WO2021170470A1 - Method for removing a surface of a gas diffusion layer, gas diffusion layer, fuel cell and fuel cell stack - Google Patents

Method for removing a surface of a gas diffusion layer, gas diffusion layer, fuel cell and fuel cell stack Download PDF

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WO2021170470A1
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gas diffusion
bipolar plate
diffusion layer
electrically conductive
fuel cell
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Harald Bauer
Juergen Hackenberg
Peter Lindner
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • a fuel cell is an electrochemical cell, which has two 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 an oxidizing agent directly into electricity.
  • a special type of fuel cell is the polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM-FC).
  • PEM-FC polymer electrolyte membrane fuel cell
  • a porous electrode with a catalyst layer adjoins one side of the polymer electrolyte membrane (PEM) and another porous electrode with a catalyst layer adjoins another side of the PEM opposite this side.
  • the PEM-FC includes gas diffusion layers (GDL) in the active area, which delimit the PEM and the two porous electrodes, each with a catalyst layer, on both sides.
  • GDL gas diffusion layers
  • the PEM, the two electrodes with the respective catalyst layer and the two GDL form a so-called membrane electrode unit (MEA) in the active area of the PEM-FC.
  • MEA membrane electrode unit
  • Two bipolar plates delimit the MEA on both sides.
  • a fuel cell stack is made up of MEA and bipolar plates arranged alternately on top of one another, the fuel cell stack being clamped by means of clamping means.
  • the bipolar plates and the MEAs are pressed against each other, so that on the one hand it is ensured that the fuel cell stack is gas-tight and on the other hand the respective electrical one Contact resistance between the individual elements of the fuel cell stack is kept low.
  • a dominant electrical contact resistance is the resistance between a bipolar plate and an adjoining gas diffusion layer.
  • bipolar plate of a fuel cell facing a gas diffusion layer it is known to modify the surface of a bipolar plate of a fuel cell facing a gas diffusion layer in order to reduce the electrical contact resistance between the gas diffusion layer and the bipolar plate.
  • the bipolar plate surface is coated with gold.
  • Another modification of the surface of the bipolar plate is roughening the surface of the bipolar plate, for example by means of sandblasting.
  • the present invention shows a method for removing a surface of a gas diffusion layer according to the features of claim 1, a gas diffusion layer according to the features of claim 8, a fuel cell according to the features of claim 9 and a fuel cell stack according to the features of claim 11.
  • the present invention shows a method for removing a surface of a gas diffusion layer for a fuel cell, the gas diffusion layer comprising an electrically conductive network.
  • the gas diffusion layer comprises an electrically conductive network surrounding electrically insulating, hydrophobic material for making the electrically conductive network hydrophobic.
  • the gas diffusion layer has an electrode side which faces a membrane of the fuel cell, and a bipolar plate side which is opposite the electrode side and which faces a bipolar plate of the fuel cell.
  • the method for removing has at least the step of providing the gas diffusion layer and the step of at least partially removing the electrically insulating, hydrophobic material surrounding the electrically conductive network at least in some areas on the side of the bipolar plate.
  • the individual steps of the method according to the invention can, if appropriate, take place one after the other and / or next to one another or in parallel.
  • the gas diffusion layer can in particular have a plate-like shape, a first side of the plate-like gas diffusion layer also being the electrode side and a second side of the plate-like gas diffusion layer opposite the first side being the bipolar plate side.
  • the electrically conductive network can electrically connect the electrode side and the bipolar plate side to one another.
  • the electrically conductive network can in particular have a multiplicity of electrically conductive current paths for conducting charge carriers, in particular between the electrode side and the bipolar plate side of the gas diffusion layer. Charge carriers such as electrons can thus flow from the bipolar plate via the electrical network to a membrane (electrode) or flow from the membrane (electrode) to the bipolar plate.
  • the current paths can advantageously be electrically connected to one another.
  • the individual electrically conductive current paths can each be surrounded by the electrically insulating, hydrophobic material.
  • the electrically conductive network can in particular have electrically conductive fibers, in particular electrically conductive carbon fibers, or be formed from the fibers, wherein in particular the electrically conductive fibers can form the multiplicity of electrically conductive current paths.
  • the electrically conductive fibers can be processed into the electrically conductive network, in particular into a fleece, a fabric and / or a paper. In particular the conductive fibers can contact further electrically conductive fibers at contact points.
  • the carbon fibers can be produced on the basis of polyacrylonitrile fibers (PAN), pitch, graphite and / or carbon nanotubes. Carbon fibers based on PAN can be produced particularly cheaply and processed particularly advantageously.
  • Carbon fibers based on carbon nanotubes can have a particularly high electrical conductivity, so that the conductivity of the gas diffusion layer can be particularly high.
  • the electrically conductive network can be a lattice, in particular an expanded lattice, made of metal.
  • the electrically conductive network can have an essentially plate-like shape and, in particular, essentially give the gas diffusion layer a plate-like shape.
  • the gas diffusion layer can furthermore in particular have a fluid network with a multiplicity of fluid paths for guiding at least one fluid, for example air and / or hydrogen and / or water and / or water vapor, between the bipolar plate side and the electrode side.
  • the at least one fluid can thus flow from the bipolar plate in the direction of the membrane or in the opposite direction.
  • the fluid paths can be connected to one another in a fluid-communicating manner.
  • the fluid network can in particular be formed by cavities in the gas diffusion layer, with the cavities in particular being able to form the fluid paths.
  • the gas diffusion layer can be porous.
  • the electrically insulating, hydrophobic material can in particular be a material that has a lower electrical conductivity than the electrically conductive network.
  • the electrical conductivity of the electrically insulating, hydrophobic material can be less than 10 8 S cm 1 .
  • the electrically insulating, hydrophobic material can be a non-conductor.
  • the electrically insulating, hydrophobic material can particularly advantageously ensure that water and / or water vapor can be transported between the bipolar plate side and the electrode side, in particular by means of the fluid network, from the electrode side in the direction of the bipolar plate side. In this way, the flow of a fluid through the gas diffusion layer can be ensured and the operation of the fuel cell can be guaranteed.
  • the electrically insulating, hydrophobic, chemical-resistant material can comprise polytetrafluoroethylene (PTFE), the electrically insulating, hydrophobic, chemical-resistant material preferably being PTFE.
  • the electrically insulating, hydrophobic material can surround the electrically conductive network, in particular the multitude of electrically conductive current paths, in such a way that fluids, such as hydrogen and / or water, can continue to flow via the fluid network from the bipolar plate side to the electrode side. If the electrical network is formed from electrically conductive fibers, the electrically insulating, hydrophobic material can preferably surround, in particular enclose, the individual fibers.
  • the electrically conductive fibers are first processed to form the electrically conductive network, so that the electrical transition resistance of electrically conductive fibers in contact can be kept particularly low.
  • the electrically insulating, hydrophobic material is then arranged on the electrically conductive network, in particular the electrically conductive fibers.
  • the electrically conductive network can be passed through an immersion bath with the electrically insulating, hydrophobic material, such as a PTFE dispersion.
  • the surface of the gas diffusion layer forms the bipolar plate side, with the bipolar plate side in particular being able to contact at least partially the bipolar plate of the fuel cell.
  • the surface of the gas diffusion layer can in particular also be the electrode side, wherein in particular the electrode side can contact at least in part an electrode of the fuel cell arranged on the membrane.
  • the surface of the gas diffusion layer can have part of the electrically conductive network and / or part of the electrically insulating, hydrophobic material, in particular the surface of the gas diffusion layer can be formed by part of the electrically conductive network and / or by part of the electrically insulating, hydrophobic material be.
  • the gas diffusion layer is preferably, in particular the electrically conductive network is essentially plate-shaped and has, in particular, electrically conductive fibers.
  • the surface can be formed by the outermost parts of the electrically conductive network and / or the outermost parts of the electrically insulating, hydrophobic material, and in particular also the parts of the electrically conductive network and / or the parts of the electrically insulating, hydrophobic material as the surface can be understood which are in the immediate vicinity. It can thus be taken into account particularly advantageously that when a fuel cell stack is braced, the gas diffusion layer is at least slightly compressed / compressed and the surface can be formed by an additional portion of the electrically conductive network and / or an additional portion of the electrically insulating, hydrophobic material.
  • the gas diffusion layer can be provided as piece goods in step a) of the method according to the invention.
  • the gas diffusion layer can be arranged on a membrane electrode unit and the gas diffusion layer can preferably be provided with the membrane electrode unit.
  • the gas diffusion layer or the gas diffusion layer with the membrane-electrode unit can also be provided as a web product.
  • the gas diffusion layer can be provided in such a way that the gas diffusion layer has a final shape or dimensions that are suitable for the fuel cell stack.
  • the removal of the electrically insulating, hydrophobic material in step b) of the method according to the invention can in particular be a removal of the electrically insulating, hydrophobic material from the electrically conductive network on a surface of the gas diffusion layer, in particular the bipolar plate side.
  • the removal of the electrically insulating, hydrophobic material is preferably a complete removal.
  • the electrically insulating, hydrophobic material can be removed, for example by means of a laser, so that it is no longer encompassed by the gas diffusion layer or the fuel cell stack, in particular in the contact area with the bipolar plate. Consequently, the gas diffusion layer or a surface of the gas diffusion layer, in particular the Bipolar plate side, have a particularly advantageous electrical conductivity.
  • the electrically insulating, hydrophobic material for example, cannot clog any channels in a bipolar plate and / or, for example, cannot block any fluid paths in the gas diffusion layer.
  • the removal of the electrically insulating, hydrophobic material can in particular be a scraping or pushing away of the electrically insulating, hydrophobic material, in particular by means of a roller, very preferably by means of a rotating roller. The material can be scraped off or pushed away by pressing a surface of the roller, in particular the rotating roller, onto the surface of the gas diffusion layer.
  • the roller can be tempered and / or the surface of the roller can have a profiled and / or microstructured surface so that the electrically insulating, hydrophobic material can be scraped off or pushed away particularly easily.
  • the gas diffusion layer can be guided past the roller at a speed different from the circumferential speed of the roller, so that a particularly defined removal can advantageously take place.
  • a gas diffusion layer or a surface of the gas diffusion layer, in particular the bipolar plate side, with a particularly advantageous electrical conductivity can thus be produced in a particularly simple manner.
  • the electrically insulating, hydrophobic material can at least partially be removed from the electrically conductive network on a surface of the gas diffusion layer, in particular the side of the bipolar plate.
  • the at least partial removal of the electrically insulating, hydrophobic material can preferably take place in such a way that the electrically insulating, hydrophobic material is removed to a certain depth. In other words, the thickness of the electrically insulating, hydrophobic material can be reduced.
  • the electrical resistance formed by the electrically insulating, hydrophobic material on a surface of the gas diffusion layer, in particular the bipolar plate side can thus be reduced or the electrical conductivity can be increased.
  • the electrically insulating, hydrophobic material surrounding the electrically conductive network is preferably removed on a surface of the gas diffusion layer, in particular the bipolar plate side, in such a way that the electrically conductive network is at least partially not electrically insulating, hydrophobic material is surrounded.
  • the electrically conductive network can be at least partially exposed on a surface, in particular the side of the bipolar plate.
  • This exposed part of the electrically conductive network can have a particularly advantageous electrical conductivity and, furthermore, it can contact the bipolar plate, in particular a gas diffusion side of the bipolar plate, in a particularly advantageous manner.
  • An electrical contact resistance between the bipolar plate and the bipolar plate side of the gas diffusion layer can thus have a particularly low electrical contact resistance.
  • the electrically insulating, hydrophobic material surrounding an electrically conductive thread can be removed from the electrically conductive thread, in particular completely removed, so that at least part of the electrically conductive thread is not surrounded by the electrically insulating, hydrophobic material.
  • This part of the electrically conductive thread can then particularly advantageously make electrical contact with the bipolar plate of the fuel cell and the contact resistance between the bipolar plate and the gas diffusion layer can be particularly low.
  • the electrically conductive network can first be produced.
  • electrically conductive fibers can be processed into the electrically conductive network, in particular into a fleece, a fabric and / or a paper.
  • the electrically conductive network can then be passed through an immersion bath with the electrically insulating, hydrophobic material, such as a PTFE dispersion.
  • the electrically conductive network passed through the immersion bath can be tempered in an oven, in particular at approx. 370 ° C., the electrically insulating, hydrophobic material being able to melt, in particular be drawn, onto the electrically conductive network.
  • the electrically conductive network for example the electrically conductive fibers
  • the electrically conductive network can have the electrically insulating, hydrophobic material on the bipolar plate side of the gas diffusion layer, so that when a bipolar plate is contacted, a particularly high electrical contact resistance can occur between the gas diffusion layer and the bipolar plate.
  • the electrical conductivity of the Surface, in particular the bipolar plate side, of the gas diffusion layer is improved, that is to say increased.
  • the electrical conductivity of the gas diffusion layer in the area of the bipolar plate side can be improved.
  • the electrical contact resistance between the gas diffusion layer and the bipolar plate of the fuel cell can be kept particularly low and the output of the fuel cell or the fuel cell stack can be particularly high.
  • a surface of the gas diffusion layer, in particular the bipolar plate side can have a large number of electrical contact points for making electrical contact with the bipolar plate, wherein in particular the electrical contact points can be evenly distributed over the bipolar plate side.
