WO2021008963A1 - Gasdiffusionslage, brennstoffzelle mit gasdiffusionslage sowie brennstoffzellenstack mit brennstoffzelle - Google Patents

Gasdiffusionslage, brennstoffzelle mit gasdiffusionslage sowie brennstoffzellenstack mit brennstoffzelle Download PDF

Info

Publication number
WO2021008963A1
WO2021008963A1 PCT/EP2020/069226 EP2020069226W WO2021008963A1 WO 2021008963 A1 WO2021008963 A1 WO 2021008963A1 EP 2020069226 W EP2020069226 W EP 2020069226W WO 2021008963 A1 WO2021008963 A1 WO 2021008963A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas diffusion
diffusion layer
fuel cell
base body
membrane
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/069226
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Anton Ringel
Andreas RINGK
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2021008963A1 publication Critical patent/WO2021008963A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0241—Composites
    • H01M8/0245—Composites in the form of layered or coated products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • a fuel cell is an electrochemical cell, these two being
  • Electrodes which are separated from one another by means of an ion-conducting electrolyte.
  • the fuel cell converts the energy of a chemical reaction between a fuel and oxygen directly into electricity.
  • PEM-FC polymer electrolyte membrane fuel cell
  • PEM-FC polymer electrolyte membrane fuel cell
  • PEM polymer electrolyte membrane fuel cell
  • GDL gas diffusion layers
  • Catalyst layers and two gas diffusion layers form a so-called membrane electrode unit (MEA).
  • MEA membrane electrode unit
  • the gas diffusion layer between the anode side of a bipolar plate and a polymer electrolyte membrane, serves for the fine distribution and supply of a fuel to the
  • the gas diffusion layer between the cathode side of an adjacent bipolar plate and the polymer electrolyte membrane serves for the fine distribution and supply of air / oxygen to the
  • Fuel cells or fuel cell stacks are made up of MEA and bipolar plates arranged alternately one above the other.
  • the electrically conductive bipolar plates serve to conduct the electrical current as electrodes and to guide fuel and air / oxygen through appropriately arranged channels.
  • the bipolar plates also fulfill the task of roughly supplying the electrodes with fuel and Air / oxygen.
  • the bipolar plates can comprise further distributor structures for guiding cooling fluid. These distribution structures are designed as channels, whereby the cooling fluid can be conducted and a cooling of the
  • Fuel cell stack takes place.
  • the rough distribution of the fuel takes place on the anode side of the bipolar plate and the rough distribution of air / oxygen takes place on the cathode side of the bipolar plate.
  • the anode inlet is led through the channels of the bipolar plate to an anode outlet, so the pressure of the fuel decreases along the channels
  • the uneven supply of a gas diffusion layer, which is located between the anode side of the bipolar plate and a membrane side of a membrane, with a fuel and the uneven supply of a gas diffusion layer, which is located between the cathode side of an adjacent bipolar plate and the other side of the membrane, with air / oxygen leads to uneven fuel cell operation of the fuel cell.
  • the current density of the fuel cell is also lower.
  • the moisture of a membrane can in turn be insufficient compared to areas with a higher current density, so that the membrane can be destroyed.
  • a decreasing pressure of a gas for example the
  • the present invention shows a gas diffusion layer according to the features of claim 1, a fuel cell according to the features of claim 8 and a fuel cell stack according to the features of claim 10.
  • the present invention features a
  • Gas diffusion layer for a fuel cell having a base body made of a fluid-permeable, open-pored material.
  • the base body further comprises a membrane contacting surface that can be turned towards a first side of a membrane of the fuel cell, and a bipolar plate contacting surface that is spaced from the membrane contacting surface and that can be turned towards a first side of a bipolar plate of the fuel cell.
  • the base body also has a first side surface between the
  • Membrane contact surface and the bipolar plate contact surface and a second side surface, spaced apart from the first side surface, between the membrane contact surface and the bipolar plate contact surface.
  • the main body also points along a direction from
  • Bipolar plate contacting surface has a gas diffusion layer flow resistance towards the membrane contacting surface
  • Gas diffusion layer flow resistance of the base body based on the first side surface decreases along a decrease direction towards the second side surface.
  • a fluid-permeable, open-pore material in the context of the invention can be understood to be a material which has pores, the pores providing a free transport path for a gas.
  • a gas such as hydrogen or air / oxygen can flow through a base made of this material.
  • the material advantageously has transport paths for the gas along a direction from the bipolar plate contact surface towards the membrane contact surface. Furthermore, the material can transport away water, in particular water formed on the catalyst layer.
  • An open-pored material can also be understood as a material with a high open porosity.
  • the gas diffusion layer flow resistance is to be understood as the resistance that a gas, such as hydrogen or air / oxygen, has when flowing through the base body along one direction, in particular an essentially direct direction, from the bipolar plate contact surface to
  • the gas diffusion layer flow resistance of the base body can decrease continuously, in particular uniformly, starting from the first side surface along a decrease direction up to the second side surface.
  • the flow structure on the anode side and cathode side of a bipolar plate can determine the flow direction on the anode side and cathode side of the bipolar plate, respectively.
  • a possible flow structure on the anode side of a bipolar plate can be the parallel structure in which the channels in the active area are parallel and spaced from one another. The pressure of the fuel is higher at the anode inlet than at the anode outlet. The same goes for
  • Air / oxygen on the cathode side of a bipolar plate can have a preferred flow direction over the active surface of the fuel cell, which as
  • Cathode plate flow direction can be understood.
  • the pressure of a gas, in particular on the membrane of a fuel cell can now advantageously be made uniform with a gas diffusion layer according to the invention. This can be achieved by, for example, a
  • Gas diffusion layer according to the invention with its bipolar plate contact surface in such a way on one side of a bipolar plate and with its
  • Fuel cell is arranged that the preferred flow direction of the gas in the bipolar plate over the active surface of the fuel cell and the decrease direction of the gas diffusion layer flow resistance of the
  • the base body of the gas diffusion layer are directed in the same way, in particular are directed essentially in the same direction.
  • Further layers, such as a catalyst layer, can be arranged between a gas diffusion layer and a membrane.
  • a decrease in the gas diffusion layer flow resistance along the decrease direction can be achieved, for example, in that the thickness of a gas diffusion layer, which has a controlled porosity and
  • the distance between the bipolar plate contact surface and the membrane contact surface can be understood as the thickness.
  • the gas diffusion layer flow resistance that a gas, such as hydrogen or air / oxygen, experiences when flowing through the base body in a direction from the bipolar plate contact surface to the membrane contact surface is lower. If a gas now flows from a bipolar plate inlet via the flow channels to the bipolar plate outlet, the gas has am
  • Bipolar plate entrance to overcome a greater gas diffusion layer flow resistance than at the bipolar plate exit.
  • Gas diffusion layer can therefore equalize the pressure of a gas in the gas diffusion layer, in particular the pressure of a gas at the Membrane contact surface and therefore also on a membrane arranged on the membrane contact surface.
  • Gas diffusion layer can be arranged indirectly on the membrane, d. This means that between the gas diffusion layer and the membrane there is another
  • Catalyst layer is located.
  • damage to a membrane of a fuel cell due to uneven pressure can thus also be prevented.
  • the concentration of the reactant gases, for example hydrogen or oxygen, in particular on the membrane can be made uniform over the active surface of a fuel cell. This enables a homogeneous current density to be achieved over the active surface of a fuel cell.
  • an increase in the performance of the fuel cell and a homogeneous humidification of the membrane can be achieved.
  • Cross-section through the second side surface of the base body shows a square.
  • the first edge of the square can pass through the cutting edge of the first
  • the second edge of the quadrangle can be formed by the cutting edge of the membrane contacting surface
  • the third edge of the quadrangle can be formed by the cutting edge of the second side surface
  • the fourth edge of the quadrangle can be formed by the cutting edge of the bipolar plate contacting surface.
  • a first end of the first edge is in direct contact with a first end of the second edge as well as with a first end of the fourth edge
  • a first end of the third edge is in direct contact with the second end of the second edge as well as with the second End of the fourth edge, whereby these four edges can form the square.
  • An edge is to be understood as an essentially straight line.
  • An edge can also be understood as a line with irregularities and / or interruptions. These irregularities can be due to the
  • a cross section through the first side surface of the base body or a cross section through the second side surface of the base body can advantageously show a trapezoid, wherein in particular a membrane contacting surface leg of the trapezoid of the cut base body and a
  • Bipolar plate contact surface legs of the trapezoid of the cut base body run inclined to one another.
  • the first edge of the trapezoid can pass through the cut edge of the first side surface
  • the second edge of the trapezoid can pass through the cut edge of the membrane contacting surface
