EP4330446A1 - Gas diffusion layer for an electrochemical cell and electrochemical cell - Google Patents

Gas diffusion layer for an electrochemical cell and electrochemical cell

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EP4330446A1
EP4330446A1 EP22717156.8A EP22717156A EP4330446A1 EP 4330446 A1 EP4330446 A1 EP 4330446A1 EP 22717156 A EP22717156 A EP 22717156A EP 4330446 A1 EP4330446 A1 EP 4330446A1
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EP
European Patent Office
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gas diffusion
diffusion layer
metal
elevations
unit
Prior art date
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Pending
Application number
EP22717156.8A
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German (de)
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Inventor
Simon Kießlich
Alexander Spies
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
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Abstract

The invention relates to a gas diffusion layer (50) for an electrochemical cell (90), having a contacting unit (10) and a metal unit (12) which is arranged at or on the contacting unit (10). With respect to a main surface (30) with a defined thickness (d), the metal unit (12) has a plurality of projections (14) which are substantially perpendicular to the main surface (30). At least one opening (16) is formed on at least one side surface (15) or top surface (13) of the plurality of projections (14) of the metal unit (12). Each elongation (18) of the plurality of projections (14) is at least three times the thickness (d) of the metal unit (12).

Description

Beschreibung description
Gasdiffusionsschicht für eine elektrochemische Zelle und elektrochemische Zelle Gas diffusion layer for an electrochemical cell and electrochemical cell
Die Erfindung betrifft eine Gasdiffusionsschicht für eine elektrochemische Zelle sowie eine elektrochemische Zelle. Die elektrochemische Zelle kann zum Beispiel eine Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle sein. The invention relates to a gas diffusion layer for an electrochemical cell and an electrochemical cell. The electrochemical cell can be, for example, a fuel cell or an electrolytic cell.
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. In electrolytic cells, such as a PEM electrolytic cell, gas diffusion layers are often used inside the cell. The gas diffusion layer fulfills various ferent tasks. On the one hand, electrical contacting of a membrane to a bipolar plate should be made possible. In addition, any process media that arise, such as hydrogen or oxygen, should be reliably discharged. Other process media, such as water, should be fed in at the same time. Therefore, in addition to a certain porosity, a gas diffusion layer must also have mechanical, electrical and topological properties that can fulfill the aforementioned tasks.
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. Although current gas diffusion layers are available, they are usually very expensive. In the case of sintered discs, for example, a graduated surface is usually required. For this purpose, powders are often pressed together, sintered and/or fused together. This attempts to optimally set a size or property of the sintered disc for the gas diffusion layer. Complex thermal treatment is often necessary in order to produce a suitable gas diffusion layer. Because of this effort, there is a need for a more efficient and, above all, more cost-effective production of a gas diffusion layer. Current electrolysis cells are not yet designed for a larger scale. This means in particular that such electrolytic cells should produce outputs in the kilowatt or megawatt range. Especially with electrolytic cells, which, for example, for should be suitable for air traffic, a corresponding dimensioning of such electrolytic cells quickly results. In the high-performance range in particular, the aspect of cost-effectiveness in electrolytic cells comes to the fore. In order to be able to sensibly operate such electrolytic cells, in particular PEM electrolytic cells (PEM = Proton Exchange Membrane), the purchase price per kilowatt output must fall significantly. To do this, it is necessary to keep an eye out for potential cost reductions for all the necessary components. This is hardly possible with the current structures.
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. Patent specification EP 3140 434 B1 describes a gas diffusion layer and an electrochemical cell with such a gas diffusion layer. The gas diffusion layer serves to attach between a bipolar plate and an electrode of an electrochemical cell. At least two layers layered on top of each other are designed as a progressive spring characteristic. Although a controlled flow of process media can be made possible with such a gas diffusion layer, it is not possible to improve the economics of electrolytic cells to a sufficient extent.
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. The published application DE 102017 130 489 A1 relates to a bipolar plate for a fuel cell. The fuel cell includes a corrugated plate having a pattern of holes consisting of at least a first row of holes and a second plate sealingly attached to the corrugated plate. The corrugated plate is formed from a metal sheet and has a regular waveform of rising and falling waves. No specific information is given with regard to a gas diffusion layer. The gas diffusion layer is shown as a simple rectangular layer.
