EP4330446A1

EP4330446A1 - Gasdiffusionsschicht für eine elektrochemische zelle und elektrochemische zelle

Info

Publication number: EP4330446A1
Application number: EP22717156.8A
Authority: EP
Inventors: Simon Kießlich; Alexander Spies
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2021-05-31
Filing date: 2022-03-23
Publication date: 2024-03-06
Also published as: EP4098773A1; CA3221783A1; US20240247384A1; CN117413092A; AU2022285042B2; AU2022285042A1; WO2022253476A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasdiffusionsschicht (50) für eine elektrochemische Zelle (90) aufweisend eine Kontaktierungseinheit (10) und eine Metalleinheit (12), welche an oder auf der Kontaktierungseinheit (10) angeordnet ist. Die Metalleinheit (12) weist bezüglich zu einer ebenen Grundfläche (30) mit vorgegebener Dicke (d) mehrere Erhebungen (14) im Wesentlichen senkrecht zu der Grundfläche (30) auf. An wenigstens einer Seitenfläche (15) oder Oberfläche (13) der mehreren Erhebungen (14) der Metalleinheit (12) ist mindestens eine Öffnung (16) gebildet. Dabei beträgt eine jeweilige Ausdehnung (18) der mehreren Erhebungen (14) mindestens ein Dreifaches der Dicke (d) der Metalleinheit (12).

Description

Beschreibung

Gasdiffusionsschicht für eine elektrochemische Zelle und elektrochemische Zelle

Die Erfindung betrifft eine Gasdiffusionsschicht für eine elektrochemische Zelle sowie eine elektrochemische Zelle. Die elektrochemische Zelle kann zum Beispiel eine Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle sein.

Bei Elektrolysezellen, wie zum Beispiel einer PEM-Elektroly- sezelle, kommen häufig Gasdiffusionsschichten im Zellinneren zum Einsatz. Die Gasdiffusionsschicht erfüllt dabei verschie dene Aufgaben. Zum einen soll eine elektrische Kontaktierung einer Membran zu einer Bipolarplatte ermöglicht werden. Des Weiteren sollen entstandene Prozessmedien, wie zum Beispiel Wasserstoff oder Sauerstoff, zuverlässig abgeleitet werden. Anderes Prozessmedien, wie zum Beispiel Wasser, sollen zu gleich zugeführt werden. Deshalb muss eine Gasdiffusions schicht neben einer gewissen Porosität auch mechanische, elektrische und topologische Eigenschaften aufweisen, welche die vorgenannten Aufgaben erfüllen können.

Derzeitige Gasdiffusionsschichten sind zwar vorhanden, jedoch meist sehr kostenintensiv. Bei Sinterscheiben ist beispiels weise meist eine graduierte Oberfläche nötig. Dazu werden häufig Pulver miteinander verpresst, gesintert und/oder mit einander verschmolzen. Damit wird versucht, eine Größe oder Eigenschaft der Sinterscheibe für die Gasdiffusionsschicht optimal einzustellen. Häufig ist eine aufwändige thermische Behandlung nötig, um eine geeignete Gasdiffusionsschicht her zustellen. Aufgrund dieses Aufwands besteht ein Bedürfnis nach einer effizienteren und vor allem kostengünstigeren Her stellung einer Gasdiffusionsschicht. Derzeitige Elektrolyse zellen sind noch nicht für einen größeren Maßstab ausgelegt. Damit ist insbesondere gemeint, dass solche Elektrolysezellen Leistungen im Kilowatt- oder Megawattbereich erbringen sol len. Gerade bei Elektrolysezellen, welche zum Beispiel für den Flugverkehr geeignet sein sollen, ergibt sich rasch eine entsprechende Dimensionierung solcher Elektrolysezellen. Ge rade im Hochleistungsbereich rückt der Aspekt der Wirtschaft lichkeit bei Elektrolysezellen in den Vordergrund. Um auch solche Elektrolysezellen, insbesondere PEM-Elektrolysezellen (PEM = Proton-Exchange-Membrane) sinnvoll betreiben zu kön nen, muss der Anschaffungspreis pro Kilowatt Leistung deut lich fallen. Dazu ist es erforderlich, bei allen nötigen Bau teilen nach einem Kostenreduzierungspotential Ausschau zu halten. Mit den derzeit vorhandenen Strukturen ist dies kaum möglich.

Die Patentschrift EP 3140 434 Bl beschreibt eine Gasdiffusi onsschicht und eine elektrochemische Zelle mit einer solchen Gasdiffusionsschicht. Die Gasdiffusionsschicht dient zum An bringen zwischen einer Bipolarplatte und einer Elektrode ei ner elektrochemischen Zelle. Mindestens zwei übereinander ge schichtete Lagen sind dabei als eine progressive Federkennli nie ausgebildet. Zwar kann mit einer derartigen Gasdiffusi onsschicht eine kontrollierte Strömung von Prozessmedien er möglicht werden, jedoch gelingt es damit nicht in ausreichen dem Maße, eine Wirtschaftlichkeit von Elektrolysezellen zu verbessern.

