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WO2025157763A1 - Gas diffusion layer for polymer-electrolyte membrane fuel cells with reduced contact resistance - Google Patents

Gas diffusion layer for polymer-electrolyte membrane fuel cells with reduced contact resistance

Info

Publication number
WO2025157763A1
WO2025157763A1 PCT/EP2025/051352 EP2025051352W WO2025157763A1 WO 2025157763 A1 WO2025157763 A1 WO 2025157763A1 EP 2025051352 W EP2025051352 W EP 2025051352W WO 2025157763 A1 WO2025157763 A1 WO 2025157763A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas diffusion
diffusion layer
fuel cell
graphite
layer
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
PCT/EP2025/051352
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Achim Bock
Kristof Klein
Christoph Rakousky
Hannes BARSCH
Amélie VON SPEE
Matthias LÖBLE
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.)
Carl Freudenberg KG
Original Assignee
Carl Freudenberg KG
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
Priority claimed from DE102024101825.9A external-priority patent/DE102024101825A1/en
Application filed by Carl Freudenberg KG filed Critical Carl Freudenberg KG
Publication of WO2025157763A1 publication Critical patent/WO2025157763A1/en
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023Porous and characterised by the material
    • H01M8/0234Carbonaceous material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023Porous and characterised by the material
    • H01M8/0239Organic resins; Organic polymers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
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    • H01M8/023Porous and characterised by the material
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    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095Fuel cells with polymeric electrolytes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a gas diffusion layer (GDL) for a polymer electrolyte membrane fuel cell that reduces the contact resistance at the interface between the microporous layer (MPL) of the gas diffusion layer and the catalyst layer applied to the polymer electrolyte membrane. It also relates to a method for producing the gas diffusion layer and a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell) containing the gas diffusion layer.
  • GDL gas diffusion layer
  • MPL microporous layer
  • PEM fuel cell polymer electrolyte membrane fuel cell
  • Fuel cells use the chemical conversion of a fuel, particularly hydrogen, with oxygen to form water to generate electrical energy.
  • hydrogen-oxygen fuel cells hydrogen or a hydrogen-containing gas mixture is fed to the anode, where electrochemical oxidation takes place with the release of electrons ( H2A2H + + 2e-).
  • the protons are transported from the anode compartment to the cathode compartment via a membrane that separates the reaction compartments from each other in a gas-tight manner and electrically insulates them.
  • the electrons provided at the anode are conducted to the cathode via an external conductor circuit.
  • Oxygen or an oxygen-containing gas mixture is fed to the cathode, where the oxygen is reduced and the electrons are absorbed.
  • the oxygen anions formed react with the protons transported across the membrane to form water (1/ 2O2 + 2H + + 2e'AH2O).
  • PEMFCs low-temperature proton exchange membrane fuel cells
  • PEM polymer electrolyte membrane fuel cells
  • a catalyst layer is applied to the anode and cathode sides of a proton-conducting membrane. This layer forms the electrodes and usually contains platinum as the catalytically active metal. The actual redox reactions and charge separation take place in the catalyst layers.
  • the membrane and catalyst layers form a unit, also known as a CCM (catalyst coated membrane).
  • CCM catalyst coated membrane
  • GDL gas diffusion layer
  • MEA membrane electrode assembly
  • Flow distribution plates are arranged between the membrane electrode units. These have channels for supplying the adjacent cathode and anode with process gases, and usually also have internal cooling channels. This means that in a PEM fuel cell, the GDL has direct contact with the bipolar plate.
  • bipolar plates are usually metallically embossed metal plates or embossed graphitic carbon fiber mats.
  • the material flow reaction gases oxygen and hydrogen as well as water
  • the gas diffusion layers located between the bipolar plates and the catalyst layers are therefore of key importance for the function and performance of the fuel cell.
  • the process components consumed and generated in the electrode reactions must be transported through the gas diffusion layer and homogeneously distributed from the macroscopic structure of the bipolar plates to the microscopic structure of the catalyst layers.
  • the electrons generated and consumed in the half-cell reactions must be conducted to the bipolar plates with the lowest possible voltage loss.
  • the heat generated during the reaction must be dissipated to the coolant in the bipolar plates, so the GDL materials must also have sufficient thermal conductivity.
