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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasdiffusionsschicht für eine elektrochemische Zelle, die eine Vielzahl von leitfähigen, geschlossenen Strukturen mit zumindest einem Durchlass aufweist.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen oder Batterien als Beispiele elektrochemischer Zellen werden typischerweise als elektrische Stromquellen für die Versorgung von Elektromotoren oder Maschinen verwendet. Dabei sind Elektroantriebe zunehmend Bestandteil eines Fahrzeugantriebs für Elektrofahrräder, Elektroautos, Hybridfahrzeuge und dergleichen.
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Im Gegensatz zu batteriebetriebenen Fahrzeugen zeichnen sich Brennstoffzellenfahrzeuge durch eine deutlich höhere Reichweite und eine schnellere Betankungszeit aus.
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Bei der Weiterentwicklung insbesondere von PEM-Brennstoffzellen, d. h. einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEM; für Englisch „polymerelectrolyte-membrane“), zur höheren Leistungsabgabe kommt dem Wassermanagement, der Stromableitung und der Wärmeleitung in den Halbzellen der elektrochemischen Zellen eine besondere Bedeutung zu, um die Leistung der Brennstoffzelle zu optimieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Die deutlich höheren Verkaufspreise von Brennstoffzellenfahrzeugen im Vergleich zu Verbrennungsfahrzeugen stellen noch eine große Hürde für die Massenmarkteinführung dar. Ein Weg, um die Zielkosten zu erreichen, liegt in der Verbesserung bzw. Vereinfachung von Komponenten.
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Eine Gasdiffusionsschicht einer elektrochemischen Zelle weist typischerweise kanalseitig zu einer Bipolarplatte ein Kohlefaserflies (GDB = gas diffusion backing) und katalysatorseitig eine mikroporöse Partikelschicht (MPL = microporous layer) auf.
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Die Gasdiffusionsschicht hat innerhalb von beispielsweise einer Brennstoffzelle verschiedene Aufgaben. Dazu zählen die Stoffverteilung von Sauerstoff, Wasserstoff, Wasser, etc., sowie eine Stromleitung, eine Wärmeleitung sowie eine Kraftverteilung von Anpressdrücken. Das typischerweise verwendete Faserflies ist in der Ebene der Gasdiffusionsschicht sehr gut für Gase durchlässig und hilft bei der Querverteilung der Medien, der Wärme und des Stroms unter Stegen von Bipolarplatten, die eingerichtet sind den Strom nach außen abzuleiten.
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Die Faserstrukturen aus Kohlenstoff sind spröde und können bereits während der Fertigung der GDL oder während des Assemblierungsprozesses der Zellen oder des Stacks brechen. Die hierbei entstehenden Faserenden aus der GDL können aus der MPL herausragen und folglich die sehr dünne (<20µm) und mechanisch empfindliche Katalysator-beschichtete Membran durchstoßen. Dies führt zu einem irreparablen Schaden der elektrochemischen Zelle und in kürzester Zeit zum Ausfall der elektrochemischen Zelle.
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Erfindungsgemäß wird eine Gasdiffusionsschicht für eine elektrochemische Zelle und eine elektrochemische Zelle gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche angegeben, die zumindest zum Teil die genannten Aufgaben lösen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Gasdiffusionsschicht für eine elektrochemische Zelle vorgeschlagen, wobei die Gasdiffusionsschicht eine fluiddurchlässige Struktur und eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen, geschlossenen Strukturen mit jeweils zumindest einem Durchlass aufweist.
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Dabei dient die semipermeable Membran der Trennung der beiden Elektrodenräume der Brennstoffzelle.
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Eine solche Gasdiffusionsschicht kann eine membranseitig gelegene elektrokatalytische Reaktionsschicht mit der bipolaren Platte elektrisch und thermisch verbinden und den Medientransport zu und von der elektrokatalytischen Reaktionsschicht sicherstellen.
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Entsprechend den verwendeten Grundmaterialien für die Herstellung der geschlossenen Strukturen können solche geschlossenen Strukturen mit entsprechenden Verfahren hergestellt werden. Karbonisierte geschlossene Strukturen mit zumindest einem Durchlass können beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass die für die Karbonisierung verwendeten Ausgangsmaterialien in die gewünschte Form gebracht werden und sich dann ein Karbonisierungsprozess anschließt. Dies ist beispielsweise in der RSC Adv., 2015, 5, 33294-33298 dargestellt, bei dem das Ausgangsmaterial Amylose und 3\- Pentadecylphenol (PDP) sind. Die Amylose und PDP werden in Dimethylsulfoxid gemischt und auf einen Siliziumwafer spin-beschichtet. Danach folgt eine Vernetzung des Amylose/PDP-Films mit Formaldehyddampf und die Kohlenstoff-Mikroringe entstehen nach einer Pyrolyse unter Stickstoffatmosphäre.