Die Offenlegungsschrift DE 102017 130 489 Al betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle beinhaltet eine gewellte Platte mit einem Lochmuster, beste hend aus mindestens einer ersten Lochreihe, sowie eine zweite Platte, die an der gewellten Platte abdichtend angeordnet ist. Die gewellte Platte ist aus einem Metallblech ausgebil det und weist eine regelmäßige Wellenform aus ansteigenden und abfallenden Wellen auf. Hinsichtlich einer Gasdiffusions schicht werden keine spezifischen Angaben gemacht. Die Gas diffusionsschicht ist als einfache rechteckige Schicht darge stellt.

Eine Aufgabe der Erfindung kann darin gesehen werden, Kompo nenten für elektrochemische Zellen wirtschaftlicher herzu- stellen. Insbesondere sollen leistungsfähige elektrochemische Zellen günstiger hergestellt werden können beziehungsweise deren Wirtschaftlichkeit erhöht werden.

Diese Problematik geht diese Erfindung mit den unabhängigen Ansprüchen dieser Anmeldung an. Alternative und sinnvolle Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen, der Beschrei bung sowie den Figuren angegeben.

Die Erfindung sieht eine Gasdiffusionsschicht für eine elekt rochemische Zelle vor, die eine Kontaktierungseinheit und ei ne Metalleinheit aufweist. Die Metalleinheit ist an oder auf der Kontaktierungseinheit angeordnet. Insbesondere kann die Metalleinheit unmittelbar an oder auf der Kontaktierungsein heit angeordnet sein. Die Metalleinheit weist bezüglich zu einer ebenen Grundfläche mit vorgegebener Dicke mehrere Erhe bungen im Wesentlichen senkrecht zu der Grundfläche auf. Die ebene Grundfläche kann Teil der Metalleinheit sein. Die Me talleinheit kann somit aus der ebenen Grundfläche gebildet sein. Die Metalleinheit kann ein gestanztes und/oder gepräg tes Blech sein.

Jedoch ist auch möglich, dass die ebene Grundfläche eine pro jizierte Ebene entlang einer normalen Richtung darstellt. Bei einer gewellten, v-förmigen oder w-förmigen Metallplatte kann zum Beispiel eine ebene Auflagefläche, wie zum Beispiel eine ebene Tischfläche, die ebene Grundfläche repräsentieren. In einem solchen Fall ist die ebene Grundfläche nicht Teil der Metalleinheit. Bevorzugt ist die ebene Grundfläche Teil der Metalleinheit. Die Metalleinheit kann somit die ebene Grund fläche beinhalten beziehungsweise weist die ebene Grundfläche auf.

Die Metalleinheit beinhaltet insbesondere bezüglich der ebe nen Grundfläche mit vorgegebener Dicke mehrere Erhebungen im Wesentlichen senkrecht zu der Grundfläche. Dabei kann der Be griff „im Wesentlichen senkrecht" bedeuten, dass auch Abwei chungen von 90 Grad möglich sind. „Im Wesentlichen senkrecht" kann insbesondere einen Winkel von 75 bis 110° von der jewei ligen Erhebung zu der Grundfläche umfassen.

An wenigstens einer Seitenfläche oder Oberfläche der mehreren Erhebungen der Metalleinheit ist mindestens eine Öffnung aus gebildet. Dabei beträgt eine jeweilige Ausdehnung der mehre ren Erhebungen insbesondere mindestens ein Dreifaches der Di cke der Metalleinheit. Die jeweilige Ausdehnung der mehreren Erhebungen senkrecht zu der Metalleinheit oder senkrecht zu der ebenen Grundfläche beträgt mindestens ein Dreifaches der Dicke der Metalleinheit. Diese jeweilige Ausdehnung ist be vorzugt ein senkrechter Abstand, senkrechte Strecke, senk rechte Höhe oder ein senkrechtes Maß der Erhebung zu der Grundfläche oder der Metalleinheit. Die Erhebung kann ferner eine Längsausdehnung und eine Querausdehnung aufweisen. Die Längsausdehnung ist insbesondere eine Erstreckung der Erhe bung parallel zur Grundfläche. Die Querausdehnung ist insbe sondere ebenfalls eine Erstreckung der Erhebung parallel zur Grundfläche, jedoch zur Längsausdehnung senkrecht ausgebil det. Die jeweilige Ausdehnung der mehreren Erhebungen ist be vorzugt ein senkrechter Abstand der Erhebung zur ebenen Grundfläche der Metalleinheit beziehungsweise ein senkrechtes herausragendes Maß der jeweiligen Erhebung aus der ebenen Grundfläche der Metalleinheit.

Die Öffnung kann eine Bohrung oder ein Loch sein. Die Öffnung kann als Ausnehmung ausgebildet sein, welche einen Gasdurch tritt durch die Metalleinheit ermöglicht. Insbesondere kann die Öffnung oder die mehreren Öffnungen einen Gastransport von einer ersten Seite der Metalleinheit zu einer gegenüber liegenden zweiten Seite der Metalleinheit erlauben. Die je weilige Ausdehnung der mehreren Erhebungen kann ein Vierfa ches, Fünffaches, Sechsfaches, Siebenfaches, Achtfaches, Neunfaches oder mehr als ein Zehnfaches der Dicke der Metall einheit betragen. Die Dicke der Metalleinheit bezieht sich bevorzugt auf die ebene Grundfläche der Metalleinheit. Die Metalleinheit kann als Metallblech ausgebildet sein. Ins besondere kann die Metalleinheit als Halbzeug ausgebildet sein. Ein Halbzeug kann insbesondere ein Vormaterial bedeu ten, was ein vorgefertigtes Rohmaterial, Werkstück oder Halb fabrikat sein kann. Einfache Profile, Stangen, Rohre, Platten oder Metallbleche können als Halbzeug aufgefasst werden. Sol che Halbzeug-Varianten können jeweils als Metalleinheit aus gebildet sein. Die Metalleinheit kann beispielsweise ein Blech mit einer Dicke von 1 bis 5 mm sein.

