WO2022002932A1 - Gas diffusion layer for a fuel cell having properties which vary along an areal extent - Google Patents

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WO2022002932A1
WO2022002932A1 PCT/EP2021/067839 EP2021067839W WO2022002932A1 WO 2022002932 A1 WO2022002932 A1 WO 2022002932A1 EP 2021067839 W EP2021067839 W EP 2021067839W WO 2022002932 A1 WO2022002932 A1 WO 2022002932A1
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gas diffusion
layer
diffusion layer
fuel cell
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Harald Bauer
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a gas diffusion layer for a fuel cell, a fuel cell with such a gas diffusion layer and a method for producing a gas diffusion layer.
  • PEM fuel cell stacks usually comprise a plurality of stacked fuel cells, each of which has a hydrophilic membrane with a catalyst layer on both sides and adjoining hydrophobized gas diffusion layers which are in contact with a flow field for distributing educts. Due to the gas diffusion layers, the membrane can, on the one hand, have a certain humidity and, on the other hand, gaseous starting materials can reach the catalyst layer of the membrane in the opposite direction.
  • hydrogen reacts with oxygen and an electrical voltage is provided at the electrodes of the fuel cells. This creates water at the cathode. If not all of the water vapor is removed, water can condense under unfavorable conditions.
  • the fuel cell in question could be flooded locally as a result and the educts can no longer come into contact with the catalyst, at least locally, due to the water barrier created as a result.
  • the performance of the cell is reduced locally and thus the overall performance of the system is reduced.
  • Such flooded areas could be zones or starting points for degradation effects, such as corrosion.
  • gas diffusion layers made of a dense hydrophobic particulate layer can be arranged on a carbon fiber fleece and placed between the flow field and the membrane with its catalyst layer, so that gas and water vapor are always allowed through and still sufficient liquid water is held on the membrane, with additional required or excess liquid water is passed through.
  • the gas diffusion layers can also be used as a gas diffusion electrode for diverting the generated current.
  • Educts that are fed to the membrane via the flow fields and via the gas diffusion layer always require a certain pressure to overcome the flow resistance along the entire flow path.
  • the local pressure over the membrane is not constant over the area even with constant operating parameters.
  • a method is known for producing gas diffusion layers, in particular the particulate hydrophobic layer, in which integrally optimized properties are to be set. Either statistically uniform properties (e.g. cracks, pores, holes) are set in the area, or a gradient profile perpendicular to the area is provided.
  • a gas diffusion layer or a gas diffusion electrode must, on the one hand, hold a certain amount of liquid water on the membrane and, on the other hand, remove the excess water produced in the fuel cell process and allow the gaseous reactants to reach the membrane. This can be done with a porous structure.
  • the object of the invention is therefore to propose a gas diffusion layer with which local condensation can be avoided, but at the same time the desired moisture content of the membrane is maintained and the supply of the starting materials is not hindered.
  • a gas diffusion layer for a fuel cell is proposed, the gas diffusion layer having a flat extent and a layer thickness measured perpendicular to the flat extent, and the gas diffusion layer having predetermined physical properties that include at least one permeability and one hydrophobicity. According to the invention, it is provided that at least one of the physical properties changes from an initial value in an initial area to an end value in an end area spaced therefrom in at least one direction along the two-dimensional extent.
  • a core of the invention is therefore not to keep the determining physical properties of the gas diffusion layer with regard to the accumulating water constant in the area of the respective fuel cells, i.e. in the cell plane perpendicular to a stacking direction. They therefore change essentially with the pressure profile along the flow field, so that, despite the pressure differences, the functionality of the gas diffusion layer, in particular for the retention capacity of liquid water and the permeability of gaseous educts, is almost the same everywhere.
  • the gas diffusion layer can thus be loaded equally everywhere in order to achieve high performance and low degradation with high power density in a stacked system.
  • the physical properties include at least the permeability and the hydrophobicity.
  • the hydrophobicity can have a comparatively low value where there is still no water. In an area opposite this, in which the greatest amount of water can be expected, it makes sense to select a higher hydrophobicity.
  • the hydrophobicity can be achieved, for example, by a content of water-repellent material incorporated therein that changes along the extent of the surface. This material can include, for example, PTFE.
  • the use of the hydrophobic material can prevent or reduce the excess water.
  • the permeability which can be controlled, for example, by the porosity of the gas diffusion layer, can also allow adaptation to the pressure curve.
  • a lower permeability can be provided than in an area with low pressure.
  • a uniform volume flow can be achieved over the entire surface of the gas diffusion layer.
  • an applied microporous layer its thickness can be influenced, which among other things also leads to a changing local depth of penetration into the carrier layer.
  • the microporous layer could be applied locally differently by means of multi-layer printing.
  • the electrical contact resistance, the electrical volume resistance, the wetting angle and the hydrophobicity can be adjusted, for example by using different local densities or contents of a hydrophobizing material.
  • the microporous layer could be printed onto the carrier layer, with different pore shapes and thus variable properties being able to be produced by printing different areas with different contents of hydrophobing material, uneven drying, different masses or the like.
  • the porosity can also be adjusted by means of a variable drilling pattern.
  • the gas diffusion layer has a carrier layer made of a fiber fleece, in which at least one of the hydrophobicity, layer thickness and fiber density changes along the two-dimensional extent.
  • the fiber fleece can have carbon fibers.
  • the hydrophobicity can be achieved through the use of a hydrophobic material that can be integrated into the carrier layer. Influencing the layer thickness and the fiber density allow the permeability to be adjusted via the two-dimensional expansion of the gas diffusion layer.
  • the carrier layer could have a base layer on which several sections of nonwovens with different fiber densities are applied next to one another, so that as a result, a fiber density profile can be realized overall.
  • the local thickness and the local fiber density can control the permeability.
  • a local content of a hydrophobizing material changes in or on the carrier layer along the two-dimensional extent.
  • the hydrophobic material such as PTFE, leads to a contact angle of more than 90 ° with respect to water, so that a water-repellent effect is achieved.
  • the local PTFE content or the lack of water-repellent material can be adjusted via the local variation of the properties of the carrier layer.
  • the gas diffusion layer has a microporous layer in which at least one of the hydrophobicity, layer thickness and porosity changes along the two-dimensional extent.
  • a microporous layer can be applied to an aforementioned carrier layer or provided as a separate layer.
  • the microporous layer can comprise one or more layers of carbon allotropes.
  • the hydrophobic properties of the microporous layer can also be influenced by the selection of the carbon allotropes.
  • the microporous layer could also be arranged on the carrier layer and at least partially penetrate into the carrier layer. Consequently, the gas diffusion layer has several layers which form a coherent mechanical unit.
  • the adaptation of the physical properties can be achieved by combining different measures.
  • the carrier layer could have a changing permeability, while for example the microporous layer can have different particle sizes or particle densities over the two-dimensional extent, so that the porosity changes.
  • the carrier layer and / or the microporous layer can each be interspersed with a hydrophobizing material, its density or the local content also being able to change over the two-dimensional extent.
  • the properties of the carrier layer are preferably largely constant and the determining properties such as hydrophobicity and permeability are essentially set by the microporous layer.
  • the properties of both layers are superimposed on the gas diffusion layer from the carrier layer and the microporous layer.
  • the microporous layer can accordingly generate the essential, pressure-dependent adaptations of the gas diffusion layer even with a constant structure of the carrier layer.
  • microporous layer has a penetration depth that changes along the two-dimensional extent. This also allows at least the permeability and hydrophobicity to be set.
