WO2021121777A1 - Gas diffusion layer for an electrochemical cell - Google Patents

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WO2021121777A1
WO2021121777A1 PCT/EP2020/081499 EP2020081499W WO2021121777A1 WO 2021121777 A1 WO2021121777 A1 WO 2021121777A1 EP 2020081499 W EP2020081499 W EP 2020081499W WO 2021121777 A1 WO2021121777 A1 WO 2021121777A1
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gas diffusion
diffusion layer
spiral
fibers
turns
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PCT/EP2020/081499
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Ulrich Berner
Thilo Lehre
Andreas Gehrold
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023Porous and characterised by the material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095Fuel cells with polymeric electrolytes
    • YGENERAL 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
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    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a gas diffusion layer for an electrochemical cell, which comprises a plurality of fibers with spiral turns.
  • Fuel cells or batteries as examples of electrochemical cells are typically used as electrical power sources for the supply of electric motors or machines. Electric drives are increasingly part of a vehicle drive for electric bicycles,
  • Electric cars Electric cars, hybrid vehicles and the like.
  • fuel cell vehicles are characterized by a significantly longer range and faster refueling times.
  • PEM polymer electrolyte membrane fuel cell
  • GDB carbon fiber fleece
  • MPL microporous particle layer
  • the gas diffusion layer has various tasks within, for example, a fuel cell. This includes the substance distribution of oxygen, hydrogen, water, etc., as well as a power line, a heat conduction and a force distribution of contact pressures.
  • the fiber fleece typically used is very permeable to gases in the plane of the gas diffusion layer and helps with the transverse distribution of the media, the heat and the current under the webs of bipolar plates, which divert the current to the outside.
  • the carbon fiber structures are brittle and can break during the manufacture of the GDL or during the assembly process of the cells or the stack.
  • the resulting fiber ends or the basically existing ends of unbroken fibers from the GDL can protrude from the MPL and consequently penetrate the very thin ( ⁇ 30 ⁇ m) and mechanically sensitive catalyst-coated membrane. This leads to irreparable damage to the electrochemical cell and, in a very short time, to failure of the electrochemical cell.
  • a gas diffusion layer for an electrochemical cell and an electrochemical cell according to the features of the independent claims are specified, which at least in part achieve the stated objects.
  • Advantageous configurations are the subject matter of the dependent claims and the description below.
  • a gas diffusion layer for an electrochemical cell having a semipermeable membrane, and the gas diffusion layer having a fluid-permeable structure and a multiplicity of electrically conductive fibers.
  • the majority of the fibers have at least one spiral-like turn at their two ends, the arrangement and diameter of which is set up in relation to the fiber in such a way that it is difficult for individual fibers to pierce the membrane when the electrochemical cell is built with the gas diffusion layer.
  • the semipermeable membrane serves to separate the two electrode spaces of the fuel cell.
  • Such a gas diffusion layer can electrically and thermally connect an electrocatalytic reaction layer located on the membrane side to the bipolar plate and ensure the media transport to and from the electrocatalytic reaction layer.
  • Such fibers can be produced according to the basic materials used for the production of the fibers with the spiral-like turns.
  • Carbonized fibers with spiral-like windings can be produced, for example, in that the starting materials used for the carbonization are brought into the desired shape and a canonization process then follows. This is shown, for example, in DOI: 10.5772 / 51125, chapter 3.3 including the references therein and in the Journal of Materials Science 34 (1999) 5519 - 5524.
  • Such spiral-like structures of the fibers are much less likely to break due to their elasticity.
  • these fiber ends can yield elastically due to the spiral structure and mechanical damage to adjacent layers, such as the semipermeable membrane, for example, can thereby be almost completely ruled out.
  • spiral-like fibers can be mechanically significantly more resistant to bending or compression fractures.
  • the use of fibers with spiral-like windings results in a thermal conductivity and electrical conductivity comparable to, for example, carbon particles within the plane of the gas diffusion layer, but due to the three-dimensionality of the structure in this regard improved properties through the layers, as fewer contact points between structures over a certain amount Distance are necessary.
  • a predominant proportion of the fibers additionally have spiral-like turns over the entire length of the fiber.
  • the spiral-like turns are shaped and arranged such that a cavity for the transport of fluids is created within the spiral-like turns.
  • the media can be distributed in an improved manner through these cavities. This applies in particular to the areas of the gas diffusion layer that lie under the webs of a bipolar plate.
  • the proportion of fibers with spiral-like windings in the gas diffusion layer is at least 90%.
  • the percentage here relates to a ratio of closed structures with at least one passage to a smooth or non-spiral fiber portion of the gas diffusion layer.
  • the fibers have a diameter between 1 pm and 20 pm, and preferably have a diameter between 2 pm and 10 pm.
  • the spiral-like turns have a diameter between 1 ⁇ m and 100 ⁇ m, and the turns preferably have a diameter between 3 ⁇ m and 20 ⁇ m. These diameters allow ideal embedding in the gas diffusion layer with a target height of 20 ⁇ m to 200 ⁇ m, so that a sufficiently high number of fiber layers is stacked to ensure mechanical stability.
  • the spiral-like windings have a distance from one another between 0 pm and 100 pm, and the windings preferably have a distance between 0.1 pm and 5 pm.
  • the preferred distance allows the use of typical particle-like carbon materials with particle sizes greater than 5 ⁇ m as a further filler for the gas diffusion layer, without these being able to penetrate into the spirals and thus block the fluid transport paths.
  • the spiral-like turns have a free inner diameter between 0.2 ⁇ m and 100 ⁇ m, and the spiral-like turns preferably have a free inner diameter between 1 ⁇ m and 10 ⁇ m. These diameters allow an ideal fluid transport, since here the passages are sufficiently large that limitation by reaching a pore size in the area of Knudsen diffusion is avoided.
