Titel

Gasdiffusionslage, Brennstoffzelle mit Gasdiffusionslage sowie

Brennstoffzellenstack mit Brennstoffzelle

Stand der Technik

Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, wobei diese zwei

Elektroden, welche mittels eines ionenleitenden Elektrolyten voneinander separiert sind, beschreibt. Die Brennstoffzelle wandelt die Energie einer chemischen Reaktion eines Brennstoffes mit Sauerstoff direkt in Elektrizität um. Es existieren verschiedene Typen von Brennstoffzellen.

Ein Brennstoffzellentyp ist die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM- FC). In einer PEM-FC sind neben einer Polymerelektrolytmembran (PEM), Katalysatorschichten und Gasdiffusionslagen (GDL) auch sogenannte

Bipolarplatten (BP) vorgesehen. Eine Polymerelektrolytmembran, zwei

Katalysatorschichten und zwei Gasdiffusionslagen bilden eine sogenannte Membranelektrodeneinheit (MEA). Die Gasdiffusionslage, zwischen der Anodenseite einer Bipolarplatte und einer Polymerelektrolytmembran, dient der feinen Verteilung und Zuführung eines Brennstoffes zu der

Polymerelektrolytmembran. Die Gasdiffusionslage zwischen der Kathodenseite einer benachbarten Bipolarplatte und der Polymerelektrolytmembran dient der feinen Verteilung und Zuführung von Luft/Sauerstoff zu der

Polymerelektrolytmembran. Brennstoffzellen bzw. Brennstoffzellenstapel sind aus abwechselnd übereinander angeordneten MEA und Bipolarplatten aufgebaut. Die elektrisch leitenden Bipolarplatten dienen dazu, den elektrischen Strom als Elektroden zu leiten und Brennstoff und Luft/Sauerstoff durch entsprechend angeordnete Kanäle zu führen. Weiter erfüllen die Bipolarplatten die Aufgabe der groben Versorgung der Elektroden mit Brennstoff und Lufl/Sauerstoff. Außerdem können die Bipolarplatten weitere Verteilerstrukturen zum Führen von Kühlfluid umfassen. Diese Verteilerstrukturen sind als Kanäle ausgebildet, wodurch das Kühlfluid leitbar ist und eine Kühlung des

Brennstoffzellenstapels erfolgt. Auf der Anodenseite einer Bipolarplatte findet die grobe Verteilung des Brennstoffes und auf der Kathodenseite der Bipolarplatte die grobe Verteilung von Luft/Sauerstoff statt.

Wird der Brennstoff auf Anodenseite einer Bipolarplatte von einem

Anodeneingang durch die Kanäle der Bipolarplatte zu einem Anodenausgang geführt, so nimmt der Druck des Brennstoffes entlang der Kanäle vom

Anodeneingang zum Anodenausgang ab. Aufgrund des abnehmenden Druckes und des Verbrauches des Brennstoffes sinkt auch die Konzentration des Brennstoffes entlang der Kanäle vom Anodeneingang zum Anodenausgang der Anodenseite der Brennstoffzelle. Der entlang der Kanäle abnehmende Druck hat zur Folge, dass eine Gasdiffusionsschicht zwischen der Anodenseite der Bipolarplatte und einer Membranseite einer Membran im aktiven Bereich einer Brennstoffzelle ungleichmäßig mit Brennstoff versorgt wird. Dasselbe gilt folglich analog für Luft/Sauerstoff auf einer Kathodenseite einer Bipolarplatte.

Die ungleichmäßige Versorgung einer Gasdiffusionsschicht, welche sich zwischen der Anodenseite der Bipolarplatte und einer Membranseite einer Membran befindet, mit einem Brennstoff und die ungleichmäßige Versorgung einer Gasdiffusionsschicht, welche sich zwischen der Kathodenseite einer benachbarten Bipolarplatte und der anderen Seite der Membran befindet, mit Lufl/Sauerstoff führt zu einem ungleichmäßigen Brennstoffzellenbetrieb der Brennstoffzelle. Beispielsweise ist in Bereichen mit einer geringeren Versorgung auch die Stromdichte der Brennstoffzelle niedriger. In Bereichen mit einer geringeren Stromdichte kann wiederum die Feuchtigkeit einer Membran im Vergleich zu Bereichen mit einer höheren Stromdichte nicht ausreichend sein, sodass die Membran zerstört werden kann.

Ferner hat ein abnehmender Druck eines Gases, beispielsweise des

Brennstoffes, entlang der Kanäle vom Eingang zum Ausgang einer Bipolarplatte den Nachteil, dass der Druck an der Membran der Brennstoffzelle ungleichmäßig ist. Dies kann zu Schäden der Membran führen. Die EP 2 475 036 Bl zeigt eine Membranelektrodenanordnung mit

Gasdiffusionsschichten, die aus einer porösen Komponente aufgebaut sind. Die DE 197 37 390 Al offenbart eine anisotropische Gasdiffusionsschicht.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung zeigt eine Gasdiffusionslage gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Brennstoffzelle gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie ein Brennstoffzellenstack gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10.

Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den

Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstack und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Gemäß einem ersten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung eine

Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle, wobei die Gasdiffusionslage einen Grundkörper aus einem fluiddurchlässigen, offenporigen Material aufweist. Der Grundkörper umfasst ferner eine Membrankontaktierungsfläche, die einer ersten Seite einer Membran der Brennstoffzelle zuwendbar ist, und eine von der Membrankontaktierungsfläche beabstandete Bipolarplattenkontaktierungsfläche, die einer ersten Seite einer Bipolarplatte der Brennstoffzelle zuwendbar ist. Weiter weist der Grundkörper eine erste Seitenfläche zwischen der

Membrankontaktierungsfläche und der Bipolarplattenkontaktierungsfläche, und eine von der ersten Seitenfläche beabstandete zweite Seitenfläche zwischen der Membrankontaktierungsfläche und der Bipolarplattenkontaktierungsfläche auf. Der Grundkörper weist außerdem entlang einer Richtung von der

Bipolarplattenkontaktierungsfläche hin zur Membrankontaktierungsfläche einen Gasdiffusionslagenströmungswiderstand aufweist, wobei der

Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers ausgehend von der ersten Seitenfläche entlang einer Abnahmerichtung hin zur zweiten Seitenfläche abnimmt.

Als fluiddurchlässiges, offenporiges Material im Sinne der Erfindung kann dabei ein Material verstanden werden, welches Poren aufweist, wobei die Poren einen freien Transportweg für ein Gas bereitstellen. Das bedeutet, dass ein Gas, wie Wasserstoff oder Luft/Sauerstoff, durch einen Grundkörper aus diesem Material strömen kann. Vorteilhafterweise weist das Material Transportwege für das Gas entlang einer Richtung von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche hin zur Membrankontaktierungsfläche auf. Weiter kann das Material Wasser, insbesondere an der Katalysatorschicht gebildetes Wasser, abtransportieren. Als offenporiges Material kann auch ein Material mit einer hohen offenen Porosität verstanden werden.

Als Gasdiffusionslagenströmungswiderstand ist der Widerstand zu verstehen, den ein Gas, wie Wasserstoff oder Luft/Sauerstoff, beim Durchströmen des Grundkörpers entlang einer Richtung, insbesondere einer im Wesentlichen direkten Richtung, von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche hin zur

Membrankontaktierungsfläche erfährt. Hier ist nicht ein spezifischer

Strömungswiderstand des Materials gemeint, sondern der gesamte

Strömungswiderstand, der sich für ein Gas ausgehend von der

Bipolarplattenkontaktierungsfläche bis zur Membrankontaktierungsfläche ergibt. Ferner kann der Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers ausgehend von der ersten Seitenfläche entlang einer Abnahmerichtung hin bis zur zweiten Seitenfläche kontinuierlich, insbesondere gleichmäßig, abnehmen.

Strömt Brennstoff auf Anodenseite einer Bipolarplatte von einem Anodeneingang der Bipolarplatte durch die Kanäle zu einem Anodenausgang der Bipolarplatte, so nimmt der Druck des Brennstoffes entlang der Kanäle vom Anodeneingang zum Anodenausgang ab. Diese Brennstoffströmung kann dabei eine bevorzugte Strömungsrichtung über die aktive Fläche der Brennstoffzelle aufweisen, welche als Anodenplattenströmungsrichtung verstanden werden kann. Die

Strömungsstruktur auf Anodenseite und Kathodenseite einer Bipolarplatte kann die Strömungsrichtung auf Anodenseite bzw. Kathodenseite der Bipolarplatte bestimmen. Eine mögliche Strömungsstruktur auf Anodenseite einer Bipolarplatte kann die parallele Struktur sein, bei welcher die Kanäle im aktiven Bereich parallel beabstandet voneinander liegen. Der Druck des Brennstoffes ist am Anodeneingang höher als am Anodenausgang. Dasselbe gilt auch für

Luft/Sauerstoff auf der Kathodenseite einer Bipolarplatte. Eine Luft- /Sauerstoffströmung kann dabei eine bevorzugte Strömungsrichtung über die aktive Fläche der Brennstoffzelle aufweisen, welche als

Kathodenplattenströmungsrichtung verstanden werden kann. Vorteilhafterweise kann nun mit einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage der Druck eines Gases, insbesondere an der Membran einer Brennstoffzelle, vergleichmäßigt werden. Dies kann erreicht werden, indem beispielsweise eine

erfindungsgemäße Gasdiffusionslage mit ihrer Bipolarplattenkontaktierungsfläche derart an eine Seite einer Bipolarplatte und mit ihrer

Membrankontaktierungsfläche derart an eine Seite einer Membran der

Brennstoffzelle angeordnet wird, dass die bevorzugte Strömungsrichtung des Gases in der Bipolarplatte über die aktive Fläche der Brennstoffzelle und die Abnahmerichtung des Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des

Grundkörpers der Gasdiffusionslage gleich gerichtet sind, insbesondere im Wesentlichen gleich gerichtet sind. Zwischen einer Gasdiffusionslage und einer Membran können noch weitere Schichten, wie eine Katalysatorschicht, angeordnet sein. Eine Abnahme des Gasdiffusionslagenströmungswiderstandes entlang der Abnahmerichtung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Dicke einer Gasdiffusionslage, welche eine geregelte Porosität und

Porengröße über den gesamten Grundkörper aufweisen kann, in

Abnahmerichtung abnimmt. Als Dicke kann dabei der Abstand zwischen der Bipolarplattenkontaktierungsfläche und der Membrankontaktierungsfläche verstanden werden. Durch die abnehmende Dicke der Gasdiffusionslage wird der Gasdiffusionslagenströmungswiderstandes den ein Gas, wie Wasserstoff oder Luft/Sauerstoff, beim Durchströmen des Grundkörpers entlang einer Richtung, von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche hin zur Membrankontaktierungsfläche erfährt, geringer. Strömt nun ein Gas von einem Bipolarplatteneingang über die Strömungskanäle hin zum Bipolarplattenausgang, so hat das Gas am

Bipolarplatteneingang einen größeren Gasdiffusionslagenströmungswiderstand als am Bipolarplattenausgang zu überwinden. Eine erfindungsgemäße