  • the gas diffusion layer can consequently have a plurality of sections in which the corresponding physical properties are in each case constant. This can simplify production. However, it is also conceivable that the properties change continuously over the area. An even better adaptation to the pressure curve to be expected could thus be achieved.
  • a simplified approach to generating a gas diffusion layer can be used in which the fuel cell in question is thought to be subdivided into several small fuel cells, each of which has a gas diffusion layer with constant properties. The division could be made into 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 or more individual imaginary fuel cells.
  • the change in the at least one physical property preferably takes place continuously.
  • the invention further relates to a fuel cell with a membrane which is surrounded by two gas diffusion layers according to one of the preceding claims, which are in fluid connection with the flow fields surrounding the gas diffusion layers.
  • the at least one of the physical properties changes as a function of a change in pressure in each case along a flow channel of the flow fields.
  • the pressure change ie in particular the pressure drop, meander-shaped, spiral-shaped, in strips or in some other way over the flow field.
  • the properties of the gas diffusion layer are adapted to this.
  • the starting area is a region of highest pressure from which the flow channel extends to an end region as a region of lowest pressure. The pressure changes along the distance covered and the intended properties of the gas diffusion layer change accordingly.
  • a single web can be produced, for example, by means of film extrusion or compression of the mass with a rolling mill or film drawing, as is the case with lithium-ion battery anodes (carbon particles + binder polymer), which have this profile of properties.
  • a fluidizing agent can be used for the production, or a solvent for a binder polymer or the like dissolved therein.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell stack
  • FIG. 2 shows a plan view of a flow field
  • the fuel cell stack 2 in a simplified, schematic sectional illustration.
  • the fuel cell stack 2 is delimited at opposite ends by an end plate 4.
  • An electrical voltage is provided at the end plates 4.
  • a plurality of fuel cells 6 are arranged between the end plates 4, each of which is designed as a membrane electrode assembly (MEA). These have a membrane 8 to which electrodes on both sides 10 connect, each of which has a gas diffusion layer 12 and a catalyst layer 14.
  • the gas diffusion layer 12 could comprise a carrier layer 16 in the form of a carbon fiber fleece with a microporous layer 18 arranged thereon.
  • the carrier layer 16 could have a uniform thickness in a plane parallel to the membrane 8.
  • the microporous layer 18 can partially penetrate into the carrier layer 16. It has, for example, particles from a carbon allotrope, such as graphite.
  • the gas diffusion layer 12 has a layer thickness d which is preferably constant.
  • Bipolar plates 20 are arranged between the individual fuel cells 6, each of which has a flow field 22 on both sides with a series of flow channels 24 which are provided for supplying starting materials and removing reaction products.
  • the flow channels 22 are in fluid connection with the respective membrane 8 via the respective gas diffusion layer 12.
  • the flow field 22 is shown with an exemplary meandering flow channel 24.
  • the explanations relating to the gas diffusion layer 12 are also possible for other shapes of the flow channel 24. These could be designed as a comb distributor, with a band structure, a spiral structure or as a counter-rotating gas distributor.
  • An educt is introduced into the flow field 22 in a first area 26 arranged at the top of the plane of the drawing the second region 28 arranged at the bottom of the plane of the drawing leave the flow field 22.
  • a sufficient initial pressure in the first region 26 is necessary.
  • a certain flow resistance is to be expected.
  • the local pressure of the educt drops continuously from the first area 26 to the second area 28.
  • the final pressure at the end of the flow channel 24 in the second region 28 is then more or less clearly below the initial pressure. Due to the concise pressure profile, excessive condensation could occur locally on the membrane 8, where the pressure and temperature are below a saturated steam curve. In order to avoid this, so that a free flow of educts to the membrane is possible, the same pressure would have to be set everywhere at a constant temperature within a fuel cell via the two-dimensional extension of the flow field 22. Due to the flow resistance, this is only conceivable for very small fuel cells with a generous flow field under laboratory conditions.
  • the gas diffusion layer 12 is designed in such a way that the physical properties of the gas diffusion layer that determine the water balance and permeability are not constant in the area of the respective fuel cells, but are adapted to the pressure profile of the flow field 22. They change with the pressure profile along the flow channel 24. Where a lot of water could condense out, it is advantageous to set the hydrophobicity of the gas diffusion layer 12 to be particularly high. In places where little or no water could condense out, a lower level of water repellency would make sense. In locations with high pressure, the gas diffusion layer 12 could be less gas-permeable, i.e. permeable, than in locations with lower pressure. Overall, the retention capacity of liquid water and the permeability of gaseous starting materials can then be approximately the same everywhere along the gas diffusion layer 12, despite the pressure differences.
  • FIG. 3 A simplified example of a gas diffusion layer 12a is shown in FIG. 3.
  • the areal extent can be seen here, through which flow paths 30 lie in a direction vertical to the areal extent.
  • the flow paths 30 could be visible as perforation openings, for example.
  • the gas diffusion layer 12a can overall have a porous surface, so that the illustration in FIG. 3 is to be understood schematically.
  • gas diffusion layers made of a solid material, which are provided with individual bores 30, could also be used.
  • the gas diffusion layer 12a has a higher density of flow paths 30 at the upper end in the plane of the drawing, which consequently results in a higher density Porosity or a higher permeability leads.
  • the density of flow paths 30 is significantly lower.
  • the permeability changes either steadily, ie continuously, or in stages.
  • the lower end can be placed on the first region 26 of the flow field 22.
  • This area of the gas diffusion layer 12a is called the starting area 27 here.
  • the upper end which here represents an end area 29, should, however, be placed on the second area 28.
  • the permeability can largely follow inversely proportional to the pressure in the flow channel 24, so that an at least largely uniform volume flow is established over the entire flow channel 24 through the gas diffusion layer 12 to the membrane 8.
  • the course can run in strips from the starting area 27 to the end area 29. In finer gradations, the course could also be set in a meandering shape or at least continuously in one plane direction.
  • variable permeability could also be achieved by a changing depth of penetration of the microporous layer 18 shown in FIG. 1 into the carrier layer 16, as indicated in FIG. 4 with a gas diffusion layer 12b.
  • the depth of penetration of the microporous layer 18 is greater at the upper end in the plane of the drawing than at the lower end. It is conceivable that the thickness of the microporous layer increases with the depth of penetration, so that the gas diffusion layer 12b overall has a constant thickness. With a higher penetration depth, the permeability could be reduced. In the case of the greater penetration depth, the starting area 27 is formed. In the case of the lower penetration depth, the end region 29.
  • FIG. 5 shows a gas diffusion layer 12c into which a hydrophobing material 32 is integrated, for example PTFE.
  • the density or the content of the hydrophobic material 32 changes here along the two-dimensional extent. With the higher density or the higher content, a higher water entry could be countered, so that the density or the content of the hydrophobic material 32 can be selected largely inversely proportional to the pressure curve.
  • the starting area 27 is consequently with the lower content of the hydrophobizing material, the end area 29 with the higher content of the hydrophobizing material 32.
  • a production is also possible that geometrically combines the fiber layer (carbon backbone) and the PTFE particle layer (MPL) with respect to a web and, in total, has the same property profile of previously known gas diffusion layers.
  • This path can also be provided with the property gradient described here.
  • a gas diffusion layer is produced in the same way as a battery carbon anode by coating it with solvent on a base, drying it and then detaching it from the base, then pressing it together as a free-standing web.
  • These layers can contain fibers.