  • At least some of the plurality of fibers with the spiral-like windings give the structure of the gas diffusion layer.
  • structuring is to be understood in particular as meaning that the fibers formed in this way build up a macroscopic basic structure with one another, which determines the external shape of the gas diffusion layer. According to one aspect, it is proposed that at least some of the fibers with the spiral-like turns are connected to one another with at least one further fiber by means of a binding agent.
  • the respective fibers with the spiral-like windings can be mechanically connected to one another with a binding agent.
  • Such a binder can be, for example, PTFE.
  • a structure built up in this way can correspondingly replace a carbon fiber fleece made up of elongated carbonized fibers.
  • the gas diffusion layer have carbon particles.
  • a particle-based microporous layer By introducing carbon particles into the spiral structures of the fibers, a particle-based microporous layer can be improved with regard to conduction of current and conduction of heat within the gas diffusion layer.
  • the carbon particles are introduced in such a way that they are arranged in the inter-fiber space and leave the intra-fiber space as free as possible.
  • An overall layer constructed in this way can provide both the function of a microporous layer and the function of an adjacent macroporous layer.
  • a gas diffusion layer constructed in this way thus fulfills both the task of a microporous layer and the tasks of a macroporous layer and can make an additional carbon fiber fleece in the sense of a gas diffusion backing (GDB) obsolete for the construction of a fuel cell.
  • GDB gas diffusion backing
  • the size of the carbon particles and the spatial dimensions of the spiral-like turns of the fibers are determined in such a way that a cavity for the transport of fluids remains free within the spiral-like turns.
  • a free inner diameter of the spiral-like fibers can provide a cavity for improved media transport, such as gases and water, within the layer, since an orientation of the spiral-like fibers within the gas diffusion layer can be set during the production of these layers.
  • the characteristic dimensions of the fibers with the spiral-like windings and the dimensions of the carbon particles can be selected in such a way that the inner diameter of the spiral-like fibers remains free.
  • the gas diffusion layer is at least partially penetrated by a microporous functional layer in order to provide both a microporous partial area and a macroporous partial area for a structure of the electrochemical cell.
  • the plurality of fibers have carbonized starting materials or inorganic ceramics or metals or stainless steel or copper or nickel or titanium or alloys of these metals.
  • the material suitable for the respective purpose can be selected.
  • An electrochemical cell which has a membrane, a catalytic reaction layer and a gas diffusion layer adjoining the reaction layer, as has been described above.
  • An electrochemical cell constructed in this way can be manufactured more cheaply and have fewer defects, in particular with regard to the semipermeable membrane.
  • FIGS. 1 and 2 Exemplary embodiments of the invention are illustrated with reference to FIGS. 1 and 2 and are explained in more detail below. It shows:
  • FIG. 1 shows a fiber which has spiral-like turns over its length
  • FIG. 2 shows a gas diffusion layer made of carbon particles and fibers which have spiral-like windings over their length.
  • Figures la) to lc) sketch the characteristic dimensions of fibers 100 for a gas diffusion layer 200 for the construction of a electrochemical cell.
  • the figure la) sketches a fiber 100, which has spiral-like turns over its entire length, which are sketched here in an idealized manner symmetrically about a center line.
  • a characteristic length 120 of an individual turn is indicated accordingly.
  • FIG. 1 b outlines a single spiral-like turn of a fiber 100, the individual fiber having a thickness 140.
  • FIG. 1 c outlines the inner diameter 160 and the outer diameter 180 of a fiber 100 with spiral-like windings from a view along a center line.
  • FIG. 2 outlines a gas diffusion layer 200 with a characteristic layer thickness 220, which has a multiplicity of fibers 100 with spiral-like windings which are aligned in the gas diffusion layer 200 in the plane of the layer.
  • the sketch of the gas diffusion layer 200 in FIG. 2 does not show a close-up order of an alignment of the fibers; the sketch stands for a random alignment of the fibers with a preferred direction in the plane of the gas diffusion layer.
  • the gas diffusion layer 200 also has carbon particles 240 and binder 260.
  • the plurality of fibers 100 with spiral-like windings are thus embedded in the gas diffusion layer 200 in a composite with carbon particles 240 and binder 260 and can improve both heat conduction and electrical conductivity within the layer, since they have to overcome fewer interfaces over their length than Adjacent carbon particles 240.
  • fluid transport can be improved within the layer plane if, due to the characteristic dimensions of the fibers 100 with the spiral-like windings and the sizes of the carbon particles 240, the inner diameter of the spiral-like fibers 100 remains free.
  • a gas diffusion layer 200 constructed in this way thus fulfills both the function of a microporous layer and the functions of a macroporous layer and can make an additional carbon fiber fleece in the sense of gas diffusion backing (GDB) obsolete for the construction of a fuel cell.
  • GDB gas diffusion backing

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Abstract

A gas diffusion layer for an electrochemical cell is proposed, wherein the electrochemical cell has a semipermeable membrane, and the gas diffusion layer has a fluid-permeable structure and a multiplicity of fibres; and a predominant proportion of the fibres have, at the two ends thereof, at least one spiral-shaped winding, the arrangement and diameter of which is configured, in relation to the fibres, such that piercing of the membrane by individual ones of these fibres during a process of construction of the electrochemical cell with the gas diffusion layer is impeded.

Description

Beschreibung description
Titel title
Gasdiffusionsschicht für eine elektrochemische Zelle Gas diffusion layer for an electrochemical cell
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasdiffusionsschicht für eine elektrochemische Zelle, die eine Vielzahl von Fasern mit spiralartigen Windungen aufweist. The present invention relates to a gas diffusion layer for an electrochemical cell, which comprises a plurality of fibers with spiral turns.