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. One object of the invention can be seen in the production of components for electrochemical cells more economically. place. In particular, it should be possible to manufacture high-performance electrochemical cells more cheaply or increase their cost-effectiveness.
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. This problem is addressed by this invention with the independent claims of this application. Alternative and sensible embodiments are given in the dependent claims, the description and the figures.
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. The invention provides a gas diffusion layer for an electrochemical cell, which has a contacting unit and a metal unit. The metal unit is arranged on or on the contacting unit. In particular, the metal unit can be arranged directly on or on the contacting unit. The metal unit has a plurality of elevations substantially perpendicular to the base with respect to a planar base of predetermined thickness. The planar base may be part of the metal unit. The metal unit can thus be formed from the flat base. The metal unit may be stamped and/or stamped sheet metal.
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. However, it is also possible that the planar base represents a projected plane along a normal direction. For example, in the case of a corrugated, v-shaped or w-shaped metal plate, a flat support surface, such as a flat table surface, can represent the flat base surface. In such a case, the planar base is not part of the metal unit. Preferably, the planar base is part of the metal unit. The metal unit can thus include the flat base or has the flat base.
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. In particular, with respect to the planar base with a predetermined thickness, the metal unit includes a plurality of elevations substantially perpendicular to the base. The term "substantially perpendicular" can mean that deviations from 90 degrees are also possible. "Substantially perpendicular". can in particular comprise an angle of 75 to 110° from the respective elevation to the base area.
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. At least one opening is formed on at least one side face or surface of the plurality of bumps of the metal unit. In this case, a respective extension of the several elevations is in particular at least three times the thickness of the metal unit. The respective extent of the plurality of elevations perpendicular to the metal unit or perpendicular to the planar base is at least three times the thickness of the metal unit. This respective extent is preferably a vertical distance, vertical distance, vertical height, or vertical dimension of elevation to the base or metal unit. The elevation can also have a longitudinal extent and a transverse extent. The longitudinal extension is in particular an extension of the elevation parallel to the base area. The transverse extension is in particular also an extension of the survey parallel to the base area, but perpendicular to the longitudinal extension. The respective extent of the plurality of elevations is preferably a vertical distance between the elevation and the flat base of the metal unit or a vertical dimension of the respective elevation that protrudes from the flat base of the metal unit.
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. The opening can be a bore or a hole. The opening can be formed as a recess which allows gas to pass through the metal unit. In particular, the opening or the plurality of openings can allow gas transport from a first side of the metal unit to an opposite second side of the metal unit. The respective extent of the plurality of elevations can be four times, five times, six times, seven times, eight times, nine times or more than ten times the thickness of the metal unit. The thickness of the metal unit preferably refers to the planar base area of the metal unit. The metal unit can be formed as a metal sheet. In particular, the metal unit can be designed as a semi-finished product. A semi-finished product can in particular mean a preliminary material, which can be a prefabricated raw material, workpiece or semi-finished product. Simple profiles, rods, tubes, plates or sheet metal can be regarded as semi-finished products. Such semi-finished product variants can each be formed as a metal unit. The metal unit can be, for example, a metal sheet with a thickness of 1 to 5 mm.
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. The openings result in particular from the at least one elevation. The opening can be arranged on a side surface of this elevation and/or on a front surface of this elevation. Permeability normal to the plane of the sheet can be influenced with this. A metal sheet is preferably used as the metal unit, since this is particularly cost-effective. The at least one elevation is preferably a slot bridge perforation. A metal sheet with a slotted bridge hole can be obtained, for example, by a stamping process. The contacting layer is arranged in particular on the side of the metal unit that faces away from the elevations. In this way, a gas diffusion layer for an electrochemical cell can be created at low cost.