  • the GDL must also act as a mechanical balance between the macrostructured bipolar plate and the catalyst layers. For this, component tolerances must be considered.
  • the GDL also serves as mechanical protection for the very thin membranes, which are subject to high loads in fuel cells. Therefore, the mechanical properties of the GDL are subject to particularly stringent requirements.
  • Gas diffusion layers for fuel cells typically consist of a carbon fiber substrate, which is usually hydrophobically treated with fluoropolymers (e.g., PTFE) and then coated with a microporous layer (MPL).
  • MPL typically consists of a fluorine-containing polymer as a binder (e.g., PTFE) and a porous and electrically conductive carbon material (e.g., carbon black, graphite, graphene, carbon nanotubes (CNTs), carbon nanofibers, or a mixture thereof).
  • a fluorine-containing polymer as a binder
  • CNTs carbon nanotubes
  • the following three materials are currently used as carbon fiber substrates for GDLs:
  • Carbon fiber papers (wet-laid and chemically bonded carbon fiber nonwovens, with chemical binders that are carbonized),
  • Carbon fiber fabrics e.g. made from yarns of oxidized but not yet carbonized polyacrylonitrile fibers, which are carbonized or graphitized after weaving
  • Carbon fiber nonwovens e.g. dry-laid, carded and hydroentangled nonwovens made of oxidized polyacrylonitrile, which are subsequently thickness calibrated and carbonized.
  • DE 10 2021 215 036 A1 describes a polymer electrolyte membrane fuel cell comprising a GDL and an MPL on top, wherein the MPL contains soot particles in a polymeric binder, such as PTFE. To prevent migration of the non-conductive binder into the GDL substrate, the MPL has a gradient of soot content along its thickness (z-axis).
  • JP200859917A describes a method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell that is capable of regulating the water-repellent properties on the side of the flow distribution plate to prevent flooding or drying out. To avoid this, an MPL coating containing flake graphite is used.
  • DE 102020 121 892 A1 describes a gas diffusion layer for a fuel cell, which comprises a sheet-like electrically conductive material selected from carbon fiber nonwovens, carbon fiber wovens and mixtures thereof, wherein the sheet-like material contains at least one fluorine-containing polymer and at least one different polymer selected from polyether ketones, polyphenylene sulfides, polysulfones, polyether sulfones, partially aromatic (co)polyamides, polyimides, polyamide-imides, polyetherimides and mixtures thereof, applied thereto and/or incorporated therein, and optionally a microporous layer is applied to one of the surfaces of the electrically conductive material.
  • the webs of the bipolar plate can penetrate the fiber layer of the gas diffusion layer to varying degrees depending on the type of carbon fiber substrate or can mechanically change the fiber layer in its shape to varying degrees, e.g. by:
  • the mechanical properties of the gas diffusion layer therefore have a direct influence on the effectiveness of water drainage and the pressure distribution across the cell stack.
  • the gas diffusion layers When the gas diffusion layers are installed under pressure in a fuel cell stack, they are compressed, particularly in the web area. Depending on the mechanical properties of the gas diffusion layer, this affects the contact between the MPL side of the gas diffusion layer and the carbon-coated membrane (CCM). Compression of the gas diffusion layer in the web area often results in corrugation and bending of the gas diffusion layer into the channel structure of the bipolar plate, which can lead to complete or partial delamination of the CCM to the MPL side and thus an increase in the contact resistance to the CCM. This consequently influences the current density distribution across the surface and can significantly reduce the fuel cell performance and its service life (if delamination continues, also in the web areas).
  • CCM carbon-coated membrane
  • the contact resistance between the CCM and the gas diffusion layer significantly determines the performance of the fuel cell.
  • a gas diffusion layer with ideal mechanical properties in terms of flexural rigidity, compressibility, and maximum contact area with the CCM can significantly reduce the contact resistance between the CCM and the gas diffusion layer and significantly increase the performance of the fuel cell.
  • a gas diffusion layer with specific (mechanical) properties can lead to different performance with different web profiles.
  • the substrate of the gas diffusion layer is exposed to high stress, particularly at the web-to-channel transition. This point is particularly susceptible to damage to the microporous layer due to fiber breakage or other damage, depending on the radius and angle of the webs. Fibers have particularly sharp edges at the break point and can cause short circuits by penetrating the microporous layer and the membrane.
