Titel

Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle

Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Gasdiffusionslagen-Anordnung, nachfolgend als Membran-Elektroden-Anordnung bezeichnet, für eine elektroche mische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle. Ferner betrifft die Erfindung ei ne Brennstoffzelle, ein Brennstoffzellenaggregat und ein Brennstoffzellensystem bevorzugt für ein Brennstoffzellenfahrzeug.

Stand der Technik

In einer Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle eines Brennstoffzel lenaggregats z. B. eines Brennstoffzellensystems beispielsweise eines Brenn stoffzellenfahrzeugs erfolgt eine elektrochemische Wandlung zweier Reaktanten zweier Betriebsmedien in elektrische Energie und Wärme. Hierbei umfasst die Brennstoffzelle zumindest eine Membran-Elektroden-Anordnung, welche einen Schichtaufbau aus einer ionen- bzw. protonenleitenden Membran und beidseitig an der Membran vorgesehener, katalytischer Elektroden (Membran-Elektroden- Einheit mit Anoden- und Kathodenelektrode als Reaktivschichten) sowie Gasdif fusionslagen aufweist. In der Regel ist die Brennstoffzelle mit einer Vielzahl von in einem Stapel (Brennstoffzellenstack) angeordneter Membran-Elektroden-An- ordnungen und dazwischen angeordneter Bipolarplatten ausgebildet.

Die EP 2 834870 B1 offenbart eine Membran-Elektroden-Anordnung für solch ei ne Brennstoffzelle, mit einem auf einer Oberfläche einer katalytischen Elektrode einer Membran-Elektroden-Einheit vorgesehenen mikroporösen Partikelkörper. Ferner ist ein grobporöses Metallgeflecht an dem Partikelkörper vorgesehen, wo bei diese beiden Körper zusammen eine einzelne Gasdiffusionslage der Mem- bran-Elektroden-Anordnung bilden. Ferner besitzt der Partikelkörper vergleichs weise große Partikelgrößen an denjenigen Abschnitten, die mit Festphasenab schnitten des Metallgeflechts in einem mechanischen Kontakt stehen und ver gleichsweise kleine Partikelgrößen an denjenigen Abschnitten, die Gasphasen abschnitten des Metallgeflechts zugewandt sind.

Aufgabenstellung

Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine alternative oder verbesserte Membran- Elektroden-Anordnung für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats bevorzugt für ein Brennstoffzel lenfahrzeug, anzugeben.

Offenbarung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist mittels einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoffzelle; und mittels einer Brennstoffzelle, einem Brennstoffzellenaggregat und einem Brennstoffzellensys tem bevorzugt für ein Brennstoffzellenfahrzeug gelöst. - Vorteilhafte Weiterbil dungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung.

Die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnung umfasst eine Membran, wenigstens eine an der Membran vorgesehene katalytische Elektrode und eine auf der katalytischen Elektrode vorgesehene, sich flächig erstreckende Gasdiffu sionslage, wobei die Gasdiffusionslage wenigstens teilweise als eine (mikro-)po- röse Verbundlage konstituiert ist, und die (mikro-)poröse Verbundlage eine sich in der Fläche der Gasdiffusionslage erstreckende, mikroporöse Partikellage auf weist, in welche wenigstens abschnittsweise eine offenporöse, insbesondere me tallische, Materialschicht eingebettet ist. Die offenporöse Materialschicht kann na türlich ebenfalls als eine offen-mikroporöse Materialschicht ausgebildet sein.

Hierbei umfasst die Membran-Elektroden-Anordnung lediglich bzw. mindestens die Membran, die wenigstens eine an der Membran vorgesehene katalytische Elektrode, also eine zumindest partiell ausgestaltete Membran-Elektroden-Ein- heit, und die wenigstens eine Gasdiffusionslage. Darüber hinaus weist die Memb- ran-Elektroden-Anordnung bevorzugt im Wesentlichen keinen weiteren Bestand teil, wie z. B. eine Bipolarplatte bzw. einen Abschnitt davon auf, kann jedoch ggf. so einen Bestandteil umfassen.

Die mikroporöse Partikellage und die offenporöse Materialschicht unterscheiden sich wenigstens in ihrer thermischen und/oder elektrischen Leitfähigkeit, wobei beide bevorzugt aus unterschiedlichen Materialien (z. B. unterschiedlich struktu rierter Werkstoff als zwei Materialien), insbesondere unterschiedlichen Werkstof fen (Werkstoff: in einheitlicher Form vorliegende Materie mit bestimmten Eigen schaften) aufgebaut sind. Die optionale, .metallische' Eigenschaft der offenporö sen Materialschicht soll dabei verdeutlichen, dass die Materialschicht wenigstens eine Eigenschaft eines Metalls aufweisen kann; dies betrifft insbesondere eine thermische und/oder elektrische Leitfähigkeit, welche in einem Bereich eines Me talls oder darüber (vgl. u. Graphen) liegen soll.

