DE102022200631A1

DE102022200631A1 - Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht

Info

Publication number: DE102022200631A1
Application number: DE102022200631.3A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Berner; David Thomann; Andreas Gehrold
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-01-20
Filing date: 2022-01-20
Publication date: 2023-07-20

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht (9) für eine elektrochemische Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (1) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit mit den Schritten: zur Verfügung stellen einer schichtförmigen Gasdiffusionsschicht (9), wobei mit einem Laser (60) auf eine Außenfläche (67) der Gasdiffusionsschicht (9) mehrfach an verschiedenen Auftreffpositionen (62) auf der Außenfläche (67) der Gasdiffusionsschicht (9) ein Laserstrahl (61) gerichtet wird, so dass von dem Laserstrahl (61) in die Gasdiffusionsschicht (9) lasergebohrte Mikrokanäle (63) eingearbeitet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 10 und eine elektrochemische Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 11.
Stand der Technik
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittel in elektrische Energie und Wasser um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Stapel als Stack angeordnet.
In Brennstoffzelleneinheiten sind eine große Anzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet. Innerhalb der Brennstoffzellen ist jeweils ein Gasraum für Oxidationsmittel vorhanden, das heißt ein Strömungsraum zum Durchleiten von Oxidationsmittel, wie beispielsweise Luft aus der Umgebung mit Sauerstoff. Der Gasraum für Oxidationsmittel ist von Kanälen an der Bipolarplatte und von einer Gasdiffusionsschicht für eine Kathode gebildet. Die Kanäle sind somit von einer entsprechenden Kanalstruktur einer Bipolarplatte gebildet und durch die Gasdiffusionsschicht gelangt das Oxidationsmittel, nämlich Sauerstoff, zu der Kathode der Brennstoffzellen. Analog ist ein Gasraum für Brennstoff an einer Anode ausgebildet.
Elektrolysezelleneinheiten aus gestapelt angeordneten Elektrolysezellen, analog wie bei Brennstoffzelleneinheiten, dienen beispielsweise zur elektrolytischen Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser. Ferner sind Brennstoffzelleneinheiten bekannt, die als reversible Brennstoffzelleneinheiten und damit als Elektrolysezelleneinheiten betrieben werden können. Brennstoffzelleneinheiten und Elektrolysezelleinheiten bilden elektrochemische Zelleneinheiten. Brennstoffzellen und Elektrolysezellen bilden elektrochemische Zellen.
In PEM-Brennstoffzellen sind Gasdiffusionsschichten zur wirksamen und gleichmäßigen Verteilung der Prozessgase Wasserstoff und Sauerstoff vorhanden. Die Gasdiffusionsschichten sind aus zwei Schichten aus porösem Carbonfaserpapier oder Carbonfaservlies (GDB als gas diffusion backing) und einer mikroporösen, im Wesentlichen partikelbasierten Schicht (MPL als microporous layer) aufgebaut. Dabei liegt die mikroporöse Schicht auf der MEA (Membran Electrode Assembly) und die GDB auf der Bipolarplatte auf. Außerdem ist es bereits bekannt, Gasdiffusionsschichten ausschließlich partikelbasiert auszubilden. Die Leitfähigkeit der Gasdiffusionsschicht für Brennstoff und Oxidationsmittel ist aufgrund des schichtförmigen Aufbaus in einer Richtung parallel zu einer fiktiven Ebene aufgespannt von der Gasdiffusionsschicht im Wesentlichen konstant. Die Bipolarplatte liegt auf im Wesentlichen streifenförmigen Auflageflächen auf der Gasdiffusionsschicht auf. Das Leiten von Brennstoff oder Oxidationsmittel auf eine Fläche der Elektroden unter der Auflagefläche der Bipolarplatte auf der Gasdiffusionsschicht ist unzureichend, sodass dadurch in nachteiliger Weise im Allgemeinen auf diesen Bereichen der Elektroden unter den Auflageflächen der Bipolarplatte auf der Gasdiffusionsschicht eine Unterversorgung mit Brennstoff und Oxidationsmittel auftritt. Dadurch weist die Brennstoffzelleneinheit in nachteiliger Weise eine verminderte elektrische Leistung auf.
Die EP 2 759 009 B1 zeigt eine Gasdiffusionsschicht, welche ein Substrat aus kohlenstoffhaltigem Material sowie eine mikroporöse Schicht umfasst, wobei die Gasdiffusionsschicht durch ein Verfahren erhältlich ist, welches die nachfolgenden Schritte umfasst: Dispergieren von Ruß mit einer BET-Oberfläche von maximal 200 m²/g, Kohlenstoffnanoröhrchen mit einer BET-Oberfläche von wenigstens 200 m²/g sowie mit einem mittleren Außendurchmesser von maximal 25 nm und Dispersionsmedium enthaltenden Mischung mit einer Schergeschwindigkeit von wenigstens 1.000 Sekunden^-1, so dass in der hergestellten Dispersion wenigstens 90 % aller Kohlenstoffnanoröhrchen eine mittlere Agglomeratgröße von maximal 25 µm aufweisen, wobei die Summe der Mengen an Ruß und Kohlenstoffnanoröhrchen bezogen auf die Gesamtmenge der Mischung 1 bis 15 Gew.-% beträgt, Aufbringen der in dem ersten Schritt hergestellten Dispersion auf wenigstens ein Teilstück von wenigstens einer Seite des Substrats und Trocknen der in dem zweiten Schritt aufgetragenen Dispersion.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht für eine elektrochemische Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit mit den Schritten: zur Verfügung stellen einer schichtförmigen Gasdiffusionsschicht, wobei mit einem Laser auf eine Außenfläche der Gasdiffusionsschicht mehrfach an verschiedenen Auftreffpositionen auf der Außenfläche der Gasdiffusionsschicht ein Laserstrahl gerichtet wird, so dass von dem Laserstrahl in die Gasdiffusionsschicht lasergebohrte Mikrokanäle eingearbeitet werden. Die Mikrokanäle können dadurch besonders einfach in einer großen Anzahl hergestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Gasdiffusionsschicht eine erste Außenseite zur Auflage auf einer Bipolarplatte und eine zweite Außenseite zur Auflage auf einer Elektrode und/oder Katalysatorschicht auf und die zweite Außenseite gegenüberliegend zu der ersten Außenseite ausgerichtet ist und vorzugsweise der Laserstrahl auf die erste Außenseite gerichtet wird.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung wird von der schichtförmigen und ebenen Gasdiffusionsschicht eine fiktive Ebene aufgespannt.