Gasdiffusionslage kann daher eine Vergleichmäßigung des Druckes eines Gases in der Gasdiffusionslage, insbesondere des Druckes eines Gases an der Membrankontaktierungsfläche und daher auch an einer an der Membrankontaktierungsfläche angeordneten Membran, bewirken. Die

Gasdiffusionslage kann dabei indirekt an die Membran angeordnet sein, d. h., dass sich zwischen der Gasdiffusionslage und der Membran noch eine

Katalysatorschicht befindet. Vorteilhafterweise können somit auch Schäden an einer Membran einer Brennstoffzelle aufgrund eines ungleichmäßigen Druckes verhindert werden. Weiter kann die Konzentration der Reaktandengase, bspw. von Wasserstoff oder Sauerstoff, insbesondere an der Membran, über die aktive Fläche einer Brennstoffzelle vergleichmäßigt werden. Damit kann eine homogene Stromdichte über die aktive Fläche einer Brennstoffzelle bewirkt werden. Außerdem können eine Leistungssteigerung der Brennstoffzelle und eine homogene Befeuchtung der Membran erreicht werden.

Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage ein Querschnitt durch die erste Seitenfläche des Grundkörpers oder ein

Querschnitt durch die zweite Seitenfläche des Grundkörpers ein Viereck aufzeigt. Die erste Kante des Vierecks kann durch die Schnittkante der ersten

Seitenfläche, die zweite Kante des Vierecks kann durch die Schnittkante der Membrankontaktierungsfläche, die dritte Kante des Vierecks kann durch die Schnittkante der zweiten Seitenfläche und die vierte Kante des Vierecks kann durch die Schnittkante der Bipolarplattenkontaktierungsfläche gebildet werden. Vorteilhafterweise ist ein erstes Ende der ersten Kante in direktem Kontakt mit einem ersten Ende der zweiten Kante als auch mit einem ersten Ende der vierten Kante und ein erstes Ende der dritten Kante ist in direktem Kontakt mit dem zweiten Ende der zweiten Kante als auch mit dem zweiten Ende der vierten Kante, wobei diese vier Kanten das Viereck bilden können.

Eine Kante ist dabei als eine im Wesentlichen gerade Linie zu verstehen. Eine Kante kann auch als Linie mit Unregelmäßigkeiten und/oder Unterbrechungen verstanden werden. Diese Unregelmäßigkeiten können aufgrund des

fluiddurchlässigen, offenporigen Materials des Grundkörpers auftreten.

Vorteilhafterweise kann bei einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage ein Querschnitt durch die erste Seitenfläche des Grundkörpers oder ein Querschnitt durch die zweite Seitenfläche des Grundkörpers ein Trapez aufzeigen, wobei insbesondere ein Membrankontaktierungsflächenschenkel des Trapezes des geschnittenen Grundkörpers und ein

Bipolarplattenkontaktierungsflächenschenkel des Trapezes des geschnittenen Grundkörpers geneigt zueinander verlaufen. Die erste Kante des Trapezes kann durch die Schnittkante der ersten Seitenfläche, die zweite Kante des Trapezes kann durch die Schnittkante der Membrankontaktierungsfläche, die dritte Kante des Trapezes durch die Schnittkante der zweiten Seitenfläche und die vierte Kante des Trapezes durch die Schnittkante der

Bipolarplattenkontaktierungsfläche gebildet werden. Vorteilhafterweise ist ein erstes Ende der ersten Kante in direktem Kontakt mit einem ersten Ende der zweiten Kante als auch mit einem ersten Ende der vierten Kante und ein erstes Ende der dritten Kante ist in direktem Kontakt mit dem zweiten Ende der zweiten Kante als auch mit dem zweiten Ende der vierten Kante, wobei diese vier Kanten das Trapez bilden können. Die Schnittkante der Membrankontaktierungsfläche kann dabei als Membrankontaktierungsflächenschenkel und die Schnittkante der Bipolarplattenkontaktierungsfläche als

Bipolarplattenkontaktierungsflächenschenkel verstanden werden. Der

Membrankontaktierungsflächenschenkel und der

Bipolarplattenkontaktierungsflächenschenkel können dabei in Abnahmerichtung geneigt zueinander zulaufen. Damit ist gemeint, dass diese einen spitzen Winkel, insbesondere mit einem virtuellen Scheitelpunkt außerhalb der

Gasdiffusionslage, bilden. Eine solche Gasdiffusionslage kann einer Keilform gleichen. Mit einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage, wobei ein Querschnitt durch die erste Seitenfläche des Grundkörpers oder ein Querschnitt durch die zweite Seitenfläche des Grundkörpers ein Trapez aufzeigt, kann auf besonders einfache und vorteilhafte Weise eine Abnahme des

Gasdiffusionslagenströmungswiderstandes entlang der Abnahmerichtung erreicht werden. Dies kann dadurch geschafft werden, dass die Dicke, d. h. der Abstand zwischen der Bipolarplattenkontaktierungsfläche und der

Membrankontaktierungsfläche einer Gasdiffusionslage in Abnahmerichtung abnimmt. Die Gasdiffusionslage kann dabei insbesondere eine geregelte

Porosität und Porengröße über den gesamten Grundkörper aufweisen.