  • JP 2021 125356 A relates to a fuel cell separator with improved corrosion resistance and conductivity, comprising a substrate with a coating that is in contact with an electrode of a fuel cell.
  • the coating contains FeCl.
  • the separator has an electrode-side surface roughness (Sa) of 5-100 ⁇ m, preferably 10-50 ⁇ m.
  • the coating is, for example, an electroplated layer or a sintered layer.
  • the substrate is, for example, stainless steel, a Ti base material, or an Al base material.
  • the electrode surface with which the coating layer is in contact is composed, for example, of a carbon base material. In this case, a contact surface pressure acting between the coating layer and the electrode surface can be 5 MPa or less, preferably 3 MPa or less.
  • the fuel cell is, for example, a solid polymer fuel cell.
  • JP 2021 026909 A relates to a fuel cell in which pressure loss on the cathode side is suppressed.
  • the fuel cell comprises a cathode separator, a cathode gas diffusion layer, a cathode catalyst electrode layer, an electrolyte layer, an anode catalyst electrode layer, an anode gas diffusion layer, and an anode separator, which are laminated in this order.
  • the cathode separator has a flow path that allows a cathode gas to flow in the cathode gas diffusion layer.
  • the anode separator has a flow path that allows an anode gas to flow in the anode gas diffusion layer.
  • the cathode gas diffusion layer has higher flexural strength and in-plane air permeability per unit thickness than the anode gas diffusion layer.
  • DE 10 2018 202 561 A1 relates to a fuel cell with an ion-selective separator, a gas diffusion layer, and a separator plate.
  • the separator plate together with the gas diffusion layer, forms at least one gas-conducting flow field.
  • At least one channel web of the separator plate has an end with an upper side and an end face.
  • the end face is configured to divide a flow impinging on the end face of the channel web in a first direction into two partial flows.
  • the end face is configured to deflect a liquid F of the flow impinging on the end face adjacent to the upper side such that the liquid F is further away from the upper side after the deflection than before the deflection.
  • DE 10 2020 216 101 A1 relates to an arrangement of electrochemical cells comprising at least one gas diffusion layer, preferably with a microporous layer, a catalyst-coated membrane with a frame, and a bipolar plate.
  • the gas diffusion layer is bonded to the catalyst-coated membrane and/or to the bipolar plate by means of a preferably electrically conductive adhesive.
  • the adhesive is arranged on a surface of the frame of the catalyst-coated membrane, the bipolar plate, and/or optionally the microporous layer of the gas diffusion layer, and the surface is plasma-functionalized.
  • the invention relates to a vehicle comprising the arrangement of electrochemical cells and a method for producing the arrangement of electrochemical cells.
  • a covalent fixation of the adhesive to the frame of the membrane, the bipolar plate, or the microporous layer of the gas diffusion layer is achieved.
  • better wetting of the surface with the adhesive is possible.
  • the electrically conductive adhesive also improves the electrical contact between the bipolar plate and the gas diffusion layer. Contact resistance is reduced. Furthermore, the adhesive prevents slipping of the gas diffusion layer or the catalyst-coated membrane on the bipolar plate when stacking the assembly.
  • WO 2022/094717 A1 relates to devices and methods for providing a desired contact pressure distribution between fuel cell components in a fuel cell stack.
  • the technology relates to fuel cell bipolar plate designs and fuel cell stack compression systems, which can be used individually or in combination to provide a more uniform contact pressure distribution across the active area of fuel cells in a fuel cell stack.
  • DE 10 2020 209 811 A1 relates to a method for reducing the contact resistance between a metallic separator plate, for example a monopolar plate or a bipolar plate, and a gas diffusion layer of a fuel cell, in which the separator plate is provided at least partially with a carbon-based coating.
  • a metallic separator plate for example a monopolar plate or a bipolar plate
  • the separator plate is provided at least partially with a carbon-based coating.
  • at least one elastomer is added to the carbon as a binder to form the coating.
  • the DE 10 2011 006 651 A1 relates to a fuel cell stack with improved freeze-thaw durability.
  • the fuel cell stack comprises, in particular, a gas diffusion layer between a membrane electrode assembly and a bipolar plate.
