DE102020132271A1

DE102020132271A1 - Poröse Transportschicht PTL, Stack mit PTL, Herstellverfahren für einen PTL

Info

Publication number: DE102020132271A1
Application number: DE102020132271.2A
Authority: DE
Inventors: Christian Mangold; Elfriede Mangold; Hubert Mangold; Matthias Mangold
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-12-04
Filing date: 2020-12-04
Publication date: 2022-06-09

Abstract

Um den Aufbau der beidseits der Membran bisher vorgesehenen sog. „Trägerelemente“, bestehend aus GDL = PTL = Pulverschicht als MPL, sowie Stützstruktur = strukturierte Folie zu vereinfachen, wird die Metallfolie für die strukturierte Folie durch z. B. Sintern von Metallpulver so dünn und dennoch biegsam hergestellt - wofür es anscheinend stark auf ein spezifisches Herstellungsverfahren des Grünlings ankommt -, sodass sie anschließend strukturiert, zum Beispiel gewellt, werden kann durch Kaltumformen.Da eine solche Folie gleichzeitig MPL und Stützstruktur ist, wird nur eine Lage davon zwischen zwei Bipolarplatten benötigt, was einen sehr einfachen Aufbau ergibt. Die mechanische Stabilität wird begrenzt durch die Stabilität der Bipolarplatten, insbesondere der Endplatten.

Description

I. Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseur, insbesondere einen Wasser-Elektrolyseur, also eine Vorrichtung zum Aufspalten von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mittels elektrischen Stromes und ebenso eine umgekehrt arbeitende Brennstoffzelle, die aber im Wesentlichen aus den gleichen Bauteilen aufgebaut ist.
II. Technischer Hintergrund
Von den bekannten Funktionsprinzipien und Bauformen werden die sogenannte alkalische Elektrolyse (AEL) am häufigsten und die so genannte PEM-Elektrolyse zunehmend angewandt, sowie die jüngste entstandene Bauform einer an Anionen-Austauschmembran-Elektrolyse (AEM).
Ein flächiges Trennelement zwischen Anode und Katode bewirkt zumindest eine elektrische Isolierung dazwischen. Zusätzlich hat dieses Trennelemente je nach Funktionsprinzip unterschiedliche Transportaufgaben quer zu seiner Hauptebene:
Bei der PEM-Wasser-Elektrolyse wird nur auf einer Seite des Trennelementes Wasser zugeführt. Das Trennelemente ist eine Membran, an der auf der Wasserseite ein so genannter gas-diffusion-layer GDL oder auch porous transport layer PTL genannt, anliegt. An der aktiven Schicht - wobei meist einer Iridium-Beschichtung als Katalysator auf der Membran dient - zwischen PTL und Membran entstehen durch Aufspaltung des flüssigen Wasser fast explosionsartig Gase - die ein etwa 1000-faches Volumen als das zugeführte flüssige Ausgangsmaterial besitzen - wovon der entstehende Sauerstoff auf der Wasserseite abzutransportieren ist um dadurch einen fortlaufenden Aufspaltungs-Prozess erst zu ermöglichen, während die für Gas als auch Flüssigkeit druckdichte Membran lediglich für die entstehenden H⁺-Protonen durchlässig ist, so dass auf der quasitrockenen anderen Seite hieraus durch Aufnahme von Elektroden von der Kathode Wasserstoffgas gebildet wird.
An der aktiven Schicht kann eine separate flächige Elektrode anliegen, oder die PTL besteht - was die übliche Bauform ist - aus elektrisch leitenden Material, so dass der für die Aufspaltung benötigte Strom über die PTL zur aktiven Schicht geführt wird, und diese dann zusätzlich die Aufgabe eines Stromverteilers, also einer Elektrode, besitzt, mit der der Strom an die aktive Schicht, möglichst gut verteilt über die gesamte Fläche der aktiven Schicht, zugeführt wird.
Zu diesem Zweck wird die Vorderseite des GDL häufig geschliffen oder möglichst plan hergestellt, um beim Aneinanderpressen zwar an der aktiven Schicht möglichst viele einzelne und voneinander getrennte Kontaktpunkte oder kleine Kontaktflächen als Nukleuspunkte zu erzielen, andererseits jedoch die aktive Schicht und/oder die Membran nicht durch eine zu raue Oberfläche des PTL zu beschädigen, wobei diese Kontaktstellen zwar möglichst eng benachbart sein sollen, dazwischen aber bereits Hohlräume als Beginn von Kanälen zum Abführen der Gase vorhanden sein sollen, durch die das Gas quer zur Hauptebene zur Rückseite des PTL strömen kann.
Dabei ist es bekannt, dass der Prozess gefördert wird, wenn diese Kanäle, die am Entstehungsort der Gase noch einen sehr kleinen Querschnitt besitzen können, in ihrem Verlauf von der Kontaktfläche weg einen zunehmend größeren Querschnitt aufweisen, um das Agglomerieren der Gas-Moleküle zu erleichtern und einen größeren Volumenstrom bei geringerer Kapillar-Wirkung und Abbremsen der Strömung durch Anhaften der Randschichten der Strömung an den Kanalwänden zu ermöglichen.
Dabei ist es wichtig, die hier vorliegenden Größenordnungen vor Augen zu haben:

So sollen die Querschnitte der Kanäle an ihrem Beginn, also an der Frontfläche, einen Durchmesser von nach Möglichkeit nur einigen µm aufweisen, um einen möglichst geringen Abstand der wirksamen Nukleuspunkte zwischen der als Elektrode wirkenden PTL und der aktiven Schicht an der Membran und damit eine möglichst große Anzahl von Kontaktpunkten/Kontaktflächen pro Flächeneinheit zu bieten. Derart kleine Kanäle mit entsprechenden Abmessungen reproduzierbar herzustellen, ist in der Praxis jedoch sehr schwierig, gerade bei in einer definierten Richtung verlaufenden Kanälen.