  • the third edge of the trapezoid through the cut edge of the second side surface
  • the fourth edge of the trapezoid through the cut edge of the
  • Bipolar plate contact surface are formed.
  • a first end of the first edge is in direct contact with a first end of the second edge as well as with a first end of the fourth edge and a first end of the third edge is in direct contact with the second end of the second edge as well as with the second End of the fourth edge, whereby these four edges can form the trapezoid.
  • the cut edge of the membrane contacting surface can be used as a membrane contacting surface limb and the cutting edge of the bipolar plate contacting surface can be used as a
  • Bipolar plate contact surface limbs can run towards one another at an incline in the removal direction. This means that this has an acute angle, in particular with a virtual vertex outside the
  • Gas diffusion layer form.
  • Such a gas diffusion layer can resemble a wedge shape.
  • a gas diffusion layer according to the invention wherein a cross section through the first side surface of the base body or a cross section through the second side surface of the base body shows a trapezoid, a decrease in the can be achieved in a particularly simple and advantageous manner
  • Gas diffusion layer flow resistance can be achieved along the decrease direction. This can be done in that the thickness, i.e. H. the distance between the bipolar plate contact surface and the
  • Membrane contact surface of a gas diffusion layer decreases in the direction of decrease.
  • the gas diffusion layer can in particular be a regulated one
  • a cross section through the first side surface of the base body or a cross section can be particularly advantageous show a step shape through the second side surface of the base body, the step shape having steps with the same and / or different step heights, the step height of adjacent steps decreasing along the direction of decrease from the first side surface to the second side surface.
  • Step height of a step can be the distance between the
  • Bipolar plate contact surface and the membrane contact surface are understood.
  • the length of the steps can also be the same and / or different.
  • the cut edge of the membrane contacting surface can be essentially straight, the cut edge of the
  • Bipolar plate contact surface can be stepped. This means that the membrane contacting surface of the gas diffusion layer can contact the membrane with an essentially flat surface.
  • a bipolar plate is advantageously designed in such a way, in particular likewise step-shaped, that it forms the bipolar plate contact surface of the gas diffusion layer
  • the bipolar plate contact surface which can be seen as the tread surface of a step, can lie essentially parallel, in particular parallel, to the membrane contact surface. It is particularly advantageous in this embodiment that a base body whose
  • Cross-section shows a step shape, can be produced particularly easily and inexpensively by stacking individual cuboid gas diffusion layers.
  • a gas diffusion layer with a step shape can be a simple and advantageous way of reducing the
  • Gas diffusion layer flow resistance is caused along the decrease direction.
  • the gas diffusion layer flow resistance of the base body can decrease along a decrease direction due to the decreasing thickness of the gas diffusion layer. This is especially true for one
  • the pore size of the pores of the base body can increase starting from the first side surface along a decrease direction towards the second side surface. Due to the increase in the pore size along the decrease direction, the gas diffusion layer flow resistance can be reduced particularly advantageously along the decrease direction. Due to the increase in pore size along the direction of decrease, gas such as hydrogen or air / oxygen can flow through a base body more and more easily, in particular in a direction from the bipolar plate contact surface towards the membrane contact surface. Further, the pore size of the pores can continuously increase along the decreasing direction. The pore size of the pores can increase along the decrease direction at the same and / or different distances starting from the first side surface along a decrease direction towards the second side surface. The pore size of the pores can be in a direction from the bipolar plate contact surface towards the
  • a cuboid, plate-shaped gas diffusion layer according to the invention can be particularly advantageous, the pore size of the pores of the base body of the gas diffusion layer increasing from the first side surface along a decrease direction towards the second side surface.
  • the base body is formed from at least two layers of fluid-permeable, open-pored material.
  • the layers can consist of the same and / or different fluid-permeable, open-pored material.
  • the layers can advantageously be arranged in layers to form the base body. Furthermore, several layers of different lengths can form a base body, with a cross section through the first side surface of the base body or a cross section through the second side surface of the
  • Base body shows, for example, a trapezoid or a step shape, are arranged.
  • the base body can advantageously have at least one cavity for distributing a gas; in particular, the at least one cavity can extend along the
  • a hollow space can be understood as a hollow, empty space in the base body in which a gas can flow particularly easily.
  • a cavity extending in the direction of decrease can particularly favorably reduce the pressure in the gas diffusion layer along the
  • the present invention features a
  • a fuel cell comprising a membrane, two opposing catalyst layers each arranged on one side of the membrane, two opposing gas diffusion layers each arranged on one of the catalyst layers, a first bipolar plate with an anode side, the anode side having an anode plate flow direction, and a second bipolar plate with a cathode side, the cathode side being a
  • a preferred flow direction of a fuel over the active surface of a fuel cell can be understood as the anode plate flow direction.
  • the cathode plate flow direction a preferred one can be used
  • Fuel cell are understood.
  • the anode side of the first bipolar plate and the cathode side of the second bipolar plate delimit the fuel cell.
  • Gas diffusion layer according to the invention formed. With a fuel cell according to the invention, the
  • Anode plate flow direction of the anode side of a first bipolar plate and the direction of decrease from the first side surface to the second side surface of the gas diffusion layer between the anode side of the first bipolar plate and the membrane can be directed in the same way, in particular be directed essentially in the same direction.
  • the cathode plate flow directions are
  • Cathode side of the second bipolar plate and the removal direction from the first side surface to the second side surface of the other gas diffusion layer between the cathode side of the second bipolar plate and the membrane are directed in the same direction, in particular substantially directed in the same direction. Furthermore, the
  • the anode plate flow direction and the cathode plate flow direction can be directed in the same way, in particular be directed essentially in the same direction, or directed in opposite directions, in particular directed in substantially opposite directions.
  • the fuel cell according to the second aspect of the invention thus has the same advantages as have already been described for the gas diffusion layer according to the first aspect of the invention.
  • the present invention features a
  • Fuel cell stack having at least one first fuel cell and at least one second fuel cell. Furthermore, the at least one first fuel cell is designed according to a fuel cell according to the invention and / or the at least one second fuel cell is designed according to a fuel cell according to the invention.
  • the fuel cell stack according to the third aspect of the invention thus has the same advantages as have already been described for the gas diffusion layer according to the first aspect of the invention and for the fuel cell according to the second aspect of the invention.
  • FIG. 1 perspective view of a gas diffusion layer according to the invention
  • Fig. 2 cross section through a first side surface of the base body of a
  • Fig. 3 cross section through a first or second side surface of a
  • Base body of a gas diffusion layer according to the invention the cross section showing a step shape with several layers, 6 front view of a gas diffusion layer according to the invention comprising several layers and cavities,
  • FIG. 10 fuel cell stack with fuel cells according to the invention
  • FIG. 11 fuel cell stack with fuel cells according to the invention
  • FIG. 12 fuel cell stack with fuel cells according to the invention.
  • Fig. 1 shows an example in a perspective view
  • Gas diffusion layer 10 with a base body 12.
  • the base body 12 comprises fluid-permeable, open-pored material.
  • the base body 12 also has a membrane contact surface 14 and an opposite one
  • the base body has a gas diffusion layer flow resistance along a direction from the bipolar plate contact surface 16 towards the membrane contact surface 14. This means that a gas when flowing through the base body 12, starting from the bipolar plate contact surface 16, in the direction of the
  • the base body 12 further comprises a first side surface 13 and an opposing second side surface 15. In FIG. 1 there is also one
  • Bipolar plate contact surface 16 is arranged on one side of a bipolar plate and with its membrane contact surface 14 on one side of a membrane of a fuel cell 100 in such a way that the preferred flow direction of the gas in the bipolar plate over the active surface of fuel cell 100 and the decrease direction A of the gas diffusion layer flow resistance of the base body 12 of Gas diffusion layer 10 are directed in the same way, in particular are directed essentially in the same direction, the pressure of a gas in the gas diffusion layer 10, in particular the pressure of a gas on the membrane contacting surface 14 or a membrane of the fuel cell 100, can be made more uniform.
  • the concentration of the reactant gases, for example hydrogen or oxygen, in particular on the membrane can be made uniform over the active surface of a fuel cell 100.
  • a homogeneous current density can thus be brought about over the active surface of a fuel cell 100.
  • an increase in the performance of the fuel cell 100 and a homogeneous humidification of the membrane can be achieved.