In einer weiteren Variante werden die Mikrokanäle als Sacklochbohrungen und/oder als Durchgangsbohrungen lasergebohrt in die Gasdiffusionsschicht eingearbeitet.
Vorzugsweise werden die Mikrokanäle in einer Richtung senkrecht zu der fiktiven Ebene in eine Tiefe von 10% bis 100% der Dicke der Gasdiffusionsschicht lasergebohrt eingearbeitet.
In einer ergänzenden Ausgestaltung werden die Mikrokanäle in einem Winkel zwischen 0° und 90°, vorzugsweise zwischen 20° und 55°, insbesondere zwischen 35° und 55°, zu der fiktiven Ebene und/oder zu der ersten und/oder zweiten Außenseite lasergebohrt eingearbeitet.
Zweckmäßig werden die Mikrokanäle mit einem Durchmesser zwischen 5 µm und 300 µm, vorzugsweise zwischen 10 µm und 100 µm, insbesondere zwischen 20 µm und 50 µm, lasergebohrt eingearbeitet.
In einer zusätzlichen Ausführungsform liegt die Anzahl der Auftreffpositionen des Laserstrahls je 1 cm² Außenfläche der Gasdiffusionsschicht und damit die Anzahl der je 1 cm² Außenfläche der Gasdiffusionsschicht lasergebohrten und endenden Mikrokanäle zwischen 10 und 10000, insbesondere zwischen 100 und 1000.
In einer weiteren Variante wird der Durchmesser der Mikrokanäle beginnend von den ersten Enden der Mikrokanäle an der Außenfläche der Gasdiffusionsschicht an den Auftreffpositionen des Laserstrahls abnehmend ausgebildet. Der Durchmesser des Laserstrahls in der Gasdiffusionsschicht nimmt in der Gasdiffusionsschicht während des Laserbohrens ab, so dass auch der Durchmesser der Mikrokanäle abnimmt.
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit mit den Schritten: zur Verfügung stellen von schichtförmigen Komponenten von elektrochemischen Zellen, nämlich vorzugsweise Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, Anordnen und/oder Montieren der schichtförmigen Komponenten zu Stapeln, so dass elektrochemische Zellen ausgebildet werden und die elektrochemischen Zellen zu einer elektrochemischen Zelleneinheit gestapelt werden, wobei die Gasdiffusionsschichten zur Verfügung gestellt werden indem ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausgeführt wird.
Erfindungsgemäße elektrochemische Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit, umfassend gestapelt angeordnete elektrochemische Zellen und die elektrochemischen Zellen jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen und die Komponenten der elektrochemischen Zellen vorzugsweise Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten sind, wobei die Gasdiffusionsschichten mit einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren hergestellt sind und/oder in den Gasdiffusionsschichten lasergebohrte Mikrokanäle ausgebildet sind, welche an den Außenflächen der Gasdiffusionsschichten enden.
In einer ergänzenden Ausgestaltung sind zwischen je einer Bipolarplatte und je einer Gasdiffusionsschicht Kanäle für Brennstoff mit einer Strömungsrichtung des Brennstoffes im Wesentlichen parallel zu einer fiktiven Ebene aufgespannt von der je einen Gasdiffusionsschicht und Kanäle für Oxidationsmittel mit einer Strömungsrichtung des Oxidationsmittels im Wesentlichen parallel zu einer fiktiven Ebene aufgespannt von der je einen Gasdiffusionsschicht ausgebildet.
Vorzugsweise sind die Mikrokanäle in einem Winkel zwischen 0° und 90°, vorzugsweise zwischen 20° und 55°, insbesondere zwischen 35° und 55°, zu den fiktiven Ebenen aufgespannt von den Gasdiffusionsschichten ausgerichtet.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine fiktive Strömungsebene parallel zu der Strömungsrichtung des Brennstoffes in je einem Kanal für Brennstoff und senkrecht zu den fiktiven Ebenen aufgespannt von Gasdiffusionsschichten ausgerichtet und die fiktive Strömungsebene je einen Kanal für Brennstoff schneidet und die Mikrokanäle im Wesentlichen parallel zu der fiktiven Strömungsebene ausgerichtet sind und die Mikrokanäle bezüglich der Strömungsrichtung des Brennstoffes abgewandt zu ersten Enden der Mikrokanäle an der ersten Außenseite der Gasdiffusionsschicht in der Gasdiffusionsschicht ausgebildet sind, um das Einströmen des Brennstoffes von den Kanälen für Brennstoff in die Mikrokanäle zu verbessern. Im Wesentlichen parallel zu der fiktiven Strömungsebene ausgerichtet bedeutet vorzugsweise, dass die Mikrokanäle und/oder die Längsachsen der Mikrokanäle mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° parallel zu der fiktiven Strömungsebene ausgerichtet sind.
In einer zusätzlichen Variante ist eine fiktive Strömungsebene parallel zu der Strömungsrichtung des Oxidationsmittels in je einem Kanal für Oxidationsmittel und senkrecht zu den fiktiven Ebenen aufgespannt von Gasdiffusionsschichten ausgerichtet und die fiktive Strömungsebene je einen Kanal für Oxidationsmittel schneidet und die Mikrokanäle im Wesentlichen parallel zu der fiktiven Strömungsebene ausgerichtet sind und die Mikrokanäle bezüglich der Strömungsrichtung des Oxidationsmittels abgewandt zu ersten Enden der Mikrokanäle an der ersten Außenseite der Gasdiffusionsschicht in der Gasdiffusionsschicht ausgebildet sind, um das Einströmen des Oxidationsmittels von den Kanälen für Oxidationsmittel in die Mikrokanäle zu verbessern. Im Wesentlichen parallel zu der fiktiven Strömungsebene ausgerichtet bedeutet vorzugsweise, dass die Mikrokanäle und/oder die Längsachsen der Mikrokanäle mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° parallel zu der fiktiven Strömungsebene ausgerichtet sind.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine fiktive Strömungsebene parallel zu der Strömungsrichtung des Brennstoffes in je einem Kanal für Brennstoff und senkrecht zu den fiktiven Ebenen aufgespannt von Gasdiffusionsschichten ausgerichtet und die fiktive Strömungsebene je einen Kanal für Brennstoff schneidet und die Mikrokanäle im Wesentlichen senkrecht zu der fiktiven Strömungsebene ausgerichtet sind, um das Einströmen des Brennstoffes von dem Kanal für Brennstoff in die Gasdiffusionsschicht zwischen einer Auflagefläche der Bipolarplatte auf ersten Außenseite Gasdiffusionsschicht und der zweiten Außenseite der Gasdiffusionssicht zu verbessern. Im Wesentlichen senkrecht zu der fiktiven Strömungsebene ausgerichtet bedeutet vorzugsweise, dass die Mikrokanäle und/oder die Längsachsen der Mikrokanäle mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° senkrecht zu der fiktiven Strömungsebene ausgerichtet sind. Der Brennstoff kann somit in Richtung von einem Kanal für Brennstoff zu einem anderen Kanal für Brennstoff gut durch die Gasdiffusionsschicht strömen, sodass dadurch auch auf den Elektroden und/oder der Katalysatorschicht an einer fiktiven Projektion senkrecht zu der von der Gasdiffusionsschicht aufgespannten fiktiven Ebene der Auflagefläche zwischen der Bipolarplatte und der ersten Außenseite der Gasdiffusionsschicht auf die Elektrode und/oder Katalysatorschicht ausreichend Brennstoff vorhanden ist.