Auf der Anodenseite, der Wasser-Seite, muss der PTL nicht nur den entstehenden gasförmigen Sauerstoff von der Membran abführen, sondern auch das zugeführte Wasser über die Membranfläche verteilen. Zusätzlich muss auf der Wasser-Seite auch ein Großteil des zugeführten Wassers als flüssiges Wasser wieder abgeführt werden, denn es wird wesentlich mehr Wasser zugeführt, als elektrolytisch aufgespalten werden kann. Dieses Überschuss-Wasser dient der Kühlung des Elektrolyseurs.
Der entstehende reine Sauerstoff ist ein starkes Reduktionsmittel und zusätzlich liegt wegen der Sulfonsäuregruppen in der Membran ein stark saures Milieu vor, was zusammen mit dem vorliegenden Spannungspotenzial die meisten Metalle angreift, so dass als Metall für den PTL und ggfs. auch die übrigen Bestandteile der Vorrichtung fast nur Titan verwendet werden kann.
Da die Membran als Elektrolyt arbeitet und für Protonen durchlässig ist, allerdings keine Elektronen transportieren kann (= elektrischer Leiter 2. Klasse) ist auf der Kathoden-Seite ein flächiger Stromverteiler notwendig, wofür ein weiterer PTL aus einem elektrisch Leitfähigem Material oder auch ein Vlies mit einem sehr hohen Kohlenstoffanteil gewählt werden kann.
Der bauliche Aufwand pro zu erzeugender Wasserstoffmenge sinkt, wenn die Größe der Membran und damit auch des PTL möglichst groß gewählt werden kann und gleichzeitig die Anzahl der Kontaktstellen pro Flächeneinheit möglichst groß ist. Dies wirft dann massive Probleme auf, wenn die Elektrolyse-Vorrichtung - wie insbesondere bei einem PEM-Elektrolyseur - mit Differenzdruck betrieben wird, also auf der Wasserstoff-Seite, der Kathoden-Seite, ein hoher Druck von wenigen bar bis insbesondere über 100 bar herrscht, während der Druck auf der Zufuhrseite nur z. B. 2 bar beträgt.
Dieser hohe Druck auf der Wasserstoff-Seite wird dann angestrebt, wenn der erzeugte Wasserstoff, der beispielsweise aus Überschuss-Strom von Windkraftanlagen oder Fotovoltaikanlagen stammt, dem Erdgas, insbesondere in methanisierter Form, in vorhandenen Erdgas-Netzen beigemischt werden soll - was bis zu einem Anteil von 10 % problemlos für den Erdgasverbraucher möglich ist - da in Förderleitungen für Erdgas in der Regel ein Druck um die 80 bar herrscht.
Würde der Wasserstoff in dem Wasser-Elektrolyseur mit geringem Druck oder gar drucklos anfallen, müsste der erzeugte Wasserstoff aufwendig mechanisch mittels Verdichtern auf den Einspeisedruck, also einen Druck über dem Druck in der Förderleitung für Erdgas, verdichtet werden, was eines erheblichen baulichen Aufwandes angesichts der Leichtflüchtigkeit von Wasserstoff bedarf als auch eines zusätzlichen Energiebedarfs zum Betreiben solcher Verdichter.
Deshalb muss die Membran bei solchen Druckdifferenz-Elektrolyseuren abgestützt werden, weshalb derzeit häufig als GDL eine aus Titan-Kügelchen gesinterte Scheibe mit einer definierten Porosität verwendet wird, die eine Dicke von 1 bis 3 mm besitzt.
Auch deren mechanische Stützwirkung, also Querbelastbarkeit, ist begrenzt, sodass die damit erzielbaren Membran-Flächen bisher 200 cm² selten übersteigen.
Gerade die als Ausgangsmaterial verwendeten Titan-Kügelchen mit einer exakten Größenverteilung sind jedoch teuer in der Herstellung und Beschaffung, und auch der notwendige Sinter-Vorgang ist technisch nicht einfach und nur mit relativ hohem Aufwand und Kosten so durchführbar, dass eine als GDL geeignete Sintermetall-Platte reproduzierbar entsteht.
Somit ist dieses Bauteil für ca. 50 % der Kosten des gesamten Elektrolyseurs verantwortlich, weshalb kostengünstigere PTLs gesucht werden, die auch mehrlagig sein dürfen.
Falls die Poren oder Durchlässe, also Kanal-Anfänge, einer verwendeten PTL an dessen Vorderseite sehr groß sind, kann zwischen PTL und Membran noch ein Stromsammler (current concentrator = CC) vorhanden sein, dessen Poren oder Durchlässe kleiner sind, etwa ein Metall-Gewebe oder eine mikro-poröse, elektrisch leitende, Beschichtung, um die Anzahl der Nukleusstellen zu vergrößern.
Mit seiner Rückseite liegt der PTL meist an einer Endplatte oder einer Bipolarplatte an und wird von dieser auch mechanisch abgestützt, wodurch ein so genanntes Trägerelement gebildet wird. In der zum PTL hin gerichteten Vorderseite der Endplatte sind Sammelkanäle mit deutlich größeren Querschnitten als die Kanäle im PTL vorhanden, die ein so genanntes Flowfield bilden, zum Abführen des gebildeten Wasserstoffes zum Rand des PTL und aus dem Elektrolyseur hinaus.
Ein Wasser-Elektrolyseur für die alkalische Elektrolyse (AEL) umfasst im Wesentlichen die gleichen Bauteile, jedoch ist das Trennelement dabei ein sogenanntes Diaphragma, also ein gasdichtes, hydraulisch aber zumindest teilweise offenes Trennelement, welches lediglich OH^--Ionen hindurchtreten lässt, den auf der einen Seite entstehenden Sauerstoff jedoch nicht mit dem auf der anderen Seite entstehenden Wasserstoff in Kontakt geraten lässt. Ein Diaphragma besitzt eine elektrolytische Leitfähigkeit nur dadurch, dass es mit einer Elektrolytlösung getränkt ist, ist also per sie nicht Ionen-leitend.
Als Material wird dabei häufig Nickel verwendet, da bei der alkalischen Elektrolyse kein saures Milieu vorliegt. Ferner werden alkalische Elektrolyseure meistens mit einer sehr viel geringeren Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten betrieben, meist mit einer Druckdifferenz von unter 2 bar.
Bei der Anion-Austauschmembran-Elektrolyse (AEM) wird wie bei der PEM-Elektrolyse nur auf einer Seite Wasser zugeführt, und dieses Wasser - wie bei der alkalischen Elektrolyse AEL - auf der Kathodenseite in Wasserstoff und OH^--Ionen aufgespaltet, die dann durch die Membran zur Anode gelangen und dort zu Sauerstoff und Wasser oxidiert werden.
Wasser-Elektrolyseure - und ebenso Brennstoffzellen - bestehen meist aus Stacks von vielen aufeinanderfolgende Zellen, von denen jede die notwendigen Schichten von der Anode bis zur Kathode aufweist.
II. Darstellung der Erfindung
a) Technische Aufgabe
Es ist seine Aufgabe gemäß der Erfindung, einen PTL /GDL und ein damit ausgestattetes Stack in Form einer Metallfolie aus z.B. gesintertem Metallpulver oder einem Metallvlies oder einem Metallschaum zur Verfügung zu stellen, welches reproduzierbar und kostengünstig herstellbar ist, sowie das entsprechende Herstellverfahren.
b) Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 15, 23 und 31 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hinsichtlich der porösen Transportschicht (PTL) in Form einer porösen Metallfolie aus vorzugsweise gesintertem Metallpulver wird diese Aufgabe in einer 1. Bauform dadurch gelöst, dass ein gattungsgemäßer PTL, der meist eine Dicke zwischen 5 µm und 400 µm, besser zwischen 10 µm und 150, µm, besser zwischen 12 µm und 100 µm, besser zwischen 15 µm und 60 µm aufweist, erfindungsgemäß dadurch weitergebildet wird, dass der PTL eine primäre, einseitige oder beidseitige, Strukturierung in der 3. Dimension quer zu seiner Hauptebene aufweist, mit einer Höhe zwischen dem 2-fachen und 100-fachen, besser zwischen dem 3-fachen und 70-fachen, besser zwischen dem 4-fachen und 40-fachen der Dicke der porösen Metallfolie.
Unter der Hauptebene des PTL, also der porösen Metallfolie, wird diejenige Ebene verstanden, die durch die beiden größten Erstreckungsrichtungen des PTL, insbesondere, wenn sich dieser - abgesehen von seiner primären Strukturierung - im ebenen Zustand befindet, aufgespannt wird. Unter der Höhe der Strukturierung wird dabei die Dicke des gesamten strukturierten PTL quer zu seiner Hauptebene verstanden.
Dadurch wird ein PTL geschaffen, der eine gute Durchlässigkeit quer zu seiner Hauptebene besitzt und dessen, insbesondere primäre, Strukturierung gleichzeitig zur Abfuhr von Fluiden, insbesondere entstehenden Gasen, benutzt werden kann, insbesondere wenn die primäre Strukturierung sich in nur einer primären Struktur-Richtung parallel zur Hauptebene der ebenen oder strukturierten Metallfolie erstreckt.
Vorzugsweise besitzt der PTL, um dies zu ermöglichen,

