DE10213140A1

DE10213140A1 - Gas diffusion layer made of porous, conductive material, for a polymer electrolyte membrane fuel cell, has tunnel-like pores in which a three-phase zone is formed between educts, the product and the conductive material

Info

Publication number: DE10213140A1
Application number: DE10213140A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Limmer; Volker Peinecke; Sabine Ansorge
Original assignee: BALLARD GERMANY GmbH
Current assignee: BALLARD GERMANY GmbH
Priority date: 2002-03-23
Filing date: 2002-03-23
Publication date: 2003-10-09

Abstract

Gas diffusion layer made of porous, conductive material for a fuel cell which forms at least one product from educts comprises a membrane side and a media supply side. The porous conductive material has at least tunnel-like pores in which a three phase zone is formed between educts, the product and the conductive material. The mean diameter of the tunnel-like pores is dimensioned so that a force resulting from the adhesion force between the product and the surface of a tunnel-like pore and the cohesion force within the product acts in the direction of the porous conductive material. Capillary action of the product exists from the membrane side to the media supply side. An Independent claim is also included for a polymer electrolyte membrane fuel cell having at least one gas diffusion layer made of porous, conductive material. Preferably the gas diffusion layer is a cathode or anode gas diffusion layer and the porous conductive material is a graphite-containing material.

Description

Die Erfindung betrifft eine Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle, insbesondere betrifft sie die Gasdiffusionslage einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle. The invention relates to a polymer electrolyte membrane fuel cell, in particular it relates the gas diffusion layer of a polymer electrolyte membrane fuel cell.

Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellen, abgekürzt durch PEM-Bz, erzeugen wenigstens ein Produkt aus wenigstens zwei Edukten. Häufig werden Brennstoffzellen mit einem sauerstoffhaltigen Gas an der Kathode und einem wasserstoffhaltigen Gas an der Anode betrieben. Das Produkt ist in diesen Fällen dann Wasser. Andere Brennstoffzellen werden mit Methanol an der Anode und reinem Sauerstoff an der Kathode betrieben. Andere Brennstoffzellen wiederum mit Stadtgas oder einem Benzinreformat. Polymer electrolyte membrane fuel cells, abbreviated to PEM-Bz, produce at least one Product from at least two starting materials. Fuel cells with one oxygen-containing gas at the cathode and a hydrogen-containing gas at the anode operated. In this case the product is water. Other fuel cells are included Methanol operated on the anode and pure oxygen on the cathode. Other Fuel cells in turn with city gas or a gasoline reformate.

Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellen bestehen aus einer oder mehrerer Einzelzellen, in deren Zentrum eine Membran-Elektroden-Einheit steht. Um die Membran-Elektroden-Einheit, auch MEA genannt, herum befinden sich Gas- oder Gasverteilräume bildende Einheiten, wie zum Beispiel speziell ausgeformte Bipolarplatten. Die MEA ist aus einer Vielzahl von Schichten aufgebaut. Auf wenigstens einer der Seiten der MEA, das kann entweder die Anodenseite oder auch die Kathodenseite sein, existiert eine Gasdiffusionselektrode, die eine Gasdiffusionslage umfasst. Somit wird die Gasdiffusionslage auf der Kathodenseite als Kathodengasdiffusionslage und die Gasdiffusionslage auf der Anodenseite als Anodengasdiffusionslage bezeichnet. Polymer electrolyte membrane fuel cells consist of one or more individual cells, in the center of which is a membrane electrode unit. To the membrane electrode assembly, also called MEA, there are gas or gas distribution units forming units, such as for example specially shaped bipolar plates. The MEA is made up of a variety of layers built up. On at least one of the sides of the MEA, that can be either the anode side or also be the cathode side, there is a gas diffusion electrode, which is a gas diffusion layer includes. Thus, the gas diffusion layer on the cathode side becomes the cathode gas diffusion layer and the gas diffusion layer on the anode side is referred to as the anode gas diffusion layer.