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. An additional or alternative embodiment provides that an arrangement of the several elevations and their respective extensions are determined in such a way that the metal unit together with the contacting unit form a spring component which has a degressive spring characteristic. The arrangement of the several elevations and their respective expansions can in particular include a number and position of the associated openings. In particular, the openings do not separate the bumps from the metal unit. For example, the elevations can be cylindrical, triangular or cuboid. A mixture of different geometric shapes with regard to the elevations is also possible. The respective arrangement and extent of the surveys including the associated openings can be determined in advance using a finite element method. Here, the slot bridge perforation has proven to be particularly efficient. At the same time, the slotted bridge perforation can be produced inexpensively. The slotted bridge perforation can be characterized in particular by an elongated elevation. It can be described as an alternating zipper pattern. Each slotted bridge stands out from a base area of the sheet metal. At the same time, there is an opening in the area of the slot bridge perforation, which allows gas to be transported through the metal unit. The arrangement and the respective extent of the elevations can preferably be determined in such a way that as little waste as possible is produced on the metal unit when the gas diffusion layer is produced. A punching process is therefore preferred, as there is no waste here.
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. An additional or alternative embodiment relates to a gas diffusion layer, wherein all respective elevations have substantially the same extent. "Essentially the same extent" can mean in particular that the smallest elevation differs from the largest elevation by a maximum of 10%. In this case, the largest elevation is preferably used as the reference variable. At the same time, it is preferably provided here that the respective elevations are of the same type, are arranged regularly and/or homogeneously. The arrangement of the several elevations thus corresponds in particular to a regular pattern. This is particularly advantageous since such elevations can be implemented using simple manufacturing processes, such as stamping processes. A stamped metal plate or a stamped metal sheet can can thus be formed into a metal unit with regular elevations.The elevations formed in this way correspond, in particular, to a stamping profile used in a stamping machine.It is thus particularly easy to create a corresponding metal unit.
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. An additional or alternative embodiment provides that an arrangement and/or expansion of the elevations aptly a distance between the elevations, a nature of the elevation, the extent of the elevation as a function of a predetermined parameter of the gas diffusion layer, in particular a cell thickness and/or a contact pressure of the gas diffusion layer, is determined. The extension of the bump can be viewed as a height of the bump. A cell thickness of the gas diffusion layer can be adjusted by means of a correspondingly higher elevation. Likewise, a contact pressure and a distribution of the contact pressure can be set by the arrangement and/or extent of the elevations. The elevations are preferably determined in terms of their arrangement and/or dimensions in such a way that there is a homogeneous contact pressure in the gas diffusion layer. By adapting the geometry with regard to the distance and the nature of the elevations, different cell thicknesses and homogeneity of the contact pressure can be set in a targeted manner, even at a low level of contact pressure. A porosity of the gas diffusion layer and thus the mass transport can also be influenced. With the help of the stamping process, important parameters such as the homogeneity of the contact pressure, the porosity and the cell thickness of the gas diffusion layer can be influenced in a simple and targeted manner. A simulation or a finite element method can be used to determine the arrangement and dimensions of the multiple bumps. Using simple and inexpensive methods, a less expensive and yet efficient gas diffusion layer can be created.
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. An additional or alternative embodiment provides that the multiple elevations and the metal units are monolithic. In particular, the multiple elevations are not separate components. They are preferably made of the same material as the metal unit. The multiple elevations and the metal unit thus form in particular a unitary or one-piece component. The plurality of bumps and the metal unit can thus be viewed as a unitary component or part. Even if Openings are arranged on a surface or the side surface of the bumps, the plurality of bumps and the metal unit can still be formed monolithically. In this case, they are made of the same material or consist of the same material. A uniform metal unit including the associated elevations can thus be created.
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. An additional or alternative embodiment provides that the contacting unit is designed as a fleece, metal fabric and/or carbon paper and/or the metal unit is designed as sheet metal, metal foam, metal fabric, perforated sheet metal and/or slotted bridge sheet metal. The contacting unit is used in particular for uniform contacting of the gas diffusion layer with other components of an electrochemical cell. This can be an electrode, a bipolar plate or a membrane, for example. The metal unit in the form of sheet metal can have several holes. Preferably the metal unit is a metal plate with a slotted bridge hole. A porosity of the metal unit can be increased simply and effectively by means of a slotted bridge perforation. The porosity can in particular be a quotient of the perpendicular extension of the elevation to the metal unit to an overall extension of the metal unit in the perpendicular direction. If, for example, a 1 mm thick metal plate has a vertical elevation of another 4 mm, the porosity in this case would be P = 4 mm / 5 mm = 0.8 = 80%. A metal sheet stamped in this way corresponds to a porosity of 80% within the meaning of this application. With the help of a slotted bridge perforation, the porosity of the metal unit can be adjusted particularly easily and inexpensively. In this way, a component for electrochemical cells can be produced inexpensively.