- eine Porosität von mindestens 15 %, besser mindestens 30 %, besser mindestens 45 %, besser mindestens 60 %, besser mindestens 75 % und
- eine Porengröße zwischen 5 µm und 100 µm, besser zwischen 9 µm und 60 µm, besser zwischen 12 µm und 40 µm.

Hinsichtlich der porösen Transportschicht (PTL) in Form einer porösen Metallfolie aus gesintertem Metallpulver wird diese Aufgabe in einer 2. Bauform auch dadurch gelöst, dass ein gattungsgemäße PTL, der meist

- eine Dicke zwischen 5 µm und 400 µm, besser zwischen 10 µm und 150, µm, besser zwischen 12 µm und 100 µm, besser zwischen 15 µm und 60 µm aufweist, und/oder
- eine Porosität von mindestens 15 %, besser mindestens 30 %, besser mindestens 45 %, besser mindestens 60 %, besser mindestens 75 % aufweist, und/oder
- eine Porengröße zwischen 3 µm und 100 µm, besser 5 µm und 80 µm, besser zwischen 7 µm und 60 µm, besser zwischen 9 µm und 40 µm aufweist,

- eine Biegesteifigkeit um eine in ihrer Hauptebene liegende Achse von weniger als 16,6 × s³ × b kNmm², insbesondere besser weniger als 15 × s³ × b kNmm², besitzt, wobei s die Materialstärke und b die Länge der Biegeachse darstellt.

Nur durch eine solche relativ geringe Biegesteifigkeit ist es möglich, eine aus Metallpulver gesinterte Folie danach mit einer starken dreidimensionalen Strukturierung auszustatten, ohne dass die Folie mechanisch geschädigt wird.
Dabei hat sich eine Korngröße des verwendeten Metallpulvers vor dem Pressen zwischen 150 µm und 5 µm, besser zwischen 100 µm und 10 µm, besser zwischen 80 µm und 15 µm als besonders vorteilhaft erwiesen.
Unter Korngröße wird dabei die Größe einzelner Partikel in einem Gemenge verstanden. Für die Beschreibung von deren Größe wird der Äquivalentdurchmesser herangezogen, der in der Regel durch eine entsprechende Siebung ermittelt werden kann.
Vorzugsweise besitzt ein solcher PTL eine Permeabilität κ senkrecht zur Hauptebene des PTL im Bereich zwischen 2,5 × 10^-12 m² und 40 × 10^-12 m², insbesondere besser im Bereich zwischen 5 × 10^-12 m² und 40 × 10^-12 m², insbesondere besser zwischen 10 × 10^-12 m² und 40 × 10^-12 m², was das gewünschte Hindurchtreten von Fluiden, insbesondere Gasen, erleichtert.
Für die weiteren Zwecke des PTL als Stromleiter und kühlende Element ist es ferner vorteilhaft, wenn

- die elektrische Leitfähigkeit σ-elek. senkrecht zur Hauptebene des PTL im Bereich zwischen 5 und 15 [10⁵ S/m], insbesondere besser im Bereich zwischen 8 und 15 [10⁵ S/m], liegt

- die thermische Leitfähigkeit σ-therm senkrecht zur Hauptebene des PTL im Bereich zwischen 2,0 und 10,0 [W/m*K], insbesondere besser im Bereich zwischen 5,0 und 10,0 [W/m*K], liegt.

Die Eigenschaften des PTL können auch durch die spezifische Auswahl der Form und Mischungsverhältnisse der Metallkörner des verwendeten Metallpulvers beeinflusst werden. Vorzugsweise besteht deshalb das verwendete Metallpulver

- entweder vollständig aus angularen Körnern
- oder aus einer Mischung aus sphärischen und angularen Körnern oder aus einer Mischung von verschieden stark angularen Körnern, und/oder Körnern mit verschiedenen Korngeometrien.