Ein weiteres Produkt der Brennstoffzelle ist elektrische Energie. Um eine konstante Betriebsabgabe der elektrischen Energie sicherzustellen, sollte die erzeugte elektrische Spannung möglichst konstant in Bezug zu ihrer gewählten Betriebsspannung bleiben. Aus diesem Grund ist es notwendig, mehr an Edukten zur Verfügung zu stellen, in dem Falle einer Wasserstoff-Luft-Brennstoffzelle mehr Wasserstoff und mehr Luft, als tatsächlich in der Brennstoffzelle umgesetzt werden. Das Verhältnis der Überversorgung bzw. des zu viels an Edukten wird durch den Ausdruck Stöchiometrie bezeichnet. Auf der einen Seite ist es wünschenswert, die Stöchiometrie so hoch wie möglich zu halten, um eine konstante Betriebsspannung sicherzustellen, auf der anderen Seite soll die Stöchiometrie so niedrig wie möglich gehalten werden. Denn je höher die Stöchiometrie ist, desto mehr Versorgungsgas der Edukte ist an die Brennstoffzelle zu leiten. Das reduziert die Brenngaseffizienz bzw. den Wirkungsgrad in Bezug auf die verbrauchte Menge der Edukte. Es ist wichtig, die Stöchiometrie für portable Systeme und für Systeme im Transportbereich möglichst niedrig zu halten. Another product of the fuel cell is electrical energy. To be a constant Operational levy of electrical energy should ensure the electrical generated The voltage remains as constant as possible in relation to the selected operating voltage. Out for this reason it is necessary to provide more educts, in the case of one Hydrogen-air fuel cell more hydrogen and more air than actually in the Fuel cell to be implemented. The ratio of oversupply or too much Educts are called stoichiometry. On the one hand, it is desirable to keep the stoichiometry as high as possible to maintain a constant Ensure operating voltage, on the other hand, the stoichiometry should be as low as be kept possible. Because the higher the stoichiometry, the more supply gas the Educts are to be sent to the fuel cell. This reduces the fuel gas efficiency or Efficiency in relation to the amount of educts consumed. It is important to use stoichiometry keep it as low as possible for portable systems and for systems in the transport sector.

Im folgenden wird Wasserstoff und Luft an Stelle der Edukte als Synonyme verwendet. Wasserstoff und Luft erzeugen Wasser als Produkt. Daher steht Wasser synonym für Produkt. In the following, hydrogen and air are used as synonyms instead of the starting materials. Hydrogen and air produce water as a product. Therefore, water is synonymous with product.

Weiterhin ist es wichtig, einen ausgeglichenen Wasserhaushalt in der Brennstoffzelle zu haben. Die Brennstoffzelle sollte niemals zu trocken und auch niemals zu nass betrieben werden, da sie sonst austrocknet oder durch flüssiges Wasser blockiert wird und so zu sagen absäuft. Wenn die Brennstoffzelle zu trocken betrieben wird, kann die Membran der MEA austrocknen. An den Stellen, an denen die Membran-Elektroden-Einheit zu trocken ist, erreicht die Membran der Membran-Elektroden-Einheit keine maximale Quellung. Eine verminderte Quellung geht mit einer verminderten Leitfähigkeit einher. Durch eine verminderte Leitfähigkeit sinkt die Spannung, die die Brennstoffzelle zur Verfügung stellen kann. Trocknet eine Elektrode der Membran-Elektroden-Einheit aus, vermindert das die maximale elektrochemische Aktivität. Das bedeutet, durch verminderte elektrochemische Aktivität wird ebenfalls die Spannung, die die Brennstoffzelle zur Verfügung stellen kann, abgesenkt. It is also important to have a balanced water balance in the fuel cell. The fuel cell should never be operated too dry and never too wet, because otherwise it dries out or is blocked by liquid water and so to speak drowns. If the fuel cell is operated too dry, the membrane of the MEA can dry out. The membrane reaches where the membrane electrode assembly is too dry no maximum swelling of the membrane electrode assembly. A reduced swelling goes with it reduced conductivity. Due to a reduced conductivity, the Voltage that the fuel cell can provide. Dries an electrode of the Membrane electrode unit, this reduces the maximum electrochemical activity. The means, reduced electrochemical activity also reduces the voltage that the Can provide fuel cell, lowered.

In den Fällen, in denen die Brennstoffzelle zu naß betrieben wird, bildet sich flüssiges Wasser. In Richtung der MEA bildet das flüssige Wasser einen zusätzlichen Diffusionswiderstand, der als zusätzlicher Gasdiffusionswiderstand bezeichnet wird. In Richtung der Strömungsrichtung der Edukte bildet sich ein zusätzlicher Strömungswiderstand. Insgesamt gehen in den Befeuchtungsgrad viele Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle ein, wie zum Beispiel der Druck oder die Temperatur. In cases where the fuel cell is operated too wet, liquid water forms. In the direction of the MEA, the liquid water forms an additional diffusion resistance that is referred to as an additional gas diffusion resistance. In the direction of flow the educts form an additional flow resistance. Overall go to the Degree of humidification many operating conditions of the fuel cell, such as the Pressure or temperature.

Die Gasdiffusionslage oder auch Gasdiffusionselektrode wird als sehr wichtige Komponente betrachtet, die einen wesentlichen Einfluss auf den Wasserhaushalt hat. Im Stand der Technik sind zahlreiche Beschreibungen über den Wasserhaushalt und das Wassermanagement unter Berücksichtung des einen oder anderen Aspekt der Gasdiffusionslage bekannt. The gas diffusion layer or gas diffusion electrode becomes a very important component considered, which has a significant impact on the water balance. In the state of the art are numerous descriptions of the water balance and water management under Consideration of one or another aspect of the gas diffusion layer is known.