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. An additional or alternative embodiment provides that the metal unit has a porosity of at least 80%, which is formed by the multiple elevations of the metal unit. A higher porosity can, for example be achieved by a greater extension of the elevations perpendicular to the metal unit. Thus larger elevations can be produced by correspondingly deeper punching. Thus, the porosity of the metal unit and hence the gas diffusion layer can be increased.
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. The invention also relates to an electrochemical cell with a gas diffusion layer. For this purpose, the electrochemical cell can have a bipolar plate and an electrode. The gas diffusion layer is in contact with the bipolar plate on a first side and with the electrode on an opposite second side. The electrode can in turn be contacted with a membrane. Accordingly, the electrochemical cell can have a membrane. The electrochemical cell can be designed as an electrolytic cell or as a fuel cell. Due to the easy-to-manufacture gas diffusion layer, a cost-effective and at the same time efficient electrochemical cell can be created.
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. An additional or alternative embodiment provides that the gas diffusion layer is connected to the bipolar plate and/or the electrode in a force-fitting, form-fitting and/or cohesive manner. Thus, the gas diffusion layer can be connected to the bipolar plate and to the electrode in a wide variety of ways. The type of connection can be force-fitting, form-fitting and/or material-fitting. A non-positive connection can result, for example, by placing the respective layers on top of one another and pressing them. The form-fitting connection can result, for example, from sheathing with a metal mesh and subsequent pressing. A material connection can be created by welding the respective components. The types of connection mentioned can also be present between the gas diffusion layer and the membrane. Since the gas diffusion layer described is significantly easier and cheaper to produce, this advantage has a corresponding effect on the electrochemical cell off. In this way, an electrochemical cell that is significantly cheaper than in the past can be created. This can be helpful when implementing the energy transition.
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: The invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. The drawings represent exemplary embodiments of the invention. However, the invention is not limited to the exemplary embodiments shown in the figures. It shows:
FIG 1: eine schematische Ansicht einer Gasdiffusions schicht mit Metalleinheit und Kontaktierungskompo nente im Querschnitt; 1 shows a schematic view of a gas diffusion layer with metal unit and contacting component in cross section;
FIG 2: eine beispielhafte degressive Federkennlinie für die Gasdiffusionsschicht; 2 shows an exemplary degressive spring characteristic for the gas diffusion layer;
FIG 3: eine beispielhafte Metalleinheit mit einer Schlitz brückenlochung; 3 shows an exemplary metal unit with a slot bridge perforation;
FIG 4: ein abgekantetes Lochblech als Metalleinheit; 4 shows a bent perforated plate as a metal unit;
FIG 5: in schematischer Darstellung eine elektrochemische5: in a schematic representation, an electrochemical
Zelle zusammen mit der Gasdiffusionsschicht. cell together with the gas diffusion layer.
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. FIG. 1 shows an exemplary gas diffusion layer 50 in cross section. Several components of the gas diffusion layer 50 can be seen here. The contacting unit 10 can be seen in the lower area. Above this contact unit 10, the metal unit 12 with egg ner associated flat base 30 connects. The metal unit 12 has a thickness d.
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. Vertical elevations 14 from the metal unit 12 can be seen in FIG. These elevations 14 each have Seitenflä surfaces 15 and 13 surfaces. Openings 16 are preferably present or arranged in the area of the side surfaces 15 and surfaces 13 . A respective extent 18 of these surveys Gen 14 are greater than the thickness d of the metal unit 12. The extension 18 can exceed the thickness d of the metal unit 12 by at least three times, four times, five times, six times, seven times, eight times, nine times and ten times.
