Titel:

Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, Brennstoffzelle

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfin dung eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 8.

Stand der Technik

Mit Hilfe einer Brennstoffzelle kann unter Verwendung eines Brennstoffs, bei spielsweise Wasserstoff, und eines Oxidationsmittels, beispielsweise Sauerstoff, chemische in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Brennstoffzelle weist hierzu eine Membran- Elektroden-Anordnung (MEA) mit einer beidseits angeord neten Gasdiffusionslage (GDL) für das jeweilige Reaktionsgas auf. Die Gasdiffu sionslage dient der Versorgung der Membran-Elektroden-Anordnung mit dem je weiligen Reaktionsgas.

An eine Gasdiffusionslage werden mehrere Anforderungen gestellt. Beispiels weise sollte sie in einer in der Ebene liegenden Vorzugsrichtung einen geringen Strömungswiderstand für das jeweilige Reaktionsgas aufweisen. In einer Rich tung senkrecht zur Ebene sollte sie eine hohe elektrische und thermische Leitfä higkeit besitzen, und zwar ohne den Gasstrom einzuschränken. Darüber hinaus sollte sie im Kontaktbereich mit einer außenliegenden Bipolarplatte einen gerin gen Kontaktwiderstand aufweisen.

Bekannt ist, dass der Werkstoff Graphen eine sehr hohe elektrische und thermi sche Leitfähigkeit besitzt. Im Stand der Technik sind daher bereits Gasdiffusions lagen für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen worden, die aus Graphen herge stellt oder mit Graphen beschichtet worden sind. Beispielhaft wird in diesem Zu- sammenhang auf die US 2016/0329586 Al und die US 2018/0145341 Al ver wiesen.

Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorlie genden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelle mit einer weiter verbesserten Gasdiffusionslage anzugeben.

Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren zur Herstellung einer Brennstoff zelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Er findung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, umfas send eine zwischen einer Membran-Elektroden-Anordnung und einer Bipolarplat te angeordnete Gasdiffusionslage, die zumindest teilweise aus Graphen besteht. Erfindungsgemäß wird zur Herstellung der Gasdiffusionslage eine Folie oder ein Film aus Graphen verwendet, die bzw. der vor dem Einbau umgeformt wird.

Durch die vorgeschlagene Verwendung einer „dünnen“ Graphenfolie oder eines „dünnen“ Graphenfilms kann der Strom- und Wärmetransport durch die Gasdiffu sionslage mit einer vergleichsweise geringen Querschnittsfläche realisiert wer den. Entsprechend gering ist demzufolge auch der Strömungswiderstand für das der Membran-Elektroden-Anordnung zuzuführende Reaktionsgas.

Durch Umformen der Folie bzw. des Films aus Graphen ändert sich die Orientie rung der Graphenplättchen in Bezug auf die angrenzenden Schichten bzw. La gen. Auf diese Weise kann die elektrische und thermische Leitfähigkeit nochmals gesteigert werden. Denn diese ist in lateraler Richtung - bezogen auf die enthal tenen Graphenplättchen - am höchsten. Durch den Umformprozess wird somit eine hoch leitfähige Verbindung zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung und der Bipolarplatte erreicht. Zugleich wird der Strömungswiderstand in einer Achsenrichtung der Gasdiffusionslage minimiert. Durch Umformen der Folie bzw. des Films aus Graphen kann zudem die Form steifigkeit der Gasdiffusionslage erhöht werden.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass eine Folie oder ein Film aus Graphen verwendet wird, bei welcher der Graphen in einer ersten lateralen Achsenrichtung senkrecht zur Folien- oder Filmebene und in einer zweiten latera len Achsenrichtung senkrecht zu Folien- oder Filmkanten orientiert ist. Im Unter schied zu einem Film oder einer Folie, in welcher das Graphen bzw. die Gra phenplättchen in der Film- oder Folienebene ausgerichtet ist bzw. sind, werden durch die vorgeschlagene Maßnahme eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine ho he elektrische Leitfähigkeit sowohl in der Folien- oder Filmebene, als auch senk recht hierzu erreicht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Folie oder der Film aus Graphen durch einen Präge- oder Prägewalzvorgang umgeformt. Die Umformung kann somit einfach und vergleichsweise kostengünstig realisiert werden.

Bevorzugt wird die Folie oder der Film aus Graphen beim Umformen mehrfach gefaltet, so dass eine Rippenstruktur ausgebildet wird, die Grate und/oder Stege als Kontaktfläche zur Membran- Elektroden-Anordnung und/oder zur Bipolarplatte aufweist. Eine derartige Rippenstruktur weist eine hohe Formsteifigkeit auf und erhöht somit die mechanische Stabilität der Gasdiffusionslage.