In der Patentanmeldung DE 196 47 534 A1 wird ein elektrochemischer Energiewandler beschrieben, der vorrangig mit einem flüssigen Elektrolyten betrieben werden sollte. Hierbei soll der Elektrolyt durch die Porenstruktur der Elektrode fixiert werden. Das soll die Gefahr des Elektrolytverlustes in der den Elektrolyt tragenden Lage, mit anderen Worten in dem Diaphragma, unterbinden. Die kleineren Poren, die verstärkt elektrolytseitig vorhanden sind, dienen dazu, ein möglichst großes Elektrolytvolumen zu speichern. Die größeren Poren, die verstärkt gasseitig vorhanden sind, dienen dazu, einen möglichst guten Edukt- und einen Produktgastransport zu gewährleisten. Patent application DE 196 47 534 A1 describes an electrochemical energy converter described, which should be operated primarily with a liquid electrolyte. Here should the electrolyte can be fixed by the pore structure of the electrode. That is supposed to be the danger of Electrolyte loss in the layer carrying the electrolyte, in other words in that Diaphragm, prevent. The smaller pores, which are increasingly present on the electrolyte side, serve to store the largest possible volume of electrolyte. The larger pores that are increasingly present on the gas side, serve to get the best possible starting material and one To ensure product gas transport.

Das US-Patent 5 500 292 beschreibt eine Gasdiffusionslage einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle. Die Sauerstoffelektrode, auch Kathodenelektrode oder Elektrode auf der Kathodenseite genannt, soll so einen Gradienten in der Wasserabweisung über die Dicke der Elektrode haben, so dass die Wasserabweisung in dem Bereich am grössten ist, in dem die Gasdiffusionslage dem Elektrolyten zugewandt ist, und die Wasserabweisung in dem Bereich am geringsten ist, in dem die Gasdiffusionslage dem Leiter zugewand ist. Die Elektrode soll darüber hinaus noch eine Gradientenkonzentration des Katalysators haben. Weiterhin soll die Membran der Art sein, dass sie eine bestimmte Menge Wasser abweist. Zusammengefasst kann also gesagt werden, dass die Kombination aus Katalysatorgradient und Wasserabweisungsgradient den Wasserhaushalt und somit das Verhalten der Brennstoffzelle wesentlich beeinflusst. U.S. Patent 5,500,292 describes a gas diffusion layer of a Polymer electrolyte membrane fuel cell. The oxygen electrode, also the cathode electrode or electrode on the cathode side, should have a gradient in the Have water repellency over the thickness of the electrode so that the water repellency in the Area is largest in which the gas diffusion layer faces the electrolyte, and the Water repellency is lowest in the area where the gas diffusion layer is the conductor is facing. The electrode should also have a gradient concentration of Have catalyst. Furthermore, the membrane should be such that it contains a certain amount Repels water. In summary, it can be said that the combination of Catalyst gradient and water repellency gradient the water balance and thus that Behavior of the fuel cell significantly influenced.

Ähnliche Überlegungen sind in US 5 783 325 zu finden. Die chemischen und elektrischen Eigenschaften der Brennstoffzelle sollen beeinflusst werden. Hierzu wird ein Polymermaterial in die Gasdiffusionslage eingebracht, um eine Hydrophobität zu bewirken. Die Elektrodenmatrix soll in einem Bereich entlang des Strömungskanals dichter sein und in einem anderen Bereich weniger dicht. Somit hat die Brennstoffzelle einen Gradienten entlang des Versorgungskanals der PEM-Bz. Das Patent behandelt nicht die Porenanpassung innerhalb der Richtung, die die Dicke der Gasdiffusionslage ausmacht. Similar considerations can be found in US 5,783,325. The chemical and electrical Properties of the fuel cell are to be influenced. For this purpose, a polymer material in introduced the gas diffusion layer to cause hydrophobicity. The electrode matrix should be denser in one area along the flow channel and in another area less dense. The fuel cell thus has a gradient along the supply channel the PEM-Bz. The patent does not cover pore matching within the direction that the The thickness of the gas diffusion layer.