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. In the example in FIG. 1, the plurality of elevations 14 are in the form of columns. However, the elevations 14 can also be at an angle to the base 30 of the metal unit 12. In particular, an oblique angle can be assumed here. In the left-hand area of FIG. 1, an inclined elevation 14 is indicated by dashed lines. However, vertical elevations 14 are preferably used. Perpendicular can also mean "substantially perpendicular", which in turn can include an angle of 75 to 110°. In FIG. 1, an oblique angle is indicated left elevation 14 is indicated.
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. In this case, an elevation 14 can have one or more openings 16 . These openings 16 are located in particular on the side faces 15 of the elevations 14 and/or on the upper surface 13 of the elevations 14. It is also possible for all elevations 14 to have openings 16. The openings 16 are preferably arranged on the respective side faces 15 of the elevations 14 . However, the openings 16 can also be arranged on the upper surface 13 of the elevation 14 . The surface 13 of the respective elevation 14 faces away from the metal unit 12 in particular. The openings 16, which can be seen in FIG. 1, are each arranged on the side faces 15 of the elevations 14. FIG. The surface 13 of the elevation 14 follows in the direction perpendicular to the base area 30 of the metal unit 12 .
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.A core concept of this invention is the use of a structure in which bridges, webs, semicircles or similar elevations are stamped and embossed from the sheet metal in one manufacturing step. These surveys are preferred not separated from the sheet 12. The elevations 14 shown in FIG. 1 can thus be designed as bridges, webs, semicircles or similar elevations. The openings 16 enable a material or gas transport from one side of the sheet 12 to an opposite side of the sheet 12.
Die erste Seite der Metalleinheit 12 ist in FIG 1 auf dem Kontaktierungselement 10 angeordnet. The first side of the metal unit 12 is arranged on the contacting element 10 in FIG.
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. The second side of the metal unit 12 contains the multiple elevations 14. The gas diffusion layer 50 shown in FIG. 1 is produced in particular by a stamping process. There is no waste, which can lead to corresponding cost advantages. A slot bridge perforation is preferably used. The shape and arrangement of the several elevations 14 can also be created by a nostril hole or slit arc hole. A porous and electrically conductive layer can be created with mechanical spring retention.
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. By adapting the geometry with regard to the distance and the nature of the elevations 14, different cell thicknesses and a homogeneity of the contact pressure can be set in a targeted manner, even at a low level. As a result, the porosity of the metal unit 12 or the gas diffusion layer 50 and thus the possibility of mass transport can be influenced in a simple and targeted manner. If the pressure level in the region of the gas diffusion layer 50 changes, larger or smaller gas bubbles can result. The porosity of the metal unit 12 and of the gas diffusion layer 50 can be dependent, in particular, on predetermined pressure conditions in electrochemical cells. Thus, an extent, arrangement and/or shape of the plurality of elevations 14 can depend on an operating pressure of an electrochemical cell 90 .
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. With a classic perforated plate as the metal unit 12, mass transport normal to the plane of the plate is already possible. To one To produce the appropriate porosity of the perforated sheet, the perforated sheet is embossed or deep-drawn without separating the structure of the perforated sheet. In this way, porosity can be made possible with regard to the transport of the process media parallel to the plane of the sheet. This is possible, for example, by regular mutual folding or by a wavy embossing of the sheet. Such a process can be chosen when stamping should not or cannot be used.
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. Using the structure described in FIG. 1 as a gas diffusion layer 50 or a gas diffusion electrode is conceivable, but the use of these structures as a spring layer of a gas diffusion layer composite structure is more likely.
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. In this context, FIG. 2 shows an example of a degressive spring characteristic 20. The gas diffusion layer 50 has in particular the property of the degressive spring characteristic 20. A spring deflection is marked with s on an x-axis and a pressure is marked with p on the y-axis. You can clearly see that the spring deflection s hardly changes with an increasing pressure p. The gas diffusion layer 50 has before given to a spring behavior which corresponds to the declining spring characteristic 20 . This means in particular that the gas diffusion layer 50 becomes softer as the pressure ratios p increase. The degressive spring characteristic 20 relates in particular to the metal unit 12. In this case, the metal unit 12 can also be referred to as a spring layer. The spring layer with the associated po rosity can be combined with a fleece.