Stand der Technik State of the art
Brennstoffzellen oder Batterien als Beispiele elektrochemischer Zellen werden typischerweise als elektrische Stromquellen für die Versorgung von Elektromotoren oder Maschinen verwendet. Dabei sind Elektroantriebe zunehmend Bestandteil eines Fahrzeugantriebs für Elektrofahrräder,Fuel cells or batteries as examples of electrochemical cells are typically used as electrical power sources for the supply of electric motors or machines. Electric drives are increasingly part of a vehicle drive for electric bicycles,
Elektroautos, Hybridfahrzeuge und dergleichen. Electric cars, hybrid vehicles and the like.
Im Gegensatz zu batteriebetriebenen Fahrzeugen zeichnen sich Brennstoffzellenfahrzeuge durch eine deutlich höhere Reichweite und eine schnellere Betankungszeit aus. In contrast to battery-operated vehicles, fuel cell vehicles are characterized by a significantly longer range and faster refueling times.
Bei der Weiterentwicklung insbesondere von PEM-Brennstoffzellen, d. h. einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEM; für Englisch „polymer- electrolyte-membrane“), zur höheren Leistungsabgabe kommt dem Wassermanagement, der Stromableitung und der Wärmeleitung in den Halbzellen der elektrochemischen Zellen eine besondere Bedeutung zu, um die Leistung der Brennstoffzelle zu optimieren. In the further development of PEM fuel cells in particular, i. H. a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM; for “polymer electrolyte membrane”), for higher power output, the water management, power dissipation and heat conduction in the half-cells of the electrochemical cells are of particular importance to the performance of the fuel cell to optimize.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die deutlich höheren Verkaufspreise von Brennstoffzellenfahrzeugen im Vergleich zu Verbrennungsfahrzeugen stellen noch eine große Hürde für die Massenmarkteinführung dar. Ein Weg, um die Zielkosten zu erreichen, liegt in der Verbesserung bzw. Vereinfachung von Komponenten. The significantly higher sales prices of fuel cell vehicles compared to combustion vehicles are still a major hurdle for them Mass market introduction. One way to achieve the target cost is to improve or simplify components.
Eine Gasdiffusionsschicht einer elektrochemischen Zelle weist typischerweise kanalseitig zu einer Bipolarplatte ein Kohlefaserflies (GDB = gas diffusion backing) und katalysatorseitig eine mikroporöse Partikelschicht (MPL = microporous layer) auf. A gas diffusion layer of an electrochemical cell typically has a carbon fiber fleece (GDB = gas diffusion backing) on the channel side to a bipolar plate and a microporous particle layer (MPL = microporous layer) on the catalyst side.
Die Gasdiffusionsschicht hat innerhalb von beispielsweise einer Brennstoffzelle verschiedene Aufgaben. Dazu zählen die Stoffverteilung von Sauerstoff, Wasserstoff, Wasser, etc., sowie eine Stromleitung, eine Wärmeleitung sowie eine Kraftverteilung von Anpressdrücken. Das typischerweise verwendete Faserflies ist in der Ebene der Gasdiffusionsschicht sehr gut für Gase durchlässig und hilft bei der Querverteilung der Medien, der Wärme und des Stroms unter Stegen von Bipolarplatten, die den Strom nach außen ableiten. The gas diffusion layer has various tasks within, for example, a fuel cell. This includes the substance distribution of oxygen, hydrogen, water, etc., as well as a power line, a heat conduction and a force distribution of contact pressures. The fiber fleece typically used is very permeable to gases in the plane of the gas diffusion layer and helps with the transverse distribution of the media, the heat and the current under the webs of bipolar plates, which divert the current to the outside.
Die Faserstrukturen aus Kohlenstoff sind spröde und können bereits während der Fertigung der GDL oder während des Assemblierungsprozesses der Zellen oder des Stacks brechen. Die hierbei entstehenden Faserenden oder auch die grundsätzlich vorliegenden Enden ungebrochener Fasern aus der GDL können aus der MPL herausragen und folglich die sehr dünne (< 30pm) und mechanisch empfindliche Katalysator-beschichtete Membran durchstoßen. Dies führt zu einem irreparablen Schaden der elektrochemischen Zelle und in kürzester Zeit zum Ausfall der elektrochemischen Zelle. The carbon fiber structures are brittle and can break during the manufacture of the GDL or during the assembly process of the cells or the stack. The resulting fiber ends or the basically existing ends of unbroken fibers from the GDL can protrude from the MPL and consequently penetrate the very thin (<30 μm) and mechanically sensitive catalyst-coated membrane. This leads to irreparable damage to the electrochemical cell and, in a very short time, to failure of the electrochemical cell.
Erfindungsgemäß wird eine Gasdiffusionsschicht für eine elektrochemische Zelle und eine elektrochemische Zelle gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche angegeben, die zumindest zum Teil die genannten Aufgaben lösen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. According to the invention, a gas diffusion layer for an electrochemical cell and an electrochemical cell according to the features of the independent claims are specified, which at least in part achieve the stated objects. Advantageous configurations are the subject matter of the dependent claims and the description below.
Gemäß einem Aspekt wird eine Gasdiffusionsschicht für eine elektrochemische Zelle vorgeschlagen, wobei die elektrochemische Zelle eine semipermeable Membran aufweist, und die Gasdiffusionsschicht eine fluiddurchlässige Struktur und eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Fasern aufweist. Dabei weist ein überwiegender Anteil der Fasern an ihren beiden Enden zumindest eine spiralartige Windung auf, deren Anordnung und Durchmesser in Relation zur Faser so eingerichtet ist, dass ein Durchstoßen der Membran durch einzelne dieser Fasern bei einem Aufbau der elektrochemischen Zelle mit der Gasdiffusionsschicht erschwert wird. According to one aspect, a gas diffusion layer for an electrochemical cell is proposed, the electrochemical cell having a semipermeable membrane, and the gas diffusion layer having a fluid-permeable structure and a multiplicity of electrically conductive fibers. This instructs The majority of the fibers have at least one spiral-like turn at their two ends, the arrangement and diameter of which is set up in relation to the fiber in such a way that it is difficult for individual fibers to pierce the membrane when the electrochemical cell is built with the gas diffusion layer.