  • not only PTFE is processed, but other binder polymers can be used, which affects the variation in the PTFE content and thus the setting of the

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Abstract

The invention relates to a gas diffusion layer for a fuel cell, the gas diffusion having an areal extent and a layer thickness measured perpendicular to the areal extent, and the gas diffusion layer having predefined physical properties which comprise at least a permeability and a hydrophobicity. According to the invention, at least one of the physical properties changes in at least one direction along the areal extent from a starting value in a starting region to an end value in an end region.

Description

Beschreibung description
Titel: Title:
Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle mit entlang einer Flächenerstreckung variablen Eigenschaften Gas diffusion layer for a fuel cell with variable properties along a surface extension
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle, eine Brennstoffzelle mit einer solchen Gasdiffusionslage und ein Verfahren zum Herstellen einer Gasdiffusionslage. The present invention relates to a gas diffusion layer for a fuel cell, a fuel cell with such a gas diffusion layer and a method for producing a gas diffusion layer.
Stand der Technik State of the art
PEM-Brennstoffzellenstapel umfassen üblicherweise mehrere gestapelte Brennstoffzellen, die jeweils eine hydrophile Membran mit beidseitiger Katalysatorauflage und angrenzenden hydrophobierten Gasdiffusionslagen besitzen, welche mit einem Strömungsfeld zum Verteilen von Edukten in Kontakt stehen. Die Membran kann durch die Gasdiffusionslagen einerseits eine bestimmte Feuchtigkeit aufweisen und andererseits können gasförmige Edukte in Gegenrichtung an die Katalysatorschicht der Membran gelangen. Bei dem durchgeführten elektrochemischen Prozess reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff und es wird eine elektrische Spannung an den Elektroden der Brennstoffzellen bereitgestellt. Hierbei entsteht Wasser an der Kathode. Wird nicht der gesamte Wasserdampf abgeführt, kann es bei ungünstigen Bedingungen zur Konden sation von Wasser kommen. Die betreffende Brennstoffzelle könnte dadurch lokal geflutet werden und die Edukte können durch die hierdurch entstandene Wasserbarriere zumindest lokal nicht mehr mit dem Katalysator in Kontakt geraten. Die Leistung der Zelle verringert sich lokal und damit verringert sich die Gesamtleistung des Systems. Derartige geflutete Bereiche könnten Zonen oder Ausgangsstellen von Degradationseffekten sein, wie etwa Korrosion. Zum Verhindern der übermäßigen Kondensation können Gasdiffusionslagen aus einer dichten hydrophoben partikulären Schicht auf einem Carbonfaservlies angeordnet und zwischen das Strömungsfeld und die Membran mit ihrer Katalysatorschicht gelegt werden, sodass stets Gas und Wasserdampf durchgelassen werden und dennoch ausreichend flüssiges Wasser an der Membran gehalten wird, wobei zusätzlich benötigtes oder überschüssiges flüssiges Wasser durchgelassen wird. Die Gasdiffusionslagen können zudem als Gasdiffusionselektrode zum Ableiten des erzeugten Stroms verwendet werden. PEM fuel cell stacks usually comprise a plurality of stacked fuel cells, each of which has a hydrophilic membrane with a catalyst layer on both sides and adjoining hydrophobized gas diffusion layers which are in contact with a flow field for distributing educts. Due to the gas diffusion layers, the membrane can, on the one hand, have a certain humidity and, on the other hand, gaseous starting materials can reach the catalyst layer of the membrane in the opposite direction. In the electrochemical process carried out, hydrogen reacts with oxygen and an electrical voltage is provided at the electrodes of the fuel cells. This creates water at the cathode. If not all of the water vapor is removed, water can condense under unfavorable conditions. The fuel cell in question could be flooded locally as a result and the educts can no longer come into contact with the catalyst, at least locally, due to the water barrier created as a result. The performance of the cell is reduced locally and thus the overall performance of the system is reduced. Such flooded areas could be zones or starting points for degradation effects, such as corrosion. To prevent excessive condensation, gas diffusion layers made of a dense hydrophobic particulate layer can be arranged on a carbon fiber fleece and placed between the flow field and the membrane with its catalyst layer, so that gas and water vapor are always allowed through and still sufficient liquid water is held on the membrane, with additional required or excess liquid water is passed through. The gas diffusion layers can also be used as a gas diffusion electrode for diverting the generated current.
Edukte, die über die Strömungsfelder und über die Gasdiffusionslage der Membran zugeleitet werden, erfordern stets einen bestimmten Druck zur Überwindung des Strömungswiderstands entlang der gesamten Strömungsstrecke. Der lokale Druck über der Membran ist selbst bei konstanten Betriebsparametern über der Flächenausdehnung nicht konstant. Es ist ein Verfahren zum Herstellen von Gasdiffusionslagen, insbesondere der partikulären hydrophoben Schicht, bekannt, bei denen integral optimierte Eigenschaften eingestellt werden sollen. Es werden entweder statistisch gleichmäßige Eigenschaften (z.B. Risse, Poren, Löcher) in der Flächenausdehnung eingestellt, oder ein Gradientenprofil senkrecht zur Flächenausdehnung vorgesehen. Educts that are fed to the membrane via the flow fields and via the gas diffusion layer always require a certain pressure to overcome the flow resistance along the entire flow path. The local pressure over the membrane is not constant over the area even with constant operating parameters. A method is known for producing gas diffusion layers, in particular the particulate hydrophobic layer, in which integrally optimized properties are to be set. Either statistically uniform properties (e.g. cracks, pores, holes) are set in the area, or a gradient profile perpendicular to the area is provided.
Eine Gasdiffusionslage bzw. eine Gasdiffusionselektrode muss einerseits eine gewisse Menge flüssiges Wasser an der Membran halten, andererseits das bei dem Brennstoffzellenprozess produzierte überschüssige Wasser abführen und die gasförmigen Reaktanden an die Membran gelangen lassen. Mit einer porösen Struktur ist dies durchführbar. A gas diffusion layer or a gas diffusion electrode must, on the one hand, hold a certain amount of liquid water on the membrane and, on the other hand, remove the excess water produced in the fuel cell process and allow the gaseous reactants to reach the membrane. This can be done with a porous structure.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die Aufgabe der Erfindung liegt folglich darin, eine Gasdiffusionslage vorzuschlagen, mit der lokale Kondensation vermieden werden kann, gleichzeitig aber auch die gewünschte Feuchtigkeit der Membran aufrechterhalten wird und der Zufuhr der Edukte nicht behindert wird. The object of the invention is therefore to propose a gas diffusion layer with which local condensation can be avoided, but at the same time the desired moisture content of the membrane is maintained and the supply of the starting materials is not hindered.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen. The object is achieved by a gas diffusion layer for a fuel cell with the features of independent claim 1. Advantageous embodiments and further developments can be found in the subclaims and the following description.
Es wird eine Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, wobei die Gasdiffusionslage eine flächige Ausdehnung und eine zu der flächigen Ausdehnung senkrecht gemessene Lagendicke aufweist und wobei die Gasdiffusionslage vorgegebene physikalische Eigenschaften besitzt, die zumindest eine Permeabilität und eine Hydrophobizität umfassen. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass sich mindestens eine der physikalischen Eigenschaften von einem Anfangswert in einem Anfangsbereich zu einem Endwert in einem davon beabstandeten Endbereich in zumindest einer Richtung entlang der flächigen Ausdehnung ändert. A gas diffusion layer for a fuel cell is proposed, the gas diffusion layer having a flat extent and a layer thickness measured perpendicular to the flat extent, and the gas diffusion layer having predetermined physical properties that include at least one permeability and one hydrophobicity. According to the invention, it is provided that at least one of the physical properties changes from an initial value in an initial area to an end value in an end area spaced therefrom in at least one direction along the two-dimensional extent.