Die Öffnungen resultieren insbesondere aufgrund der mindes tens einen Erhebung. Dabei kann die Öffnung an einer Seiten fläche dieser Erhebung und/oder an einer Frontfläche dieser Erhebung angeordnet sein. Damit kann eine Durchlässigkeit normal zur Blechebene beeinflusst werden. Bevorzugt wird ein Blech als Metalleinheit eingesetzt, da dies besonders kosten günstig ist. Die mindestens eine Erhebung ist bevorzugt eine Schlitzbrückenlochung. Ein Metallblech mit Schlitzbrückenlo chung kann zum Beispiel durch einen Stanzprozess gewonnen werden. Die Kontaktierungsschicht wird insbesondere auf der Seite der Metalleinheit angeordnet, welche von den Erhebungen abgewandt ist. So kann kostengünstig eine Gasdiffusions schicht für eine elektrochemische Zelle geschaffen werden.

Eine zusätzliche oder alternative Ausführungsform sieht vor, dass eine Anordnung der mehreren Erhebungen und deren jewei lige Ausdehnungen so bestimmt sind, dass die Metalleinheit zusammen mit der Kontaktierungseinheit eine Federkomponente bilden, welche eine degressive Federkennlinie aufweist. Die Anordnung der mehreren Erhebungen und deren jeweilige Ausdeh nungen können insbesondere eine Anzahl und Position der dazu gehörigen Öffnungen umfassen. Insbesondere werden die Erhe bungen durch die Öffnungen nicht von der Metalleinheit ge trennt. So können die Erhebungen beispielsweise zylinderför mig, dreieckförmig oder quaderförmig sein. Auch eine Mischung unterschiedlicher, geometrischer Formen hinsichtlich der Er hebungen ist möglich. Die jeweilige Anordnung und Ausdehnung der Erhebungen inklusive der dazugehörigen Öffnungen können mithilfe eines Finite-Elemente-Verfahrens im Vorfeld ermit telt werden. Hierbei hat sich die Schlitzbrückenlochung als besonders effizient erwiesen. Zugleich kann die Schlitzbrü ckenlochung kostengünstig hergestellt werden. Die Schlitzbrü ckenlochung kann sich insbesondere durch eine längliche Erhe bung auszeichnen. Sie kann als alternierendes Reißverschluss muster beschrieben werden. Jede Schlitzbrücke hebt sich dabei von einer Grundfläche des Metallblechs ab. Zugleich ist im Bereich der Schlitzbrückenlochung eine Öffnung vorhanden, die einen Gastransport durch die Metalleinheit ermöglicht. Bevor zugt können die Anordnung und die jeweilige Ausdehnung der Erhebungen so bestimmt sein, dass bei einer Herstellung der Gasdiffusionsschicht möglichst wenig Verschnitt an der Metal leinheit entsteht. Daher wird bevorzugt ein Stanzprozess ein gesetzt, da hier kein Verschnitt entsteht.

Eine zusätzliche oder alternative Ausführungsform betrifft eine Gasdiffusionsschicht, wobei alle jeweiligen Erhebungen im Wesentlichen dieselbe Ausdehnung haben. „Im Wesentlichen dieselbe Ausdehnung" kann insbesondere bedeuten, dass die kleinste Erhebung sich um höchstens 10 % von der größten Er hebung unterscheidet. Hierbei wird bevorzugt die jeweils größte Erhebung als Bezugsgröße verwendet. Zugleich ist hier bevorzugt vorgesehen, dass die jeweiligen Erhebungen gleich artig, regelmäßig und/oder homogen angeordnet sind. Die An ordnung der mehreren Erhebungen entspricht somit insbesondere einem regelmäßigen Muster. Dies ist besonders von Vorteil, da solche Erhebungen mittels einfacher Fertigungsprozesse, wie zum Beispiel Stanzprozesse, umsetzbar sind. Eine gestanzte Metallplatte oder ein gestanztes Metallblech kann so zu einer Metalleinheit mit regelmäßigen Erhebungen umgeformt werden. Die so geformten Erhebungen entsprechen insbesondere einem verwendeten Stanzprofil einer Stanzmaschine. So kann beson ders einfach eine entsprechende Metalleinheit geschaffen wer den.