Dabei dient die semipermeable Membran der Trennung der beiden Elektrodenräume der Brennstoffzelle. The semipermeable membrane serves to separate the two electrode spaces of the fuel cell.
Eine solche Gasdiffusionsschicht kann eine membranseitig gelegene elektrokatalytische Reaktionsschicht mit der bipolaren Platte elektrisch und thermisch verbinden und den Medientransport zu und von der elektrokatalytischen Reaktionsschicht sicherstellen. Such a gas diffusion layer can electrically and thermally connect an electrocatalytic reaction layer located on the membrane side to the bipolar plate and ensure the media transport to and from the electrocatalytic reaction layer.
Entsprechend den verwendeten Grundmaterialien für die Herstellung der Fasern mit den spiralartigen Windungen können solche Fasern hergestellt werden. Karbonisierte Fasern mit spiralartigen Windungen können beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass die für die Karbonisierung verwendeten Ausgangsmaterialien in die gewünschte Form gebracht werden und sich dann ein Kanonisierungsprozess anschließt. Dies ist beispielsweise in der DOI: 10.5772/51125, chapter 3.3 incl. der Referenzierungen darin und in dem Journal of Materials Science 34 (1999) 5519 - 5524 dargestellt. Such fibers can be produced according to the basic materials used for the production of the fibers with the spiral-like turns. Carbonized fibers with spiral-like windings can be produced, for example, in that the starting materials used for the carbonization are brought into the desired shape and a canonization process then follows. This is shown, for example, in DOI: 10.5772 / 51125, chapter 3.3 including the references therein and in the Journal of Materials Science 34 (1999) 5519 - 5524.
Solche spiralartigen Strukturen der Fasern sind aufgrund ihrer Elastizität deutlich weniger gefährdet zu brechen. In einem Fall von vorliegenden freien Faserenden können diese Faserenden durch die Spiralstruktur elastisch nachgeben und eine mechanische Beschädigung angrenzender Schichten, wie beispielsweise der semipermeablen Membran, kann dadurch nahezu ausgeschlossen werden.Such spiral-like structures of the fibers are much less likely to break due to their elasticity. In the event that free fiber ends are present, these fiber ends can yield elastically due to the spiral structure and mechanical damage to adjacent layers, such as the semipermeable membrane, for example, can thereby be almost completely ruled out.
Diese spiralartigen Fasern können mechanisch deutlich widerstandsfähiger gegen Biege-oder Stauchbruch sein. Vorteilhafterweise ergeben sich durch die Verwendung von Fasern mit spiralartigen Windungen eine mit beispielsweise Kohlenstoff- Partikeln vergleichbare Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit innerhalb der Ebene der Gasdiffusionsschicht, aber aufgrund der Dreidimensionalität der Struktur diesbezüglich verbesserte Eigenschaften durch die Schichten hindurch, da weniger Kontaktpunkte zwischen Strukturen über eine gewisse Distanz notwendig sind. Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass ein überwiegender Anteil der Fasern zusätzlich über die gesamte Länge der Faser spiralartige Windungen aufweist. These spiral-like fibers can be mechanically significantly more resistant to bending or compression fractures. Advantageously, the use of fibers with spiral-like windings results in a thermal conductivity and electrical conductivity comparable to, for example, carbon particles within the plane of the gas diffusion layer, but due to the three-dimensionality of the structure in this regard improved properties through the layers, as fewer contact points between structures over a certain amount Distance are necessary. According to one aspect, it is proposed that a predominant proportion of the fibers additionally have spiral-like turns over the entire length of the fiber.
Vorteilhafterweise entsteht dadurch eine dreidimensionale Struktur, die die elektrische und Wärmeleitfähigkeit durch die Gasdiffusionsschicht hindurch weiter verbessern kann und durch die erhöhte Porosität Transportvorgänge von und zu der membranseitigen Reaktionsschicht auch in Bereichen der Gasdiffusionsschicht, die durch die Stege einer Bipolarplatte bedeckt sind, im Sinne einer Homogenisierung, hin zu einer gleichmäßig versorgten Elektrode verbessern kann. This advantageously creates a three-dimensional structure that can further improve the electrical and thermal conductivity through the gas diffusion layer and, due to the increased porosity, transport processes from and to the membrane-side reaction layer, also in areas of the gas diffusion layer that are covered by the webs of a bipolar plate, in the sense of homogenization , towards an evenly supplied electrode.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die spiralartigen Windungen so geformt und angeordnet sind, dass innerhalb der spiralartigen Windungen ein Hohlraum zum Transport von Fluiden entsteht. According to one aspect, it is proposed that the spiral-like turns are shaped and arranged such that a cavity for the transport of fluids is created within the spiral-like turns.
Sofern bei der Herstellung der Gasdiffusionsschicht, insbesondere durch die Wahl der Größe von zusätzlichen Kohlenstoff-Partikeln, sichergestellt werden kann, dass sich innerhalb der spiralartigen Fasern Hohlräume ergeben, können durch diese Hohlräume die Medien verbessert verteilt werden. Dies gilt insbesondere für die Bereiche der Gasdiffusionsschicht die unter den Stegen einer Bipolarplatte liegen. If during the production of the gas diffusion layer, in particular by selecting the size of the additional carbon particles, it can be ensured that cavities result within the spiral-like fibers, the media can be distributed in an improved manner through these cavities. This applies in particular to the areas of the gas diffusion layer that lie under the webs of a bipolar plate.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der Anteil der Fasern mit spiralartigen Windungen in der Gasdiffusionsschicht zumindest 90 % beträgt. Dabei bezieht sich der prozentuale Anteil auf ein Verhältnis von geschlossenen Strukturen mit zumindest einem Durchlass zu einem glatten bzw. nicht spiralartige Faseranteil der Gasdiffusionsschicht. According to one aspect, it is proposed that the proportion of fibers with spiral-like windings in the gas diffusion layer is at least 90%. The percentage here relates to a ratio of closed structures with at least one passage to a smooth or non-spiral fiber portion of the gas diffusion layer.