  • the gas diffusion layer has a structure that reduces contact resistance in a fuel cell and is cut at a specific angle such that the machine direction (high stiffness direction) of the GDL roll is not parallel to the main flow field direction of the bipolar plate, resulting in increased GDL stiffness in a width direction perpendicular to a main flow field direction of a bipolar plate.
  • the DE 10 2010 002 392 A relates to a gas diffusion layer (GDL) for fuel cell applications that can prevent penetration into the channels of a bipolar plate.
  • the gas diffusion layer is produced by cutting a GDL material at a specific angle so that a machine direction of the inherent high stiffness of the GDL material is not parallel to a main flow field direction of a bipolar plate in order to prevent GDL intrusion into the channels of the bipolar plate. Prevent this without changing an existing process for manufacturing the gas diffusion layer.
  • the gas diffusion layer can improve the electrochemical performance of the fuel cell and can improve the manufacturing process even in cases where the width of the rolled GDL material is small.
  • a bipolar plate for a battery that can improve battery efficiency by reducing contact resistance in contact with an electrode, and to a redox flow battery containing such a bipolar plate.
  • a bipolar plate is provided that comprises a conductive thermoplastic portion formed on at least a portion of the plate for contact with an electrode, wherein the conductive thermoplastic portion is morphologically adapted to the electrode.
  • DE 10 2010 020 168 A1 relates to a bipolar plate for reducing electrical contact resistance between the plate and a diffusion layer used in a fuel cell.
  • the opposing surfaces of the plate define flow channels with upstanding webs interspersed therewith.
  • the webs of the plate form an electrically conductive contact with a diffusion layer in the fuel cell.
  • At least a portion of the electrically conductive contact consists of a nickel-based alloy, which reduces the contact resistance between the plate and the diffusion layer as a way to achieve improved electrical current density.
  • the alloy can be used as the primary material in the plate, while in another it can be used as a coating deposited onto a conventional stainless steel plate.
  • KR 101320786 B1 relates to a device for measuring the contact resistance and a method for measuring the contact resistance of a bipolar plate of fuel cells, wherein the contact resistance of each region of a bipolar plate can be measured. This improves the accuracy of the contact resistance measurement of the bipolar plate.
  • US 2023/0163314 A1 relates to a gas diffusion layer for an electrochemical device, comprising (a) a first side in contact with a catalyst layer, and (b) a second side, wherein the first side in contact with the catalyst layer has an increased surface area.
  • Gas diffusion layers with engineered surface roughness and thus increased surface area increase the effective diffusivity of gas-phase reactants in electrochemical devices such as polymer electrolyte membrane fuel cells.
  • DE 10 2020 202 433 A1 relates to a method for removing a surface of a gas diffusion layer for a fuel cell, wherein the gas diffusion layer comprises:
  • the method comprises at least the following steps: a) providing the gas diffusion layer, b) at least partially removing the electrically insulating, hydrophobic material surrounding the electrically conductive network at least in some regions on the bipolar plate side.
  • DE 10 2016 200 802 A1 relates to a flow body-gas diffusion layer unit for a fuel cell, in which a flow body and a gas diffusion layer are formed by a porous body and arranged between a membrane electrode assembly and the bipolar plates.
  • the porosity of the body in the region in which it is formed as a flow body is greater than the porosity of the region of the body formed as a gas diffusion layer.
  • EP 2722917 A1 relates to a gas diffusion layer for a fuel cell, which has a high electrical conductivity and at the same time good gas permeability and thus a improved performance.
  • the gas diffusion layer has a microporous layer on one of its surfaces, which comprises a carbon material containing scale-like graphite.
  • the MPL can contain another carbon material that is embedded as a spacer between the graphite layers.
  • the additional carbon material used in the microporous layer can have high specific surface areas of 1000 m 2 /g or more.
  • coating agents containing scale-like graphite and acetylene black are used to produce the microporous layer.
  • the coating agent for forming the microporous layer (the MPL ink) is not applied directly to the GDL substrate, but rather to a carrier and cured thereon.
  • the resulting layered MPL substrate is detached from the carrier and laminated to the GDL substrate. This procedure is considered critical to prevent the MPL layer from penetrating the GDL substrate and thus causing clumping.
  • the problem of contact resistance between COM and GDL and ways to resolve it are not described in this document.