Eine zusätzliche oder alternative Ausführungsform sieht vor, dass eine Anordnung und/oder Ausdehnung der Erhebungen be- treffend einen Abstand der Erhebungen zueinander, eine Be schaffenheit der Erhebung, die Ausdehnung der Erhebung in Ab hängigkeit von einem vorgegebenen Parameter der Gasdiffusi onsschicht, insbesondere einer Zelldicke und/oder eines An pressdrucks der Gasdiffusionsschicht, bestimmt ist. Die Aus dehnung der Erhebung kann als eine Höhe der Erhebung angese hen werden. Durch eine entsprechend höhere Erhebung kann eine Zelldicke der Gasdiffusionsschicht eingestellt werden. Ebenso können ein Anpressdruck sowie eine Verteilung des Anpress drucks durch die Anordnung und/oder Ausdehnungen der Erhebun gen eingestellt werden. Bevorzugt werden die Erhebungen hin sichtlich ihrer Anordnung und/oder Ausdehnungen so bestimmt, dass sich ein homogener Anpressdruck in der Gasdiffusions schicht ergibt. Durch eine Anpassung der Geometrie in Bezug auf den Abstand und die Beschaffenheit der Erhebungen können unterschiedliche Zelldicken sowie eine Homogenität des An pressdrucks auch bei geringem Niveau des Anpressdrucks ziel sicher eingestellt werden. Ebenso kann eine Porosität der Gasdiffusionsschicht und somit der Stofftransport beeinflusst werden. Somit kann mit Hilfe des Stanzprozesses auf einfache und gezielte Weise auf wichtige Parameter, wie etwa die Homo genität des Anpressdrucks, die Porosität sowie die Zelldicke der Gasdiffusionsschicht, Einfluss genommen werden. Bei einer Ermittlung der Anordnung und Ausdehnungen der mehreren Erhe bungen kann eine Simulation oder ein Finite-Elemente- Verfahren zum Einsatz kommen. Mit einfachen und kostengünsti gen Methoden kann so eine kostengünstigere und dennoch effi ziente Gasdiffusionsschicht geschaffen werden.

Eine zusätzliche oder alternative Ausführungsform sieht vor, dass die mehreren Erhebungen und die Metalleinheiten monoli thisch sind. Die mehreren Erhebungen sind insbesondere keine separaten Komponenten. Sie sind bevorzugt aus demselben Mate rial gefertigt wie die Metalleinheit. Die mehreren Erhebungen und die Metalleinheit bilden somit insbesondere eine einheit liche oder einteilige Komponente. Die mehreren Erhebungen und die Metalleinheit können somit als eine einheitliche Kompo nente oder einheitliches Bauteil betrachtet werden. Auch wenn Öffnungen an einer Oberfläche oder der Seitenfläche der Erhe bungen angeordnet sind, so können die mehreren Erhebungen und die Metalleinheit dennoch monolithisch ausgebildet sein. Sie sind in diesem Fall aus demselben Material beziehungsweise bestehen aus demselben Material. Somit kann eine einheitliche Metalleinheit inklusive der dazugehörigen Erhebungen geschaf fen werden.

Eine zusätzliche oder alternative Ausführungsform sieht vor, dass die Kontaktierungseinheit als ein Vlies, Metallgewebe und/oder Karbonpapier ausgebildet ist und/oder die Metallein heit als Blech, Metallschaum, Metallgewebe, Lochblech und/oder Schlitzbrückenblech ausgebildet ist. Die Kontaktie rungseinheit dient insbesondere zur gleichmäßigen Kontaktie rung der Gasdiffusionsschicht an weitere Komponenten einer elektrochemischen Zelle. Dies kann zum Beispiel eine Elektro de, eine Bipolarplatte oder eine Membran sein. Die Metallein heit in Form des Blechs kann mehrere Löcher aufweisen. Bevor zugt ist die Metalleinheit eine Metallplatte mit einer Schlitzbrückenlochung. Mittels einer Schlitzbrückenlochung kann einfach und effektiv eine Porosität der Metalleinheit vergrößert werden. Die Porosität kann insbesondere ein Quoti ent aus der senkrechten Ausdehnung der Erhebung zur Metal leinheit zu einer Gesamtausdehnung der Metalleinheit in senk rechter Richtung sein. Weist beispielsweise eine 1 mm dicke Metallplatte eine dazu senkrechte Erhebung um weitere 4 mm auf, so ergäbe sich in diesem Fall für die Porosität P = 4 mm / 5 mm = 0,8 = 80 %. Ein derartig gestanztes Metallblech entspricht einer Porosität von 80% im Sinne dieser Anmeldung. Mit Hilfe von einer Schlitzbrückenlochung kann besonders ein fach und kostengünstig die Porosität der Metalleinheit einge stellt werden. So kann kostengünstig ein Bauteil für elektro chemische Zellen hergestellt werden.

Eine zusätzliche oder alternative Ausführungsform sieht vor, dass die Metalleinheit eine Porosität von mindestens 80 % aufweist, welche durch die mehreren Erhebungen der Metallein heit gebildet ist. Eine höhere Porosität kann zum Beispiel durch eine größere Ausdehnung der Erhebungen senkrecht zur Metalleinheit erreicht werden. So können durch entsprechend tieferes Stanzen größere Erhebungen erzeugt werden. Somit kann die Porosität der Metalleinheit und somit der Gasdiffu sionsschicht erhöht werden.