Die beiden PCT-Anmeldungen WO 00/14816 und WO 99/02920 stellen sich die Aufgabe, eine bessere Durchgängigkeit für ein Fluid entlang der Gaskanäle zu gestalten. Dabei soll der Verlust an Feuchtigkeit in der Nähe der MEA unterbunden werden. Die Wasserbilanz an der MEA soll immer ausgeglichen sein. Hieraus ist abzuleiten, dass beide Anmeldungen sich auf Brennstoffzellen beziehen, die mit sehr hohen Stöchiometrien betrieben werden. Hochstöchiometrische Brennstoffzellen haben die Neigung, dass die Membran austrocknet. Daher ist es immer wichtig, die Membran und somit den Elektrolyten ausreichend befeuchtet zu halten. In beiden Anmeldungen werden bestimmte Porenformen gezeigt, die insbesondere in Hochstöchiomietriebrennstoffzellen vorteilhaft sein sollen. The two PCT applications WO 00/14816 and WO 99/02920 set themselves the task to design better continuity for a fluid along the gas channels. The should Loss of moisture in the vicinity of the MEA can be prevented. The water balance on the MEA should always be balanced. From this it can be deduced that both registrations are based on Obtain fuel cells that are operated with very high stoichiometries. Highly stoichiometric fuel cells tend to dry out the membrane. It is therefore always important to adequately moisten the membrane and thus the electrolyte hold. In both applications certain pore shapes are shown, which in particular in Highly stoichiometric fuel cells are said to be advantageous.

Daher ist es wünschenswert, eine vorteilhafte Gasdiffusionslage zu schaffen, die insbesondere in Niederstöchiometriebrennstoffzellen genutzt werden kann. Niederstöchiometriebrennstoffzellen sind solche Brennstoffzellen, die mit einer Sauerstoff- und Wasserstoffstöchiometrie auskommen, die unterhalb von λ = 2, vorzugsweise mit einer Stöchiometrie von λ = 1,5 auskommen. Äußerst vorteilhaft gelten Wasserstoffstöchiometrien von λ = 1,1 oder λ = 1,2 und Sauerstoffstöchiometrien von λ = 1,3. Therefore, it is desirable to provide an advantageous gas diffusion layer, in particular can be used in low stoichiometric fuel cells. Low stoichiometric fuel cells are those fuel cells that have an oxygen and Hydrogen stoichiometry, which are below λ = 2, preferably with one Stoichiometry of λ = 1.5 get along. Hydrogen stoichiometries are extremely advantageous of λ = 1.1 or λ = 1.2 and oxygen stoichiometries of λ = 1.3.

Gleichzeitig sollte der Wasserhaushalt der Brennstoffzelle möglichst auf einem ausgeglichen Niveau gehalten werden. Die exakte Menge an überschüssigem Wasser sollte aus der Brennstoffzelle entfernt werden können, während diese Menge, die des Wassers, nicht überschritten wird. Das Wasser innerhalb der Gasdiffusionslage sollte nicht Wasserstoff oder Sauerstoff daran hindern, den Elektrolyten zu erreichen. At the same time, the water balance of the fuel cell should be balanced as much as possible Level can be maintained. The exact amount of excess water should come from the Fuel cells can be removed while this amount, that of water, cannot is exceeded. The water inside the gas diffusion layer should not be hydrogen or Prevent oxygen from reaching the electrolyte.

Diese und andere Ziele können wenigstens teilweise durch eine Gasdiffusionslage gem. Anspruch 1 und Anspruch 7 erreicht werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen können in den abhängigen Ansprüchen gefunden werden. These and other goals can be at least partially determined by a gas diffusion layer. Claim 1 and claim 7 can be achieved. Advantageous refinements can be found in the dependent claims can be found.