Durch einen so hohen Anteil an Fasern mit spiralartigen Windungen ergibt sich eine Verminderung von Beschädigungen der semipermeablen Membran der Brennstoffzelle durch glatte bzw. nicht-spiralartige Fasern um den Faktor 10. Durch einen Einsatz eines entsprechend höheren Prozentsatzes dieser Fasern mit spiralartigen Windungen in der Gasdiffusionsschicht kann eine Beschädigung der semipermeablen Membran in noch weiterem Maße verhindert werden. Der angegebene Prozentsatz bezieht sich also auf ein Verhältnis von glatten, nicht spiralartigen Fasern zu Fasern mit spiralartigen Windungen. Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Fasern einen Durchmesser zwischen 1 pm und 20 pm aufweisen, und bevorzugt einen Durchmesser zwischen 2 pm und 10 pm aufweisen. Such a high proportion of fibers with spiral-like windings results in a reduction of damage to the semipermeable membrane of the fuel cell by smooth or non-spiral-like fibers by a factor of 10. By using a correspondingly higher percentage of these fibers with spiral-like windings in the gas diffusion layer damage to the semipermeable membrane can be prevented to an even greater extent. The percentage given therefore relates to a ratio of smooth, non-spiral-like fibers to fibers with spiral-like turns. According to one aspect, it is proposed that the fibers have a diameter between 1 pm and 20 pm, and preferably have a diameter between 2 pm and 10 pm.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die spiralartigen Windungen einen Durchmesser zwischen 1 pm und 100 pm aufweisen, und die Windungen bevorzugt einen Durchmesser zwischen 3 pm und 20 pm aufweisen. Diese Durchmesser erlauben eine ideale Einbettung in die Gasdiffusionsschicht mit einer Zielhöhe von 20 pm bis 200 pm, sodass eine ausreichend hohe Zahl an Faserlagen gestapelt ist, um die mechanische Stabilität zu gewährleisten. According to one aspect, it is proposed that the spiral-like turns have a diameter between 1 μm and 100 μm, and the turns preferably have a diameter between 3 μm and 20 μm. These diameters allow ideal embedding in the gas diffusion layer with a target height of 20 μm to 200 μm, so that a sufficiently high number of fiber layers is stacked to ensure mechanical stability.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die spiralartigen Windungen einen Abstand voneinander zwischen 0 pm und 100 pm aufweisen, und die Windungen bevorzugt einen Abstand zwischen 0,1 pm und 5 pm aufweisen. Der bevorzugte Abstand erlaubt den Einsatz typischer partikelartigen Kohlematerialen mit Partikelgrößen größer 5 pm als weiteren Füllstoff der Gasdiffusionsschicht, ohne dass diese in die Spiralen eindringen könnten und damit die Fluidtransportwege blockieren könnten. According to one aspect, it is proposed that the spiral-like windings have a distance from one another between 0 pm and 100 pm, and the windings preferably have a distance between 0.1 pm and 5 pm. The preferred distance allows the use of typical particle-like carbon materials with particle sizes greater than 5 μm as a further filler for the gas diffusion layer, without these being able to penetrate into the spirals and thus block the fluid transport paths.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die spiralartigen Windungen einen freien Innendurchmesser zwischen 0,2 pm und 100 pm aufweisen, und die spiralartigen Windungen bevorzugt einen freien Innendurchmesser zwischen 1 pm und 10 pm aufweisen. Diese Durchmesser erlauben einen idealen Fluidtransport, da hier die Gänge ausreichend groß sind, dass Limitierung durch Erreichen einer Porengröße im Bereich der Knudsen-Diffusion vermieden wird. According to one aspect, it is proposed that the spiral-like turns have a free inner diameter between 0.2 μm and 100 μm, and the spiral-like turns preferably have a free inner diameter between 1 μm and 10 μm. These diameters allow an ideal fluid transport, since here the passages are sufficiently large that limitation by reaching a pore size in the area of Knudsen diffusion is avoided.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Teil der Vielzahl der Fasern mit den spiralartigen Windungen strukturgebend für die Gasdiffusionsschicht ist. According to one aspect, it is proposed that at least some of the plurality of fibers with the spiral-like windings give the structure of the gas diffusion layer.
Unter dem Begriff strukturgebend ist insbesondere zu verstehen, dass die so geformten Fasern miteinander eine makroskopische Grundstruktur aufbauen, die die äußere Form der Gasdiffusionsschicht bestimmt. Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Teil der Fasern mit den spiralartigen Windungen mit zumindest einer weiteren Faser mittels eines Bindemittels miteinander verbunden sind. The term structuring is to be understood in particular as meaning that the fibers formed in this way build up a macroscopic basic structure with one another, which determines the external shape of the gas diffusion layer. According to one aspect, it is proposed that at least some of the fibers with the spiral-like turns are connected to one another with at least one further fiber by means of a binding agent.
Für den Aufbau einer Struktur können die jeweiligen Fasern mit den spiralartigen Windungen untereinander mit einem Bindemittel mechanisch verbunden sein.To build up a structure, the respective fibers with the spiral-like windings can be mechanically connected to one another with a binding agent.