  • the bipolar plate surface can preferably have the multiplicity of electrical contact points in at least one bipolar plate section of the bipolar plate side of the gas diffusion layer.
  • the at least one bipolar plate section of the bipolar plate side of the gas diffusion layer can in particular be an area of the bipolar plate side which is designed to contact at least one web of a flow field of a bipolar plate.
  • the electrical contact points can preferably be formed by the electrical network. Due to the large number of electrical contact points for making electrical contact with the bipolar plate, charge carriers can particularly advantageously flow from the bipolar plate via the electrical network to a membrane (electrode) or flow from the membrane (electrode) to the bipolar plate.
  • the number of local electrical insulation points on a surface of the gas diffusion layer, in particular the bipolar plate side can thus be particularly small; in particular, local electrical insulation points can be avoided.
  • the gas diffusion layer can consequently be operated particularly uniformly over the entire area of the gas diffusion layer. Furthermore, the fuel cell or the fuel cell stack can also be operated particularly advantageously and have a particularly long service life. Furthermore, the electrical output of the fuel cell or the fuel cell stack can be particularly high.
  • a method according to the invention also has a step c), wherein step c) involves at least partially removing the electrically conductive network at least in regions on the bipolar plate side is.
  • the removal of the electrically conductive network can in particular be the removal of an electrically conductive material from the electrical network. If, for example, the electrically conductive network comprises electrically conductive fibers, a part of a respective fiber on the bipolar plate side can be removed by means of a grinding device. In other words, the electrically conductive material can be removed in such a way, for example by means of a grinding device, that it is no longer encompassed by the gas diffusion layer or the fuel cell stack.
  • the electrically conductive network can be removed in such a way that an essentially planar surface, in particular a planar bipolar plate side, is formed.
  • the electrical contact resistance between the gas diffusion layer and the bipolar plate of the fuel cell can be kept particularly low and the output of the fuel cell or the fuel cell stack can be particularly high.
  • a method according to the invention can have a step d) after step b), step d) determining the electrical conductivity of the gas diffusion layer as the actual conductivity, and step e) after step d), step e) comparing the Actual conductivity with a predeterminable nominal conductivity of the gas diffusion layer, with if the actual conductivity is less than the predetermined nominal conductivity, at least the electrically insulating, hydrophobic material surrounding the electrically conductive network is removed again. It can thus be ensured that the gas diffusion layer has a particularly high electrical conductivity, in particular at least the predetermined target conductivity.
  • the determination of the electrical conductivity can take place in particular by electrically measuring the electrical conductivity or an electrical conductivity of the gas diffusion layer.
  • the gas diffusion layer can be clamped between two metallic plates and the current intensity can be measured at an applied voltage and an actual electrical conductance, in particular an actual conductivity, can be determined for the gas diffusion layer from this.
  • the determination of the electrical conductivity can take place in particular by optical measurement of the electrical conductivity, the optical measurement taking place in such a way that a surface, in particular the bipolar plate side, of the gas diffusion layer is optically is detected and based on the proportion of the electrically insulating, hydrophobic material on the surface, in particular the bipolar plate side, the actual electrical conductivity, in particular the bipolar plate side, is determined.
  • the optical measurement can take place by means of a camera and / or a microscope.
  • the removal in particular the removal of the electrically insulating, hydrophobic material, mechanical removal, in particular grinding and / or scraping, can be particularly advantageous.
  • the electrically insulating, hydrophobic material and / or the electrically conductive network of the gas diffusion layer can be removed, in particular removed together, in a particularly simple and inexpensive manner.
  • the electrically insulating, hydrophobic material and / or the electrically conductive network can be ground off in such a way that an essentially planar surface, in particular a planar bipolar plate side, is formed.
  • the grinding can be done in particular by means of a roller with a rough, abrasive roller surface, the roller in particular being set in rotation and the bipolar plate side of the gas diffusion layer being guided past the roller in such a way that at least the bipolar plate side of the gas diffusion layer is roughened.
  • the roller can be a laminating roller.
  • the roller can advantageously have bores, wherein the removed electrically insulating, hydrophobic material and / or the removed electrically conductive network can be sucked off by means of the bores.
  • the scraping can also take place in particular by means of a roller with a hot surface, the bipolar plate side in particular being pressed by the hot surface of the roller in such a way that the electrically insulating, hydrophobic material is at least scraped off or pushed away.
  • the removal in particular the removal of the electrically insulating, hydrophobic material
  • the physical removal can in particular be a physical plasma etching.
  • the physical Plasma etching can strike non-reactive ions in the plasma on a surface of the gas diffusion layer, in particular the bipolar plate side, and preferably remove the electrically insulating, hydrophobic material on the surface and / or the electrically conductive network, in particular the bipolar plate side.
  • the physical plasma etching can in particular take place in such a way that the removal, in particular the removal of the electrically insulating, hydrophobic material, takes place anisotropically.
  • the electrically conductive network can thus be partially exposed on a surface, in particular the side of the bipolar plate.
  • This exposed part of the electrically conductive network can have a particularly advantageous electrical conductivity and, furthermore, it can contact the bipolar plate, in particular a gas diffusion side of the bipolar plate, in a particularly advantageous manner.
  • the non-exposed part of the electrically conductive network can furthermore particularly advantageously conduct or transport away water and / or water vapor.
  • the physical removal can in particular be a selective, physical removal.
  • the selective, physical removal can in particular take place in such a way that only certain materials are removed.
  • only the electrically insulating, hydrophobic material or only the electrically conductive network can advantageously be removed.
  • electrically insulating, hydrophobic material surrounding the electrically conductive network can be removed particularly easily in areas on the side of the bipolar plate, at least in part.
  • the removal can be a chemical removal, in particular a selective, chemical removal.
  • the selective, chemical removal can in particular take place in such a way that only certain materials are removed.
  • only the electrically insulating, hydrophobic material or only the electrically conductive network can advantageously be removed.
  • the selective, chemical removal can preferably be a chemical plasma etching, in particular with hydrogen as the process gas. With chemical plasma etching, the removal can take place through a chemical reaction.
  • hydrogen radicals from hydrogen can react with fluorine atoms from PTFE to form hydrogen fluoride. Consequently the electrically insulating fluorine atoms can advantageously be removed from a surface of the gas diffusion layer, in particular the bipolar plate side, and the electrical conductivity of the electrically insulating, hydrophobic material can be increased.
  • the bipolar plate side of the gas diffusion layer can advantageously have at least one bipolar plate section for contacting, in particular for electrically contacting, at least one gas diffusion section of a gas diffusion side of the bipolar plate, the removal, in particular the removal of the electrically insulating, hydrophobic material taking place in the at least one bipolar plate section .
  • the gas diffusion side of the bipolar plate is the side of the bipolar plate which is opposite the bipolar plate side of the gas diffusion layer and at least partially makes contact.
  • the bipolar plate can also have at least two webs on the gas diffusion side of the bipolar plate for electrical contact with the bipolar plate side of the gas diffusion layer and between the at least two webs at least one channel for distributing a fluid, such as air or hydrogen.
  • the at least two webs or the surfaces of the webs can in particular each form a gas diffusion section of the gas diffusion side of the bipolar plate.
  • the removal takes place only in the areas of the bipolar plate side of the gas diffusion layer, in which the bipolar plate and the gas diffusion layer make contact, in particular make electrical contact.
  • the removal can thus take place in a particularly short time and / or the electrical contact resistance between the gas diffusion layer and the bipolar plate can be kept particularly low.
  • water and / or water vapor in the areas of the bipolar plate side in which the removal, in particular the removal of the electrically insulating, hydrophobic material, does not take place can still be transported away particularly advantageously.
  • the present invention shows a gas diffusion layer for a fuel cell, the gas diffusion layer having an electrically conductive network, an electrically insulating, hydrophobic material surrounding the electrically conductive network for hydrophobizing the electrically conductive network and an electrode side facing a membrane of the fuel cell , and a bipolar plate side opposite the electrode side and facing a bipolar plate of the fuel cell.
  • electrically insulating, hydrophobic material surrounding the electrically conductive network is at least partially removed at least partially on the side of the bipolar plate, in particular the removal being removal according to a method according to the invention.
  • the gas diffusion layer according to the second aspect of the invention thus has the same advantages as have already been described for the method according to the first aspect of the invention.
  • the present invention shows a fuel cell, the fuel cell having a gas diffusion layer, the gas diffusion layer being designed according to a method according to the invention, the bipolar plate side of the gas diffusion layer at least partially in contact with a gas diffusion side of a bipolar plate. Furthermore, the fuel cell has the bipolar plate with the gas diffusion side for at least partially contacting the bipolar plate side of the gas diffusion layer.
  • the gas diffusion side of the bipolar plate can particularly advantageously have at least one gas diffusion section for at least partially contacting at least one bipolar plate section of the bipolar plate side, the at least one gas diffusion section in particular having a roughened surface and / or an additional metallic layer to improve the electrical contact resistance between the Has gas diffusion portion and the bipolar plate portion.
  • the fuel cell according to the third aspect of the invention thus has the same advantages as they already have for the method according to the first Aspect of the invention or the gas diffusion layer according to the second aspect of the invention have been described.
  • the present invention shows a fuel cell stack, the fuel cell stack having a plurality of fuel cells according to the invention.
  • the fuel cell stack according to the fourth aspect of the invention thus has the same advantages as have already been described for the method according to the first aspect of the invention or the gas diffusion layer according to the second aspect of the invention or the fuel cell according to the third aspect of the invention.
  • FIG. 6 shows an embodiment of a fuel cell stack according to the invention.
  • Figure 1 shows an embodiment of a method according to the invention, wherein a gas diffusion layer 30 is provided in a first step 300. Subsequently, at least in areas on a bipolar plate side 32 of the gas diffusion layer 30, at least partially an electrically insulating, hydrophobic material surrounding an electrically conductive network 35 of the gas diffusion layer 30 37 removed 302. Optionally, at least partially on the bipolar plate side 10, the electrically conductive network 35 can also be removed 304. In particular, the removal 302 of the electrically insulating, hydrophobic material 37 and the removal 304 of the electrically conductive network 35 can take place in one step .
  • the electrical conductivity of the gas diffusion layer 30 can be determined 306 as the actual conductivity in subsequent steps, then the actual conductivity can also be compared 308 with a predefinable target conductivity of the gas diffusion layer 30, with the actual conductivity being lower than the predetermined target -Conductivity, then at least the electrically insulating, hydrophobic material 37 surrounding the electrically conductive network 35 is removed again 302.
  • FIG. 2 shows in a section an embodiment of a gas diffusion layer 30 according to the invention and a bipolar plate 10, the gas diffusion layer 30 having an electrically conductive network 35 and an electrically insulating, hydrophobic material 37 surrounding the electrically conductive network 35.
  • the gas diffusion layer 30 makes contact with bipolar plate sections 33 of a bipolar plate side 32 of the gas diffusion layer 30, gas diffusion sections 13 of a gas diffusion side 12 of a bipolar plate 10.
  • the electrically insulating, hydrophobic material 37 and / or the electrically conductive Network 35 for example by grinding, can only be removed 302, 304 on the bipolar plate sections 33 of the gas diffusion layer 30.
  • the removal 302, 304 can thus take place in a particularly short time and / or the electrical contact resistance between the gas diffusion layer 30 and the bipolar plate 10 in particular be kept low. Furthermore, water and / or water vapor in the areas of the bipolar plate side 32 in which the removal 302, 304, in particular the removal 302 of the electrically insulating, hydrophobic material 37, does not take place, can furthermore be transported away particularly advantageously.
  • FIG. 3 shows a gas diffusion layer 30 with an electrically conductive network 35 in the left (I) and in the right (r) illustration, the electrically conductive network 35 having a multiplicity of electrically conductive fibers 36.
  • the electrically conductive fibers 36 are each surrounded by an electrically insulating, hydrophobic material 37, as shown in a section in FIG.
  • the gas diffusion layer 30 also has an electrode side 31 and a bipolar plate side 32.
  • the gas diffusion layer 30 is shown before the removal 302, 304 of the electrically insulating, hydrophobic material 37 and the electrically conductive network 35.
  • FIG. 3 shows the gas diffusion layer 30 according to the invention after the removal 302, 304 of the electrically insulating, hydrophobic material 37 and the electrically conductive network 35, the bipolar plate side 32 being essentially flat after the removal 302, 304 is.
  • the electrically insulating, hydrophobic material 37 and the electrically conductive network 35, in particular the electrically conductive fibers 36 can be removed together 302, 304 by grinding.
  • the grinding of the electrically insulating, hydrophobic material 37 and / or the electrically conductive network 35, in particular the electrically conductive fibers 36 take place in such a way that a substantially planar bipolar plate side 32 is formed.
  • a gas diffusion side 12 of a bipolar plate 10 can thus be electrically contacted in a particularly advantageous manner.
  • an electrically conductive fiber 36 which is surrounded by an electrically insulating, hydrophobic material 37, is shown by way of example in the left (I) and right (r) illustration in FIG.
  • the left (I) figure shows an electrically conductive fiber 36 before grinding and the right one Illustration of an electrically conductive fiber 36 after being abraded.