Vorteilhafter Weise hat die Gasdiffusionslage einer PEM-Bz eine Seite, die dem Elektrolyten zugewandt ist und eine Seite, die der Medienzuführseite zugewand ist. Auf der Medienzuführseite werden wenigstens ein Edukt und gegebenenfalls wenigstens ein Produkt geführt. Die Gasdiffusionslage besteht aus einem porösen, aber elektrisch leitfähigen Material. Die Poren müssen wenigstens in der Form von Tunneln ausgestaltet sein. Die Gasdiffusionslage ist so gestaltet, dass sich innerhalb der Gasdiffusionslage eine Dreiphasenschicht bilden kann. Die Dreiphasenschicht ist zwischen der Gasdiffusionslage, wenigstens einem Edukt und wenigstens einem Produkt gebildet. Hierbei hat das Edukt eine gasförmige Phase, das Produkt eine flüssige Phase und die Gasdiffusionslage eine feste Phase. Unter Berücksichtigung der geeigneten, gewählten Betriebsspannung ist die Struktur der Gasdiffusionslage so auszulegen, dass der mittlere Durchmesser der tunnelartigen Poren ein Kräftegleichgewicht innerhalb der Pore erlaubt, so dass zwischen Adhäsions- und Kohäsionskraft und einer weiteren, kapillaren Kraft ein Gleichgewicht herrscht. Eine Gasdiffusionslage aus porösem, leitfähigem Material einer Brennstoffzelle, die aus Edukten wenigstens ein Produkt bildet, mit einer Membranseite und einer Medienzuführseite, wobei die Poren des porösen, leitfähigen Materials wenigstens teilweise tunnelartig ausgebildet sind, in deren Poren sich eine Dreiphasenzone zwischen Edukten, Produkt und leitfähigem Material bildet, ist so ausgestaltet, dass der mittlere Durchmesser der tunnelartigen Poren so bemessen ist, dass eine resultierende Kraft aus der Adhäsionskraft zwischen dem Produkt und der Oberfläche einer tunnelartigen Pore und der Kohäsionskraft innerhalb des Produktes in Richtung des porösen, elektrisch leitfähigen Materials, das zum Beispiel graphithaltiges Material sein kann, wirkt, so dass eine Kapillarität des Produktes von der Membranseite zu der Medienzuführseite entsteht. The gas diffusion layer of a PEM-Bz advantageously has one side facing the electrolyte is facing and a side facing the media feed side. On the Media feed side are at least one educt and optionally at least one product guided. The gas diffusion layer consists of a porous but electrically conductive material. The pores must at least be in the form of tunnels. The The gas diffusion layer is designed in such a way that a Can form three-phase layer. The three phase layer is between the gas diffusion layer, formed at least one educt and at least one product. Here the educt has one gaseous phase, the product a liquid phase and the gas diffusion layer a solid Phase. Taking into account the suitable, selected operating voltage, the structure is of the gas diffusion layer so that the average diameter of the tunnel-like pores a balance of forces within the pore is allowed, so that between adhesion and Cohesive force and another capillary force there is an equilibrium. A Gas diffusion layer made of porous, conductive material of a fuel cell, which consists of educts forms at least one product, with a membrane side and a media feed side, the Pores of the porous, conductive material are at least partially tunnel-like, in whose pores form a three-phase zone between the starting materials, the product and the conductive material is designed in such a way that the average diameter of the tunnel-like pores is dimensioned in this way is that a resulting force from the adhesive force between the product and the Surface of a tunnel - like pore and the cohesive force within the product in Direction of the porous, electrically conductive material, for example the graphite-containing material can act, so that a capillarity of the product from the membrane side to the Media feed side is created.

Betracht man eine einzelne Pore mit einem optischen Verfahren, so sieht man, dass die Pore vorzugsweise von der Membranseite zur Medienzuführseite auseinanderläuft, dass heißt, dass der mittlere Durchmesser auf der Membranseite kleiner ist als auf der Medienzuführseite. Insbesondere sollte die Pore kontinuierlich auseinanderlaufen. Bildet sich ein Tropfen, der über den gesamten Durchmesser der Pore sich erstreckt und somit Kontakt zu beiden Seiten der tunnelförmigen Pore hat, dann wird der Tropfen auf Grund der Kapillarität, das heisst auf Grund der resultierenden Kraft im Kräftgleichgewicht aus Oberflächenkraft, Kohäsionskraft und der Kraft an der Dreiphasengrenze, von der Membranseite zur Medienzuführseite getrieben. If you look at a single pore with an optical method, you can see that the pore preferably diverge from the membrane side to the media feed side, that is to say that the average diameter on the membrane side is smaller than on the media feed side. In particular, the pore should diverge continuously. A drop forms over the the entire diameter of the pore extends and thus contact on both sides of the tunnel-shaped pore, then the drop due to capillarity, that is, due to the resulting force in the balance of forces from surface force, cohesive force and Force at the three-phase limit, driven from the membrane side to the media supply side.

Als Edukte wird ein sauerstoffhaltiges und ein wasserstoffhaltiges Gas gewählt, dessen Produkt Wasser ist, und deren Eduktversorgung wenigstens teilweise niederstöchiometrisch ist. Die Gasdiffusionslage kann eine Kathodengasdiffusionslage oder eine Anodengasdiffusionslage sein, wobei das leitfähige, poröse Material ein graphithaltiges Material ist. Die Gasdiffusionslage besteht aus eine wenigstens zwei Lagen umfassende Schicht mit unterschiedlichen mittleren Porendurchmessern. Die Schichten können zuvor mechanisch dauerhaft miteinander verbunden worden sein, bevor sie als Gasdiffusionslage eingesetzt werden. Genauso gibt es Aufbauten, in denen die Schichten nur aufeinander gelegt werden. An oxygen-containing and a hydrogen-containing gas, its product, are selected as starting materials Is water, and the starting material supply is at least partially low stoichiometric. The Gas diffusion layer can be a cathode gas diffusion layer or an anode gas diffusion layer be, wherein the conductive, porous material is a graphite-containing material. The gas diffusion layer consists of a layer comprising at least two layers with different middle layers Pore diameters. The layers can be mechanically permanently together beforehand have been connected before they are used as a gas diffusion layer. There is exactly the same Structures in which the layers are only placed on top of each other.