Gemäß der Erfindung weist zur Verbesserung einer thermischen und/oder elektri schen Leitfähigkeit in Dickenrichtung einer Einzelzelle einer Brennstoffzelle, we nigstens eine Gasdiffusionslage einer Membran-Elektroden-Anordnung der Ein zelzelle die poröse Verbundlage bzw. die in die mikroporöse Partikellage einge bettete offenporöse Materialschicht auf.

Die Membran-Elektroden-Anordnung kann an einer einseitig (anoden- oder ka thodenseitig) oder beidseitig (anoden- und kathodenseitig) mit einer katalytischen Elektrode beschichteten Membran, und dort an einer einzigen von einer oder zwei katalytischen Elektroden eine einzige Gasdiffusionslage bzw. an beiden ka talytischen Elektroden jeweils eine (einzige) Gasdiffusionslage aufweisen. D. h. die erfindungsgemäße poröse Verbundlage kann entweder in/an der Anode/Ano denelektrode oder Kathode/Kathodenelektrode bzw. in/an der Anode/Anoden elektrode und Kathode/Kathodenelektrode einer betreffenden Einzelzelle einge richtet sein.

Hierbei weist wenigstens eine Gasdiffusionslage der ggf. zwei Gasdiffusionsla gen die erfindungsgemäße poröse Verbundlage auf, welche wenigstens teilweise oder im Wesentlichen vollständig die Gasdiffusionslage konstituiert. Falls nur auf einer einzigen (großflächigen) Seite der Membran-Elektroden-Anordnung eine poröse Verbundlage eingerichtet ist, kann auf der gegenüberliegenden Seite z. B. eine herkömmlichen Gasdiffusionslage eingerichtet sein. - Ferner ist die erfin dungsgemäße poröse Verbundlage als mikroporöse Verbund-Partikellage (Ver- bund-MPL, vgl. u.) bezeichenbar. - Die offenporöse Materialschicht kann in Ebe nenrichtung und/oder Dickenrichtung der Membran-Elektroden-Anordnung eine bessere thermische und/oder elektrische Leitfähigkeit aufweisen als die mikropo röse Partikellage.

Die mikroporöse Partikellage kann als eine einseitig freistehende mikroporöse Partikellage ausgebildet sein, welche wenigstens abschnittweise eine Außenseite der Membran-Elektroden-Anordnung bildet. Darüber hinaus kann die poröse Ver bundlage als eine einseitig freistehende poröse Verbundlage ausgebildet sein, welche wenigstens abschnittweise eine Außenseite der Membran-Elektroden-An ordnung bildet. - D. h. die mikroporöse Partikellage, die poröse Verbundlage bzw. die im Wesentlichen vollständig durch die poröse Verbundlage konstituierte Gasdiffusionslage steht in einem verbauten Zustand der Membran-Elektroden- Anordnung in einer Brennstoffzelle in einem Anoden- oder Kathodenraum in ei nem Fluidkontakt mit einem jeweiligen Betriebsmedium sowie den Betriebsmedi umkanälen einer betreffenden Bipolarplatte.

Es können genau eine oder zwei, wenigstens eine oder zwei, oder eine Vielzahl von offenporösen Materialschichten innerhalb der mikroporösen Partikellage ein gebettet sein. Ferner kann die/eine offenporöse Materialschicht zu einer Außen seite der mikroporösen Partikellage näher, gleich nah oder weniger nah benach bart liegen, als zu einer betreffenden katalytischen Elektrode oder der Membran. D. h. die offenporöse Materialschicht kann frei innerhalb einer Gesamtschichtdi cke der mikroporöse Partikellage platziert sein, selbst aus einer oder mehrerer Schichten bestehen sowie ggf. in einer Ebene homogen und/oder inhomogen verteilt sein. Die mikroporöse Partikellage und deren offenporöse Materialschicht können eine sandwichartige Anordnung bilden, wobei die offenporöse Material schicht im Wesentlichen zwischen Schichten der mikroporösen Partikellage vor gesehen ist. Aus einer Membran-Elektroden-Einheit der Membran-Elektroden-Anordnung ent stehbare Wärmequellen können als Wärmeströme beim Passieren der porösen Verbundlage mittels der porösen Verbundlage teilweise neutralisierbar sein. In einem Betrieb der Brennstoffzelle entstehen in deren Membran-Elektroden-Ein- heiten, jeweils zu den Betriebsmediumkanälen auf einem kurzen Weg benach bart, Wärmequellen, sogenannte ,Hotspots‘. Diese Wärmequellen breiten sich, ausgehend von der Membran-Elektroden-Einheit einer jeweiligen Membran- Elektroden-Anordnung, in eine betreffende poröse Verbundlage aus und pflanzen sich dort als Wärmeströme in Richtung einer betreffenden Bipolarplatte fort, mit tels welcher eine Kühlung einer Einzelzelle erfolgt.

