DE102019210637A1 - Gas diffusion layer, fuel cell with gas diffusion layer and fuel cell stack with fuel cell - Google Patents

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Abstract

Gasdiffusionslage 10 für eine Brennstoffzelle (100) aufweisend einen Grundkörper 12 aus einem fluiddurchlässigen, offenporigen Material, wobei der Grundkörper 12 eine Membrankontaktierungsfläche 14, die einer ersten Seite einer Membran der Brennstoffzelle (100) zuwendbar ist, und eine von der Membrankontaktierungsfläche 14 beabstandete Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16, die einer ersten Seite einer Bipolarplatte der Brennstoffzelle (100) zuwendbar ist, und eine erste Seitenfläche 13 zwischen der Membrankontaktierungsfläche 14 und der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16, und eine von der ersten Seitenfläche 13 beabstandete zweite Seitenfläche 15 zwischen der Membrankontaktierungsfläche 14 und der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16, wobei der Grundkörper 12 entlang einer Richtung von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 hin zur Membrankontaktierungsfläche 14 einen Gasdiffusionslagenströmungswiderstand aufweist wobei, der Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers 12 ausgehend von der ersten Seitenfläche 13 entlang einer Abnahmerichtung A hin zur zweiten Seitenfläche 15 abnimmt.Gas diffusion layer 10 for a fuel cell (100) having a base body 12 made of a fluid-permeable, open-pored material, the base body 12 having a membrane contact surface 14, which can be turned towards a first side of a membrane of the fuel cell (100), and a bipolar plate contact surface 16 spaced from the membrane contact surface 14 , which is facing a first side of a bipolar plate of the fuel cell (100), and a first side surface 13 between the membrane contacting surface 14 and the bipolar plate contacting surface 16, and a second side surface 15 spaced from the first side surface 13 between the membrane contacting surface 14 and the bipolar plate contacting surface 16, wherein the base body 12 has a gas diffusion layer flow resistance along a direction from the bipolar plate contact surface 16 to the membrane contact surface 14, the gas diffusion layer flow resistance of the base body s 12 decreases starting from the first side surface 13 along a decrease direction A towards the second side surface 15.

Description

Stand der TechnikState of the art

Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, wobei diese zwei Elektroden, welche mittels eines ionenleitenden Elektrolyten voneinander separiert sind, beschreibt. Die Brennstoffzelle wandelt die Energie einer chemischen Reaktion eines Brennstoffes mit Sauerstoff direkt in Elektrizität um. Es existieren verschiedene Typen von Brennstoffzellen.A fuel cell is an electrochemical cell, which describes two electrodes which are separated from one another by means of an ion-conducting electrolyte. The fuel cell converts the energy of a chemical reaction between a fuel and oxygen directly into electricity. There are different types of fuel cells.

Ein Brennstoffzellentyp ist die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM-FC). In einer PEM-FC sind neben einer Polymerelektrolytmembran (PEM), Katalysatorschichten und Gasdiffusionslagen (GDL) auch sogenannte Bipolarplatten (BP) vorgesehen. Eine Polymerelektrolytmembran, zwei Katalysatorschichten und zwei Gasdiffusionslagen bilden eine sogenannte Membranelektrodeneinheit (MEA). Die Gasdiffusionslage, zwischen der Anodenseite einer Bipolarplatte und einer Polymerelektrolytmembran, dient der feinen Verteilung und Zuführung eines Brennstoffes zu der Polymerelektrolytmembran. Die Gasdiffusionslage zwischen der Kathodenseite einer benachbarten Bipolarplatte und der Polymerelektrolytmembran dient der feinen Verteilung und Zuführung von Luft/Sauerstoff zu der Polymerelektrolytmembran. Brennstoffzellen bzw. Brennstoffzellenstapel sind aus abwechselnd übereinander angeordneten MEA und Bipolarplatten aufgebaut. Die elektrisch leitenden Bipolarplatten dienen dazu, den elektrischen Strom als Elektroden zu leiten und Brennstoff und Luft/Sauerstoff durch entsprechend angeordnete Kanäle zu führen. Weiter erfüllen die Bipolarplatten die Aufgabe der groben Versorgung der Elektroden mit Brennstoff und Luft/Sauerstoff. Außerdem können die Bipolarplatten weitere Verteilerstrukturen zum Führen von Kühlfluid umfassen. Diese Verteilerstrukturen sind als Kanäle ausgebildet, wodurch das Kühlfluid leitbar ist und eine Kühlung des Brennstoffzellenstapels erfolgt. Auf der Anodenseite einer Bipolarplatte findet die grobe Verteilung des Brennstoffes und auf der Kathodenseite der Bipolarplatte die grobe Verteilung von Luft/Sauerstoff statt.One type of fuel cell is the polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM-FC). In addition to a polymer electrolyte membrane (PEM), catalyst layers and gas diffusion layers (GDL), so-called bipolar plates (BP) are also provided in a PEM-FC. A polymer electrolyte membrane, two catalyst layers and two gas diffusion layers form a so-called membrane electrode unit (MEA). The gas diffusion layer, between the anode side of a bipolar plate and a polymer electrolyte membrane, serves to finely distribute and supply a fuel to the polymer electrolyte membrane. The gas diffusion layer between the cathode side of an adjacent bipolar plate and the polymer electrolyte membrane serves for the fine distribution and supply of air / oxygen to the polymer electrolyte membrane. Fuel cells or fuel cell stacks are made up of MEA and bipolar plates arranged alternately one above the other. The electrically conductive bipolar plates are used to conduct the electrical current as electrodes and to guide fuel and air / oxygen through appropriately arranged channels. The bipolar plates also perform the task of roughly supplying the electrodes with fuel and air / oxygen. In addition, the bipolar plates can comprise further distributor structures for guiding cooling fluid. These distributor structures are designed as channels, whereby the cooling fluid can be conducted and the fuel cell stack is cooled. The rough distribution of the fuel takes place on the anode side of the bipolar plate and the rough distribution of air / oxygen takes place on the cathode side of the bipolar plate.

Wird der Brennstoff auf Anodenseite einer Bipolarplatte von einem Anodeneingang durch die Kanäle der Bipolarplatte zu einem Anodenausgang geführt, so nimmt der Druck des Brennstoffes entlang der Kanäle vom Anodeneingang zum Anodenausgang ab. Aufgrund des abnehmenden Druckes und des Verbrauches des Brennstoffes sinkt auch die Konzentration des Brennstoffes entlang der Kanäle vom Anodeneingang zum Anodenausgang der Anodenseite der Brennstoffzelle. Der entlang der Kanäle abnehmende Druck hat zur Folge, dass eine Gasdiffusionsschicht zwischen der Anodenseite der Bipolarplatte und einer Membranseite einer Membran im aktiven Bereich einer Brennstoffzelle ungleichmäßig mit Brennstoff versorgt wird. Dasselbe gilt folglich analog für Luft/Sauerstoff auf einer Kathodenseite einer Bipolarplatte.If the fuel on the anode side of a bipolar plate is fed from an anode inlet through the channels of the bipolar plate to an anode outlet, the pressure of the fuel decreases along the channels from the anode inlet to the anode outlet. Due to the decreasing pressure and the consumption of the fuel, the concentration of the fuel along the channels from the anode inlet to the anode outlet on the anode side of the fuel cell also falls. The decrease in pressure along the channels has the consequence that a gas diffusion layer between the anode side of the bipolar plate and a membrane side of a membrane in the active area of a fuel cell is supplied with fuel unevenly. The same applies analogously to air / oxygen on a cathode side of a bipolar plate.

Die ungleichmäßige Versorgung einer Gasdiffusionsschicht, welche sich zwischen der Anodenseite der Bipolarplatte und einer Membranseite einer Membran befindet, mit einem Brennstoff und die ungleichmäßige Versorgung einer Gasdiffusionsschicht, welche sich zwischen der Kathodenseite einer benachbarten Bipolarplatte und der anderen Seite der Membran befindet, mit Luft/Sauerstoff führt zu einem ungleichmäßigen Brennstoffzellenbetrieb der Brennstoffzelle. Beispielsweise ist in Bereichen mit einer geringeren Versorgung auch die Stromdichte der Brennstoffzelle niedriger. In Bereichen mit einer geringeren Stromdichte kann wiederum die Feuchtigkeit einer Membran im Vergleich zu Bereichen mit einer höheren Stromdichte nicht ausreichend sein, sodass die Membran zerstört werden kann.The uneven supply of a gas diffusion layer, which is located between the anode side of the bipolar plate and a membrane side of a membrane, with a fuel and the uneven supply of a gas diffusion layer, which is located between the cathode side of an adjacent bipolar plate and the other side of the membrane, with air / oxygen leads to uneven fuel cell operation of the fuel cell. For example, in areas with a lower supply, the current density of the fuel cell is also lower. In areas with a lower current density, the moisture of a membrane can in turn be insufficient compared to areas with a higher current density, so that the membrane can be destroyed.

Ferner hat ein abnehmender Druck eines Gases, beispielsweise des Brennstoffes, entlang der Kanäle vom Eingang zum Ausgang einer Bipolarplatte den Nachteil, dass der Druck an der Membran der Brennstoffzelle ungleichmäßig ist. Dies kann zu Schäden der Membran führen.Furthermore, a decreasing pressure of a gas, for example the fuel, along the channels from the inlet to the outlet of a bipolar plate has the disadvantage that the pressure on the membrane of the fuel cell is uneven. This can damage the membrane.

Die EP 2 475 036 B1 zeigt eine Membranelektrodenanordnung mit Gasdiffusionsschichten, die aus einer porösen Komponente aufgebaut sind. Die DE 197 37 390 A1 offenbart eine anisotropische Gasdiffusionsschicht.The EP 2 475 036 B1 shows a membrane electrode arrangement with gas diffusion layers which are built up from a porous component. The DE 197 37 390 A1 discloses an anisotropic gas diffusion layer.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung zeigt eine Gasdiffusionslage gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Brennstoffzelle gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie ein Brennstoffzellenstack gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10.The present invention shows a gas diffusion layer according to the features of claim 1, a fuel cell according to the features of claim 8 and a fuel cell stack according to the features of claim 10.

Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstack und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.Further features and details of the invention emerge from the subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the gas diffusion layer according to the invention naturally also apply in connection with the fuel cell according to the invention and the fuel cell stack according to the invention and vice versa, so that, with regard to the disclosure, reference is or can always be made to the individual aspects of the invention.