Mit besonderem Vorteil kann bei einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage ein Querschnitt durch die erste Seitenfläche des Grundkörpers oder ein Querschnitt durch die zweite Seitenfläche des Grundkörpers eine Stufenform aufzeigen, wobei die Stufenform Stufen mit gleicher und/oder unterschiedlicher Stufenhöhe aufweist, wobei entlang der Abnahmerichtung von der ersten Seitenfläche zur zweiten Seitenfläche die Stufenhöhe benachbarter Stufen abnimmt. Als

Stufenhöhe einer Stufe kann der Abstand zwischen der

Bipolarplattenkontaktierungsfläche und der Membrankontaktierungsfläche verstanden werden. Es kann auch die Länge der Stufen gleich und/oder unterschiedlich sein. Die Schnittkante der Membrankontaktierungsfläche kann im Wesentlichen gerade sein, wobei die Schnittkante der

Bipolarplattenkontaktierungsfläche stufenförmig sein kann. Das bedeutet, dass die Membrankontaktierungsfläche der Gasdiffusionslage die Membran mit einer im Wesentlichen ebenen Fläche kontaktieren kann. Eine Bipolarplatte ist aber vorteilhafterweise derart ausgebildet, insbesondere ebenfalls stufenförmig, dass diese die Bipolarplattenkontaktierungsfläche der Gasdiffusionslage im

Wesentlichen flächig kontaktiert. Die Bipolarplattenkontaktierungsfläche, die als Trittfläche einer Stufe gesehen werden kann, kann im Wesentlichen parallel, insbesondere parallel, zur Membrankontaktierungsfläche liegen. Besonders vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist, dass ein Grundkörper, dessen

Querschnitt eine Stufenform aufzeigt, besonders einfach und kostengünstig durch Stapeln einzelner quaderförmigen Gasdiffusionslagen hergestellt werden kann. Eine Gasdiffusionslage mit Stufenform kann eine einfache und vorteilhafte Möglichkeit gegeben sein, mit der eine Abnahme des

Gasdiffusionslagenströmungswiderstandes entlang der Abnahmerichtung bewirkt wird.

In den bereits erwähnten Ausführungsformen, in welchen ein Querschnitt durch die erste Seitenfläche des Grundkörpers oder ein Querschnitt durch die zweite Seitenfläche des Grundkörpers ein Trapez beziehungsweise eine Stufenform aufzeigt, kann der Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers entlang einer Abnahmerichtung aufgrund der geringer werdenden Dicke der Gasdiffusionslage abnehmen. Dies gilt insbesondere auch für einen

Grundkörper, der über sein gesamtes Volumen eine im Wesentlichen geregelte Porosität und Porengröße aufweist. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage kann die Porengröße der Poren des Grundkörpers ausgehend von der ersten Seitenfläche entlang einer Abnahmerichtung hin zur zweiten Seitenfläche zunehmen. Durch die Zunahme der Porengröße entlang der Abnahmerichtung kann der Gasdiffusionslagenströmungswiderstand besonders vorteilhaft entlang der Abnahmerichtung verringert werden. Durch die Zunahme der Porengröße entlang der Abnahmerichtung kann Gas, wie Wasserstoff oder Lufl/Sauerstoff, einen Grundkörper, insbesondere in einer Richtung von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche hin zur Membrankontaktierungsfläche, immer einfacher durchströmen. Weiter kann die Porengröße der Poren entlang der Abnahmerichtung kontinuierlich größer werden. Die Porengröße der Poren kann entlang der Abnahmerichtung in gleichen und/oder unterschiedlichen Abständen ausgehend von der ersten Seitenfläche entlang einer Abnahmerichtung hin zur zweiten Seitenfläche größer werden. Die Porengröße der Poren kann in einer Richtung von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche hin zur

Membrankontaktierungsfläche im Wesentlichen gleich sein. Besonders vorteilhaft kann eine erfindungsgemäße quaderförmige, plattenförmige Gasdiffusionslage sein, wobei die Porengröße der Poren des Grundkörpers der Gasdiffusionslage ausgehend von der ersten Seitenfläche entlang einer Abnahmerichtung hin zur zweiten Seitenfläche zunimmt.

Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage der Grundkörper aus wenigstens zwei Lagen fluiddurchlässigen, offenporigen Materials gebildet ist. Die Lagen können dabei aus gleichem und/oder unterschiedlichem fluiddurchlässigen, offenporigen Material bestehen.

Vorteilhafterweise können die Lagen schichtförmig zu dem Grundkörper angeordnet werden. Weiter können mehrere Lagen unterschiedlicher Länge zu einem Grundkörper, wobei ein Querschnitt durch die erste Seitenfläche des Grundkörpers oder ein Querschnitt durch die zweite Seitenfläche des

Grundkörpers beispielsweise ein Trapez oder eine Stufenform aufzeigt, angeordnet werden. Als Länge kann das Längenmaß der Lage in

Abnahmerichtung gemeint sein. Mit einem Grundkörper aus wenigstens zwei Lagen fluiddurchlässigen, offenporigen Materials kann folglich auf besonders einfach Weise eine Vergleichmäßigung des Druckes eines Gases in der Gasdiffusionslage, insbesondere des Druckes eines Gases an der Membran, bewirkt werden.