  • the right (r) illustration at least part of the electrically conductive thread 36 is not surrounded by the electrically insulating, hydrophobic material 37. This part of the electrically conductive thread 36 can then particularly advantageously make electrical contact with the bipolar plate 10 of the fuel cell 100 and the
  • FIG. 5 shows in an exploded drawing in a section an embodiment of a fuel cell 100 according to the invention with a
  • the first bipolar plate 10a and the second bipolar plate 10b further comprise an anode plate 1a and a cathode plate 5b, respectively.
  • the cathode plate 5a has a gas diffusion side 12a and the first gas diffusion layer 30a has the bipolar plate side 32a.
  • the anode plate 1b has a gas diffusion side 12b and the second gas diffusion layer 30b has the bipolar plate side 32b.
  • FIG. 6 illustrates an embodiment of a fuel cell stack 200 according to the invention with fuel cells 100 according to the invention arranged one above the other.

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Abstract

The invention relates to a method for removing a surface of a gas diffusion layer (30) for a fuel cell (100), the gas diffusion layer (30) comprising: - an electrically conductive network (35), - an electrically insulating hydrophobic material (37) surrounding the electrically conductive network (35) for hydrophobisation of the electrically conductive network (35), - an electrode side (31) which faces a membrane (50) of the fuel cell (100), and a bipolar plate side (32) which is opposite the electrode side (31) and faces a bipolar plate (10) of the fuel cell (100), the method comprising at least the following steps: a) providing (300) the gas diffusion layer (30) and b) at least in some regions on the bipolar plate side (32), at least partially removing (302) the electrically insulating hydrophobic material (37) surrounding the electrically conductive network (35).

Description

Beschreibung description
Titel title
Verfahren zum Abtragen einer Oberfläche einer Gasdiffusionslage,Method for removing a surface of a gas diffusion layer,
Gasdiffusionslage, Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellenstapel Gas diffusion layer, fuel cell and fuel cell stack
Stand der Technik State of the art
Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, wobei diese zwei Elektroden, welche mittels eines ionenleitenden Elektrolyten voneinander separiert sind, aufweist. Die Brennstoffzelle wandelt die Energie einer chemischen Reaktion eines Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel direkt in Elektrizität um. Es existieren verschiedene Typen von Brennstoffzellen. A fuel cell is an electrochemical cell, which has two 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 an oxidizing agent directly into electricity. There are different types of fuel cells.
Ein spezieller Brennstoffzellentyp ist die Polymerelektrolytmembran- Brennstoffzelle (PEM-FC). In einem aktiven Bereich der PEM-FC grenzt an eine Seite der Polymerelektrolytmembran (PEM) eine poröse Elektrode mit einer Katalysatorschicht und an eine dieser Seite gegenüberliegenden weiteren Seite der PEM eine weitere poröse Elektrode mit einer Katalysatorschicht an. Weiter umfasst die PEM-FC im aktiven Bereich Gasdiffusionslagen (GDL), welche die PEM und die zwei porösen Elektroden mit der jeweils einen Katalysatorschicht beidseitig begrenzen. Die PEM, die beiden Elektroden mit der jeweiligen Katalysatorschicht und die beiden GDL bilden eine sog. Membran- Elektroden- Einheit (MEA) in dem aktiven Bereich der PEM-FC. Zwei Bipolarplatten begrenzen wiederum beidseitig die MEA. Ein Brennstoffzellenstapel ist aus abwechselnd übereinander angeordneten MEA und Bipolarplatten aufgebaut, wobei der Brennstoffzellenstapel mittel Spannmittel verspannt wird. Durch das Verspannen des Brennstoffzellenstapels werden die Bipolarplatten und die MEA’s gegeneinander verpresst, sodass einerseits gewährleistet wird, dass der Brennstoffzellenstapel gasdicht ist und andererseits der jeweilige elektrische Übergangswiderstand zwischen den einzelnen Elementen des Brennstoffzellenstapel geringgehalten wird. A special type of fuel cell is the polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM-FC). In an active area of the PEM-FC, a porous electrode with a catalyst layer adjoins one side of the polymer electrolyte membrane (PEM) and another porous electrode with a catalyst layer adjoins another side of the PEM opposite this side. In addition, the PEM-FC includes gas diffusion layers (GDL) in the active area, which delimit the PEM and the two porous electrodes, each with a catalyst layer, on both sides. The PEM, the two electrodes with the respective catalyst layer and the two GDL form a so-called membrane electrode unit (MEA) in the active area of the PEM-FC. Two bipolar plates, in turn, delimit the MEA on both sides. A fuel cell stack is made up of MEA and bipolar plates arranged alternately on top of one another, the fuel cell stack being clamped by means of clamping means. By tensioning the fuel cell stack, the bipolar plates and the MEAs are pressed against each other, so that on the one hand it is ensured that the fuel cell stack is gas-tight and on the other hand the respective electrical one Contact resistance between the individual elements of the fuel cell stack is kept low.
Mit ein dominanter elektrischer Übergangswiderstand ist der Widerstand zwischen einer Bipolarplatte und einer daran angrenzenden Gasdiffusionslage. A dominant electrical contact resistance is the resistance between a bipolar plate and an adjoining gas diffusion layer.
Es ist bekannt die einer Gasdiffusionslage zugewandte Oberfläche einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle zu modifizieren, um den elektrischen Übergangswiderstand zwischen der Gasdiffusionslage und der Bipolarplatte zu reduzieren. Bspw. wird die Bipolarplattenoberfläche mit Gold beschichtet. Eine weitere Modifikation der Oberfläche der Bipolarplatte ist ein Aufrauen der Bipolarplattenoberfläche, bspw. mittels Sandstrahlen. It is known to modify the surface of a bipolar plate of a fuel cell facing a gas diffusion layer in order to reduce the electrical contact resistance between the gas diffusion layer and the bipolar plate. For example, the bipolar plate surface is coated with gold. Another modification of the surface of the bipolar plate is roughening the surface of the bipolar plate, for example by means of sandblasting.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung zeigt ein Verfahren zum Abtragen einer Oberfläche einer Gasdiffusionslage gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Gasdiffusionslage gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8, eine Brennstoffzelle gemäß den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie einen Brennstoffzellenstapel gemäß den Merkmalen des Anspruchs 11. The present invention shows a method for removing a surface of a gas diffusion layer according to the features of claim 1, a gas diffusion layer according to the features of claim 8, a fuel cell according to the features of claim 9 and a fuel cell stack according to the features of claim 11.
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 dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage und/oder der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und/oder dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. Further features and details of the invention emerge from the subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the method according to the invention naturally also apply in connection with the gas diffusion layer according to the invention and / or the fuel cell according to the invention and / or the fuel cell stack according to the invention and in each case vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is always reciprocal Is or can be referred to.
Gemäß einem ersten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Abtragen einer Oberfläche einer Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle, wobei die Gasdiffusionslage ein elektrisch leitfähiges Netzwerk umfasst. Ferner umfasst die Gasdiffusionslage ein das elektrisch leitfähige Netzwerk umgebendes elektrisch isolierendes, hydrophobes Material zur Hydrophobisierung des elektrisch leitfähigen Netzwerks. Weiter weist die Gasdiffusionslage eine Elektrodenseite, die einer Membran der Brennstoffzelle zugewandt ist, und eine der Elektrodenseite gegenüberliegende Bipolarplattenseite, die einer Bipolarplatte der Brennstoffzelle zugewandt ist, auf. Das Verfahren zum Abtragen weist zumindest als Schritt ein Bereitstellen der Gasdiffusionslage und als Schritt ein wenigstens bereichsweise an der Bipolarplattenseite zumindest tlw. Abtragen des das elektrisch leitfähige Netzwerk umgebende elektrisch isolierende, hydrophobe Material auf. According to a first aspect, the present invention shows a method for removing a surface of a gas diffusion layer for a fuel cell, the gas diffusion layer comprising an electrically conductive network. Furthermore, the gas diffusion layer comprises an electrically conductive network surrounding electrically insulating, hydrophobic material for making the electrically conductive network hydrophobic. Furthermore, the gas diffusion layer has an electrode side which faces a membrane of the fuel cell, and a bipolar plate side which is opposite the electrode side and which faces a bipolar plate of the fuel cell. The method for removing has at least the step of providing the gas diffusion layer and the step of at least partially removing the electrically insulating, hydrophobic material surrounding the electrically conductive network at least in some areas on the side of the bipolar plate.
Die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können, sofern sinnvoll, nacheinander und/oder auch nebeneinander, bzw. parallel, erfolgen. The individual steps of the method according to the invention can, if appropriate, take place one after the other and / or next to one another or in parallel.
Die Gasdiffusionslage kann insbesondere eine plattenförmige Form aufweisen, wobei ferner eine erste Seite der plattenförmigen Gasdiffusionslage die Elektrodenseite ist und eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite der plattenförmigen Gasdiffusionslage die Bipolarplattenseite ist. The gas diffusion layer can in particular have a plate-like shape, a first side of the plate-like gas diffusion layer also being the electrode side and a second side of the plate-like gas diffusion layer opposite the first side being the bipolar plate side.
Das elektrisch leitfähige Netzwerk kann die Elektrodenseite und die Bipolarplattenseite elektrisch miteinander verbinden. Das elektrisch leitfähige Netzwerk kann insbesondere eine Vielzahl an elektrisch leitfähigen Strompfaden zum Leiten von Ladungsträgern, insbesondere zwischen der Elektrodenseite und der Bipolarplattenseite der Gasdiffusionslage, aufweisen. Somit können Ladungsträger, wie Elektronen, von der Bipolarplatte über das elektrische Netzwerk zu einer Membran (Elektrode) fließen bzw. von der Membran (Elektrode) zu der Bipolarplatte fließen. Die Strompfade können vorteilhafterweise untereinander elektrisch miteinander verbunden sein. Insbesondere können die einzelnen elektrisch leitfähigen Strompfade jeweils von dem elektrisch isolierenden, hydrophoben Material umgeben sein. Das elektrisch leitfähige Netzwerk kann insbesondere elektrisch leitfähige Fasern, insbesondere elektrisch leitfähige Kohlenstofffasern, aufweisen bzw. aus den Fasern gebildet sein, wobei insbesondere die elektrisch leitfähigen Fasern die Vielzahl an elektrisch leitfähigen Strompfäden bilden können. Die elektrisch leitfähigen Fasern können zu dem elektrisch leitfähigen Netzwerk, insbesondere zu einem Vlies, einem Gewebe und/oder einem Papier, verarbeitet sein. Insbesondere können die leitfähigen Fasern weitere elektrisch leitfähige Fasern an Berühungspunkten kontaktieren. Die Kohlenstofffasern können auf Basis von Polyacrylnitril- Fasern (PAN), Pech, Graphit und/oder Kohlenstoffnanoröhrchen hergestellt sein. Kohlenstofffasern auf PAN-Basis können besonders günstig hergestellt werden und besonders vorteilhaft verarbeitet werden. Kohlenstofffasern auf Kohlenstoffnanoröhren- Basis können eine besonders hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, sodass die Leitfähigkeit der Gasdiffusionslage besonders groß sein kann. Ferner kann das elektrisch leitfähige Netzwerk ein Gitter, insbesondere ein Streckgitter, aus Metall sein. Weiter kann das elektrisch leitfähige Netzwerk eine im Wesentlichen plattenförmige Form ausbilden und insbesondere im Wesentlichen der Gasdiffusionslage eine plattenförmige Form verleihen. The electrically conductive network can electrically connect the electrode side and the bipolar plate side to one another. The electrically conductive network can in particular have a multiplicity of electrically conductive current paths for conducting charge carriers, in particular between the electrode side and the bipolar plate side of the gas diffusion layer. Charge carriers such as electrons can thus flow from the bipolar plate via the electrical network to a membrane (electrode) or flow from the membrane (electrode) to the bipolar plate. The current paths can advantageously be electrically connected to one another. In particular, the individual electrically conductive current paths can each be surrounded by the electrically insulating, hydrophobic material. The electrically conductive network can in particular have electrically conductive fibers, in particular electrically conductive carbon fibers, or be formed from the fibers, wherein in particular the electrically conductive fibers can form the multiplicity of electrically conductive current paths. The electrically conductive fibers can be processed into the electrically conductive network, in particular into a fleece, a fabric and / or a paper. In particular the conductive fibers can contact further electrically conductive fibers at contact points. The carbon fibers can be produced on the basis of polyacrylonitrile fibers (PAN), pitch, graphite and / or carbon nanotubes. Carbon fibers based on PAN can be produced particularly cheaply and processed particularly advantageously. Carbon fibers based on carbon nanotubes can have a particularly high electrical conductivity, so that the conductivity of the gas diffusion layer can be particularly high. Furthermore, the electrically conductive network can be a lattice, in particular an expanded lattice, made of metal. Furthermore, the electrically conductive network can have an essentially plate-like shape and, in particular, essentially give the gas diffusion layer a plate-like shape.
