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EP4437604A1 - Verfahren zum herstellen einer gasdiffusionslage, gasdiffusionslage, brennstoffzelle sowie vorrichtung zum herstellen einer gasdiffusionslage - Google Patents

Verfahren zum herstellen einer gasdiffusionslage, gasdiffusionslage, brennstoffzelle sowie vorrichtung zum herstellen einer gasdiffusionslage

Info

Publication number
EP4437604A1
EP4437604A1 EP22817166.6A EP22817166A EP4437604A1 EP 4437604 A1 EP4437604 A1 EP 4437604A1 EP 22817166 A EP22817166 A EP 22817166A EP 4437604 A1 EP4437604 A1 EP 4437604A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas diffusion
diffusion layer
mixture
fibers
weight
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22817166.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Elisabeth Buehler
Marcus Wegner
Peter Lindner
Ulrich Berner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4437604A1 publication Critical patent/EP4437604A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0241—Composites
    • H01M8/0243—Composites in the form of mixtures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8663—Selection of inactive substances as ingredients for catalytic active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/8668—Binders
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
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    • C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
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    • C25B11/031—Porous electrodes
    • C25B11/032—Gas diffusion electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
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    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
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    • C25B11/069—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material consisting of at least one single element and at least one compound; consisting of two or more compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
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    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
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    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • a fuel cell is an electrochemical cell.
  • the fuel cell converts the energy of a chemical reaction of a fuel with an oxidant directly into electricity.
  • a special type of fuel cell is the polymer electrolyte membrane fuel cell.
  • gas diffusion layers comprising a microporous layer and a layer of carbon fiber fabric formed separate from the microporous layer.
  • gas diffusion layers which comprise a microporous layer and a layer of carbon fiber fabric formed and manufactured separately from the microporous layer, takes place under very high temperatures, in particular temperatures above 1000° C., and are i.a. This makes it very complicated and expensive to manufacture.
  • gas diffusion layers produced in this way do not have optimum properties for operating the fuel cell or a fuel cell stack.
  • the present invention shows a method for producing a gas diffusion layer according to the features of claim 1, a gas diffusion layer according to the features of claim 8, a fuel cell according to the features of claim 14 and a device for manufacturing a gas diffusion layer according to the invention according to the features of claim 15.
  • the present invention shows a method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell or an electrolyzer, the method comprising as a step a mixing of elongate, electrically and thermally conductive fibers, preferably carbon fibers, and of electrically and thermally conductive conductive particles, preferably soot particles, as well as a binder, preferably PVDF and/or PTFE, for connecting the fibers and the conductivity particles by means of at least one solvent, preferably NMP and/or DMSO, to form at least one gas diffusion layer mixture.
  • the method has as a step providing a
  • the method according to the invention comprises as a step arranging at least one layer of the at least one gas diffusion layer mixture on an upper side of the carrier body. Furthermore, as a step, the method has a removal of the solvent from the at least one gas diffusion layer mixture for producing the gas diffusion layer on the upper side of the carrier body.
  • a preferred sequence of the process steps provides that in a first step, the fibers, the conductivity particles and the binder are mixed by means of at least one solvent to form at least one Gas diffusion layer mixture takes place. In a subsequent step, at least one layer of the at least one gas diffusion layer mixture is arranged on an upper side of the carrier body provided. In an additional step, the mixture of gas diffusion layers arranged on the upper side of the carrier body can be adjusted to a determinable thickness and/or smoothed out, for example by means of a squeegee process.
  • the solvent is removed from the at least one gas diffusion layer mixture to produce the gas diffusion layer.
  • the gas diffusion layer produced can be cut to determinable dimensions in an additional step.
  • the gas diffusion layer produced can be detached from the carrier body, for example pulled off.
  • the conductivity particles can in particular be primary particles and/or aggregates and/or agglomerates.
  • the conductive particles are also used in particular for electrically and thermally connecting the fibers.
  • the connection of the fibers and the conductivity particles by means of the binder is in particular a permanent connection.
  • the binder forms an electrically and thermally conductive “glue” with the conductive particles. A particularly uniform thermal and electrical flow over the gas diffusion layer can thus be ensured.
  • the binder can be, for example, PVDF (polyvinylidene difluoride) and/or PTFE (polytetrafluoroethylene).
  • the solvent serves in particular to advantageously mix the fibers, the conductive particles and the binder. It is also conceivable that several solvents are used for the particularly advantageous mixing of the fibers, the conductivity particles and the binder. Only one solvent is preferably used in order to keep the costs for producing the gas diffusion layer particularly low.
  • NMP N-methyl-2-pyrrolidone
  • DMSO dimethyl sulfoxide
  • the carrier body is in particular a plate-shaped body, for example a foil.
  • the carrier body can on an arrangement unit, for example.
  • the fibers and/or the conductivity particles and/or the binder and/or the solvent and/or the stability particles and/or the pore formers and/or the free-radical scavengers can be mixed in particular by means of a mixing device, in particular by means of a rotating element of the mixing device.
  • Arranging the gas diffusion layer mixture on the upper side of the carrier body is in particular a metered arrangement, for example by means of a metering unit of a metering device.
  • Several identical and/or different gas diffusion layer mixtures can also be arranged on the upper side of the carrier body, for example by means of several dosing units of the dosing device. It is also conceivable that a further layer of the same or a different gas diffusion layer mixture is arranged on a layer already arranged on the upper side of the carrier body.
  • a gas diffusion layer can advantageously be produced in a particularly simple and cost-effective manner using the method according to the invention.
  • a layer of the at least one gas diffusion layer mixture arranged on an upper side of the carrier body can advantageously form the properties of a microporous layer and a layer of carbon fiber fabric formed separately from the microporous layer.
  • a gas diffusion layer produced in this way can have particularly advantageous properties for the operation of a fuel cell or a fuel cell system.
  • the pore properties can also be influenced without pore formers.
  • the properties of the gas diffusion layer can be controlled via the drying process and/or the composition of the gas diffusion layer mixture and/or the viscosity.
  • a gas diffusion layer with a porosity of between 50 and 80%, preferably between 55 and 70% can advantageously be produced with the method according to the invention.
  • the arranged gas diffusion layer mixture is dried, with a temperature for drying the gas diffusion layer mixture not exceeding 140° C., in particular 120° C.
  • thermoplastics such as PVDV and/or PTFE can be used particularly advantageously as binders.
  • a gas diffusion layer can be produced in a particularly cost-effective and simple manner.
  • the drying can be passive drying. In other words, the drying can be done without actively applying thermal energy, so that the solvent volatilizes over time.
  • the drying it is also conceivable for the drying to be active drying by actively supplying thermal energy, for example by heating.
  • an arrangement device for arranging the carrier body can have a heating element in order to actively supply thermal energy for drying.
  • the active drying takes place at least temporarily at a temperature between 60° and 200° C., preferably at least temporarily at a temperature between 100° and 140° C.