Gemäß einem ersten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung eine Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle, wobei die Gasdiffusionslage einen Grundkörper aus einem fluiddurchlässigen, offenporigen Material aufweist. Der Grundkörper umfasst ferner eine Membrankontaktierungsfläche, die einer ersten Seite einer Membran der Brennstoffzelle zuwendbar ist, und eine von der Membrankontaktierungsfläche beabstandete Bipolarplattenkontaktierungsfläche, die einer ersten Seite einer Bipolarplatte der Brennstoffzelle zuwendbar ist. Weiter weist der Grundkörper eine erste Seitenfläche zwischen der Membrankontaktierungsfläche und der Bipolarplattenkontaktierungsfläche, und eine von der ersten Seitenfläche beabstandete zweite Seitenfläche zwischen der Membrankontaktierungsfläche und der Bipolarplattenkontaktierungsfläche auf. Der Grundkörper weist außerdem entlang einer Richtung von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche hin zur Membrankontaktierungsfläche einen Gasdiffusionslagenströmungswiderstand aufweist, wobei der Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers ausgehend von der ersten Seitenfläche entlang einer Abnahmerichtung hin zur zweiten Seitenfläche abnimmt.According to a first aspect, the present invention shows a gas diffusion layer for a fuel cell, the gas diffusion layer having a base body made of a fluid-permeable, Has open-pored material. The base body further comprises a membrane contacting surface that can be turned towards a first side of a membrane of the fuel cell, and a bipolar plate contacting surface that is spaced from the membrane contacting surface and that can be turned towards a first side of a bipolar plate of the fuel cell. Furthermore, the base body has a first side surface between the membrane contact surface and the bipolar plate contact surface, and a second side surface, which is spaced apart from the first side surface, between the membrane contact surface and the bipolar plate contact surface. The base body also has a gas diffusion layer flow resistance along a direction from the bipolar plate contact surface to the membrane contact surface, the gas diffusion layer flow resistance of the base body decreasing starting from the first side surface along a decrease direction towards the second side surface.

Als fluiddurchlässiges, offenporiges Material im Sinne der Erfindung kann dabei ein Material verstanden werden, welches Poren aufweist, wobei die Poren einen freien Transportweg für ein Gas bereitstellen. Das bedeutet, dass ein Gas, wie Wasserstoff oder Luft/Sauerstoff, durch einen Grundkörper aus diesem Material strömen kann. Vorteilhafterweise weist das Material Transportwege für das Gas entlang einer Richtung von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche hin zur Membrankontaktierungsfläche auf. Weiter kann das Material Wasser, insbesondere an der Katalysatorschicht gebildetes Wasser, abtransportieren. Als offenporiges Material kann auch ein Material mit einer hohen offenen Porosität verstanden werden.A fluid-permeable, open-pore material in the context of the invention can be understood to be a material which has pores, the pores providing a free transport path for a gas. This means that a gas such as hydrogen or air / oxygen can flow through a base made of this material. The material advantageously has transport paths for the gas along a direction from the bipolar plate contact surface towards the membrane contact surface. Furthermore, the material can transport away water, in particular water formed on the catalyst layer. An open-pored material can also be understood as a material with a high open porosity.

Als Gasdiffusionslagenströmungswiderstand ist der Widerstand zu verstehen, den ein Gas, wie Wasserstoff oder Luft/Sauerstoff, beim Durchströmen des Grundkörpers entlang einer Richtung, insbesondere einer im Wesentlichen direkten Richtung, von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche hin zur Membrankontaktierungsfläche erfährt. Hier ist nicht ein spezifischer Strömungswiderstand des Materials gemeint, sondern der gesamte Strömungswiderstand, der sich für ein Gas ausgehend von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche bis zur Membrankontaktierungsfläche ergibt. Ferner kann der Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers ausgehend von der ersten Seitenfläche entlang einer Abnahmerichtung hin bis zur zweiten Seitenfläche kontinuierlich, insbesondere gleichmäßig, abnehmen.The gas diffusion layer flow resistance is to be understood as the resistance that a gas, such as hydrogen or air / oxygen, experiences when flowing through the base body in a direction, in particular an essentially direct direction, from the bipolar plate contact surface to the membrane contact surface. What is meant here is not a specific flow resistance of the material, but rather the total flow resistance that results for a gas starting from the bipolar plate contact surface to the membrane contact surface. Furthermore, the gas diffusion layer flow resistance of the base body can decrease continuously, in particular uniformly, starting from the first side surface along a decrease direction up to the second side surface.

Strömt Brennstoff auf Anodenseite einer Bipolarplatte von einem Anodeneingang der Bipolarplatte durch die Kanäle zu einem Anodenausgang der Bipolarplatte, so nimmt der Druck des Brennstoffes entlang der Kanäle vom Anodeneingang zum Anodenausgang ab. Diese Brennstoffströmung kann dabei eine bevorzugte Strömungsrichtung über die aktive Fläche der Brennstoffzelle aufweisen, welche als Anodenplattenströmungsrichtung verstanden werden kann. Die Strömungsstruktur auf Anodenseite und Kathodenseite einer Bipolarplatte kann die Strömungsrichtung auf Anodenseite bzw. Kathodenseite der Bipolarplatte bestimmen. Eine mögliche Strömungsstruktur auf Anodenseite einer Bipolarplatte kann die parallele Struktur sein, bei welcher die Kanäle im aktiven Bereich parallel beabstandet voneinander liegen. Der Druck des Brennstoffes ist am Anodeneingang höher als am Anodenausgang. Dasselbe gilt auch für Luft/Sauerstoff auf der Kathodenseite einer Bipolarplatte. Eine Luft-/Sauerstoffströmung kann dabei eine bevorzugte Strömungsrichtung über die aktive Fläche der Brennstoffzelle aufweisen, welche als Kathodenplattenströmungsrichtung verstanden werden kann. Vorteilhafterweise kann nun mit einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage der Druck eines Gases, insbesondere an der Membran einer Brennstoffzelle, vergleichmäßigt werden. Dies kann erreicht werden, indem beispielsweise eine erfindungsgemäße Gasdiffusionslage mit ihrer Bipolarplattenkontaktierungsfläche derart an eine Seite einer Bipolarplatte und mit ihrer Membrankontaktierungsfläche derart an eine Seite einer Membran der Brennstoffzelle angeordnet wird, dass die bevorzugte Strömungsrichtung des Gases in der Bipolarplatte über die aktive Fläche der Brennstoffzelle und die Abnahmerichtung des Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers der Gasdiffusionslage gleich gerichtet sind, insbesondere im Wesentlichen gleich gerichtet sind. Zwischen einer Gasdiffusionslage und einer Membran können noch weitere Schichten, wie eine Katalysatorschicht, angeordnet sein. Eine Abnahme des Gasdiffusionslagenströmungswiderstandes entlang der Abnahmerichtung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Dicke einer Gasdiffusionslage, welche eine geregelte Porosität und Porengröße über den gesamten Grundkörper aufweisen kann, in Abnahmerichtung abnimmt. Als Dicke kann dabei der Abstand zwischen der Bipolarplattenkontaktierungsfläche und der Membrankontaktierungsfläche verstanden werden. Durch die abnehmende Dicke der Gasdiffusionslage wird der Gasdiffusionslagenströmungswiderstandes den ein Gas, wie Wasserstoff oder Luft/Sauerstoff, beim Durchströmen des Grundkörpers entlang einer Richtung, von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche hin zur Membrankontaktierungsfläche erfährt, geringer. Strömt nun ein Gas von einem Bipolarplatteneingang über die Strömungskanäle hin zum Bipolarplattenausgang, so hat das Gas am Bipolarplatteneingang einen größeren Gasdiffusionslagenströmungswiderstand als am Bipolarplattenausgang zu überwinden. Eine erfindungsgemäße Gasdiffusionslage kann daher eine Vergleichmäßigung des Druckes eines Gases in der Gasdiffusionslage, insbesondere des Druckes eines Gases an der Membrankontaktierungsfläche und daher auch an einer an der Membrankontaktierungsfläche angeordneten Membran, bewirken. Die Gasdiffusionslage kann dabei indirekt an die Membran angeordnet sein, d. h., dass sich zwischen der Gasdiffusionslage und der Membran noch eine Katalysatorschicht befindet. Vorteilhafterweise können somit auch Schäden an einer Membran einer Brennstoffzelle aufgrund eines ungleichmäßigen Druckes verhindert werden. Weiter kann die Konzentration der Reaktandengase, bspw. von Wasserstoff oder Sauerstoff, insbesondere an der Membran, über die aktive Fläche einer Brennstoffzelle vergleichmäßigt werden. Damit kann eine homogene Stromdichte über die aktive Fläche einer Brennstoffzelle bewirkt werden. Außerdem können eine Leistungssteigerung der Brennstoffzelle und eine homogene Befeuchtung der Membran erreicht werden.If fuel flows on the anode side of a bipolar plate from an anode inlet of the bipolar plate through the channels to an anode outlet of the bipolar plate, the pressure of the fuel decreases along the channels from the anode inlet to the anode outlet. This fuel flow can have a preferred flow direction over the active surface of the fuel cell, which can be understood as the anode plate flow direction. The flow structure on the anode side and cathode side of a bipolar plate can determine the flow direction on the anode side and cathode side of the bipolar plate, respectively. A possible flow structure on the anode side of a bipolar plate can be the parallel structure in which the channels in the active area are parallel and spaced from one another. The pressure of the fuel is higher at the anode inlet than at the anode outlet. The same also applies to air / oxygen on the cathode side of a bipolar plate. An air / oxygen flow can have a preferred flow direction over the active surface of the fuel cell, which can be understood as the cathode plate flow direction. The pressure of a gas, in particular on the membrane of a fuel cell, can now advantageously be made uniform with a gas diffusion layer according to the invention. This can be achieved, for example, by arranging a gas diffusion layer according to the invention with its bipolar plate contact surface on one side of a bipolar plate and with its membrane contact surface on one side of a membrane of the fuel cell in such a way that the preferred flow direction of the gas in the bipolar plate over the active surface of the fuel cell and the direction of decrease of the gas diffusion layer flow resistance of the base body of the gas diffusion layer are directed in the same way, in particular are directed essentially in the same direction. Further layers, such as a catalyst layer, can be arranged between a gas diffusion layer and a membrane. A decrease in the gas diffusion layer flow resistance along the decrease direction can be achieved, for example, in that the thickness of a gas diffusion layer, which can have a regulated porosity and pore size over the entire base body, decreases in the decrease direction. The distance between the bipolar plate contact surface and the membrane contact surface can be understood as the thickness. As a result of the decreasing thickness of the gas diffusion layer, the gas diffusion layer flow resistance that a gas, such as hydrogen or air / oxygen, experiences when flowing through the base body in a direction from the bipolar plate contact surface to the membrane contact surface is lower. If a gas now flows from a bipolar plate inlet via the flow channels to the bipolar plate outlet, the gas at the bipolar plate inlet has to overcome a greater gas diffusion layer flow resistance than at the bipolar plate outlet. A gas diffusion layer according to the invention can therefore make the pressure of a gas in the Cause gas diffusion layer, in particular the pressure of a gas on the membrane contacting surface and therefore also on a membrane arranged on the membrane contacting surface. The gas diffusion layer can be arranged indirectly on the membrane, that is to say that a catalyst layer is also located between the gas diffusion layer and the membrane. Advantageously, damage to a membrane of a fuel cell due to uneven pressure can thus also be prevented. Furthermore, the concentration of the reactant gases, for example hydrogen or oxygen, in particular on the membrane, can be made uniform over the active surface of a fuel cell. This enables a homogeneous current density to be achieved over the active surface of a fuel cell. In addition, an increase in the performance of the fuel cell and a homogeneous humidification of the membrane can be achieved.

Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage ein Querschnitt durch die erste Seitenfläche des Grundkörpers oder ein Querschnitt durch die zweite Seitenfläche des Grundkörpers ein Viereck aufzeigt. Die erste Kante des Vierecks kann durch die Schnittkante der ersten Seitenfläche, die zweite Kante des Vierecks kann durch die Schnittkante der Membrankontaktierungsfläche, die dritte Kante des Vierecks kann durch die Schnittkante der zweiten Seitenfläche und die vierte Kante des Vierecks kann durch die Schnittkante der Bipolarplattenkontaktierungsfläche gebildet werden. Vorteilhafterweise ist ein erstes Ende der ersten Kante in direktem Kontakt mit einem ersten Ende der zweiten Kante als auch mit einem ersten Ende der vierten Kante und ein erstes Ende der dritten Kante ist in direktem Kontakt mit dem zweiten Ende der zweiten Kante als auch mit dem zweiten Ende der vierten Kante, wobei diese vier Kanten das Viereck bilden können.It can be advantageous if, in the case of a gas diffusion layer according to the invention, a cross section through the first side surface of the base body or a cross section through the second side surface of the base body shows a square. The first edge of the quadrangle can be formed by the cutting edge of the first side surface, the second edge of the quadrangle can be formed by the cutting edge of the membrane contacting surface, the third edge of the quadrangle can be formed by the cutting edge of the second side surface and the fourth edge of the quadrangle can be formed by the cutting edge of the bipolar plate contacting surface will. Advantageously, a first end of the first edge is in direct contact with a first end of the second edge as well as with a first end of the fourth edge and a first end of the third edge is in direct contact with the second end of the second edge as well as with the second End of the fourth edge, whereby these four edges can form the square.

Eine Kante ist dabei als eine im Wesentlichen gerade Linie zu verstehen. Eine Kante kann auch als Linie mit Unregelmäßigkeiten und/oder Unterbrechungen verstanden werden. Diese Unregelmäßigkeiten können aufgrund des fluiddurchlässigen, offenporigen Materials des Grundkörpers auftreten.An edge is to be understood as an essentially straight line. An edge can also be understood as a line with irregularities and / or interruptions. These irregularities can occur due to the fluid-permeable, open-pored material of the base body.

Vorteilhafterweise kann bei einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage ein Querschnitt durch die erste Seitenfläche des Grundkörpers oder ein Querschnitt durch die zweite Seitenfläche des Grundkörpers ein Trapez aufzeigen, wobei insbesondere ein Membrankontaktierungsflächenschenkel des Trapezes des geschnittenen Grundkörpers und ein Bipolarplattenkontaktierungsflächenschenkel des Trapezes des geschnittenen Grundkörpers geneigt zueinander verlaufen. Die erste Kante des Trapezes kann durch die Schnittkante der ersten Seitenfläche, die zweite Kante des Trapezes kann durch die Schnittkante der Membrankontaktierungsfläche, die dritte Kante des Trapezes durch die Schnittkante der zweiten Seitenfläche und die vierte Kante des Trapezes durch die Schnittkante der Bipolarplattenkontaktierungsfläche gebildet werden. Vorteilhafterweise ist ein erstes Ende der ersten Kante in direktem Kontakt mit einem ersten Ende der zweiten Kante als auch mit einem ersten Ende der vierten Kante und ein erstes Ende der dritten Kante ist in direktem Kontakt mit dem zweiten Ende der zweiten Kante als auch mit dem zweiten Ende der vierten Kante, wobei diese vier Kanten das Trapez bilden können. Die Schnittkante der Membrankontaktierungsfläche kann dabei als Membrankontaktierungsflächenschenkel und die Schnittkante der Bipolarplattenkontaktierungsfläche als Bipolarplattenkontaktierungsflächenschenkel verstanden werden. Der Membrankontaktierungsflächenschenkel und der Bipolarplattenkontaktierungsflächenschenkel können dabei in Abnahmerichtung geneigt zueinander zulaufen. Damit ist gemeint, dass diese einen spitzen Winkel, insbesondere mit einem virtuellen Scheitelpunkt außerhalb der Gasdiffusionslage, bilden. Eine solche Gasdiffusionslage kann einer Keilform gleichen. Mit einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage, wobei ein Querschnitt durch die erste Seitenfläche des Grundkörpers oder ein Querschnitt durch die zweite Seitenfläche des Grundkörpers ein Trapez aufzeigt, kann auf besonders einfache und vorteilhafte Weise eine Abnahme des Gasdiffusionslagenströmungswiderstandes entlang der Abnahmerichtung erreicht werden. Dies kann dadurch geschafft werden, dass die Dicke, d. h. der Abstand zwischen der Bipolarplattenkontaktierungsfläche und der Membrankontaktierungsfläche einer Gasdiffusionslage in Abnahmerichtung abnimmt. Die Gasdiffusionslage kann dabei insbesondere eine geregelte Porosität und Porengröße über den gesamten Grundkörper aufweisen.Advantageously, in a gas diffusion layer according to the invention, a cross section through the first side surface of the base body or a cross section through the second side surface of the base body can show a trapezoid, in particular a membrane contact surface limb of the trapezoid of the cut base body and a bipolar plate contact surface limb of the trapezoid of the cut base body run inclined to one another. The first edge of the trapezoid can be formed by the cutting edge of the first side surface, the second edge of the trapezoid can be formed by the cutting edge of the membrane contacting surface, the third edge of the trapezoid by the cutting edge of the second side surface and the fourth edge of the trapezoid by the cutting edge of the bipolar plate contacting surface. Advantageously, a first end of the first edge is in direct contact with a first end of the second edge as well as with a first end of the fourth edge and a first end of the third edge is in direct contact with the second end of the second edge as well as with the second End of the fourth edge, whereby these four edges can form the trapezoid. The cut edge of the membrane contact surface can be understood as the membrane contact surface limb and the cut edge of the bipolar plate contact surface can be understood as the bipolar plate contact surface limb. The membrane contacting surface limb and the bipolar plate contacting surface limb can run towards one another at an incline in the removal direction. This means that they form an acute angle, in particular with a virtual vertex outside the gas diffusion layer. Such a gas diffusion layer can resemble a wedge shape. With a gas diffusion layer according to the invention, wherein a cross section through the first side surface of the base body or a cross section through the second side surface of the base body shows a trapezoid, a decrease in the gas diffusion layer flow resistance along the decrease direction can be achieved in a particularly simple and advantageous manner. This can be done in that the thickness, i.e. H. the distance between the bipolar plate contact surface and the membrane contact surface of a gas diffusion layer decreases in the direction of decrease. The gas diffusion layer can in particular have a regulated porosity and pore size over the entire base body.

Mit besonderem Vorteil kann bei einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage ein Querschnitt durch die erste Seitenfläche des Grundkörpers oder ein Querschnitt durch die zweite Seitenfläche des Grundkörpers eine Stufenform aufzeigen, wobei die Stufenform Stufen mit gleicher und/oder unterschiedlicher Stufenhöhe aufweist, wobei entlang der Abnahmerichtung von der ersten Seitenfläche zur zweiten Seitenfläche die Stufenhöhe benachbarter Stufen abnimmt. Als Stufenhöhe einer Stufe kann der Abstand zwischen der Bipolarplattenkontaktierungsfläche und der Membrankontaktierungsfläche verstanden werden. Es kann auch die Länge der Stufen gleich und/oder unterschiedlich sein. Die Schnittkante der Membrankontaktierungsfläche kann im Wesentlichen gerade sein, wobei die Schnittkante der Bipolarplattenkontaktierungsfläche stufenförmig sein kann. Das bedeutet, dass die Membrankontaktierungsfläche der Gasdiffusionslage die Membran mit einer im Wesentlichen ebenen Fläche kontaktieren kann. Eine Bipolarplatte ist aber vorteilhafterweise derart ausgebildet, insbesondere ebenfalls stufenförmig, dass diese die Bipolarplattenkontaktierungsfläche der Gasdiffusionslage im Wesentlichen flächig kontaktiert. Die Bipolarplattenkontaktierungsfläche, die als Trittfläche einer Stufe gesehen werden kann, kann im Wesentlichen parallel, insbesondere parallel, zur Membrankontaktierungsfläche liegen. Besonders vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist, dass ein Grundkörper, dessen Querschnitt eine Stufenform aufzeigt, besonders einfach und kostengünstig durch Stapeln einzelner quaderförmigen Gasdiffusionslagen hergestellt werden kann. Eine Gasdiffusionslage mit Stufenform kann eine einfache und vorteilhafte Möglichkeit gegeben sein, mit der eine Abnahme des Gasdiffusionslagenströmungswiderstandes entlang der Abnahmerichtung bewirkt wird.With a gas diffusion layer according to the invention, a cross-section through the first side surface of the base body or a cross-section through the second side surface of the base body can particularly advantageously show a step shape, the step shape having steps with the same and / or different step heights, along the direction of decrease from the first side surface the step height of adjacent steps decreases towards the second side surface. The step height of a step can be understood as the distance between the bipolar plate contact surface and the membrane contact surface. The length of the steps can also be the same and / or different. The cut edge of the membrane contact surface can be essentially straight, wherein the cut edge of the bipolar plate contact surface can be step-shaped. This means that the membrane contacting surface of the gas diffusion layer can contact the membrane with an essentially flat surface. However, a bipolar plate is advantageously of this type formed, in particular also step-shaped, that it contacts the bipolar plate contacting surface of the gas diffusion layer essentially over a large area. The bipolar plate contact surface, which can be seen as the tread surface of a step, can lie essentially parallel, in particular parallel, to the membrane contact surface. It is particularly advantageous in this embodiment that a base body, the cross section of which has a stepped shape, can be produced particularly easily and inexpensively by stacking individual cuboid gas diffusion layers. A gas diffusion layer with a step shape can be a simple and advantageous possibility with which a decrease in the gas diffusion layer flow resistance is brought about along the decrease direction.