Die sich dadurch in der porösen Verbundlage zueinander beabstandet und in Richtung der Bipolarplatte fortpflanzenden Wärmeströme werden beim Passieren der porösen Verbundlage in Dickenrichtung aufgrund der Eigenschaften der of fenporösen Materialschicht forciert zu einem Auffächern, Ausbreiten etc. gezwun gen. Hierdurch neutralisieren sich in der porösen Verbundlage, insbesondere durch deren offenporöse Materialschicht, in diese als Wärmeströme eintretende Wärmequellen mit von der betreffenden Bipolarplatte stammenden Wärmesen ken teilweise. D. h. ferner, dass mittels der porösen Verbundlage ein aus der/ei ner Membran-Elektroden-Einheit der Membran-Elektroden-Anordnung abtrans portierbarer Gesamtflächen-Wärmestrom in der offenporösen Materialschicht homogenisierbar ist.

Die poröse Verbundlage kann derart ausgebildet sein, dass eine globale Mitten ebene der offenporösen Materialschicht eben innerhalb der mikroporösen Parti kellage eingebettet ist (vgl. Fig. 4 und 5, die beide solche Materialschichten in nerhalb der Partikellage zeigen). Die globale Mittenebene der offenporösen Ma terialschicht kann im Wesentlichen parallel zu einer Außenseite der porösen Ver bundlage in die mikroporöse Partikellage eingebettet sein. Fermer kann ein Ver hältnis einer ggf. mittleren Dicke der porösen Verbundlage oder mikroporösen Partikellage zur offenporösen Materialschicht in einem Mittel ca. 2:1, ca. 2,5:1, ca. 3:1, ca. 3,5:1, ca. 4:1, ca. 5:1, ca. 7,5:1 oder ca. 10:1 betragen. Eine Dicke der offenporösen Materialschicht kann im Wesentlichen konstant sein oder, z. B. periodisch, variieren. Die offenporöse Materialschicht selbst kann im Wesentlichen platten-, teller- und/ oder blattförmig ausgebildet sein (vgl. Fig. 4). Hierbei kann eine Unstetigkeitsstel le, Stufe etc. in der offenporösen Materialschicht eingerichtet sein. Ferner kann die offenporöse Materialschicht als eine gewellte Materialschicht (vgl. Fig. 6 o.), Trapez-Materialschicht (vgl. Fig. 6 u.), gerippte Materialschicht ausgebildet sein. D. h. die offenporöse Materialschicht kann miniaturisiert und analog zu einem Wellblech, z. B. mit einem Sinusprofil; Trapezblech; Kühlblech etc. ausgebildet sein.

Des Weiteren kann die offenporöse Materialschicht selbst als eine einfache ho mogene oder inhomogene Materialschicht ausgebildet sein. - Ferner kann die of fenporöse Materialschicht selbst als eine zusammenhängend- und/oder lose fragmentierte Materialschicht ausgebildet sein. Im ersten Fall setzt sich die offen poröse Materialschicht aus einer Vielzahl von miteinander verbundenen Bestand teilen (Fragmente) zusammen, wohingegen im zweiten Fall diese Fragmente nicht (vgl. Fig. 6 u.) über Materialstrukturen der offenporöse Materialschicht mit einander in Verbindung stehen.

In Ausführungsformen können Abschnitte der offenporösen Materialschicht näher an aus der Membran-Elektroden-Einheit entstehbaren Wärmequellen liegen, als zu diesen Abschnitten direkt benachbarte Abschnitte der offenporösen Material schicht (vgl. Fig. 6). Ferner können Abschnitte der offenporösen Materialschicht näher an der Membran-Elektroden-Anordnung entstehbaren Wärmesenken lie gen, als zu diesen Abschnitten direkt benachbarte Abschnitte der offenporösen Materialschicht (vgl. Fig. 6). Innerhalb der offenporösen Materialschicht können zu Wärmequellen benachbarte Abschnitte stetig in zu Wärmesenken benachbar te Abschnitte der offenporösen Materialschicht übergeben.