In einer ergänzenden Variante ist eine fiktive Strömungsebene parallel zu der Strömungsrichtung des Oxidationsmittels in je einem Kanal für Brennstoff und senkrecht zu den fiktiven Ebenen aufgespannt von Gasdiffusionsschichten ausgerichtet und die fiktive Strömungsebene je einen Kanal für Brennstoff schneidet und die Mikrokanäle im Wesentlichen senkrecht zu der fiktiven Strömungsebene ausgerichtet sind, um das Einströmen des Oxidationsmittels von dem Kanal für Oxidationsmittel in die Gasdiffusionsschicht zwischen einer Auflagefläche der Bipolarplatte auf ersten Außenseite Gasdiffusionsschicht und der zweiten Außenseite der Gasdiffusionssicht zu verbessern. Im Wesentlichen senkrecht zu der fiktiven Strömungsebene ausgerichtet bedeutet vorzugsweise, dass die Mikrokanäle und/oder die Längsachsen der Mikrokanäle mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° senkrecht zu der fiktiven Strömungsebene ausgerichtet sind. Das Oxidationsmittel kann somit in Richtung von einem Kanal für Oxidationsmittel zu einem anderen Kanal für Oxidationsmittel gut durch die Gasdiffusionsschicht strömen, sodass dadurch auch auf den Elektroden und/oder der Katalysatorschicht an einer fiktiven Projektion senkrecht zu der von der Gasdiffusionsschicht aufgespannten fiktiven Ebene der Auflagefläche zwischen der Bipolarplatte und der ersten Außenseite der Gasdiffusionsschicht auf die Elektrode und/oder Katalysatorschicht ausreichend Oxidationsmittel vorhanden ist.
In einer weiteren Ausführungsform wird für die Herstellung der Mikrokanäle wenigstens ein Laser mittels eines Roboters in unterschiedlichen Positionen über und/oder an der Gasdiffusionsschicht bewegt und während eines Stillstandes des wenigstens einen Lasers wird der wenigstens eine Laser aktiviert zur Erzeugung des Laserstrahls. Damit können in einfacher Weise mittels des Roboters die Mikrokanäle hergestellt werden. Lediglich durch eine Veränderung der Software zur Bewegung des Roboters und zur Steuerung des Lasers können an der Gasdiffusionsschicht Mikrokanäle in unterschiedlichsten Richtungen und Auftreffpositionen hergestellt werden.
In einer weiteren Variante ist die Gasdiffusionsschicht aus zwei Schichten aus porösem Carbonfaserpapier oder Carbonfaservlies (GDB als gas diffusion backing) und einer mikroporösen, im Wesentlichen partikelbasierten Schicht (MPL als microporous layer) aufgebaut. Dabei liegt die mikroporöse Schicht auf der MEA (Membran Electrode Assembly) und die GDB auf der Bipolarplatte auf.
In einer ergänzenden Variante ist die Gasdiffusionsschicht aus nur einer Schicht im Wesentlichen partikelbasiert ausgebildet.
Vorzugsweise sind die Mikrokanäle gerade ausgebildet. Die Mikrokanäle sind mittels Laserbohren mit einem Laserstrahl hergestellt, so dass die Mikrokanäle im Wesentlichen gerade ausgebildet sind und geringfügige Abweichungen von dieser geraden Form lediglich eine Folge von Verformungen der Gasdiffusionsschicht sind.
In einer weiteren Variante enden oder münden die Mikrokanäle an oder in der Außenfläche, insbesondere ersten Außenseite, der Gasdiffusionsschicht.
Erfindungsgemäße Elektrolysezelleneinheit zur Erzeugung eines ersten Stoffes und eines zweiten Stoffes als Produkte aus einem Edukt als einem flüssigen Elektrolyten mittels eines Anlegens eines elektrischen Potentials zwischen einer Anode und einer Kathode, umfassend gestapelt angeordnete Elektrolysezellen, die Elektrolysezellen umfassend jeweils als Komponenten eine Anode, eine Kathode und metallische Separatorplatten mit einem ersten Anodenblech und einem zweiten Kathodenblech und zwei getrennten Kanälen für die getrennte Durchleitung des flüssigen Elektrolyten durch einen ersten Kanal und zweiten Kanal und an dem ersten Kanal die Anode und an dem zweiten Kanal die Kathode angeordnet ist, so dass an Anoden der ersten Kanäle der erste Stoff abscheidbar ist und an den Kathoden der zweiten Kanäle der zweite Stoff abscheidbar ist, so dass der erste Stoff mit dem flüssigen Elektrolyten ein erstes Prozessfluid bildet und der zweite Stoff mit dem flüssigen Elektrolyten ein zweites Prozessfluid bildet.
Zweckmäßig sind die Separatorplatten als Bipolarplatten ausgebildet und zwischen je einer Anode und je einer Kathode eine elektrische Isolationsschicht, insbesondere eine Protonenaustauschermembran, angeordnet ist und vorzugsweise die Elektrolysezellen jeweils einen dritten Kanal für die getrennte Durchleitung eines Kühlfluid als drittes Prozessfluid umfassen.