Ein Kern der Erfindung liegt folglich darin, die bestimmenden physikalischen Eigenschaften der Gasdiffusionslage hinsichtlich des anfallenden Wassers in der Flächenerstreckung der jeweiligen Brennstoffzellen, d.h. in der Zellebene senkrecht zu einer Stapelrichtung, nicht konstant zu halten. Sie ändern sich daher im Wesentlichen mit dem Druckverlauf entlang des Strömungsfelds, sodass trotz der Druckunterschiede die Funktionalität der Gasdiffusionslage, insbesondere für das Rückhaltevermögen von flüssigem Waser und die Durchlässigkeit von gasförmigen Edukten, überall annähernd gleich ist. Die Gasdiffusionslage kann damit überall gleich belastet werden, um hohe Leistungen und geringe Degradation bei hoher Leistungsdichte in einem gestapelten System zu erzielen. A core of the invention is therefore not to keep the determining physical properties of the gas diffusion layer with regard to the accumulating water constant in the area of the respective fuel cells, i.e. in the cell plane perpendicular to a stacking direction. They therefore change essentially with the pressure profile along the flow field, so that, despite the pressure differences, the functionality of the gas diffusion layer, in particular for the retention capacity of liquid water and the permeability of gaseous educts, is almost the same everywhere. The gas diffusion layer can thus be loaded equally everywhere in order to achieve high performance and low degradation with high power density in a stacked system.
Die physikalischen Eigenschaften umfassen, wie vorangehend erwähnt, zumindest die Permeabilität und die Hydrophobizität. Die Hydrophobizität kann dort einen vergleichsweise geringen Wert aufweisen, wo noch kein Wasser anfällt. In einem davon gegenüberliegenden Bereich, in dem mit dem stärksten Wasseranfall zu rechnen ist, ist es sinnvoll, eine höhere Hydrophobizität zu wählen. Die Hydrophobizität kann etwa durch einen sich entlang der Flächenerstreckung ändernden Gehalt an darin eingebundenem hydrophobierenden Material erreicht werden. Dieses Material kann etwa PTFE umfassen. Der Einsatz des hydrophobierenden Materials kann den Wasserüberschuss verhindern oder reduzieren. Die Permeabilität, welche etwa durch die Porosität der Gasdiffusionslage steuerbar ist, kann ebenso eine Anpassung an den Druckverlauf erlauben. In einem Bereich, in dem ein hoher Druck in dem Strömungsfeld vorliegt, kann eine geringere Permeabilität vorgesehen werden als in einem Bereich mit niedrigem Druck. Bei einer idealen Anpassung der Permeabilität an den Druckverlauf kann ein gleichmäßiger Volumenstrom über die gesamte Fläche der Gasdiffusionslage erreicht werden. As mentioned above, the physical properties include at least the permeability and the hydrophobicity. The hydrophobicity can have a comparatively low value where there is still no water. In an area opposite this, in which the greatest amount of water can be expected, it makes sense to select a higher hydrophobicity. The hydrophobicity can be achieved, for example, by a content of water-repellent material incorporated therein that changes along the extent of the surface. This material can include, for example, PTFE. The use of the hydrophobic material can prevent or reduce the excess water. The permeability, which can be controlled, for example, by the porosity of the gas diffusion layer, can also allow adaptation to the pressure curve. In an area in which there is a high pressure in the flow field, a lower permeability can be provided than in an area with low pressure. With an ideal adaptation of the permeability to the pressure curve, a uniform volume flow can be achieved over the entire surface of the gas diffusion layer.
Bei einer aufgebrachten mikroporösen Schicht kann ihre Dicke beeinflusst werden, was auch unter anderem zu einer sich ändernden lokalen Eindringtiefe in die Trägerschicht führt. Mittels eines Mehrlagendrucks könnte die mikroporöse Schicht lokal unterschiedlich aufgetragen werden. Der elektrische Kontaktwiderstand, der elektrische Durchgangswiderstand, der Benetzungswinkel und die Hydrophobizität können angepasst werden, etwa durch Verwendung von unterschiedlichen lokalen Dichten oder Gehalten eines hydrophobierenden Materials. Die mikroporöse Schicht könnte auf die Trägerschicht aufgedruckt werden, wobei durch Bedrucken verschiedener Bereiche mit unterschiedlichem Gehalt an hydrophobierendem Material, einer ungleichmäßigen Trocknung, unterschiedlichen Massen oder ähnlichem unterschiedliche Porenbilder und damit variable Eigenschaften herstellbar sind. Die Porosität kann bei Verwendung eines Lasers zudem durch ein variables Bohrbild eingestellt werden. In the case of an applied microporous layer, its thickness can be influenced, which among other things also leads to a changing local depth of penetration into the carrier layer. The microporous layer could be applied locally differently by means of multi-layer printing. The electrical contact resistance, the electrical volume resistance, the wetting angle and the hydrophobicity can be adjusted, for example by using different local densities or contents of a hydrophobizing material. The microporous layer could be printed onto the carrier layer, with different pore shapes and thus variable properties being able to be produced by printing different areas with different contents of hydrophobing material, uneven drying, different masses or the like. When using a laser, the porosity can also be adjusted by means of a variable drilling pattern.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Gasdiffusionslage eine Trägerschicht aus einem Faservlies auf, bei dem sich entlang der flächigen Ausdehnung zumindest eines der Hydrophobizität, Schichtdicke und Faserdichte ändert. Das Faservlies kann Kohlefasern aufweisen. Die Hydrophobizität kann durch die Verwendung eines hydrophoben Materials erreicht werden, das in die Trägerschicht integrierbar ist. Das Beeinflussen der Schichtdicke und der Faserdichte erlauben die Einstellung der Permeabilität über die flächige Ausdehnung der Gasdiffusionslage. Beispielhaft könnte die Trägerschicht eine Basislage aufweisen, auf der mehrere Abschnitte von Vliesen mit unterschiedlichen Faserdichten nebeneinander aufgebracht sind, sodass dadurch insgesamt ein Faserdichtenverlauf realisierbar ist. Die lokale Dicke und die lokale Faserdichte können die Permeabilität steuern. In an advantageous embodiment, the gas diffusion layer has a carrier layer made of a fiber fleece, in which at least one of the hydrophobicity, layer thickness and fiber density changes along the two-dimensional extent. The fiber fleece can have carbon fibers. The hydrophobicity can be achieved through the use of a hydrophobic material that can be integrated into the carrier layer. Influencing the layer thickness and the fiber density allow the permeability to be adjusted via the two-dimensional expansion of the gas diffusion layer. For example, the carrier layer could have a base layer on which several sections of nonwovens with different fiber densities are applied next to one another, so that as a result, a fiber density profile can be realized overall. The local thickness and the local fiber density can control the permeability.