Die vorgeschlagene Rippenstruktur weist vorzugsweise winklig, insbesondere spitzwinklig, zueinander angeordnete Folien- oder Filmabschnitte auf, die Grate ausbilden. Alternativ oder ergänzend kann die vorgeschlagene Rippenstruktur Stege ausbilden, die parallel zueinander verlaufende Folien- oder Filmabschnitte aufweisen. Es können auch Mischformen realisiert werden, bei denen die Rip penwände weder parallel verlaufen, noch spitz zulaufen. Ferner können ver schiedene Rippenstrukturen kombiniert werden. Zudem können die einzelnen Rippenwände ebenfalls mindestens eine Falte, einen Knick oder eine Welle auf weisen.

Vorteilhafterweise wird die Folie oder der Film vor dem Umformen zumindest be reichsweise perforiert und/oder geschlitzt. Das heißt, dass Öffnungen, beispiels- weise in Form von Löchern und/oder Schlitzen, in die Folie bzw. in den Film ein gebracht werden. Da Folien und Filme aus Graphen in der Regel eine geringe Porosität aufweisen (Porosität unter 10 %), kann mit Hilfe der Öffnungen das Feuchtemanagement verbessert werden. Die Form, die Größe, die Anzahl und die Anordnung der Öffnungen sind demzufolge den Erfordernissen des Feuch temanagements anzupassen. Die Form, die Größe, die Anzahl und die Anord nung der Öffnungen kann demzufolge in alle räumlichen Richtungen über die Gasdiffusionslage hinweg variieren. Grundsätzlich kann die Form der Öffnungen beliebig gewählt werden. Ferner können die Öffnungen regelmäßig oder unre gelmäßig angeordnet werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Öffnungen derart angeordnet, dass nach dem Umformen der Folie bzw. des Films die Öff nungen mindestens einen Strömungskanal durch die Gasdiffusionslage und/oder in der Ebene der Gasdiffusionslage ausbilden. Auf diese Weise wird eine gleich mäßige Gasverteilung gefördert.

Die vorgeschlagenen Öffnungen können beispielsweise durch Stanzen, Schnei den und/oder Lasern, insbesondere Laserschneiden, in der Folie bzw. in dem Film erzeugt werden. Alternativ können die Öffnungen bereits während der Foli en- oder Filmherstellung eingebracht werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Folie oder der Film vor dem Umformen beschichtet. Mit Hilfe der Beschichtung kann die mechanische Stabilität der Gasdiffusionslage erhöht werden. Ferner kann mit Hilfe der Beschichtung - je nach Beschichtungswerkstoff - der Gasdiffusionslage eine bestimmte Eigenschaft oder Funktion aufgeprägt werden. Beispielsweise kann durch Einbringen bestimmter Oberflächengruppen, beispielsweise hydro philer oder hydrophober Oberflächengruppen, Einfluss auf das Feuchtemanage ment genommen werden.

Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass durch den Umformprozess ausgebildete Zwischenräume der Folie oder des Films mit einem anderen Werk stoff ausgefüllt, vorzugsweise offenporig ausgeschäumt, werden. Diese Maß nahme trägt ebenfalls zur mechanischen Stabilisierung bei, wobei - insbesonde re durch das offenporige Ausschäumen der Zwischenräume - weiterhin ein ge- ringer Strömungswiderstand gewährleistet ist. Bei dem zum Ausfüllen der Zwi schenräume verwendeten Werkstoff kann es daher insbesondere um einen grob- und offenporigen Polymerschaum handeln.

Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird darüber hinaus eine Brenn stoffzelle vorgeschlagen, die eine zwischen einer Membran- Elektroden- Anordnung und einer Bipolarplatte angeordnete Gasdiffusionslage umfasst, die zumindest teilweise aus Graphen besteht. Erfindungsgemäß weist die Gasdiffu sionslage eine Rippenstruktur auf, die aus einer Folie oder einem Film aus Gra phen hergestellt ist.