In einer zusätzlichen Variante ist die Elektrolysezelleneinheit zusätzlich als Brennstoffzelleneinheit, insbesondere eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit, ausgebildet, so dass die Elektrolysezelleneinheit eine reversible Brennstoffzelleneinheit bildet.
In einer weiteren Variante ist der erste Stoff Sauerstoff und der zweite Stoff Wasserstoff.
In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die elektrochemischen Zellen, insbesondere Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen, jeweils vorzugsweise eine Isolationsschicht, insbesondere Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, wenigstens eine Gasdiffusionsschicht und wenigstens eine Bipolarplatte, insbesondere wenigstens eine Separatorplatte.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen oder eine alkalische Brennstoffzelle (AFC).
Figurenliste
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines elektrochemischen Zellensystems als Brennstoffzellensystem und Elektrolysezellensystem mit Komponenten einer elektrochemischen Zelle als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
3 einen Längsschnitt durch elektrochemische Zellen als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
4 eine perspektivische Ansicht einer elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel,
5 eine Seitenansicht der elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel,
6 eine perspektivische Ansicht einer Bipolarplatte,
7 einen vergrößerten Längsschnitt durch einen Teil einer elektrochemischen Zelle gemäß 3 senkrecht zu der Strömungsrichtung des Brennstoffes und Oxidationsmittels in den Kanälen,
8 einen Längsschnitt A-A gemäß 7 des Teils der elektrochemischen Zelle parallel zu der Strömungsrichtung des Brennstoffes und Oxidationsmittels in den Kanälen,
9 einen Längsschnitt der Gasdiffusionsschicht während des Laserbohrens der Mikrokanäle mit einem Laserstrahl und
10 eine Ansicht eines ersten Endes eines Mikrokanales in einem Mikroskop bei ungefähr 1000-facher Vergrößerung.

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H₂ als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.
Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

Kathode: O₂ + 4 H⁺ + 4 e^-→ 2 H₂O
Anode: 2 H₂ → 4 H⁺ + 4 e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O

Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 als Brennstoffzellenstapel 1 von mehreren gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 µm bis 150 µm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H⁺ und sperrt andere Ionen als Protonen H⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H₂ und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O₂ als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31, 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und den Elektroden 7, 8 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind aus einem lonomer, beispielsweise Nation®, platinhaltigen Kohlenstoffpartikeln und Zusatzstoffen aufgebaut. Diese Elektroden 7, 8 mit dem lonomer sind aufgrund der Kohlenstoffpartikel elektrisch leitfähig und leiten auch die Protonen H⁺ und fungieren zusätzlich auch als Katalysatorschicht 30 wegen der platinhaltigen Kohlenstoffpartikel. Membranelektrodenanordnungen 6 mit diesen Elektroden 7, 8 und der PEM 5 bilden Membranelektrodenanordnungen 6 als CCM (catalyst coated membran).
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von den Elektroden 7, 8 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase als Prozessfluide durch die Kanalstrukturen 29 und/oder Flussfelder 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 als Kanalstruktur 29 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels als Prozessfluid eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe oder Graphit eingesetzt.
In einer Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder einem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (4 und 5). In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei fluchtend gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Dichtungen 11 dichten die Gasräume 31, 32 bzw. Kanäle 12, 13 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (1) ist Wasserstoff H₂ als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 700 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.
Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt. Am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 sind im Stapel der Brennstoffzelleneinheit 1 fluchtende Fluidöffnungen 41 an Abdichtplatten 39 als Verlängerung am Endbereich 40 der aufeinander liegender Bipolarplatten 10 (6) und Membranelektrodenanordnungen 6 (nicht dargestellt) ausgebildet. Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten der Brennstoffzellen 2 sind scheibenförmig ausgebildet und spannen zueinander im Wesentlichen parallel ausgerichtete fiktive Ebenen 59 auf. Die fluchtenden Fluidöffnungen 41 und Dichtungen (nicht dargestellt) in einer Richtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 59 zwischen den Fluidöffnungen 41 bilden somit einen Zuführkanal 42 für Oxidationsmittel, einen Abführkanal 43 für Oxidationsmittel, einen Zuführkanal 44 für Brennstoff, einen Abführkanal 45 für Brennstoff, einen Zuführkanal 46 für Kühlmittel und einen Abführkanal 47 für Kühlmittel. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1 sind als Prozessfluidleitungen ausgebildet. Die Zufuhr- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1 münden in die Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 innerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1. Der Brennstoffzellenstack 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine erste Spannplatte 35 liegt auf der ersten Brennstoffzelle 2 auf und eine zweiten Spannplatte 36 liegt auf der letzten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 und 5 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die erste Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der ersten Brennstoffzelle 2 auf und die zweite Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der letzten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 2 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtungen 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 37 als Bolzen 38 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 38 sind mit den Spannplatten 34 fest verbunden.
In 6 ist die Bipolarplatte 10 der Brennstoffzelle 2 dargestellt. Die Bipolarplatte 10 umfasst die Kanäle 12, 13 und 14 als drei getrennte Kanalstrukturen 29. Die Kanäle 12, 13 und 14 sind in 6 nicht gesondert dargestellt, sondern lediglich vereinfacht als Schicht einer Kanalstruktur 29. Die Fluidöffnungen 41 an den Abdichtplatten 39 der Bipolarplatten 10 und Membranelektrodenanordnungen 6 (nicht dargestellt) sind fluchtend gestapelt angeordnet innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 ausbilden. Dabei sind zwischen den Abdichtplatten 39 nicht dargestellte Dichtungen angeordnet zur fluiddichten Abdichtung der von den Fluidöffnungen 41 gebildeten Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47.
Da die Bipolarplatte 10 auch den Gasraum 31 für Brennstoff von dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel fluiddicht abtrennt und ferner auch den Kanal 14 für Kühlmittel fluiddicht abdichtet kann für die Bipolarplatte 10 ergänzend auch der Begriff der Separatorplatte 51 zur fluiddichten Trennung bzw. Separierung von Prozessfluiden gewählt werden. Damit wird unter dem Begriff der Bipolarplatte 10 auch der Begriff der Separatorplatte 51 subsumiert und umgekehrt. Die Kanäle 12 für Brennstoff, die Kanäle 13 für Oxidationsmittel und die Kanäle 14 für Kühlmittel der Brennstoffzelle 2 sind auch an der elektrochemische Zelle 52 ausgebildet, jedoch mit einer anderen Funktion.
Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann auch als Elektrolysezelleneinheit 49 eingesetzt und betrieben werden, d. h. bildet eine reversible Brennstoffzelleneinheit 1. Im Nachfolgenden werden einige Merkmale beschrieben, die den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 als Elektrolysezelleneinheit 49 ermöglichen. Für die Elektrolyse wird ein flüssiger Elektrolyt, nämlich stark verdünnte Schwefelsäure mit einer Konzentration von ungefähr c (H₂SO₄)=1 mol/l, verwendet. Eine ausrechende Konzentration von Oxoniumionen H₃0⁺ in dem flüssigen Elektrolyten ist notwendig für die Elektrolyse.
Bei der Elektrolyse laufen die nachfolgenden Redoxreaktionen ab:

Kathode: 4 H₃O⁺ + 4e^- → 2 H₂ + 4H₂O
Anode: 6 H₂O → O₂ + 4 H₃O⁺ + 4 e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2H₂O → 2 H₂ + O₂

Die Polung der Elektroden 7, 8 erfolgt mit Elektrolyse bei dem Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgekehrt (nicht dargestellt) wie bei dem Betrieb als Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich in den Kanälen 12 für Brennstoff, durch den der flüssige Elektrolyt geleitet wird, an den Kathoden Wasserstoff H₂ als zweiter Stoff gebildet wird und der Wasserstoff H₂ von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert wird. Analog wird durch die Kanäle 13 für Oxidationsmittel der flüssige Elektrolyt geleitet und an den Anoden in bzw. an Kanälen 13 für Oxidationsmittel Sauerstoff O₂ als erster Stoff gebildet wird. Die Brennstoffzellen 2 der Brennstoffzelleneinheit 1 fungieren beim Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 als Elektrolysezellen 50. Die Brennstoffzellen 2 und Elektrolysezellen 50 bilden damit elektrochemische Zellen 52. Der gebildete Sauerstoff O₂ wird von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert. Der flüssige Elektrolyt ist in einem Speicherbehälter 54 gelagert. In 1 sind aus zeichnerischen Vereinfachungsgründen zwei Speicherbehälter 54 des Brennstoffzellensystem 4 dargestellt, welches auch als Elektrolysezellensystem 48 fungiert. Ein 3-Wege-Ventil 55 an der Zuführleitung 16 für Brennstoff wird im Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgeschaltet, so dass nicht Brennstoff aus dem Druckgasspeicher 21, sondern das flüssige Elektrolyt mit einer Pumpe 56 aus dem Speicherbehälter 54 in die Zuführleitung 16 für Brennstoff eingeleitet wird. Ein 3-Wege-Ventil 55 an der Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel wird im Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgeschaltet, so dass nicht Oxidationsmittel als Luft aus der Gasfördereinrichtung 22, sondern das flüssige Elektrolyt mit der Pumpe 56 aus dem Speicherbehälter 54 in die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel eingeleitet wird. Die Brennstoffzelleneinheit 1, welche auch als Elektrolysezelleneinheit 49 fungiert, weist im Vergleich zu einer nur als Brennstoffzelleneinheit 1 betreibbaren Brennstoffzelleneinheit 1 optional Modifikationen an den Elektroden 7, 8 und der Gasdiffusionsschicht 9 auf: beispielsweise ist die Gasdiffusionsschicht 9 nicht saugfähig, so das der flüssige Elektrolyt leicht vollständig abläuft oder die Gasdiffusionsschicht 9 ist nicht ausgebildet oder die Gasdiffusionsschicht 9 ist eine Struktur an der Bipolarplatte 10.
An der Abführleitung 15 für Brennstoff ist ein Abscheider 57 für Wasserstoff angeordnet. Der Abscheider 57 scheidet aus dem Elektrolyten mit Wasserstoff den Wasserstoff ab und der abgeschiedene Wasserstoff wird mit einem nicht dargestellten Verdichter in den Druckgasspeicher 21 eingeleitet. Der aus dem Abscheider 57 für Wasserstoff abgeleitete Elektrolyt wird anschließend wieder dem Speicherbehälter 54 für den Elektrolyten mit einer Leitung zugeführt. Der an dem Abscheider 57 abgeschiedene Wasserstoff kann mit einem nicht dargestellten Verdichter dem Druckgasspeicher 21 zugeführt werden. An der Abführleitung 26 für Brennstoff ist ein Abscheider 58 für Sauerstoff angeordnet. Der Abscheider 58 scheidet aus dem Elektrolyten mit Sauerstoff den Sauerstoff ab und der abgeschiedene Sauerstoff wird mit einem nicht dargestellten Verdichter in einem nicht dargestellten Druckgasspeicher für Sauerstoff eingeleitet. Der Sauerstoff in dem nicht dargestellten Druckgasspeicher für Sauerstoff kann optional für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 genutzt werden, indem mit einer nicht dargestellten Leitung der Sauerstoff in die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel geleitet wird beim Betrieb als Brennstoffzelleneinheit 1. Der aus dem Abscheider 58 für Sauerstoff abgeleitete Elektrolyt wird anschließend wieder dem Speicherbehälter 54 für den Elektrolyten mit einer Leitung zugeführt. Die Kanäle 12, 13 und die Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26 sind dahingehend ausgebildet, dass nach der Verwendung als Elektrolysezelleneinheit 49 und dem Abschalten der Pumpe 56 der flüssige Elektrolyt wieder vollständig in den Speicherbehälter 54 zurück läuft aufgrund der Schwerkraft. Optional wird nach der Verwendung als Elektrolysezelleneinheit 49 und vor der Verwendung als Brennstoffzelleneinheit 1 durch die Kanäle 12, 13 und die Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26 ein Inertgas durchgeleitet zum vollständigen Entfernen des flüssigen Elektrolyten vor dem Durchleiten von gasförmigem Brennstoff und Oxidationsmittel. Die Brennstoffzellen 2 und die Elektrolysezellen 2 bilden damit elektrochemische Zellen 52. Die Brennstoffzelleneinheit 1 und die Elektrolysezelleneinheit 49 bilden somit eine elektrochemische Zelleneinheit 53. Der Kanal 12 für Brennstoff und der Kanal für Oxidationsmittel bilden damit Kanäle 12, 13 zum Durchleiten des flüssigen Elektrolyten beim Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 und dies gilt analog für die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26. Eine Elektrolysezelleneinheit 49 benötigt aus prozesstechnischen Gründen normalerweise keine Kanäle 14 zum Durchleiten von Kühlmittel. In einer elektrochemischen Zelleneinheit 49 bilden die Kanäle 12 für Brennstoff auch Kanäle 12 zum Durchleiten von Brennstoff und/oder Elektrolyten und die Kanäle 13 für Oxidationsmittel bilden auch Kanäle 13 zum Durchleiten von Brennstoff und/oder Elektrolyten.