Eine Gasdiffusionslage kann durch eine Vielzahl von Parametern charakterisiert werden. Ein Parameter ist die mittlere Porosität ε. Ein anderer Parameter ist der mittlere Porendurchmesser dp. Die Porosität ε wird dadurch ermittelt, dass näherungsweise flächig die Gasdiffusionslage betrachtet wird. Über die Fläche wird der Anteil prozentual in Beziehung gesetzt, der löchrig ist, zu dem Anteil, der aus festem, leitfähigem Material besteht. Bei dem mittleren Porendruchmesser dp des porösen Materials wird ein summarischer Überblick über die Grösse aller Poren gebildet und ein Mittelwert gebildet, der zwischen 0,1 µm und 200 µm liegt, vorzugsweise zwischen 1 µm und 100 µm. Hierbei wird die Seite der Gasdiffusionslage betrachtet, die die Medienzuführseite bildet. Mit der Quotientenbildung der Porösität ε erhält man einen geeigneten Wert zwischen 30% und 95%, wobei besonders geeignet Werte zwischen 50% und 90% sind. Weiterhin werden Kapillaritäten im wesentlichen durch den Kontaktwinkel bestimmt. Es sind aber die Temperatur, die Feuchte und der Porendurchmesser nicht zu vernachlässigen, da sie auch einen Einfluss auf die Kapillarität haben. Die Parameter Temperatur, Feuchte und Porendurchmesser bestimmen sich aus Zweckbestimmung der Gasdiffusionslage in einem bestimmten Brennstoffzellentyp. So können Brennstoffzellen entworfen werden, die bei 65°C betrieben werden. Andere Gasdiffusionslagen arbeiten in Brennstoffzellen, die um einen Betriebspunkt von 90°C arbeiten. Die Feuchtigkeit wird durch den Taupunkt bestimmt. Er sollte unterhalb der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle liegen. So kann zum Beispiel bei einer Gasdiffusionslage, die in einer Brennstoffzelle mit der Betriebstemperatur von 70°C betrieben wird, ein Taupunkt und damit ein Feuchtgehalt von 50°C gewählt werden. Der Kontaktwinkel einer Gasdiffusionslage kennzeichnet die Gasdiffusionslage, wenn der Kontaktwinkel zwischen dem Produkt und der Oberfläche einer Pore gebildet wird. Ein geeigneter Kontaktwinkel liegt in der Regel bei einem Wert, der grösser als 95° ist, vorzugsweise sollte der Wert grösser als 120° sein. Ein anderes wichtiges Charakteristikum für die Kapillarität ist der Anteil der hydrophoben zu den hydrophilen Poren. Vorzugsweise liegt der Anteil der hydrophoben Poren an allen Poren, der Gesamtporosität, zwischen 50% und 100%, wobei aber in die Zählung nur die Poren eingehen, die eine Vorzugsrichtung in Richtung von der Membran- zu der Medienzuführseite haben. A gas diffusion layer can be characterized by a large number of parameters. On The parameter is the mean porosity ε. Another parameter is the average pore diameter dp. The porosity ε is determined by the gas diffusion layer being approximately flat is looked at. The percentage of the area with holes is related to the area, to the proportion that consists of solid, conductive material. The middle one Pore diameter dp of the porous material is a summary overview of the size all pores are formed and an average is formed which is between 0.1 µm and 200 µm, preferably between 1 µm and 100 µm. Here, the side of the gas diffusion layer considered, which forms the media feed side. With the formation of the quotient of the porosity ε a suitable value between 30% and 95%, with particularly suitable values are between 50% and 90%. Capillarities are essentially determined by the Contact angle determined. But it is the temperature, the humidity and the pore diameter not to be neglected, since they also have an influence on capillarity. The parameters Temperature, humidity and pore diameter are determined from the intended purpose of the Gas diffusion layer in a certain type of fuel cell. So can fuel cells designed to operate at 65 ° C. Other gas diffusion layers work in Fuel cells that work around an operating point of 90 ° C. The moisture is through determines the dew point. It should be below the operating temperature of the fuel cell. For example, in the case of a gas diffusion layer in a fuel cell with the Operating temperature of 70 ° C is operated, a dew point and thus a moisture content of 50 ° C can be selected. The contact angle of a gas diffusion layer characterizes the Gas diffusion layer when the contact angle between the product and the surface of a Pore is formed. A suitable contact angle is usually a value that is larger than 95 °, preferably the value should be greater than 120 °. Another important one A characteristic of the capillarity is the proportion of the hydrophobic to the hydrophilic pores. The proportion of the hydrophobic pores in all pores, the total porosity, is preferably between 50% and 100%, but only the pores are included in the count, the one Preferred direction in the direction from the membrane to the media supply side.

Die Gasdiffusionslage wird dafür geschaffen, dass sie in einer PEM-Bz eingesetzt werden kann. The gas diffusion layer is created so that it can be used in a PEM-Bz.