Die Gasdiffusionslage kann weiter insbesondere ein Fluidnetzwerk mit einer Vielzahl an Fluidpfaden zum Führen von zumindest einem Fluid, bspw. Luft und/oder Wasserstoff und/oder Wasser und/oder Wasserdampf, zwischen der Bipolarplattenseite und der Elektrodenseite aufweisen. Somit kann das zumindest eine Fluid von der Bipolarplatte in Richtung der Membran strömen bzw. in umgekehrter Richtung. Die Fluidpfade können untereinander fluidkommunizierend miteinander verbunden sein. Das Fluidnetzwerk kann insbesondere durch Hohlräume in der Gasdiffusionslage ausgebildet sein, wobei insbesondere die Hohlräume die Fluidpfade bilden können. Mit anderen Worten kann die Gasdiffusionslage porös sein. The gas diffusion layer can furthermore in particular have a fluid network with a multiplicity of fluid paths for guiding at least one fluid, for example air and / or hydrogen and / or water and / or water vapor, between the bipolar plate side and the electrode side. The at least one fluid can thus flow from the bipolar plate in the direction of the membrane or in the opposite direction. The fluid paths can be connected to one another in a fluid-communicating manner. The fluid network can in particular be formed by cavities in the gas diffusion layer, with the cavities in particular being able to form the fluid paths. In other words, the gas diffusion layer can be porous.
Das elektrisch isolierende, hydrophobe Material kann insbesondere ein Material sein, das eine geringere elektrische Leitfähigkeit als das elektrisch leitfähige Netzwerk aufweist. Insbesondere kann die elektrische Leitfähigkeit des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials weniger als 108 S cm 1 sein. Mit anderen Worten kann das elektrisch isolierende, hydrophobe Material ein Nichtleiter sein. Das elektrisch isolierende, hydrophobe Material kann besonders vorteilhaft dafür sorgen, dass Wasser und/oder Wasserdampf zwischen der Bipolarplattenseite und der Elektrodenseite, insbesondere mittels des Fluidnetzwerks von der Elektrodenseite in Richtung der Bipolarplattenseite transportiert werden kann. Somit kann das Strömen eines Fluids durch die Gasdiffusionslage sichergestellt werden und der Betrieb der Brennstoffzelle gewährleistet werden. Weiter kann das elektrisch isolierende, hydrophobe Material insbesondere chemikalienresistent sein. Insbesondere kann das elektrisch isolierende, hydrophobe, chemikalienresistente Material Polytetrafluorethylen (PTFE) aufweisen, wobei vorzugsweise das elektrisch isolierende, hydrophobe, chemikalienresistente Material PTFE ist. Weiter kann insbesondere das elektrisch isolierende, hydrophobe Material das elektrisch leitfähige Netzwerk, insbesondere die Vielzahl an elektrisch leitfähigen Strompfaden, derart umgeben, dass Fluide, wie bspw. Wasserstoff und/oder Wasser, weiterhin über das Fluidnetzwerk von der Bipolarplattenseite zu der Elektrodenseite strömen können. Ist das elektrische Netzwerk aus elektrisch leitfähigen Fasern gebildet, so kann das elektrisch isolierende, hydrophobe Material vorzugsweise jeweils die einzelnen Fasern umgeben, insbesondere einhüllen. Vorteilhafterweise werden zuerst die elektrisch leitfähigen Fasern zu dem elektrisch leitfähigen Netzwerk verarbeitet, sodass der elektrische Übergangswiderstand sich kontaktierender elektrisch leitfähiger Fasern besonders geringgehalten werden kann. Im Anschluss wird das elektrisch isolierende, hydrophobe Material an das elektrisch leitfähige Netzwerk, insbesondere den elektrisch leitfähigen Fasern, angeordnet. Für das Anordnen des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials kann bspw. das elektrisch leitfähige Netzwerk durch ein Tauchbad mit dem elektrisch isolierenden, hydrophoben Material, wie einer PTFE-Dispersion, geführt werden. Somit kann einerseits eine hohe elektrische Leitfähigkeit des elektrischen leitfähigen Netzwerks sichergestellt werden und andererseits das Strömen eines Fluids durch die Gasdiffusionslage sichergestellt werden. The electrically insulating, hydrophobic material can in particular be a material that has a lower electrical conductivity than the electrically conductive network. In particular, the electrical conductivity of the electrically insulating, hydrophobic material can be less than 10 8 S cm 1 . In other words, the electrically insulating, hydrophobic material can be a non-conductor. The electrically insulating, hydrophobic material can particularly advantageously ensure that water and / or water vapor can be transported between the bipolar plate side and the electrode side, in particular by means of the fluid network, from the electrode side in the direction of the bipolar plate side. In this way, the flow of a fluid through the gas diffusion layer can be ensured and the operation of the fuel cell can be guaranteed. Can continue the electrically insulating, hydrophobic material be particularly resistant to chemicals. In particular, the electrically insulating, hydrophobic, chemical-resistant material can comprise polytetrafluoroethylene (PTFE), the electrically insulating, hydrophobic, chemical-resistant material preferably being PTFE. Furthermore, in particular the electrically insulating, hydrophobic material can surround the electrically conductive network, in particular the multitude of electrically conductive current paths, in such a way that fluids, such as hydrogen and / or water, can continue to flow via the fluid network from the bipolar plate side to the electrode side. If the electrical network is formed from electrically conductive fibers, the electrically insulating, hydrophobic material can preferably surround, in particular enclose, the individual fibers. Advantageously, the electrically conductive fibers are first processed to form the electrically conductive network, so that the electrical transition resistance of electrically conductive fibers in contact can be kept particularly low. The electrically insulating, hydrophobic material is then arranged on the electrically conductive network, in particular the electrically conductive fibers. For arranging the electrically insulating, hydrophobic material, for example, the electrically conductive network can be passed through an immersion bath with the electrically insulating, hydrophobic material, such as a PTFE dispersion. Thus, on the one hand, a high electrical conductivity of the electrically conductive network can be ensured and, on the other hand, the flow of a fluid through the gas diffusion layer can be ensured.
Insbesondere bildet die Oberfläche der Gasdiffusionslage die Bipolarplattenseite, wobei insbesondere die Bipolarplattenseite zumindest tlw. die Bipolarplatte der Brennstoffzelle kontaktieren kann. Die Oberfläche der Gasdiffusionslage kann insbesondere auch die Elektrodenseite sein, wobei insbesondere die Elektrodenseite zumindest tlw. eine an die Membran angeordnete Elektrode der Brennstoffzelle kontaktieren kann. Die Oberfläche der Gasdiffusionslage kann einen Teil des elektrisch leitfähigen Netzwerks und/oder einen Teil des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials aufweisen, insbesondere kann die Oberfläche der Gasdiffusionslage durch einen Teil des elektrisch leitfähigen Netzwerks und/oder durch einen Teil des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials gebildet sein. Vorzugsweise ist die Gasdiffusionslage, insbesondere das elektrisch leitfähige Netzwerk, im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet und weist insbesondere elektrisch leitfähige Fasern auf. Vorzugsweise kann die Oberfläche durch die äußersten Teile des elektrisch leitfähigen Netzwerks und/oder die äußersten Teile des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials gebildet sein, wobei ferner insbesondere auch die Teile des elektrisch leitfähigen Netzwerks und/oder die Teile des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials als Oberfläche verstanden werden können, welche sich in unmittelbarer Nähe dazu befinden. Somit kann besonders vorteilhaft berücksichtigt werden, dass beim Verspannen eines Brennstoffzellenstapels die Gasdiffusionslage zumindest geringfügig zusammengepressl/komprimiert wird und die Oberfläche durch einen zusätzlichen Anteil des elektrisch leitfähigen Netzwerks und/oder durch einen zusätzlichen Anteil des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials ausgebildet sein kann. In particular, the surface of the gas diffusion layer forms the bipolar plate side, with the bipolar plate side in particular being able to contact at least partially the bipolar plate of the fuel cell. The surface of the gas diffusion layer can in particular also be the electrode side, wherein in particular the electrode side can contact at least in part an electrode of the fuel cell arranged on the membrane. The surface of the gas diffusion layer can have part of the electrically conductive network and / or part of the electrically insulating, hydrophobic material, in particular the surface of the gas diffusion layer can be formed by part of the electrically conductive network and / or by part of the electrically insulating, hydrophobic material be. The gas diffusion layer is preferably, in particular the electrically conductive network is essentially plate-shaped and has, in particular, electrically conductive fibers. Preferably, the surface can be formed by the outermost parts of the electrically conductive network and / or the outermost parts of the electrically insulating, hydrophobic material, and in particular also the parts of the electrically conductive network and / or the parts of the electrically insulating, hydrophobic material as the surface can be understood which are in the immediate vicinity. It can thus be taken into account particularly advantageously that when a fuel cell stack is braced, the gas diffusion layer is at least slightly compressed / compressed and the surface can be formed by an additional portion of the electrically conductive network and / or an additional portion of the electrically insulating, hydrophobic material.
Die Gasdiffusionslage kann im Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens als Stückware bereitgestellt werden. Insbesondere kann die Gasdiffusionslage an einer Membran-Elektroden-Einheit angeordnet sein und die Gasdiffusionslage vorzugsweise mit der Membran-Elektroden-Einheit bereitgestellt werden. Die Gasdiffusionslage bzw. die Gasdiffusionslage mit der Membran-Elektroden- Einheit kann auch als Bahnware bereitgestellt werden. Insbesondere kann das Bereitstellen der Gasdiffusionslage derart erfolgen, dass die Gasdiffusionslage eine für den Brennstoffzellenstapel passende, finale Form bzw. Abmessungen aufweist. The gas diffusion layer can be provided as piece goods in step a) of the method according to the invention. In particular, the gas diffusion layer can be arranged on a membrane electrode unit and the gas diffusion layer can preferably be provided with the membrane electrode unit. The gas diffusion layer or the gas diffusion layer with the membrane-electrode unit can also be provided as a web product. In particular, the gas diffusion layer can be provided in such a way that the gas diffusion layer has a final shape or dimensions that are suitable for the fuel cell stack.
Das Abtragen des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials in Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens kann insbesondere ein Entfernen des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials von dem elektrisch leitfähigen Netzwerk an einer Oberfläche der Gasdiffusionslage, insbesondere der Bipolarplattenseite, sein. Vorzugsweise ist das Entfernen des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials ein komplettes Entfernen. Mit anderen Worten kann das elektrisch isolierende, hydrophobe Material derart abgetragen werden, bspw. mittels eines Lasers, sodass dieses nicht mehr durch die Gasdiffusionslage bzw. dem Brennstoffzellenstapel, insbesondere im Kontaktbereich zur Bipolarplatte, umfasst ist. Folglich kann die Gasdiffusionslage bzw. eine Oberfläche der Gasdiffusionslage, insbesondere die Bipolarplattenseite, eine besonders vorteilhafte elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Ferner kann besonders vorteilhaft gewährleistet werden, dass das elektrisch isolierende, hydrophobe Material bspw. keine Kanäle einer Bipolarplatte und/oder bspw. keine Fluidpfäde der Gasdiffusionslage verstopfen kann. Weiter kann insbesondere das Entfernen des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials ein Abschaben bzw. Wegschieben des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials sein, insbesondere mittels einer Walze, ganz bevorzugterweise mittels einer rotierenden Walze. Das Abschaben bzw. Wegschieben des Materials kann durch ein Drücken einer Oberfläche der Walze, insbesondere der rotierenden Walze, auf die Oberfläche der Gasdiffusionslage erfolgen. Insbesondere kann die Walze temperiert sein und/oder kann die Oberfläche der Walze eine profilierte und/oder mikrostrukturierte Oberfläche aufweisen, sodass sich das elektrische isolierende, hydrophobe Material besonders einfach abschaben bzw. wegschieben lässt. Besonders bevorzugt kann die Gasdiffusionslage mit einer von der Umfangsgeschwindigkeit der Walze unterschiedlichen Geschwindigkeit an der Walze vorbeigeführt werden, sodass vorteilhafterweise ein besonders definiertes Abtragen erfolgen kann. Somit kann auf besonders einfache Weise eine Gasdiffusionslage bzw. eine Oberfläche der Gasdiffusionslage, insbesondere die Bipolarplattenseite, mit einer besonders vorteilhaften elektrischen Leitfähigkeit hergestellt werden. The removal of the electrically insulating, hydrophobic material in step b) of the method according to the invention can in particular be a removal of the electrically insulating, hydrophobic material from the electrically conductive network on a surface of the gas diffusion layer, in particular the bipolar plate side. The removal of the electrically insulating, hydrophobic material is preferably a complete removal. In other words, the electrically insulating, hydrophobic material can be removed, for example by means of a laser, so that it is no longer encompassed by the gas diffusion layer or the fuel cell stack, in particular in the contact area with the bipolar plate. Consequently, the gas diffusion layer or a surface of the gas diffusion layer, in particular the Bipolar plate side, have a particularly advantageous electrical conductivity. Furthermore, it can be ensured in a particularly advantageous manner that the electrically insulating, hydrophobic material, for example, cannot clog any channels in a bipolar plate and / or, for example, cannot block any fluid paths in the gas diffusion layer. Furthermore, the removal of the electrically insulating, hydrophobic material can in particular be a scraping or pushing away of the electrically insulating, hydrophobic material, in particular by means of a roller, very preferably by means of a rotating roller. The material can be scraped off or pushed away by pressing a surface of the roller, in particular the rotating roller, onto the surface of the gas diffusion layer. In particular, the roller can be tempered and / or the surface of the roller can have a profiled and / or microstructured surface so that the electrically insulating, hydrophobic material can be scraped off or pushed away particularly easily. Particularly preferably, the gas diffusion layer can be guided past the roller at a speed different from the circumferential speed of the roller, so that a particularly defined removal can advantageously take place. A gas diffusion layer or a surface of the gas diffusion layer, in particular the bipolar plate side, with a particularly advantageous electrical conductivity can thus be produced in a particularly simple manner.