Vorteilhafterweise kann bei einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage der Grundkörper mindestens einen Hohlraum zur Verteilung eines Gases aufweisen, insbesondere, kann sich der mindestens eine Hohlraum entlang der

Abnahmerichtung von der ersten Seitenfläche zur zweiten Seitenfläche des Grundkörpers hin erstrecken. Als Hohlraum kann ein hohler, leerer Raum des Grundkörpers verstanden werden, in welchem ein Gas besonders einfach strömen kann. Ein sich in Abnahmerichtung erstreckender Hohlraum kann besonders günstig den Druck in der Gasdiffusionslage entlang der

Abnahmerichtung vergleichmäßigen. Weiter sind mehrere gleichmäßig verteilte Hohlräume geringen Durchmessers denkbar, wobei diese sich von der ersten Seitenfläche zur zweiten Seitenfläche des Grundkörpers hin erstrecken können. Gleichmäßig verteilte Hohlräume geringen Durchmessers können die

Vergleichmäßigung des Druckes verbessern, aber weiterhin die notwendige Stabilität der Gasdiffusionslage gewährleisten. Es sind aber auch vereinzelte große Hohlräume in der Gasdiffusionslage entlang der Abnahmerichtung von der ersten Seitenfläche zur zweiten Seitenfläche des Grundkörpers möglich. Diese können besonders einfach realisierbar sein. Hohlräume können auch im Inneren einer Gasdiffusionslage vorgesehen sein. Diese sind besonders einfach realisierbar, wenn der Grundkörper aus mehreren Lagen besteht. Besteht der Grundkörper aus mehreren Lagen kann ein Teil einer Lage weggelassen werden. Folglich können erfindungsgemäße Hohlraum besonders günstig zu einer Vergleichmäßigung des Druckes eines Gases in der Gasdiffusionslage beitragen.

Gemäß einem zweiten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung eine

Brennstoffzelle aufweisend eine Membran, zwei sich gegenüberliegende jeweils an eine Seite der Membran angeordnete Katalysatorschichten, zwei sich gegenüberliegende jeweils an eine der Katalysatorschichten angeordnete Gasdiffusionslagen, eine erste Bipolarplatte mit einer Anodenseite, wobei die Anodenseite eine Anodenplattenströmungsrichtung aufweist, und eine zweite Bipolarplatte mit einer Kathodenseite, wobei die Kathodenseite eine

Kathodenplattenströmungsrichtung aufweist. Als Anodenplattenströmungsrichtung kann eine bevorzugte Strömungsrichtung eines Brennstoffes über die aktive Fläche einer Brennstoffzelle verstanden werden. Als Kathodenplattenströmungsrichtung kann eine bevorzugte

Strömungsrichtung der Lufl/Sauerstoff über die aktive Fläche einer

Brennstoffzelle verstanden werden. Die Anodenseite der ersten Bipolarplatte und die Kathodenseite der zweiten Bipolarplatte begrenzen die Brennstoffzelle.

Weiter ist mindestens eine der beiden Gasdiffusionslagen nach einer

erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage ausgebildet. Mit besonderem Vorteil kann bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle die

Anodenplattenströmungsrichtung der Anodenseite einer ersten Bipolarplatte und die Abnahmerichtung von der ersten Seitenfläche zur zweiten Seitenfläche der Gasdiffusionslage zwischen der Anodenseite der ersten Bipolarplatte und der Membran gleich gerichtet sein, insbesondere im Wesentlichen gleich gerichtet sein. Vorteilhafterweise sind die Kathodenplattenströmungsrichtung der

Kathodenseite der zweiten Bipolarplatte und die Abnahmerichtung von der ersten Seitenfläche zur zweiten Seitenfläche der anderen Gasdiffusionslage zwischen der Kathodenseite zweiten Bipolarplatte und der Membran gleich gerichtet, insbesondere im Wesentlichen gleich gerichtet. Ferner können die

Anodenplattenströmungsrichtung und die Kathodenplattenströmungsrichtung gleich gerichtet sein, insbesondere im Wesentlichen gleich gerichtet sein, oder entgegengesetzt gerichtet sein, insbesondere im Wesentlichen entgegengesetzt gerichtet sein.

Die Brennstoffzelle gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu der Gasdiffusionslage gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.

Gemäß einem dritten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung einen

Brennstoffzellenstack, wobei der Brennstoffzellenstack mindestens eine erste Brennstoffzelle und mindestens eine zweite Brennstoffzelle aufweist. Weiter ist die mindestens eine erste Brennstoffzelle nach einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und/oder die mindestens eine zweite Brennstoffzelle nach einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ausgebildet. Das Brennstoffzellenstack gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu der Gasdiffusionslage gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, sowie zu der Brennstoffzelle gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den

Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche

Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.

Es zeigen schematisch:

Fig. 1 Perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage,

Fig. 2 Querschnitt durch eine erste Seitenfläche des Grundkörpers einer

erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage aus Fig. 1,

Fig. 3 Querschnitt durch eine erste oder zweite Seitenfläche eines

Grundkörpers einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage, wobei der Querschnitt ein Trapez aufzeigt,

Fig. 4 Querschnitt durch eine erste oder zweite Seitenfläche eines

Grundkörpers einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage, wobei der Querschnitt eine Stufenform aufzeigt,

Fig. 5 Querschnitt durch eine erste oder zweite Seitenfläche eines

Grundkörpers einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage, wobei der Querschnitt eine Stufenform mit mehreren Lagen aufzeigt, Fig. 6 Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage umfassend mehrere Lagen und Hohlräume,

Fig. 7 Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage,

Fig. 8 Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage,

Fig. 9 Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage,

Fig. 10 Brennstoffzellenstack mit erfindungsgemäßen Brennstoffzellen Fig. 11 Brennstoffzellenstack mit erfindungsgemäßen Brennstoffzellen, und Fig. 12 Brennstoffzellenstack mit erfindungsgemäßen Brennstoffzellen.

In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen identische Bezugszeichen verwendet.

Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht beispielhaft eine

Gasdiffusionslage 10 mit einem Grundkörper 12. Der Grundkörper 12 umfasst fluiddurchlässiges, offenporiges Material. Weiter weist der Grundkörper 12 eine Membrankontaktierungsfläche 14 und eine gegenüberliegende

Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 auf. Entlang einer Richtung von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 hin zur Membrankontaktierungsfläche 14 weist der Grundkörper einen Gasdiffusionslagenströmungswiderstand auf. Das bedeutet, dass ein Gas beim Durchströmen des Grundkörpers 12 ausgehend von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 in Richtung der

Membrankontaktierungsfläche 14 einen Strömungswiderstand zu überwinden hat. Weiter umfasst der Grundkörper 12 eine erste Seitenfläche 13 und eine gegenüberliegende zweite Seitenfläche 15. In Fig. 1 ist ferner eine

Abnahmerichtung A, die von der ersten Seitenfläche 13 hin zur zweiten Seitenfläche 15 zeigt, dargestellt. Erfindungsgemäß nimmt der

Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers 12 ausgehend von der ersten Seitenfläche 13 entlang der Abnahmerichtung A hin zur zweiten Seitenfläche 15 ab. Folglich kann ein Gas ausgehend von der Seitenfläche 13 entlang der Abnahmerichtung A hin zur Seitenfläche 15 einen Grundkörper 12 ausgehend von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 in Richtung zur Membrankontaktierungsfläche 14 immer einfacher durchströmen. Wird nun eine erfindungsgemäße Gasdiffusionslage 10 mit ihrer

Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 derart an eine Seite einer Bipolarplatte und mit ihrer Membrankontaktierungsfläche 14 derart an eine Seite einer Membran einer Brennstoffzelle 100 angeordnet, dass die bevorzugte Strömungsrichtung des Gases in der Bipolarplatte über die aktive Fläche der Brennstoffzelle 100 und die Abnahmerichtung A des Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers 12 der Gasdiffusionslage 10 gleich gerichtet sind, insbesondere im Wesentlichen gleich gerichtet sind, kann eine Vergleichmäßigung des Druckes eines Gases in der Gasdiffusionslage 10, insbesondere des Druckes eines Gases an der Membrankontaktierungsfläche 14 bzw. einer Membran der Brennstoffzelle 100, bewirkt werden. Vorteilhafterweise können somit auch Schäden an einer Membran einer Brennstoffzelle 100 aufgrund eines

ungleichmäßigen Druckes verhindert werden. Weiter kann die Konzentration der Reaktandengase, bspw. von Wasserstoff oder Sauerstoff, insbesondere an der Membran, über die aktive Fläche einer Brennstoffzelle 100 vergleichmäßigt werden. Damit kann eine homogene Stromdichte über die aktive Fläche einer Brennstoffzelle 100 bewirkt werden. Außerdem kann eine Leistungssteigerung der Brennstoffzelle 100 und eine homogene Befeuchtung der Membran erreicht werden.

Fig. 2 offenbart einen Querschnitt durch eine erste Seitenfläche 13 des

Grundkörpers 12 aus Fig. 1 (siehe gestrich-punktete Linie in Fig. 1). Der Querschnitt zeigt dabei ein Viereck auf, wobei eine erste Kante des Vierecks durch die Schnittkante der ersten Seitenfläche 13, die zweite Kante des Vierecks durch die Schnittkante der Membrankontaktierungsfläche 14, die dritte Kante des Vierecks durch die Schnittkante der zweiten Seitenfläche 15 und die vierte Kante des Vierecks durch die Schnittkante der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 gebildet ist. Weiter weist die Abnahmerichtung A von der ersten Seitenfläche 13 hin zur zweiten Seitenfläche 15. Fig. 3 illustriert einen Querschnitt durch die erste Seitenfläche 13 eines

Grundkörpers 12 oder einen Querschnitt durch die zweite Seitenfläche 15 des Grundkörpers 12 einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage 10. Der

Querschnitt zeigt ein Trapez auf. Die erste Kante des Trapezes wird durch die Schnittkante der ersten Seitenfläche 13, die zweite Kante des Trapezes wird durch die Schnittkante der Membrankontaktierungsfläche 14, die dritte Kante des Trapezes wird durch die Schnittkante der zweiten Seitenfläche 15 und die vierte Kante des Trapezes wird durch die Schnittkante der

Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 gebildet. Die Schnittkante der

Membrankontaktierungsfläche 14 kann dabei als

Membrankontaktierungsflächenschenkel und die Schnittkante der

Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 als

Bipolarplattenkontaktierungsflächenschenkel verstanden werden. Der

Membrankontaktierungsflächenschenkel und der

Bipolarplattenkontaktierungsflächenschenkel laufen in Abnahmerichtung A geneigt zueinander zu. Die Gasdiffusionslage 10 kann als keilförmig angesehen werden. Mit einer keilförmigen Gasdiffusionslage 10 wird auf besonders einfache und vorteilhafte Weise eine Abnahme des

Gasdiffusionslagenströmungswiderstandes entlang der Abnahmerichtung A dadurch erreicht, dass die Dicke D, d. h. der Abstand zwischen der

Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 und der Membrankontaktierungsfläche 14 der Gasdiffusionslage 10, entlang der Abnahmerichtung A abnimmt.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine erste Seitenfläche 13 eines

Grundkörpers 12 oder ein Querschnitt durch eine zweite Seitenfläche 15 des Grundkörpers 12, wobei der Querschnitt eine Stufenform mit vier Stufen mit einer Stufenhöhe Hl, H2, H3 beziehungsweise H4 aufzeigt. Als Stufenhöhe Hl, H2,