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. The fleece is in particular the contacting unit 10. The contacting unit 10 can be designed as a fleece, carbon paper, metal foam, perforated sheet metal, metal fabric and/or as a finely executable structure for contacting the electrode or membrane. In an electrochemical cell 90, these mentioned contact structures can be non-positively, positively be connected to the metal unit 12 in a cohesive and/or cohesive manner. Thus, the contacting unit 10 can be connected to the metal unit 12 in a force-fitting, form-fitting and/or cohesive manner. The same can apply to a connection between the gas diffusion layer 50 and other components of the electrochemical cell 90, such as the bipolar plate or the electrode or the membrane. The electrochemical cell 90 can be a fuel cell 90 or an electrolytic cell 90 .
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. Due to the simplified structure of the gas diffusion layer 50, there are cost advantages in its respective production due to the smaller number of process steps. For example, an expanded sheet metal composite made up of many layers has to be connected in many steps. The number of process steps in a gas diffusion layer 50 shown as an example in FIG. 1 can thus be significantly reduced.
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. 3 shows an example of a metal unit 12 with a slot bridge perforation. The several elevations 14 that protrude perpendicularly from the base area 30 are clearly visible. The vertical elevations 14 have a longitudinal extent 17 and a transverse extent 19 on the surface 13 . In the example in FIG. 3, the longitudinal extension 17 is greater than the transverse extension 19. In the example of the slotted bridge perforation in FIG. The extent 18 of the multiple Elevations gene 14 denotes a measure of the vertical elevation 14. At the same time in the region of the side surfaces 15 of the multiple surveys 14 He each openings 16 are arranged. However, these openings 16 are difficult to see in FIG. They still exist.
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. The multiple elevations 14 shown in FIG. 3 represent a type of zipper pattern. In principle, the multiple elevations 14 can differ from one another in terms of their arrangement, size and/or extent. is preferred However, a uniform or homogeneous structure is selected with regard to the plurality of elevations 14 in order to produce an efficient gas diffusion layer 50 as inexpensively as possible.
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. FIG. 4 shows an alternative embodiment for the metal unit 12 of the gas diffusion layer 50. Here the metal unit 12 is designed as a folded perforated plate. The flat base 30 is de facto no longer IN ANY in FIG. The bent perforated plate results from a deformation of a flat metal plate 12 as an imaginary base area 30 for the example in FIG. 4. This previously flat metal plate 12 is indicated schematically in FIG. In the case of FIG. 4, this deformation results in a V-shaped or wave-like pattern with respect to the metal plate 12. The folded perforated plate 12 shown in FIG. 4 can be described by a repeating V-profile.
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. Those V-edges which are arranged in the lower area on the indicated base area 30 correspond to the metal unit 12. This is indicated by a dashed line in FIG. In the case of FIG. 4, the metal unit 12 consists of several lines parallel to one another. The remainder of the bent perforated plate corresponds to the several elevations 14. The example in FIG. 4 is an extreme case of FIG. 3. The metal unit 12 in the example in FIG. 4 contains only several lines which are in contact with the originally flat perforated plate. In the case of FIG. 4, the remainder of the folded perforated plate represents the multiple elevations 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. A height of these several elevations 14 (V-shaped elevation) is preferably at least three times the thickness of the original perforated sheet. That area of the folded perforated plate that stands out from the original plane of the perforated plate can thus be counted towards the elevation 14 . It can be provided here that a minimum amount of elevation 14 must be present in order to allow easier or better arrangement of the folded perforated plate for elevation 14 or for metal unit 12 . As can be clearly seen in FIG. is know, include the V-profiles, so the multiple elevations 14, numerous openings 16. This allows a corre sponding gas exchange can be made possible.
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. FIG. 5 shows the electrochemical cell 90 together with the gas diffusion layer 50 as an example and in a schematic representation. The electrochemical cell 90 can be designed as a fuel cell 90 or as an electrolysis cell 90 . Due to the gas diffusion layer 50 shown here, low specific costs per square meter can be achieved in comparison to previous products with the same function. This results in particular from simpler production or a combination of simple individual parts. At the same time, the gas diffusion layer 50 enables simple adaptation to the technical needs of new cell generations. This can be done by simple appropriate geometry adjustments. Depending on the requirement, a corresponding new stamping profile can be selected for a new geometry, for example. This new punched profile can be used accordingly in a manufacturing process for the production of appropriately fitted metal units 12 . The manufacture or use of the metal units 12 shown here can also be easily implemented for large cell areas in the square meter range. In this way, an improved tolerance compensation capability can be achieved. There is also the possibility of using elasto-plastic spring behavior in the gas diffusion layer 50 or the electrochemical cell 90.