Die vorgeschlagene Brennstoffzelle weist somit eine Gasdiffusionslage auf, die aus einer „dünnen“ Folie bzw. aus einem „dünnen“ Film hergestellt ist und dem zufolge einen geringen Strömungswiderstand besitzt. Zugleich weist die Gasdif fusionslage über die Rippenstruktur eine ausreichende Formsteifigkeit und damit mechanische Festigkeit auf. Über die Rippenstruktur werden zudem die hohe Wärmeleitfähigkeit und die hohe elektrische Leitfähigkeit der Folie bzw. des Films aus Graphen optimal genutzt, da diese - aufgrund der Ausrichtung des Graphens bzw. der Graphenplättchen innerhalb der Folie bzw. des Films - in der Folien oder Filmebene am größten ist. Durch die Rippenstruktur werden somit die elekt rische und thermische Leitfähigkeit zwischen der Bipolarplatte und der Membran- Elektroden-Anordnung weiter verbessert.

Bevorzugt weist die Rippenstruktur Grate und/oder Stege als Kontaktfläche zur Membran-Elektroden-Anordnung und/oder zur Bipolarplatte auf. Eine Grate aus bildende Rippenstruktur weist vorzugsweise winklig, insbesondere spitzwinklig, zueinander angeordnete Folien- oder Filmabschnitte auf, die zumindest im Be reich der Grate spitz zulaufen. Eine Stege ausbildende Rippenstruktur weist vor zugsweise parallel zueinander verlaufende Folien- oder Filmabschnitte auf. Es können auch Mischformen realisiert werden, bei denen die Rippenwände weder parallel verlaufen, noch spitz zulaufen. Ferner können verschiedene Rippenstruk turen kombiniert werden. Zudem können die einzelnen Rippenwände ebenfalls mindestens eine Falte, einen Knick oder eine Welle aufweisen.

Die vorgeschlagenen Rippenstrukturen führen zu einer Orientierung der Folie oder des Films aus Graphen in Bezug auf die angrenzenden Schichten und/oder Lagen, bei der die hohe Wärmeleitfähigkeit und hohe elektrische Leitfähigkeit in Folien- bzw. Filmebene optimal genutzt wird. Denn in lateraler Richtung bzw. in der Folien- oder Filmebene ist die elektrische und thermische Leitfähigkeit der Folie bzw. des Films besonders hoch.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Folie oder der Film zumindest bereichsweise perforiert und/oder geschlitzt. Das heißt, dass die Rip penstruktur Öffnungen, insbesondere in Form von Löchern und/oder Schlitzen, aufweist, über die das Feuchtemanagement verbessert werden kann. Die Form, die Größe, die Anzahl und die Anordnung der Öffnungen richten sich daher nach den Erfordernissen des Feuchtemanagements.

Die Form der Öffnungen ist grundsätzlich beliebig. Ferner können die Öffnungen regelmäßig oder unregelmäßig angeordnet sein. Mehrere hintereinander oder nebeneinander angeordnete Öffnungen können zudem Strömungskanäle durch die Gasdiffusionslage (von der Membran- Elektroden-Anordnung her) und/oder in der Ebene der Gasdiffusionslage bzw. senkrecht zu den Rippenstrukturen aus bilden. Auf diese Weise kann eine gleichmäßige Verteilung des jeweiligen Reak tionsgases erzielt werden.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Folie oder der Film zumindest be reichsweise beschichtet ist. Mit Hilfe der Beschichtung kann die mechanische Stabilität erhöht werden. Ferner kann durch Einbringen von beispielsweise hyd rophilen oder hydrophoben Oberflächengruppen das Feuchtemanagement posi tiv beeinflusst werden.

Zur weiteren Stabilisierung der Gasdiffusionslage wird vorgeschlagen, dass durch die Rippenstruktur ausgebildete Zwischenräume mit einem anderen Werk stoff ausgefüllt, vorzugsweise offenporig ausgeschäumt, sind. Bei Verwendung eines Schaums, beispielsweise eines Polymerschaums, insbesondere eines of fenporigen Polymerschaums, ist der Strömungswiderstand weiterhin gering, so dass die Gasversorgung der Membran- Elektroden-Anordnung sichergestellt bleibt.

Die vorgeschlagene Brennstoffzelle kann insbesondere nach einem der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden sein. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine erste erfindungsgemäße Brennstoffzelle im Bereich der Gasdiffusionslage,

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch eine zweite erfindungsgemäße Brennstoffzelle im Bereich der Gasdiffusionslage,

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch eine dritte erfindungsgemäße Brennstoffzelle im Bereich der Gasdiffusionslage,

Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch eine vierte erfindungsgemäße Brennstoffzelle im Bereich der Gasdiffusionslage,

Fig. 5 einen schematischen Querschnitt durch eine fünfte erfindungsgemäße Brennstoffzelle im Bereich der Gasdiffusionslage,

Fig. 6 einen schematischen Querschnitt durch eine sechste erfindungsgemäße Brennstoffzelle im Bereich der Gasdiffusionslage,