Ein solches Bindemittel kann beispielsweise PTFE sein. Eine so aufgebaute Struktur kann ein aus lang gestreckten karbonisierten Fasern aufgebautes Kohlefaservlies entsprechend ersetzen. Such a binder can be, for example, PTFE. A structure built up in this way can correspondingly replace a carbon fiber fleece made up of elongated carbonized fibers.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Gasdiffusionsschicht Kohlenstoff- Partikel aufweist. According to one aspect, it is proposed that the gas diffusion layer have carbon particles.
Durch das Einbringen von Kohlenstoff- Partikeln in die spiralförmigen Strukturen der Fasern kann eine partikelbasierte mikroporöse Schicht in Bezug auf eine Stromleitung und eine Wärmeleitung innerhalb der Gasdiffusionsschicht verbessert werden. Dabei werden die Kohlenstoff-Partikel so eingebracht, dass sie im inter- Faserraum angeordnet sind und den intra- Faserraum möglichst frei lassen. By introducing carbon particles into the spiral structures of the fibers, a particle-based microporous layer can be improved with regard to conduction of current and conduction of heat within the gas diffusion layer. The carbon particles are introduced in such a way that they are arranged in the inter-fiber space and leave the intra-fiber space as free as possible.
Eine so aufgebaute Gesamtschicht kann sowohl die Funktion einer mikroporösen Schicht als auch die Funktion einer angrenzenden makroporösen Schicht bereitstellen. Eine so aufgebaute Gasdiffusionsschicht erfüllt somit sowohl die Aufgabe einer mikroporösen Schicht als auch die Aufgaben einer makroporösen Schicht und kann ein zusätzliches Kohlefaserflies im Sinne eines Gasdiffusions Backing (GDB) für den Aufbau einer Brennstoffzelle obsolet machen. An overall layer constructed in this way can provide both the function of a microporous layer and the function of an adjacent macroporous layer. A gas diffusion layer constructed in this way thus fulfills both the task of a microporous layer and the tasks of a macroporous layer and can make an additional carbon fiber fleece in the sense of a gas diffusion backing (GDB) obsolete for the construction of a fuel cell.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Größe der Kohlenstoff- Partikel und die räumlichen Dimensionen der spiralartigen Windungen der Fasern so bestimmt sind, dass innerhalb der spiralartigen Windungen ein Hohlraum zum Transport von Fluiden frei bleibt. According to one aspect, it is proposed that the size of the carbon particles and the spatial dimensions of the spiral-like turns of the fibers are determined in such a way that a cavity for the transport of fluids remains free within the spiral-like turns.
Insbesondere kann ein freier Innendurchmesser der spiralartigen Fasern einen Hohlraum für einen verbesserten Medientransport, wie beispielsweise Gasen und Wasser, innerhalb der Schicht bereitstellen, da bei der Herstellung dieser Schichten eine Ausrichtung der spiralartigen Fasern innerhalb der Gasdiffusionsschicht eingestellt werden kann. Dazu können die charakteristischen Abmessungen der Fasern mit den spiralartigen Windungen und die Abmessungen der Kohlenstoffpartikel so gewählt werden, dass der Innendurchmesser der spiralartigen Fasern frei bleibt. In particular, a free inner diameter of the spiral-like fibers can provide a cavity for improved media transport, such as gases and water, within the layer, since an orientation of the spiral-like fibers within the gas diffusion layer can be set during the production of these layers. For this purpose, the characteristic dimensions of the fibers with the spiral-like windings and the dimensions of the carbon particles can be selected in such a way that the inner diameter of the spiral-like fibers remains free.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Gasdiffusionsschicht zumindest teilweise von einer mikroporösen Funktionsschicht durchdrungen wird, um sowohl einen mikroporösen Teilbereich als auch einen makroporösen Teilbereich für einen Aufbau der elektrochemischen Zelle bereitzustellen. According to one aspect, it is proposed that the gas diffusion layer is at least partially penetrated by a microporous functional layer in order to provide both a microporous partial area and a macroporous partial area for a structure of the electrochemical cell.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Vielzahl der Fasern karbonisierte Ausgangsstoffe oder anorganische Keramiken oder Metalle oder Edelstahl oder Kupfer oder Nickel oder Titan oder Legierungen aus diesen Metallen aufweisen. According to one aspect, it is proposed that the plurality of fibers have carbonized starting materials or inorganic ceramics or metals or stainless steel or copper or nickel or titanium or alloys of these metals.
Durch die große Materialauswahl mit der die Erfindung realisierbar ist, kann das für den jeweiligen Zweck geeignete Material ausgewählt werden. Due to the large selection of materials with which the invention can be implemented, the material suitable for the respective purpose can be selected.
Es wird eine elektrochemische Zelle vorgeschlagen, die eine Membran, eine katalytische Reaktionsschicht und eine an die Reaktionsschicht angrenzende Gasdiffusionsschicht wie sie oben beschrieben wurde aufweist. An electrochemical cell is proposed which has a membrane, a catalytic reaction layer and a gas diffusion layer adjoining the reaction layer, as has been described above.
Eine so aufgebaute elektrochemische Zelle kann günstiger hergestellt werden und weniger Defekte insbesondere in Bezug auf die semipermeable Membran aufweisen. An electrochemical cell constructed in this way can be manufactured more cheaply and have fewer defects, in particular with regard to the semipermeable membrane.
Ausführungsbeispiel Embodiment
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind mit Bezug auf die Figuren 1 und 2 dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigt: Exemplary embodiments of the invention are illustrated with reference to FIGS. 1 and 2 and are explained in more detail below. It shows:
Figur 1 eine Faser die über ihre Länge spiralartige Windungen aufweist; und FIG. 1 shows a fiber which has spiral-like turns over its length; and
Figur 2 eine Gasdiffusionsschicht aus Kohlenstoff-Partikeln und Fasern, die über ihre Länge spiralartige Windungen aufweisen. FIG. 2 shows a gas diffusion layer made of carbon particles and fibers which have spiral-like windings over their length.