  • WO 2023/190153 A1 relates to a gas diffusion layer with a microporous layer on at least one side of a conductive porous base material, wherein the microporous layer contains carbon black and graphite particles with an aspect ratio of 10 or more, and the conductive porous base material is characterized in that the thickness of that part of the conductive porous base material in which the microporous layer is immersed is 5% or more and 20% or less of the thickness of that part of the conductive porous base material in which the microporous layer is not immersed.
  • the electrical resistance within the gas diffusion layer is thereby reduced, while the gas diffusion capacity is not impaired.
  • the use of such a gas diffusion layer in a fuel cell enables an improvement in its performance with regard to power generation.
  • DE 10 2016 200 802 A1 attempts to influence the porosity, pore shape, pore size and thermal conductivity by using an additional raw material in the form of another fiber.
  • WO 2023/190153 A1 describes the reduction of the electrical resistance of the GDL, but not the prevention of bending of the GDL into the channel and delamination of the MPL.
  • a preferred embodiment of the invention is a gas diffusion layer for a fuel cell, which
  • a microporous layer containing conductive carbon particles in a matrix of a polymeric binder wherein the conductive carbon particles comprise carbon black and graphite, wherein the graphite content, based on the total weight of carbon black and graphite contained in the microporous layer, is at least 50 wt.%, which is applied at least on one side to the sheet-like electrically conductive material A).
  • a gas diffusion layer according to the invention in a fuel cell leads to a reduction in the contact resistance at the interface of the microporous layer of the gas diffusion layer, in particular to the catalyst layer applied to the polymer electrolyte membrane of a polymer electrolyte membrane fuel cell, especially in the region of the channels of the bipolar plate of the fuel cell, such as in particular in the region of the center of the channels, compared to gas diffusion layers from the prior art.
  • the use of a combination of carbon black and graphite in the microporous layer allows for surprisingly improved contact resistances.
  • the GDL according to the invention optimizes the mechanical
  • the invention thus solves the described problem by optimizing the proportions of carbon black and graphite in the microporous layer (MPL).
  • MPL microporous layer
  • the MPL becomes particularly compressively soft, and thus the contact resistance between the microporous layer and the COM is particularly low due to the adhesion to the COM.
  • This "compressively soft" property can be particularly well described by the compression set at 6.0 MPa.
  • the properties of the microporous layer can also significantly contribute to the interaction between COM and MPL.
  • the surface properties of a microporous layer are significantly determined by the nature of the materials used, such as carbon particles or binders such as PTFE.
  • microporous layer Depending on the proportion of carbon black and graphite, different properties of the microporous layer can be achieved, e.g. different porosities, pore size distributions, permeability to gases and water, diffusion lengths, electrical and thermal conductivities, mechanical stability, surface roughness and behavior under pressure (for example, an MPL can be compressively soft).
  • Pressure-sensitive, compressible, and highly flexible gas diffusion layers are capable of responding flexibly to different pressure conditions across the surface. Although they are also compressed at the contact points with the web and also bend into the channel on the substrate side, they are flexible enough to maintain contact with the CCM on the MPL side and prevent delamination at this point. This ensures a sufficiently low contact resistance.
  • the invention further relates to a method for producing such a gas diffusion layer, in which i) the fiber material is coated and/or impregnated with a preferably aqueous composition containing the at least one polymer and optionally further components, and the coated and/or impregnated fiber material is subsequently dried and/or sintered, wherein the sintering is carried out by thermal treatment at a temperature of 250 °C to 500 °C, preferably 300 °C to 450 °C, and in particular 350 °C to 450 °C, so that the sheet-like electrically conductive material A) is obtained, and subsequently ii) the sheet-like electrically conductive material A) is coated with a preferably aqueous composition containing the conductive carbon particles and the polymeric binder, and the coated material A) is subsequently dried and/or sintered, wherein the sintering is carried out by thermal Treatment is carried out at a temperature of 250 °C to 500 °C, preferably 300 °C to 450 °
  • the invention also relates to a fuel cell comprising at least one such gas diffusion layer, which is typically a polymer electrolyte membrane fuel cell.
  • the invention also relates to the use of such a gas diffusion layer in a fuel cell, preferably a polymer electrolyte membrane fuel cell.