  • the fibers and the conductivity particles can be mixed by means of a solvent to form a conductivity mixture, and that the binder (separately from the conductivity mixture) is mixed with a solvent to form a binder mixture, the conductivity mixture and the binder mixture then being mixed to form the gas diffusion layer mixture become.
  • a particularly advantageous gas diffusion layer mixture can thus advantageously be produced.
  • soot particles (as conductivity particles) or soot particles and graphite (as stability particles) together with carbon fibers (as fibers) and DMSO (as solvent) can be mixed together to form the conductivity mixture.
  • PVDV as a binder
  • DMSO as solvent
  • the solids content of the gas diffusion layer mixture can be 5 to 50 percent by weight, in particular 15 to 30 percent by weight, based on the total weight of the gas diffusion layer mixture.
  • the gas diffusion layer mixture can thus be arranged on the carrier body in a particularly simple manner using a dosing unit of a dosing device.
  • a multilayer gas diffusion layer in particular at least two layers of the multilayer gas diffusion layer being based on a different gas diffusion layer mixture.
  • a gas diffusion layer with specially adapted properties can thus be produced.
  • a first layer of a first gas diffusion layer mixture arranged on the upper side of the carrier body can be adapted to a first determinable thickness, e.g. by means of a squeegee process, and then at least one further layer of a second gas diffusion layer mixture arranged, wherein the second layer is also adjusted to a determinable height, for example.
  • the first and second gas diffusion layer mixture can be different here, in particular have different properties.
  • a gas diffusion layer can thus be produced which is less hydrophobic near the catalyst so that the catalyst does not dry out, and the gas diffusion layer is more hydrophobic on the flow field side so that process water from the operation of the fuel cell can be removed particularly quickly.
  • At least one surface is arranged on the carrier body
  • Gas diffusion layer mixture is smoothed out, in particular is smoothed out by means of a squeegee process. Smoothing out allows the fibers to be aligned on the surface of the gas diffusion layer mixture.
  • the gas diffusion layer on the surface can particularly advantageously imitate the properties of a conventional microporous layer in an improved manner. Smoothing out by means of a squeegee process takes place in particular by means of a squeegee blade after or during the arrangement of at least one layer of the at least one gas diffusion layer mixture on an upper side of the carrier body.
  • the smoothed surface of the gas diffusion layer produced faces in particular the membrane of the fuel cell.
  • that side of the produced gas diffusion layer which faces the carrier body during the production of the gas diffusion layer faces away from the membrane of the fuel cell in particular.
  • pore formers to form pores in the gas diffusion layer and/or radical scavengers to inactivate radicals and/or stability particles, in particular graphite, to mechanically stabilize the Gas diffusion layer to be added.
  • radicals and/or stability particles in particular graphite
  • the properties of the gas diffusion layer can thus be adapted in a particularly advantageous manner.
  • the proportion of graphite as stability particles is in particular up to 20 percent by weight based on the total weight of the gas diffusion layer.
  • the present invention shows a gas diffusion layer for a fuel cell or an electrolyzer, the gas diffusion layer comprising 40 to 80 percent by weight, in particular 50 to 70 percent by weight, fibers, preferably carbon fibers, based on the total weight of the gas diffusion layer.
  • the fibers are elongate and electrically conductive as well as thermally conductive.
  • the gas diffusion layer comprises 10 to 40 percent by weight, in particular 15 to 30 percent by weight, conductivity particles, preferably soot particles, based on the total weight of the gas diffusion layer.
  • the conductivity particles are electrically and thermally conductive.
  • the gas diffusion layer comprises 10 to 30 percent by weight, in particular 15 to 25 percent by weight, of binder, preferably PVDF and/or PTFE, based on the total weight of the gas diffusion layer.
  • binder preferably PVDF and/or PTFE, based on the total weight of the gas diffusion layer.
  • the binder connects at least the fibers and the conductive particles.
  • the dimensions, in particular diameter and/or length, of the conductivity particles are in particular smaller than the dimensions of the fibers.
  • the fibers have a length of 50 to 6000 ⁇ m, in particular a length of 80 to 250 ⁇ m, and/or that the fibers have a diameter of 2 to 20 ⁇ m, in particular a diameter of 7 to 10 pm.
  • a particularly cost-effective gas diffusion layer can thus be produced.
  • fibers with a length of 80 to 250 ⁇ m can be produced particularly easily and therefore inexpensively.
  • a gas diffusion layer according to the invention can also comprise up to 20 percent by weight of graphite as stability particles, based on the total weight, for mechanical stabilization of the gas diffusion layer.
  • graphite is particularly advantageous for mechanically stabilizing the gas diffusion layer.
  • a gas diffusion layer according to the invention can particularly advantageously also comprise pore formers for forming pores in the gas diffusion layer and/or radical scavengers for inactivating radicals.
  • a gas diffusion layer according to the invention can be produced by means of a method according to the invention.
  • a gas diffusion layer can advantageously be produced in a particularly simple and cost-effective manner using the method according to the invention.
  • a layer of the at least one gas diffusion layer mixture arranged on an upper side of the carrier body can advantageously Properties of a conventional gas diffusion layer with a microporous layer and a layer of carbon fiber fabric formed separately from the microporous layer can be simulated in a particularly advantageous manner.
  • the gas diffusion layer according to the second aspect of the invention thus has the same advantages as have already been described for the method according to the invention according to the first aspect of the invention.
  • the present invention shows a fuel cell having a membrane and a gas diffusion layer according to the invention, in particular a smoothed surface of the gas diffusion layer facing the membrane of the fuel cell, or an electrolyzer having a membrane and a gas diffusion layer according to the invention, in particular a smoothed surface of the gas diffusion layer facing the membrane of the electrolyser.
  • the fuel cell according to the third aspect of the invention thus has the same advantages as have already been described for the method according to the first aspect of the invention or the gas diffusion layer according to the second aspect of the invention.
  • the present invention shows a device, wherein the device is designed to carry out a method according to the invention for producing a gas diffusion layer.
  • the device has in particular a mixing device for mixing the fibers and/or the conductivity particles and/or the binder and/or the solvent and/or the stability particles and/or the pore formers and/or the free-radical scavengers, with the mixing being carried out in particular by means of a rotary element Mixing device takes place.
  • the device according to the invention can have a metering device with at least one metering unit for the metered arrangement of a gas diffusion layer mixture on the upper side of the carrier body or on a layer already arranged on the carrier body.
  • the device according to the invention an arrangement device with a Arrangement unit, e.g. a body with a flat surface, for arranging the carrier body, the arrangement unit having in particular a heating element to actively supply thermal energy for drying the gas diffusion layer mixture or the gas diffusion layer.
  • the device according to the fourth aspect of the invention thus has the same advantages as have already been described for the method according to the first aspect of the invention or the gas diffusion layer according to the second aspect of the invention or the fuel cell according to the third aspect of the invention.