In den bereits erwähnten Ausführungsformen, in welchen ein Querschnitt durch die erste Seitenfläche des Grundkörpers oder ein Querschnitt durch die zweite Seitenfläche des Grundkörpers ein Trapez beziehungsweise eine Stufenform aufzeigt, kann der Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers entlang einer Abnahmerichtung aufgrund der geringer werdenden Dicke der Gasdiffusionslage abnehmen. Dies gilt insbesondere auch für einen Grundkörper, der über sein gesamtes Volumen eine im Wesentlichen geregelte Porosität und Porengröße aufweist.In the already mentioned embodiments, in which a cross section through the first side surface of the base body or a cross section through the second side surface of the base body shows a trapezoid or a step shape, the gas diffusion layer flow resistance of the base body can decrease along a decrease direction due to the decreasing thickness of the gas diffusion layer. This also applies in particular to a base body which has a substantially controlled porosity and pore size over its entire volume.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage kann die Porengröße der Poren des Grundkörpers ausgehend von der ersten Seitenfläche entlang einer Abnahmerichtung hin zur zweiten Seitenfläche zunehmen. Durch die Zunahme der Porengröße entlang der Abnahmerichtung kann der Gasdiffusionslagenströmungswiderstand besonders vorteilhaft entlang der Abnahmerichtung verringert werden. Durch die Zunahme der Porengröße entlang der Abnahmerichtung kann Gas, wie Wasserstoff oder Luft/Sauerstoff, einen Grundkörper, insbesondere in einer Richtung von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche hin zur Membrankontaktierungsfläche, immer einfacher durchströmen. Weiter kann die Porengröße der Poren entlang der Abnahmerichtung kontinuierlich größer werden. Die Porengröße der Poren kann entlang der Abnahmerichtung in gleichen und/oder unterschiedlichen Abständen ausgehend von der ersten Seitenfläche entlang einer Abnahmerichtung hin zur zweiten Seitenfläche größer werden. Die Porengröße der Poren kann in einer Richtung von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche hin zur Membrankontaktierungsfläche im Wesentlichen gleich sein. Besonders vorteilhaft kann eine erfindungsgemäße quaderförmige, plattenförmige Gasdiffusionslage sein, wobei die Porengröße der Poren des Grundkörpers der Gasdiffusionslage ausgehend von der ersten Seitenfläche entlang einer Abnahmerichtung hin zur zweiten Seitenfläche zunimmt.According to a further preferred embodiment of the gas diffusion layer according to the invention, the pore size of the pores of the base body can increase starting from the first side surface along a decrease direction towards the second side surface. Due to the increase in the pore size along the decrease direction, the gas diffusion layer flow resistance can be reduced particularly advantageously along the decrease direction. Due to the increase in pore size along the direction of decrease, gas, such as hydrogen or air / oxygen, can flow through a base body more and more easily, in particular in a direction from the bipolar plate contact surface towards the membrane contact surface. Further, the pore size of the pores can continuously increase along the decreasing direction. The pore size of the pores can increase along the decrease direction at the same and / or different distances starting from the first side surface along a decrease direction towards the second side surface. The pore size of the pores can be essentially the same in a direction from the bipolar plate contact surface towards the membrane contact surface. A cuboid, plate-shaped gas diffusion layer according to the invention can be particularly advantageous, the pore size of the pores of the base body of the gas diffusion layer increasing from the first side surface along a decrease direction towards the second side surface.

Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage der Grundkörper aus wenigstens zwei Lagen fluiddurchlässigen, offenporigen Materials gebildet ist. Die Lagen können dabei aus gleichem und/oder unterschiedlichem fluiddurchlässigen, offenporigen Material bestehen. Vorteilhafterweise können die Lagen schichtförmig zu dem Grundkörper angeordnet werden. Weiter können mehrere Lagen unterschiedlicher Länge zu einem Grundkörper, wobei ein Querschnitt durch die erste Seitenfläche des Grundkörpers oder ein Querschnitt durch die zweite Seitenfläche des Grundkörpers beispielsweise ein Trapez oder eine Stufenform aufzeigt, angeordnet werden. Als Länge kann das Längenmaß der Lage in Abnahmerichtung gemeint sein. Mit einem Grundkörper aus wenigstens zwei Lagen fluiddurchlässigen, offenporigen Materials kann folglich auf besonders einfach Weise eine Vergleichmäßigung des Druckes eines Gases in der Gasdiffusionslage, insbesondere des Druckes eines Gases an der Membran, bewirkt werden.It can be advantageous if, in a gas diffusion layer according to the invention, the base body is formed from at least two layers of fluid-permeable, open-pored material. The layers can consist of the same and / or different fluid-permeable, open-pored material. The layers can advantageously be arranged in layers to form the base body. Furthermore, several layers of different lengths can be arranged to form a base body, with a cross section through the first side surface of the base body or a cross section through the second side surface of the base body showing, for example, a trapezoid or a step shape. The length dimension of the layer in the direction of decrease can be meant. With a base body made of at least two layers of fluid-permeable, open-pored material, the pressure of a gas in the gas diffusion layer, in particular the pressure of a gas on the membrane, can consequently be brought about in a particularly simple manner.

Vorteilhafterweise kann bei einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage der Grundkörper mindestens einen Hohlraum zur Verteilung eines Gases aufweisen, insbesondere, kann sich der mindestens eine Hohlraum entlang der Abnahmerichtung von der ersten Seitenfläche zur zweiten Seitenfläche des Grundkörpers hin erstrecken. Als Hohlraum kann ein hohler, leerer Raum des Grundkörpers verstanden werden, in welchem ein Gas besonders einfach strömen kann. Ein sich in Abnahmerichtung erstreckender Hohlraum kann besonders günstig den Druck in der Gasdiffusionslage entlang der Abnahmerichtung vergleichmäßigen. Weiter sind mehrere gleichmäßig verteilte Hohlräume geringen Durchmessers denkbar, wobei diese sich von der ersten Seitenfläche zur zweiten Seitenfläche des Grundkörpers hin erstrecken können. Gleichmäßig verteilte Hohlräume geringen Durchmessers können die Vergleichmäßigung des Druckes verbessern, aber weiterhin die notwendige Stabilität der Gasdiffusionslage gewährleisten. Es sind aber auch vereinzelte große Hohlräume in der Gasdiffusionslage entlang der Abnahmerichtung von der ersten Seitenfläche zur zweiten Seitenfläche des Grundkörpers möglich. Diese können besonders einfach realisierbar sein. Hohlräume können auch im Inneren einer Gasdiffusionslage vorgesehen sein. Diese sind besonders einfach realisierbar, wenn der Grundkörper aus mehreren Lagen besteht. Besteht der Grundkörper aus mehreren Lagen kann ein Teil einer Lage weggelassen werden. Folglich können erfindungsgemäße Hohlraum besonders günstig zu einer Vergleichmäßigung des Druckes eines Gases in der Gasdiffusionslage beitragen.In a gas diffusion layer according to the invention, the base body can advantageously have at least one cavity for distributing a gas; in particular, the at least one cavity can extend along the removal direction from the first side surface to the second side surface of the base body. A hollow space can be understood as a hollow, empty space in the base body in which a gas can flow particularly easily. A cavity extending in the direction of decrease can particularly advantageously equalize the pressure in the gas diffusion layer along the direction of decrease. Furthermore, several evenly distributed cavities of small diameter are conceivable, wherein these can extend from the first side surface to the second side surface of the base body. Evenly distributed cavities of small diameter can improve the equalization of the pressure, but still ensure the necessary stability of the gas diffusion layer. However, isolated large cavities are also possible in the gas diffusion layer along the removal direction from the first side surface to the second side surface of the base body. These can be particularly easy to implement. Cavities can also be provided in the interior of a gas diffusion layer. These are particularly easy to implement if the base body consists of several layers. If the base body consists of several layers, part of a layer can be omitted. Consequently, hollow spaces according to the invention can contribute particularly favorably to equalizing the pressure of a gas in the gas diffusion layer.

Gemäß einem zweiten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle aufweisend eine Membran, zwei sich gegenüberliegende jeweils an eine Seite der Membran angeordnete Katalysatorschichten, zwei sich gegenüberliegende jeweils an eine der Katalysatorschichten angeordnete Gasdiffusionslagen, eine erste Bipolarplatte mit einer Anodenseite, wobei die Anodenseite eine Anodenplattenströmungsrichtung aufweist, und eine zweite Bipolarplatte mit einer Kathodenseite, wobei die Kathodenseite eine Kathodenplattenströmungsrichtung aufweist.According to a second aspect, the present invention shows a fuel cell having a membrane, two opposite one another, each arranged on one side of the membrane Catalyst layers, two opposing gas diffusion layers each arranged on one of the catalyst layers, a first bipolar plate with an anode side, the anode side having an anode plate flow direction, and a second bipolar plate with a cathode side, the cathode side having a cathode plate flow direction.

Als Anodenplattenströmungsrichtung kann eine bevorzugte Strömungsrichtung eines Brennstoffes über die aktive Fläche einer Brennstoffzelle verstanden werden. Als Kathodenplattenströmungsrichtung kann eine bevorzugte Strömungsrichtung der Luft/Sauerstoff über die aktive Fläche einer Brennstoffzelle verstanden werden. Die Anodenseite der ersten Bipolarplatte und die Kathodenseite der zweiten Bipolarplatte begrenzen die Brennstoffzelle. Weiter ist mindestens eine der beiden Gasdiffusionslagen nach einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage ausgebildet. Mit besonderem Vorteil kann bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle die Anodenplattenströmungsrichtung der Anodenseite einer ersten Bipolarplatte und die Abnahmerichtung von der ersten Seitenfläche zur zweiten Seitenfläche der Gasdiffusionslage zwischen der Anodenseite der ersten Bipolarplatte und der Membran gleich gerichtet sein, insbesondere im Wesentlichen gleich gerichtet sein. Vorteilhafterweise sind die Kathodenplattenströmungsrichtung der Kathodenseite der zweiten Bipolarplatte und die Abnahmerichtung von der ersten Seitenfläche zur zweiten Seitenfläche der anderen Gasdiffusionslage zwischen der Kathodenseite zweiten Bipolarplatte und der Membran gleich gerichtet, insbesondere im Wesentlichen gleich gerichtet. Ferner können die Anodenplattenströmungsrichtung und die Kathodenplattenströmungsrichtung gleich gerichtet sein, insbesondere im Wesentlichen gleich gerichtet sein, oder entgegengesetzt gerichtet sein, insbesondere im Wesentlichen entgegengesetzt gerichtet sein.A preferred flow direction of a fuel over the active surface of a fuel cell can be understood as the anode plate flow direction. A preferred flow direction of the air / oxygen over the active surface of a fuel cell can be understood as the cathode plate flow direction. The anode side of the first bipolar plate and the cathode side of the second bipolar plate delimit the fuel cell. Furthermore, at least one of the two gas diffusion layers is designed according to a gas diffusion layer according to the invention. In a fuel cell according to the invention, the anode plate flow direction of the anode side of a first bipolar plate and the removal direction from the first side surface to the second side surface of the gas diffusion layer between the anode side of the first bipolar plate and the membrane can be directed in the same way, in particular substantially in the same direction, with particular advantage. The cathode plate flow direction of the cathode side of the second bipolar plate and the removal direction from the first side surface to the second side surface of the other gas diffusion layer between the cathode side of the second bipolar plate and the membrane are advantageously directed in the same direction, in particular substantially in the same direction. Furthermore, the anode plate flow direction and the cathode plate flow direction can be directed in the same way, in particular be directed essentially in the same way, or directed in opposite directions, in particular directed in substantially opposite directions.