Unter angularen Körnern werden dabei alle Kornformen verstanden, die von einer sphärischen, also kugelförmigen, Form abweichen. Diese möglichen Formen müssen dadurch aber nicht zwangsläufig kantig sein, sondern können auch abgerundete Konturen aufweisen, die jedoch in der Summe keine Kugelform bilden.
Ein Korn ist dann angular, wenn sich die Größe seiner Oberfläche um mehr als den Faktor 1,2 von der Größe der Oberfläche eines sphärischen Korns mit identischen Volumen unterscheidet. $\frac{Oberfl \ddot{a} che Korn angular [A ang]}{Oberfl \ddot{a} che Korn sph \ddot{a} risch [A sph]} \geq 1,2 bei Vsph = V ang$
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn bei einer Mischung von verschieden stark angularen Körnern der Anteil der stärker angularen Körner minimal. 30%, besser minimal 50%, besser min. 70% beträgt.
Unter stark angularem Korn wird dabei ein Korn verstanden, bei dem die Größe seiner Oberfläche um mehr als den Faktor 1,5 von der Größe der Oberfläche eines sphärischen Korns mit identischen Volumen unterscheidet.
Ebenso hatte sich als günstig für die gewünschten Eigenschaften des PTL erwiesen, wenn die Korngrößenverteilung des verwendeten Pulvers so ist, dass die mittlere Korngröße D50 im Bereich zwischen 5 µm und 140 µm, besser im Bereich zwischen 10 µm und 120 µm, liegt.
Unter der mittleren Korngröße D50 wird dabei üblicherweise verstanden, dass 50 % der Körner der Mischung kleiner und 50 % der Körner der Mischung größer als diese Korngröße D50 sind.
Ein PTL der oben beschriebenen 2. Bauform kann ebenfalls eine primäre, einseitige oder beidseitige, Strukturierung in der 3. Dimension aufweist, quer zu seiner Hauptebene mit einer Höhe zwischen dem 2-fachen und 100-fachen, besser zwischen dem 3-fachen und 70-fachen, besser zwischen dem 4-fachen und 40-fachen der Dicke der Metallfolie, also insbesondere gemäß der 1. Bauform.
Auch hierbei ist es vorteilhaft, wenn die primäre Strukturierung sich in nur einer primären Struktur-Richtung parallel zur Hauptebene der ebenen oder strukturierten Metallfolie erstreckt.
Ein PTL kann ferner - unabhängig davon ob er die beschriebene primäre Strukturierung besitzt oder nicht - eine, insbesondere weniger starke, sekundäre Strukturierung aufweisen, die sich in der 3. Dimension quer zu seiner Hauptebene in - insbesondere nur einer - sekundären Struktur-Richtung parallel zur Hauptebene des PTL erstreckt. Durch eine solche sekundäre Strukturierung können sowohl die mechanischen als auch die funktionalen Eigenschaften des PTL weiter verbessert werden. Beispielsweise kann über die primäre und/oder sekundäre Strukturierung in der 3. Raumrichtung eine Federwirkung und/oder eine maßliche Ausgleichs-möglichkeit geschaffen werden für etwa durch die Fertigung bedingte Maß-Abweichungen von Bauteilen der Zelle oder des Stacks, insbesondere des PTL selbst.
Auch die Vergrößerung der Oberfläche des PTL durch diese primäre und/oder sekundäre, aber auch eine tertiäre, Strukturierung ist einer der angestrebten Vorteile.
So sollte die primäre Strukturierung eine Vergrößerung der Oberfläche mindestens um den Faktor 1,1 besser 1,2 besser 1,3 besser 1,4 gegenüber einer nicht strukturierten, glatten Folie bewirken.
Ebenso sollte die sekundäre Strukturierung eine Vergrößerung der Oberfläche mindestens um den Faktor 1,05 besser 1,1 besser 1,15 bewirken, entweder gegenüber dem Zustand bei nur einer primären Strukturierung - sofern eine solche vorhanden ist - oder gegenüber der ansonsten nicht strukturierten, glatten Folie.
Vorzugsweise erstreckt sich dabei die sekundäre Struktur-Richtung quer, insbesondere lotrecht, zur primären Strukturrichtung, insbesondere mit einer Höhe der sekundären Struktur zwischen dem 0,5-fachen und 50-fachen, besser zwischen dem 1-fachen und 35-fachen, besser zwischen dem 1,5-fachen und 20-fachen der Dicke der Metallfolie.
Die primäre Strukturierung kann durch eine Faltung oder Prägung der Metallfolie hergestellt werden, was eine besonders einfache Herstellermarke ermöglicht.
Die primäre Strukturierung kann bewirken, dass der PTL nach der Strukturierung eine gleichbleibende oder auch wechselnde Foliendicke besitzt. Diese kann auch gezielt gesteuert werden und dadurch zur Erzielung der gewünschten elektrischen und physikalischen Leitfähigkeit und Durchlässigkeit benutzt werden.
Die Eigenschaften des PTL können ferner positiv beeinflusst werden durch eine Anordnung der Pulverkörner in verschiedenen Schichten, wobei sich in den einzelnen Schichten Pulver Kerner mit bestimmten, je nach Schicht unterschiedlichen, Korngrößen und/oder Korngeometrien befinden. Dadurch kann ein PTL mit einer in Querrichtung zur Hauptebene graduierten Porosität und/oder Porengrößenverteilung in Querrichtung zu seiner Hauptebene erzielt werden.
Als günstig hat es sich erwiesen, wenn dabei das Verhältnis der mittlernen Porendurchmesser in der der der Endplatte zugewandten 1. Schicht und der der Membran zugewandten letzten Schicht mindestens 2 zu 1, besser mindestens 4 zu 1, besser mindestens 10 zu 1 beträgt.
Vorzugsweise sollte dies die Schichtung so durchgeführt wird, dass eine Erhöhung der der Membran zugewandten Oberfläche in Bezug zur projizierten Oberfläche des PTL um einen Faktor von mindestens 1,6 besser von mindestens 5, besser von mindestens 10 bewirkt wird.
Des Weiteren kann der PTL - unabhängig davon ob er eine primäre und/oder sekundäre Strukturierung besitzt - eine, demgegenüber insbesondere nochmals feinere, tertiäre Strukturierung in der 3. Dimension quer zu seiner Hauptebene aufweisen mit einer Höhe im Bereich des 0,1 bis 1,2-fachen, besser im Bereich des 0,3 bis 1,0-fachen, besser im Bereich des 0,5 bis 0,8-fachen der Dicke der Metallfolie.
Auch hierdurch können die funktionalen Eigenschaften des PTL weiter verbessert werden.
Hinsichtlich eines sogenannten Stacks geeignet zur Verwendung in einem Elektrolyseur, insbesondere Wasser-Elektrolyseur, oder eine Brennstoffzelle, mit mindestens einer von mehreren axial aufeinanderfolgenden Zellen, wird die bestehende Aufgabe dadurch gelöst, dass in den Zellen jeweils ein PTL der vorgeschriebenen Bauform vorhanden ist.
Dabei umfasst eine Zelle von der Anoden-Seite zur Kathoden-Seite meist folgende Schichten:

- ein Anoden-Trägerelement umfassend
- - eine Anoden-Endplatte (A-EP), insbesondere ausgebildet als Bipolar-Platte (BP),
- - einem Anoden-PTL (A-PTL)
- ein Trennelement, insbesondere eine für Flüssigkeiten und Gase nicht durchlässige Membran, insbesondere eine für Ionen, insbesondere Wasserstoff-Protonen oder OH^--Anionen durchlässige Membran (M) oder ein für Flüssigkeiten teildurchlässige, jedoch für Gase nicht durchlässiges Diaphragma,
- ein Kathoden-Trägerelement umfassend
- - einen Kathoden-Stromverteiler, insbesondere einen Kathoden-PTL (K-PTL),
- - eine Kathoden-Endplatte (K-EP), insbesondere ausgebildet als Bipolar-Platte (BP),
- eine Fixiervorrichtung, insbesondere Verschraubung, der Endplatten mit Vorspannung gegeneinander.