Das elektrisch isolierende, hydrophobe Material kann zumindest tlw. von dem elektrisch leitfähigen Netzwerk an einer Oberfläche der Gasdiffusionslage, insbesondere der Bipolarplattenseite, abgetragen. Das zumindest tlw. Abtragen des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials kann vorzugsweise derart erfolgen, dass das elektrisch isolierende, hydrophobe Material bis zu einer bestimmten Tiefe abgetragen wird. Mit anderen Worten kann die Dicke des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials reduziert werden. Der durch das elektrisch isolierende, hydrophobe Material gebildete elektrische Widerstand an einer Oberfläche der Gasdiffusionslage, insbesondere der Bipolarplattenseite, kann somit reduziert werden bzw. die elektrische Leitfähigkeit kann erhöht werden. Vorzugsweise wird das das elektrisch leitfähige Netzwerk umgebende, elektrisch isolierende, hydrophobe Material an einer Oberfläche der Gasdiffusionslage, insbesondere der Bipolarplattenseite, derart abgetragen, sodass das elektrisch leitfähige Netzwerk zumindest tlw. von keinem elektrisch isolierenden, hydrophoben Material umgeben ist. Mit anderen Worten kann das elektrisch leitfähige Netzwerk an einer Oberfläche, insbesondere der Bipolarplattenseite, zumindest tlw. freigelegt sein. Dieser freigelegte Teil des elektrisch leitfähigen Netzwerks kann eine besonders vorteilhafte elektrische Leitfähigkeit aufweisen und ferner kann dieser die Bipolarplatte, insbesondere eine Gasdiffusionsseite der Bipolarplatte, besonders vorteilhaft kontaktieren. Ein elektrischer Übergangswiderstand zwischen der Bipolarplatte und der Bipolarplattenseite der Gasdiffusionslage kann somit einen besonders geringen elektrischen Übergangswiderstand aufweisen. Bspw. kann an der Bipolarplattenseite das einen elektrisch leitfähigen Faden umgebende elektrisch isolierende, hydrophobe Material derart von dem elektrisch leitfähigen Faden abgetragen, insbesondere komplett entfernt, werden, sodass zumindest ein Teil des elektrisch leitfähigen Fadens nicht von dem elektrisch isolierenden, hydrophoben Material umgeben ist. Dieser Teil des elektrisch leitfähigen Fadens kann dann besonders vorteilhaft die Bipolarplatte der Brennstoffzelle elektrisch kontaktieren und der Übergangswiderstand zwischen der Bipolarplatte und der Gasdiffusionslage kann besonders gering sein. The electrically insulating, hydrophobic material can at least partially be removed from the electrically conductive network on a surface of the gas diffusion layer, in particular the side of the bipolar plate. The at least partial removal of the electrically insulating, hydrophobic material can preferably take place in such a way that the electrically insulating, hydrophobic material is removed to a certain depth. In other words, the thickness of the electrically insulating, hydrophobic material can be reduced. The electrical resistance formed by the electrically insulating, hydrophobic material on a surface of the gas diffusion layer, in particular the bipolar plate side, can thus be reduced or the electrical conductivity can be increased. The electrically insulating, hydrophobic material surrounding the electrically conductive network is preferably removed on a surface of the gas diffusion layer, in particular the bipolar plate side, in such a way that the electrically conductive network is at least partially not electrically insulating, hydrophobic material is surrounded. In other words, the electrically conductive network can be at least partially exposed on a surface, in particular the side of the bipolar plate. This exposed part of the electrically conductive network can have a particularly advantageous electrical conductivity and, furthermore, it can contact the bipolar plate, in particular a gas diffusion side of the bipolar plate, in a particularly advantageous manner. An electrical contact resistance between the bipolar plate and the bipolar plate side of the gas diffusion layer can thus have a particularly low electrical contact resistance. For example, on the side of the bipolar plate, the electrically insulating, hydrophobic material surrounding an electrically conductive thread can be removed from the electrically conductive thread, in particular completely removed, so that at least part of the electrically conductive thread is not surrounded by the electrically insulating, hydrophobic material. This part of the electrically conductive thread can then particularly advantageously make electrical contact with the bipolar plate of the fuel cell and the contact resistance between the bipolar plate and the gas diffusion layer can be particularly low.
Bei einer Herstellung einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage kann zuerst das elektrisch leitfähige Netzwerk hergestellt werden. Bspw. können elektrisch leitfähige Fasern zu dem elektrisch leitfähigen Netzwerk, insbesondere zu einem Vlies, einem Gewebe und/oder einem Papier, verarbeitet werden. Das elektrisch leitfähige Netzwerk kann anschließend durch ein Tauchbad mit dem elektrisch isolierenden, hydrophoben Material, wie einer PTFE-Dispersion, geführt werden. Anschließend kann das durch das Tauchbad geführte elektrisch leitfähige Netzwerk in einem Ofen temperiert werden, insbesondere bei ca. 370 °C, wobei sich das elektrisch isolierende, hydrophobe Material auf das elektrisch leitfähige Netzwerk aufschmelzen kann, insbesondere aufziehen kann. Nachteiligerweise kann das elektrisch leitfähige Netzwerk, bspw. die elektrisch leitfähigen Fasern, an der Bipolarplattenseite der Gasdiffusionslage das elektrisch isolierende, hydrophobe Material aufweisen, sodass beim Kontaktieren einer Bipolarplatte ein besonders großer elektrischer Übergangswiderstand zwischen Gasdiffusionslage und der Bipolarplatte auftreten kann. Durch das Abtragen des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials an einer Oberfläche, insbesondere der Bipolarplattenseite, der Gasdiffusionslage, kann die elektrische Leitfähigkeit der Oberfläche, insbesondere der Bipolarplattenseite, der Gasdiffusionslage verbessert, d. h. erhöht, werden. Insbesondere kann die elektrische Leitfähigkeit der Gasdiffusionslage im Bereich der Bipolarplattenseite verbessert werden. Somit kann der elektrische Übergangswiderstand zwischen der Gasdiffusionslage und der Bipolarplatte der Brennstoffzelle besonders geringgehalten werden und die Leistung der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels besonders groß sein. Weiter kann durch das Abtragen des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials eine Oberfläche der Gasdiffusionslage, insbesondere die Bipolarplattenseite, eine Vielzahl an elektrischen Kontaktstellen zur elektrischen Kontaktierung der Bipolarplatte aufweisen, wobei insbesondere die elektrischen Kontaktstellen gleichmäßig verteilt über die Bipolarplattenseite sein können. Bevorzugterweise kann die Bipolarplattenoberfläche die Vielzahl an elektrischen Kontaktstellen in zumindest einem Bipolarplattenabschnitt der Bipolarplattenseite der Gasdiffusionslage aufweisen. Der zumindest eine Bipolarplattenabschnitt der Bipolarplattenseite der Gasdiffusionslage kann insbesondere ein Bereich Bipolarplattenseite sein, welcher dazu ausgebildet ist zumindest einen Steg eines Strömungsfeldes einer Bipolarplatte zu kontaktieren. Die elektrischen Kontaktstellen können vorzugsweise durch das elektrische Netzwerk gebildet sein. Durch die Vielzahl an elektrischen Kontaktstellen zur elektrischen Kontaktierung der Bipolarplatte können Ladungsträger besonders vorteilhaft von der Bipolarplatte über das elektrische Netzwerk zu einer Membran (Elektrode) fließen bzw. von der Membran (Elektrode) zu der Bipolarplatte fließen. Somit kann die Anzahl an lokalen elektrischen Isolationspunkten an einer Oberfläche der Gasdiffusionslage, insbesondere der Bipolarplattenseite, besonders gering sein, insbesondere können lokale elektrische Isolationspunkte vermieden werden. Die Gasdiffusionslage kann folglich besonders gleichmäßig über die gesamte Fläche der Gasdiffusionslage betrieben werden. Ferner können auch die Brennstoffzelle bzw. der Brennstoffzellenstapel besonders vorteilhaft betrieben werden und eine besonders hohe Lebensdauer aufweisen. Weiter kann die elektrische Leistung der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels besonders hoch sein. When producing a gas diffusion layer according to the invention, the electrically conductive network can first be produced. For example, electrically conductive fibers can be processed into the electrically conductive network, in particular into a fleece, a fabric and / or a paper. The electrically conductive network can then be passed through an immersion bath with the electrically insulating, hydrophobic material, such as a PTFE dispersion. Subsequently, the electrically conductive network passed through the immersion bath can be tempered in an oven, in particular at approx. 370 ° C., the electrically insulating, hydrophobic material being able to melt, in particular be drawn, onto the electrically conductive network. Disadvantageously, the electrically conductive network, for example the electrically conductive fibers, can have the electrically insulating, hydrophobic material on the bipolar plate side of the gas diffusion layer, so that when a bipolar plate is contacted, a particularly high electrical contact resistance can occur between the gas diffusion layer and the bipolar plate. By removing the electrically insulating, hydrophobic material on a surface, in particular the bipolar plate side, the gas diffusion layer, the electrical conductivity of the Surface, in particular the bipolar plate side, of the gas diffusion layer is improved, that is to say increased. In particular, the electrical conductivity of the gas diffusion layer in the area of the bipolar plate side can be improved. Thus, the electrical contact resistance between the gas diffusion layer and the bipolar plate of the fuel cell can be kept particularly low and the output of the fuel cell or the fuel cell stack can be particularly high. Furthermore, by removing the electrically insulating, hydrophobic material, a surface of the gas diffusion layer, in particular the bipolar plate side, can have a large number of electrical contact points for making electrical contact with the bipolar plate, wherein in particular the electrical contact points can be evenly distributed over the bipolar plate side. The bipolar plate surface can preferably have the multiplicity of electrical contact points in at least one bipolar plate section of the bipolar plate side of the gas diffusion layer. The at least one bipolar plate section of the bipolar plate side of the gas diffusion layer can in particular be an area of the bipolar plate side which is designed to contact at least one web of a flow field of a bipolar plate. The electrical contact points can preferably be formed by the electrical network. Due to the large number of electrical contact points for making electrical contact with the bipolar plate, charge carriers can particularly advantageously flow from the bipolar plate via the electrical network to a membrane (electrode) or flow from the membrane (electrode) to the bipolar plate. The number of local electrical insulation points on a surface of the gas diffusion layer, in particular the bipolar plate side, can thus be particularly small; in particular, local electrical insulation points can be avoided. The gas diffusion layer can consequently be operated particularly uniformly over the entire area of the gas diffusion layer. Furthermore, the fuel cell or the fuel cell stack can also be operated particularly advantageously and have a particularly long service life. Furthermore, the electrical output of the fuel cell or the fuel cell stack can be particularly high.
Es kann von Vorteil sein, wenn ein erfindungsgemäßes Verfahren ferner einen Schritt c) aufweist, wobei der Schritt c) ein wenigstens bereichsweise an der Bipolarplattenseite zumindest tlw. Abtragen des elektrisch leitfähigen Netzwerks ist. Das Abtragen des elektrisch leitfähigen Netzwerks kann insbesondere ein Entfernen eines elektrisch leitfähigen Materials des elektrischen Netzwerks sein. Umfasst bspw. das elektrisch leitfähige Netzwerk elektrisch leitfähige Fasern, so kann mittels einer Schleifvorrichtung jeweils ein Teil einer jeweiligen Faser an der Bipolarplattenseite entfernt werden. Mit anderen Worten kann das elektrisch leitfähige Material derart abgetragen werden, bspw. mittels einer Schleifvorrichtung, sodass dieses nicht mehr durch die Gasdiffusionslage bzw. des Brennstoffzellenstapels umfasst ist. Insbesondere kann das Abtragen des elektrisch leitfähigen Netzwerks, derart erfolgen, dass eine im Wesentlichen plane Oberfläche, insbesondere eine plane Bipolarplattenseite, ausgebildet wird. Somit kann der elektrische Übergangswiderstand zwischen der Gasdiffusionslage und der Bipolarplatte der Brennstoffzelle besonders geringgehalten werden und die Leistung der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels besonders groß sein. It can be advantageous if a method according to the invention also has a step c), wherein step c) involves at least partially removing the electrically conductive network at least in regions on the bipolar plate side is. The removal of the electrically conductive network can in particular be the removal of an electrically conductive material from the electrical network. If, for example, the electrically conductive network comprises electrically conductive fibers, a part of a respective fiber on the bipolar plate side can be removed by means of a grinding device. In other words, the electrically conductive material can be removed in such a way, for example by means of a grinding device, that it is no longer encompassed by the gas diffusion layer or the fuel cell stack. In particular, the electrically conductive network can be removed in such a way that an essentially planar surface, in particular a planar bipolar plate side, is formed. Thus, the electrical contact resistance between the gas diffusion layer and the bipolar plate of the fuel cell can be kept particularly low and the output of the fuel cell or the fuel cell stack can be particularly high.