Die Brennstoffzelle gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu der Gasdiffusionslage gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.The fuel cell according to the second aspect of the invention thus has the same advantages as have already been described for the gas diffusion layer according to the first aspect of the invention.

Gemäß einem dritten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung einen Brennstoffzellenstack, wobei der Brennstoffzellenstack mindestens eine erste Brennstoffzelle und mindestens eine zweite Brennstoffzelle aufweist. Weiter ist die mindestens eine erste Brennstoffzelle nach einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und/oder die mindestens eine zweite Brennstoffzelle nach einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ausgebildet.According to a third aspect, the present invention shows a fuel cell stack, the fuel cell stack having at least one first fuel cell and at least one second fuel cell. Furthermore, the at least one first fuel cell is designed according to a fuel cell according to the invention and / or the at least one second fuel cell is designed according to a fuel cell according to the invention.

Das Brennstoffzellenstack gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu der Gasdiffusionslage gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, sowie zu der Brennstoffzelle gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.The fuel cell stack according to the third aspect of the invention thus has the same advantages as have already been described for the gas diffusion layer according to the first aspect of the invention and for the fuel cell according to the second aspect of the invention.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.Further measures improving the invention emerge from the following description of some exemplary embodiments of the invention, which are shown schematically in the figures. All of the features and / or advantages arising from the claims, the description or the drawings, including structural details, spatial arrangements and method steps, can be essential to the invention both individually and in the various combinations. It should be noted that the figures are only of a descriptive character and are not intended to restrict the invention in any way.

Es zeigen schematisch:

  • 1 Perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage,
  • 2 Querschnitt durch eine erste Seitenfläche des Grundkörpers einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage aus 1,
  • 3 Querschnitt durch eine erste oder zweite Seitenfläche eines Grundkörpers einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage, wobei der Querschnitt ein Trapez aufzeigt,
  • 4 Querschnitt durch eine erste oder zweite Seitenfläche eines Grundkörpers einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage, wobei der Querschnitt eine Stufenform aufzeigt,
  • 5 Querschnitt durch eine erste oder zweite Seitenfläche eines Grundkörpers einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage, wobei der Querschnitt eine Stufenform mit mehreren Lagen aufzeigt,
  • 6 Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage umfassend mehrere Lagen und Hohlräume,
  • 7 Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage,
  • 8 Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage,
  • 9 Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage,
  • 10 Brennstoffzellenstack mit erfindungsgemäßen Brennstoffzellen
  • 11 Brennstoffzellenstack mit erfindungsgemäßen Brennstoffzellen, und
  • 12 Brennstoffzellenstack mit erfindungsgemäßen Brennstoffzellen.
They show schematically:
  • 1 Perspective view of a gas diffusion layer according to the invention,
  • 2 Cross section through a first side surface of the base body of a gas diffusion layer according to the invention 1 ,
  • 3 Cross section through a first or second side surface of a base body of a gas diffusion layer according to the invention, the cross section showing a trapezoid,
  • 4th Cross section through a first or second side surface of a base body of a gas diffusion layer according to the invention, the cross section showing a step shape,
  • 5 Cross section through a first or second side surface of a base body of a gas diffusion layer according to the invention, the cross section showing a step shape with several layers,
  • 6th Front view of a gas diffusion layer according to the invention comprising several layers and cavities,
  • 7th Fuel cell with a gas diffusion layer according to the invention,
  • 8th Fuel cell with a gas diffusion layer according to the invention,
  • 9 Fuel cell with a gas diffusion layer according to the invention,
  • 10 Fuel cell stack with fuel cells according to the invention
  • 11 Fuel cell stack with fuel cells according to the invention, and
  • 12 Fuel cell stack with fuel cells according to the invention.

In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen identische Bezugszeichen verwendet.In the following figures, identical reference symbols are used for the same technical features from different exemplary embodiments.

1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht beispielhaft eine Gasdiffusionslage 10 mit einem Grundkörper 12. Der Grundkörper 12 umfasst fluiddurchlässiges, offenporiges Material. Weiter weist der Grundkörper 12 eine Membrankontaktierungsfläche 14 und eine gegenüberliegende Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 auf. Entlang einer Richtung von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 hin zur Membrankontaktierungsfläche 14 weist der Grundkörper einen Gasdiffusionslagenströmungswiderstand auf. Das bedeutet, dass ein Gas beim Durchströmen des Grundkörpers 12 ausgehend von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 in Richtung der Membrankontaktierungsfläche 14 einen Strömungswiderstand zu überwinden hat. Weiter umfasst der Grundkörper 12 eine erste Seitenfläche 13 und eine gegenüberliegende zweite Seitenfläche 15. In 1 ist ferner eine Abnahmerichtung A, die von der ersten Seitenfläche 13 hin zur zweiten Seitenfläche 15 zeigt, dargestellt. Erfindungsgemäß nimmt der Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers 12 ausgehend von der ersten Seitenfläche 13 entlang der Abnahmerichtung A hin zur zweiten Seitenfläche 15 ab. Folglich kann ein Gas ausgehend von der Seitenfläche 13 entlang der Abnahmerichtung A hin zur Seitenfläche 15 einen Grundkörper 12 ausgehend von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 in Richtung zur Membrankontaktierungsfläche 14 immer einfacher durchströmen. Wird nun eine erfindungsgemäße Gasdiffusionslage 10 mit ihrer Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 derart an eine Seite einer Bipolarplatte und mit ihrer Membrankontaktierungsfläche 14 derart an eine Seite einer Membran einer Brennstoffzelle 100 angeordnet, dass die bevorzugte Strömungsrichtung des Gases in der Bipolarplatte über die aktive Fläche der Brennstoffzelle 100 und die Abnahmerichtung A des Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers 12 der Gasdiffusionslage 10 gleich gerichtet sind, insbesondere im Wesentlichen gleich gerichtet sind, kann eine Vergleichmäßigung des Druckes eines Gases in der Gasdiffusionslage 10, insbesondere des Druckes eines Gases an der Membrankontaktierungsfläche 14 bzw. einer Membran der Brennstoffzelle 100, bewirkt werden. Vorteilhafterweise können somit auch Schäden an einer Membran einer Brennstoffzelle 100 aufgrund eines ungleichmäßigen Druckes verhindert werden. Weiter kann die Konzentration der Reaktandengase, bspw. von Wasserstoff oder Sauerstoff, insbesondere an der Membran, über die aktive Fläche einer Brennstoffzelle 100 vergleichmäßigt werden. Damit kann eine homogene Stromdichte über die aktive Fläche einer Brennstoffzelle 100 bewirkt werden. Außerdem kann eine Leistungssteigerung der Brennstoffzelle 100 und eine homogene Befeuchtung der Membran erreicht werden. 1 shows an example of a gas diffusion layer in a perspective view 10 with a base body 12 . The basic body 12 comprises fluid-permeable, open-pored material. The main body also has 12 a membrane contact surface 14th and an opposing bipolar plate pad 16 on. Along a direction from the bipolar plate pad 16 towards the membrane contact surface 14th the base body has a gas diffusion layer flow resistance. This means that a gas flows through the base body 12 starting from the bipolar plate contact surface 16 in the direction of the membrane contact surface 14th has to overcome a flow resistance. The base body further comprises 12 a first face 13th and an opposite second side surface 15th . In 1 is also a decreasing direction A that is from the first side surface 13th towards the second side surface 15th shows, shown. According to the invention, the gas diffusion layer flow resistance of the base body increases 12 starting from the first side surface 13th along the decrease direction A towards the second side surface 15th from. Consequently, a gas can emanate from the side surface 13th along the decrease direction A towards the side surface 15th a base body 12 starting from the bipolar plate contact surface 16 towards the membrane contact surface 14th always easier to flow through. Now is a gas diffusion layer according to the invention 10 with their bipolar plate contact surface 16 so on one side of a bipolar plate and with its membrane contact surface 14th such on one side of a membrane of a fuel cell 100 arranged that the preferred flow direction of the gas in the bipolar plate over the active surface of the fuel cell 100 and the decrease direction A of the gas diffusion layer flow resistance of the base body 12 the gas diffusion layer 10 are directed in the same direction, in particular are directed essentially in the same direction, an equalization of the pressure of a gas in the gas diffusion layer can be achieved 10 , in particular the pressure of a gas at the membrane contact surface 14th or a membrane of the fuel cell 100 , be effected. Advantageously, damage to a membrane of a fuel cell can thus also occur 100 due to uneven pressure can be prevented. Furthermore, the concentration of the reactant gases, for example hydrogen or oxygen, in particular on the membrane, can be over the active surface of a fuel cell 100 be leveled out. This allows a homogeneous current density over the active surface of a fuel cell 100 be effected. It can also increase the performance of the fuel cell 100 and homogeneous humidification of the membrane can be achieved.