Die offenporöse Materialschicht kann freie, lose und/oder verbundene Langfa sern, Fasern, Kurzfasern und/oder Partikel aufweisen. Ferner kann die offenpo röse Materialschicht als ein Gewebe, Streckmetall, Fließ, wenigstens eine papier artige Schicht und/oder ein Schaum ausgebildet sein. Darüber hinaus kann die offenporöse Materialschicht ein Metall und/oder Halbmetall aufweisen, sowie be vorzugt kein typisches Nicht-Eisen-Metall umfassen. Ein bevorzugtes Metall ist z. B. eine Eisenlegierung, insbesondere ein Stahl, bevorzugt ein Edelstahl; Titan etc. Des Weiteren kann die offenporöse Materialschicht ein Nichtmetall aufwei sen, sowie bevorzugt keine Keramik- oder oxidische Fasern umfassen.

Ein bevorzugtes Halbmetall oder Nichtmetall weist z. B. auf Kohlenstoff basierte Partikel oder Fasern auf. Ferner ist ein graphenartiges Material, z. B. mit einer Inplane-Wärmeleitfähigkeit von größer 1.000W/m-K, anwendbar; hierzu zählen z. B. ein (Multiayer-)Graphen, (Multiwall) Carbon Nanotubes etc. - Das Material bzw. die Materialien der offenporösen Materialschicht können beschichtet sein, um z. B. eine hydrophile oder hydrophobe Eigenschaft zu erzeugen. Die Be schichtung kann homogen sein, örtlich variieren sowie (voll-)flächig und/oder un terbrochen sein etc.

Die Membran kann als eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran, insbe sondere eine lonomermembran, bevorzugt eine Nafion ^® -Membran, ausgebildet sein. Die/eine Membran-Elektroden-Einheit kann als eine mit katalytischen Elekt roden beschichtete Membran (CCM: Catalyst Coated Membrane) ausgebildet sein. Die im Wesentlichen gesamte Gasdiffusionslage kann als die poröse Ver bundlage ausgebildet sein. D. h. die Gasdiffusionslage als poröse Verbundlage weist keine weitere wesentliche Lage, keinen weiteren wesentlichen Bestandteil etc. auf.

In Ausführungsformen kann die Gasdiffusionslage neben der porösen Verbund lage wenigstens eine zweite Lage umfassen. D. h. die Gasdiffusionslage kann wenigstens eine weitere wesentliche Lage, einen weiteren wesentlichen Bestand teil etc., z. B. eine herkömmliche Lage, umfassen. Ferner kann die Membran- Elektroden-Anordnung wenigstens oder genau eine Bipolarplatte umfassen.

Kurzbeschreibung der Figuren

Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug nahme auf die beigefügte schematische und nicht maßstabsgetreue Zeichnung näher erläutert. Bei der Erfindung kann ein Merkmal positiv, d. h. vorhanden, o- der negativ, d. h. abwesend, ausgestaltet sein. In dieser Spezifikation ist ein ne gatives Merkmal als Merkmal nicht explizit erläutert, wenn nicht gemäß der Erfin dung Wert daraufgelegt ist, dass es abwesend ist. D. h. die tatsächlich gemachte und nicht eine durch den Stand der Technik konstruierte Erfindung darin besteht, dieses Merkmal wegzulassen. Das Fehlen eines Merkmals (negatives Merkmal) in einem Ausführungsbeispiel zeigt, dass das Merkmal optional ist. - In den ledig lich beispielhaften und schematischen Figuren (Fig.) der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 in einem vereinfachten Blockschaltbild eine Ausführungsform eines

Brennstoffzellenaggregats für ein Brennstoffzellensystem gemäß der Er findung,

Fig. 2 in einer 2D-Schnittansicht einen vierseitig weggebrochenen Ausschnitt ei ner Einzel-Brennstoffzelle einer Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 3 eine Ansicht analog zu Fig. 2, mit einer mikroporösen Partikelschicht (o.) und einer mikroporösen Partikelschicht sowie einem Kohlefaserflies (u.) als Gasdiffusionslagen gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 4 in einer 2D-Schnittansicht einen vierseitig weggebrochenen Ausschnitt ei ner Einzel-Brennstoffzelle einer Brennstoffzelle, mit einer ersten Ausfüh rungsform einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage,

Fig. 5 eine Darstellung analog zu Fig. 3, mit einer Verbundlage als Gasdiffusi onslage gemäß der Erfindung (o.), und einer mikroporösen Partikelschicht sowie einem Kohlefaserflies als Gasdiffusionslage gemäß dem Stand der Technik (u.), und

Fig. 6 eine Ansicht analog zu Fig. 4, in welcher zwei weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Gasdiffusionslagen als Verbundlagen gezeigt sind.