Es ist vorteilhaft, wenn sich ein lokaler Gehalt eines hydrophobierenden Materials in oder auf der Trägerschicht entlang der flächigen Ausdehnung ändert. Das hydrophobierende Material, etwa PTFE, führt zu einem Kontaktwinkel von mehr als 90° gegenüber Wasser, sodass eine wasserabweisende Wirkung erzielt wird. Über die lokale Variation der Eigenschaften der Trägerschicht lassen sich der lokale PTFE-Gehalt oder das Fehlen von hydrophobierendem Material einstellen. It is advantageous if a local content of a hydrophobizing material changes in or on the carrier layer along the two-dimensional extent. The hydrophobic material, such as PTFE, leads to a contact angle of more than 90 ° with respect to water, so that a water-repellent effect is achieved. The local PTFE content or the lack of water-repellent material can be adjusted via the local variation of the properties of the carrier layer.
Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Gasdiffusionslage eine mikroporöse Schicht aufweist, bei der sich entlang der flächigen Ausdehnung zumindest eines der Hydrophobizität, Schichtdicke und Porosität ändert. Eine solche mikroporöse Schicht kann auf eine vorangehend genannte Trägerschicht aufgebracht oder als eigenständige Lage vorgesehen sein. Die mikroporöse Lage kann eine oder mehrere Schichten aus Kohlenstoffallotropen umfassen. Hydrophobierende Eigenschaften der mikroporösen Schicht können auch durch Auswahl der Kohlenstoffallotrope beeinflusst werden. It is also advantageous if the gas diffusion layer has a microporous layer in which at least one of the hydrophobicity, layer thickness and porosity changes along the two-dimensional extent. Such a microporous layer can be applied to an aforementioned carrier layer or provided as a separate layer. The microporous layer can comprise one or more layers of carbon allotropes. The hydrophobic properties of the microporous layer can also be influenced by the selection of the carbon allotropes.
Die mikroporöse Lage könnte zudem auf der Trägerschicht angeordnet sein und zumindest teilweise in die Trägerschicht eindringen. Folglich weist die Gasdiffusionslage mehrere Schichten auf, die eine zusammenhängende mechanische Einheit bilden. Die Anpassung der physikalischen Eigenschaften kann durch Kombination unterschiedlicher Maßnahmen erreicht werden. Die Trägerschicht könnte eine sich ändernde Permeabilität aufweisen, während beispielsweise die mikroporöse Schicht über die flächige Ausdehnung unterschiedliche Partikelgrößen oder Partikeldichten aufweisen kann, sodass sich die Porosität ändert. Die Trägerschicht und/oder die mikroporöse Schicht können jeweils mit einem hydrophobierenden Material durchsetzt sein, wobei sich dessen Dichte bzw. der lokale Gehalt ebenso über die flächige Ausdehnung ändern kann. The microporous layer could also be arranged on the carrier layer and at least partially penetrate into the carrier layer. Consequently, the gas diffusion layer has several layers which form a coherent mechanical unit. The adaptation of the physical properties can be achieved by combining different measures. The carrier layer could have a changing permeability, while for example the microporous layer can have different particle sizes or particle densities over the two-dimensional extent, so that the porosity changes. The carrier layer and / or the microporous layer can each be interspersed with a hydrophobizing material, its density or the local content also being able to change over the two-dimensional extent.
Bevorzugt sind die Eigenschaften der Trägerschicht weitgehend konstant und die bestimmenden Eigenschaften wie Hydrophobizität und Permeabilität, werden im Wesentlichen durch die mikroporöse Schicht eingestellt. Bei dem Aufbau der Gasdiffusionslage aus der Trägerschicht und der mikroporösen Schicht werden die Eigenschaften beider Lagen superponiert. Die mikroporöse Schicht kann demnach auch bei einer konstanten Struktur der Trägerschicht die wesentlichen, druckabhängigen Anpassungen der Gasdiffusionslage generieren. The properties of the carrier layer are preferably largely constant and the determining properties such as hydrophobicity and permeability are essentially set by the microporous layer. When building the The properties of both layers are superimposed on the gas diffusion layer from the carrier layer and the microporous layer. The microporous layer can accordingly generate the essential, pressure-dependent adaptations of the gas diffusion layer even with a constant structure of the carrier layer.
Es ist zudem vorteilhaft, wenn die mikroporöse Schicht eine sich entlang der flächigen Ausdehnung ändernde Eindringtiefe aufweist. Auch dadurch lassen sich zumindest die Permeabilität und Hydrophobizität einstellen. It is also advantageous if the microporous layer has a penetration depth that changes along the two-dimensional extent. This also allows at least the permeability and hydrophobicity to be set.
Es ist vorteilhaft, wenn die Änderung der mindestens einen physikalischen Eigenschaft zumindest in mehreren Stufen erfolgt. Die Gasdiffusionslage kann folglich mehrere Abschnitte aufweisen, in denen die entsprechenden physikalischen Eigenschaften jeweils konstant sind. Die Fertigung kann sich dadurch vereinfachen. Indes ist es auch denkbar, dass sich die Eigenschaften kontinuierlich über die flächige Ausdehnung ändern. Damit könnte eine noch bessere Anpassung an den zu erwartenden Druckverlauf erreicht werden. Beispielsweise kann ein vereinfachter Ansatz zur Generierung einer Gasdiffusionslage verwendet werden, bei dem die betreffende Brennstoffzelle gedacht in mehrere kleine Brennstoffzellen unterteilt wird, die jeweils eine Gasdiffusionslage mit konstanten Eigenschaften aufweist. Die Unterteilung könnte etwa in 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr einzelne gedachte Brennstoffzellen erfolgen. It is advantageous if the change in the at least one physical property takes place at least in several stages. The gas diffusion layer can consequently have a plurality of sections in which the corresponding physical properties are in each case constant. This can simplify production. However, it is also conceivable that the properties change continuously over the area. An even better adaptation to the pressure curve to be expected could thus be achieved. For example, a simplified approach to generating a gas diffusion layer can be used in which the fuel cell in question is thought to be subdivided into several small fuel cells, each of which has a gas diffusion layer with constant properties. The division could be made into 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 or more individual imaginary fuel cells.
Bevorzugt erfolgt die Änderung der mindestens einen physikalischen Eigenschaft indes kontinuierlich. However, the change in the at least one physical property preferably takes place continuously.
Die Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzelle mit einer Membran, die von zwei Gasdiffusionslagen nach einem der vorhergehenden Ansprüche umgeben ist, die in Fluidverbindung mit die Gasdiffusionslagen umgebenden Strömungsfeldern stehen. The invention further relates to a fuel cell with a membrane which is surrounded by two gas diffusion layers according to one of the preceding claims, which are in fluid connection with the flow fields surrounding the gas diffusion layers.
Dabei ist besonders bevorzugt, wenn sich die mindestens eine der physikalischen Eigenschaften in Abhängigkeit einer Druckänderung jeweils entlang eines Strömungskanals der Strömungsfelder ändert. Abhängig von der gewählten Form des Strömungskanals kann die Druckänderung, d.h. insbesondere der Druckabfall, mäanderförmig, spiralförmig, in Streifen oder auf andere Art über dem Strömungsfeld ergeben. Hieran sind die Eigenschaften der Gasdiffusionslage angepasst. Der Anfangsbereich ist ein Bereich höchsten Drucks, von dem sich der Strömungskanal zu einem Endbereich als Bereich niedrigsten Drucks erstreckt. Entlang der dabei zurückgelegten Strecke ändert sich der Druck und korrespondierend dazu ändern sich die vorgesehenen Eigenschaften der Gasdiffusionslage. It is particularly preferred if the at least one of the physical properties changes as a function of a change in pressure in each case along a flow channel of the flow fields. Depending on the selected shape of the flow channel, the pressure change, ie in particular the pressure drop, meander-shaped, spiral-shaped, in strips or in some other way over the flow field. The properties of the gas diffusion layer are adapted to this. The starting area is a region of highest pressure from which the flow channel extends to an end region as a region of lowest pressure. The pressure changes along the distance covered and the intended properties of the gas diffusion layer change accordingly.