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Da solche geschlossenen Strukturen keine offenen Enden aufweisen, kann eine mechanische Beschädigung angrenzender Schichten, wie beispielsweise der semipermeablen Membran und/oder einer Elektrode, durch diese Strukturen nahezu ausgeschlossen werden. Diese geschlossenen Strukturen können mechanisch deutlich widerstandsfähiger gegen Biege-oder Stauchbruch sein. Solche geschlossenen Strukturen in einer Gasdiffusionsschicht haben den Vorteil, dass sie zu klein bzw. kurz sind, um durch mechanische Kräfte, wie etwa Biegen, zu brechen und auch per se keine scharfkantigen, abstehenden Enden aufweisen.
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Solche geschlossenen Strukturen mit zumindest einem Durchlass können beispielsweise in Form eines Torus, eines geschlossenen Faserrings, eines geschlossenen Rings, in Form von Schleifen oder als Donut-förmige Strukturen oder in Form von halbkugelförmigen äußeren Strukturen realisiert sein.
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Vorteilhafterweise ergeben sich durch die Verwendung solcher geschlossener Strukturen aufgrund der Dreidimensionalität eine gegenüber beispielsweise Kohlenstoff-Partikeln verbesserte Wärme- und elektrische Leitfähigkeit innerhalb der Ebene der Gasdiffusionsschicht und durch die Schichten hindurch, also eine Verbesserung in alle Raumrichtungen, da weniger Kontaktpunkte zwischen Strukturen über eine gewisse Distanz notwendig sind. Darüber hinaus verbessert sich durch einen Einbau der geschlossenen Strukturen mit mindestens einem Durchlass ein Ferntransport von Wärme und Strom innerhalb der Schicht der Gasdiffusionsschicht, da weniger Oberflächenkontakte für den Wärmeübergang bzw. den Stromübergang zu überwinden sind.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der Durchlass der geschlossenen Strukturen ausreichend groß ist, um einen Medientransport innerhalb der Gasdiffusionsschicht zu fördern. Ein Innendurchmesser des Durchlasses von 0.5 µm bis 100 µm, und insbesondere von 1 µm bis 10 µm erlauben einen idealen Fluidtransport, da hier die Gänge ausreichend groß sind, so dass eine Limitierung durch Erreichen einer Porengröße im Bereich der Knudsen-Diffusion vermieden wird.
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Ein guter Medientransport ist insbesondere für die Bereiche der Gasdiffusionsschicht, die unter den Stegen der Bipolarplatte liegen, wichtig, somit kann der Medientransportes durch eine Homogenisierung der Eigenschaften der Gasdiffusionsschicht verbessert werden.
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Dabei leiten die Stege der Bipolarplatte den elektrischen Strom und einen Wärmestrom von der Gasdiffusionsschicht an die Bipolarplatte weiter.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die geschlossene Struktur ringförmig ist und ein Durchmesser des Durchlasses größer als ein Durchmesser einer Wulst der Struktur ist.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der Anteil der geschlossenen Strukturen mit zumindest einem Durchlass in der Gasdiffusionsschicht zumindest 90 % beträgt. Dabei bezieht sich der prozentuale Anteil auf ein Verhältnis von geschlossenen Strukturen mit zumindest einem Durchlass zu einem Faseranteil der Gasdiffusionsschicht.