Vorteilhafterweise kann ein erfindungsgemäßes Verfahren nach Schritt b) einen Schritt d) aufweisen, wobei Schritt d) ein Ermitteln der elektrischen Leitfähigkeit der Gasdiffusionslage als Ist- Leitfähigkeit ist, und nach Schritt d) einen Schritt e) aufweisen, wobei Schritt e) ein Vergleichen der Ist-Leitfähigkeit mit einer vorgebbaren Soll-Leitfähigkeit der Gasdiffusionslage ist, wobei wenn die Ist- Leitfähigkeit geringer als die vorgegebene Soll-Leitfähigkeit ist, dann erfolgt ein erneutes Abtragen zumindest des das elektrisch leitfähige Netzwerk umgebenden elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials. Somit kann gewährleistet werden, dass die Gasdiffusionslage eine besonders hohe elektrische Leitfähigkeit, insbesondere zumindest die vorgegebene Soll- Leitfähigkeit, aufweist. Das Ermitteln der elektrischen Leitfähigkeit kann insbesondere durch ein elektrisches Messen der elektrischen Leitfähigkeit bzw. eines elektrischen Leitwerts der Gasdiffusionslage erfolgen. Bspw. kann die Gasdiffusionslage zwischen zwei metallische Platten eingespannt werden und die Stromstärke bei einer angelegten Spannung gemessen werden und daraus ein elektrischer Ist-Leitwert, insbesondere eine Ist-Leitfähigkeit, für die Gasdiffusionslage ermittelt werden. Weiter kann das Ermitteln der elektrischen Leitfähigkeit insbesondere durch ein optisches Messen der elektrischen Leitfähigkeit erfolgen, wobei das optische Messen derart erfolgt, dass eine Oberfläche, insbesondere die Bipolarplattenseite, der Gasdiffusionslage optisch erfasst wird und anhand des Anteils des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials an der Oberfläche, insbesondere der Bipolarplattenseite, die elektrische Ist- Leitfähigkeit, insbesondere der Bipolarplattenseite, ermittelt wird. Das optische Messen kann mittels einer Kamera und/oder eines Mikroskops geschehen. Advantageously, a method according to the invention can have a step d) after step b), step d) determining the electrical conductivity of the gas diffusion layer as the actual conductivity, and step e) after step d), step e) comparing the Actual conductivity with a predeterminable nominal conductivity of the gas diffusion layer, with if the actual conductivity is less than the predetermined nominal conductivity, at least the electrically insulating, hydrophobic material surrounding the electrically conductive network is removed again. It can thus be ensured that the gas diffusion layer has a particularly high electrical conductivity, in particular at least the predetermined target conductivity. The determination of the electrical conductivity can take place in particular by electrically measuring the electrical conductivity or an electrical conductivity of the gas diffusion layer. For example, the gas diffusion layer can be clamped between two metallic plates and the current intensity can be measured at an applied voltage and an actual electrical conductance, in particular an actual conductivity, can be determined for the gas diffusion layer from this. Furthermore, the determination of the electrical conductivity can take place in particular by optical measurement of the electrical conductivity, the optical measurement taking place in such a way that a surface, in particular the bipolar plate side, of the gas diffusion layer is optically is detected and based on the proportion of the electrically insulating, hydrophobic material on the surface, in particular the bipolar plate side, the actual electrical conductivity, in particular the bipolar plate side, is determined. The optical measurement can take place by means of a camera and / or a microscope.
Mit besonderem Vorteil kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das Abtragen, insbesondere das Abtragen des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials, ein mechanisches Abtragen, insbesondere ein Abschleifen und/oder ein Abschaben, sein. Damit kann auf besonders einfache und kostengünstige Weise das elektrisch isolierende, hydrophobe Material und/oder das elektrisch leitfähige Netzwerk der Gasdiffusionslage abgetragen werden, insbesondere zusammen abgetragen werden. Insbesondere kann das Abschleifen des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials und/oder des elektrisch leitfähigen Netzwerks, derart erfolgen, dass eine im Wesentlichen plane Oberfläche, insbesondere eine plane Bipolarplattenseite, ausgebildet wird. Das Abschleifen kann insbesondere mittels einer Walze mit einer rauen, abtragenden Walzenoberfläche erfolgen, wobei insbesondere die Walze in Rotation versetzt wird und die Bipolarplattenseite der Gasdiffusionslage an der Walze derart vorbeigeführt wird, sodass zumindest die Bipolarplattenseite der Gasdiffusionslage aufgeraut wird. Insbesondere kann die Walze eine Kaschierwalze sein. Vorteilhafterweise kann die Walze Bohrungen aufweisen, wobei mittels der Bohrungen das abgetragene elektrisch isolierende, hydrophobe Material und/oder das abgetragene elektrisch leitfähige Netzwerk abgesaugt werden kann. Das Abschaben kann ferner insbesondere mittels einer Walze mit einer heißen Oberfläche erfolgen, wobei insbesondere die Bipolarplattenseite derart von der heißen Oberfläche der Walze gedrückt wird, dass das elektrisch isolierende, hydrophobe Material wenigstens abgeschabt bzw. weggeschoben wird. In a method according to the invention, the removal, in particular the removal of the electrically insulating, hydrophobic material, mechanical removal, in particular grinding and / or scraping, can be particularly advantageous. In this way, the electrically insulating, hydrophobic material and / or the electrically conductive network of the gas diffusion layer can be removed, in particular removed together, in a particularly simple and inexpensive manner. In particular, the electrically insulating, hydrophobic material and / or the electrically conductive network can be ground off in such a way that an essentially planar surface, in particular a planar bipolar plate side, is formed. The grinding can be done in particular by means of a roller with a rough, abrasive roller surface, the roller in particular being set in rotation and the bipolar plate side of the gas diffusion layer being guided past the roller in such a way that at least the bipolar plate side of the gas diffusion layer is roughened. In particular, the roller can be a laminating roller. The roller can advantageously have bores, wherein the removed electrically insulating, hydrophobic material and / or the removed electrically conductive network can be sucked off by means of the bores. The scraping can also take place in particular by means of a roller with a hot surface, the bipolar plate side in particular being pressed by the hot surface of the roller in such a way that the electrically insulating, hydrophobic material is at least scraped off or pushed away.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das Abtragen, insbesondere das Abtragen des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials, ein physikalisches Abtragen, insbesondere mit einem Laser, sein. Das physikalische Abtragen kann insbesondere ein physikalisches Plasmaätzen sein. Beim physikalischen Plasmaätzen können im Plasma nicht reaktive Ionen auf eine Oberfläche der Gasdiffusionslage, insbesondere der Bipolarplattenseite, treffen und vorzugsweise das elektrisch isolierende, hydrophobe Material an der Oberfläche und/oder das elektrisch leitfähige Netzwerk, insbesondere der Bipolarplattenseite, abtragen. Das physikalische Plasmaätzen kann insbesondere derart erfolgen, dass das Abtragen, insbesondere das Abtragen des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials, anisotrop erfolgt. Somit kann das elektrisch leitfähige Netzwerk an einer Oberfläche, insbesondere der Bipolarplattenseite, tlw. freigelegt sein. Dieser freigelegte Teil des elektrisch leitfähigen Netzwerks kann eine besonders vorteilhafte elektrische Leitfähigkeit aufweisen und ferner kann dieser die Bipolarplatte, insbesondere eine Gasdiffusionsseite der Bipolarplatte, besonders vorteilhaft kontaktieren. Der nicht freigelegte Teil des elektrisch leitfähigen Netzwerks kann weiterhin besonders vorteilhaft Wasser und/oder Wasserdampf leiten bzw. abtransportieren. Das physikalische Abtragen kann insbesondere ein selektives, physikalisches Abtragen sein. Das selektive, physikalische Abtragen kann insbesondere derart erfolgen, dass nur bestimmte Materialien abgetragen werden. Vorteilhafterweise kann somit bspw. nur das elektrisch isolierende, hydrophobe Material oder nur das elektrisch leitfähige Netzwerk abgetragen werden. Mit einem Laser kann besonders einfach bereichsweise an der Bipolarplattenseite zumindest tlw. das elektrisch leitfähige Netzwerk umgebende elektrisch isolierende, hydrophobe Material abgetragen werden. According to a further preferred embodiment, in a method according to the invention, the removal, in particular the removal of the electrically insulating, hydrophobic material, can be physical removal, in particular with a laser. The physical removal can in particular be a physical plasma etching. With the physical Plasma etching can strike non-reactive ions in the plasma on a surface of the gas diffusion layer, in particular the bipolar plate side, and preferably remove the electrically insulating, hydrophobic material on the surface and / or the electrically conductive network, in particular the bipolar plate side. The physical plasma etching can in particular take place in such a way that the removal, in particular the removal of the electrically insulating, hydrophobic material, takes place anisotropically. The electrically conductive network can thus be partially exposed on a surface, in particular the side of the bipolar plate. This exposed part of the electrically conductive network can have a particularly advantageous electrical conductivity and, furthermore, it can contact the bipolar plate, in particular a gas diffusion side of the bipolar plate, in a particularly advantageous manner. The non-exposed part of the electrically conductive network can furthermore particularly advantageously conduct or transport away water and / or water vapor. The physical removal can in particular be a selective, physical removal. The selective, physical removal can in particular take place in such a way that only certain materials are removed. Thus, for example, only the electrically insulating, hydrophobic material or only the electrically conductive network can advantageously be removed. With a laser, electrically insulating, hydrophobic material surrounding the electrically conductive network can be removed particularly easily in areas on the side of the bipolar plate, at least in part.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das Abtragen ein chemisches Abtragen, insbesondere ein selektives, chemisches Abtragen sein. Das selektive, chemische Abtragen kann insbesondere derart erfolgen, dass nur bestimmte Materialien abgetragen werden. Vorteilhafterweise kann somit bspw. nur das elektrisch isolierende, hydrophobe Material oder nur das elektrisch leitfähige Netzwerk abgetragen werden. Vorzugsweise kann das selektiv, chemische Abtragen ein chemisches Plasmaätzen sein, insbesondere mit Wasserstoff als Prozessgas. Beim chemischen Plasmaätzen kann das Abtragen durch eine chemische Reaktion erfolgen. Bspw. können bei der Verwendung von PTFE als elektrisch isolierendes, hydrophobes Material Wasserstoffradikale des Wasserstoffes mit Fluoratomen des PTFE zu Fluorwasserstoff reagieren. Somit können vorteilhafterweise die elektrisch isolierenden Fluoratome von einer Oberfläche der Gasdiffusionslage, insbesondere der Bipolarplattenseite, abgetragen werden und die elektrische Leitfähigkeit des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials erhöht werden. According to a further preferred embodiment, in a method according to the invention, the removal can be a chemical removal, in particular a selective, chemical removal. The selective, chemical removal can in particular take place in such a way that only certain materials are removed. Thus, for example, only the electrically insulating, hydrophobic material or only the electrically conductive network can advantageously be removed. The selective, chemical removal can preferably be a chemical plasma etching, in particular with hydrogen as the process gas. With chemical plasma etching, the removal can take place through a chemical reaction. For example, when using PTFE as an electrically insulating, hydrophobic material, hydrogen radicals from hydrogen can react with fluorine atoms from PTFE to form hydrogen fluoride. Consequently the electrically insulating fluorine atoms can advantageously be removed from a surface of the gas diffusion layer, in particular the bipolar plate side, and the electrical conductivity of the electrically insulating, hydrophobic material can be increased.