Bevorzugt liegt dabei das Trennelement, also die Membran oder das Diaphragma, insbesondere mit seiner katalytisch beschichteten Seite, an der Primärstruktur des PTL flächig an, entweder in dem es an dieser befestigt ist oder an diese durch den Druck des entstehenden Gases, insbesondere Wasserstoffs, auf der Kathoden-Seite angepresst wird.
Damit wird der für die Funktion gewünschte innige Kontakt zwischen Trennelement und PTL erreicht.
Hierfür kann das Trennelement entsprechend der Primärstruktur des PTL vorgeformte sein, insbesondere auf der Kathoden-Seite des PTL, was die flächige Anlage aneinander erleichtert, da auch ohne anliegenden Druck eines Gases bereits eine flächige Anlage erreicht wird.
Vorzugsweise weist eine Zelle zwischen einer Anoden-Endplatte und einer Kathoden-Endplatte jeweils nur eine Lage einer primär strukturierten Folie als PTL auf.
Dies ergibt einen besonders einfachen Aufbau der Zelle mit sehr wenigen Einzelteilen.
Falls - beispielsweise als Stromsammler - in einer Zelle zwischen der Kathoden-Seite des Trennelementes und der Kathoden-Endplatte ein K-PTL vorhanden ist, so liegt vorzugsweise der K-PTL auf der Kathoden-Seite der Membran flächig an um diese Funktion zu erfüllen.
Zu diesem Zweck kann der K-PTL entweder an dieser befestigt sein oder an diese durch den Druck des entstehenden Wasserstoffs auf der Kathoden-Seite angepresst werden.
Die flächige Anlage wird natürlich dadurch gefördert, wenn der K-PTL vorgeformt ist entsprechend der Primärstruktur der Membran auf der Kathoden-Seite oder der K-PTL auf der Kathoden-Seite als Beschichtung auf der Kathoden-Seite der Membran aufgebracht ist.
Vorzugsweise enthält, insbesondere für die Funktion als Stromsammler, der K-PTL Kohlenstoff, insbesondere besteht er mehrheitlich aus Kohlenstoff.
Von der körperlichen Struktur her kann es sich dabei um ein Vlies oder Gewebe aus Kohlenstoff handeln oder um eine offenporige Beschichtung von einander berührenden Kohlenstoff-Partikeln.
Beides ist einfach in der Handhabung zur Montage der Zellen und daraus des Stacks.
Bei einem Stack aus einer Vielzahl von Zellen, die mit parallelen Hauptebenen dicht aneinander anliegen, müssen die einzelnen Zellen und damit der gesamte Stack randseitig umlaufend abgedichtet sein, sei es mittels einzelner Randleisten entlang jeweils einer Seite oder bei einer rechteckigen Zelle einem rechteckigen, entlang des Umfanges der Zelle umlaufenden Randrahmens.
Da in der Regel im Abstand zwischen den einzelnen Lagen der Zelle, also ein oder zwei PTLs, die jeweilige Endplatte sowie die Membran, in aller Regel ein Gas wie das entsprechende Wasserstoff-Gas oder eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, zugeführt oder abgeführt werden muss, wird eine solche Randleiste oder ein Rand Rahmen in aller Regel hierfür ein oder mehrere Durchgangsöffnungen aufweisen. Die einzelnen Lagen der Zelle können also am Rand nicht direkt aneinander anliegen und dicht zusammengequetscht werden.
Zusätzlich muss die Membran, die in der Regel wasserdurchlässig ist, nicht nur im Randbereich ihrer Hauptebene gegenüber der axial nächsten anliegenden Lage abgedichtet werden, sondern auch entlang ihrer Schmalseiten oder Schnittflächen, um dort einen Austritt der Flüssigkeit, mit der die Membran vollgesogen ist, zuverlässig zu vermeiden.
Zu diesem Zweck können die in axialer Richtung auf den verschiedenen Seiten der Membran anliegenden Randleisten oder Randrahmen zusammengefasst werden, wenn vor allem die Membran, gegebenenfalls auch der PTL, dicht an der radialen Innenseite der Randleiste oder des Randrahmens fixiert werden können, beispielsweise indem diese mit ihrem äußeren Rand in einer in dieser radialen Innenfläche verlaufenden Nut eingeklebt oder anderweitig dicht fixiert werden können.
Gerade bei einem Stack, bei dem die primäre Struktur des PTL in einer der Haupt-Erstreckungsrichtungen des PTL, der primären Strukturrichtung, insbesondere nur in dieser, verläuft, könnte es vorteilhaft sein, die wenigstens eine Durchgangsöffnung in der quer zu der Haupt-Erstreckungsrichtung der primären Struktur verlaufenden Randleiste, oder dem entsprechenden Schenkel eines umlaufenden Randrahmens anzuordnen.
Dabei kann

- entweder die Kontaktfläche der Randleiste zum PTL hin dessen Primärstruktur angepasst sein,
- insbesondere die Amplitude der Primärstruktur entlang des Randes des PTL gegen Null gehen, sodass der PTL insbesondere eine umlaufende Randleiste oder Stegleiste aufweist, welche sich auf einem Höhenniveau im Bereich von 20 % bis 80 % der Höhe der primären Strukturierung bewegt,
- oder die in nur der primären Strukturrichtung verlaufende Primärstruktur hinsichtlich ihrer Höhe zur Randleiste hin gegen Null abnimmt und die Kontaktfläche der Randleiste zum PTL hin eine ebene Fläche ist.

Es sollte darauf geachtet werden, dass die Biegeradien der Primärstruktur des PTL so gewählt sind, dass dadurch die Biegsamkeit sowohl der daran anliegenden Membran als auch deren katalytischer Beschichtung nicht überschritten wird, also diese nicht bricht bei der Montage des PTL daran.
Hinsichtlich eines Verfahrens zum Herstellen eines gesinterten PTL, insbesondere eines Anoden-PTL, wobei

- aus einem Metallpulver ein Grünling gepresst wird,
- der Grünling anschließend vorzugsweise gesintert wird,

Dies hat sich als optimale Größenordnung für die Dicke herausgestellt.
Ferner hatte sich als günstig erwiesen, wenn der Grünling so gepresst und gesintert wird, dass danach die gesinterte Metallfolie eine Porosität von mindestens 15 %, besser mindestens 30 %, besser mindestens 45 %, besser mindestens 60 %, besser mindestens 75 %, aufweist.
Dadurch wird ein guter Kompromiss zwischen mechanischer Stabilität und Durchlässigkeit eingegangen.
Ferner hatte sich als in diesem Zusammenhang günstig erwiesen, wenn der Grünling so gepresst und gesintert wird, dass danach die gesinterte Metallfolie einer Porengröße zwischen 5 µm und 100 µm, besser zwischen 9 µm und 60 µm, besser zwischen 12 µm und 40 µm, aufweist.
Um eine dreidimensionale Strukturierung der gesinterten Blechfolie durchführen zu können, sollte vorzugsweise der Grünling so gepresst und gesintert wird, dass danach die gesinterte Metallfolie eine Biegesteifigkeit um eine parallel zu ihrer Hauptebene liegende Biegeachse von weniger als 16,6 × s³ × b kNmm², insbesondere besser weniger als 15 × s³ × b kNmm² aufweist, wobei s die Materialstärke und b die Länge der Biegeachse darstellt.
Eine besonders einfache und kostengünstige, sowie gut steuerbare, Herstellung besteht darin, dass der Grünling mit einem endlos kontinuierlich durchführbaren Verfahrensschritt hergestellt wird. Hinsichtlich einer einfachen Herstellung wird bevorzugt zunächst der Grünling als im wesentlichen ebene Metallfolie hergestellt und anschließend erst die primäre Strukturierung durch mechanische Umformung, insbesondere Kalt-Umformung, insbesondere Kalt-Walzen, der ebenen, bereits gesinterten Metallfolie auf diese aufgebracht.
Hinsichtlich einer einfachen Herstellung eines PTL mit einer sekundären Strukturierung wird bevorzugt zunächst der Grünling als im Wesentlichen ebene Metallfolie hergestellt, dabei aber bereits eine, in nur einer Erstreckungs-Richtung der Folie, der sekundären Strukturrichtung, verlaufende, sekundäre Strukturierung, deren Höhe in der 3. Dimension quer zu seiner Hauptebene zwischen dem 0,5-fachen und 50-fachen, besser zwischen dem 1-fachen und 35-fachen, besser zwischen dem 1,5-fachen und 20-fachen der Dicke des Grünlings beträgt, mittels des Presswerkzeuges durch eine entsprechende Strukturierung von dessen Pressfläche eingebracht.
Hierfür wird also kein separater Arbeitsschritt benötigt.
Vorzugsweise wird auch hier mittels eines endlos durchführbaren Verfahrensschrittes gearbeitet.
Hinsichtlich einer einfachen Herstellung eines PTL mit einer tertiären Strukturierung wird bevorzugt zunächst der Grünling als im Wesentlichen ebene Metallfolie hergestellt, dabei bereits aber eine tertiäre Strukturierung, deren Höhe in der 3. Dimension quer zu ihrer Hauptebene eine Höhe im Bereich des 0,1-fachen bis 1,2-fachen, besser des 0,3-fachen bis 1,0-fachen, besser des 0,5-fachen bis 0,8-fachen, der Dicke des Grünlings beträgt, welche mittels des Presswerkzeuges durch eine entsprechende Strukturierung von dessen Pressfläche eingebracht.
Auch hierfür wird kein zusätzlicher Arbeitsschritt benötigt.
Vorzugsweise wird auch hier mittels eines endlos durchführbaren Verfahrensschrittes gearbeitet.
Hinsichtlich eines Verfahrens zum Herstellen eines Stacks wird die bestehende Aufgabe dadurch gelöst, dass in den einzelnen Zellen zwischen je zwei Endplatten, insbesondere Bipolar-Platte,