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Durch einen so hohen Anteil an geschlossenen Strukturen mit Durchlass ergibt sich eine Verminderung von Beschädigungen der semipermeablen Membran der Brennstoffzelle durch Fasern um den Faktor 10. Durch einen Einsatz eines entsprechend höheren Prozentsatzes dieser geschlossenen Strukturen in der Gasdiffusionsschicht kann eine Beschädigung der semipermeablen Membran in noch weiterem Maße verhindert werden.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die geschlossenen Strukturen einen Durchmesser zwischen 1 µm und 500 µm aufweisen, und bevorzugt einen Durchmesser zwischen 2 µm und 100 µm, und weiter bevorzugt zwischen 5 µm und 30 µm aufweisen. Diese Dimensionen erlauben eine ideale Einbettung und Ausrichtung in der Gasdiffusionsschicht, welche selbst Zieldicken von 30-250µm aufweist. Durch die Abstimmung der Größen der geschlossenen Strukturen auf die Gesamtschichtdicke wird die Anzahl der Kontaktpunkte zwischen den geschlossenen Strukturen minimiert, sodass die Transportprozesse elektrisch und thermisch ideale Größenordnungen erreichen und gleichzeitig die mechanische Stabilität der Schicht nicht kompromittiert wird
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die geschlossenen Strukturen eine Höhe zwischen 100 nm und 50 µm aufweisen, und die Höhe bevorzugt einen Wert zwischen 0,5 µm und 10 µm aufweisen. Diese Höhe erzeugt Strukturen, die einen idealen Querschnitt für die Bulk-Leiteigenschaften bieten und eine ausreichende mechanische Stabilität gewährleisten. Dickere Strukturen wären zu stabil, also die vorteilhafte Flexibilität/Federwirkung wäre nicht erwartbar, dünnere Strukturen würden unter mechanischer Belastung brechen, sodass der Vorteil ‚keine offenen Enden‘ nicht gewährleistet wäre.
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Dabei charakterisiert eine Höhe der geschlossenen Struktur entweder einen maximalen Durchmesser einer Wulst der geschlossenen Struktur, wobei die gesamte Wulst die geschlossene Struktur mit zumindest einem Durchlass bildet.
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Die Höhe der geschlossenen Struktur kann auch durch beispielsweise eine Veränderung einer ringförmigen geschlossenen Struktur durch ein Verdrehen im Raum größer als ein Durchmesser der Wulst an der dicksten Stelle der geschlossenen Struktur sein.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Teil der geschlossenen Strukturen strukturgebend für die Gasdiffusionsschicht ist. Unter dem Begriff strukturgebend ist insbesondere zu verstehen, dass die so geformten Fasern miteinander eine makroskopische Grundstruktur aufbauen, die die äußere Form der Gasdiffusionsschicht bestimmt.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Teil der geschlossenen Strukturen mit einem Bindemittel mit zumindest einer weiteren geschlossenen Struktur mittels eines Bindemittels miteinander verbunden sind. Für den Aufbau einer Struktur können die jeweiligen geschlossenen Strukturen mit Durchlass untereinander mit einem Bindemittel mechanisch verbunden sein. Ein solches Bindemittel kann beispielsweise PTFE sein. Eine so aufgebaute Struktur kann ein aus lang gestreckten karbonisierten Fasern aufgebautes Kohlefaservlies entsprechend ersetzen.
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Vorteilhafterweise entsteht dadurch eine dreidimensionale Struktur, die die elektrische und Wärmeleitfähigkeit durch die Gasdiffusionsschicht hindurch weiter verbessern kann und durch die erhöhte Porosität Transportvorgänge von und zu der membranseitigen Reaktionsschicht verbessern kann.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Gasdiffusionsschicht Kohlenstoff-Partikel aufweist.
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Durch das Einbringen von Kohlenstoff-Partikeln in die geschlossenen Strukturen mit Durchlass kann eine partikelbasierte mikroporöse Schicht in Bezug auf eine Stromleitung und eine Wärmeleitung innerhalb der Gasdiffusionsschicht verbessert werden.
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Eine so aufgebaute Gesamtschicht kann sowohl die Funktion einer mikroporösen Schicht als auch die Funktion einer angrenzenden makroporösen Schicht bereitstellen. Eine so aufgebaute Gasdiffusionsschicht erfüllt somit sowohl die Aufgabe einer mikroporösen Schicht als auch die Aufgaben einer makroporösen Schicht und kann ein zusätzliches Kohlefaserflies im Sinne eines Gasdiffusions Backing (GDB) für den Aufbau einer Brennstoffzelle obsolet machen.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Gasdiffusionsschicht zumindest teilweise von einer mikroporösen Funktionsschicht durchdrungen wird, um sowohl einen mikroporösen Teilbereich als auch einen makroporösen Teilbereich für einen Aufbau der elektrochemischen Zelle bereitzustellen.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Vielzahl der geschlossenen Strukturen karbonisierte Ausgangsstoffe oder anorganische Keramiken oder Metalle oder Edelstahl oder Kupfer oder Nickel oder Titan oder Legierungen aus diesen Metallen aufweisen.