Die Erfindung betrifft ebenfalls eine elektrochemische Zelle mit einer Gasdiffusionsschicht. Die elektrochemische Zelle kann dazu eine Bipolarplatte und eine Elektrode aufweisen. Dabei ist die Gasdiffusionsschicht auf einer ersten Seite mit der Bipolarplatte und auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite mit der Elektrode kontaktiert. Die Elektrode kann wie derum mit einer Membran kontaktiert sein. Demnach kann die elektrochemische Zelle eine Membran aufweisen. Die elektro chemische Zelle kann als eine Elektrolysezelle oder als eine Brennstoffzelle ausgebildet sein. Aufgrund der einfach herzu stellenden Gasdiffusionsschicht kann so eine kostengünstige und zugleich effiziente elektrochemische Zelle geschaffen werden.

Eine zusätzliche oder alternative Ausführungsform sieht vor, dass die Gasdiffusionsschicht mit der Bipolarplatte und/oder der Elektrode kraftschlüssig, formschlüssig und/oder stoff schlüssig verbunden ist. Somit kann die Gasdiffusionsschicht mit der Bipolarplatte und mit der Elektrode in verschiedens ter Weise damit verbunden sein. Die Art der Verbindung kann kraftschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig sein. Eine kraftschlüssige Verbindung kann sich beispielsweise durch ein Aufeinanderlegen und Verpressen der jeweiligen Schichten ergeben. Die formschlüssige Verbindung kann sich zum Beispiel durch ein Ummanteln mit einem Metallgewebe und einem anschließenden Verpressen ergeben. Eine stoffschlüssige Verbindung kann durch ein Verschweißen der jeweiligen Kompo nenten erzeugt werden. Die genannten Verbindungsarten können auch zwischen der Gasdiffusionsschicht und der Membran vor handen sein. Da die beschriebene Gasdiffusionsschicht deut lich leichter und kostengünstiger herzustellen ist, wirkt sich dieser Vorteil dementsprechend auf die elektrochemische Zelle aus. So kann eine im Vergleich zu früher deutlich kos tengünstigere elektrochemische Zelle geschaffen werden. Dies kann bei der Umsetzung der Energiewende hilfreich sein.

Die Erfindung wird nun anhand beigefügter Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen repräsentieren dabei beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Dabei zeigt:

FIG 1: eine schematische Ansicht einer Gasdiffusions schicht mit Metalleinheit und Kontaktierungskompo nente im Querschnitt;

FIG 2: eine beispielhafte degressive Federkennlinie für die Gasdiffusionsschicht;

FIG 3: eine beispielhafte Metalleinheit mit einer Schlitz brückenlochung;

FIG 4: ein abgekantetes Lochblech als Metalleinheit;

FIG 5: in schematischer Darstellung eine elektrochemische

Zelle zusammen mit der Gasdiffusionsschicht.

In FIG 1 ist eine beispielhafte Gasdiffusionsschicht 50 im Querschnitt gezeigt. Dabei sind mehrere Komponenten der Gas diffusionsschicht 50 zu erkennen. Im unteren Bereich ist die Kontaktierungseinheit 10 zu erkennen. Oberhalb dieser Kontak tierungseinheit 10 schließt sich die Metalleinheit 12 mit ei ner dazugehörigen ebenen Grundfläche 30 an. Die Metalleinheit 12 weist dabei eine Dicke d auf.

In FIG 1 sind senkrechte Erhebungen 14 aus der Metalleinheit 12 zu erkennen. Diese Erhebungen 14 weisen jeweils Seitenflä chen 15 und Oberflächen 13 auf. Im Bereich der Seitenflächen 15 und Oberflächen 13 sind bevorzugt Öffnungen 16 vorhanden oder angeordnet. Eine jeweilige Ausdehnung 18 dieser Erhebun- gen 14 sind größer als die Dicke d der Metalleinheit 12. Die Ausdehnung 18 kann die Dicke d der Metalleinheit 12 mindes tens um ein Dreifaches, Vierfaches, Fünffaches, Sechsfaches, Siebenfaches, Achtfaches, Neunfaches sowie Zehnfaches über steigen.

Im Beispiel der FIG 1 sind die mehreren Erhebungen 14 säulen förmig ausgebildet. Die Erhebungen 14 können jedoch auch ei nen Winkel zur Grundfläche 30 der Metalleinheit 12 ausbil den. Insbesondere kann dabei ein schräger Winkel eingenom men werden. Im linken Bereich der FIG 1 ist gestrichelt eine schräge Erhebung 14 angedeutet. Bevorzugt jedoch kommen senk rechte Erhebungen 14 zum Einsatz. Senkrecht kann dabei auch „im Wesentlichen senkrecht" bedeuten, was wiederum einen Win kel von 75 bis 110° umfassen kann. In FIG 1 ist ein schräger Winkel angedeutet. Bevorzugt entspricht dieser schräge Win kel jedoch einem senkrechten Lot, was in FIG 1 bei der linken Erhebung 14 angedeutet ist.

Dabei kann eine Erhebung 14 eine oder mehrere Öffnungen 16 aufweisen. Diese Öffnungen 16 befinden sich insbesondere an den Seitenflächen 15 der Erhebungen 14 und/oder an der Ober fläche 13 der Erhebungen 14. Ebenso ist es möglich, dass alle Erhebungen 14 Öffnungen 16 aufweisen. Die Öffnungen 16 sind bevorzugt an jeweiligen Seitenflächen 15 der Erhebungen 14 angeordnet. Die Öffnungen 16 können jedoch auch an der Ober fläche 13 der Erhebung 14 angeordnet sein. Die Oberfläche 13 der jeweiligen Erhebung 14 ist der Metalleinheit 12 insbeson dere abgewandt. Die Öffnungen 16, die in der FIG 1 zu sehen sind, sind jeweils an den Seitenflächen 15 der Erhebungen 14 angeordnet. In senkrechter Richtung zur Grundfläche 30 der Metalleinheit 12 schließt sich die Oberfläche 13 der Erhebung 14 an.