  • FIG. 6 shows part of an embodiment of a fuel cell according to the invention
  • 7 shows an embodiment of a device according to the invention.
  • Figure 1 discloses an embodiment of a method according to the invention for producing a gas diffusion layer 10, the method providing that in one step the fibers, the conductivity particles and the binder are mixed 120 by means of at least one solvent to form at least one gas diffusion layer mixture 100a.
  • a carrier body 30, e.g. a foil, is also provided 140.
  • at least one layer 104a of the at least one gas diffusion layer mixture 100a is arranged on an upper side 31 of the carrier body 30 provided 160.
  • the solvent is removed from the at least one Gas diffusion layer mixture 100a is removed 180 for producing the gas diffusion layer 10 on the upper side of the carrier body.
  • the produced gas diffusion layer 10 can be cut to determinable dimensions in an additional step (not shown).
  • the gas diffusion layer 10 produced can be detached from the carrier body, for example pulled off (not shown).
  • FIG. 2 discloses a further embodiment of a method according to the invention for producing a gas diffusion layer 10, the method providing that in one step of the method the fibers, in particular carbon fibers, and the conductive particles, in particular soot particles, are treated by means of a solvent, in particular NMP and/or DMSO. are mixed to form a conductivity mixture 121, and that the binder, in particular PVDV, is mixed with a solvent, in particular NMP and/or DMSO to form a binder mixture 122, with the conductivity mixture and the binder mixture then being mixed to form a gas diffusion layer mixture 100a 123.
  • a solvent in particular NMP and/or DMSO.
  • the binder mixture can, for example, be a 10% solution consisting of PVDF and NMP.
  • the mixing 123 of the conductivity mixture and the binding agent mixture to form a gas diffusion layer mixture 100a can take place in particular for 3 to 7 minutes, in particular 5 minutes, at 1500 to 2500 revolutions, in particular 2000 revolutions, with the aid of a rotary element.
  • a carrier body 30, e.g. a foil, is also provided 140.
  • At least one layer 104a of the at least one gas diffusion layer mixture 100a is arranged on an upper side 31 of the carrier body 30 provided 160.
  • the solvent is removed from the at least one Gas diffusion layer mixture 100a for producing the gas diffusion layer 10 removed 180.
  • the removal 180 of the solvent from the gas diffusion layer mixture 100a can in particular be drying 181, with a temperature for drying the gas diffusion layer mixture 100a preferably not exceeding 140° C., in particular 120° C.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a method according to the invention, the method providing for the fibers, the conductivity particles and the binder to be mixed 120 in one step using at least one solvent to form at least one gas diffusion layer mixture 100a.
  • a carrier body 30, e.g. a film, is also provided 140.
  • at least a first layer 104a of the at least one gas diffusion layer mixture 100a is arranged on an upper side 31 of the carrier body 30 provided 160.
  • the solvent is removed from the at least a gas diffusion layer mixture 100a for producing the gas diffusion layer 10 on the upper side 31 of the carrier body 30 is removed 180, with a surface 101 of the gas diffusion layer mixture 100a arranged on the carrier body 30 being smoothed out 170 before or during the removal 180 of the solvent.
  • a further layer 104b of a gas diffusion layer mixture 100b can be arranged 160 on the surface 101 of the first layer 104a.
  • the solvent from the further Gas diffusion layer mixture 100b removed 180 for producing the gas diffusion layer 10 with a surface of the gas diffusion layer mixture 100b arranged on the surface 100 of the first layer 104a being smoothed out 170 before or during the removal 180 of the solvent.
  • a multilayer gas diffusion layer 10 can thus be produced
  • FIG. 4 shows an embodiment of a gas diffusion layer 10 according to the invention.
  • the gas diffusion layer 10 is particularly plate-shaped and can be used in a fuel cell 200 or an electrolyzer 220, for example.
  • FIG. 5 shows an embodiment of a two-layer gas diffusion layer 10 as an example of a multilayer gas diffusion layer 10 with a first layer 104a and a second layer 104b arranged on the first layer 104a.
  • FIG. 6 schematically discloses part of an embodiment of a fuel cell 200 according to the invention having a membrane 202 and a gas diffusion layer 10 according to the invention, with a smoothed surface 101 of the gas diffusion layer 10 facing the membrane of the fuel cell 200.
  • the fuel cell 200 can also be understood as an electrolyzer 220 .
  • Figure 7 shows a side view of an embodiment of a device 300 according to the invention for carrying out a method according to the invention for producing a gas diffusion layer 10.
  • the device 300 has an arrangement device with an arrangement unit 310, e.g. a conveyor belt, for arranging a carrier body 30.
  • the device 300 comprises at least one metering device with at least one metering unit 320a for the metered application of a first gas diffusion layer mixture 100a.
  • a first layer 104a of the gas diffusion layer mixture 100a can be smoothed out and brought to a determinable height by means of a squeegee process.
  • the smoothing by means of a squeegee process is carried out by a squeegee blade 330a.
  • the device 300 can additionally have at least one further metering unit 320b for the metered application of a second gas diffusion layer mixture 100b.
  • the second gas diffusion layer composition 100b may be the same as or different from the first gas diffusion layer composition 100a.
  • a second layer 104b of the gas diffusion layer mixture 100b can be smoothed out and brought to a determinable height by means of a further doctor blade 330b.
  • the arrangement device can have heating elements, for example.

Landscapes

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Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Gasdiffusionslage (10) für eine Brennstoffzelle (200), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: - Vermischen (120) von - länglich ausgebildeten, elektrisch sowie thermisch leitfähigen Fasern, - elektrisch sowie thermisch leitfähigen Leitfähigkeitspartikeln, - einem Bindemittel zum Verbinden der Fasern und der Leitfähigkeitspartikel, mittels zumindest einem Lösungsmittel zu zumindest einem Gasdiffusionslagengemisch (100a, 100b), - Bereitstellen (140) eines Trägerkörpers (30), - Anordnen (160) zumindest einer Schicht (104a, 104b) des zumindest einen Gasdiffusionslagengemisches (100a, 100b) auf einer Oberseite (31) des Trägerkörpers (30), - Entfernen (180) des Lösungsmittels aus dem zumindest einen Gasdiffusionslagengemisch (100a, 100b) zum Herstellen der Gasdiffusionslage (10) an der Oberseite (31) des Trägerkörpers (30).

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Herstellen einer Gasdiffusionslage, Gasdiffusionslage, Brennstoffzelle sowie Vorrichtung zum Herstellen einer Gasdiffusionslage
Stand der Technik
Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle. Die Brennstoffzelle wandelt die Energie einer chemischen Reaktion eines Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel direkt in Elektrizität um. Es existieren verschiedene Typen von Brennstoffzellen. Ein spezieller Brennstoffzellentyp ist die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle.