2 offenbart einen Querschnitt durch eine erste Seitenfläche 13 des Grundkörpers 12 aus 1 (siehe gestrich-punktete Linie in 1). Der Querschnitt zeigt dabei ein Viereck auf, wobei eine erste Kante des Vierecks durch die Schnittkante der ersten Seitenfläche 13, die zweite Kante des Vierecks durch die Schnittkante der Membrankontaktierungsfläche 14, die dritte Kante des Vierecks durch die Schnittkante der zweiten Seitenfläche 15 und die vierte Kante des Vierecks durch die Schnittkante der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 gebildet ist. Weiter weist die Abnahmerichtung A von der ersten Seitenfläche 13 hin zur zweiten Seitenfläche 15. 2 discloses a cross section through a first side surface 13th of the main body 12 out 1 (see dash-dotted line in 1 ). The cross section shows a square, with a first edge of the square passing through the cutting edge of the first side surface 13th , the second edge of the rectangle through the cut edge of the membrane contact surface 14th , the third edge of the rectangle through the intersection of the second side surface 15th and the fourth edge of the quadrangle through the cutting edge of the bipolar plate contact surface 16 is formed. Further, the decrease direction A faces from the first side surface 13th towards the second side surface 15th .

3 illustriert einen Querschnitt durch die erste Seitenfläche 13 eines Grundkörpers 12 oder einen Querschnitt durch die zweite Seitenfläche 15 des Grundkörpers 12 einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage 10. Der Querschnitt zeigt ein Trapez auf. Die erste Kante des Trapezes wird durch die Schnittkante der ersten Seitenfläche 13, die zweite Kante des Trapezes wird durch die Schnittkante der Membrankontaktierungsfläche 14, die dritte Kante des Trapezes wird durch die Schnittkante der zweiten Seitenfläche 15 und die vierte Kante des Trapezes wird durch die Schnittkante der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 gebildet. Die Schnittkante der Membrankontaktierungsfläche 14 kann dabei als Membrankontaktierungsflächenschenkel und die Schnittkante der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 als Bipolarplattenkontaktierungsflächenschenkel verstanden werden. Der Membrankontaktierungsflächenschenkel und der Bipolarplattenkontaktierungsflächenschenkel laufen in Abnahmerichtung A geneigt zueinander zu. Die Gasdiffusionslage 10 kann als keilförmig angesehen werden. Mit einer keilförmigen Gasdiffusionslage 10 wird auf besonders einfache und vorteilhafte Weise eine Abnahme des Gasdiffusionslagenströmungswiderstandes entlang der Abnahmerichtung A dadurch erreicht, dass die Dicke D, d. h. der Abstand zwischen der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 und der Membrankontaktierungsfläche 14 der Gasdiffusionslage 10, entlang der Abnahmerichtung A abnimmt. 3 illustrates a cross section through the first side surface 13th a base body 12 or a cross section through the second side surface 15th of the main body 12 a gas diffusion layer according to the invention 10 . The cross-section shows a trapezoid. The first edge of the trapezoid is through the cutting edge of the first side surface 13th , the second edge of the trapezoid is through the cut edge of the membrane contact surface 14th , the third edge of the trapezoid is through the cutting edge of the second side surface 15th and the fourth edge of the trapezoid is through the cutting edge of the bipolar plate contact surface 16 educated. The cut edge of the membrane contact surface 14th can be used as the membrane contacting surface limb and the cut edge of the bipolar plate contacting surface 16 be understood as bipolar plate contact surface legs. The membrane contact surface limb and the bipolar plate contact surface limb run towards one another at an incline in the decrease direction A. The gas diffusion layer 10 can be viewed as wedge-shaped. With a wedge-shaped gas diffusion layer 10 a decrease in the gas diffusion layer flow resistance along the decrease direction A is achieved in a particularly simple and advantageous manner in that the thickness D, ie the distance between the bipolar plate contact surface 16 and the membrane contact area 14th the gas diffusion layer 10 , decreases along the decrease direction A.

4 zeigt einen Querschnitt durch eine erste Seitenfläche 13 eines Grundkörpers 12 oder ein Querschnitt durch eine zweite Seitenfläche 15 des Grundkörpers 12, wobei der Querschnitt eine Stufenform mit vier Stufen mit einer Stufenhöhe H1, H2, H3 beziehungsweise H4 aufzeigt. Als Stufenhöhe H1, H2, H3 beziehungsweise H4 ist der jeweilige Abstand zwischen der Membrankontaktierungsfläche 14 und der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 zu verstehen. Entlang der Abnahmerichtung A von der ersten Seitenfläche 13 zur zweiten Seitenfläche 15 nimmt die Stufenhöhe benachbarter Stufen ab. Die Länge der Stufen kann variieren, wobei mit Länge der Stufe die Länge der Trittfläche der Stufe gemeint ist. Weiter zeigt 4, dass die Membrankontaktierungsfläche 14 im Wesentlichen gerade ist, was notwendig sein kann um eine Membran einer Brennstoffzelle 100 bestmöglich zu kontaktieren. Dagegen ist die die Schnittkante der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 stufenförmig. Das bedeutet auch, dass eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle 100 vorteilhafterweise derart ausgebildet ist, insbesondere ebenfalls stufenförmig, dass diese die Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 der Gasdiffusionslage 10 im Wesentlichen flächig kontaktiert. Eine Gasdiffusionslage 10 mit einer solchen Stufenform ermöglicht auf einfache Weise, dass ein Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers 12 ausgehend von der ersten Seitenfläche 13 entlang einer Abnahmerichtung A hin zur zweiten Seitenfläche 15 abnimmt. 4th shows a cross section through a first side surface 13th a base body 12 or a cross section through a second side surface 15th of the main body 12 , wherein the cross section is a step shape with four steps with a step height H1 , H2 , H3 respectively H4 shows. As a step height H1 , H2 , H3 respectively H4 is the respective distance between the membrane contact surface 14th and the bipolar plate pad 16 to understand. Along the decrease direction A from the first side surface 13th to the second side surface 15th the step height of neighboring steps decreases. The length of the steps can vary, the length of the step being the length of the step surface. Next shows 4th that the membrane contact area 14th essentially straight is what may be necessary around a fuel cell membrane 100 to contact in the best possible way. In contrast, this is the cut edge of the bipolar plate contact surface 16 stepped. That also means a bipolar plate of a fuel cell 100 is advantageously designed in such a way, in particular likewise step-shaped, that it forms the bipolar plate contact surface 16 the gas diffusion layer 10 contacted substantially flat. A gas diffusion layer 10 with such a step shape enables a gas diffusion layer flow resistance of the base body in a simple manner 12 starting from the first side surface 13th along a decrease direction A towards the second side surface 15th decreases.

5 offenbart einen Querschnitt durch eine erste Seitenfläche 13 eines Grundkörpers 12 oder ein Querschnitt durch eine zweite Seitenfläche 15 des Grundkörpers 12 einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage 10. In 5 wird die Gasdiffusionslage 10 mit vier Lagen 12a, 12b, 12c und 12d unterschiedlicher Länge, wobei diese vier Lagen 12a bis 12d schichtförmig zu dem Grundkörper 12 angeordnet sind, gezeigt. Als Länge ist das Längenmaß einer Lage 12a bis 12d in Abnahmerichtung A gemeint. Der Grundkörper 12 zeigt dabei eine Stufenform auf, wobei ausgehend von der ersten Seitenfläche 13 entlang einer Abnahmerichtung A hin zur zweiten Seitenfläche 15 ein Gas entlang einer Richtung von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 hin zur Membrankontaktierungsfläche 14 die vier Lagen 12a bis 12d, die drei Lagen 12a bis 12c, die zwei Lagen 12a und 12b beziehungsweise die eine Lage 12a durchströmt. Entlang der Abnahmerichtung A kann der Gasdiffusionslagenwiderstand einer Stufe konstant, insbesondere im Wesentlichen konstant, sein. Weiter ist aber auch denkbar, dass mehrere Lagen zu einer anderen Form, wie beispielsweise der Keilform in 3, angeordnet werden. Jede der vier Lagen 12a bis 12d weist eine erste Seitenfläche 13a bis 13c beziehungsweise 13d auf, wobei diese zusammen die erste Seitenfläche 13 bilden. Die Lage 12a weist die erfindungsgemäße zweite Seitenfläche 15 auf. Die Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 setzt sich aus den Bipolarplattenkontaktierungsflächen 16a, 16b, 16c, 16d zusammen. Die vier Lagen 12a bis 12d können dabei aus gleichem und/oder unterschiedlichem fluiddurchlässigen, offenporigen Material bestehen. Mit einem Grundkörper 12 aus den vier Lagen 12a bis 12d kann auf besonders einfach Weise eine Vergleichmäßigung des Druckes eines Gases in der Gasdiffusionslage 10, insbesondere des Druckes eines Gases an der Membrankontaktierungsfläche 14 bewirkt werden. 5 discloses a cross section through a first side surface 13th a base body 12 or a cross section through a second side surface 15th of the main body 12 a gas diffusion layer according to the invention 10 . In 5 becomes the gas diffusion layer 10 with four layers 12a , 12b , 12c and 12d different lengths, these four layers 12a to 12d layered to the base body 12 are arranged, shown. The length is the length of a layer 12a to 12d Meant in direction of decrease A. The basic body 12 shows a stepped shape, starting from the first side surface 13th along a decrease direction A towards the second side surface 15th a gas along a direction from the bipolar plate pad 16 towards the membrane contact surface 14th the four layers 12a to 12d , the three layers 12a to 12c , the two layers 12a and 12b or the one location 12a flows through. The gas diffusion layer resistance of a step can be constant, in particular essentially constant, along the decrease direction A. However, it is also conceivable that several layers can have a different shape, such as the wedge shape in 3 , to be ordered. Each of the four layers 12a to 12d has a first side face 13a to 13c respectively 13d on, these together forming the first side face 13th form. The location 12a has the second side face according to the invention 15th on. The bipolar plate contact surface 16 is made up of the bipolar plate contact surfaces 16a , 16b , 16c , 16d together. The four layers 12a to 12d can consist of the same and / or different fluid-permeable, open-pored material. With a basic body 12 from the four layers 12a to 12d can make the pressure of a gas in the gas diffusion layer more uniform in a particularly simple manner 10 , in particular the pressure of a gas at the membrane contact surface 14th be effected.