Entlang eines Versorgungskanals auf der Medienzuführseite der Gasdiffusionslage reichert sich das Edukt Sauerstoff ab und das Produkt Wasser an. Allgemein wird die Richtung des Versorgungskanals auch als x-Richtung bezeichnet. Die x-Richtung ist die Richtung, entlang deren das Edukt und das Produkt vorrangig strömt, während es in der z-Richtung mengenmäßig angereichert oder abgereichert wird. Somit sind die Poren, die in dem Bereich hoher Eduktanteile liegen, in ihrem Durchmesser derart zu gestalten, dass der mittlere Porendurchmesser kleiner ist als in dem Bereich hoher Produktanteile. Durch die vorrangige Strömungsrichtung und der vorrangigen An- und Abreicherungsrichtung ergibt sich insgesamt ein Gradient, der sich aus beiden Vorzugsrichtungen bildet. Enrichment occurs along a supply channel on the media supply side of the gas diffusion layer the educt releases oxygen and the product water. Generally the direction of the Supply channel also referred to as the x direction. The x direction is the direction along the educt and the product of which primarily flow while moving in the z direction is enriched or depleted in quantity. Thus the pores are in the area high educt fractions are to be designed in their diameter so that the middle Pore diameter is smaller than in the area of high product proportions. By priority The direction of flow and the primary direction of enrichment and depletion result overall a gradient that is formed from both preferred directions.

Anhand von Strukturuntersuchungen kann die tatsächliche Porenverteilung und deren Struktur ermittelt werden. Insbesondere optische Untersuchungsverfahren dienen zur Analyse, ob die Gasdiffusionslage die erfindungsgemäßen Eigenschaften aufweist. Eine Untersuchung kann sowohl in-situ, das heisst innerhalb einer Brennstoffzelle, als auch ex-situ, das heisst ausserhalb der Brennstoffzelle, durchgeführt werden. Unter entsprechender Vergrößerung kann an Hand der Struktur und der Geometrie der Poren auf das Gasdurchlässigkeitsverhalten und die Form der Poren geschlossen werden. Daraus ergibt sich der Gradient des Durchmessers. Ein weiteres Verfahren zur Bestimmung, ob eine Gasdiffusionslage die erfindungsgemäßen Eigenschaften aufweist, besteht in einer Kontaktwinkelmessung einer Flüssigkeitsprobe auf Grundlage der Gleichungen von Laplace-Young und Bashforth-Adams. Hierzu wird die Flüssigkeitsprobe, in der Regel Wasser in einer Dosierung von 0,2 µl oder von 0,1 µl, zuerst auf die eine Seite und dann auf die andere Seite des porösen, leitfähigen Materials gegeben. Die Kapillarität innerhalb des porösen, leitfähigen Materials führt dazu, dass die Kontaktwinkel, die sich an den Seiten, die auch als Oberflächen bezeichnet werden können, des porösen, leitfähigen Materials bilden, unterschiedlich ausfallen. Zur Messung des Kontaktwinkels auf der Membranseite wird das poröse, leitfähige Material flächig ausgebreitet. Die Membranseite befindet sich an der Oberseite. Die Flüssigkeitsprobe wird dosiert aufgebracht und der Kontaktwinkel gemessen. Hernach wird die Flüssigkeitsprobe durch saugfähiges Material entfernt. Die Messungen werden mehrfach wiederholt und einer statistischen Auswertung unterzogen. Die Kontaktwinkelmessung kann mit dem Messgerät der Firma Dataphysics Instruments GmbH aus Filderstadt mit der Bezeichnung OCA 20 + E-MD/4 und der entsprechenden Software mit der Bezeichnung SCA 20 + 21 durchgeführt werden. Vereinfachend ist davon auszugehen, dass der Tropfen der Probeflüssigkeit durch zwei wesentliche Radien R1 und R2 dargestellt werden kann. Anschließend wird die gleiche Messreihe für die Medienzuführseite durchgeführt. Die Ergebnisse der Messungen in Bezug auf die Medienzuführseite und die Membranseite werden miteinander verglichen. Um Fehlmessungen zu minimieren, sollten verschiedene Stellen auf dem porösen, leitfähigen Material untersucht werden. So kann es zwar sein, dass an einer Stelle des porösen, leitfähigen Materials die Messungen auf beiden Seiten nahezu identisch sind, aber die durchschnittlichen Kontaktwinkelmessungsergebnisse je nach Seite von einander stärker abweichen. The actual pore distribution and its structure can be determined on the basis of structural examinations be determined. Optical examination methods in particular are used to analyze whether the Gas diffusion layer has the properties according to the invention. An investigation can both in-situ, i.e. within a fuel cell, and ex-situ, i.e. outside of the fuel cell. With appropriate enlargement can based on the structure and geometry of the pores on the gas permeability behavior and the shape of the pores are closed. The gradient of the diameter results from this. Another method for determining whether a gas diffusion layer according to the invention Has properties, consists in a contact angle measurement of a liquid sample Basis of the Laplace-Young and Bashforth-Adams equations. For this, the Liquid sample, usually water in a dosage of 0.2 µl or 0.1 µl, first placed on one side and then on the other side of the porous, conductive material. The Capillarity within the porous, conductive material causes the contact angle to be that on the sides, which can also be called surfaces, of the porous, form conductive material, turn out differently. To measure the contact angle on the The porous, conductive material is spread over the membrane side. The membrane side is on the top. The liquid sample is applied in doses and the Contact angle measured. After that, the liquid sample becomes absorbent material away. The measurements are repeated several times and a statistical evaluation subjected. The contact angle measurement can be done with the measuring device from Dataphysics Instruments GmbH from Filderstadt with the designation OCA 20 + E-MD / 4 and the appropriate software called SCA 20 + 21. To simplify it can be assumed that the drop of the sample liquid by two essential radii R1 and R2 can be represented. Then the same Measurement series carried out for the media feed side. The results of the measurements related to the media supply side and the membrane side are compared with each other. Around To minimize erroneous measurements, there should be different locations on the porous, conductive Material to be examined. So it may be that at one point the porous, conductive Materials the measurements on both sides are almost identical, but the average The contact angle measurement results may differ more depending on the side.