  • Fig. 2 discloses a cross section through a first side surface 13 of the
  • the cross-section shows a square, with a first edge of the square through the cutting edge of the first side surface 13, the second edge of the square through the cutting edge of the membrane contacting surface 14, the third edge of the square through the cutting edge of the second side surface 15 and the fourth edge of the square is formed by the cutting edge of the bipolar plate contact surface 16. Furthermore, the decrease direction A points from the first side surface 13 towards the second side surface 15. 3 illustrates a cross section through the first side surface 13 of a
  • Cross-section shows a trapezoid.
  • the first edge of the trapezoid is through the cutting edge of the first side surface 13
  • the second edge of the trapezoid is through the cutting edge of the membrane contacting surface 14
  • the third edge of the trapezoid is through the cutting edge of the second side surface 15
  • the fourth edge of the trapezoid is through the cutting edge the
  • Bipolar plate contact surface 16 is formed. The cut edge of the
  • Membrane contact surface 14 can be used as
  • Bipolar plate contact surface limbs run inclined towards one another in the direction of decrease A.
  • the gas diffusion layer 10 can be viewed as wedge-shaped. With a wedge-shaped gas diffusion layer 10, a removal of the
  • Gas diffusion layer flow resistance along the decrease direction A achieved in that the thickness D, i. H. the distance between the
  • Bipolar plate contact surface 16 and the membrane contact surface 14 of the gas diffusion layer 10, along the removal direction A decreases.
  • Fig. 4 shows a cross section through a first side surface 13 of a
  • step height Hl, H2 As step height Hl, H2,
  • H3 or H4 is the respective distance between the
  • the step height of adjacent steps decreases along the decrease direction A from the first side surface 13 to the second side surface 15.
  • the length of the steps can vary, the length of the step being the length of the step surface. 4 further shows that the
  • Membrane contact surface 14 is essentially straight, which may be necessary in order to optimally fit a membrane of a fuel cell 100 to contact.
  • the cut edge is the
  • Bipolar plate contact surface 16 step-shaped. This also means that a bipolar plate of a fuel cell 100 is advantageously designed in such a way, in particular likewise step-shaped, that it
  • Bipolar plate contact surface 16 of the gas diffusion layer 10 is contacted essentially over a large area.
  • a gas diffusion layer 10 with such a step shape makes it possible in a simple manner for a gas diffusion layer flow resistance of the base body 12 to decrease starting from the first side surface 13 along a decrease direction A towards the second side surface 15.
  • FIG. 5 discloses a cross section through a first side surface 13 of a base body 12 or a cross section through a second side surface 15 of the base body 12 of a gas diffusion layer 10 according to the invention.
  • the gas diffusion layer 10 is shown with four layers 12a, 12b, 12c and 12d of different lengths , these four layers 12a to 12d being arranged in layers to form the base body 12.
  • the length of a layer 12a to 12d in the direction of removal A is meant as the length.
  • the base body 12 has a step shape, starting from the first side surface 13 along a
  • Membrane contact surface 14 flows through the four layers 12a to 12d, the three layers 12a to 12c, the two layers 12a and 12b or the one layer 12a.
  • the decrease direction A can be
  • each of the four layers 12a to 12d has a first side surface 13a to 13c or 13d, these together forming the first side surface 13.
  • the layer 12a has the second side face 15 according to the invention.
  • the bipolar plate contact surface 16 is composed of the
  • Bipolar plate contact surfaces 16a, 16b, 16c, 16d together.
  • the four layers 12a to 12d can consist of the same and / or different fluid-permeable, open-pored material.
  • a base body 12 made up of the four layers 12a to 12d, a
  • Equalization of the pressure of a gas in the gas diffusion layer 10, in particular the pressure of a gas on the membrane contact surface 14 can be effected.
  • FIG. 6 illustrates, in a front view, a gas diffusion layer 10 composed of four layers 12a to 12d, as shown in FIG. 5.
  • the gas diffusion layer 10 has two large cavities 62 which further contribute to equalizing the pressure of a gas in the gas diffusion layer 10.
  • One cavity 62 is located within the gas diffusion layer 10 and the other cavity 62 is on the edge of the gas diffusion layer 10.
  • the direction of removal A points into the plane of the drawing (x).
  • the two cavities 62 extend along the decrease direction A from the first side surface 13 to the second side surface 15 (not shown).
  • Next are empty, hollow connecting channels (not shown) in the
  • Bipolar plate contact surface 16 towards the membrane contact surface 14 between the cavities 62 is possible, which can further contribute to equalizing the pressure of a gas in the gas diffusion layer 10.
  • FIG. 7 shows a fuel cell 100 in an exploded view with a membrane 112, the membrane 112 being delimited by two opposing catalyst layers 114a and 114b, respectively arranged on one side of the membrane 112. Both the gas diffusion layer 10a and the gas diffusion layer 10b are thus arranged on the membrane 112 indirectly via the catalyst layer 114a and via the catalyst layer 114b, respectively.
  • the gas diffusion layer 10a and the gas diffusion layer 10b each show a decrease direction A from the first side surface 13 to the second side surface 15. Furthermore, there is an anode side 120a of a first bipolar plate, the anode side 120a having an anode plate flow direction S1, and a second bipolar plate having a cathode side 122b, the
  • Cathode side 122b has a cathode plate flow direction S2.
  • the cathode side 122b of the second bipolar plate delimit the fuel cell 100.
  • the anode plate flow direction S1 and the removal direction A of the gas diffusion layer 10a advantageously coincide, in particular in the
  • Gas diffusion layer 10b of the anode plate flow direction Sl are directed opposite.
  • Gas diffusion layers 10a and 10b the pressure of, for example, hydrogen on the anode side 120a on the membrane 112 of a fuel cell 100 and the pressure of, for example, air on the cathode side 122b on the membrane 112a
  • Fuel cell 100 can be made uniform. Thus, damage to the diaphragm 112 of the fuel cell 100 due to uneven pressure can be prevented. Furthermore, the concentration of the reactant gases, for example hydrogen or oxygen, in particular on the membrane 112, can be made uniform over the active surface of a fuel cell 100. This also allows a homogeneous current density over the active area of a
  • Fuel cell 100 can be effected. In addition, an increase in the performance of the fuel cell 100 and a homogeneous humidification of the membrane can be achieved.
  • the anode side 120a of a bipolar plate and the bipolar plate also make contact
  • Bipolar plate contact surface 16 of the wedge-shaped gas diffusion layer 10a or the bipolar plate contact surface 16 of the wedge-shaped gas diffusion layer 10b flat.
  • Gas diffusion layers 10b decrease in each case starting from the first side surface 13 along a decrease direction A towards the second side surface 15. This is achieved in each case by increasing the thickness, ie the distance between the bipolar plate contact surface 16 and the membrane contact surface 14 the gas diffusion layer 10a or the gas diffusion layer 10b decreases in the direction of decrease A.
  • FIG. 9 may be different from that shown in FIG.
  • Fuel cell 100 can be seen rotated 180 degrees.
  • FIG. 10 shows a fuel cell stack 200 according to the invention with a multiplicity of fuel cells 100, as they have been illustrated, for example, in FIGS. 7 and 8.
  • the fuel cells 100 are to that
  • Fuel cell stack 200 arranged. If several fuel cells 100 with, for example, wedge-shaped gas diffusion layers 10, as shown in FIG. 8, are arranged to form a fuel cell stack 200, then the fuel cells 100 with, for example, wedge-shaped gas diffusion layers 10, as shown in FIG. 8, are arranged to form a fuel cell stack 200, then the fuel cells 100 with, for example, wedge-shaped gas diffusion layers 10, as shown in FIG. 8, are arranged to form a fuel cell stack 200, then the
  • Fuel cell stack 200 also have a wedge shape. It can make sense to only have a certain number of fuel cells 100 with one not
  • cuboid for example a wedge-shaped, gas diffusion layer 10 to be arranged in relation to the fuel cell stack 200.
  • FIG. 11 likewise illustrates a fuel cell stack 200 according to the invention with a multiplicity of fuel cells 100, such as have been shown in FIG. 9, for example.
  • the fuel cells 100 are to that
  • FIG. 11 can be seen as the fuel cell stack 200 shown in FIG. 10, this being rotated by 180 degrees.
  • FIG. 12 shows a fuel cell stack system 300
  • Fuel cell stack 300 is constructed alternately from fuel cell stacks 200, as shown in FIG. 10 and FIG. 11. This is also shown by the two different symbols + and ⁇ in FIG.
  • cuboid fuel cell stack system 300 made of wedge-shaped
  • Fuel cell stacks 200 are built. Uniform bracing of the fuel cell stack system 300 can thus be possible.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Gasdiffusionslage (10) für eine Brennstoffzelle (100) aufweisend einen Grundkörper (12) aus einem fluiddurchlässigen, offenporigen Material, wobei der Grundkörper (12) eine Membrankontaktierungsfläche (14), die einer ersten Seite einer Membran der Brennstoffzelle (100) zuwendbar ist, und eine von der Membrankontaktierungsfläche (14) beabstandete Bipolarplattenkontaktierungsfläche (16), die einer ersten Seite einer Bipolarplatte der Brennstoffzelle (100) zuwendbar ist, und eine erste Seitenfläche (13) zwischen der Membrankontaktierungsfläche (14) und der Bipolarplattenkontaktierungsfläche (16), und eine von der ersten Seitenfläche (13) beabstandete zweite Seitenfläche zwischen der Membrankontaktierungsfläche (14) und der Bipolarplattenkontaktierungsfläche (16), wobei der Grundkörper (12) entlang einer Richtung von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche (16) hin zur Membrankontaktierungsfläche (14) einen Gasdiffusionslagenströmungswiderstand (1) aufweist wobei, der Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers (12) ausgehend von der ersten Seitenfläche (13) entlang einer Abnahmerichtung A hin zur zweiten Seitenfläche (15) abnimmt.