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Gasdiffusionsschicht (50) für eine elektrochemische Zelle (90) aufweisend Having a gas diffusion layer (50) for an electrochemical cell (90).
- eine Kontaktierungseinheit (10) und - a contacting unit (10) and
- eine Metalleinheit (12), welche an oder auf der Kontaktie rungseinheit (10) angeordnet ist, wobei - A metal unit (12) which is arranged on or on the contacting unit (10), wherein
- 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,- The metal unit (12) has a plurality of elevations (14) essentially perpendicular to the base area (30) with respect to a flat base area (30) with a predetermined thickness (d),
- 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. - At least one opening (16) is formed on at least one side surface (15) or surface (13) of the plurality of elevations (14) of the metal unit (12) and a respective extension (18) of the plurality of elevations (14) perpendicular to the metal unit (12) or perpendicular to the planar base (30) is at least three times the thickness (d) of the metal unit (12).
2. Gasdiffusionsschicht (50) nach Anspruch 1, wobei eine An ordnung der mehreren Erhebungen (14) und deren jeweiligen Ausdehnungen (18) so bestimmt sind, dass die MetalleinheitSecond gas diffusion layer (50) according to claim 1, wherein an arrangement of the plurality of elevations (14) and their respective extents (18) are determined so that the metal unit
(12) zusammen mit der Kontaktierungseinheit (10) eine Feder komponente bilden, welche eine degressive Federkennlinie (20) aufweist. (12) together with the contacting unit (10) form a spring component which has a degressive spring characteristic (20).
3. Gasdiffusionsschicht (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei alle jeweiligen Erhebungen (14) im Wesentli chen dieselbe Ausdehnung (18) haben. 3. Gas diffusion layer (50) according to any one of the preceding claims, wherein all of the respective elevations (14) have substantially the same extent (18).
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. 4. Gas diffusion layer (50) according to any one of the preceding claims, wherein an arrangement and / or extent of the elevations (14) relating to a distance between the elevations (14) to one another, a condition of the elevation (14), the expansion (18) the elevation (18) depending on a given parameter of the gas diffusion layer (50), in particular a cell thickness and / or contact pressure of the gas diffusion layer (50) is determined.
5. Gasdiffusionsschicht (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Erhebungen (14) und die Metal leinheit (12) monolithisch sind. 5. The gas diffusion layer (50) of any preceding claim, wherein the plurality of bumps (14) and the metal unit (12) are monolithic.
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. 6. Gas diffusion layer (50) according to one of the preceding claims, wherein the contacting unit (10) is designed as a fleece and/or the metal unit (12) is designed as sheet metal, metal foam, metal mesh, perforated sheet metal and/or slot bridge sheet metal.
7. Gasdiffusionsschicht (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metalleinheit (12) eine Metallplatte mit einer Schlitzbrückenlochung ist. 7. A gas diffusion layer (50) according to any one of the preceding claims, wherein the metal unit (12) is a metal plate with a slotted bridge hole.
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. 8. Gas diffusion layer (50) according to any one of the preceding claims, wherein the metal unit (12) has a porosity of at least 80%, which is formed by the plurality of bumps gene (14) of the metal unit (12).
9. Elektrochemische Zelle (90) mit einer Gasdiffusionsschicht (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ferner aufwei send: 9. Electrochemical cell (90) with a gas diffusion layer (50) according to any one of the preceding claims further aufwei send:
- eine Bipolarplatte, - a bipolar plate,
- 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. - An electrode, wherein the gas diffusion layer (50) is contacted on egg ner first side with the bipolar plate and on an opposite second side with the electrode.
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. 10. The electrochemical cell (90) according to claim 9, wherein the gas diffusion layer (50) is connected to the bipolar plate and/or the electrode in a non-positive, positive and/or material-locking manner.
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