Vorteilhafterweise kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Bipolarplattenseite der Gasdiffusionslage zumindest einen Bipolarplattenabschnitt zum Kontaktieren, insbesondere zum elektrischen Kontaktieren, zumindest eines Gasdiffusionsabschnitts einer Gasdiffusionsseite der Bipolarplatte aufweisen, wobei das Abtragen, insbesondere das Abtragen des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials, in dem zumindest einen Bipolarplattenabschnitt erfolgt. Insbesondere ist die Gasdiffusionsseite der Bipolarplatte, die Seite der Bipolarplatte, welche der Bipolarplattenseite der Gasdiffusionslage gegenüberliegt und zumindest tlw. kontaktiert. Die Bipolarplatte kann ferner insbesondere an der Gasdiffusionsseite der Bipolarplatte zumindest zwei Stege zum elektrischen Kontaktieren der Bipolarplattenseite der Gasdiffusionslage und zwischen den zumindest zwei Stegen zumindest einen Kanal zum Verteilen eines Fluids, wie bspw. Luft oder Wasserstoff, aufweisen. Die zumindest zwei Stege bzw. die Oberflächen der Stege können insbesondere jeweils einen Gasdiffusionsabschnitt der Gasdiffusionsseite der Bipolarplatte bilden. Durch das Abtragen, insbesondere das Abtragen des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials, in dem zumindest einen Bipolarplattenabschnitt der Gasdiffusionslage kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass das Abtragen, insbesondere das Abtragen des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials, nur in den Bereichen der Bipolarplattenseite der Gasdiffusionslage erfolgt, in welchen sich die Bipolarplatte und die Gasdiffusionslage kontaktieren, insbesondere elektrisch kontaktieren. Somit kann das Abtragen in einer besonders kurzen Zeit erfolgen und/oder der elektrische Übergangswiderstand zwischen der Gasdiffusionslage und der Bipolarplatte besonders geringgehalten werden. Ferner kann Wasser und/oder Wasserdampf in den Bereichen der Bipolarplattenseite, in welchen das Abtragen, insbesondere das Abtragen des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials, nicht erfolgt, weiterhin besonders vorteilhaft abtransportiert werden. Gemäß einem zweiten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung eine Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle, wobei die Gasdiffusionslage ein elektrisch leitfähiges Netzwerk, ein das elektrisch leitfähige Netzwerk umgebendes elektrisch isolierendes, hydrophobes Material zur Hydrophobisierung des elektrisch leitfähigen Netzwerks und eine Elektrodenseite, die einer Membran der Brennstoffzelle zugewandt ist, und eine der Elektrodenseite gegenüberliegende Bipolarplattenseite, die einer Bipolarplatte der Brennstoffzelle zugewandt ist, aufweist. Weiter ist wenigstens bereichsweise an der Bipolarplattenseite zumindest tlw. das elektrisch leitfähige Netzwerk umgebende elektrisch isolierende, hydrophobe Material abgetragen, wobei insbesondere das Abtragen ein Abtragen nach einem erfindungsgemäßen Verfahren ist. In a method according to the invention, the bipolar plate side of the gas diffusion layer can advantageously have at least one bipolar plate section for contacting, in particular for electrically contacting, at least one gas diffusion section of a gas diffusion side of the bipolar plate, the removal, in particular the removal of the electrically insulating, hydrophobic material taking place in the at least one bipolar plate section . In particular, the gas diffusion side of the bipolar plate is the side of the bipolar plate which is opposite the bipolar plate side of the gas diffusion layer and at least partially makes contact. The bipolar plate can also have at least two webs on the gas diffusion side of the bipolar plate for electrical contact with the bipolar plate side of the gas diffusion layer and between the at least two webs at least one channel for distributing a fluid, such as air or hydrogen. The at least two webs or the surfaces of the webs can in particular each form a gas diffusion section of the gas diffusion side of the bipolar plate. By removing, in particular removing, the electrically insulating, hydrophobic material in the at least one bipolar plate section of the gas diffusion layer, it can advantageously be achieved that the removal, in particular the removal of the electrically insulating, hydrophobic material, takes place only in the areas of the bipolar plate side of the gas diffusion layer, in which the bipolar plate and the gas diffusion layer make contact, in particular make electrical contact. The removal can thus take place in a particularly short time and / or the electrical contact resistance between the gas diffusion layer and the bipolar plate can be kept particularly low. Furthermore, water and / or water vapor in the areas of the bipolar plate side in which the removal, in particular the removal of the electrically insulating, hydrophobic material, does not take place, can still be transported away particularly advantageously. According to a second aspect, the present invention shows a gas diffusion layer for a fuel cell, the gas diffusion layer having an electrically conductive network, an electrically insulating, hydrophobic material surrounding the electrically conductive network for hydrophobizing the electrically conductive network and an electrode side facing a membrane of the fuel cell , and a bipolar plate side opposite the electrode side and facing a bipolar plate of the fuel cell. Furthermore, electrically insulating, hydrophobic material surrounding the electrically conductive network is at least partially removed at least partially on the side of the bipolar plate, in particular the removal being removal according to a method according to the invention.
Die Gasdiffusionslage gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. The gas diffusion layer according to the second aspect of the invention thus has the same advantages as have already been described for the method according to the first aspect of the invention.
Gemäß einem dritten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle, wobei die Brennstoffzelle eine Gasdiffusionslage aufweist, wobei die Gasdiffusionslage nach einem erfindungsgemäßen Verfahren ausgestaltet ist, wobei die Bipolarplattenseite der Gasdiffusionslage zumindest tlw. eine Gasdiffusionsseite einer Bipolarplatte kontaktiert. Weiter weist die Brennstoffzelle die Bipolarplatte mit der Gasdiffusionsseite zum zumindest tlw.n Kontaktieren der Bipolarplattenseite der Gasdiffusionslage auf. According to a third aspect, the present invention shows a fuel cell, the fuel cell having a gas diffusion layer, the gas diffusion layer being designed according to a method according to the invention, the bipolar plate side of the gas diffusion layer at least partially in contact with a gas diffusion side of a bipolar plate. Furthermore, the fuel cell has the bipolar plate with the gas diffusion side for at least partially contacting the bipolar plate side of the gas diffusion layer.
Mit besonderem Vorteil kann bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle die Gasdiffusionsseite der Bipolarplatte zumindest einen Gasdiffusionsabschnitt zum zumindest tlw. Kontaktieren zumindest eines Bipolarplattenabschnitts der Bipolarplattenseite aufweisen, wobei insbesondere der zumindest eine Gasdiffusionsabschnitt eine aufgeraute Oberfläche und/oder eine zusätzliche metallische Schicht zum Verbessern des elektrischen Übergangswiderstands zwischen dem Gasdiffusionsabschnitt und dem Bipolarplattenabschnitt aufweist. In a fuel cell according to the invention, the gas diffusion side of the bipolar plate can particularly advantageously have at least one gas diffusion section for at least partially contacting at least one bipolar plate section of the bipolar plate side, the at least one gas diffusion section in particular having a roughened surface and / or an additional metallic layer to improve the electrical contact resistance between the Has gas diffusion portion and the bipolar plate portion.
Die Brennstoffzelle gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bzw. der Gasdiffusionslage gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. The fuel cell according to the third aspect of the invention thus has the same advantages as they already have for the method according to the first Aspect of the invention or the gas diffusion layer according to the second aspect of the invention have been described.
Gemäß einem vierten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung einen Brennstoffzellenstapel, wobei der Brennstoffzellenstapel mehrere erfindungsgemäße Brennstoffzellen aufweist. According to a fourth aspect, the present invention shows a fuel cell stack, the fuel cell stack having a plurality of fuel cells according to the invention.
Der Brennstoffzellenstapel gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bzw. der Gasdiffusionslage gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung bzw. der Brennstoffzelle gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. The fuel cell stack according to the fourth aspect of the invention thus has the same advantages as have already been described for the method according to the first aspect of the invention or the gas diffusion layer according to the second aspect of the invention or the fuel cell according to the third aspect of the invention.
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. Further measures improving the invention emerge from the following description of some exemplary embodiments of the invention, which are shown schematically in the figures. All of the features and / or advantages arising from the claims, the description or the drawings, including structural details, spatial arrangements and method steps, can be essential to the invention both individually and in the various combinations. It should be noted that the figures are only of a descriptive character and are not intended to restrict the invention in any way.
Es zeigen schematisch: They show schematically:
Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, 1 shows an embodiment of a method according to the invention,
Fig. 2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage, 2 shows an embodiment of a gas diffusion layer according to the invention,
Fig. 3 eine Gasdiffusionslage vor dem Abtragen und eine Gasdiffusionslage nach dem Abtragen, 3 shows a gas diffusion layer before removal and a gas diffusion layer after removal,
Fig. 4 eine elektrisch leitfähige Faser vor dem Abtragen und eine elektrisch leitfähige Faser nach dem Abtragen, Fig. 5 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, und 4 shows an electrically conductive fiber before the ablation and an electrically conductive fiber after the ablation, 5 shows an embodiment of a fuel cell according to the invention, and
Fig. 6 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels. 6 shows an embodiment of a fuel cell stack according to the invention.
In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen identische Bezugszeichen verwendet. In the following figures, identical reference symbols are used for the same technical features from different exemplary embodiments.
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei in einem ersten Schritt eine Gasdiffusionslage 30 bereitgestellt wird 300. Anschließend wird wenigstens bereichsweise an einer Bipolarplattenseite 32 der Gasdiffusionslage 30 zumindest tlw. ein ein elektrisches leitfähiges Netzwerk 35 der Gasdiffusionslage 30 umgebendes elektrisch isolierendes, hydrophobes Materials 37 abgetragen 302. Optional kann wenigstens bereichsweise an der Bipolarplattenseite 10 auch zumindest tlw. das elektrisch leitfähige Netzwerks 35 abgetragen werden 304. Insbesondere kann das Abtragen 302 des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials 37 und das Abtragen 304 des elektrisch leitfähigen Netzwerks 35 in einem Schritt erfolgen. Zusätzlich kann in darauffolgenden Schritten die elektrische Leitfähigkeit der Gasdiffusionslage 30 als Ist-Leitfähigkeit ermittelt werden 306, anschließend kann zusätzlich die Ist- Leitfähigkeit mit einer vorgebbaren Soll-Leitfähigkeit der Gasdiffusionslage 30 verglichen werden 308, wobei wenn die Ist-Leitfähigkeit geringer als die vorgegebene Soll-Leitfähigkeit ist, dann wird zumindest das das elektrisch leitfähige Netzwerk 35 umgebende elektrisch isolierende, hydrophobe Material 37 erneut abgetragen 302. Figure 1 shows an embodiment of a method according to the invention, wherein a gas diffusion layer 30 is provided in a first step 300. Subsequently, at least in areas on a bipolar plate side 32 of the gas diffusion layer 30, at least partially an electrically insulating, hydrophobic material surrounding an electrically conductive network 35 of the gas diffusion layer 30 37 removed 302. Optionally, at least partially on the bipolar plate side 10, the electrically conductive network 35 can also be removed 304. In particular, the removal 302 of the electrically insulating, hydrophobic material 37 and the removal 304 of the electrically conductive network 35 can take place in one step . In addition, the electrical conductivity of the gas diffusion layer 30 can be determined 306 as the actual conductivity in subsequent steps, then the actual conductivity can also be compared 308 with a predefinable target conductivity of the gas diffusion layer 30, with the actual conductivity being lower than the predetermined target -Conductivity, then at least the electrically insulating, hydrophobic material 37 surrounding the electrically conductive network 35 is removed again 302.
Figur 2 zeigt in einem Schnitt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage 30 und eine Bipolarplatte 10, wobei die Gasdiffusionslage 30 ein elektrisch leitfähiges Netzwerk 35 und ein das elektrisch leitfähige Netzwerk 35 umgebendes elektrisch isolierendes, hydrophobes Material 37 aufweist. Die Gasdiffusionslage 30 kontaktiert mit Bipolarplattenabschnitten 33 einer Bipolarplattenseite 32 der Gasdiffusionslage 30 Gasdiffusionsabschnitte 13 einer Gasdiffusionsseite 12 einer Bipolarplatte 10. Bevorzugterweise kann das elektrische isolierende, hydrophobe Material 37 und/oder das elektrisch leitfähige Netzwerk 35, bspw. durch Abschleifen, nur an den Bipolarplattenabschnitten 33 der Gasdiffusionslage 30 abgetragen werden 302, 304. Somit kann das Abtragen 302, 304 in einer besonders kurzen Zeit erfolgen und/oder der elektrische Übergangswiderstand zwischen der Gasdiffusionslage 30 und der Bipolarplatte 10 besonders geringgehalten werden. Weiter kann Wasser und/oder Wasserdampf in den Bereichen der Bipolarplattenseite 32, in welchen das Abtragen 302, 304, insbesondere das Abtragen 302 des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials 37, nicht erfolgt, weiterhin besonders vorteilhaft abtransportiert werden. FIG. 2 shows in a section an embodiment of a gas diffusion layer 30 according to the invention and a bipolar plate 10, the gas diffusion layer 30 having an electrically conductive network 35 and an electrically insulating, hydrophobic material 37 surrounding the electrically conductive network 35. The gas diffusion layer 30 makes contact with bipolar plate sections 33 of a bipolar plate side 32 of the gas diffusion layer 30, gas diffusion sections 13 of a gas diffusion side 12 of a bipolar plate 10. The electrically insulating, hydrophobic material 37 and / or the electrically conductive Network 35, for example by grinding, can only be removed 302, 304 on the bipolar plate sections 33 of the gas diffusion layer 30. The removal 302, 304 can thus take place in a particularly short time and / or the electrical contact resistance between the gas diffusion layer 30 and the bipolar plate 10 in particular be kept low. Furthermore, water and / or water vapor in the areas of the bipolar plate side 32 in which the removal 302, 304, in particular the removal 302 of the electrically insulating, hydrophobic material 37, does not take place, can furthermore be transported away particularly advantageously.