Bekannte Brennstoffzellen weisen Gasdiffusionslagen, die eine mikroporöse Schicht und eine getrennte von der mikroporösen Schicht ausgebildete Schicht aus Kohlefasergewebe umfassen, auf. Nachteiligerweise erfolgt die Herstellung von Gasdiffusionslagen, die eine mikroporöse Schicht und eine getrennte von der mikroporösen Schicht ausgebildete und hergestellte Schicht aus Kohlefasergewebe umfassen, unter sehr hohen Temperaturen, insbesondere Temperaturen über 1000 °C, und sind u. a. dadurch sehr aufwendig und kostenintensiv in der Herstellung. Ferner weisen derart hergestellte Gasdiffusionslagen keine optimalen Eigenschaften für einen Betrieb der Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellenstapels auf.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer Gasdiffusionslage gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Gasdiffusionslage gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8, eine Brennstoffzelle gemäß den Merkmalen des Anspruchs 14 sowie eine Vorrichtung zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage gemäß den Merkmalen des Anspruchs 15.
Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage, der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und der erfindungsgemäßen Vorrichtung 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 ein Verfahren zum Herstellen einer Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur, wobei das Verfahren als einen Schritt ein Vermischen von länglich ausgebildeten, elektrisch sowie thermisch leitfähigen Fasern, vorzugsweise Carbonfasern, sowie von elektrisch sowie thermisch leitfähigen Leitfähigkeitspartikeln, vorzugsweise Rußpartikel, sowie von einem Bindemittel, vorzugsweise PVDF und/oder PTFE, zum Verbinden der Fasern und der Leitfähigkeitspartikel, mittels zumindest einem Lösungsmittel, vorzugsweise NMP und/oder DMSO, zu zumindest einem Gasdiffusionslagengemisch aufweist. Ferner weist das Verfahren als einen Schritt ein Bereitstellen eines
Trägerkörpers, bspw. einer Folie, auf. Außerdem umfasst das erfindungsgemäße Verfahren als einen Schritt ein Anordnen zumindest einer Schicht des zumindest einen Gasdiffusionslagengemisches auf einer Oberseite des Trägerkörpers. Ferner weist das Verfahren als einen Schritt ein Entfernen des Lösungsmittels aus dem zumindest einen Gasdiffusionslagengemisch zum Herstellen der Gasdiffusionslage an der Oberseite des Trägerkörpers auf.
Die zuvor und die im Nachfolgenden beschrieben Verfahrensschritte können, sofern technisch sinnvoll, einzeln, zusammen, einfach, mehrfach, zeitlich parallel und/oder nacheinander in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden. Eine bevorzugte Reihenfolge der Verfahrensschritte sieht vor, dass in einem ersten Schritt ein Vermischen der Fasern, der Leitfähigkeitspartikeln sowie dem Bindemittel mittels zumindest einem Lösungsmittel zu zumindest einem Gasdiffusionslagengemisch erfolgt. In einem darauffolgenden Schritt wird zumindest eine Schicht des zumindest einen Gasdiffusionslagengemisches auf einer Oberseite des bereitgestellten Trägerkörpers angeordnet. In einem zusätzlichen Schritt kann das auf der Oberseite des Trägerkörpers angeordneten Gasdiffusionslagengemisch auf eine bestimmbare Dicke angepasst und/oder glattgestrichen werden, bspw. mittels eines Rakelprozesses. In einem nächsten Schritt wird das Lösungsmittel aus dem zumindest einen Gasdiffusionslagengemisch zum Herstellen der Gasdiffusionslage entfernt. Insbesondere kann in einem zusätzlichen Schritt die hergestellte Gasdiffusionslage auf bestimmbare Abmessungen zugeschnitten werden. Ferner kann in einem zusätzlichen Schritt die hergestellte Gasdiffusionslage von dem Trägerkörper gelöst werden, bspw. abgezogen werden.
Die Leitfähigkeitspartikel können insbesondere Primärpartikel und/oder Aggregate und/oder Agglomerate sein. Die Leitfähigkeitspartikel dienen ferner insbesondere zum elektrischen und thermischen Verbinden der Fasern. Das Verbinden der Fasern und der Leitfähigkeitspartikel mittels dem Bindemittel ist insbesondere ein dauerhaftes Verbinden. Das Bindemittel bildet mit den Leitfähigkeitspartikeln insbesondere einen elektrisch und thermisch leitfähigen „Kleber“. Somit kann ein besonders gleichmäßiger thermischer und elektrischer Fluss über die Gasdiffusionslage gewährleistet werden. Das Bindemittel kann bspw. PVDF (Polyvinylidendifluorid) und/oder PTFE (Polytetrafluorethylen) sein.
Das Lösungsmittel dient insbesondere zum vorteilhaften Vermischen der Fasern, der Leitfähigkeitspartikel und dem Bindemittel. Es ist ferner denkbar, dass mehrere Lösungsmittel zum besonders vorteilhaften Vermischen der Fasern, der Leitfähigkeitspartikel und dem Bindemittel eingesetzt werden. Vorzugsweise wird nur ein Lösungsmittel eingesetzt, um die Kosten zur Herstellung der Gasdiffusionslage besonders gering zu halten. Als Lösungsmittel können insbesondere NMP (N-Methyl-2-pyrrolidon) und/oder DMSO (Dimethylsulfoxid) eingesetzt werden. Vorzugsweise wird DMSO eingesetzt, da NMP als fortpflanzungsgefährdend eingestuft ist.
Der Trägerkörper ist insbesondere ein plattenförmiger Körper, bspw. eine Folie. Der Trägerkörper kann auf einer Anordnungseinheit, bspw. einem Körper mit einer ebenen Oberfläche, einer Anordnungsvorrichtung angeordnet werden, um den Trägerkörper für das Verfahren zum Herstellen der Gasdiffusionslage bereitzustellen.
Das Vermischen der Fasern und/oder der Leitfähigkeitspartikel und/oder des Bindemittels und/oder des Lösungsmittels und/oder der Stabilitätspartikel und/oder der Porenbildner und/oder der Radikalfänger kann insbesondere mittels einer Vermischvorrichtung, insbesondere mittels eines Rotationselements der Vermischvorrichtung, erfolgen.
Das Anordnen des Gasdiffusionslagengemisches auf der Oberseite des Trägerkörpers ist insbesondere ein dosiertes Anordnen, bspw. mittels einer Dosiereinheit einer Dosiervorrichtung. Es können auch mehrere gleiche und/oder unterschiedliche Gasdiffusionslagengemische auf der Oberseite des Trägerkörpers angeordnet werden, bspw. mittels mehrerer Dosiereinheiten der Dosiervorrichtung. Es ist auch denkbar, dass auf einer bereits an der Oberseite des Trägerkörpers angeordneten Schicht eine weitere Schicht des gleichen oder eines davon unterschiedlichen Gasdiffusionslagengemisches angeordnet wird.
Insbesondere wird eine Gasdiffusionslage mit nur einer Schicht hergestellt. Eine einschichtige Gasdiffusionslage kann besonders kostengünstig hergestellt werden. Insbesondere sind auch mehrschichtige Gasdiffusionslagen denkbar.