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffzelleneinheit 1 als eine alkalische Brennstoffzelleneinheit 1 ausgebildet. Als mobiler Elektrolyt wird Kalilauge als Kaliumhydroxid-Lösung eingesetzt. Die Brennstoffzellen 2 sind gestapelt angeordnet. Dabei kann ein monopolarer Zellaufbau oder ein bipolarer Zellaufbau ausgebildet sein. Die Kaliumhydroxid-Lösung zirkuliert zwischen einer Anode und Kathode und transportiert Reaktionswasser, Wärme und Verunreinigungen (Carbonate, Gelöstgase) ab. Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann auch als reversible Brennstoffzelleneinheit 1, d. h. als Elektrolysezelleneinheit 49, betrieben werden.
In 9 ist ein Verfahren zur Herstellung der Gasdiffusionsschichten 9 dargestellt. Zunächst wird ein zur Verfügung stellen oder ein Herstellen der Gasdiffusionsschicht 9 ausgeführt. Die Gasdiffusionsschichten 9 sind aus zwei Schichten (nicht dargestellt) aus porösem Carbonfaserpapier oder Carbonfaservlies (GDB als gas diffusion backing) und einer mikroporösen, im Wesentlichen partikelbasierten Schicht (MPL als microporous layer) aufgebaut. Dabei liegt die mikroporöse Schicht auf der MEA (Membran Electrode Assembly) und die GDB auf der Bipolarplatte 10 auf. Abweichend hiervon können die Gasdiffusionsschichten 9 auch ausschließlich partikelbasiert hergestellt und zur Verfügung gestellt werden. Nach dem zur Verfügung stellen oder dem Herstellen der Gasdiffusionsschicht 9 wird mit einem Laser 60 oder mehreren Lasern 60 je ein Laserstrahl 61 erzeugt und dieser Laserstrahl 61 wird auf je eine Auftreffposition 62 auf eine Außenfläche 67 der Gasdiffusionsschicht 9 gerichtet. Die Gasdiffusionsschicht 9 weist eine erste Außenseite 68 und eine zweite Außenseite 69 auf. Die erste Außenseite 68 und die zweite Außenseite 69 sind gegenüberliegend auf der Gasdiffusionsschicht 9 ausgebildet. Bei der Anordnung der Gasdiffusionsschicht 9 in der Brennstoffzelleneinheit 1 ist die erste Außenseite 68 und die zweite Außenseite 69 im Wesentlichen eben ausgebildet und spannen ebenfalls die fiktive Ebene 59 auf. Die erste Außenseite 68 ist in der Brennstoffzelleneinheit 1 der Bipolarplatte 10 zugewandt, sodass Stege und/oder Lands der Bipolarplatte 10 streifenförmig auf der ersten Außenseite 68 aufliegen. Zwischen diesen streifenförmigen Auflageflächen 78 der Bipolarplatte 10 auf der ersten Außenseite 68 in einer Richtung parallel zu der fiktiven Ebene 59 sind somit die Kanäle 12 für Brennstoff und die Kanäle 13 für Oxidationsmittel ausgebildet (3 und 7). Die zweite Außenseite 69 der Gasdiffusionsschicht 9 liegt in der Brennstoffzelleneinheit 1 auf der Anode 7 oder der Kathode 8 auf als Elektroden 7, 8 und/oder auf der Katalysatorschicht 30.
Beginnend mit der Auftreffposition 62 des Laserstrahls 61 auf der ersten Außenseite 68 der Gasdiffusionsschicht 9 wird von dem Laserstrahl 60 in die Gasdiffusionsschicht 9 ein gerader Mikrokanal 63 lasergebohrt eingearbeitet. Die Länge der Mikrokanäle 63 können dabei unterschiedlich ausfallen und hängen von der Energiedichte des Laserstrahls 61 ab. Die Mikrokanäle 63 können noch vor der zweiten Außenseite 69 der Gasdiffusionsschicht enden und somit als Sacklochbohrungen 65 ausgebildet sein (9). Abweichend hiervon können die Mikrokanäle 63 auch durchgehend von der ersten Außenseite 68 bis zur zweiten Außenseite 69 ausgebildet sein als Durchgangsbohrungen 66 (9). Die Gasdiffusionsschicht 9 weist eine Dicke 70 auf und die Tiefe 71 der Mikrokanäle 63, d. h. der Ausdehnung der Mikrokanäle 63 in einer Richtung senkrecht zu der fiktiven Ebene 59, liegt in der Regel zwischen 10 % und 100 % der Dicke 70 der Gasdiffusionsschicht 9. Bei einer Tiefe 71 der Mikrokanäle 63 von 100 % liegt somit eine Durchgangsbohrung 66 vor. Die Mikrokanäle 63 weisen ein erstes Ende 76 an der ersten Außenseite 68 und ein zweites Ende 77 gegenüberliegend zu dem ersten Ende 76 auf. Das erste Ende 76 entspricht somit im Wesentlichen der Auftreffposition 62 des Laserstrahls 61 und bei einer Durchgangsbohrung 66 des Mikrokanales 63 ist das zweite Ende 77 des Mikrokanales 63 an der zweiten Außenseite 69 der Gasdiffusionsschicht 9. Die Mikrokanäle 63 weisen im Allgemeinen einen Durchmesser 72 zwischen 20 µm und 50 µm auf, welcher von dem Durchmesser des Laserstrahls 61 abhängt. Die Anzahl der Auftreffpositionen 62 des Laserstrahls 60 und damit auch die Anzahl der ersten Enden 76 der Mikrokanäle 63 auf der ersten Außenseite 68 der Gasdiffusionsschicht 9 je Quadratzentimeter liegt im Allgemeinen zwischen 100 und 1000. Es werden somit je Quadratzentimeter (cm²) der Außenfläche 67, d. h. der Fläche der ersten Außenseite 68 der Gasdiffusionsschicht 9, ungefähr 100 bis 1000 Mikrokanäle 63 mittels Laserbohren hergestellt.