Description

Beschreibung
Titel
Gasdiffusionslage, Brennstoffzelle mit Gasdiffusionslage sowie
Brennstoffzellenstack mit Brennstoffzelle
Stand der Technik
Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, wobei diese zwei
Elektroden, welche mittels eines ionenleitenden Elektrolyten voneinander separiert sind, beschreibt. Die Brennstoffzelle wandelt die Energie einer chemischen Reaktion eines Brennstoffes mit Sauerstoff direkt in Elektrizität um. Es existieren verschiedene Typen von Brennstoffzellen.
Ein Brennstoffzellentyp ist die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM- FC). In einer PEM-FC sind neben einer Polymerelektrolytmembran (PEM), Katalysatorschichten und Gasdiffusionslagen (GDL) auch sogenannte
Bipolarplatten (BP) vorgesehen. Eine Polymerelektrolytmembran, zwei
Katalysatorschichten und zwei Gasdiffusionslagen bilden eine sogenannte Membranelektrodeneinheit (MEA). Die Gasdiffusionslage, zwischen der Anodenseite einer Bipolarplatte und einer Polymerelektrolytmembran, dient der feinen Verteilung und Zuführung eines Brennstoffes zu der
Polymerelektrolytmembran. Die Gasdiffusionslage zwischen der Kathodenseite einer benachbarten Bipolarplatte und der Polymerelektrolytmembran dient der feinen Verteilung und Zuführung von Luft/Sauerstoff zu der
Polymerelektrolytmembran. Brennstoffzellen bzw. Brennstoffzellenstapel sind aus abwechselnd übereinander angeordneten MEA und Bipolarplatten aufgebaut. Die elektrisch leitenden Bipolarplatten dienen dazu, den elektrischen Strom als Elektroden zu leiten und Brennstoff und Luft/Sauerstoff durch entsprechend angeordnete Kanäle zu führen. Weiter erfüllen die Bipolarplatten die Aufgabe der groben Versorgung der Elektroden mit Brennstoff und Lufl/Sauerstoff. Außerdem können die Bipolarplatten weitere Verteilerstrukturen zum Führen von Kühlfluid umfassen. Diese Verteilerstrukturen sind als Kanäle ausgebildet, wodurch das Kühlfluid leitbar ist und eine Kühlung des
Brennstoffzellenstapels erfolgt. Auf der Anodenseite einer Bipolarplatte findet die grobe Verteilung des Brennstoffes und auf der Kathodenseite der Bipolarplatte die grobe Verteilung von Luft/Sauerstoff statt.
Wird der Brennstoff auf Anodenseite einer Bipolarplatte von einem
Anodeneingang durch die Kanäle der Bipolarplatte zu einem Anodenausgang geführt, so nimmt der Druck des Brennstoffes entlang der Kanäle vom
Anodeneingang zum Anodenausgang ab. Aufgrund des abnehmenden Druckes und des Verbrauches des Brennstoffes sinkt auch die Konzentration des Brennstoffes entlang der Kanäle vom Anodeneingang zum Anodenausgang der Anodenseite der Brennstoffzelle. Der entlang der Kanäle abnehmende Druck hat zur Folge, dass eine Gasdiffusionsschicht zwischen der Anodenseite der Bipolarplatte und einer Membranseite einer Membran im aktiven Bereich einer Brennstoffzelle ungleichmäßig mit Brennstoff versorgt wird. Dasselbe gilt folglich analog für Luft/Sauerstoff auf einer Kathodenseite einer Bipolarplatte.
Die ungleichmäßige Versorgung einer Gasdiffusionsschicht, welche sich zwischen der Anodenseite der Bipolarplatte und einer Membranseite einer Membran befindet, mit einem Brennstoff und die ungleichmäßige Versorgung einer Gasdiffusionsschicht, welche sich zwischen der Kathodenseite einer benachbarten Bipolarplatte und der anderen Seite der Membran befindet, mit Lufl/Sauerstoff führt zu einem ungleichmäßigen Brennstoffzellenbetrieb der Brennstoffzelle. Beispielsweise ist in Bereichen mit einer geringeren Versorgung auch die Stromdichte der Brennstoffzelle niedriger. In Bereichen mit einer geringeren Stromdichte kann wiederum die Feuchtigkeit einer Membran im Vergleich zu Bereichen mit einer höheren Stromdichte nicht ausreichend sein, sodass die Membran zerstört werden kann.
Ferner hat ein abnehmender Druck eines Gases, beispielsweise des
Brennstoffes, entlang der Kanäle vom Eingang zum Ausgang einer Bipolarplatte den Nachteil, dass der Druck an der Membran der Brennstoffzelle ungleichmäßig ist. Dies kann zu Schäden der Membran führen. Die EP 2 475 036 Bl zeigt eine Membranelektrodenanordnung mit
Gasdiffusionsschichten, die aus einer porösen Komponente aufgebaut sind. Die DE 197 37 390 Al offenbart eine anisotropische Gasdiffusionsschicht.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung zeigt eine Gasdiffusionslage gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Brennstoffzelle gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie ein Brennstoffzellenstack gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10.
Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstack und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung eine
Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle, wobei die Gasdiffusionslage einen Grundkörper aus einem fluiddurchlässigen, offenporigen Material aufweist. Der Grundkörper umfasst ferner eine Membrankontaktierungsfläche, die einer ersten Seite einer Membran der Brennstoffzelle zuwendbar ist, und eine von der Membrankontaktierungsfläche beabstandete Bipolarplattenkontaktierungsfläche, die einer ersten Seite einer Bipolarplatte der Brennstoffzelle zuwendbar ist. Weiter weist der Grundkörper eine erste Seitenfläche zwischen der
Membrankontaktierungsfläche und der Bipolarplattenkontaktierungsfläche, und eine von der ersten Seitenfläche beabstandete zweite Seitenfläche zwischen der Membrankontaktierungsfläche und der Bipolarplattenkontaktierungsfläche auf. Der Grundkörper weist außerdem entlang einer Richtung von der
Bipolarplattenkontaktierungsfläche hin zur Membrankontaktierungsfläche einen Gasdiffusionslagenströmungswiderstand aufweist, wobei der
Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers ausgehend von der ersten Seitenfläche entlang einer Abnahmerichtung hin zur zweiten Seitenfläche abnimmt.
Als fluiddurchlässiges, offenporiges Material im Sinne der Erfindung kann dabei ein Material verstanden werden, welches Poren aufweist, wobei die Poren einen freien Transportweg für ein Gas bereitstellen. Das bedeutet, dass ein Gas, wie Wasserstoff oder Luft/Sauerstoff, durch einen Grundkörper aus diesem Material strömen kann. Vorteilhafterweise weist das Material Transportwege für das Gas entlang einer Richtung von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche hin zur Membrankontaktierungsfläche auf. Weiter kann das Material Wasser, insbesondere an der Katalysatorschicht gebildetes Wasser, abtransportieren. Als offenporiges Material kann auch ein Material mit einer hohen offenen Porosität verstanden werden.
Als Gasdiffusionslagenströmungswiderstand ist der Widerstand zu verstehen, den ein Gas, wie Wasserstoff oder Luft/Sauerstoff, beim Durchströmen des Grundkörpers entlang einer Richtung, insbesondere einer im Wesentlichen direkten Richtung, von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche hin zur
Membrankontaktierungsfläche erfährt. Hier ist nicht ein spezifischer
Strömungswiderstand des Materials gemeint, sondern der gesamte
Strömungswiderstand, der sich für ein Gas ausgehend von der
Bipolarplattenkontaktierungsfläche bis zur Membrankontaktierungsfläche ergibt. Ferner kann der Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers ausgehend von der ersten Seitenfläche entlang einer Abnahmerichtung hin bis zur zweiten Seitenfläche kontinuierlich, insbesondere gleichmäßig, abnehmen.
Strömt Brennstoff auf Anodenseite einer Bipolarplatte von einem Anodeneingang der Bipolarplatte durch die Kanäle zu einem Anodenausgang der Bipolarplatte, so nimmt der Druck des Brennstoffes entlang der Kanäle vom Anodeneingang zum Anodenausgang ab. Diese Brennstoffströmung kann dabei eine bevorzugte Strömungsrichtung über die aktive Fläche der Brennstoffzelle aufweisen, welche als Anodenplattenströmungsrichtung verstanden werden kann. Die
Strömungsstruktur auf Anodenseite und Kathodenseite einer Bipolarplatte kann die Strömungsrichtung auf Anodenseite bzw. Kathodenseite der Bipolarplatte bestimmen. Eine mögliche Strömungsstruktur auf Anodenseite einer Bipolarplatte kann die parallele Struktur sein, bei welcher die Kanäle im aktiven Bereich parallel beabstandet voneinander liegen. Der Druck des Brennstoffes ist am Anodeneingang höher als am Anodenausgang. Dasselbe gilt auch für
Luft/Sauerstoff auf der Kathodenseite einer Bipolarplatte. Eine Luft- /Sauerstoffströmung kann dabei eine bevorzugte Strömungsrichtung über die aktive Fläche der Brennstoffzelle aufweisen, welche als
Kathodenplattenströmungsrichtung verstanden werden kann. Vorteilhafterweise kann nun mit einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage der Druck eines Gases, insbesondere an der Membran einer Brennstoffzelle, vergleichmäßigt werden. Dies kann erreicht werden, indem beispielsweise eine
erfindungsgemäße Gasdiffusionslage mit ihrer Bipolarplattenkontaktierungsfläche derart an eine Seite einer Bipolarplatte und mit ihrer
Membrankontaktierungsfläche derart an eine Seite einer Membran der
Brennstoffzelle angeordnet wird, dass die bevorzugte Strömungsrichtung des Gases in der Bipolarplatte über die aktive Fläche der Brennstoffzelle und die Abnahmerichtung des Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des
Grundkörpers der Gasdiffusionslage gleich gerichtet sind, insbesondere im Wesentlichen gleich gerichtet sind. Zwischen einer Gasdiffusionslage und einer Membran können noch weitere Schichten, wie eine Katalysatorschicht, angeordnet sein. Eine Abnahme des Gasdiffusionslagenströmungswiderstandes entlang der Abnahmerichtung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Dicke einer Gasdiffusionslage, welche eine geregelte Porosität und
Porengröße über den gesamten Grundkörper aufweisen kann, in
Abnahmerichtung abnimmt. Als Dicke kann dabei der Abstand zwischen der Bipolarplattenkontaktierungsfläche und der Membrankontaktierungsfläche verstanden werden. Durch die abnehmende Dicke der Gasdiffusionslage wird der Gasdiffusionslagenströmungswiderstandes den ein Gas, wie Wasserstoff oder Luft/Sauerstoff, beim Durchströmen des Grundkörpers entlang einer Richtung, von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche hin zur Membrankontaktierungsfläche erfährt, geringer. Strömt nun ein Gas von einem Bipolarplatteneingang über die Strömungskanäle hin zum Bipolarplattenausgang, so hat das Gas am
Bipolarplatteneingang einen größeren Gasdiffusionslagenströmungswiderstand als am Bipolarplattenausgang zu überwinden. Eine erfindungsgemäße