Vorteilhafterweise kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf besonders einfache und kostengünstige Weise eine Gasdiffusionslage hergestellt werden. Ferner kann vorteilhafterweise eine auf einer Oberseite des Trägerkörpers angeordnete Schicht des zumindest einen Gasdiffusionslagengemisches die Eigenschaften einer mikroporösen Schicht und einer getrennten von der mikroporösen Schicht ausgebildeten Schicht aus Kohlefasergewebe ausbilden. Ferner kann eine derart hergestellte Gasdiffusionslage besonders vorteilhafte Eigenschaften für den Betrieb einer Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellensystem aufweisen. Weiter können die Poreneigenschaften auch ohne Porenbildner beeinflusst werden. Die Eigenschaften der Gasdiffusionslage können über den Trocknungsprozess und/oder die Zusammensetzung des Gasdiffusionslagengemisches und/oder die Viskosität kontrolliert werden. Insbesondere kann vorteilhafterweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Gasdiffusionslage mit einer Porosität zwischen 50 bis 80 %, bevorzugterweise zwischen 55 bis 70 %, hergestellt werden.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Entfernen des Lösungsmittels aus dem Gasdiffusionslagengemisch das angeordnete Gasdiffusionslagengemisch getrocknet wird, wobei eine Temperatur zum Trocknen des Gasdiffusionslagengemisches 140 °C, insbesondere 120 °C, nicht überschreitet. Somit können thermoplastische Kunststoffe wie PVDV und/oder PTFE als Bindemittel besonders vorteilhaft eingesetzt werden. Vorteilhafterweise kann aufgrund der niedrigen Temperatur zum Trocknen auf besonders kostengünstige und einfache Weise eine Gasdiffusionslage hergestellt werden. Das Trocknen kann ein passives Trocknen sein. Mit anderen Worten kann das Trocknen ohne aktives Zuführen von thermischer Energie erfolgen, sodass das Lösungsmittel sich über die Zeit verflüchtigt. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Trocknen ein aktives Trocknen durch aktives Zuführen von thermischer Energie, bspw. durch Heizen, ist. Bspw. kann eine Anordnungsvorrichtung für ein Anordnen des Trägerkörpers ein Heizelement aufweisen, um thermische Energie für das Trocknen aktiv zuzuführen. Insbesondere erfolgt das aktive Trocknen zumindest zeitweise mit einer Temperatur zwischen 60° bis 200° C, vorzugsweise zumindest zeitweise mit einer Temperatur zwischen 100° bis 140° C.
Vorteilhafterweise können bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Fasern und die Leitfähigkeitspartikel mittels einem Lösungsmittel zu einem Leitfähigkeitsgemisch vermischt werden, und dass das Bindemittel (getrennt von dem Leitfähigkeitsgemisch) mit einem Lösungsmittel zu einem Bindungsmittelgemisch vermischt wird, wobei anschließend das Leitfähigkeitsgemisch und das Bindungsmittelgemisch zu dem Gasdiffusionslagengemisch vermischt werden. Vorteilhafterweise kann somit ein besonders vorteilhaftes Gasdiffusionslagengemisch erzeugt werden. Bspw. können in einem Schritt Rußpartikel (als Leitfähigkeitspartikel) oder Rußpartikel und Graphit (als Stabilitätspartikel) zusammen mit Carbonfasern (als Fasern) und DMSO (als Lösungsmittel) miteinander zu dem Leitfähigkeitsgemisch vermischt werden. In einem weiteren Schritt können PVDV (als Bindemittel) zusammen mit DMSO (als Lösungsmittel) miteinander zu dem Bindungsmittelgemisch vermischt werden, wobei anschließend das Leitfähigkeitsgemisch mit dem Bindungsmittelgemisch zu dem Gasdiffusionslagengemisch vermischt werden.
Mit besonderem Vorteil kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren für das Anordnen des Gasdiffusionslagengemisches auf der Oberseite des Trägerkörpers der Feststoffanteil des Gasdiffusionslagengemisches 5 bis 50 Gewichtsprozent, insbesondere 15 bis 30 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht des Gasdiffusionslagengemisches betragen. Somit kann das Gasdiffusionslagengemisch besonders einfach mit einer Dosiereinheit einer Dosiervorrichtung auf den Trägerkörper angeordnet werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können bei einem erfindungsgemäßen Verfahren mehrere Schichten an Gasdiffusionslagengemischen übereinander angeordnet werden, um eine mehrschichtige Gasdiffusionslage zu erhalten, wobei insbesondere zumindest zwei Schichten der mehrschichtigen Gasdiffusionslage auf einem unterschiedlichen Gasdiffusionslagengemisch basieren. Somit kann eine Gasdiffusionslage mit besonders angepassten Eigenschaften hergestellt werden. Insbesondere kann eine erste auf die Oberseite des Trägerkörpers angeordnete Schicht eines ersten Gasdiffusionslagengemisches auf eine erste bestimmbare Dicke angepasst werden, bspw. mittels eines Rakelprozesses, und im Anschluss wird auf die erste Schicht, insbesondere auf eine Oberfläche der ersten Schicht, zumindest eine weitere Schicht eines zweiten Gasdiffusionslagengemisches angeordnet, wobei die zweite Schicht ebenfalls auf eine bestimmbare Höhe angepasst wird, bspw. mittels eines Rakelprozesses. Das erste und zweite Gasdiffusionslagengemisch können hierbei unterschiedlich sein, insbesondere unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Somit kann eine Gasdiffusionslage hergestellt werden, welche in Katalysatornähe weniger hydrophob ist, damit der Katalysator nicht austrocknet, und wobei die Gasdiffusionslage auf der Flowfieldseite hydrophober ist, damit Prozesswasser aus dem Betrieb der Brennstoffzelle besonders schnell abgeführt werden kann.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zumindest eine Oberfläche eines auf dem Trägerkörper angeordneten Gasdiffusionslagengemisches glattgestrichen wird, insbesondere mittels eines Rakelprozesses glattgestrichen wird. Durch das Glattstreichen können die Fasern an der Oberfläche des Gasdiffusionslagengemisches ausgerichtet werden. Somit kann die Gasdiffusionslage an der Oberfläche besonders vorteilhaft verbessert die Eigenschaften einer konventionellen mikroporösen Schicht nachbilden. Das Glattstreichen mittels eines Rakelprozesses erfolgt insbesondere durch ein Rakelmesser nach dem oder während dem Anordnen zumindest einer Schicht des zumindest einen Gasdiffusionslagengemisches auf einer Oberseite des Trägerkörpers. Die glattgestrichene Oberfläche der hergestellten Gasdiffusionslage ist in einer Brennstoffzelle insbesondere der Membran der Brennstoffzelle zugewandt. Die während der Herstellung der Gasdiffusionslage dem Trägerkörper zugewandte Seite der hergestellten Gasdiffusionslage ist in einer Brennstoffzelle insbesondere der Membran der Brennstoffzelle abgewandt.