Es ist offensichtlich, dass auch in den Bereich der Erfindung Gasdiffusionslagen gehören, die nicht über den gesamten Bereich der tunnelförmigen Poren den gleichen Kontaktwinkel und somit die gleiche Kapillarität aufweisen. So kann es wünschenswert sein, an manchen Stellen innerhalb der Pore geringere Kontaktwinkel zu haben. Insbesondere in dem Bereich der Öffnung zum Gasraum hin ist es teilweise wünschenswert einen Kontaktwinkel zu haben, der geringer als 90° ist. Es versteht sich aber von selbst, dass der wesentliche Kern der Erfindung dadurch nicht verändert wird. It is obvious that gas diffusion layers also belong to the scope of the invention not the same contact angle and over the entire area of the tunnel-shaped pores thus have the same capillarity. So it may be desirable in some places to have smaller contact angles within the pore. Especially in the area of Opening to the gas space, it is sometimes desirable to have a contact angle that is less than 90 °. However, it goes without saying that the essential essence of the invention is not changed by this.

Claims

1. gas diffusion layer made of porous, conductive material of a fuel cell, which forms at least one product from starting materials,
with a membrane side and
a media feed side,
wherein the pores of the porous, conductive material are at least partially tunnel-like,
a three-phase zone is formed in the pores between the starting materials, the product and the conductive material,
characterized in that
the mean diameter of the tunnel-like pores is dimensioned such that a resultant force from the adhesive force between the product and the surface of a tunnel-like pore and the cohesive force within the product acts in the direction of the porous, conductive material,
so that there is a capillarity of the product from the membrane side to the media supply side.

2. Gas diffusion layer of a fuel cell according to claim 1, further characterized in that
the fuel cell is a polymer membrane fuel cell,
whose starting materials are an oxygen-containing and a hydrogen-containing gas,
whose product is water
and whose starting material supply is at least partially low stoichiometric.

3. Gas diffusion layer of a fuel cell according to claim 1, further thereby characterized that the gas diffusion layer is a cathode gas diffusion layer, the conductive, porous Material is a graphite-containing material.

4. Gas diffusion layer of a fuel cell according to claim 1, further thereby characterized that the gas diffusion layer is an anode gas diffusion layer, the conductive, porous Material is a graphite-containing material.

5. Gas diffusion layer of a fuel cell according to claim 1, further thereby characterized that the gas diffusion layer with a layer comprising at least two layers different average pore diameters.

6. Gas diffusion layer of a fuel cell according to claim 1, further characterized in that
the porosity ε of the conductive material is between 30% and 95%,
the average pore diameter dp of the porous material is between 0.1 µm and 200 µm,
and the contact angle between the product and the surface is greater than 95 °, preferably 120 °.

7. polymer electrolyte membrane fuel cell with at least one gas diffusion layer of a porous, conductive material,
the gas diffusion layer having a membrane side and a media supply side,
and at least one pore of the gas diffusion layer is provided with a local, average diameter in a funnel shape such that a smaller, average diameter is formed in the vicinity of the membrane side than in the vicinity of the media supply side,
and water forms in the pore of the fuel cell,
characterized in that
capillarity acts on the water from the membrane side to the supply side within the pore.

8. The polymer electrolyte membrane fuel cell according to claim 7, further characterized in that
that the gas diffusion layer is a cathode gas diffusion layer and / or an anode gas diffusion layer, and
the porous, conductive material is a graphite-containing material.