6 illustriert in einer Vorderansicht eine Gasdiffusionslage 10 aus vier Lagen 12a bis 12d, wie sie in 5 dargestellt ist. Die Gasdiffusionslage 10 weist zwei große Hohlräume 62 auf, die weiter zur Vergleichmäßigung des Druckes eines Gases in der Gasdiffusionslage 10 beitragen. Ein Hohlraum 62 befindet sich innerhalb der Gasdiffusionslage 10 und der andere Hohlraum 62 am Rand der Gasdiffusionslage 10. Die Abnahmerichtung A zeigt in die Zeichenebene hinein (x). Die beiden Hohlräume 62 erstrecken sich entlang der Abnahmerichtung A von der ersten Seitenfläche 13 zur zweiten Seitenfläche 15 (nicht dargestellt). Weiter sind leere, hohle Verbindungskanäle (nicht dargestellt) in dem Grundkörper 12 entlang der Richtung von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 hin zur Membrankontaktierungsfläche 14 zwischen den Hohlräumen 62 möglich, welche weiter zur Vergleichmäßigung des Druckes eines Gases in der Gasdiffusionslage 10 beitragen können. 6th illustrates in a front view a gas diffusion layer 10 from four layers 12a to 12d as in 5 is shown. The gas diffusion layer 10 has two large cavities 62 on that further to equalize the pressure of a gas in the gas diffusion layer 10 contribute. A cavity 62 is located within the gas diffusion layer 10 and the other cavity 62 at the edge of the gas diffusion layer 10 . The decrease direction A points into the plane of the drawing (x). The two cavities 62 extend along the decreasing direction A from the first side surface 13th to the second side surface 15th (not shown). There are also empty, hollow connecting channels (not shown) in the base body 12 along the direction from the bipolar plate pad 16 towards the membrane contact surface 14th between the cavities 62 possible, which further to equalize the pressure of a gas in the gas diffusion layer 10 can contribute.

7 zeigt eine Brennstoffzelle 100 in einer Explosionszeichnung mit einer Membran 112, wobei die Membran 112 von zwei sich gegenüberliegende jeweils an eine Seite der Membran 112 angeordnete Katalysatorschichten 114a beziehungsweise 114b begrenzt wird. Sowohl die Gasdiffusionsschicht 10a und die Gasdiffusionsschicht 10b sind damit indirekt über die Katalysatorschicht 114a beziehungsweise über die Katalysatorschicht 114b an die Membran 112 angeordnet. Die Gasdiffusionslage 10a und die Gasdiffusionslage 10b zeigen jeweils eine Abnahmerichtung A von der ersten Seitenfläche 13 zur zweiten Seitenfläche 15 auf. Weiter ist eine Anodenseite 120a einer ersten Bipolarplatte, wobei die Anodenseite 120a eine Anodenplattenströmungsrichtung S1 aufweist, und eine zweite Bipolarplatte mit einer Kathodenseite 122b, wobei die Kathodenseite 122b eine Kathodenplattenströmungsrichtung S2 aufweist, dargestellt. Die Anodenseite 120a der ersten Bipolarplatte und die Kathodenseite 122b der zweiten Bipolarplatte begrenzen die Brennstoffzelle 100. Vorteilhafterweise stimmen die Anodenplattenströmungsrichtung S1 und die Abnahmerichtung A der Gasdiffusionslage 10a überein, insbesondere im Wesentlichen überein. Vorteilhafterweise stimmen auch die Kathodenplattenströmungsrichtung S2 der zweiten Bipolarplatte und die Abnahmerichtung A der Gasdiffusionslage 10b überein. In 7 stimmen die Anodenplattenströmungsrichtung S1, die Abnahmerichtung A der Gasdiffusionslage 10a, die Anodenplattenströmungsrichtung S1 und die Abnahmerichtung A der Gasdiffusionslage 10a überein. Denkbar ist auch, dass die Anodenplattenströmungsrichtung S1 und die Abnahmerichtung A der Gasdiffusionslage 10a gleich gerichtet sind, aber die Kathodenplattenströmungsrichtung S2 und die Abnahmerichtung A der Gasdiffusionslage 10b der Anodenplattenströmungsrichtung S1 entgegengesetzt gerichtet sind. Vorteilhafterweise kann nun mit den erfindungsgemäßen Gasdiffusionslagen 10a und 10b der Druck von bspw. Wasserstoff auf der Anodenseite 120a an der Membran 112 einer Brennstoffzelle 100 und der Druck von bspw. Luft auf der Kathodenseite 122b an der Membran 112 einer Brennstoffzelle 100 vergleichmäßigt werden. Somit können Schäden an der Membran 112 der Brennstoffzelle 100 aufgrund eines ungleichmäßigen Druckes verhindert werden. Weiter kann die Konzentration der Reaktandengase, bspw. von Wasserstoff oder Sauerstoff, insbesondere an der Membran 112, über die aktive Fläche einer Brennstoffzelle 100 vergleichmäßigt werden. Damit kann ferner eine homogene Stromdichte über die aktive Fläche einer Brennstoffzelle 100 bewirkt werden. Außerdem kann eine Leistungssteigerung der Brennstoffzelle 100 und eine homogene Befeuchtung der Membran erreicht werden. 7th shows a fuel cell 100 in an exploded view with a membrane 112 , the membrane 112 of two opposite each other on one side of the membrane 112 arranged catalyst layers 114a respectively 114b is limited. Both the gas diffusion layer 10a and the gas diffusion layer 10b are thus indirect via the catalyst layer 114a or via the catalyst layer 114b to the membrane 112 arranged. The gas diffusion layer 10a and the gas diffusion layer 10b each show a decrease direction A from the first side surface 13th to the second side surface 15th on. Next is an anode side 120a a first bipolar plate, the anode side 120a an anode plate flow direction S1 has, and a second bipolar plate with a cathode side 122b , with the cathode side 122b a cathode plate flow direction S2 has shown. The anode side 120a the first bipolar plate and the cathode side 122b the second bipolar plate limit the fuel cell 100 . The anode plate flow directions are advantageously correct S1 and the decreasing direction A of the gas diffusion layer 10a match, in particular essentially match. The cathode plate flow directions are also advantageously correct S2 of the second bipolar plate and the removal direction A of the gas diffusion layer 10b match. In 7th correct the anode plate flow direction S1 , the decrease direction A of the gas diffusion layer 10a , the anode plate flow direction S1 and the decreasing direction A of the gas diffusion layer 10a match. It is also conceivable that the anode plate flow direction S1 and the decreasing direction A of the gas diffusion layer 10a are directed in the same direction, but the cathode plate flow direction S2 and the decreasing direction A of the gas diffusion layer 10b the anode plate flow direction S1 are oppositely directed. Advantageously, with the gas diffusion layers according to the invention 10a and 10b the pressure of e.g. Hydrogen on the anode side 120a on the membrane 112 a fuel cell 100 and the pressure of, for example, air on the cathode side 122b on the membrane 112 a fuel cell 100 be leveled out. This can damage the membrane 112 the fuel cell 100 due to uneven pressure can be prevented. Furthermore, the concentration of the reactant gases, for example hydrogen or oxygen, in particular on the membrane 112 , over the active surface of a fuel cell 100 be leveled out. This also enables a homogeneous current density over the active surface of a fuel cell 100 be effected. It can also increase the performance of the fuel cell 100 and homogeneous humidification of the membrane can be achieved.

8 und 9 zeigen wie 7 in einer Explosionszeichnung jeweils eine Brennstoffzelle 100. Bei einer fertig zusammengesetzten Brennstoffzelle 100 kontaktieren auch die Anodenseite 120a einer Bipolarplatte und die Kathodenseite 122b einer anderen Bipolarplatte die Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 der keilförmigen Gasdiffusionslage 10a beziehungsweise die Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 der keilförmigen Gasdiffusionslage 10b flächig. Der Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers 12 der Gasdiffusionslage 10a und der Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers 12 der Gasdiffusionslage 10b nehmen jeweils ausgehend von der ersten Seitenfläche 13 entlang einer Abnahmerichtung A hin zur zweiten Seitenfläche 15 ab. Dies wird jeweils dadurch erreicht, indem die Dicke, d. h. der Abstand zwischen der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 und der Membrankontaktierungsfläche 14 der Gasdiffusionslage 10a beziehungsweise der Gasdiffusionslage 10b in Abnahmerichtung A abnimmt. 9 kann als die in 8 gezeigte Brennstoffzelle 100 gesehen werden, wobei diese um 180 Grad gedreht ist. 8th and 9 show how 7th one fuel cell in each exploded view 100 . With a fully assembled fuel cell 100 also contact the anode side 120a a bipolar plate and the cathode side 122b the bipolar plate contact surface of another bipolar plate 16 the wedge-shaped gas diffusion layer 10a or the bipolar plate contact surface 16 the wedge-shaped gas diffusion layer 10b flat. The gas diffusion layer flow resistance of the base body 12 the gas diffusion layer 10a and the gas diffusion layer flow resistance of the main body 12 the gas diffusion layer 10b take each starting from the first side surface 13th along a decrease direction A towards the second side surface 15th from. This is achieved in each case by the thickness, ie the distance between the bipolar plate contact surface 16 and the membrane contact area 14th the gas diffusion layer 10a or the gas diffusion layer 10b decreases in decrease direction A. 9 can as the in 8th shown fuel cell 100 can be seen, rotated 180 degrees.

10 zeigt einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstack 200 mit einer Vielzahl an Brennstoffzellen 100, wie sie beispielsweise in 7 und 8 dargestellt worden sind. Die Brennstoffzellen 100 sind zu dem Brennstoffzellenstack 200 angeordnet. Werden mehrere Brennstoffzellen 100 mit beispielsweise keilförmigen Gasdiffusionslagen 10, wie in 8 aufgezeigt, zu einem Brennstoffzellenstack 200 angeordnet, so kann der Brennstoffzellenstack 200 ebenfalls eine Keilform aufweisen. Es kann sinnvoll sein nur eine gewisse Anzahl an Brennstoffzellen 100 mit einer nicht quaderförmigen, beispielsweise einer keilförmigen, Gasdiffusionslage 10 zu dem Brennstoffzellenstack 200 anzuordnen. 10 shows a fuel cell stack according to the invention 200 with a variety of fuel cells 100 such as in 7th and 8th have been shown. The fuel cells 100 are to the fuel cell stack 200 arranged. Will be multiple fuel cells 100 with, for example, wedge-shaped gas diffusion layers 10 , as in 8th shown to a fuel cell stack 200 arranged, the fuel cell stack 200 also have a wedge shape. It can only make sense to have a certain number of fuel cells 100 with a non-cuboidal, for example a wedge-shaped, gas diffusion layer 10 to the fuel cell stack 200 to arrange.

11 illustriert ebenfalls einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstack 200 mit einer Vielzahl an Brennstoffzellen 100, wie sie beispielsweise in 9 dargestellt worden sind. Die Brennstoffzellen 100 sind zu dem Brennstoffzellenstack 200 angeordnet. 11 kann als der in 10 gezeigte Brennstoffzellenstack 200 gesehen werden, wobei dieser um 180 Grad gedreht ist. 11 likewise illustrates a fuel cell stack according to the invention 200 with a variety of fuel cells 100 such as in 9 have been shown. The fuel cells 100 are to the fuel cell stack 200 arranged. 11 can be considered the in 10 fuel cell stack shown 200 can be seen, rotated 180 degrees.