Gasdiffusionslage kann daher eine Vergleichmäßigung des Druckes eines Gases in der Gasdiffusionslage, insbesondere des Druckes eines Gases an der Membrankontaktierungsfläche und daher auch an einer an der Membrankontaktierungsfläche angeordneten Membran, bewirken. Die
Gasdiffusionslage kann dabei indirekt an die Membran angeordnet sein, d. h., dass sich zwischen der Gasdiffusionslage und der Membran noch eine
Katalysatorschicht befindet. Vorteilhafterweise können somit auch Schäden an einer Membran einer Brennstoffzelle aufgrund eines ungleichmäßigen Druckes verhindert werden. Weiter kann die Konzentration der Reaktandengase, bspw. von Wasserstoff oder Sauerstoff, insbesondere an der Membran, über die aktive Fläche einer Brennstoffzelle vergleichmäßigt werden. Damit kann eine homogene Stromdichte über die aktive Fläche einer Brennstoffzelle bewirkt werden. Außerdem können eine Leistungssteigerung der Brennstoffzelle und eine homogene Befeuchtung der Membran erreicht werden.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage ein Querschnitt durch die erste Seitenfläche des Grundkörpers oder ein
Querschnitt durch die zweite Seitenfläche des Grundkörpers ein Viereck aufzeigt. Die erste Kante des Vierecks kann durch die Schnittkante der ersten
Seitenfläche, die zweite Kante des Vierecks kann durch die Schnittkante der Membrankontaktierungsfläche, die dritte Kante des Vierecks kann durch die Schnittkante der zweiten Seitenfläche und die vierte Kante des Vierecks kann durch die Schnittkante der Bipolarplattenkontaktierungsfläche gebildet werden. Vorteilhafterweise ist ein erstes Ende der ersten Kante in direktem Kontakt mit einem ersten Ende der zweiten Kante als auch mit einem ersten Ende der vierten Kante und ein erstes Ende der dritten Kante ist in direktem Kontakt mit dem zweiten Ende der zweiten Kante als auch mit dem zweiten Ende der vierten Kante, wobei diese vier Kanten das Viereck bilden können.
Eine Kante ist dabei als eine im Wesentlichen gerade Linie zu verstehen. Eine Kante kann auch als Linie mit Unregelmäßigkeiten und/oder Unterbrechungen verstanden werden. Diese Unregelmäßigkeiten können aufgrund des
fluiddurchlässigen, offenporigen Materials des Grundkörpers auftreten.
Vorteilhafterweise kann bei einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage ein Querschnitt durch die erste Seitenfläche des Grundkörpers oder ein Querschnitt durch die zweite Seitenfläche des Grundkörpers ein Trapez aufzeigen, wobei insbesondere ein Membrankontaktierungsflächenschenkel des Trapezes des geschnittenen Grundkörpers und ein
Bipolarplattenkontaktierungsflächenschenkel des Trapezes des geschnittenen Grundkörpers geneigt zueinander verlaufen. Die erste Kante des Trapezes kann durch die Schnittkante der ersten Seitenfläche, die zweite Kante des Trapezes kann durch die Schnittkante der Membrankontaktierungsfläche, die dritte Kante des Trapezes durch die Schnittkante der zweiten Seitenfläche und die vierte Kante des Trapezes durch die Schnittkante der
Bipolarplattenkontaktierungsfläche gebildet werden. Vorteilhafterweise ist ein erstes Ende der ersten Kante in direktem Kontakt mit einem ersten Ende der zweiten Kante als auch mit einem ersten Ende der vierten Kante und ein erstes Ende der dritten Kante ist in direktem Kontakt mit dem zweiten Ende der zweiten Kante als auch mit dem zweiten Ende der vierten Kante, wobei diese vier Kanten das Trapez bilden können. Die Schnittkante der Membrankontaktierungsfläche kann dabei als Membrankontaktierungsflächenschenkel und die Schnittkante der Bipolarplattenkontaktierungsfläche als
Bipolarplattenkontaktierungsflächenschenkel verstanden werden. Der
Membrankontaktierungsflächenschenkel und der
Bipolarplattenkontaktierungsflächenschenkel können dabei in Abnahmerichtung geneigt zueinander zulaufen. Damit ist gemeint, dass diese einen spitzen Winkel, insbesondere mit einem virtuellen Scheitelpunkt außerhalb der
Gasdiffusionslage, bilden. Eine solche Gasdiffusionslage kann einer Keilform gleichen. Mit einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage, wobei ein Querschnitt durch die erste Seitenfläche des Grundkörpers oder ein Querschnitt durch die zweite Seitenfläche des Grundkörpers ein Trapez aufzeigt, kann auf besonders einfache und vorteilhafte Weise eine Abnahme des
Gasdiffusionslagenströmungswiderstandes entlang der Abnahmerichtung erreicht werden. Dies kann dadurch geschafft werden, dass die Dicke, d. h. der Abstand zwischen der Bipolarplattenkontaktierungsfläche und der
Membrankontaktierungsfläche einer Gasdiffusionslage in Abnahmerichtung abnimmt. Die Gasdiffusionslage kann dabei insbesondere eine geregelte
Porosität und Porengröße über den gesamten Grundkörper aufweisen.
Mit besonderem Vorteil kann bei einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage ein Querschnitt durch die erste Seitenfläche des Grundkörpers oder ein Querschnitt durch die zweite Seitenfläche des Grundkörpers eine Stufenform aufzeigen, wobei die Stufenform Stufen mit gleicher und/oder unterschiedlicher Stufenhöhe aufweist, wobei entlang der Abnahmerichtung von der ersten Seitenfläche zur zweiten Seitenfläche die Stufenhöhe benachbarter Stufen abnimmt. Als
Stufenhöhe einer Stufe kann der Abstand zwischen der
Bipolarplattenkontaktierungsfläche und der Membrankontaktierungsfläche verstanden werden. Es kann auch die Länge der Stufen gleich und/oder unterschiedlich sein. Die Schnittkante der Membrankontaktierungsfläche kann im Wesentlichen gerade sein, wobei die Schnittkante der
Bipolarplattenkontaktierungsfläche stufenförmig sein kann. Das bedeutet, dass die Membrankontaktierungsfläche der Gasdiffusionslage die Membran mit einer im Wesentlichen ebenen Fläche kontaktieren kann. Eine Bipolarplatte ist aber vorteilhafterweise derart ausgebildet, insbesondere ebenfalls stufenförmig, dass diese die Bipolarplattenkontaktierungsfläche der Gasdiffusionslage im
Wesentlichen flächig kontaktiert. Die Bipolarplattenkontaktierungsfläche, die als Trittfläche einer Stufe gesehen werden kann, kann im Wesentlichen parallel, insbesondere parallel, zur Membrankontaktierungsfläche liegen. Besonders vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist, dass ein Grundkörper, dessen
Querschnitt eine Stufenform aufzeigt, besonders einfach und kostengünstig durch Stapeln einzelner quaderförmigen Gasdiffusionslagen hergestellt werden kann. Eine Gasdiffusionslage mit Stufenform kann eine einfache und vorteilhafte Möglichkeit gegeben sein, mit der eine Abnahme des
Gasdiffusionslagenströmungswiderstandes entlang der Abnahmerichtung bewirkt wird.
In den bereits erwähnten Ausführungsformen, in welchen ein Querschnitt durch die erste Seitenfläche des Grundkörpers oder ein Querschnitt durch die zweite Seitenfläche des Grundkörpers ein Trapez beziehungsweise eine Stufenform aufzeigt, kann der Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers entlang einer Abnahmerichtung aufgrund der geringer werdenden Dicke der Gasdiffusionslage abnehmen. Dies gilt insbesondere auch für einen
Grundkörper, der über sein gesamtes Volumen eine im Wesentlichen geregelte Porosität und Porengröße aufweist. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage kann die Porengröße der Poren des Grundkörpers ausgehend von der ersten Seitenfläche entlang einer Abnahmerichtung hin zur zweiten Seitenfläche zunehmen. Durch die Zunahme der Porengröße entlang der Abnahmerichtung kann der Gasdiffusionslagenströmungswiderstand besonders vorteilhaft entlang der Abnahmerichtung verringert werden. Durch die Zunahme der Porengröße entlang der Abnahmerichtung kann Gas, wie Wasserstoff oder Lufl/Sauerstoff, einen Grundkörper, insbesondere in einer Richtung von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche hin zur Membrankontaktierungsfläche, immer einfacher durchströmen. Weiter kann die Porengröße der Poren entlang der Abnahmerichtung kontinuierlich größer werden. Die Porengröße der Poren kann entlang der Abnahmerichtung in gleichen und/oder unterschiedlichen Abständen ausgehend von der ersten Seitenfläche entlang einer Abnahmerichtung hin zur zweiten Seitenfläche größer werden. Die Porengröße der Poren kann in einer Richtung von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche hin zur
Membrankontaktierungsfläche im Wesentlichen gleich sein. Besonders vorteilhaft kann eine erfindungsgemäße quaderförmige, plattenförmige Gasdiffusionslage sein, wobei die Porengröße der Poren des Grundkörpers der Gasdiffusionslage ausgehend von der ersten Seitenfläche entlang einer Abnahmerichtung hin zur zweiten Seitenfläche zunimmt.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage der Grundkörper aus wenigstens zwei Lagen fluiddurchlässigen, offenporigen Materials gebildet ist. Die Lagen können dabei aus gleichem und/oder unterschiedlichem fluiddurchlässigen, offenporigen Material bestehen.
Vorteilhafterweise können die Lagen schichtförmig zu dem Grundkörper angeordnet werden. Weiter können mehrere Lagen unterschiedlicher Länge zu einem Grundkörper, wobei ein Querschnitt durch die erste Seitenfläche des Grundkörpers oder ein Querschnitt durch die zweite Seitenfläche des
Grundkörpers beispielsweise ein Trapez oder eine Stufenform aufzeigt, angeordnet werden. Als Länge kann das Längenmaß der Lage in
Abnahmerichtung gemeint sein. Mit einem Grundkörper aus wenigstens zwei Lagen fluiddurchlässigen, offenporigen Materials kann folglich auf besonders einfach Weise eine Vergleichmäßigung des Druckes eines Gases in der Gasdiffusionslage, insbesondere des Druckes eines Gases an der Membran, bewirkt werden.
Vorteilhafterweise kann bei einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage der Grundkörper mindestens einen Hohlraum zur Verteilung eines Gases aufweisen, insbesondere, kann sich der mindestens eine Hohlraum entlang der
Abnahmerichtung von der ersten Seitenfläche zur zweiten Seitenfläche des Grundkörpers hin erstrecken. Als Hohlraum kann ein hohler, leerer Raum des Grundkörpers verstanden werden, in welchem ein Gas besonders einfach strömen kann. Ein sich in Abnahmerichtung erstreckender Hohlraum kann besonders günstig den Druck in der Gasdiffusionslage entlang der