Vorteilhafterweise können bei einem erfindungsgemäßen Verfahren beim Vermischen der Fasern, Leitfähigkeitspartikel und dem Bindemittel zum Erzeugen des zumindest einen Gasdiffusionslagengemisches zusätzlich Porenbildner zum Bilden von Poren in der Gasdiffusionslage und/oder Radikalfänger zum Inaktivieren von Radikalen und/oder Stabilitätspartikel, insbesondere Graphit, zur mechanischen Stabilisierung der Gasdiffusionslage hinzugefügt werden. Somit können die Eigenschaften der Gasdiffusionslage besonders vorteilhaft angepasst werden. Der Anteil des Graphits als Stabilitätspartikel beträgt insbesondere bis zu 20 Gewichtsprozent bezogen auf das Gesamtgewicht der Gasdiffusionslage.
Gemäß einem zweiten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung eine Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur, wobei die Gasdiffusionslage 40 bis 80 Gewichtsprozent, insbesondere 50 bis 70 Gewichtsprozent, Fasern, vorzugsweise Carbonfasern, bezogen auf das Gesamtgewicht der Gasdiffusionslage umfasst. Die Fasern sind länglich ausgebildet und elektrisch leitfähig sowie thermisch leitfähig. Ferner umfasst die Gasdiffusionslage 10 bis 40 Gewichtsprozent, insbesondere 15 bis 30 Gewichtsprozent, Leitfähigkeitspartikel, vorzugsweise Rußpartikel, bezogen auf das Gesamtgewicht der Gasdiffusionslage. Die Leitfähigkeitspartikel sind elektrisch sowie thermisch leitfähig. Außerdem umfasst die Gasdiffusionslage 10 bis 30 Gewichtsprozent, insbesondere 15 bis 25 Gewichtsprozent, Bindemittel, vorzugsweise PVDF und/oder PTFE, bezogen auf das Gesamtgewicht der Gasdiffusionslage. Das Bindemittel verbindet zumindest die Fasern und die Leitfähigkeitspartikel.
Die Abmessungen, insbesondere Durchmesser und/oder Länge, der Leitfähigkeitspartikel sind insbesondere kleiner als die Abmessungen der Fasern.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage die Fasern eine Länge von 50 bis 6000 pm, insbesondere eine Länge von 80 bis 250 pm, aufweisen und/oder dass die Fasern einen Durchmesser von 2 bis 20 pm, insbesondere einen Durchmesser von 7 bis 10 pm, aufweisen. Somit kann eine besonders kostengünstige Gasdiffusionslage hergestellt werden.
Insbesondere Fasern mit einer Länge von 80 bis 250 pm sind besonders einfach und somit kostengünstig herstellbar.
Vorteilhafterweise kann eine erfindungsgemäße Gasdiffusionslage ferner bis zu 20 Gewichtsprozent Graphit als Stabilitätspartikel bezogen auf das Gesamtgewicht zur mechanischen Stabilisierung der Gasdiffusionslage umfassen. Graphit eignet sich besonders vorteilhaft zum mechanischen Stabilisieren der Gasdiffusionslage. Es ist jedoch auch vorstellbar auf Graphit vollständig zu verzichten, um eine besonders einfache und kostengünstige Gasdiffusionslage herstellen zu können.
Mit besonderem Vorteil kann eine erfindungsgemäße Gasdiffusionslage ferner Porenbildner zum Bilden von Poren in der Gasdiffusionslage und/oder Radikalfänger zum Inaktivieren von Radikalen umfassen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann eine erfindungsgemäße Gasdiffusionslage mittels einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sein. Vorteilhafterweise kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf besonders einfache und kostengünstige Weise eine Gasdiffusionslage hergestellt werden. Ferner kann vorteilhafterweise eine auf einer Oberseite des Trägerkörpers angeordnete Schicht des zumindest einen Gasdiffusionslagengemisches die Eigenschaften einer konventionellen Gasdiffusionslage mit einer mikroporösen Schicht und einer getrennten von der mikroporösen Schicht ausgebildeten Schicht aus Kohlefasergewebe besonders vorteilhaft nachbilden.
Die Gasdiffusionslage gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
Gemäß einem dritten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle aufweisend eine Membran und eine erfindungsgemäße Gasdiffusionslage, wobei insbesondere eine glattgestrichene Oberfläche der Gasdiffusionslage der Membran der Brennstoffzelle zugewandt ist, oder einen Elektrolyseur aufweisend eine Membran und eine erfindungsgemäße Gasdiffusionslage, wobei insbesondere eine glattgestrichene Oberfläche der Gasdiffusionslage der Membran des Elektrolyseurs zugewandt ist.
Die Brennstoffzelle gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bzw. der Gasdiffusionslage gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
Gemäß einem vierten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung, wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, ein Verfahren erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Gasdiffusionslage durchzuführen.
Die Vorrichtung weist insbesondere eine Vermischvorrichtung zum Vermischen der Fasern und/oder der Leitfähigkeitspartikel und/oder des Bindemittels und/oder des Lösungsmittels und/oder der Stabilitätspartikel und/oder der Porenbildner und/oder der Radikalfänger auf, wobei das Vermischen insbesondere mittels eines Rotationselements der Vermischvorrichtung erfolgt. Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Dosiervorrichtung mit zumindest einer Dosiereinheit zum dosierten Anordnen eines Gasdiffusionslagengemisches auf der Oberseite des Trägerkörpers oder auf einer bereits auf dem Trägerkörper angeordneten Schicht aufweisen. Weiter kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Anordnungsvorrichtung mit einer Anordnungseinheit, bspw. einem Körper mit einer ebenen Oberfläche, zum Anordnen des Trägerkörpers aufweisen, wobei die Anordnungseinheit insbesondere ein Heizelement, um thermische Energie für das Trocknen des Gasdiffusionslagengemisches bzw. der Gasdiffusionslage aktiv zuzuführen.
Die Vorrichtung gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bzw. der Gasdiffusionslage gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung bzw. der Brennstoffzelle gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
Weiter, 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 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 4 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage,
Fig. 5 eine Ausführungsform einer zweischichtigen Gasdiffusionslage,
Fig. 6 einen Teil einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, und Fig. 7 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen identische Bezugszeichen verwendet.