- eine, insbesondere nur eine, Lage einer primär strukturierten Folie als PTL sowie ein Trennelement, insbesondere eine Membran, insbesondere mit ihrer katalytisch beschichteten Seite zum PTL hin, angeordnet wird,
- um den gesamten Umfang des PTL herum die beiden Endplatten sowie die Ränder aller PTL's und Trennelemente durch Umfangswände dicht miteinander verbunden werden,
- wobei in den quer zur primären Strukturrichtung der primär strukturierten Folie verlaufenden Umfangswänden zwischen PTL und benachbarter Endplatte jeweils eine Durchgangsöffnung für die Zufuhr und/oder Abfuhr von Gas oder Flüssigkeit vorhanden ist.

Wenn - außer bei den äußersten Zellen eines Stacks - die Endplatten der einzelnen Zellen als Bipolarplatten ausgebildet sind, kann auf diese Art und Weise sehr schnell ein Stack mit einer großen Anzahl von Zellen hergestellt werden.
Dabei wird vorzugsweise die Membran am PTL, insbesondere der Kathoden-Seite des PTL, flächig angelegt, insbesondere befestigt, insbesondere in dem die Membran wird vor dem Anordnen zwischen den beiden Platten vorgeformt entsprechend der Primärstruktur des PTL, insbesondere auf der Kathoden-Seite des PTL.
Dies beschleunigt die Montage.
Ferner kann dabei - insbesondere als Stromverteiler - auf einfache Art und Weise zwischen der Katoden-Seite des PTL und der gegenüberliegenden Kathoden-Endplatte oder Kathoden-Seite der Bipolarplatte ein Kathoden-PTL (K-PTL) angeordnet werden.
Auch die Kathoden-PTL (K-PTL) kann an der Membran, insbesondere der Kathoden-Seite der Membran, flächig angelegt werden, insbesondere befestigt werden, und/oder die Kathoden-PTL (K-PTL) wird vor dem Anordnen zwischen den beiden Platten vorgeformt entsprechend der Primärstruktur der Membran, insbesondere auf der Kathoden-Seite der Membran.
Die Kathoden-PTL (K-PTL) kann jedoch auch als Beschichtung auf der Kathodenseite der Membran aufgebracht werden, insbesondere bestehend aus einander berührenden Kohlenstoff-Partikeln oder Metall-Partikeln, je nachdem, welche Anbringungsmethode innerhalb der gesamten Herstellungsmethode am einfachsten unterzubringen ist.
Bezugszeichenliste

1 2 3 4 5 d: Dicke der Folie
BP: Bipolar-Platte
CD: Strom-Verteiler
EP: Endplatte
G: Gas
GDL: Gas-Diffusion-Layer
GDLv: Vorderseite des GDL
GDLr: Rückseite des GDL
M: Membran
T: Trägerelement
WK: Wabenkörper