Ein Kerngedanke dieser Erfindung ist die Verwendung einer Struktur, bei der Brücken, Stege, Halbkreise oder ähnliche Erhebungen in einem Fertigungsschritt aus dem Blech gestanzt und geprägt werden. Dabei werden diese Erhebungen bevorzugt nicht von dem Blech 12 getrennt. Somit können die in FIG 1 gezeigten Erhebungen 14 als Brücken, Stege, Halbkreise oder ähnliche Erhebungen ausgeprägt sein. Die Öffnungen 16 ermög lichen einen Stoff- oder Gastransport von einer Seite des Blechs 12 zu einer gegenüberliegenden Seite des Blechs 12.

Die erste Seite der Metalleinheit 12 ist in FIG 1 auf dem Kontaktierungselement 10 angeordnet.

Die zweite Seite der Metalleinheit 12 beinhaltet die mehreren Erhebungen 14. Die in FIG 1 gezeigte Gasdiffusionsschicht 50 entsteht insbesondere durch einen Stanzprozess. Dabei ent steht kein Verschnitt, was zu entsprechenden Kostenvorteilen führen kann. Bevorzugt kommt eine Schlitzbrückenlochung zum Einsatz. Die Form und Anordnung der mehreren Erhebungen 14 kann auch durch eine Nasenlochung oder Schlitzbogenlochung geschaffen werden. Dabei kann eine poröse und elektrisch lei tende Schicht mit einem mechanischen Federhalten erzeugt wer den.

Durch eine Anpassung der Geometrie in Bezug auf den Abstand und die Beschaffenheit der Erhebungen 14 können unterschied liche Zelldicken sowie eine Homogenität des Anpressdrucks auch bei einem geringen Niveau dessen zielsicher eingestellt werden. Dadurch können die Porosität der Metalleinheit 12 be ziehungsweise der Gasdiffusionsschicht 50 und somit die Mög lichkeit des Stofftransports einfach und gezielt beeinflusst werden. Bei einem veränderten Druckniveau im Bereich der Gas diffusionsschicht 50 können sich dadurch größere oder kleine re Gasblasen ergeben. Die Porosität der Metalleinheit 12 so wie der Gasdiffusionsschicht 50 kann insbesondere in Abhän gigkeit von vorgegebenen Druckverhältnissen in elektrochemi schen Zellen abhängig sein. Somit kann eine Ausdehnung, An ordnung und/oder Form der mehreren Erhebungen 14 in Abhängig keit von einem Betriebsdruck einer elektrochemischen Zelle 90 abhängig sein.

Bei einem klassischen Lochblech als Metalleinheit 12 ist ein Stofftransport normal zur Blechebene bereits möglich. Um eine entsprechende Porosität des Lochblechs herzustellen, wird das Lochblech geprägt beziehungsweise tiefgezogen, ohne dabei die Struktur des Lochblechs zu trennen. So kann eine Porosität hinsichtlich des Transports der Prozessmedien parallel zur Blechebene ermöglicht werden. Dies ist beispielsweise durch regelmäßiges gegenseitiges Abkanten oder durch eine wellen förmige Prägung des Blechs möglich. Ein solcher Prozess kann gewählt werden, wenn Stanzen nicht zum Einsatz kommen soll oder kann.

Eine Verwendung der in der FIG 1 beschriebenen Struktur als Gasdiffusionsschicht 50 oder Gasdiffusionselektrode ist denk bar, wahrscheinlicher ist jedoch die Verwendung dieser Struk turen als Federschicht eines Gasdiffusionsschichtverbundbau teils.

FIG 2 zeigt in diesem Zusammenhang beispielhaft eine degres sive Federkennlinie 20. Die Gasdiffusionsschicht 50 weist insbesondere die Eigenschaft der degressiven Federkennlinie 20 auf. Auf einer x-Achse ist mit s ein Federweg und auf der y-Achse ist mit p ein Druck gekennzeichnet. Man erkennt deut lich, dass bei einem zunehmenden Druck p sich der Federweg s kaum noch verändert. Die Gasdiffusionsschicht 50 weist bevor zugt ein Federverhalten auf, welches der degressiven Feder kennlinie 20 entspricht. Dies bedeutet insbesondere, dass bei zunehmenden Druckverhältnissen p die Gasdiffusionsschicht 50 weicher wird. Die degressive Federkennlinie 20 bezieht sich dabei insbesondere auf die Metalleinheit 12. In diesem Fall kann die Metalleinheit 12 auch als Federschicht bezeichnet werden. Dabei kann die Federschicht mit der dazugehörigen Po rosität mit einem Vlies kombiniert werden.