Abnahmerichtung vergleichmäßigen. Weiter sind mehrere gleichmäßig verteilte Hohlräume geringen Durchmessers denkbar, wobei diese sich von der ersten Seitenfläche zur zweiten Seitenfläche des Grundkörpers hin erstrecken können. Gleichmäßig verteilte Hohlräume geringen Durchmessers können die
Vergleichmäßigung des Druckes verbessern, aber weiterhin die notwendige Stabilität der Gasdiffusionslage gewährleisten. Es sind aber auch vereinzelte große Hohlräume in der Gasdiffusionslage entlang der Abnahmerichtung von der ersten Seitenfläche zur zweiten Seitenfläche des Grundkörpers möglich. Diese können besonders einfach realisierbar sein. Hohlräume können auch im Inneren einer Gasdiffusionslage vorgesehen sein. Diese sind besonders einfach realisierbar, wenn der Grundkörper aus mehreren Lagen besteht. Besteht der Grundkörper aus mehreren Lagen kann ein Teil einer Lage weggelassen werden. Folglich können erfindungsgemäße Hohlraum besonders günstig zu einer Vergleichmäßigung des Druckes eines Gases in der Gasdiffusionslage beitragen.
Gemäß einem zweiten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung eine
Brennstoffzelle aufweisend eine Membran, zwei sich gegenüberliegende jeweils an eine Seite der Membran angeordnete Katalysatorschichten, zwei sich gegenüberliegende jeweils an eine der Katalysatorschichten angeordnete Gasdiffusionslagen, eine erste Bipolarplatte mit einer Anodenseite, wobei die Anodenseite eine Anodenplattenströmungsrichtung aufweist, und eine zweite Bipolarplatte mit einer Kathodenseite, wobei die Kathodenseite eine
Kathodenplattenströmungsrichtung aufweist. Als Anodenplattenströmungsrichtung kann eine bevorzugte Strömungsrichtung eines Brennstoffes über die aktive Fläche einer Brennstoffzelle verstanden werden. Als Kathodenplattenströmungsrichtung kann eine bevorzugte
Strömungsrichtung der Lufl/Sauerstoff über die aktive Fläche einer
Brennstoffzelle verstanden werden. Die Anodenseite der ersten Bipolarplatte und die Kathodenseite der zweiten Bipolarplatte begrenzen die Brennstoffzelle.
Weiter ist mindestens eine der beiden Gasdiffusionslagen nach einer
erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage ausgebildet. Mit besonderem Vorteil kann bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle die
Anodenplattenströmungsrichtung der Anodenseite einer ersten Bipolarplatte und die Abnahmerichtung von der ersten Seitenfläche zur zweiten Seitenfläche der Gasdiffusionslage zwischen der Anodenseite der ersten Bipolarplatte und der Membran gleich gerichtet sein, insbesondere im Wesentlichen gleich gerichtet sein. Vorteilhafterweise sind die Kathodenplattenströmungsrichtung der
Kathodenseite der zweiten Bipolarplatte und die Abnahmerichtung von der ersten Seitenfläche zur zweiten Seitenfläche der anderen Gasdiffusionslage zwischen der Kathodenseite zweiten Bipolarplatte und der Membran gleich gerichtet, insbesondere im Wesentlichen gleich gerichtet. Ferner können die
Anodenplattenströmungsrichtung und die Kathodenplattenströmungsrichtung gleich gerichtet sein, insbesondere im Wesentlichen gleich gerichtet sein, oder entgegengesetzt gerichtet sein, insbesondere im Wesentlichen entgegengesetzt gerichtet sein.
Die Brennstoffzelle gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu der Gasdiffusionslage gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
Gemäß einem dritten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung einen
Brennstoffzellenstack, wobei der Brennstoffzellenstack mindestens eine erste Brennstoffzelle und mindestens eine zweite Brennstoffzelle aufweist. Weiter ist die mindestens eine erste Brennstoffzelle nach einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und/oder die mindestens eine zweite Brennstoffzelle nach einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ausgebildet. Das Brennstoffzellenstack gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu der Gasdiffusionslage gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, sowie zu der Brennstoffzelle gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den
Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche
Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
Es zeigen schematisch:
Fig. 1 Perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage,
Fig. 2 Querschnitt durch eine erste Seitenfläche des Grundkörpers einer
erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage aus Fig. 1,
Fig. 3 Querschnitt durch eine erste oder zweite Seitenfläche eines
Grundkörpers einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage, wobei der Querschnitt ein Trapez aufzeigt,
Fig. 4 Querschnitt durch eine erste oder zweite Seitenfläche eines
Grundkörpers einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage, wobei der Querschnitt eine Stufenform aufzeigt,
Fig. 5 Querschnitt durch eine erste oder zweite Seitenfläche eines
Grundkörpers einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage, wobei der Querschnitt eine Stufenform mit mehreren Lagen aufzeigt, Fig. 6 Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage umfassend mehrere Lagen und Hohlräume,
Fig. 7 Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage,
Fig. 8 Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage,
Fig. 9 Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage,
Fig. 10 Brennstoffzellenstack mit erfindungsgemäßen Brennstoffzellen Fig. 11 Brennstoffzellenstack mit erfindungsgemäßen Brennstoffzellen, und Fig. 12 Brennstoffzellenstack mit erfindungsgemäßen Brennstoffzellen.
In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen identische Bezugszeichen verwendet.
Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht beispielhaft eine
Gasdiffusionslage 10 mit einem Grundkörper 12. Der Grundkörper 12 umfasst fluiddurchlässiges, offenporiges Material. Weiter weist der Grundkörper 12 eine Membrankontaktierungsfläche 14 und eine gegenüberliegende
Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 auf. Entlang einer Richtung von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 hin zur Membrankontaktierungsfläche 14 weist der Grundkörper einen Gasdiffusionslagenströmungswiderstand auf. Das bedeutet, dass ein Gas beim Durchströmen des Grundkörpers 12 ausgehend von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 in Richtung der
Membrankontaktierungsfläche 14 einen Strömungswiderstand zu überwinden hat. Weiter umfasst der Grundkörper 12 eine erste Seitenfläche 13 und eine gegenüberliegende zweite Seitenfläche 15. In Fig. 1 ist ferner eine
Abnahmerichtung A, die von der ersten Seitenfläche 13 hin zur zweiten Seitenfläche 15 zeigt, dargestellt. Erfindungsgemäß nimmt der
Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers 12 ausgehend von der ersten Seitenfläche 13 entlang der Abnahmerichtung A hin zur zweiten Seitenfläche 15 ab. Folglich kann ein Gas ausgehend von der Seitenfläche 13 entlang der Abnahmerichtung A hin zur Seitenfläche 15 einen Grundkörper 12 ausgehend von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 in Richtung zur Membrankontaktierungsfläche 14 immer einfacher durchströmen. Wird nun eine erfindungsgemäße Gasdiffusionslage 10 mit ihrer
Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 derart an eine Seite einer Bipolarplatte und mit ihrer Membrankontaktierungsfläche 14 derart an eine Seite einer Membran einer Brennstoffzelle 100 angeordnet, dass die bevorzugte Strömungsrichtung des Gases in der Bipolarplatte über die aktive Fläche der Brennstoffzelle 100 und die Abnahmerichtung A des Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers 12 der Gasdiffusionslage 10 gleich gerichtet sind, insbesondere im Wesentlichen gleich gerichtet sind, kann eine Vergleichmäßigung des Druckes eines Gases in der Gasdiffusionslage 10, insbesondere des Druckes eines Gases an der Membrankontaktierungsfläche 14 bzw. einer Membran der Brennstoffzelle 100, bewirkt werden. Vorteilhafterweise können somit auch Schäden an einer Membran einer Brennstoffzelle 100 aufgrund eines
ungleichmäßigen Druckes verhindert werden. Weiter kann die Konzentration der Reaktandengase, bspw. von Wasserstoff oder Sauerstoff, insbesondere an der Membran, über die aktive Fläche einer Brennstoffzelle 100 vergleichmäßigt werden. Damit kann eine homogene Stromdichte über die aktive Fläche einer Brennstoffzelle 100 bewirkt werden. Außerdem kann eine Leistungssteigerung der Brennstoffzelle 100 und eine homogene Befeuchtung der Membran erreicht werden.
Fig. 2 offenbart einen Querschnitt durch eine erste Seitenfläche 13 des
Grundkörpers 12 aus Fig. 1 (siehe gestrich-punktete Linie in Fig. 1). Der Querschnitt zeigt dabei ein Viereck auf, wobei eine erste Kante des Vierecks durch die Schnittkante der ersten Seitenfläche 13, die zweite Kante des Vierecks durch die Schnittkante der Membrankontaktierungsfläche 14, die dritte Kante des Vierecks durch die Schnittkante der zweiten Seitenfläche 15 und die vierte Kante des Vierecks durch die Schnittkante der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 gebildet ist. Weiter weist die Abnahmerichtung A von der ersten Seitenfläche 13 hin zur zweiten Seitenfläche 15. Fig. 3 illustriert einen Querschnitt durch die erste Seitenfläche 13 eines
Grundkörpers 12 oder einen Querschnitt durch die zweite Seitenfläche 15 des Grundkörpers 12 einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage 10. Der
Querschnitt zeigt ein Trapez auf. Die erste Kante des Trapezes wird durch die Schnittkante der ersten Seitenfläche 13, die zweite Kante des Trapezes wird durch die Schnittkante der Membrankontaktierungsfläche 14, die dritte Kante des Trapezes wird durch die Schnittkante der zweiten Seitenfläche 15 und die vierte Kante des Trapezes wird durch die Schnittkante der
Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 gebildet. Die Schnittkante der
Membrankontaktierungsfläche 14 kann dabei als
Membrankontaktierungsflächenschenkel und die Schnittkante der
Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 als
Bipolarplattenkontaktierungsflächenschenkel verstanden werden. Der
Membrankontaktierungsflächenschenkel und der
Bipolarplattenkontaktierungsflächenschenkel laufen in Abnahmerichtung A geneigt zueinander zu. Die Gasdiffusionslage 10 kann als keilförmig angesehen werden. Mit einer keilförmigen Gasdiffusionslage 10 wird auf besonders einfache und vorteilhafte Weise eine Abnahme des
Gasdiffusionslagenströmungswiderstandes entlang der Abnahmerichtung A dadurch erreicht, dass die Dicke D, d. h. der Abstand zwischen der
Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 und der Membrankontaktierungsfläche 14 der Gasdiffusionslage 10, entlang der Abnahmerichtung A abnimmt.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine erste Seitenfläche 13 eines
Grundkörpers 12 oder ein Querschnitt durch eine zweite Seitenfläche 15 des Grundkörpers 12, wobei der Querschnitt eine Stufenform mit vier Stufen mit einer Stufenhöhe Hl, H2, H3 beziehungsweise H4 aufzeigt. Als Stufenhöhe Hl, H2,
H3 beziehungsweise H4 ist der jeweilige Abstand zwischen der
Membrankontaktierungsfläche 14 und der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 zu verstehen. Entlang der Abnahmerichtung A von der ersten Seitenfläche 13 zur zweiten Seitenfläche 15 nimmt die Stufenhöhe benachbarter Stufen ab. Die Länge der Stufen kann variieren, wobei mit Länge der Stufe die Länge der Trittfläche der Stufe gemeint ist. Weiter zeigt Fig. 4, dass die
Membrankontaktierungsfläche 14 im Wesentlichen gerade ist, was notwendig sein kann um eine Membran einer Brennstoffzelle 100 bestmöglich zu kontaktieren. Dagegen ist die die Schnittkante der
Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 stufenförmig. Das bedeutet auch, dass eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle 100 vorteilhafterweise derart ausgebildet ist, insbesondere ebenfalls stufenförmig, dass diese die
Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 der Gasdiffusionslage 10 im Wesentlichen flächig kontaktiert. Eine Gasdiffusionslage 10 mit einer solchen Stufenform ermöglicht auf einfache Weise, dass ein Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers 12 ausgehend von der ersten Seitenfläche 13 entlang einer Abnahmerichtung A hin zur zweiten Seitenfläche 15 abnimmt.
Fig. 5 offenbart einen Querschnitt durch eine erste Seitenfläche 13 eines Grundkörpers 12 oder ein Querschnitt durch eine zweite Seitenfläche 15 des Grundkörpers 12 einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage 10. In Fig. 5 wird die Gasdiffusionslage 10 mit vier Lagen 12a, 12b, 12c und 12d unterschiedlicher Länge, wobei diese vier Lagen 12a bis 12d schichtförmig zu dem Grundkörper 12 angeordnet sind, gezeigt. Als Länge ist das Längenmaß einer Lage 12a bis 12d in Abnahmerichtung A gemeint. Der Grundkörper 12 zeigt dabei eine Stufenform auf, wobei ausgehend von der ersten Seitenfläche 13 entlang einer
Abnahmerichtung A hin zur zweiten Seitenfläche 15 ein Gas entlang einer Richtung von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 hin zur
Membrankontaktierungsfläche 14 die vier Lagen 12a bis 12d, die drei Lagen 12a bis 12c, die zwei Lagen 12a und 12b beziehungsweise die eine Lage 12a durchströmt. Entlang der Abnahmerichtung A kann der
Gasdiffusionslagenwiderstand einer Stufe konstant, insbesondere im
Wesentlichen konstant, sein. Weiter ist aber auch denkbar, dass mehrere Lagen zu einer anderen Form, wie beispielsweise der Keilform in Fig. 3, angeordnet werden. Jede der vier Lagen 12a bis 12d weist eine erste Seitenfläche 13a bis 13c beziehungsweise 13d auf, wobei diese zusammen die erste Seitenfläche 13 bilden. Die Lage 12a weist die erfindungsgemäße zweite Seitenfläche 15 auf. Die Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 setzt sich aus den
Bipolarplattenkontaktierungsflächen 16a, 16b, 16c, 16d zusammen. Die vier Lagen 12a bis 12d können dabei aus gleichem und/oder unterschiedlichem fluiddurchlässigen, offenporigen Material bestehen. Mit einem Grundkörper 12 aus den vier Lagen 12a bis 12d kann auf besonders einfach Weise eine
Vergleichmäßigung des Druckes eines Gases in der Gasdiffusionslage 10, insbesondere des Druckes eines Gases an der Membrankontaktierungsfläche 14 bewirkt werden.
Fig. 6 illustriert in einer Vorderansicht eine Gasdiffusionslage 10 aus vier Lagen 12a bis 12d, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist. Die Gasdiffusionslage 10 weist zwei große Hohlräume 62 auf, die weiter zur Vergleichmäßigung des Druckes eines Gases in der Gasdiffusionslage 10 beitragen. Ein Hohlraum 62 befindet sich innerhalb der Gasdiffusionslage 10 und der andere Hohlraum 62 am Rand der Gasdiffusionslage 10. Die Abnahmerichtung A zeigt in die Zeichenebene hinein (x). Die beiden Hohlräume 62 erstrecken sich entlang der Abnahmerichtung A von der ersten Seitenfläche 13 zur zweiten Seitenfläche 15 (nicht dargestellt). Weiter sind leere, hohle Verbindungskanäle (nicht dargestellt) in dem
Grundkörper 12 entlang der Richtung von der
Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 hin zur Membrankontaktierungsfläche 14 zwischen den Hohlräumen 62 möglich, welche weiter zur Vergleichmäßigung des Druckes eines Gases in der Gasdiffusionslage 10 beitragen können.
Fig. 7 zeigt eine Brennstoffzelle 100 in einer Explosionszeichnung mit einer Membran 112, wobei die Membran 112 von zwei sich gegenüberliegende jeweils an eine Seite der Membran 112 angeordnete Katalysatorschichten 114a beziehungsweise 114b begrenzt wird. Sowohl die Gasdiffusionsschicht 10a und die Gasdiffusionsschicht 10b sind damit indirekt über die Katalysatorschicht 114a beziehungsweise über die Katalysatorschicht 114b an die Membran 112 angeordnet. Die Gasdiffusionslage 10a und die Gasdiffusionslage 10b zeigen jeweils eine Abnahmerichtung A von der ersten Seitenfläche 13 zur zweiten Seitenfläche 15 auf. Weiter ist eine Anodenseite 120a einer ersten Bipolarplatte, wobei die Anodenseite 120a eine Anodenplattenströmungsrichtung S1 aufweist, und eine zweite Bipolarplatte mit einer Kathodenseite 122b, wobei die
Kathodenseite 122b eine Kathodenplattenströmungsrichtung S2 aufweist, dargestellt. Die Anodenseite 120a der ersten Bipolarplatte und die
Kathodenseite 122b der zweiten Bipolarplatte begrenzen die Brennstoffzelle 100. Vorteilhafterweise stimmen die Anodenplattenströmungsrichtung S1 und die Abnahmerichtung A der Gasdiffusionslage 10a überein, insbesondere im
Wesentlichen überein. Vorteilhafterweise stimmen auch die
Kathodenplattenströmungsrichtung S2 der zweiten Bipolarplatte und die Abnahmerichtung A der Gasdiffusionslage 10b überein. In Fig. 7 stimmen die Anodenplattenströmungsrichtung Sl, die Abnahmerichtung A der
Gasdiffusionslage 10a, die Anodenplattenströmungsrichtung Sl und die
Abnahmerichtung A der Gasdiffusionslage 10a überein. Denkbar ist auch, dass die Anodenplattenströmungsrichtung Sl und die Abnahmerichtung A der Gasdiffusionslage 10a gleich gerichtet sind, aber die
Kathodenplattenströmungsrichtung S2 und die Abnahmerichtung A der
Gasdiffusionslage 10b der Anodenplattenströmungsrichtung Sl entgegengesetzt gerichtet sind. Vorteilhafterweise kann nun mit den erfindungsgemäßen
Gasdiffusionslagen 10a und 10b der Druck von bspw. Wasserstoff auf der Anodenseite 120a an der Membran 112 einer Brennstoffzelle 100 und der Druck von bspw. Luft auf der Kathodenseite 122b an der Membran 112 einer
Brennstoffzelle 100 vergleichmäßigt werden. Somit können Schäden an der Membran 112 der Brennstoffzelle 100 aufgrund eines ungleichmäßigen Druckes verhindert werden. Weiter kann die Konzentration der Reaktandengase, bspw. von Wasserstoff oder Sauerstoff, insbesondere an der Membran 112, über die aktive Fläche einer Brennstoffzelle 100 vergleichmäßigt werden. Damit kann ferner eine homogene Stromdichte über die aktive Fläche einer
Brennstoffzelle 100 bewirkt werden. Außerdem kann eine Leistungssteigerung der Brennstoffzelle 100 und eine homogene Befeuchtung der Membran erreicht werden.
Fig. 8 und Fig. 9 zeigen wie Fig. 7 in einer Explosionszeichnung jeweils eine Brennstoffzelle 100. Bei einer fertig zusammengesetzten Brennstoffzelle 100 kontaktieren auch die Anodenseite 120a einer Bipolarplatte und die
Kathodenseite 122b einer anderen Bipolarplatte die
Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 der keilförmigen Gasdiffusionslage 10a beziehungsweise die Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 der keilförmigen Gasdiffusionslage 10b flächig. Der Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers 12 der Gasdiffusionslage 10a und der
Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers 12 der
Gasdiffusionslage 10b nehmen jeweils ausgehend von der ersten Seitenfläche 13 entlang einer Abnahmerichtung A hin zur zweiten Seitenfläche 15 ab. Dies wird jeweils dadurch erreicht, indem die Dicke, d. h. der Abstand zwischen der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 und der Membrankontaktierungsfläche 14 der Gasdiffusionslage 10a beziehungsweise der Gasdiffusionslage 10b in Abnahmerichtung A abnimmt. Fig. 9 kann als die in Fig. 8 gezeigte
Brennstoffzelle 100 gesehen werden, wobei diese um 180 Grad gedreht ist.
Fig. 10 zeigt einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstack 200 mit einer Vielzahl an Brennstoffzellen 100, wie sie beispielsweise in Fig. 7 und Fig. 8 dargestellt worden sind. Die Brennstoffzellen 100 sind zu dem
Brennstoffzellenstack 200 angeordnet. Werden mehrere Brennstoffzellen 100 mit beispielsweise keilförmigen Gasdiffusionslagen 10, wie in Fig. 8 aufgezeigt, zu einem Brennstoffzellenstack 200 angeordnet, so kann der
Brennstoffzellenstack 200 ebenfalls eine Keilform aufweisen. Es kann sinnvoll sein nur eine gewisse Anzahl an Brennstoffzellen 100 mit einer nicht
quaderförmigen, beispielsweise einer keilförmigen, Gasdiffusionslage 10 zu dem Brennstoffzellenstack 200 anzuordnen.
Fig. 11 illustriert ebenfalls einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstack 200 mit einer Vielzahl an Brennstoffzellen 100, wie sie beispielsweise in Fig. 9 dargestellt worden sind. Die Brennstoffzellen 100 sind zu dem
Brennstoffzellenstack 200 angeordnet. Fig. 11 kann als der in Fig. 10 gezeigte Brennstoffzellenstack 200 gesehen werden, wobei dieser um 180 Grad gedreht ist.
Fig. 12 zeigt ein Brennstoffzellenstacksystem 300, wobei das
Brennstoffzellenstack 300 abwechselnd aus Brennstoffzellenstacks 200, wie sie in Fig. 10 und Fig. 11 dargestellt sind, aufgebaut ist. Dies wird auch durch die beiden unterschiedlichen Symbole + und ¨ in der Fig. 12 dargestellt.
Vorteilhafterweise kann damit auch ein insgesamt im Wesentlichen
quaderförmiges Brennstoffzellenstacksystem 300 aus keilförmigen
Brennstoffzellenstacks 200 aufgebaut werden. Eine gleichmäßige Verspannung des Brennstoffzellenstacksystems 300 kann damit möglich sein.