Die Figuren la) bis lc) skizzieren die charakteristischen Dimensionen von Fasern 100 für eine Gasdiffusionsschicht 200 für den Aufbau einer elektrochemischen Zelle. Die Figur la) skizziert eine Faser 100, die über ihre gesamte Länge spiralartige Windungen aufweist, die hier in idealisierter Weise symmetrisch um eine Mittellinie skizziert sind. Dabei ist eine charakteristische Länge 120 einer einzelnen Windung entsprechend angedeutet. Figures la) to lc) sketch the characteristic dimensions of fibers 100 for a gas diffusion layer 200 for the construction of a electrochemical cell. The figure la) sketches a fiber 100, which has spiral-like turns over its entire length, which are sketched here in an idealized manner symmetrically about a center line. A characteristic length 120 of an individual turn is indicated accordingly.
Die Figur lb) skizziert eine einzelne spiralartige Windung einer Faser 100, wobei die einzelne Faser eine Dicke 140 aufweist. FIG. 1 b) outlines a single spiral-like turn of a fiber 100, the individual fiber having a thickness 140.
Die Figur 1 c) skizziert den Innendurchmesser 160 und den Außendurchmesser 180 einer Faser 100 mit spiralartigen Windungen aus einer Sicht entlang einer Mittellinie. FIG. 1 c) outlines the inner diameter 160 and the outer diameter 180 of a fiber 100 with spiral-like windings from a view along a center line.
Die Figur 2 skizziert eine Gasdiffusionsschicht 200 mit einer charakteristischen Schichtdicke 220, die eine Vielzahl von Fasern 100 mit spiralartigen Windungen aufweist, die in der Gasdiffusionsschicht 200 in der Ebene der Schicht ausgerichtet sind. Die Skizze der Gasdiffusionsschicht 200 der Figur 2 zeigt keine Nahordnung einer Ausrichtung der Fasern, die Skizze steht für eine zufällige Ausrichtung der Fasern mit einer Vorzugsrichtung in der Ebene der Gasdiffusionsschicht. FIG. 2 outlines a gas diffusion layer 200 with a characteristic layer thickness 220, which has a multiplicity of fibers 100 with spiral-like windings which are aligned in the gas diffusion layer 200 in the plane of the layer. The sketch of the gas diffusion layer 200 in FIG. 2 does not show a close-up order of an alignment of the fibers; the sketch stands for a random alignment of the fibers with a preferred direction in the plane of the gas diffusion layer.
Dabei weist die Gasdiffusionsschicht 200 außerdem Kohlenstoffpartikel 240 und Bindemittel 260 auf. Die Vielzahl von Fasern 100 mit spiralartigen Windungen sind in der Gasdiffusionsschicht 200 somit in einem Verbund mit Kohlenstoffpartikeln 240 und Bindemittel 260 eingebettet und können sowohl eine Wärmeleitung als auch eine elektrische Leitfähigkeit innerhalb der Schicht verbessern, da sie über ihre Länge weniger Grenzflächen überwinden müssen, als aneinander angrenzende Kohlenstoffpartikel 240. Außerdem kann innerhalb der Schichtebene ein Fluidtransport verbessert werden, wenn aufgrund der charakteristischen Abmessungen der Fasern 100 mit den spiralartigen Windungen und den Größen der Kohlenstoffpartikel 240 der Innendurchmesser der spiralartigen Fasern 100 frei bleibt. Eine so aufgebaute Gasdiffusionsschicht 200 erfüllt somit sowohl die Aufgabe einer mikroporösen Schicht als auch die Aufgaben einer makroporösen Schicht und kann ein zusätzliches Kohlefaserflies im Sinne eines Gasdiffusions Backing (GDB) für den Aufbau einer Brennstoffzelle obsolet machen. The gas diffusion layer 200 also has carbon particles 240 and binder 260. The plurality of fibers 100 with spiral-like windings are thus embedded in the gas diffusion layer 200 in a composite with carbon particles 240 and binder 260 and can improve both heat conduction and electrical conductivity within the layer, since they have to overcome fewer interfaces over their length than Adjacent carbon particles 240. In addition, fluid transport can be improved within the layer plane if, due to the characteristic dimensions of the fibers 100 with the spiral-like windings and the sizes of the carbon particles 240, the inner diameter of the spiral-like fibers 100 remains free. A gas diffusion layer 200 constructed in this way thus fulfills both the function of a microporous layer and the functions of a macroporous layer and can make an additional carbon fiber fleece in the sense of gas diffusion backing (GDB) obsolete for the construction of a fuel cell.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Gasdiffusionsschicht (200) für eine elektrochemische Zelle, wobei die elektrochemische Zelle eine semipermeable Membran aufweist, und die Gasdiffusionsschicht (200) eine fluiddurchlässige Struktur; und eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Fasern (100) aufweist; und ein überwiegender Anteil der Fasern (100) an ihren beiden Enden zumindest eine spiralartige Windung aufweist, deren Anordnung und Durchmesser (180) in Relation zur Faser (100) so eingerichtet ist, dass ein Durchstoßen der Membran durch einzelne dieser Fasern (100) bei einem Aufbau der elektrochemischen Zelle mit der Gasdiffusionsschicht (200) erschwert wird. A gas diffusion layer (200) for an electrochemical cell, the electrochemical cell having a semipermeable membrane, and the gas diffusion layer (200) having a fluid-permeable structure; and a plurality of electrically conductive fibers (100); and a predominant proportion of the fibers (100) have at least one spiral-like turn at their two ends, the arrangement and diameter (180) of which in relation to the fiber (100) is set up in such a way that individual fibers (100) can pierce the membrane a construction of the electrochemical cell with the gas diffusion layer (200) is made more difficult.