Das Vlies ist insbesondere die Kontaktierungseinheit 10. Die Kontaktierungseinheit 10 kann als Vlies, Karbonpapier, Me tallschaum, Lochblech, Metallgewebe und/oder als fein aus führbare Struktur zur Kontaktierung der Elektrode oder Memb ran ausgeführt sein. Diese genannten Kontaktstrukturen können in einer elektrochemischen Zelle 90 kraftschlüssig, form- schlüssig und/oder stoffschlüssig mit der Metalleinheit 12 verbunden sein. Somit kann die Kontaktierungseinheit 10 kraftschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit der Metalleinheit 12 verbunden sein. Dasselbe kann für eine Ver bindung der Gasdiffusionsschicht 50 mit weiteren Komponenten der elektrochemischen Zelle 90, wie zum Beispiel der Bipolar platte oder der Elektrode oder der Membran gelten. Die elekt rochemische Zelle 90 kann eine Brennstoffzelle 90 oder eine Elektrolysezelle 90 sein.

Aufgrund der vereinfachten Struktur der Gasdiffusionsschicht 50 ergeben sich bei deren jeweiliger Herstellung Kostenvor teile aufgrund geringerer Anzahl von Prozessschritten. Ein Streckblechverbund aus vielen Lagen muss beispielsweise in vielen Schritten verbunden werden. Somit kann sich eine An zahl von Prozessschritten bei einer in FIG 1 beispielhaft ge zeigten Gasdiffusionsschicht 50 deutlich reduzieren.

FIG 3 zeigt beispielhaft eine Metalleinheit 12 mit einer Schlitzbrückenlochung. Deutlich erkennbar sind die mehreren Erhebungen 14, die von der Grundfläche 30 senkrecht herausra gen. Die senkrechten Erhebungen 14 weisen auf der Oberfläche 13 eine Längsausdehnung 17 sowie eine Querausdehnung 19 auf. Im Beispiel der FIG 3 ist die Längsausdehnung 17 größer als die Querausdehnung 19. Im Beispiel der Schlitzbrückenlochung von FIG 3 kann Längsausdehnung 17 eine maximale Längsausdeh nung und/oder eine Länge bei entsprechender Ausdehnung der Erhebung 18 bedeuten. Die Ausdehnung 18 der mehreren Erhebun gen 14 bezeichnet ein Maß für die senkrechte Erhebung 14. Zu gleich sind im Bereich der Seitenflächen 15 der mehreren Er hebungen 14 jeweils Öffnungen 16 angeordnet. Diese Öffnungen 16 sind jedoch in FIG 3 schlecht zu erkennen. Sie sind den noch vorhanden.

Die in FIG 3 gezeigten mehreren Erhebungen 14 stellen eine Art Reißverschlussmuster dar. Grundsätzlich können sich die mehreren Erhebungen 14 voneinander hinsichtlich ihrer Anord nung, Größe und/oder Ausdehnung unterscheiden. Bevorzugt wird jedoch eine einheitliche oder homogene Struktur hinsichtlich der mehreren Erhebungen 14 gewählt, um so möglichst kosten günstig eine effiziente Gasdiffusionsschicht 50 zu erzeugen.

Eine alternative Ausführungsform für die Metalleinheit 12 der Gasdiffusionsschicht 50 zeigt die FIG 4. Hier ist die Metal leinheit 12 als ein abgekantetes Lochblech ausgebildet. Die ebene Grundfläche 30 ist in FIG 4 de facto nicht mehr vorhan den. Das abgekantete Lochblech resultiert aus einer Verfor mung einer ebenen Metallplatte 12 als imaginäre Grundfläche 30 für das Beispiel in FIG 4. Diese zuvor ebene Metallplatte 12 ist in FIG 4 schematisch angedeutet. Aufgrund dieser Ver formung ergibt sich im Fall von FIG 4 ein V-förmiges oder wellenartiges Muster bezüglich der Metallplatte 12. Das in FIG 4 gezeigte abgekantete Lochblech 12 kann durch ein sich wiederholendes V-Profil beschrieben werden.

Jene V-Kanten, welche im unteren Bereich an der angedeuteten Grundfläche 30 angeordnet sind, entsprechen der Metalleinheit 12. Dies ist durch eine gestrichelte Linie in FIG 4 angedeu tet. Die Metalleinheit 12 besteht im Fall von FIG 4 aus meh reren zueinander parallelen Linien. Der Rest des abgekanteten Lochblechs entspricht dabei den mehreren Erhebungen 14. Das Beispiel in FIG 4 ist ein Extremfall der FIG 3. Die Metall einheit 12 beinhaltet im Beispiel von FIG 4 lediglich mehrere Linien, welche zum ursprünglich ebenen Lochblech Kontakt ha ben. Der Rest des abgekanteten Lochblechs repräsentiert im Fall von FIG 4 die mehreren Erhebungen 14.

Bevorzugt beträgt eine Höhe dieser mehreren Erhebungen 14 (V- förmige Erhebung) mindestens ein Dreifaches einer Dicke des ursprünglichen Lochblechs. Jener Bereich des abgekanteten Lochblechs, der sich von der ursprünglichen Ebene des Loch blechs abhebt, kann somit zur Erhebung 14 gerechnet werden. Hierbei kann vorgesehen sein, dass ein Mindestmaß an Erhebung 14 vorhanden sein muss, um eine einfachere oder bessere Zu ordnung des abgekanteten Lochblechs zur Erhebung 14 oder zur Metalleinheit 12 zu ermöglichen. Wie in FIG 4 deutlich zu er- kennen ist, beinhalten die V-Profile, also die mehreren Erhe bungen 14, zahlreiche Öffnungen 16. Dadurch kann ein entspre chender Gasaustausch ermöglicht werden.