Ausführungsformen der Erfindung

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen einer Membran-Elektroden- Anordnung 105 für eine elektrochemische Zelle, insbesondere eine Brennstoff zelle 10 eines Brennstoffzellenaggregats 1 für ein Niedertemperatur-Polymer- elektrolyt-Brennstoffzellensystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs, d. h. eines Kraftfahrzeugs aufweisend eine Brennstoffzelle bzw. ein Brennstoffzellensystem, näher erläutert. In der Zeichnung sind nur diejenigen Abschnitte des Brennstoffzellensystems dargestellt, welche für ein Verständnis der Erfindung notwendig sind. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbei spiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Ferner kann die Erfindung auf ei ne elektrochemische Zelle angewendet werden.

Die Figur 1 zeigt das Brennstoffzellenaggregat 1 gemäß einer bevorzugten Aus führungsform, mit wenigstens einer, insbesondere einer Mehrzahl von zu einem Brennstoffzellenstapel 10, ebenfalls als Brennstoffzelle 10 bezeichnet, gebündel ten Einzel-Brennstoffzellen 100 (Einzelzellen 100), die in einem bevorzugt fluid dichten Stapelgehäuse 16 untergebracht sind.

Jede Einzelzelle 100, vgl. auch die Fig. 2, umfasst einen Anodenraum 12 mit ei ner Gasdiffusionslage 120 (der Brennstoffzelle 10), und einen Kathodenraum 13 mit einer Gasdiffusionslage 130 (der Brennstoffzelle 10), die von einer Membran- Elektroden-Einheit 101 (MEA: Membrane Electrode Assembly) räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind (vgl. Detailausschnitt). Die Membran-Elek- troden-Einheit 101 (ohne Gasdiffusionslage(n) 120, 130) ist bevorzugt als eine mit katalytischen Elektroden 112, 113 beschichtete Membran 110 (CCM: Catalyst Coated Membrane) ausgebildet, wobei die Membran-Elektroden-Einheit 101 mit den Gasdiffusionslage(n) 120, 130 als eine Membran-Elektroden-Anordnung 105 bezeichnet ist.

Zwischen zwei direkt zueinander benachbarten Membran-Elektroden-Anordnun- gen 105 ist jeweils eine Bipolarplatte 140 angeordnet, welche einer Zuführung von Betriebsmedien 3, 5 in einen Anodenraum 12 einer ersten Einzelzelle 100 und einen Kathodenraum 13 einer direkt dazu benachbarten zweiten Einzelzelle 100 dient und darüber hinaus eine elektrisch leitende Verbindung zwischen die sen Einzelzellen 100 realisiert. - Zur Versorgung der Brennstoffzelle 10 mit ihren eigentlichen Betriebsmedien 3 (Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brenn stoff), 5 (Kathoden-Betriebsmedium) weist das Brennstoffzellenaggregat 1 eine Anodenversorgung 20 und eine Kathodenversorgung 30 auf. Die Anodenversorgung 20 umfasst insbesondere: einen Brennstoffspeicher 23 für das Anoden-Betriebsmedium 3 (hinströmend); einen Anoden-Versorgungs- pfad 21 mit einen Ejektor 24; einen Anoden-Abgaspfad 22 für ein Anoden-Abgas 4 (abströmend, meist in die Umgebung 2); bevorzugt eine Brennstoff-Rezirkula- tionsleitung 25 mit einer darin befindlichen Fluid-Fördereinrichtung 26 und ggf. einen Wasserabscheider. - Die Kathodenversorgung 30 umfasst insbesondere: einen Kathoden-Versorgungspfad 31 für das Kathoden-Betriebsmedium 5 (hin strömend, meist aus der Umgebung 2), mit bevorzugt einer Fluid-Fördereinrich tung 33; einen Kathoden-Abgaspfad 32 für ein Kathoden-Abgas 6 (abströmend, meist in die Umgebung 2) mit bevorzugt einer Turbine 34, ggf. der eines Abgas turboladers; bevorzugt einem Feuchteübertrager 36; ggf. einem Wastegate 35 zwischen dem Kathoden-Versorgungspfad 31 und dem Kathoden-Abgaspfad 22; und ggf. einen Wasserabscheider.