2. Gasdiffusionsschicht (200) gemäß Anspruch 1, wobei ein überwiegender Anteil der Fasern (100) zusätzlich über die gesamte Länge der Faser (100) spiralartige Windungen aufweist. 2. Gas diffusion layer (200) according to claim 1, wherein a predominant proportion of the fibers (100) additionally has spiral-like turns over the entire length of the fiber (100).
3. Gasdiffusionsschicht (200) gemäß Anspruch 2, wobei die spiralartigen Windungen so geformt und angeordnet sind, dass innerhalb der spiralartigen Windungen ein Hohlraum zum Transport von Fluiden entsteht. 3. Gas diffusion layer (200) according to claim 2, wherein the spiral-like turns are shaped and arranged such that a cavity for the transport of fluids is created within the spiral-like turns.
4. Gasdiffusionsschicht (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anteil der Fasern (100) mit spiralartigen Windungen in der Gasdiffusionsschicht zumindest 90 % beträgt. 4. Gas diffusion layer (200) according to one of the preceding claims, wherein the proportion of fibers (100) with spiral-like windings in the gas diffusion layer is at least 90%.
5. Gasdiffusionsschicht (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fasern (100) einen Durchmesser zwischen 1 pm und 20 pm aufweisen, und vorzugsweise einen Durchmesser zwischen 2 pm und 10 pm aufweisen. 5. Gas diffusion layer (200) according to one of the preceding claims, wherein the fibers (100) have a diameter between 1 pm and 20 pm, and preferably have a diameter between 2 pm and 10 pm.
6. Gasdiffusionsschicht (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die spiralartigen Windungen einen Durchmesser zwischen 1 pm und 100 pm aufweisen, und die Windungen vorzugsweise einen Durchmesser (180) zwischen 3 pm und 20 pm aufweisen. 6. Gas diffusion layer (200) according to one of the preceding claims, wherein the spiral-like turns have a diameter between 1 pm and 100 pm, and the turns preferably have a diameter (180) between 3 pm and 20 pm.
7. Gasdiffusionsschicht (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die spiralartigen Windungen einen Abstand (120) voneinander zwischen 0 pm und 100 pm aufweisen, und die Windungen vorzugsweise einen Abstand zwischen 0,1 pm und 5 pm aufweisen. 7. Gas diffusion layer (200) according to one of the preceding claims, wherein the spiral-like turns have a distance (120) from one another between 0 pm and 100 pm, and the turns preferably have a distance between 0.1 pm and 5 pm.
8. Gasdiffusionsschicht (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die spiralartigen Windungen einen freien Innendurchmesser zwischen 0,2 pm und 100 pm aufweisen, und die spiralartigen Windungen vorzugsweise einen freien Innendurchmesser (160) zwischen 1 pm und 10 pm aufweisen. 8. Gas diffusion layer (200) according to one of the preceding claims, wherein the spiral-like turns have a free inner diameter between 0.2 pm and 100 pm, and the spiral-like turns preferably have a free inner diameter (160) between 1 pm and 10 pm.
9. Gasdiffusionsschicht (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Teil der Vielzahl der Fasern (100) mit den spiralartigen Windungen strukturgebend für die Gasdiffusionsschicht (200) ist. 9. The gas diffusion layer (200) according to any one of the preceding claims, wherein at least a part of the plurality of fibers (100) with the spiral-like turns is structuring for the gas diffusion layer (200).
10. Gasdiffusionsschicht (200) gemäß Anspruch 9, wobei zumindest ein Teil der Fasern (100) mit den spiralartigen Windungen mit zumindest einer weiteren Faser (100) mittels eines Bindemittels (260) miteinander verbunden sind. 10. The gas diffusion layer (200) according to claim 9, wherein at least some of the fibers (100) with the spiral-like windings are connected to one another with at least one further fiber (100) by means of a binder (260).
11. Gasdiffusionsschicht (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die Kohlenstoff-Partikel (240) aufweist. 11. Gas diffusion layer (200) according to one of the preceding claims, which comprises carbon particles (240).
12. Gasdiffusionsschicht (200) gemäß Anspruch 11, wobei die Größe der Kohlenstoff- Partikel (240) und die räumlichen Dimensionen der spiralartigen Windungen der Fasern (100) so bestimmt sind, dass innerhalb der spiralartigen Windungen ein Hohlraum zum Transport von Fluiden frei bleibt. 12. Gas diffusion layer (200) according to claim 11, wherein the size of the carbon particles (240) and the spatial dimensions of the spiral-like turns of the fibers (100) are determined so that a cavity for the transport of fluids remains free within the spiral-like turns.
13. Gasdiffusionsschicht (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die zumindest teilweise von einer mikroporösen Funktionsschicht durchdrungen wird, um sowohl einen mikroporösen Teilbereich als auch einen makroporösen Teilbereich für einen Aufbau der elektrochemischen Zelle bereitzustellen. 13. Gas diffusion layer (200) according to one of the preceding claims, which is at least partially penetrated by a microporous functional layer in order to provide both a microporous partial area and a macroporous partial area for a structure of the electrochemical cell.
14. Gasdiffusionsschicht (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl der Fasern (100): karbonisierte Ausgangsstoffe, anorganische Keramiken, Metalle, Edelstahl, Kupfer, Nickel oder Titan oder Legierungen aus Edelstahl, Kupfer, Nickel oder Titan aufweisen. 14. Gas diffusion layer (200) according to one of the preceding claims, wherein the plurality of fibers (100): carbonized starting materials, inorganic ceramics, metals, stainless steel, copper, nickel or titanium or alloys of stainless steel, copper, nickel or titanium.
15. Elektrochemische Zelle, die eine Membran, eine katalytische Reaktionsschicht und eine an die Reaktionsschicht angrenzende Gasdiffusionsschicht (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist. 15. An electrochemical cell which has a membrane, a catalytic reaction layer and a gas diffusion layer (200) adjoining the reaction layer according to one of the preceding claims.
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