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Durch die große Materialauswahl mit der die Erfindung realisierbar ist, kann das für den jeweiligen Zweck geeignete Material ausgewählt werden.
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Es wird eine elektrochemische Zelle vorgeschlagen, die eine Membran, eine katalytische Reaktionsschicht und eine an die Reaktionsschicht angrenzende Gasdiffusionsschicht wie sie oben beschrieben wurde aufweist.
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Eine so aufgebaute elektrochemische Zelle kann günstiger hergestellt werden und weniger Defekte insbesondere in Bezug auf die semipermeable Membran aufweisen.
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Für eine Herstellung einer Gasdiffusionsschicht mit den Kohlenstoff-basierten geschlossenen Strukturen mit Durchlass werden diese gemeinsam mit einem Bindemittel und evtl. einem Leitadditiv, z.B. einem hoch-leitfähigem Kohlepulver in einem Lösungsmittel vermischt und durch gängige Beschichtungsmethoden wie z.B. durch Rakeln und anschließendes Trocknen eine poröse Gasverteilerschicht erzeugt. Die Herstellungsprozesse können prinzipiell denen einer Faser-GDL genau gleichen. Durch die unterschiedliche Ausdehnung der Strukturen wird erreicht, dass sich eine Anordnung in der Ebene einstellt, sodass die in-plane Leitfähigkeit für Wärme und Strom begünstigt ist.
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Für eine Herstellung einer Gasdiffusionsschicht entsprechend einer mikroporösen Schicht können die Kohlenstoff-basierten geschlossenen Strukturen mit Durchlass direkt in einer typischen partikel-basierten mikroporösen Schicht als Additiv zugefügt werden. Die ansonsten typischerweise isotrope mikroporöse Schicht kann somit hinsichtlich der Funktionen Wärme- und Stromleitung in in-plane Richtung deutlich verbessert werden, ohne den Gastransport signifikant zu beeinflussen.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind mit Bezug auf die 1 bis 3 dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigt:
- 1 charakteristische Dimensionen einer geschlossenen Struktur mit Durchlass;
- 2 eine Struktur einer Gasdiffusionsschicht; und
- 3 eine Gasdiffusionsschicht mit einer charakteristischen Schichtdicke.
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Die 1 skizziert die charakteristischen Dimensionen einer geschlossenen Struktur 100 mit Durchlass 120 für eine Gasdiffusionsschicht 200 für den Aufbau einer elektrochemischen Zelle. Die geschlossene Struktur 100 der 1 weist eine äußere Abmessung 124 und einen Durchmesser 122 einer Wulst der geschlossenen ringförmigen Struktur 100 auf.
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Die 2 skizziert eine Struktur einer Gasdiffusionsschicht 200, die strukturgebend durch die geschlossenen Strukturen 240 aufgebaut werden, indem die Strukturen 240 mit Bindemitteln 260 miteinander verbunden werden. Dabei können die geschlossenen Strukturen 240 in der Gasdiffusionsschicht 200 in der Ebene der Schicht ausgerichtet sein. Dadurch ergibt sich eine Dicke 220 der Gasdiffusionsschicht 200.
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Die 3 skizziert eine Gasdiffusionsschicht 300 mit einer charakteristischen Schichtdicke 320, die eine Vielzahl geschlossenen Strukturen 240 mit Durchlass aufweist, die in der Gasdiffusionsschicht 300 in der Ebene der Schicht ausgerichtet sind. Dabei weist die Gasdiffusionsschicht 300 außerdem Kohlenstoffpartikel 340 und Bindemittel 260 auf. Die Vielzahl von geschlossenen Strukturen 240 mit Durchlass sind in der Gasdiffusionsschicht 300 somit in einem Verbund mit Kohlenstoffpartikeln 240 und Bindemittel 260 eingebettet und können sowohl eine Wärmeleitung als auch eine elektrische Leitfähigkeit innerhalb der Schicht verbessern, da sie über ihre Länge weniger Grenzflächen überwinden müssen, als aneinander angrenzende Kohlenstoffpartikel 340. Eine so aufgebaute Gasdiffusionsschicht 200 erfüllt somit sowohl die Aufgabe einer mikroporösen Schicht als auch die Aufgaben einer makroporösen Schicht und kann ein zusätzliches Kohlefaserflies im Sinne eines Gasdiffusions Backing (GDB) für den Aufbau einer Brennstoffzelle obsolet machen.