Das Brennstoffzellenaggregat 1 umfasst ferner insbesondere eine Kühlmedium versorgung 40, durch welche hindurch die Brennstoffzelle 10 bevorzugt mittels ih rer Bipolarplatten 140 in einen Kühlkreislauf wärmeübertragend zum Temperie ren einbindbar ist. Die Kühlmediumversorgung 40 umfasst einen Kühlmedium- Zulaufpfad 41 und einen Kühlmedium-Ablaufpfad 42. Eine Förderung des in der Kühlmediumversorgung 40 zirkulierenden Kühlmediums 7 (hinströmend), 8 (ab strömend) erfolgt bevorzugt mittels wenigstens einer Kühlmedium-Fördereinrich- tung 43. - Das Brennstoffzellensystem umfasst neben dem Brennstoffzellenag gregat 1 periphere Systemkomponenten, wie z. B. ein Steuergerät, welches ei nes des Brennstoffzellenfahrzeugs sein kann.

Die Fig. 2 zeigt eine Einzelzelle 100 gemäß dem Stand der Technik, aufweisend die zentrale, dreilagige Membran-Elektroden-Einheit 101 (Membran 110 mit kata lytischer Anoden- 112 und Kathodenelektrode 113). An der jeweiligen Elektrode 112, 113 ist eine Gasdiffusionslage 120, 130 angeordnet, die jeweils gegenüber liegend zur Membran-Elektroden-Einheit 101 von einer Bipolarplatte 140 bedeckt ist. Anoden- bzw. Kathodenkanäle für das Betriebsmedium 3/5 (Betriebsmedium kanäle) in der jeweiligen Bipolarplatte 140, die jeweilige Gasdiffusionslage 120/130 und die jeweilige Anoden- 112 bzw. Kathodenelektrode 113 bilden eine Anode 102 bzw. Kathode 103 der Einzelzelle 100. Die Anoden- bzw. Katho denkanäle in der jeweiligen Bipolarplatte 140 sowie ein Raum für die betreffende Gasdiffusionslage 120/130 bilden jeweils einen Anoden- 12 bzw. Kathodenraum 13 der Einzelzelle 100.

Eine Gasdiffusionslage 120, 130 hat innerhalb der Brennstoffzelle 10 bzw. der Einzelzelle 100 verschiedene Aufgaben. Dazu zählen u. a. ein Stofftransport (Anoden- bzw. Kathoden-Betriebsmedium 3, 5; Anoden- bzw. Kathoden-Abgas 4, 6; Wasser; etc.), eine Leitung von Wärme, eine Leitung von elektrischem Strom und/oder eine mechanisch-statische Kraftverteilung. In einem Stand der Technik (vgl. Fig. 2 und Fig. 3 u.) umfasst die Gasdiffusionslage 130, 120 jeweils kanal seitig, also den Anoden- bzw. Kathodenkanälen zugewandt, ein Kohlefaserflies 134, 124 (GDB: Gas Diffusion Backing) und jeweils katalysatorseitig, also der ka talytischen Kathoden- 113 bzw. Anodenelektrode 112 zugewandt, eine mikropo röse Partikelschicht 135, 125 (MPL: Micro-Porous Layer).

Ein Kohlefaserflies 134/124 (vgl. Fig. 3, nur die untere Hälfte ohne die mikroporö se Partikelschicht 135/125) leitet entlang seinen Ebenen (Ebenenrichtung E) Wärme und Strom gut und durch die Ebenen hindurch (Dickenrichtung D) schlechter; es besitzt also eine anisotrope thermische und elektrische Leitfähig keit. Eine freistehende, d. h. mit dem Anoden- bzw. Kathodenraum 12, 13 in ei nem direkten Fluidkontakt stehende, mikroporöse Partikelschicht 125/135 (vgl. Fig. 3, nur die obere Hälfte), besitzt eine quasi isotrope, jedoch schlechte thermi sche und elektrische Leitfähigkeit. - Die insgesamt ggü. einem Kohlefaserflies 124, 134 schlechteren Leitfähigkeiten führen bei einer freistehenden mikroporö sen Partikelschicht 125, 135 typischerweise zu einem schlechten Wärmeaustrag aus einer Einzelzelle 100.