Claims

Poröse Transportschicht (PTL) in Form einer porösen Metallfolie aus gesintertem Metallpulver mit - einer Dicke zwischen 5 µm und 400 µm, besser zwischen 10 µm und 150, µm, besser zwischen 12 µm und 100 µm, besser zwischen 15 µm und 60 µm, dadurch gekennzeichnet, dass - der PTL eine primäre, einseitige oder beidseitige, Strukturierung in der 3. Dimension quer zu seiner Hauptebene aufweist, mit einer Höhe zwischen dem 2-fachen und 100-fachen, besser zwischen dem 3-fachen und 70-fachen, besser zwischen dem 4-fachen und 40-fachen der Dicke der porösen Metallfolie, - insbesondere die primäre Strukturierung sich in nur einer primären Struktur-Richtung parallel zur Hauptebene der ebenen oder strukturierten Metallfolie erstreckt.
PTL, insbesondere nach Anspruch 1, in Form einer Metallfolie aus gesintertem Metallpulver mit - einer Dicke zwischen 5 µm und 400 µm, besser zwischen 10 µm und 150, µm, besser zwischen 12 µm und 100 µm, besser zwischen 15 µm und 60 µm, - einer Porosität von mindestens 15 %, besser mindestens 30 %, besser mindestens 45 %, besser mindestens 60 %, besser mindestens 75 %, - einer Porengröße zwischen 3 µm und 100 µm, besser 5 µm und 80 µm, besser zwischen 7 µm und 60 µm, besser zwischen 9 µm und 40 µm, gekennzeichnet durch - eine Biegesteifigkeit um eine in ihrer Hauptebene liegende Achse vorn weniger als 16,6 × s³ × b kNmm², insbesondere besser weniger als 15 × s³ × b kNmm², wobei s die Materialstärke und b die Länge der Biegeachse darstellt.
PTL nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch - eine Porosität von mindestens 30 %, besser mindestens 45 %, besser mindestens 60 %, besser mindestens 75 %, - eine Porengröße zwischen 5 µm und 100 µm, besser zwischen 9 µm und 60 µm, besser zwischen 12 µm und 40 µm.
PTL nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Korngröße des verwendeten Metallpulvers vor dem Pressen zwischen 150 µm und 5 µm, besser zwischen 100 µm und 10 µm, besser zwischen 80 µm und 15 µm beträgt.
PTL nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Permeabilität κ senkrecht zur Hauptebene des PTL im Bereich zwischen 2,5 × 10¹² m² und 40 × 10¹² m², insbesondere besser im Bereich zwischen 5 × 10¹² m² und 40 × 10¹² m², insbesondere besser zwischen 10 × 10¹² m² und 40 × 10¹² m² liegt.
PTL nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die elektrische Leitfähigkeit σ-elek. senkrecht zur Hauptebene des PTL im Bereich zwischen 5 und 15 [10⁵ S/m], insbesondere besser im Bereich zwischen 8 und 15 [10⁵ S/m] liegt. - die thermische Leitfähigkeit σ-therm senkrecht zur Hauptebene des PTL im Bereich zwischen 2,0 und 10,0 [W/m*K], insbesondere besser im Bereich zwischen 5,0 und 10,0 [W/m*K] liegt.
PTL nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Metallpulver - entweder vollständig aus angularen Körnern besteht - oder aus einer Mischung aus sphärischen und angularen Körnern und/oder aus einer Mischung von verschieden stark angularen Körnern, und/oder Körnern mit verschiedenen Korngeometrien, - wobei insbesondere der Anteil der stärker angularen Körner mindestens 30 %, besser mindestens 50 % besser mindestens 70 % beträgt.
PTL nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngrößenverteilung des verwendeten Pulvers so ausgebildet ist, dass die mittlere Korngröße D50 im Bereich zwischen 5 µm und 140 µm, besser im Bereich zwischen 10 µm und 120 µm, liegt.
PTL nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass - der PTL eine primäre, einseitige oder beidseitige, Strukturierung in der 3. Dimension aufweist, quer zu seiner Hauptebene mit einer Höhe zwischen dem 2-fachen und 100-fachen, besser zwischen dem 3-fachen und 70-fachen, besser zwischen dem 4-fachen und 40-fachen der Dicke der Metallfolie, - insbesondere die primäre Strukturierung sich in nur einer primären Struktur-Richtung parallel zur Hauptebene der ebenen oder strukturierten Metallfolie erstreckt.
PTL nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der PTL, insbesondere zusätzlich zur primären Strukturierung, eine sekundäre Strukturierung aufweist, die sich in der 3. Dimension quer zu seiner Hauptebene in, insbesondere nur einer sekundären Struktur-Richtung parallel zur Hauptebene des PTL, - wobei die sekundäre Struktur-Richtung quer, insbesondere lotrecht, zur primären Strukturrichtung verläuft, - insbesondere mit einer Höhe zwischen dem 0,5-fachen und 50-fachen, besser zwischen dem 1-fachen und 35-fachen, besser zwischen dem 1,5-fachen und 20-fachen der Dicke der Metallfolie.
PTL nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die primäre Strukturierung eine Faltung oder Prägung der Metallfolie des PTL ist und/oder - aufgrund der primären Strukturierung des PTL dieser eine gleichbleibende oder auch wechselnde Foliendicke besitzt.
PTL, gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - durch ein Schichten von Metallpulverkörnern mit verschiedenen Korngrößen und/oder Kornformen das PTL eine graduierte Porosität und/oder Porengrößenverteilung in Querrichtung zu seiner Hauptebene aufweist, - wobei das Verhältnis der mittlernen Porendurchmesser zwischen der der Endplatte zugewandten Seite und der der Membran zugewandten Seite mindestens 2 zu 1, besser mindestens 4 zu 1, besser mindestens 10 zu 1 beträgt.
PTL, gemäß einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichten der Metallpulverkörner mit verschiedenen Korngrößen und/oder Korngeometrien so durchgeführt wird, dass eine Erhöhung der der Membran zugewandten Oberfläche des PTL in Bezug zur projizierten Oberfläche des PTL um einen Faktor von mindestens 1,6 besser von mindestens 5, besser von mindestens 10, bewirkt wird.
PTL nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der PTL, insbesondere zusätzlich zur primären und/oder sekundären Strukturierung, eine tertiäre Strukturierung in der 3. Dimension quer zu seiner Hauptebene mit einer Höhe im Bereich des 0,1 bis 1,2-fachen, besser im Bereich des 0,3 bis 1,0-fachen, besser im Bereich des 0,5 bis 0,8-fachen der Dicke der Metallfolie aufweist.
Stack geeignet zur Verwendung in einem Elektrolyseur, insbesondere Wasser-Elektrolyseur, oder eine Brennstoffzelle, mit mindestens einer von mehreren axial aufeinanderfolgenden Zellen, wobei eine Zelle von der Anoden-Seite zur Kathoden-Seite folgende Schichten umfasst - ein Anoden-Trägerelement umfassend - eine Anoden-Endplatte (A-EP), insbesondere ausgebildet als Bipolar-Platte (BP), - einem Anoden-PTL (A-PTL) - ein Trennelement, insbesondere eine für Flüssigkeiten und Gase nicht durchlässige Membran, insbesondere eine für Ionen, insbesondere Wasserstoff-Protonen oder OH^--Anionen durchlässige Membran (M) oder ein für Flüssigkeiten teildurchlässige, jedoch für Gase nicht durchlässiges Diaphragma, - ein Kathoden-Trägerelement umfassend - einen Kathoden-Stromverteiler, insbesondere einen Kathoden-PTL (K-PTL), - eine Kathoden-Endplatte (K-EP), insbesondere ausgebildet als Bipolar-Platte (BP), - eine Fixiervorrichtung, insbesondere Verschraubung, der Endplatten mit Vorspannung gegeneinander, dadurch gekennzeichnet, dass der PTL, insbesondere der A-PTL, nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist. (Nicht ebene Membran:)
Stack nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer Zelle - das Trennelement, also die Membran oder das Diaphragma, insbesondere mit ihrer katalytisch beschichteten Seite, an der Primärstruktur des PTL flächig anliegt, - entweder an dieser befestigt ist - oder an diese durch den Druck des entstehenden Gases, insbesondere Wasserstoffs, auf der Kathoden-Seite angepresst wird, - insbesondere vorgeformt ist entsprechend der Primärstruktur des PTL, insbesondere auf der Kathoden-Seite des PTL. (Einlagiger PTL:)
Stack nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer Zelle jeweils - zwischen einer Anoden-Endplatte und einer Kathoden-Endplatte nur eine Lage einer primär strukturierten Folie als PTL angeordnet ist, insbesondere auf der Anoden-Seite des Trennelementes oder. - zwischen einer Anoden-Endplatte und einer Kathoden-Endplatte nur zwei Lagen einer primär strukturierten Folie als PTL angeordnet sind, insbesondere je eine beidseits des Trennelementes.