H3 beziehungsweise H4 ist der jeweilige Abstand zwischen der

Membrankontaktierungsfläche 14 und der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 zu verstehen. Entlang der Abnahmerichtung A von der ersten Seitenfläche 13 zur zweiten Seitenfläche 15 nimmt die Stufenhöhe benachbarter Stufen ab. Die Länge der Stufen kann variieren, wobei mit Länge der Stufe die Länge der Trittfläche der Stufe gemeint ist. Weiter zeigt Fig. 4, dass die

Membrankontaktierungsfläche 14 im Wesentlichen gerade ist, was notwendig sein kann um eine Membran einer Brennstoffzelle 100 bestmöglich zu kontaktieren. Dagegen ist die die Schnittkante der

Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 stufenförmig. Das bedeutet auch, dass eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle 100 vorteilhafterweise derart ausgebildet ist, insbesondere ebenfalls stufenförmig, dass diese die

Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 der Gasdiffusionslage 10 im Wesentlichen flächig kontaktiert. Eine Gasdiffusionslage 10 mit einer solchen Stufenform ermöglicht auf einfache Weise, dass ein Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers 12 ausgehend von der ersten Seitenfläche 13 entlang einer Abnahmerichtung A hin zur zweiten Seitenfläche 15 abnimmt.

Fig. 5 offenbart einen Querschnitt durch eine erste Seitenfläche 13 eines Grundkörpers 12 oder ein Querschnitt durch eine zweite Seitenfläche 15 des Grundkörpers 12 einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage 10. In Fig. 5 wird die Gasdiffusionslage 10 mit vier Lagen 12a, 12b, 12c und 12d unterschiedlicher Länge, wobei diese vier Lagen 12a bis 12d schichtförmig zu dem Grundkörper 12 angeordnet sind, gezeigt. Als Länge ist das Längenmaß einer Lage 12a bis 12d in Abnahmerichtung A gemeint. Der Grundkörper 12 zeigt dabei eine Stufenform auf, wobei ausgehend von der ersten Seitenfläche 13 entlang einer

Abnahmerichtung A hin zur zweiten Seitenfläche 15 ein Gas entlang einer Richtung von der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 hin zur

Membrankontaktierungsfläche 14 die vier Lagen 12a bis 12d, die drei Lagen 12a bis 12c, die zwei Lagen 12a und 12b beziehungsweise die eine Lage 12a durchströmt. Entlang der Abnahmerichtung A kann der

Gasdiffusionslagenwiderstand einer Stufe konstant, insbesondere im

Wesentlichen konstant, sein. Weiter ist aber auch denkbar, dass mehrere Lagen zu einer anderen Form, wie beispielsweise der Keilform in Fig. 3, angeordnet werden. Jede der vier Lagen 12a bis 12d weist eine erste Seitenfläche 13a bis 13c beziehungsweise 13d auf, wobei diese zusammen die erste Seitenfläche 13 bilden. Die Lage 12a weist die erfindungsgemäße zweite Seitenfläche 15 auf. Die Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 setzt sich aus den

Bipolarplattenkontaktierungsflächen 16a, 16b, 16c, 16d zusammen. Die vier Lagen 12a bis 12d können dabei aus gleichem und/oder unterschiedlichem fluiddurchlässigen, offenporigen Material bestehen. Mit einem Grundkörper 12 aus den vier Lagen 12a bis 12d kann auf besonders einfach Weise eine

Vergleichmäßigung des Druckes eines Gases in der Gasdiffusionslage 10, insbesondere des Druckes eines Gases an der Membrankontaktierungsfläche 14 bewirkt werden.

Fig. 6 illustriert in einer Vorderansicht eine Gasdiffusionslage 10 aus vier Lagen 12a bis 12d, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist. Die Gasdiffusionslage 10 weist zwei große Hohlräume 62 auf, die weiter zur Vergleichmäßigung des Druckes eines Gases in der Gasdiffusionslage 10 beitragen. Ein Hohlraum 62 befindet sich innerhalb der Gasdiffusionslage 10 und der andere Hohlraum 62 am Rand der Gasdiffusionslage 10. Die Abnahmerichtung A zeigt in die Zeichenebene hinein (x). Die beiden Hohlräume 62 erstrecken sich entlang der Abnahmerichtung A von der ersten Seitenfläche 13 zur zweiten Seitenfläche 15 (nicht dargestellt). Weiter sind leere, hohle Verbindungskanäle (nicht dargestellt) in dem

Grundkörper 12 entlang der Richtung von der

Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 hin zur Membrankontaktierungsfläche 14 zwischen den Hohlräumen 62 möglich, welche weiter zur Vergleichmäßigung des Druckes eines Gases in der Gasdiffusionslage 10 beitragen können.

Fig. 7 zeigt eine Brennstoffzelle 100 in einer Explosionszeichnung mit einer Membran 112, wobei die Membran 112 von zwei sich gegenüberliegende jeweils an eine Seite der Membran 112 angeordnete Katalysatorschichten 114a beziehungsweise 114b begrenzt wird. Sowohl die Gasdiffusionsschicht 10a und die Gasdiffusionsschicht 10b sind damit indirekt über die Katalysatorschicht 114a beziehungsweise über die Katalysatorschicht 114b an die Membran 112 angeordnet. Die Gasdiffusionslage 10a und die Gasdiffusionslage 10b zeigen jeweils eine Abnahmerichtung A von der ersten Seitenfläche 13 zur zweiten Seitenfläche 15 auf. Weiter ist eine Anodenseite 120a einer ersten Bipolarplatte, wobei die Anodenseite 120a eine Anodenplattenströmungsrichtung S1 aufweist, und eine zweite Bipolarplatte mit einer Kathodenseite 122b, wobei die

Kathodenseite 122b eine Kathodenplattenströmungsrichtung S2 aufweist, dargestellt. Die Anodenseite 120a der ersten Bipolarplatte und die