Die Mikrokanäle 63 und damit auch eine Längsachse 75 der Mikrokanäle 63 sind im Allgemeinen in einem Winkel α zwischen 35 und 55° zu der fiktiven Ebene 59 ausgerichtet (7 bis 9). Eine fiktive Strömungsebene 74 ist senkrecht zu der fiktiven Ebene 59 ausgerichtet und außerdem parallel zu der Strömungsrichtung des Brennstoffes in dem Kanal 12 und/oder parallel zu der Strömungsrichtung des Oxidationsmittels in dem Kanal 13. Die fiktive Strömungsebenebene 74 ist somit vorzugsweise parallel zu einer nicht dargestellten Längsachse des Kanales 12 oder des Kanales 13 ausgerichtet. In 7 ist die fiktive Strömungsebene 74 senkrecht zu der Zeichenebene von 7 und in 8 ist die fiktive Strömungsebene 74 parallel zu der Zeichenebene von 8. Die fiktive Strömungsebene 74 ist parallel zu der Strömungsrichtung 73 des Brennstoffes und des Oxidationsmittels ausgerichtet. Bei einer zusätzlichen Ausrichtung der Mikrokanäle 63 im Wesentlichen, d. h. mit einer Abweichung von weniger als 30° 20° oder 5°, parallel zu der Strömungsebene 74 und bei einer Ausbildung der Mikrokanäle 63 dahingehend, dass die Mikrokanäle 63 bezüglich der Strömungsrichtung des Brennstoffes in dem Kanal 12 abgewandt zu dem ersten Ende 76 der Mikrokanäle 63 ausgebildet sind ist das Einströmen des Brennstoffes in die Mikrokanäle 63 verbessert, weil ein wesentlicher Teil der Komponente der Strömungsbewegung des Brennstoffes in dem Mikrokanal 63 in einer Richtung von dem ersten Ende 76 zu dem zweiten Ende 77 parallel zu der Strömungsbewegung des Brennstoffes in dem Kanal 12 für Brennstoff ausgerichtet ist und dadurch der Brennstoff besonders effektiv und aufgrund von Unebenheiten auf der ersten Außenseite 68 auch aufgrund eines geringfügigen Staudruckes des Brennstoffes in dem Kanal 12 in die ersten Enden 76 der Mikrokanäle 63 einströmen kann. In 10 ist die 1000-fache Vergrößerung eines ersten Endes 76 des Mikrokanales 63 dargestellt, so dass sich aufgrund der Fasern der Gasdiffusionsschicht 9 Unebenheiten ausbilden, welche den geringfügigen Staudruck erzeugen. Die obigen Ausführungen gelten auch für eine entsprechende analoge Ausrichtung der Mikrokanäle 63 an den Kanälen 13 für Oxidationsmittel.
Bei einer Ausrichtung der Mikrokanäle 63, d. h. der Längsachsen 75 der Mikrokanäle 63, im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20°, 10° oder 5°, senkrecht zu den fiktiven Strömungsebene 74 gemäß der Darstellung in 7 sind die Mikrokanäle 63 somit im Wesentlichen senkrecht zu der Strömungsrichtung des Brennstoffes in dem Kanal 12 ausgerichtet, sodass die Mikrokanäle 63 die Strömung des Brennstoffes in einer Richtung von einem Kanal 12 zu einem anderen Kanal 12 für Brennstoff verbessert. Die Mikrokanäle 63 sind damit in der Gasdiffusionsschicht 9 zwischen der streifenförmigen Auflagefläche 78 der Bipolarplatte 10 auf der ersten Außenseite 68 und der zweiten Außenseite 69 angeordnet und ausgebildet gemäß der Darstellung in 7. Damit gelangt besonders effektiv auch Brennstoff von den Kanälen 12 zu den Elektroden 7, 8 auf eine Fläche der Elektroden 7, 8 als einer fiktiven Projektion senkrecht zu der fiktiven Ebene 59 von der streifenförmigen Auflagefläche 78 der Bipolarplatte 10 auf die Elektroden 7, 8.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Gasdiffusionsschicht 9, dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 und der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelleneinheit 53 wesentliche Vorteile verbunden. In die Gasdiffusionsschichten 9 sind die Mikrokanäle 63 mit Laserstrahlen 61 mittels Laserbohren eingearbeitet. Die Mikrokanäle 63 in einer sehr großen Anzahl erhöhen und verbessern die Leitfähigkeit der Gasdiffusionsschicht 9 insbesondere für Brennstoff, Oxidationsmittel und Wasser. Dadurch sind die Anode 7 und Kathode 8 effektiver und besser mit dem Brennstoff und dem Oxidationsmittel versorgt, sodass dadurch die Brennstoffzelleneinheit 1 bei einer ansonsten identischen Ausbildung eine größere elektrische Leistung aufweist. Darüber hinaus kann Wasser besser durch die Mikrokanäle 63 abgeleitet werden und zugleich besser eine Befeuchtung der Protonenaustauschermembran 5 mit Feuchtigkeit ausgeführt werden. Mittels der Ausrichtung der Mikrokanäle 63 bzw. der Längsachsen 75 der Mikrokanäle 63 in einem Winkel α zu der fiktiven Ebene 59 und/oder der Ausrichtung der Mikrokanäle 63 bzw. der Längsachsen 75 der Mikrokanäle 63 zu der fiktiven Strömungsebene 74 kann gezielt die Leitfähigkeit der Gasdiffusionsschicht 9 in bestimmten Richtungen verbessert werden. Beispielsweise bei der Ausrichtung der Mikrokanäle 63 im Wesentlichen senkrecht zu der fiktiven Strömungsebene 74 wird die Leitung von Brennstoff und Oxidationsmittel zu den Bereichen der Elektroden 7, 8 unter den streifenförmigen Auflageflächen 78 wesentlich verbessert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2759009 B1 [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht (9) für eine elektrochemische Zelleneinheit (53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (1) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49) mit den Schritten: zur Verfügung stellen einer schichtförmigen Gasdiffusionsschicht (9), dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Laser (60) auf eine Außenfläche (67) der Gasdiffusionsschicht (9) mehrfach an verschiedenen Auftreffpositionen (62) auf der Außenfläche (67) der Gasdiffusionsschicht (9) ein Laserstrahl (61) gerichtet wird, so dass von dem Laserstrahl (61) in die Gasdiffusionsschicht (9) lasergebohrte Mikrokanäle (63) eingearbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschicht (9) eine erste Außenseite (68) zur Auflage auf einer Bipolarplatte (10) und eine zweite Außenseite (69) zur Auflage auf einer Elektrode (7, 8) und/oder Katalysatorschicht (30) aufweist und die zweite Außenseite (69) gegenüberliegend zu der ersten Außenseite (68) ausgerichtet