In FIG 5 ist beispielhaft und in schematischer Darstellung die elektrochemische Zelle 90 zusammen mit der Gasdiffusions schicht 50 gezeigt. Die elektrochemische Zelle 90 kann als Brennstoffzelle 90 oder als Elektrolysezelle 90 ausgebildet sein. Durch die hier dargestellte Gasdiffusionsschicht 50 können geringe spezifische Kosten pro Quadratmeter im Ver gleich zu bisherigen Produkten bei gleicher Funktion erreicht werden. Dies resultiert insbesondere aus einer einfacheren Fertigung beziehungsweise einer Kombination einfacher Einzel teile. Zugleich ermöglicht die Gasdiffusionsschicht 50 eine einfache Anpassung an technische Bedürfnisse neuer Zellgene rationen. Dies kann durch einfache entsprechende Geometriean passungen erfolgen. Je nach Anforderung kann beispielsweise ein entsprechendes neues Stanzprofil für eine neue Geometrie gewählt werden. Dieses neue Stanzprofil kann entsprechend bei einem Fertigungsprozess zur Produktion entsprechender ange passter Metalleinheiten 12 eingesetzt werden. Das Herstellen beziehungsweise Anwenden der hier dargestellten Metalleinhei ten 12 ist auch für große Zellflächen im Quadratmeterbereich leicht umsetzbar. Dabei kann ein verbessertes Toleranzaus gleichsvermögen erreicht werden. Ebenso ergibt sich die Mög lichkeit der Anwendung von elasto-plastischem Federverhalten bei der Gasdiffusionsschicht 50 oder der elektrochemischen Zelle 90.

Claims

Patentansprüche

1. Gasdiffusionsschicht (50) für eine elektrochemische Zelle (90) aufweisend

- eine Kontaktierungseinheit (10) und

- eine Metalleinheit (12), welche an oder auf der Kontaktie rungseinheit (10) angeordnet ist, wobei

- die Metalleinheit (12) bezüglich zu einer ebenen Grundflä che (30) mit vorgegebener Dicke (d) mehrere Erhebungen (14) im Wesentlichen senkrecht zu der Grundfläche (30) aufweist,

- an wenigstens einer Seitenfläche (15) oder Oberfläche (13) der mehreren Erhebungen (14) der Metalleinheit (12) min destens eine Öffnung (16) gebildet ist und eine jeweilige Ausdehnung (18) der mehreren Erhebungen (14) senkrecht zu der Metalleinheit (12) oder senkrecht zu der ebenen Grundfläche (30) mindestens ein Dreifaches der Dicke (d) der Metalleinheit (12) beträgt.

2. Gasdiffusionsschicht (50) nach Anspruch 1, wobei eine An ordnung der mehreren Erhebungen (14) und deren jeweiligen Ausdehnungen (18) so bestimmt sind, dass die Metalleinheit

(12) zusammen mit der Kontaktierungseinheit (10) eine Feder komponente bilden, welche eine degressive Federkennlinie (20) aufweist.

3. Gasdiffusionsschicht (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei alle jeweiligen Erhebungen (14) im Wesentli chen dieselbe Ausdehnung (18) haben.

4. Gasdiffusionsschicht (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Anordnung und/oder Ausdehnung der Erhe bungen (14) betreffend einen Abstand der Erhebungen (14) zu einander, eine Beschaffenheit der Erhebung (14), die Ausdeh nung (18) der Erhebung (18) in Abhängigkeit von einem vorge gebenen Parameter der Gasdiffusionsschicht (50), insbesondere einer Zelldicke und/oder Anpressdrucks der Gasdiffusions schicht (50) bestimmt ist.

5. Gasdiffusionsschicht (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Erhebungen (14) und die Metal leinheit (12) monolithisch sind.

6. Gasdiffusionsschicht (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontaktierungseinheit (10) als ein Vlies ausgebildet ist und/oder die Metalleinheit (12) als Blech, Metallschaum, Metallgewebe, Lochblech und/oder Schlitzbrü ckenblech ausgebildet ist.

7. Gasdiffusionsschicht (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metalleinheit (12) eine Metallplatte mit einer Schlitzbrückenlochung ist.

8. Gasdiffusionsschicht (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metalleinheit (12) eine Porosität von mindestens 80 % aufweist, welche durch die mehreren Erhebun gen (14) der Metalleinheit (12) gebildet ist.

9. Elektrochemische Zelle (90) mit einer Gasdiffusionsschicht (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ferner aufwei send:

- eine Bipolarplatte,

- eine Elektrode, wobei die Gasdiffusionsschicht (50) auf ei ner ersten Seite mit der Bipolarplatte und auf einer gegen überliegenden zweiten Seite mit der Elektrode kontaktiert ist.

10. Elektrochemische Zelle (90) nach Anspruch 9, wobei die Gasdiffusionsschicht (50) mit der Bipolarplatte und/oder der Elektrode kraftschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüs sig verbunden ist.