Die Herstellung einer einzelnen Bahn kann beispielsweise mittels Filmextrusion oder Zusammenpressen der Masse mit einem Walzwerk oder Filmziehen wie bei Lithium-Ionen-Batterie-Anoden (Kohlenstoffpartikel+Binderpolymer) erfolgen, die dieses Eigenschaftsprofil aufweist. Dabei kann ein Fluidisierungsmittel zur Herstellung verwendet werden oder ein Lösemittel für ein darin gelöstes Binderpolymer oder dergleichen. A single web can be produced, for example, by means of film extrusion or compression of the mass with a rolling mill or film drawing, as is the case with lithium-ion battery anodes (carbon particles + binder polymer), which have this profile of properties. A fluidizing agent can be used for the production, or a solvent for a binder polymer or the like dissolved therein.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt. Further measures improving the invention are shown in more detail below together with the description of the preferred exemplary embodiments of the invention with reference to figures.
Ausführungsbeispiele Working examples
Es zeigt: It shows:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels Figur 2 eine Draufsicht auf ein Strömungsfeld Figuren 3 bis 5 unterschiedliche Gasdiffusionslagen. 1 shows a schematic representation of a fuel cell stack, FIG. 2 shows a plan view of a flow field, FIGS. 3 to 5 different gas diffusion layers.
Fig. 1 zeigt einen Brennstoffzellenstapel 2 in einer vereinfachten, schematischen Schnittdarstellung. Der Brennstoffzellenstapel 2 wird an einander gegenüberliegenden Enden jeweils durch eine Endplatte 4 begrenzt. An den Endplatten 4 wird eine elektrische Spannung bereitgestellt. Zwischen den Endplatten 4 sind mehrere Brennstoffzellen 6 angeordnet, die jeweils als eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) ausgeführt sind. Diese weisen eine Membran 8 auf, an die beidseitig Elektroden 10 anschließen, welche jeweils eine Gasdiffusionslage 12 und eine Katalysatorschicht 14 aufweisen. Die Gasdiffusionslage 12 könnte, wie in der Detailansicht angedeutet, eine Trägerschicht 16 in Form eines Carbonfaservlieses mit einer darauf angeordneten mikroporösen Schicht 18 umfassen. Die Trägerschicht 16 könnte eine gleichförmige Dicke in einer Ebene parallel zu der Membran 8 aufweisen. Die mikroporöse Schicht 18 kann teilweise in die Trägerschicht 16 eindringen. Sie weist exemplarisch Partikel aus einem Kohlenstoffallotropen auf, wie etwa Graphit. Die Gasdiffusionslage 12 weist eine Lagendicke d auf, die bevorzugt konstant ist. 1 shows a fuel cell stack 2 in a simplified, schematic sectional illustration. The fuel cell stack 2 is delimited at opposite ends by an end plate 4. An electrical voltage is provided at the end plates 4. A plurality of fuel cells 6 are arranged between the end plates 4, each of which is designed as a membrane electrode assembly (MEA). These have a membrane 8 to which electrodes on both sides 10 connect, each of which has a gas diffusion layer 12 and a catalyst layer 14. As indicated in the detailed view, the gas diffusion layer 12 could comprise a carrier layer 16 in the form of a carbon fiber fleece with a microporous layer 18 arranged thereon. The carrier layer 16 could have a uniform thickness in a plane parallel to the membrane 8. The microporous layer 18 can partially penetrate into the carrier layer 16. It has, for example, particles from a carbon allotrope, such as graphite. The gas diffusion layer 12 has a layer thickness d which is preferably constant.
Zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 6 sind Bipolarplatten 20 angeordnet, die beidseitig jeweils ein Strömungsfeld 22 mit einer Reihe von Strömungskanälen 24 aufweisen, die zum Zuführen von Edukten und zum Abführen von Reaktionsprodukten vorgesehen sind. Die Strömungskanäle 22 stehen über die jeweilige Gasdiffusionslage 12 in Fluidverbindung mit der jeweiligen Membran 8. Bipolar plates 20 are arranged between the individual fuel cells 6, each of which has a flow field 22 on both sides with a series of flow channels 24 which are provided for supplying starting materials and removing reaction products. The flow channels 22 are in fluid connection with the respective membrane 8 via the respective gas diffusion layer 12.
In Fig. 2 ist das Strömungsfeld 22 mit einem exemplarisch mäanderförmig ausgeführten Strömungskanal 24 gezeigt. Selbstverständlich sind die Ausführungen zu der Gasdiffusionslage 12 auch für andere Formen des Strömungskanals 24 möglich. Diese könnten als Kammverteiler, mit einer Bandstruktur, einer Spiralstruktur oder als gegenläufiger Gasverteiler ausgeführt sein. In einem in der Zeichnungsebene oben angeordneten ersten Bereich 26 erfolgt die Einleitung eines Edukts in das Strömungsfeld 22. Dort strömt es entlang des Strömungskanals 24 und gerät dabei kontinuierlich durch die Gasdiffusionslage 12 zu der jeweiligen Membran 8. Ein verbleibender Teil des Edukts kann aus einem in der Zeichnungsebene unten angeordneten zweiten Bereich 28 das Strömungsfeld 22 verlassen. Zur Gewährleistung der Strömung durch den gesamten Strömungskanal 24 ist ein ausreichender Anfangsdruck an dem ersten Bereich 26 notwendig. Abhängig von den geometrischen Eigenschaften des Strömungskanals 24 und der Entnahme durch die jeweilige Brennstoffzelle 6 ist mit einem bestimmten Strömungswiderstand zu rechnen. Durch diesen sinkt der örtliche Druck des Edukts kontinuierlich von dem ersten Bereich 26 zu dem zweiten Bereich 28 hin. Der Enddruck am Ende des Strömungskanals 24 im zweiten Bereich 28 liegt dann mehr oder weniger deutlich unterhalb des Anfangsdrucks. Aufgrund des prägnanten Druckverlaufs könnte lokal eine übermäßige Kondensation an der Membran 8 eintreten, an denen Druck und Temperatur unterhalb einer Sattdampfkurve liegen. Um dies zu vermeiden, sodass eine freie Eduktströmung zu der Membran möglich ist, müsste bei konstanter Temperatur innerhalb einer Brennstoffzelle jedoch über die flächige Ausdehnung des Strömungsfeldes 22 überall derselbe Druck eingestellt werden. Dies ist aufgrund des Strömungswiderstands nur bei sehr kleinen Brennstoffzellen mit großzügigem Strömungsfeld unter Laborbedingungen denkbar. In FIG. 2, the flow field 22 is shown with an exemplary meandering flow channel 24. Of course, the explanations relating to the gas diffusion layer 12 are also possible for other shapes of the flow channel 24. These could be designed as a comb distributor, with a band structure, a spiral structure or as a counter-rotating gas distributor. An educt is introduced into the flow field 22 in a first area 26 arranged at the top of the plane of the drawing the second region 28 arranged at the bottom of the plane of the drawing leave the flow field 22. To ensure the flow through the entire flow channel 24, a sufficient initial pressure in the first region 26 is necessary. Depending on the geometric properties of the flow channel 24 and the extraction through the respective fuel cell 6, a certain flow resistance is to be expected. As a result of this, the local pressure of the educt drops continuously from the first area 26 to the second area 28. The final pressure at the end of the flow channel 24 in the second region 28 is then more or less clearly below the initial pressure. Due to the concise pressure profile, excessive condensation could occur locally on the membrane 8, where the pressure and temperature are below a saturated steam curve. In order to avoid this, so that a free flow of educts to the membrane is possible, the same pressure would have to be set everywhere at a constant temperature within a fuel cell via the two-dimensional extension of the flow field 22. Due to the flow resistance, this is only conceivable for very small fuel cells with a generous flow field under laboratory conditions.