Fig. 7 einen schematischen Querschnitt durch eine siebte erfindungsgemäße Brennstoffzelle im Bereich der Gasdiffusionslage,

Fig. 8 einen schematischen Querschnitt durch eine achte erfindungsgemäße Brennstoffzelle im Bereich der Gasdiffusionslage und

Fig. 9 einen schematischen Querschnitt durch eine neunte erfindungsgemäße Brennstoffzelle im Bereich der Gasdiffusionslage.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Der Fig. 1 ist ein Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 1 zu ent nehmen, wobei der Ausschnitt den Bereich einer Gasdiffusionslage 4 nebst Nachbarschichten bzw. -lagen zeigt. Im Bild unten grenzt eine Membran- Elektroden-Anordnung 2 an die Gasdiffusionslage 4 an. Im Bild oben liegt eine Bipolarplatte 3 an der Gasdiffusionslage 4 an. Die Gasdiffusionslage 4 ist aus ei nem Film 5 aus dem Graphen hergestellt, wobei der Film 5 zur Ausbildung einer Rippenstruktur 6 mehrfach gefaltet ist. Die Rippenstruktur 6 liegt somit jeweils über Grate 7 an der Membran- Elektroden-Anordnung 2 einerseits und an der Bi polarplatte 3 andererseits an. Dies führt zu einer annähernd senkrechten Aus richtung der im Film 5 enthaltenen Graphenplättchen sowohl in Bezug auf die Membran-Elektroden-Anordnung 2 als auch in Bezug auf die Bipolarplatte 3. Da die elektrische und thermische Leitfähigkeit in lateraler Richtung - bezogen auf die Graphenplättchen - höher als in einer Richtung quer hierzu ist, kann auf die se Weise die Leitfähigkeit der Gasdiffusionsschicht 4 optimiert werden. Zugleich bildet die Rippenstruktur 6 Zwischenräume 9 aus, die zur Gasversorgung und Gasverteilung genutzt werden können.

Um den Kontaktbereich der Gasdiffusionslage 4 mit der Membran-Elektroden- Anordnung 2 und der Bipolarplatte 3 zu vergrößern, kann die Rippenstruktur 6 kompakter gestaltet werden. Diese Ausführungsform ist in der Fig. 2 dargestellt. Die Grate 7 werden durch spitz zu laufende Filmabschnitte gebildet, die annä hernd senkrecht zur Membran-Elektroden-Anordnung 2 und zur Bipolarplatte 3 verlaufen.

Eine weitere Vergrößerung erfährt der Kontaktbereich, wenn - wie beispielhaft in der Fig. 3 dargestellt - die Rippenstruktur 6 keine Grate 7, sondern Stege 8 aus bildet. Die Stege 8 können eben ausgeführt sein oder ebenfalls gefaltet sein, so dass kleine Grate 7 ausgebildet werden. Diese Ausführungsform ist in der Fig. 4 dargestellt.

Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität kann der Film 5 auch eine Beschich tung 11 aufweisen. Die Beschichtung 11 ist vorzugsweise vor dem Falten des Films 5 auf diesen aufgebracht worden. Ein beschichteter Film 5 ist beispielhaft in der Fig. 5 gezeigt. Anstelle der Stege 8 kann die Rippenstruktur 6 auch Gra te 7 aufweisen.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der in den Zwischenräumen 9 der Rippenstruktur 6 ein weiterer Werkstoff 10 angeordnet ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen offenporigen Polymerschaum handeln, dessen Porosität einen geringen Strömungswiderstand gewährleistet. Auch hier kann die Rippen struktur 6 Grate 7 anstellen von Stegen 8 aufweisen.

In den Figuren 7 und 8 sind Rippenstrukturen 6 mit Öffnungen 13 dargestellt. In der Fig. 7 sind die Öffnungen derart angeordnet, dass sie in der Ebene der Gas diffusionslage 4 verlaufende Strömungskanäle ausbilden. In der Fig. 8 sind die Öffnungen 13 im Bereich der Stege 8 angeordnet. Beide Ausführungsformen können auch kombiniert werden. Eine weitere Rippenstruktur 6 ist in der Fig. 9 dargestellt. Hier sind die Stege 8 im

Kontaktbereich mit der Membran- Elektroden-Anordnung 2 und der Bipolarplatte 3 jeweils eben ausgeführt und die zwischenliegenden Filmabschnitte bilden Wel len 12 aus. Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, die lediglich beispielhaft gewählt worden sind. Zudem sind die Merkmale der darge stellten Ausführungsformen untereinander austauschbar und/oder kombinierbar.