Figur 3 zeigt in der linken (I) und in der rechten (r) Abbildung jeweils eine Gasdiffusionslage 30 mit einem elektrisch leitfähigen Netzwerk 35, wobei das elektrisch leitfähige Netzwerk 35 eine Vielzahl an elektrisch leitfähigen Fasern 36 aufweist. Die elektrisch leitfähigen Fasern 36 sind jeweils von einem elektrisch isolierenden, hydrophoben Material 37 umgeben, wie in einem Schnitt in Figur 4 dargestellt ist. Weiter weist die Gasdiffusionslage 30 eine Elektrodenseite 31 und eine Bipolarplattenseite 32 auf. In der linken (I) Abbildung der Figur 3 wird die Gasdiffusionslage 30 vor dem Abtragen 302, 304 des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials 37 und des elektrisch leitfähigen Netzwerks 35 gezeigt. Hingegen wird in der rechten (r) Abbildung der Figur 3 die erfindungsgemäße Gasdiffusionslage 30 nach dem Abtragen 302, 304 des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials 37 und des elektrisch leitfähigen Netzwerks 35 gezeigt, wobei die Bipolarplattenseite 32 nach dem Abtragen 302, 304 im Wesentlichen plan ist. Insbesondere kann durch Abschleifen das elektrisch isolierende, hydrophobe Material 37 und das elektrisch leitfähige Netzwerk 35, insbesondere die elektrisch leitfähigen Fasern 36, zusammen abgetragen werden 302, 304. Vorzugsweise kann das Abschleifen des elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials 37 und/oder des elektrisch leitfähigen Netzwerks 35, insbesondere der elektrisch leitfähigen Fasern 36, derart erfolgen, dass eine im Wesentlichen plane Bipolarplattenseite 32 ausgebildet wird. Somit kann eine Gasdiffusionsseite 12 einer Bipolarplatte 10 besonders vorteilhaft elektrisch kontaktiert werden. Ferner ist in Figur 4 in der linken (I) und rechten (r) Abbildung beispielhaft jeweils eine elektrisch leitfähige Faser 36, welche von einem elektrisch isolierenden, hydrophoben Material 37 umgeben ist, dargestellt. Die linke (I) Abbildung zeigt dabei eine elektrisch leitfähige Faser 36 vor dem Abschleifen und die rechte Abbildung eine elektrisch leitfähige Faser 36 nach dem Abschleifen. In der rechten (r) Abbildung ist zumindest ein Teil des elektrisch leitfähigen Fadens 36 nicht von dem elektrisch isolierenden, hydrophoben Material 37 umgeben. Dieser Teil des elektrisch leitfähigen Fadens 36 kann dann besonders vorteilhaft die Bipolarplatte 10 der Brennstoffzelle 100 elektrisch kontaktieren und derFIG. 3 shows a gas diffusion layer 30 with an electrically conductive network 35 in the left (I) and in the right (r) illustration, the electrically conductive network 35 having a multiplicity of electrically conductive fibers 36. The electrically conductive fibers 36 are each surrounded by an electrically insulating, hydrophobic material 37, as shown in a section in FIG. The gas diffusion layer 30 also has an electrode side 31 and a bipolar plate side 32. In the left (I) illustration of FIG. 3, the gas diffusion layer 30 is shown before the removal 302, 304 of the electrically insulating, hydrophobic material 37 and the electrically conductive network 35. In contrast, the right-hand illustration of FIG. 3 shows the gas diffusion layer 30 according to the invention after the removal 302, 304 of the electrically insulating, hydrophobic material 37 and the electrically conductive network 35, the bipolar plate side 32 being essentially flat after the removal 302, 304 is. In particular, the electrically insulating, hydrophobic material 37 and the electrically conductive network 35, in particular the electrically conductive fibers 36, can be removed together 302, 304 by grinding. Preferably, the grinding of the electrically insulating, hydrophobic material 37 and / or the electrically conductive network 35, in particular the electrically conductive fibers 36, take place in such a way that a substantially planar bipolar plate side 32 is formed. A gas diffusion side 12 of a bipolar plate 10 can thus be electrically contacted in a particularly advantageous manner. Furthermore, an electrically conductive fiber 36, which is surrounded by an electrically insulating, hydrophobic material 37, is shown by way of example in the left (I) and right (r) illustration in FIG. The left (I) figure shows an electrically conductive fiber 36 before grinding and the right one Illustration of an electrically conductive fiber 36 after being abraded. In the right (r) illustration, at least part of the electrically conductive thread 36 is not surrounded by the electrically insulating, hydrophobic material 37. This part of the electrically conductive thread 36 can then particularly advantageously make electrical contact with the bipolar plate 10 of the fuel cell 100 and the
Übergangswiderstand zwischen der Bipolarplatte 10 und der Gasdiffusionslage 30 kann besonders gering sein. Contact resistance between the bipolar plate 10 and the gas diffusion layer 30 can be particularly low.
Figur 5 zeigt in einer Explosionszeichnung in einem Schnitt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäße Brennstoffzelle 100 mit einerFIG. 5 shows in an exploded drawing in a section an embodiment of a fuel cell 100 according to the invention with a
Kathodenplatte 5a einer ersten Bipolarplatte 10a, einer ersten erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage 30a, einer Membran 50, einer zweiten erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage 30b und einer Anodenplatte lb einer zweiten Bipolarplatte 10b. Die erste Bipolarplatte 10a und die zweite Bipolarplatte 10b umfassen ferner eine Anodenplatte la bzw. eine Kathodenplatte 5b. Weiter weist die Kathodenplatte 5a eine Gasdiffusionsseite 12a und die erste Gasdiffusionslage 30a die Bipolarplattenseite 32a auf. Weiter weist die Anodenplatte lb eine Gasdiffusionsseite 12b und die zweite Gasdiffusionslage 30b die Bipolarplattenseite 32b auf. Cathode plate 5a of a first bipolar plate 10a, a first gas diffusion layer 30a according to the invention, a membrane 50, a second gas diffusion layer 30b according to the invention and an anode plate lb of a second bipolar plate 10b. The first bipolar plate 10a and the second bipolar plate 10b further comprise an anode plate 1a and a cathode plate 5b, respectively. Furthermore, the cathode plate 5a has a gas diffusion side 12a and the first gas diffusion layer 30a has the bipolar plate side 32a. Furthermore, the anode plate 1b has a gas diffusion side 12b and the second gas diffusion layer 30b has the bipolar plate side 32b.
Figur 6 illustriert eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 200 mit übereinander angeordneten erfindungsgemäßen Brennstoffzellen 100. FIG. 6 illustrates an embodiment of a fuel cell stack 200 according to the invention with fuel cells 100 according to the invention arranged one above the other.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zum Abtragen einer Oberfläche einer Gasdiffusionslage (30) für eine Brennstoffzelle (100), wobei die Gasdiffusionslage (30) umfasst: 1. A method for removing a surface of a gas diffusion layer (30) for a fuel cell (100), wherein the gas diffusion layer (30) comprises:
- ein elektrisch leitfähiges Netzwerk (35), - an electrically conductive network (35),
- ein das elektrisch leitfähige Netzwerk (35) umgebendes elektrisch isolierendes, hydrophobes Material (37) zur Hydrophobisierung des elektrisch leitfähigen Netzwerks (35), - An electrically insulating, hydrophobic material (37) surrounding the electrically conductive network (35) for making the electrically conductive network (35) hydrophobic,
- eine Elektrodenseite (31), die einer Membran (50) der Brennstoffzelle (100) zugewandt ist, und eine der Elektrodenseite (31) gegenüberliegende Bipolarplattenseite (32), die einer Bipolarplatte (10) der Brennstoffzelle (100) zugewandt ist, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist: a) Bereitstellen (300) der Gasdiffusionslage (30), b) wenigstens bereichsweise an der Bipolarplattenseite (32) zumindest tlw. Abtragen (302) des das elektrisch leitfähige Netzwerk (35) umgebenden elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials (37). - An electrode side (31) facing a membrane (50) of the fuel cell (100), and a bipolar plate side (32) opposite the electrode side (31) and facing a bipolar plate (10) of the fuel cell (100), the The method comprises at least the following steps: a) providing (300) the gas diffusion layer (30), b) at least partially on the bipolar plate side (32) at least partially removing (302) the electrically insulating, hydrophobic material surrounding the electrically conductive network (35) (37).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner einen Schritt c) aufweist: c) wenigstens bereichsweise an der Bipolarplattenseite (10) zumindest tlw. Abtragen (304) des elektrisch leitfähigen Netzwerks (35). 2. The method according to claim 1, characterized in that the method further comprises a step c): c) at least partially on the bipolar plate side (10) at least partially. Removal (304) of the electrically conductive network (35).
3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner nach Schritt b) einen Schritt d) aufweist: d) Ermitteln (306) der elektrischen Leitfähigkeit der Gasdiffusionslage (30) als Ist-Leitfähigkeit, und nach Schritt d) einen Schritt e) aufweist: e) Vergleichen (308) der Ist- Leitfähigkeit mit einer vorgebbaren Soll- Leitfähigkeit der Gasdiffusionslage (30), wobei wenn die Ist- Leitfähigkeit geringer als die vorgegebene Soll-Leitfähigkeit ist, dann erneutes Abtragen (302) zumindest des das elektrisch leitfähige Netzwerk (35) umgebenden elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials (37). 3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the method further comprises a step d) after step b): d) determining (306) the electrical conductivity of the gas diffusion layer (30) as the actual conductivity, and after step d) a step e) comprises: e) comparing (308) the actual conductivity with a predeterminable nominal conductivity of the gas diffusion layer (30), wherein if the actual conductivity is lower than the predetermined nominal conductivity, then at least renewed removal (302) the electrically insulating, hydrophobic material (37) surrounding the electrically conductive network (35).
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtragen (302, 304) ein mechanisches Abtragen, insbesondere ein Abschleifen und/oder ein Abschaben, ist. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the removal (302, 304) is a mechanical removal, in particular a grinding and / or a scraping.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtragen (302, 304) ein physikalisches Abtragen, insbesondere mit einem Laser, ist. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the ablation (302, 304) is a physical ablation, in particular with a laser.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtragen (302, 304) ein chemisches Abtragen, insbesondere ein chemisches Plasmaätzen ist. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the removal (302, 304) is a chemical removal, in particular a chemical plasma etching.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplattenseite (32) der Gasdiffusionslage (30) zumindest einen Bipolarplattenabschnitt (33) zum Kontaktieren zumindest eines Gasdiffusionsabschnitts (13) einer Gasdiffusionsseite (12) der Bipolarplatte (10) aufweist, wobei das Abtragen (302, 304) in dem zumindest einen Bipolarplattenabschnitt (33) erfolgt. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the bipolar plate side (32) of the gas diffusion layer (30) has at least one bipolar plate section (33) for contacting at least one gas diffusion section (13) of a gas diffusion side (12) of the bipolar plate (10), wherein the removal (302, 304) takes place in the at least one bipolar plate section (33).
8. Gasdiffusionslage (30) für eine Brennstoffzelle (100), wobei die8. Gas diffusion layer (30) for a fuel cell (100), wherein the
Gasdiffusionslage (30) umfasst: Gas diffusion layer (30) comprises:
- ein elektrisch leitfähiges Netzwerk (35), - an electrically conductive network (35),
- ein das elektrisch leitfähige Netzwerk (35) umgebendes elektrisch isolierendes, hydrophobes Material (37) zur Hydrophobisierung des elektrisch leitfähigen Netzwerks (35), - An electrically insulating, hydrophobic material (37) surrounding the electrically conductive network (35) for making the electrically conductive network (35) hydrophobic,
- eine Elektrodenseite (31), die einer Membran (50) der Brennstoffzelle (100) zugewandt ist, und eine der Elektrodenseite (31) gegenüberliegende Bipolarplattenseite (32), die einer Bipolarplatte (10) der Brennstoffzelle (100) zugewandt ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens bereichsweise an der Bipolarplattenseite (32) zumindest tlw. das elektrisch leitfähige Netzwerk (35) umgebende elektrisch isolierende, hydrophobe Material (37) abgetragen ist, wobei insbesondere das Abtragen ein Abtragen (302) nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ist. - An electrode side (31) facing a membrane (50) of the fuel cell (100), and a bipolar plate side (32) opposite the electrode side (31) and facing a bipolar plate (10) of the fuel cell (100), characterized that at least partially on the bipolar plate side (32) at least partially. The electrically insulating, hydrophobic material (37) surrounding the electrically conductive network (35) is removed, in particular the removal being an removal (302) according to a method according to one of claims 1 to 7 is.
9. Brennstoffzelle (100), wobei die Brennstoffzelle (100) aufweist: 9. Fuel cell (100), wherein the fuel cell (100) comprises:
- eine Gasdiffusionslage (30), wobei die Gasdiffusionslage (30) nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgestaltet ist, wobei die Bipolarplattenseite (32) der Gasdiffusionslage (30) zumindest tlw. eine Gasdiffusionsseite (12) einer Bipolarplatte (10) kontaktiert, - a gas diffusion layer (30), wherein the gas diffusion layer (30) is designed according to a method according to one of claims 1 to 7, wherein the bipolar plate side (32) of the gas diffusion layer (30) at least partially. a gas diffusion side (12) of a bipolar plate (10) contacted,
- die Bipolarplatte (10) mit der Gasdiffusionsseite (12) zum zumindest tlw.n Kontaktieren der Bipolarplattenseite (32) der Gasdiffusionslage (30). - The bipolar plate (10) with the gas diffusion side (12) for at least partially contacting the bipolar plate side (32) of the gas diffusion layer (30).
10. Brennstoffzelle (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsseite (12) der Bipolarplatte (10) zumindest einen Gasdiffusionsabschnitt (13) zum zumindest tlw.n Kontaktieren zumindest eines Bipolarplattenabschnitts (33) der Bipolarplattenseite (32) aufweist, wobei insbesondere der zumindest eine Gasdiffusionsabschnitt (13) eine aufgeraute Oberfläche und/oder eine zusätzliche metallische Schicht zum Verbessern des elektrischen Übergangswiderstands zwischen dem Gasdiffusionsabschnitt und dem Bipolarplattenabschnitt aufweist. 10. The fuel cell (100) according to claim 9, characterized in that the gas diffusion side (12) of the bipolar plate (10) has at least one gas diffusion section (13) for at least partially contacting at least one bipolar plate section (33) of the bipolar plate side (32), wherein in particular the at least one gas diffusion section (13) has a roughened surface and / or an additional metallic layer to improve the electrical contact resistance between the gas diffusion section and the bipolar plate section.
11. Brennstoffzellenstapel (200), wobei der Brennstoffzellenstapel (200) mehrere Brennstoffzellen (100) gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10 aufweist. 11. Fuel cell stack (200), wherein the fuel cell stack (200) has a plurality of fuel cells (100) according to one of claims 9 or 10.
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