Dies kann mittels einer Simulation verdeutlicht werden und zeigt sich z. B. in Wärmestaus in den Bereichen unterhalb der Anoden- bzw. Kathodenräume 12, 13. Dies ist in der Fig. 3 o. dargestellt (Temperaturkurven: Ti > T ₂ > T ₃ ). Ferner ist in der Fig. 3 während eines simulierten Betriebs der Einzelzelle 100 ein deutli cher Unterschied einer Wärmeverteilung (ca. 68,2°C = Ti > T ₂ > T ₃ = ca. 67,1°C (> T ₄ > T ₅ > Te, vgl. Fig. 5)) zwischen der freistehenden mikroporösen Partikel schicht 125/135 in einem oberen Bereich der Einzelzelle 100 (d. h. o. in Fig. 3), und der Gasdiffusionslage 130/120 gemäß dem Stand der Technik in einem un teren Bereich der Einzelzelle 100 (d. h. u. in Fig. 3), aufweisend die katalysator- seitige mikroporöse Partikelschicht 135/125 und das kanalseitige Kohlefaserflies 134/124, zu erkennen.

Die Wärmestaus (vgl. Fig. 3 o.) unterhalb der Anoden- bzw. Kathodenkanäle wir ken sich nachteilig auf einen Stofftransport innerhalb der freistehenden mikropo rösen Partikelschicht 125/135 aus und begünstigen Degradation. Ferner zeigen sich Temperaturinhomogenitäten in den denjenigen Bereichen, wo die mikropo röse Partikelschicht 125/135 mit den Anoden- bzw. Kathodenkanälen und der be treffenden Bipolarplatte 140 zusammenreffen. Diese Temperaturinhomogenitäten setzen sich von dort jeweils ausgehend zwischen der mikroporösen Partikel schicht 125/135 und der betreffenden Bipolarplatte 140 in die Einzelzelle 100 fort.

Weiterhin zeigen sich in der mikroporösen Partikelschicht 125/135 in denjenigen Bereichen, mit welchen sie in einem mechanischen Kontakt mit den Bipolarplat ten 140 steht, starke Temperaturgardienten, sogenannte ,Coldspots‘ (Einfluss des Kühlmediums 7), an welchen unerwünschte Kondensation von Wasser mög lich ist, was zu Massentransportverlusten in der mikroporösen Partikelschicht 125/135 führen kann. - Die Temperaturverteilung in Fig. 3 u. (mikroporöse Parti kelschicht 135/125 und Kohlefaserflies 134/124) ist sowohl auf Seiten der Memb- ran-Elektroden-Einheit 101 als auch kanäle-/stegseitig der Bipolarplatte 140 deut lich homogener als in der freistehenden mikroporösen Partikelschicht 125/135.

U. a. mit Bezug auf Fig. 3 ist die freistehende mikroporöse Partikelschicht 125/ 135, also o. in Fig. 3, in ihren horizontalen Ebenen (Ebenenrichtung E) thermisch deutlich schlechter leitfähig als ein Gasdiffusionslagen-Sandwich gemäß dem Stand der Technik, also u. in Fig. 3. Dies rührt daher, dass im herkömmlichen Gasdiffusionslagen-Sandwich aus der mikroporösen Partikelschicht 135/125 und dem Kohlefaserflies 134/124 eine Faserstruktur des Kohlefaserflieses 134/124 einen Hauptbeitrag zur thermischen Leitfähigkeit in der Ebene beiträgt, dieser je doch bei der freistehenden mikroporösen Partikelschicht 125/135 fehlt.

Gemäß der Erfindung wird ein, ggf. mehrfaches, Gasdiffusionslagen-Sandwich aus wenigstens einer in eine mikroporöse Partikellage 122/132 wenigstens ab schnittsweise eingebettete offenporöse, insbesondere metallische, Material schicht 123/133 gelehrt; eine sogenannte erfindungsgemäße poröse Verbundla- ge 120/130 als Schicht der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung 105. Diese poröse Verbundlage 120/130 als ein Bestandteil einer oder als eine gesamte Gasdiffusionslage 120/130 ist o. eingehend erläutert, weswegen im Fol genden nur noch auf die Beispiele in den Fig. 4 bis 6 näher eingegangen ist.