Erfindungsgemäß ist die Gasdiffusionslage 12 so ausgebildet, dass den Wasserhaushalt und die Permeabilität bestimmende, physikalische Eigenschaften der Gasdiffusionslage in der Flächenerstreckung der jeweiligen Brennstoffzellen nicht konstant, sondern an den Druckverlauf des Strömungsfelds 22 angepasst sind. Sie ändern sich mit dem Druckverlauf entlang des Strömungskanals 24. Dort, wo viel Wasser auskondensieren könnte, ist es von Vorteil, die Hydrophobierung der Gasdiffusionslage 12 besonders hoch einzustellen. Dort, wo wenig oder kein Wasser auskondensieren könnte, wäre eine geringere Hydrophobierung sinnvoll. An Orten mit hohem Druck könnte die Gasdiffusionslage 12 weniger gasdurchlässig, d.h. permeabel, sein, als an Orten mit geringerem Druck. Insgesamt kann dann trotz der Druckunterschiede das Rückhaltevermögen von flüssigem Waser und die Durchlässigkeit von gasförmigen Edukten überall entlang der Gasdiffusionslage 12 annähernd gleich sein. According to the invention, the gas diffusion layer 12 is designed in such a way that the physical properties of the gas diffusion layer that determine the water balance and permeability are not constant in the area of the respective fuel cells, but are adapted to the pressure profile of the flow field 22. They change with the pressure profile along the flow channel 24. Where a lot of water could condense out, it is advantageous to set the hydrophobicity of the gas diffusion layer 12 to be particularly high. In places where little or no water could condense out, a lower level of water repellency would make sense. In locations with high pressure, the gas diffusion layer 12 could be less gas-permeable, i.e. permeable, than in locations with lower pressure. Overall, the retention capacity of liquid water and the permeability of gaseous starting materials can then be approximately the same everywhere along the gas diffusion layer 12, despite the pressure differences.
Ein vereinfachtes Beispiel für eine Gasdiffusionslage 12a wird in Fig. 3 gezeigt. Hier ist die flächige Ausdehnung zu erkennen, durch die Strömungspfade 30 in einer Richtung vertikal zu der Flächenerstreckung liegen. Die Strömungspfade 30 könnten etwa als Perforationsöffnungen sichtbar sein. Die Gasdiffusionslage 12a kann insgesamt eine poröse Oberfläche aufweisen, sodass die Darstellung in Fig. 3 schematisch zu verstehen ist. Alternativ zu dieser poröse Ausführung könnten allerdings auch Gasdiffusionslagen aus einem festen Material verwendet werden, die mit einzelnen Bohrungen 30 versehen sind. A simplified example of a gas diffusion layer 12a is shown in FIG. 3. The areal extent can be seen here, through which flow paths 30 lie in a direction vertical to the areal extent. The flow paths 30 could be visible as perforation openings, for example. The gas diffusion layer 12a can overall have a porous surface, so that the illustration in FIG. 3 is to be understood schematically. As an alternative to this porous design, however, gas diffusion layers made of a solid material, which are provided with individual bores 30, could also be used.
Die Gasdiffusionslage 12a weist in der Zeichnungsebene am oberen Ende eine höhere Dichte an Strömungspfaden 30 auf, was folglich zu einer höheren Porosität bzw. einer höheren Permeabilität führt. Am unteren Ende ist die Dichte an Strömungspfaden 30 deutlich geringer. Zwischen den beiden Enden ändert sich die Permeabilität entweder stetig, d.h. kontinuierlich, oder stufenweise. Folglich kann das untere Ende auf den ersten Bereich 26 des Strömungsfelds 22 gelegt werden. Dieser Bereich der Gasdiffusionslage 12a wird hier Anfangsbereich 27 genannt. Das obere Ende, welches hier einen Endbereich 29 darstellt, sollte indes auf den zweiten Bereich 28 gelegt werden. Die Permeabilität kann weitgehend umgekehrt proportional dem Druck in dem Strömungskanal 24 folgen, sodass sich ein zumindest weitgehend gleichmäßiger Volumenstrom über den gesamten Strömungskanal 24 durch die Gasdiffusionslage 12 zu der Membran 8 einstellt. Der Verlauf kann streifenweise von dem Anfangsbereich 27 zu dem Endbereich 29 verlaufen. In feineren Abstufungen könnte der Verlauf auch mäanderförmig oder zumindest in einer Ebenenrichtung kontinuierlich eingestellt sein. The gas diffusion layer 12a has a higher density of flow paths 30 at the upper end in the plane of the drawing, which consequently results in a higher density Porosity or a higher permeability leads. At the lower end, the density of flow paths 30 is significantly lower. Between the two ends, the permeability changes either steadily, ie continuously, or in stages. As a result, the lower end can be placed on the first region 26 of the flow field 22. This area of the gas diffusion layer 12a is called the starting area 27 here. The upper end, which here represents an end area 29, should, however, be placed on the second area 28. The permeability can largely follow inversely proportional to the pressure in the flow channel 24, so that an at least largely uniform volume flow is established over the entire flow channel 24 through the gas diffusion layer 12 to the membrane 8. The course can run in strips from the starting area 27 to the end area 29. In finer gradations, the course could also be set in a meandering shape or at least continuously in one plane direction.
Die variable Permeabilität könnte auch durch eine sich ändernde Eindringtiefe der in Fig. 1 gezeigten mikroporösen Schicht 18 in die Trägerschicht 16 erreicht werden, wie in Fig. 4 mit einer Gasdiffusionslage 12b angedeutet. Hier ist die Eindringtiefe der mikroporösen Schicht 18 an dem in der Zeichnungsebene oberen Ende größer als an dem unteren Ende. Es ist vorstellbar, dass die Dicke der mikroporösen Schicht mit der Eindringtiefe steigt, sodass die Gasdiffusionslage 12b insgesamt eine konstante Dicke aufweist. Mit höherer Eindringtiefe könnte die Permeabilität verringert werden. Bei der größeren Eindringtiefe ist der Anfangsbereich 27 gebildet. Bei der geringeren Eindringtiefe der Endbereich 29. The variable permeability could also be achieved by a changing depth of penetration of the microporous layer 18 shown in FIG. 1 into the carrier layer 16, as indicated in FIG. 4 with a gas diffusion layer 12b. Here the depth of penetration of the microporous layer 18 is greater at the upper end in the plane of the drawing than at the lower end. It is conceivable that the thickness of the microporous layer increases with the depth of penetration, so that the gas diffusion layer 12b overall has a constant thickness. With a higher penetration depth, the permeability could be reduced. In the case of the greater penetration depth, the starting area 27 is formed. In the case of the lower penetration depth, the end region 29.