Claims

Ansprüche
1. Gasdiffusionslage (10) für eine Brennstoffzelle (100) aufweisend einen
Grundkörper (12) aus einem fluiddurchlässigen, offenporigen Material, wobei der Grundkörper (12) eine Membrankontaktierungsfläche (14), die einer ersten Seite einer Membran der Brennstoffzelle (100) zuwendbar ist, und eine von der Membrankontaktierungsfläche (14) beabstandete Bipolarplattenkontaktierungsfläche (16), die einer ersten Seite einer Bipolarplatte der Brennstoffzelle (100) zuwendbar ist, und eine erste Seitenfläche (13) zwischen der Membrankontaktierungsfläche (14) und der Bipolarplattenkontaktierungsfläche (16), und eine von der ersten Seitenfläche (13) beabstandete zweite Seitenfläche (15) zwischen der Membrankontaktierungsfläche (14) und der
Bipolarplattenkontaktierungsfläche (16), wobei der Grundkörper (12) entlang einer Richtung von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche (16) hin zur Membrankontaktierungsfläche (14) einen
Gasdiffusionslagenströmungswiderstand aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers (12) ausgehend von der ersten Seitenfläche (13) entlang einer
Abnahmerichtung (A) hin zur zweiten Seitenfläche (15) abnimmt.
2. Gasdiffusionslage (10) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Querschnitt durch die erste Seitenfläche (13) des
Grundkörpers (12) oder ein Querschnitt durch die zweite Seitenfläche (15) des Grundkörpers (12) ein Viereck aufzeigt.
3. Gasdiffusionslage (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt durch die erste Seitenfläche (13) des
Grundkörpers (12) oder ein Querschnitt durch die zweite Seitenfläche (15) des Grundkörpers (12) ein Trapez aufzeigt, wobei insbesondere ein Membrankontaktierungsflächenschenkel (17) des Trapezes des geschnittenen Grundkörpers (12) und ein
Bipolarplattenkontaktierungsflächenschenkel (18) des Trapezes des geschnittenen Grundkörpers (12) geneigt zueinander verlaufen.
4. Gasdiffusionslage (10) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Querschnitt durch die erste Seitenfläche (13) des
Grundkörpers (12) oder ein Querschnitt durch die zweite Seitenfläche (15) des Grundkörpers (12) eine Stufenform aufzeigt, wobei die Stufenform Stufen mit gleicher und/oder unterschiedlicher Stufenhöhe (H) aufweist, wobei entlang der Abnahmerichtung (A) von der ersten Seitenfläche (13) zur zweiten Seitenfläche (15) die Stufenhöhe (H) benachbarter
Stufen abnimmt.
5. Gasdiffusionslage (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Porengröße der Poren des Grundkörpers (10) ausgehend von der ersten Seitenfläche (13) entlang einer Abnahmerichtung (A) hin zur zweiten Seitenfläche (15) zunimmt.
6. Gasdiffusionslage (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Grundkörper (12) aus wenigstens zwei Lagen fluiddurchlässigen, offenporigen Materials gebildet ist.
7. Gasdiffusionslage (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Grundkörper (12) mindestens ein Hohlraum (62) zur Verteilung eines Gases aufweist, insbesondere, dass sich mindestens ein
Hohlraum (62) entlang der Abnahmerichtung (A) von der ersten Seitenfläche (13) zur zweiten Seitenfläche (15) des Grundkörpers (12) hin erstreckt.
8. Brennstoffzelle (100) aufweisend eine Membran (112), zwei sich
gegenüberliegende jeweils an eine Seite der Membran (112) angeordnete Katalysatorschichten (114a, 114b), zwei sich gegenüberliegende jeweils an eine der Katalysatorschichten (114a, 114b) angeordnete
Gasdiffusionslagen (10a, 10b), eine erste Bipolarplatte mit einer
Anodenseite (120a), wobei die Anodenseite (120a) eine
Anodenplattenströmungsrichtung (Sl) aufweist, und eine zweite
Bipolarplatte mit einer Kathodenseite (122b), wobei die
Kathodenseite (122b) eine Kathodenplattenströmungsrichtung (S2) aufweist, wobei die Anodenseite (120a) und die Kathodenseite (122b) die Brennstoffzelle (100) begrenzen,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens eine der beiden Gasdiffusionslagen (10a, 10b) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
9. Brennstoffzelle (100) nach Anspruch 8, wobei die
Anodenplattenströmungsrichtung (Sl) der ersten Bipolarplatte und die Abnahmerichtung (A) von der ersten Seitenfläche (13) zur zweiten Seitenfläche (15) der Gasdiffusionslage (10) zwischen der ersten Bipolarplatte und der Membran (112) gleich gerichtet oder im
Wesentlichen gleich gerichtet sind, und wobei die
Kathodenplattenströmungsrichtung (S2) der zweiten Bipolarplatte und die Abnahmerichtung (A) von der ersten Seitenfläche (13) zur zweiten Seitenfläche (15) der anderen Gasdiffusionslage (10) zwischen der zweiten Bipolarplatte und der Membran (112) gleich gerichtet oder im Wesentlichen gleich gerichtet sind, wobei die
Anodenplattenströmungsrichtung (Sl) und die
Kathodenplattenströmungsrichtung (S2) gleich gerichtet sind,
insbesondere im Wesentlichen gleich gerichtet sind, oder
entgegengesetzt gerichtet sind, insbesondere im Wesentlichen entgegengesetzt gerichtet sind.
10. Brennstoffzellenstack (200) aufweisend eine erste Brennstoffzelle (100a) und eine zweite Brennstoffzelle (100b),
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Brennstoffzelle (100a) und/oder die zweite
Brennstoffzelle (100b) nach einem der Ansprüche 8 oder 9 ausgebildet sind.
PCT/EP2020/069226 2019-07-18 2020-07-08 Gasdiffusionslage, brennstoffzelle mit gasdiffusionslage sowie brennstoffzellenstack mit brennstoffzelle WO2021008963A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019210637.4A DE102019210637A1 (de) 2019-07-18 2019-07-18 Gasdiffusionslage, Brennstoffzelle mit Gasdiffusionslage sowie Brennstoffzellenstack mit Brennstoffzelle
DE102019210637.4 2019-07-18

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021008963A1 true WO2021008963A1 (de) 2021-01-21

Family

ID=71575380

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2020/069226 WO2021008963A1 (de) 2019-07-18 2020-07-08 Gasdiffusionslage, brennstoffzelle mit gasdiffusionslage sowie brennstoffzellenstack mit brennstoffzelle

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102019210637A1 (de)
WO (1) WO2021008963A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021210461A1 (de) 2021-09-21 2023-03-23 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19737390A1 (de) 1996-08-27 1998-03-12 Univ New York State Res Found Gasdiffusionselektroden auf Basis von Poly(vinylidenfluordid)-Kohlenstoff-Gemischen
DE10254116A1 (de) * 2002-11-20 2004-06-09 Daimlerchrysler Ag Gasdiffusionselektrode mit Gasdiffusionsschicht mit Schichtdickegradient
WO2004109833A2 (en) * 2003-06-10 2004-12-16 Ballard Power Systems Inc. Electrochemical fuel cell with fluid distribution layer having non-uniform permeability
KR20090102175A (ko) * 2008-03-25 2009-09-30 한국과학기술연구원 연료전지용 기체 확산층 및 이를 이용한 연료전지
US20170309928A1 (en) * 2016-04-26 2017-10-26 Hyundai Motor Company Fuel cell stack and method of manufacturing fuel cell stack
EP2475036B1 (de) 2009-09-01 2018-08-15 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Membranelektrodenanordnung, herstellungsverfahren dafür und brennstoffzelle

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19737390A1 (de) 1996-08-27 1998-03-12 Univ New York State Res Found Gasdiffusionselektroden auf Basis von Poly(vinylidenfluordid)-Kohlenstoff-Gemischen
DE10254116A1 (de) * 2002-11-20 2004-06-09 Daimlerchrysler Ag Gasdiffusionselektrode mit Gasdiffusionsschicht mit Schichtdickegradient
WO2004109833A2 (en) * 2003-06-10 2004-12-16 Ballard Power Systems Inc. Electrochemical fuel cell with fluid distribution layer having non-uniform permeability
KR20090102175A (ko) * 2008-03-25 2009-09-30 한국과학기술연구원 연료전지용 기체 확산층 및 이를 이용한 연료전지
EP2475036B1 (de) 2009-09-01 2018-08-15 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Membranelektrodenanordnung, herstellungsverfahren dafür und brennstoffzelle
US20170309928A1 (en) * 2016-04-26 2017-10-26 Hyundai Motor Company Fuel cell stack and method of manufacturing fuel cell stack

Also Published As

Publication number Publication date
DE102019210637A1 (de) 2021-01-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE602004009180T2 (de) Strömungsfeldplattengeometrien
WO2017186770A1 (de) Bipolarplatte aufweisend reaktantengaskanäle mit variablen querschnittsflächen, brennstoffzellenstapel sowie fahrzeug mit einem solchen brennstoffzellenstapel
EP3378117B1 (de) Bipolarplatte mit asymmetrischen dichtungsabschnitten, sowie brennstoffzellenstapel mit einer solchen
DE102008033211A1 (de) Bipolarplatte für eine Brennstoffzellenanordnung, insbesondere zur Anordnung zwischen zwei benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen
WO2015150536A1 (de) Bipolarplatte und brennstoffzelle mit einer solchen
WO2017025555A1 (de) Bipolarplatte sowie brennstoffzellenstapel mit einer solchen
WO2017013201A1 (de) Brennstoffzelle und brennstoffzellenstapel
WO2017016976A1 (de) Bipolarplatte und membran-elektroden-einheit für eine in einem brennstoffzellenstapel angeordnete brennstoffzelle, brennstoffzelle und brennstoffzellenstapel
WO2019175200A1 (de) Gasverteilerstruktur für eine brennstoffzelle
WO2021008963A1 (de) Gasdiffusionslage, brennstoffzelle mit gasdiffusionslage sowie brennstoffzellenstack mit brennstoffzelle
EP2025026B1 (de) Brennstoffzelle mit einer separatorplatteneinheit und separatorplatteneinheit
DE102005037093B4 (de) Brennstoffzelle mit Fluidführungskanälen mit sich gegenläufig ändernden Strömungsquerschnitten
WO2002013287A2 (de) Elektrochemische zelle mit polymerelektrolytmembran
EP2263279B1 (de) Gasverteilerfeldplatte mit verbesserter gasverteilung für eine brennstoffzelle und eine solche enthaltende brennstoffzelle
DE102016200802A1 (de) Flusskörper-Gasdiffusionsschicht-Einheit für eine Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstapel, Brennstoffzellensystem und Kraftfahrzeug
EP4165705B1 (de) Bipolarplatte und brennstoffzellenstapel
DE102021214297B4 (de) Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel
WO2017085030A1 (de) Brennstoffzellenstapel bipolarplatten aufweisend sowie brennstoffzellensystem
DE102005047118B4 (de) Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle mit einer Gasdiffusionslage mit verbesserter fluidischer Durchlässigkeit
DE102021214824A1 (de) Medienverteilerstruktur, Bipolarplatte und elektrochemische Zelle
DE102021205800A1 (de) Separatorplatte für einen Brennstoffzellenstapel
WO2008113520A1 (de) Gasverteilerfeldplatte für eine brennstoffzelle und eine solche enthaltende brennstoffzelle
WO2020007730A1 (de) Bipolarplatte für brennstoffzellen mit drei einzelplatten, sowie brennstoffzelle und brennstoffzellenstapel mit solchen bipolarplatten
DE102007035830A1 (de) Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, insbesondere zur Anordnung zwischen zwei benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen in einem Brennstoffzellenstapel
WO2003001621A2 (de) Bipolare platte für eine brennstoffzelle

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20739329

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20739329

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1