das bandförmige Material mithilfe von Auswalzen oder Extrudieren hergestellt wird, und/oder dass im Schritt 3) mindestens eine Walze oder eine Extruderschnecke auf eine Temperatur 50 °C bis 400 °C beheizt wird.
Gasdiffusionslage (GDL), dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionslage (GDL) mithilfe eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
Brennstoffzelle (100) mit einer Gasdiffusionslage (GDL) nach dem vorhergehenden Anspruch.