Die Fig. 4 zeigt in einer Membran-Elektroden-Anordnung 105 einer Brennstoffzel le 100 eine Kombination einer erfindungsgemäßen porösen Verbundlage 120/

130 als Gasdiffusionslage 120/130 (Fig. 4 o.), mit einer Gasdiffusionslage 130/ 120 gemäß dem Stand der Technik (Fig. 4 u.). - Die erfindungsgemäße poröse Verbundlage 120/130 (Fig. 4 o.) umfasst eine einzige offenporöse Materialschicht 123/133, die zu einer Außenseite der (einzigen) mikroporösen Partikellage 122/ 132, in welche sie eingebettet ist, näher benachbart liegt, als zu einer betreffen den katalytischen Elektrode 112/113. Die Gasdiffusionslage 130/120 gemäß dem Stand der Technik (Fig. 4 u.) umfasst, analog zur Fig. 3, eine einzige mikroporö se Partikelschicht 135/125 direkt benachbart zur betreffenden katalytischen Elek trode 113/114 und darauf angeordnet ein Kohlefaserflies 134/124.

Die Fig. 5 zeigt analog zu und mit den Temperaturangaben aus der Fig. 3 eine simulierte Wärmeverteilung ((Ti > T ₂ >) ca. 67,1°C = T ₃ > T ₄ > T ₅ > Je = 65,8°C) der erfindungsgemäßen porösen Verbundlage 120/130 (Fig. 5 o.) mit einer Gas diffusionslage 130/120 gemäß dem Stand der Technik (Fig. 5 u., jedoch nur be dingt, vgl. u.; vgl. a. Fig. 3 u.) in einem Betrieb der Brennstoffzelle 100. Hierbei ist gut zu erkennen, dass die Wärmestaus unterhalb der Anoden- bzw. Kathodenka näle sowie die Temperaturinhomogenitäten in denjenigen Bereichen, wo nun die mikroporöse Partikellage 122/132 mit den Anoden- bzw. Kathodenkanälen und der betreffenden Bipolarplatte 140 zusammenreffen, im Wesentlichen ver schwunden sind, was natürlich auch auf die damit einhergehenden Nachteile zu trifft.

Zu bemerken ist hierbei, dass die Fig. 3 u. und die Fig. 5 u. identisch ausgestalte te und aufgebaute Abschnitte von Membran-Elektroden-Anordnungen 105 bei gleicher simulierter Leistung der Brennstoffzelle 100 zeigen. Die Abweichungen der Fig. 5 u. ggü. der Fig. 3 u., d. h. die Verbesserungen der Wärmeverteilung abseits der Erfindung (Fig. 5 o.) im Bereich der herkömmlichen Gasdiffusionslage 130/120 (Fig. 5 u.) ist auf einen thermischen Einfluss der erfindungsgemäßen po- rösen Verbundlage 120/130 (Fig. 5 o.) zurückzuführen. - D. h. bei einer doppel seitigen Anwendung der Erfindung ist mit einer weiteren Verbesserung der Wär meverteilung zu rechnen.

Die Fig. 6 zeigt zwei weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung. - Die Fig. 6 o. zeigt - im Gegensatz zur Fig. 5 o., die eine ebene und plattenförmig ausgebilde te, offenporöse Materialschicht 123/133 lehrt - eine gewellte Materialschicht 123/ 133 (analog zu einem Wellblech). Die z. B. sinusförmig gewellte offenporöse Ma terialschicht 123/133 liegt dabei abschnittweise näher an der Membran-Elektro- den-Einheit 101 und abschnittweise näher an der betreffenden Bipolarplatte 140. Diejenigen Abschnitte, mit welchen die gewellte offenporöse Materialschicht 123/ 133 näher an der Membran-Elektroden-Einheit 101 liegt, liegen bevorzugt den Betriebsmediumkanälen der betreffenden Bipolarplatte 140 in Dickenrichtung D im Wesentlichen direkt gegenüber. Hierbei kann die gewellte offenporöse Materi alschicht 123/133 mit der betreffenden Bipolarplatte 140 und/oder der betreffen den Elektrode 112/113 in direktem mechanischen Kontakt stehen.

Ferner zeigt die Fig. 6 u. eine offenporöse Trapez-Materialschicht 133/123 (ana log zu einem Trapezblech), die sich, analog zur Fig. 6 o., wiederum abschnitts weise näher an die Membran-Elektroden-Einheit 101 und abschnittsweise näher an die betreffenden Bipolarplatte 140 hinerstreckt. Hierbei ist die Trapez-Material schicht 133/123 als eine lose-fragmentierte offenporöse Materialschicht 133/123 im Gegensatz zu den Fig. 5 o. und Fig. 6 o. ausgebildet, die jeweils eine zusam menhängende, homogene offenporöse Materialschicht 123/133 zeigen.