Kathodenseite 122b der zweiten Bipolarplatte begrenzen die Brennstoffzelle 100. Vorteilhafterweise stimmen die Anodenplattenströmungsrichtung S1 und die Abnahmerichtung A der Gasdiffusionslage 10a überein, insbesondere im

Wesentlichen überein. Vorteilhafterweise stimmen auch die

Kathodenplattenströmungsrichtung S2 der zweiten Bipolarplatte und die Abnahmerichtung A der Gasdiffusionslage 10b überein. In Fig. 7 stimmen die Anodenplattenströmungsrichtung Sl, die Abnahmerichtung A der

Gasdiffusionslage 10a, die Anodenplattenströmungsrichtung Sl und die

Abnahmerichtung A der Gasdiffusionslage 10a überein. Denkbar ist auch, dass die Anodenplattenströmungsrichtung Sl und die Abnahmerichtung A der Gasdiffusionslage 10a gleich gerichtet sind, aber die

Kathodenplattenströmungsrichtung S2 und die Abnahmerichtung A der

Gasdiffusionslage 10b der Anodenplattenströmungsrichtung Sl entgegengesetzt gerichtet sind. Vorteilhafterweise kann nun mit den erfindungsgemäßen

Gasdiffusionslagen 10a und 10b der Druck von bspw. Wasserstoff auf der Anodenseite 120a an der Membran 112 einer Brennstoffzelle 100 und der Druck von bspw. Luft auf der Kathodenseite 122b an der Membran 112 einer

Brennstoffzelle 100 vergleichmäßigt werden. Somit können Schäden an der Membran 112 der Brennstoffzelle 100 aufgrund eines ungleichmäßigen Druckes verhindert werden. Weiter kann die Konzentration der Reaktandengase, bspw. von Wasserstoff oder Sauerstoff, insbesondere an der Membran 112, über die aktive Fläche einer Brennstoffzelle 100 vergleichmäßigt werden. Damit kann ferner eine homogene Stromdichte über die aktive Fläche einer

Brennstoffzelle 100 bewirkt werden. Außerdem kann eine Leistungssteigerung der Brennstoffzelle 100 und eine homogene Befeuchtung der Membran erreicht werden.

Fig. 8 und Fig. 9 zeigen wie Fig. 7 in einer Explosionszeichnung jeweils eine Brennstoffzelle 100. Bei einer fertig zusammengesetzten Brennstoffzelle 100 kontaktieren auch die Anodenseite 120a einer Bipolarplatte und die

Kathodenseite 122b einer anderen Bipolarplatte die

Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 der keilförmigen Gasdiffusionslage 10a beziehungsweise die Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 der keilförmigen Gasdiffusionslage 10b flächig. Der Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers 12 der Gasdiffusionslage 10a und der

Gasdiffusionslagenströmungswiderstand des Grundkörpers 12 der

Gasdiffusionslage 10b nehmen jeweils ausgehend von der ersten Seitenfläche 13 entlang einer Abnahmerichtung A hin zur zweiten Seitenfläche 15 ab. Dies wird jeweils dadurch erreicht, indem die Dicke, d. h. der Abstand zwischen der Bipolarplattenkontaktierungsfläche 16 und der Membrankontaktierungsfläche 14 der Gasdiffusionslage 10a beziehungsweise der Gasdiffusionslage 10b in Abnahmerichtung A abnimmt. Fig. 9 kann als die in Fig. 8 gezeigte

Brennstoffzelle 100 gesehen werden, wobei diese um 180 Grad gedreht ist.

Fig. 10 zeigt einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstack 200 mit einer Vielzahl an Brennstoffzellen 100, wie sie beispielsweise in Fig. 7 und Fig. 8 dargestellt worden sind. Die Brennstoffzellen 100 sind zu dem

Brennstoffzellenstack 200 angeordnet. Werden mehrere Brennstoffzellen 100 mit beispielsweise keilförmigen Gasdiffusionslagen 10, wie in Fig. 8 aufgezeigt, zu einem Brennstoffzellenstack 200 angeordnet, so kann der

Brennstoffzellenstack 200 ebenfalls eine Keilform aufweisen. Es kann sinnvoll sein nur eine gewisse Anzahl an Brennstoffzellen 100 mit einer nicht

quaderförmigen, beispielsweise einer keilförmigen, Gasdiffusionslage 10 zu dem Brennstoffzellenstack 200 anzuordnen.

Fig. 11 illustriert ebenfalls einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstack 200 mit einer Vielzahl an Brennstoffzellen 100, wie sie beispielsweise in Fig. 9 dargestellt worden sind. Die Brennstoffzellen 100 sind zu dem

Brennstoffzellenstack 200 angeordnet. Fig. 11 kann als der in Fig. 10 gezeigte Brennstoffzellenstack 200 gesehen werden, wobei dieser um 180 Grad gedreht ist.

Fig. 12 zeigt ein Brennstoffzellenstacksystem 300, wobei das

Brennstoffzellenstack 300 abwechselnd aus Brennstoffzellenstacks 200, wie sie in Fig. 10 und Fig. 11 dargestellt sind, aufgebaut ist. Dies wird auch durch die beiden unterschiedlichen Symbole + und ¨ in der Fig. 12 dargestellt.

Vorteilhafterweise kann damit auch ein insgesamt im Wesentlichen

quaderförmiges Brennstoffzellenstacksystem 300 aus keilförmigen

Brennstoffzellenstacks 200 aufgebaut werden. Eine gleichmäßige Verspannung des Brennstoffzellenstacksystems 300 kann damit möglich sein.