ist und vorzugsweise der Laserstrahl (61) auf die erste Außenseite (68) gerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass von der schichtförmigen und ebenen Gasdiffusionsschicht (9) eine fiktive Ebene (59) aufgespannt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (63) als Sacklochbohrungen (65) und/oder als Durchgangsbohrungen (66) lasergebohrt in die Gasdiffusionsschicht (9) eingearbeitet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (63) in einer Richtung senkrecht zu der fiktiven Ebene (59) in eine Tiefe (71) von 10% bis 100% der Dicke (70) der Gasdiffusionsschicht lasergebohrt eingearbeitet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (63) in einem Winkel zwischen 0° und 90°, vorzugsweise zwischen 20° und 55°, insbesondere zwischen 35° und 55°, zu der fiktiven Ebene (59) und/oder zu der ersten und/oder zweiten Außenseite (68, 69) lasergebohrt eingearbeitet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (63) mit einem Durchmesser (72) zwischen 5 µm und 300 µm, vorzugsweise zwischen 10 µm und 100 µm, insbesondere zwischen 20 µm und 50 µm, lasergebohrt eingearbeitet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Auftreffpositionen (62) des Laserstrahls je 1 cm² Außenfläche (67) der Gasdiffusionsschicht (9) und damit die Anzahl der je 1 cm² Außenfläche (67) der Gasdiffusionsschicht (9) lasergebohrten und endenden Mikrokanäle (63) zwischen 10 und 10000, insbesondere zwischen 100 und 1000, liegt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (72) der Mikrokanäle (63) beginnend von den ersten Enden (76) der Mikrokanäle (63) an der Außenfläche (67) der Gasdiffusionsschicht (9) an den Auftreffpositionen (62) des Laserstrahls (61) abnehmend ausgebildet wird.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit (53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (1) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49) mit den Schritten: - zur Verfügung stellen von schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) von elektrochemischen Zellen (2, 50, 52), nämlich vorzugsweise Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10, 51), - Anordnen und/oder Montieren der schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) zu Stapeln, so dass elektrochemische Zellen (52) ausgebildet werden und die elektrochemischen Zellen (52) zu einer elektrochemischen Zelleneinheit (53) gestapelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschichten (9) zur Verfügung gestellt werden indem ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt wird.
Elektrochemische Zelleneinheit (53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (2) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49), umfassend - gestapelt angeordnete elektrochemische Zellen (52) und die elektrochemischen Zellen (52) jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) umfassen und - die Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) der elektrochemischen Zellen (52) vorzugsweise Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10, 51) sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschichten (9) mit einem Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt sind und/oder in den Gasdiffusionsschichten (9) lasergebohrte Mikrokanäle (63) ausgebildet sind, welche an den Außenflächen (67) der Gasdiffusionsschichten (9) enden.
Elektrochemische Zelleneinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen je einer Bipolarplatte (10) und je einer Gasdiffusionsschicht (9) Kanäle (12) für Brennstoff mit einer Strömungsrichtung des Brennstoffes im Wesentlichen parallel zu einer fiktiven Ebene (59) aufgespannt von der je einen Gasdiffusionsschicht (9) und Kanäle (13) für Oxidationsmittel mit einer Strömungsrichtung des Oxidationsmittels im Wesentlichen parallel zu einer fiktiven Ebene (59) aufgespannt von der je einen Gasdiffusionsschicht (9) ausgebildet sind.
Elektrochemische Zelleneinheit nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (63) in einem Winkel zwischen 0° und 90°, vorzugsweise zwischen 20° und 55°, insbesondere zwischen 35° und 55°, zu den fiktiven Ebenen (59) aufgespannt von den Gasdiffusionsschichten (9) ausgerichtet sind.
Elektrochemische Zelleneinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine fiktive Strömungsebene (74) parallel zu der Strömungsrichtung des Brennstoffes in je einem Kanal (12) für Brennstoff und senkrecht zu den fiktiven Ebenen (59) aufgespannt von Gasdiffusionsschichten (9) ausgerichtet ist und die fiktive Strömungsebene (74) je einen Kanal (12) für Brennstoff schneidet und die Mikrokanäle (63) im Wesentlichen parallel zu der fiktiven Strömungsebene (74) ausgerichtet sind und die Mikrokanäle (63) bezüglich der Strömungsrichtung des Brennstoffes abgewandt zu ersten Enden (76) der Mikrokanäle (63) an der ersten Außenseite (68) der Gasdiffusionsschicht (9) in der Gasdiffusionsschicht (9) ausgebildet sind, um das Einströmen des Brennstoffes von den Kanälen (12) für Brennstoff in die Mikrokanäle (63) zu verbessern.
Elektrochemische Zelleneinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine fiktive Strömungsebene (74) parallel zu der Strömungsrichtung des Oxidationsmittels in je einem Kanal (13) für Oxidationsmittel und senkrecht zu den fiktiven Ebenen (59) aufgespannt von Gasdiffusionsschichten (9) ausgerichtet ist und die fiktive Strömungsebene (74) je einen Kanal (13) für Oxidationsmittel schneidet und die Mikrokanäle (63) im Wesentlichen parallel zu der fiktiven Strömungsebene (74) ausgerichtet sind und die Mikrokanäle (63) bezüglich der Strömungsrichtung des Oxidationsmittels abgewandt zu ersten Enden (76) der Mikrokanäle (63) an der ersten Außenseite (68) der Gasdiffusionsschicht (9) in der Gasdiffusionsschicht (9) ausgebildet sind, um das Einströmen des Oxidationsmittels von den Kanälen (13) für Oxidationsmittel in die Mikrokanäle (63) zu verbessern.