Fig. 5 zeigt eine Gasdiffusionslage 12c, in die ein hydrophobierendes Material 32 integriert ist, beispielsweise PTFE. Die Dichte bzw. der Gehalt des hydrophobierenden Materials 32 ändert sich hier entlang der flächigen Ausdehnung. Mit der höheren Dichte bzw. dem höheren Gehalt könnte einem höheren Wassereintrag begegnet werden, sodass die Dichte bzw. der Gehalt des hydrophobierenden Materials 32 weitgehend umgekehrt proportional zu dem Druckverlauf gewählt werden kann. Der Anfangsbereich 27 liegt folglich bei dem geringeren Gehalt des hydrophobierenden Materials, der Endbereich 29 bei dem höheren Gehalt des hydrophobierenden Materials 32. Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend erörterte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise auch eine Herstellung möglich, die bezüglich einer Bahn geometrisch die Faserlage (carbon backbone) und die PTFE-Partikellage (MPL) vereint und in Summe dasselbe Eigenschaftsprofil vorbekannter Gasdiffusionslagen aufweist. Diese Bahn kann zusätzlich mit dem hier beschriebenen Eigenschaftsgradienten versehen werden. Dabei wird eine Gasdiffusionsschicht analog einer Batterie- Kohlenstoff- Anode hergestellt, indem diese mit Lösemittel auf eine Unterlage beschichtet, getrocknet und anschließend von der Unterlage gelöst wird, dann als frei stehende Bahn zusammengepresst wird. Diese Schichten können Fasern enthalten. Hierbei wird nicht ausschließlich PTFE verarbeitet, sondern es können weitere Binderpolymere zum Einsatz kommen, was die Variation des PTFE-Gehaltes und damit die Einstellung der5 shows a gas diffusion layer 12c into which a hydrophobing material 32 is integrated, for example PTFE. The density or the content of the hydrophobic material 32 changes here along the two-dimensional extent. With the higher density or the higher content, a higher water entry could be countered, so that the density or the content of the hydrophobic material 32 can be selected largely inversely proportional to the pressure curve. The starting area 27 is consequently with the lower content of the hydrophobizing material, the end area 29 with the higher content of the hydrophobizing material 32. The invention is not restricted to the exemplary embodiment discussed above. Rather, modifications are also conceivable which are included in the scope of protection of the following claims. In connection with the invention, for example, a production is also possible that geometrically combines the fiber layer (carbon backbone) and the PTFE particle layer (MPL) with respect to a web and, in total, has the same property profile of previously known gas diffusion layers. This path can also be provided with the property gradient described here. A gas diffusion layer is produced in the same way as a battery carbon anode by coating it with solvent on a base, drying it and then detaching it from the base, then pressing it together as a free-standing web. These layers can contain fibers. In this case, not only PTFE is processed, but other binder polymers can be used, which affects the variation in the PTFE content and thus the setting of the
Benetzungseigenschaften wesentlich vereinfacht. Die Herstellung solcher Bahnen mit einem Gradienten ist besonders einfach, da die Mischung zeitlich oder örtlich bei der Herstellung variiert werden kann, beispielsweise der Gradient in Bahnrichtung. Wetting properties significantly simplified. The production of such tracks with a gradient is particularly simple since the mixture can be varied in terms of time or location during production, for example the gradient in the direction of the track.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Gasdiffusionslage (12) für eine Brennstoffzelle (6), wobei die Gasdiffusionslage (12) eine flächige Ausdehnung und eine zu der flächigen Ausdehnung senkrecht gemessene Lagendicke (d) aufweist und wobei die Gasdiffusionslage (12) vorgegebene physikalische Eigenschaften besitzt, die zumindest eine Permeabilität und eine Hydrophobizität umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens eine der physikalischen Eigenschaften von einem Anfangswert in einem Anfangsbereich (27) zu einem Endwert in einem davon beabstandeten Endbereich (29) in zumindest einer Richtung entlang der flächigen Ausdehnung ändert. 1. Gas diffusion layer (12) for a fuel cell (6), wherein the gas diffusion layer (12) has a planar extent and a layer thickness (d) measured perpendicular to the planar extent and wherein the gas diffusion layer (12) has predetermined physical properties which at least one Permeability and hydrophobicity, characterized in that at least one of the physical properties changes from an initial value in an initial region (27) to an end value in an end region (29) spaced therefrom in at least one direction along the two-dimensional extent.
2. Gasdiffusionslage (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionslage (12) eine Trägerschicht (16) aus einem Faservlies aufweist, bei dem sich entlang der flächigen Ausdehnung zumindest eines der Hydrophobizität, Schichtdicke und Faserdichte ändert. 2. Gas diffusion layer (12) according to claim 1, characterized in that the gas diffusion layer (12) has a carrier layer (16) made of a fiber fleece, in which at least one of the hydrophobicity, layer thickness and fiber density changes along the two-dimensional extent.
3. Gasdiffusionslage (12) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein lokaler Gehalt eines hydrophobierenden Materials (32) in oder auf der Trägerschicht (16) entlang der flächigen Ausdehnung ändert. 3. Gas diffusion layer (12) according to claim 2, characterized in that a local content of a hydrophobizing material (32) changes in or on the carrier layer (16) along the two-dimensional extent.
4. Gasdiffusionslage (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionslage (12) eine mikroporöse Schicht (18) aufweist, bei der sich entlang der flächigen Ausdehnung zumindest eines der Hydrophobizität, Schichtdicke und Porosität ändert. 4. Gas diffusion layer (12) according to one of the preceding claims, characterized in that the gas diffusion layer (12) has a microporous layer (18) in which at least one of the hydrophobicity, layer thickness and porosity changes along the two-dimensional extent.
5. Gasdiffusionslage (12) nach Anspruch 2 oder 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mikroporöse Schicht (18) auf der Trägerschicht (16) angeordnet ist und zumindest teilweise in die Trägerschicht (16) eindringt. 5. Gas diffusion layer (12) according to claim 2 or 3 and 4, characterized in that the microporous layer (18) is arranged on the carrier layer (16) and at least partially penetrates into the carrier layer (16).
6. Gasdiffusionslage (12) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mikroporöse Schicht (18) eine sich entlang der flächigen Ausdehnung ändernde Eindringtiefe aufweist. 7. Gasdiffusionslage (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der mindestens einen physikalischen Eigenschaft zumindest in mehreren Stufen erfolgt. 6. Gas diffusion layer (12) according to claim 5, characterized in that the microporous layer (18) has a penetration depth which changes along the two-dimensional extent. 7. Gas diffusion layer (12) according to one of the preceding claims, characterized in that the change in the at least one physical property takes place at least in several stages.
8. Gasdiffusionslage (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der mindestens einen physikalischen Eigenschaft kontinuierlich erfolgt. 8. Gas diffusion layer (12) according to one of the preceding claims, characterized in that the change in the at least one physical property takes place continuously.
9. Brennstoffzelle (6) mit einer Membran, die von zwei Gasdiffusionslagen (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umgeben ist, die in Fluidverbindung mit die Gasdiffusionslagen (12) umgebenden Strömungsfeldern9. Fuel cell (6) with a membrane which is surrounded by two gas diffusion layers (12) according to one of the preceding claims, the flow fields surrounding the gas diffusion layers (12) in fluid communication
(22) stehen. (22) stand.
10. Brennstoffzelle (6) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die mindestens eine der physikalischen Eigenschaften in Abhängigkeit einer Druckänderung jeweils entlang eines Strömungskanals (24) des jeweiligen Strömungsfelds (22) ändert. 10. The fuel cell (6) according to claim 9, characterized in that the at least one of the physical properties changes as a function of a pressure change in each case along a flow channel (24) of the respective flow field (22).
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