Figur 1 offenbart eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Gasdiffusionslage 10, wobei das Verfahren vorsieht, dass in einem Schritt ein Vermischen 120 der Fasern, der Leitfähigkeitspartikeln sowie dem Bindemittel mittels zumindest einem Lösungsmittel zu zumindest einem Gasdiffusionslagengemisch 100a erfolgt. Weiter wird ein Trägerkörper 30, bspw. eine Folie, bereitgestellt 140. In einem darauffolgenden Schritt wird zumindest eine Schicht 104a des zumindest einen Gasdiffusionslagengemisches 100a auf einer Oberseite 31 des bereitgestellten Trägerkörpers 30 angeordnet 160. In einem nächsten Schritt wird das Lösungsmittel aus dem zumindest einen Gasdiffusionslagengemisch 100a zum Herstellen der Gasdiffusionslage 10 an der Oberseite des Trägerkörpers entfernt 180. Insbesondere kann in einem zusätzlichen Schritt die hergestellte Gasdiffusionslage 10 auf bestimmbare Abmessungen zugeschnitten werden (nicht dargestellt). Ferner kann in einem zusätzlichen Schritt die hergestellte Gasdiffusionslage 10 von dem Trägerkörper gelöst werden, bspw. abgezogen werden (nicht dargestellt).
Figur 2 offenbart eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Gasdiffusionslage 10, wobei das Verfahren vorsieht, dass in einem Schritt des Verfahrens die Fasern, insbesondere Carbonfasern, und die Leitfähigkeitspartikel, insbesondere Rußpartikel, mittels einem Lösungsmittel, insbesondere NMP und/oder DMSO, zu einem Leitfähigkeitsgemisch vermischt werden 121, und dass das Bindemittel, insbesondere PVDV, mit einem Lösungsmittel, insbesondere NMP und/oder DMSO zu einem Bindungsmittelgemisch vermischt wird 122, wobei anschließend das Leitfähigkeitsgemisch und das Bindungsmittelgemisch zu einem Gasdiffusionslagengemisch 100a vermischt werden 123. Das Vermischen 121 der Fasern und der Leitfähigkeitspartikel mittels dem Lösungsmittel zu dem Leitfähigkeitsgemisch kann insbesondere für 3 bis 7 Minuten, insbesondere 5 Minuten, bei 1500 bis 2500 Umdrehungen, insbesondere 2000 Umdrehungen, mit Hilfe eines Rotationselements erfolgen. Das Bindungsmittelgemisch kann bspw. eine 10%ige Lösung bestehend aus PVDF und NMP sein. Das Vermischen 123 des Leitfähigkeitsgemisches und des Bindungsmittelgemisches zu einem Gasdiffusionslagengemisch 100a kann insbesondere für 3 bis 7 Minuten, insbesondere 5 Minuten, bei 1500 bis 2500 Umdrehungen, insbesondere 2000 Umdrehungen, mit Hilfe eines Rotationselements erfolgen. Weiter wird ein Trägerkörper 30, bspw. eine Folie, bereitgestellt 140. In einem darauffolgenden Schritt wird zumindest eine Schicht 104a des zumindest einen Gasdiffusionslagengemisches 100a auf einer Oberseite 31 des bereitgestellten Trägerkörpers 30 angeordnet 160. In einem nächsten Schritt wird das Lösungsmittel aus dem zumindest einen Gasdiffusionslagengemisch 100a zum Herstellen der Gasdiffusionslage 10 entfernt 180. Das Entfernen 180 des Lösungsmittels aus dem Gasdiffusionslagengemisch 100a kann insbesondere ein Trocknen sein 181, wobei vorzugsweise eine Temperatur zum Trocknen des Gasdiffusionslagengemisches 100a 140 °C, insbesondere 120 °C, nicht überschreitet.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das Verfahren vorsieht, dass in einem Schritt ein Vermischen 120 der Fasern, der Leitfähigkeitspartikeln sowie dem Bindemittel mittels zumindest einem Lösungsmittel zu zumindest einem Gasdiffusionslagengemisch 100a erfolgt. Weiter wird ein Trägerkörper 30, bspw. eine Folie, bereitgestellt 140. In einem darauffolgenden Schritt wird zumindest eine erste Schicht 104a des zumindest einen Gasdiffusionslagengemisches 100a auf einer Oberseite 31 des bereitgestellten Trägerkörpers 30 angeordnet 160. In einem nächsten Schritt wird das Lösungsmittel aus dem zumindest einen Gasdiffusionslagengemisch 100a zum Herstellen der Gasdiffusionslage 10 an der Oberseite 31 des Trägerkörpers 30 entfernt 180, wobei zeitlich davor oder während dem Entfernen 180 des Lösungsmittels eine Oberfläche 101 des auf dem Trägerkörper 30 angeordneten Gasdiffusionslagengemisches 100a glattgestrichen wird 170. Insbesondere nach dem Entfernen 180 des Lösungsmittels oder währenddessen kann eine weitere Schicht 104b eines Gasdiffusionslagengemisches 100b auf der Oberfläche 101 der ersten Schicht 104a angeordnet werden 160. In einem nächsten Schritt wird das Lösungsmittel aus dem weiteren Gasdiffusionslagengemisch 100b zum Herstellen der Gasdiffusionslage 10 entfernt 180, wobei zeitlich davor oder während dem Entfernen 180 des Lösungsmittels eine Oberfläche des auf der Oberfläche 100 der ersten Schicht 104a angeordneten Gasdiffusionslagengemisches 100b glattgestrichen wird 170. Somit kann eine mehrschichtige Gasdiffusionslage 10 hergestellt werden
Figur 4 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage 10. Die Gasdiffusionslage 10 ist insbesondere plattenförmig ausgebildet und kann bspw. in einer Brennstoffzelle 200 oder einem Elektrolyseur 220 eingesetzt werden. Figur 5 zeigt eine Ausführungsform einer zweischichtigen Gasdiffusionslage 10 als Beispiel einer mehrschichtigen Gasdiffusionslage 10 mit einer ersten Schicht 104a und einer an die erste Schicht 104a angeordneten zweiten Schicht 104b.
Figur 6 offenbart schematisch einen Teil einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 200 aufweisend eine Membran 202 und eine erfindungsgemäße Gasdiffusionslage 10, wobei eine glattgestrichene Oberfläche 101 der Gasdiffusionslage 10 der Membran der Brennstoffzelle 200 zugewandt ist. Die Brennstoffzelle 200 kann auch als Elektrolyseur 220 verstanden werden.