Stack nach einem der Ansprüche 15-17, wobei zwischen der Kathoden-Seite des Trennelementes und der Kathoden-Endplatte ein K-PTL vorhanden ist dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer Zelle - der K-PTL an der Primärstruktur auf der Kathoden-Seite der Membran flächig anliegt, - entweder an dieser befestigt ist - oder an diese durch den Druck des entstehenden Wasserstoffs auf der Kathoden-Seite angepresst wird, - insbesondere vorgeformt ist entsprechend der Primärstruktur auf der Kathoden-Seite der Membran oder - als Beschichtung auf der Kathoden-Seite der Membran aufgebracht ist.
Stack nach einem der Ansprüche 15-18, dadurch gekennzeichnet, dass - der K-PTL Kohlenstoff enthält, insbesondere mehrheitlich aus Kohlenstoff besteht, insbesondere - ein Vlies oder Gewebe aus Kohlenstoff ist - oder eine offenporige Beschichtung von einander berührenden Kohlenstoff-Partikeln ist. (randseitige Abdichtung/Abführung:)
Stack nach einem der Ansprüche 15-19, wobei - die primäre Struktur des PTL in einer der Haupt-Erstreckungsrichtungen des PTL, der primären Strukturrichtung, insbesondere nur in dieser, verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer Zelle - zwischen jeweils einem PTL und einer benachbarten Endplatte, insbesondere Bipolarplatte, eine quer zu dieser Haupt-Erstreckungsrichtung verlaufende Randleiste, insbesondere als Teil eines entlang des Randes des PTL umlaufenden Randrahmens, dicht angeordnet ist, und/oder - zwischen jeweils einem PTL und dem Trennelement eine quer zu dieser Haupt-Erstreckungsrichtung verlaufende Randleiste, insbesondere als Teil einer entlang des Randes des PTL umlaufenden Umfangswand dicht angeordnet ist, - in der Randleiste mindestens eine Durchgangsöffnung als AbfuhrÖffnung zum Abführen von Wasserstoff-Gas oder Überschuss-Wasser oder Zufuhr-Öffnung zum Zuführen von Wasser vorhanden ist.
Stack nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer Zelle - entweder die Kontaktfläche der Randleiste zum PTL hin dessen Primärstruktur angepasst ist, - oder die Amplitude der Primärstruktur in der primären Strukturrichtung zum Rand des PTL gegen Null geht, und das PTL eine insbesondere umlaufende Randleiste mit gegen den PTL gerichteter im wesentlichen ebener Kontaktfläche umfasst, und in axialer Richtung beidseits des PTL vorzugsweise je eine Randleiste vorhanden ist, - deren Höhe in axialer Richtung insbesondere zwischen 20 % bis 80 % der Höhe der primären Strukturierung beträgt.
Stack nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegeradien der Primärstruktur des PTL so gewählt sind, dass dadurch die ohne Brechen mögliche Biegsamkeit sowohl der innerhalb einer Zelle daran anliegenden Membran als auch deren katalytischer Beschichtung nicht überschritten wird.
Verfahren zum Herstellen eines gesinterten PTL, insbesondere eines Anoden-PTL, indem - aus einem Metallpulver ein Grünling gepresst wird, - der Grünling anschließend gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, dass - der Grünling mit einer solchen Dicke hergestellt wird und anschließend gepresst und gesintert wird, dass danach die Dicke der gesinterten Metallfolie zwischen 5 µm und 400 µm, besser zwischen 10 µm und 150, µm, besser zwischen 15 µm und 100 µm besser zwischen 18 µm und 60 µm, beträgt.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass - der Grünling so gepresst und gesintert wird, dass danach die gesinterte Metallfolie eine Porosität von mindestens 15 %, besser mindestens 30 %, besser mindestens 45 %, besser mindestens 60 %, besser mindestens 75 %, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass - der Grünling so gepresst und gesintert wird, dass danach die gesinterte Metallfolie einer Porengröße zwischen 5 µm und 100 µm, besser zwischen 9 µm und 60 µm, besser zwischen 12 µm und 40 µm, aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Grünling so gepresst und gesintert wird, dass danach die gesinterte Metallfolie eine Biegesteifigkeit um parallel zu ihrer Hauptebene liegende Biegeachse von weniger als 16,6 × s³ × b kNmm², insbesondere besser weniger als 15 × s³ × b kNmm² aufweist, wobei s die Materialstärke und b die Länge der Biegeachse darstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grünling mit einem endlos kontinuierlich durchführbaren Verfahrensschritt hergestellt wird. (Aufbringen primäre Strukturierung:)
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Grünling als im wesentlichen ebene Metallfolie hergestellt wird, - die primäre Strukturierung durch mechanische Umformung, insbesondere Kalt-Umformung, insbesondere Kalt-Walzen, der ebenen gesinterten Metallfolie auf diese aufgebracht wird. (Aufbringen sekundäre Strukturierung:)
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Grünling als im Wesentlichen ebene Metallfolie hergestellt wird, - dabei eine, in nur einer Erstreckungs-Richtung der Folie, der sekundären Strukturrichtung, verlaufende, sekundäre Strukturierung, deren Höhe in der 3. Dimension quer zu seiner Hauptebene zwischen dem 0,5-fachen und 50-fachen, besser zwischen dem 1-fachen und 35-fachen, besser zwischen dem 1,5-fachen und 20-fachen der Dicke des Grünlings beträgt, mittels des Presswerkzeuges durch eine entsprechende Strukturierung von dessen Pressfläche eingebracht wird, - insbesondere mittels eines endlos durchführbaren Verfahrensschrittes eingebracht wird. (Aufbringen tertiäre Strukturierung:)
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Grünling als im Wesentlichen ebene Metallfolie hergestellt wird, - dabei eine tertiäre Strukturierung, deren Höhe in der 3. Dimension quer zu ihrer Hauptebene eine Höhe im Bereich des 0,3-fachen bis 1,2-fachen, besser des 0,3-fachen bis 1,0-fachen, besser 0.5-fachen bis 0,8-fachen, der Dicke des Grünlings beträgt, welche mittels des Presswerkzeuges durch eine entsprechende Strukturierung von dessen Pressfläche eingebracht wird, - insbesondere mittels eines endlos durchführbaren Verfahrensschrittes eingebracht wird.
Verfahren zum Herstellen eines Stacks, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen je einer Endplatte, insbesondere Bipolar-Platte, - eine, insbesondere nur eine, Lage einer primär strukturierten Folie als PTL sowie ein Trennelement, insbesondere eine Membran, insbesondere mit ihrer katalytisch beschichteten Seite zum PTL hin, angeordnet wird, - um den gesamten Umfang des PTL herum die beiden Endplatten sowie die Ränder aller PTL's und Trennelemente der durch Umfangswände dicht miteinander verbunden werden, - wobei auf der quer zur primären Strukturrichtung der primär strukturierten Folie verlaufenden Umfangswänden zwischen PTL und benachbarter Endplatte jeweils eine Durchgangsöffnung für die Zufuhr und Abfuhr von Gas oder Flüssigkeit vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass - die Membran am PTL, insbesondere der Kathoden-Seite des PTL, flächig anliegend angeordnet, insbesondere befestigt, wird und/oder - die Membran vorgeformt wird vor dem Anordnen zwischen den beiden Platten entsprechend der Primärstruktur des PTL, insbesondere auf der Kathoden-Seite des PTL.
Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Katoden-Seite des PTL und der gegenüberliegenden Kathoden-Endplatte oder Kathoden-Seite der Bipolarplatte ein Kathoden-PTL (K-PTL) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31-33, dadurch gekennzeichnet, dass - die Kathoden-PTL (K-PTL) an der Membran, insbesondere der Kathoden-Seite der Membran, flächig anliegend angeordnet, insbesondere befestigt, wird und/oder - die Kathoden-PTL (K-PTL) vorgeformt wird vor dem Anordnen zwischen den beiden Platten entsprechend der Primärstruktur der Membran, insbesondere auf der Kathoden-Seite der Membran.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31-34, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathoden-PTL (K-PTL) als Beschichtung auf der Kathodenseite der Membran aufgebracht wird, insbesondere bestehend aus einander berührenden Kohlenstoff-Partikeln oder Metall-Partikeln.