12 zeigt ein Brennstoffzellenstacksystem 300, wobei das Brennstoffzellenstack 300 abwechselnd aus Brennstoffzellenstacks 200, wie sie in 10 und 11 dargestellt sind, aufgebaut ist. Dies wird auch durch die beiden unterschiedlichen Symbole + und ✦ in der 12 dargestellt. Vorteilhafterweise kann damit auch ein insgesamt im Wesentlichen quaderförmiges Brennstoffzellenstacksystem 300 aus keilförmigen Brennstoffzellenstacks 200 aufgebaut werden. Eine gleichmäßige Verspannung des Brennstoffzellenstacksystems 300 kann damit möglich sein. 12 shows a fuel cell stack system 300 , the fuel cell stack 300 alternately from fuel cell stacks 200 as in 10 and 11 are shown, is constructed. This is also indicated by the two different symbols + and ✦ in the 12 shown. Advantageously, a fuel cell stack system that is essentially cuboid overall can thus also be used 300 made of wedge-shaped fuel cell stacks 200 being constructed. Uniform tensioning of the fuel cell stack system 300 can thus be possible.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • EP 2475036 B1 [0006]EP 2475036 B1 [0006]
  • DE 19737390 A1 [0006]DE 19737390 A1 [0006]

Claims (10)

Gasdiffusionslage (10) für eine Brennstoffzelle (100) aufweisend einen Grundkörper (12) aus einem fluiddurchlässigen, offenporigen Material, wobei der Grundkörper (12) eine Membrankontaktierungsfläche (14), die einer ersten Seite einer Membran der Brennstoffzelle (100) zuwendbar ist, und eine von der Membrankontaktierungsfläche (14) beabstandete Bipolarplattenkontaktierungsfläche (16), die einer ersten Seite einer Bipolarplatte der Brennstoffzelle (100) zuwendbar ist, und eine erste Seitenfläche (13) zwischen der Membrankontaktierungsfläche (14) und der Bipolarplattenkontaktierungsfläche (16), und eine von der ersten Seitenfläche (13) beabstandete zweite Seitenfläche (15) zwischen der Membrankontaktierungsfläche (14) und der Bipolarplattenkontaktierungsfläche (16), wobei der Grundkörper (12) entlang einer Richtung von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche (16) hin zur Membrankontaktierungsfläche (14) einen Gasdiffusionslagenströmungswiderstand aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers (12) ausgehend von der ersten Seitenfläche (13) entlang einer Abnahmerichtung (A) hin zur zweiten Seitenfläche (15) abnimmt.Gas diffusion layer (10) for a fuel cell (100) having a base body (12) made of a fluid-permeable, open-pored material, the base body (12) having a membrane contacting surface (14) facing a first side of a membrane of the fuel cell (100), and a bipolar plate contact surface (16) which is spaced apart from the membrane contact surface (14) and can be turned towards a first side of a bipolar plate of the fuel cell (100), and a first side surface (13) between the membrane contact surface (14) and the bipolar plate contact surface (16), and one of the second side surface (15) spaced apart from the first side surface (13) between the membrane contact surface (14) and the bipolar plate contact surface (16), the base body (12) having a gas diffusion layer flow resistance along a direction from the bipolar plate contact surface (16) towards the membrane contact surface (14), characterized in that d he gas diffusion layer flow resistance of the base body (12) decreases starting from the first side surface (13) along a decrease direction (A) towards the second side surface (15). Gasdiffusionslage (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt durch die erste Seitenfläche (13) des Grundkörpers (12) oder ein Querschnitt durch die zweite Seitenfläche (15) des Grundkörpers (12) ein Viereck aufzeigt.Gas diffusion layer (10) after Claim 1 , characterized in that a cross section through the first side surface (13) of the base body (12) or a cross section through the second side surface (15) of the base body (12) shows a rectangle. Gasdiffusionslage (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt durch die erste Seitenfläche (13) des Grundkörpers (12) oder ein Querschnitt durch die zweite Seitenfläche (15) des Grundkörpers (12) ein Trapez aufzeigt, wobei insbesondere ein Membrankontaktierungsflächenschenkel (17) des Trapezes des geschnittenen Grundkörpers (12) und ein Bipolarplattenkontaktierungsflächenschenkel (18) des Trapezes des geschnittenen Grundkörpers (12) geneigt zueinander verlaufen.Gas diffusion layer (10) according to one of the preceding claims, characterized in that a cross section through the first side surface (13) of the base body (12) or a cross section through the second side surface (15) of the base body (12) shows a trapezoid, in particular a Membrane contact surface limbs (17) of the trapezoid of the cut base body (12) and a bipolar plate contact surface limb (18) of the trapezoid of the cut base body (12) run inclined to one another. Gasdiffusionslage (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt durch die erste Seitenfläche (13) des Grundkörpers (12) oder ein Querschnitt durch die zweite Seitenfläche (15) des Grundkörpers (12) eine Stufenform aufzeigt, wobei die Stufenform Stufen mit gleicher und/oder unterschiedlicher Stufenhöhe (H) aufweist, wobei entlang der Abnahmerichtung (A) von der ersten Seitenfläche (13) zur zweiten Seitenfläche (15) die Stufenhöhe (H) benachbarter Stufen abnimmt.Gas diffusion layer (10) after Claim 1 , characterized in that a cross section through the first side surface (13) of the base body (12) or a cross section through the second side surface (15) of the base body (12) shows a step shape, the step shape showing steps with the same and / or different step heights ( H), the step height (H) of adjacent steps decreasing along the decrease direction (A) from the first side surface (13) to the second side surface (15). Gasdiffusionslage (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porengröße der Poren des Grundkörpers (10) ausgehend von der ersten Seitenfläche (13) entlang einer Abnahmerichtung (A) hin zur zweiten Seitenfläche (15) zunimmt.Gas diffusion layer (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the pore size of the pores of the base body (10) increases starting from the first side surface (13) along a decrease direction (A) towards the second side surface (15). Gasdiffusionslage (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (12) aus wenigstens zwei Lagen fluiddurchlässigen, offenporigen Materials gebildet ist.Gas diffusion layer (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the base body (12) is formed from at least two layers of fluid-permeable, open-pored material. Gasdiffusionslage (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (12) mindestens ein Hohlraum (62) zur Verteilung eines Gases aufweist, insbesondere, dass sich mindestens ein Hohlraum (62) entlang der Abnahmerichtung (A) von der ersten Seitenfläche (13) zur zweiten Seitenfläche (15) des Grundkörpers (12) hin erstreckt.Gas diffusion layer (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the base body (12) has at least one cavity (62) for distributing a gas, in particular that at least one cavity (62) extends along the removal direction (A) from the first Side surface (13) extends towards the second side surface (15) of the base body (12). Brennstoffzelle (100) aufweisend eine Membran (112), zwei sich gegenüberliegende jeweils an eine Seite der Membran (112) angeordnete Katalysatorschichten (114a, 114b), zwei sich gegenüberliegende jeweils an eine der Katalysatorschichten (114a, 114b) angeordnete Gasdiffusionslagen (10a, 10b), eine erste Bipolarplatte mit einer Anodenseite (120a), wobei die Anodenseite (120a) eine Anodenplattenströmungsrichtung (S1) aufweist, und eine zweite Bipolarplatte mit einer Kathodenseite (122b), wobei die Kathodenseite (122b) eine Kathodenplattenströmungsrichtung (S2) aufweist, wobei die Anodenseite (120a) und die Kathodenseite (122b) die Brennstoffzelle (100) begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der beiden Gasdiffusionslagen (10a, 10b) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.Fuel cell (100) having a membrane (112), two opposing catalyst layers (114a, 114b) each arranged on one side of the membrane (112), two opposing gas diffusion layers (10a, 10b) each arranged on one of the catalyst layers (114a, 114b) ), a first bipolar plate with an anode side (120a), the anode side (120a) having an anode plate flow direction (S1), and a second bipolar plate with a cathode side (122b), the cathode side (122b) having a cathode plate flow direction (S2), where the anode side (120a) and the cathode side (122b) delimit the fuel cell (100), characterized in that at least one of the two gas diffusion layers (10a, 10b) according to one of the Claims 1 to 7th is trained. Brennstoffzelle (100) nach Anspruch 8, wobei die Anodenplattenströmungsrichtung (S1) der ersten Bipolarplatte und die Abnahmerichtung (A) von der ersten Seitenfläche (13) zur zweiten Seitenfläche (15) der Gasdiffusionslage (10) zwischen der ersten Bipolarplatte und der Membran (112) gleich gerichtet oder im Wesentlichen gleich gerichtet sind, und wobei die Kathodenplattenströmungsrichtung (S2) der zweiten Bipolarplatte und die Abnahmerichtung (A) von der ersten Seitenfläche (13) zur zweiten Seitenfläche (15) der anderen Gasdiffusionslage (10) zwischen der zweiten Bipolarplatte und der Membran (112) gleich gerichtet oder im Wesentlichen gleich gerichtet sind, wobei die Anodenplattenströmungsrichtung (S1) und die Kathodenplattenströmungsrichtung (S2) gleich gerichtet sind, insbesondere im Wesentlichen gleich gerichtet sind, oder entgegengesetzt gerichtet sind, insbesondere im Wesentlichen entgegengesetzt gerichtet sind.Fuel cell (100) Claim 8 , wherein the anode plate flow direction (S1) of the first bipolar plate and the direction of decrease (A) from the first side surface (13) to the second side surface (15) of the gas diffusion layer (10) between the first bipolar plate and the membrane (112) are directed in the same direction or substantially the same are directed, and wherein the cathode plate flow direction (S2) of the second bipolar plate and the direction of decrease (A) from the first side surface (13) to the second side surface (15) of the other gas diffusion layer (10) between the second bipolar plate and the membrane (112) are directed in the same way or are directed essentially in the same direction, the anode plate flow direction (S1) and the cathode plate flow direction (S2) being directed in the same way, in particular being directed substantially in the same direction, or directed in opposite directions, in particular directed in substantially opposite directions. Brennstoffzellenstack (200) aufweisend eine erste Brennstoffzelle (100a) und eine zweite Brennstoffzelle (100b), dadurch gekennzeichnet, dass die erste Brennstoffzelle (100a) und/oder die zweite Brennstoffzelle (100b) nach einem der Ansprüche 8 oder 9 ausgebildet sind.Fuel cell stack (200) comprising a first fuel cell (100a) and a second fuel cell (100b), characterized in that the first fuel cell (100a) and / or the second Fuel cell (100b) according to one of the Claims 8 or 9 are trained.
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