Figur 7 zeigt in einer Seitenansicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 300 zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Gasdiffusionslage 10. Die Vorrichtung 300 weist eine Anordnungsvorrichtung mit einer Anordnungseinheit 310, bspw. einem Förderband, zum Anordnen eines Trägerkörpers 30 auf. Ferner umfasst die Vorrichtung 300 zumindest eine Dosiervorrichtung mit zumindest einer Dosiereinheit 320a zum dosierten Aufbringen eines ersten Gasdiffusionslagengemisches 100a. Mittels eines Rakelprozesses kann eine erste Schicht 104a des Gasdiffusionslagengemisches 100a glattgestrichen werden und auf eine bestimmbare Höhe gebracht werden. Das Glattstreichen mittels eines Rakelprozesses erfolgt durch ein Rakelmesser 330a. Ferner kann die Vorrichtung 300 zusätzlich zumindest eine weitere Dosiereinheit 320b zum dosierten Aufbringen eines zweiten Gasdiffusionslagengemisches 100b aufweisen. Das zweite Gasdiffusionslagengemisch 100b kann gleich oder unterschiedlich zu dem ersten Gasdiffusionslagengemisch 100a sein. Mittels eines weiteren Rakelmessers 330b kann eine zweite Schicht 104b des Gasdiffusionslagengemisches 100b glattgestrichen werden und auf eine bestimmbare Höhe gebracht werden. Zum Beschleunigen der Trocknung der Gasdiffusionslagengemische 100a, 100b kann die Anordnungsvorrichtung bspw. Heizelemente aufweisen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Herstellen einer Gasdiffusionslage (10) für eine
Brennstoffzelle (200) oder einen Elektrolyseur (220), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- Vermischen (120) von
- länglich ausgebildeten, elektrisch sowie thermisch leitfähigen Fasern,
- elektrisch sowie thermisch leitfähigen Leitfähigkeitspartikeln,
- einem Bindemittel, vorzugsweise PVDF und/oder PTFE, zum Verbinden der Fasern und der Leitfähigkeitspartikel, mittels zumindest einem Lösungsmittel, zu zumindest einem Gasdiffusionslagengemisch (100a, 100b),
- Bereitstellen (140) eines Trägerkörpers (30),
- Anordnen (160) zumindest einer Schicht (104a, 104b) des zumindest einen Gasdiffusionslagengemisches (100a, 100b) auf einer Oberseite (31) des Trägerkörpers (30),
- Entfernen (180) des Lösungsmittels aus dem zumindest einen Gasdiffusionslagengemisch (100a, 100b) zum Herstellen der Gasdiffusionslage (10) an der Oberseite (31) des Trägerkörpers (30).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Entfernen (180) des Lösungsmittels aus dem Gasdiffusionslagengemisch (100a, 100b) das angeordnete Gasdiffusionslagengemisch (100a, 100b) getrocknet wird (181), wobei eine Temperatur zum Trocknen des Gasdiffusionslagengemisches (100a, 100b) 140 °C, insbesondere 120 °C, nicht überschreitet. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern und die Leitfähigkeitspartikel mittels einem Lösungsmittel zu einem Leitfähigkeitsgemisch vermischt werden (121), und dass das Bindemittel mit einem Lösungsmittel zu einem Bindungsmittelgemisch vermischt wird (122), wobei anschließend das Leitfähigkeitsgemisch und das Bindungsmittelgemisch zu dem Gasdiffusionslagengemisch (100a, 100b) vermischt werden (123). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anordnen (160) des Gasdiffusionslagengemisches (100a, 100b) auf der Oberseite (31) des Trägerkörpers (30) der Feststoffanteil des Gasdiffusionslagengemisches (100a, 100b) 5 bis 50 Gewichtsprozent, insbesondere 15 bis 30 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht des Gasdiffusionslagengemisches (100a, 100b) beträgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schichten (104a, 104b) an
Gasdiffusionslagengemischen (100a, 100b) übereinander angeordnet werden (190), um eine mehrschichtige Gasdiffusionslage (10) zu erhalten, wobei insbesondere zumindest zwei Schichten (104a, 104b) der mehrschichtigen Gasdiffusionslage (10) auf einem unterschiedlichen Gasdiffusionslagengemisch (100a, 100b) basieren. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Oberfläche (101) eines auf dem Trägerkörper (30) angeordneten Gasdiffusionslagengemisches (100a, 100b) glattgestrichen wird (170), insbesondere mittels eines Rakelprozesses glattgestrichen wird (170). - 17 - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vermischen (120) der Fasern, Leitfähigkeitspartikel und dem Bindemittel zum Erzeugen des zumindest einen Gasdiffusionslagengemisches (100a, 100b) zusätzlich Porenbildner zum Bilden von Poren in der Gasdiffusionslage (10) und/oder Radikalfänger zum Inaktivieren von Radikalen und/oder Stabilitätspartikel, insbesondere Graphit, zur mechanischen Stabilisierung der Gasdiffusionslage (10) hinzugefügt werden. Gasdiffusionslage (10) für eine Brennstoffzelle (200) oder einen
Elektrolyseur (220), wobei die Gasdiffusionslage (10) umfasst:
- 40 bis 80 Gewichtsprozent, insbesondere 50 bis 70 Gewichtsprozent, Fasern, wobei die Fasern länglich ausgebildet und elektrisch leitfähig sowie thermisch leitfähig sind,
- 10 bis 40 Gewichtsprozent, insbesondere 15 bis 30 Gewichtsprozent, Leitfähigkeitspartikel, wobei die Leitfähigkeitspartikel elektrisch sowie thermisch leitfähig sind,
- 10 bis 30 Gewichtsprozent, insbesondere 15 bis 25 Gewichtsprozent, Bindemittel, wobei das Bindemittel zumindest die Fasern und die Leitfähigkeitspartikel verbindet, wobei die Gewichtsprozentangaben jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Gasdiffusionslage (10) sind. Gasdiffusionslage (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern eine Länge von 50 bis 6000 pm, insbesondere eine Länge von 80 bis 250 pm, aufweisen und/oder dass die Fasern einen Durchmesser von 2 bis 20 pm, insbesondere einen Durchmesser von 7 bis 10 pm, aufweisen. Gasdiffusionslage (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, - 18 - dass das Bindemittel einen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere PVDV und/oder PTFE, aufweist, vorzugsweise ein thermoplastischer Kunststoff ist. Gasdiffusionslage (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionslage (10) ferner bis zu 20 Gewichtsprozent Graphit als Stabilitätspartikel bezogen auf das Gesamtgewicht zur mechanischen Stabilisierung der Gasdiffusionslage (10) umfasst. Gasdiffusionslage (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionslage (10) ferner Porenbildner zum Bilden von Poren in der Gasdiffusionslage (10) und/oder Radikalfänger zum Inaktivieren von Radikalen umfasst. Gasdiffusionslage (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionslage (10) mittels einem erfindungsgemäßen Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt ist. Brennstoffzelle (200) aufweisend eine Membran (202) und eine
Gasdiffusionslage (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei insbesondere eine glattgestrichene Oberfläche (101) der Gasdiffusionslage (10) der Membran der Brennstoffzelle (200) zugewandt ist, oder Elektrolyseur (220) aufweisend eine Membran (202) und eine Gasdiffusionslage (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei insbesondere eine glattgestrichene Oberfläche (101) der Gasdiffusionslage (10) der Membran des Elektrolyseurs (220) zugewandt ist.
Vorrichtung (300), wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Herstellen einer Gasdiffusionslage (10) durchzuführen.
EP22817166.6A 2021-11-23 2022-11-09 Verfahren zum herstellen einer gasdiffusionslage, gasdiffusionslage, brennstoffzelle sowie vorrichtung zum herstellen einer gasdiffusionslage Pending EP4437604A1 (de)

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