  • the invention relates to the use of such a gas diffusion layer in a polymer electrolyte membrane fuel cell for reducing the contact resistance at the interface between the microporous layer of the gas diffusion layer and the catalyst layer applied to the polymer electrolyte membrane, especially in the region of the channels of the bipolar plate of the fuel cell, such as in particular in the region of the center of the channels.
  • the invention relates to the use of conductive carbon particles comprising carbon black and graphite in the microporous layer of a gas diffusion layer, which is preferably as defined above, for reducing the contact resistance at the interface between the microporous layer of the gas diffusion layer and the catalyst layer applied to the polymer electrolyte membrane of a polymer electrolyte membrane fuel cell, especially in the region of the channels of the bipolar plate of the fuel cell, such as in particular in the region of the center of the channels.
  • the invention relates to the use of a polymer selected from polyaryletherketones, polyphenylene sulfides, polysulfones, polyethersulfones, partially aromatic (co)polyamides, polyimides, polyamideimides, polyetherimides and mixtures thereof, preferably a polyaryletherketone such as polyetheretherketone, in and/or on the fiber material of a gas diffusion layer to reduce the contact resistance at the interface between the gas diffusion layer, its MPL if present, and the catalyst layer applied to the polymer electrolyte membrane of a polymer electrolyte membrane fuel cell, especially in the region of the channels of the bipolar plate of the fuel cell, such as in particular in the region of the center of the channels.
  • the fiber material preferably comprises carbon fiber nonwoven fabric.
  • the gas diffusion layer is particularly preferably as defined above.
  • the GDL bulges less or not at all into the channel of the bipolar plate. This can improve the adhesion of the GDL to the COM and, in particular, prevent or at least mitigate delamination of the GDL, i.e., its MPL, if present, from the COM. This results in lower contact resistance at the interface between the GDL and the COM.
  • the conformal behavior of the GDL can be suitably adapted to a specific channel geometry.
  • the sheet-like electrically conductive material used according to the invention and the gas diffusion layer are sheet-like structures that have a substantially two-dimensional, planar extension and a comparatively smaller thickness.
  • the gas diffusion layer has a base area that generally corresponds substantially to the base area of the adjacent membrane with the catalyst layers and the base area of the adjacent bipolar plate of the fuel cell.
  • the shape of the base area of the gas diffusion layer can, for example, be polygonal (n-cornered with n > 3, e.g., triangular, square, pentagonal, hexagonal, etc.), circular, circular-segment-shaped (e.g., semicircular), elliptical, or elliptical-segment-shaped.
  • the base is preferably rectangular or circular.
  • the gas diffusion layer according to the invention for a fuel cell comprises A) a sheet-like, electrically conductive material containing at least one fiber material, wherein the fiber material comprises carbon fiber nonwoven fabric, and B) a microporous layer containing conductive carbon particles in a matrix of a polymeric binder, wherein the conductive carbon particles comprise carbon black and graphite, wherein the graphite content, based on the total weight of carbon black and graphite contained in the microporous layer, is at least 50 wt.%.
  • Carbon fiber nonwoven fabrics are advantageous, among other things, because they are compression-elastic and can be easily produced on an industrial scale, e.g., in a roll-to-roll process.
  • the conductive carbon particles used vary considerably. Carbon particles in the form of carbon black possess a largely disordered structure. They often consist of agglomerates of very small and round primary particles with a diameter that typically, depending on production conditions, is in the lower nanometer range of 5 to several hundred nm, for example, from above 10 nm to approximately 100 nm. Such agglomerates, with a diameter of typically at most several pm, can be at least partially broken up by shear forces during processing, such as the dispersion process in water, resulting in smaller particles.
  • Carbon black powders typically have particles (agglomerates) with a D90 value of at most a few pm, in particular at most 500 nm, determined by static light scattering at 25 °C using a Mastersizer 2000 instrument from Malvern Instruments (where a wet measurement can be performed in distilled water or, preferably, a dry measurement).
  • the D90 value of the integral volume distribution is defined in this application as the particle diameter at which 90 volume percent of the particles have a diameter smaller than the diameter corresponding to the D90 value.
  • the measured particle sizes are often significantly smaller due to the breakup of agglomerates.
  • Graphite is a natural form of carbon with a unique hexagonal crystal structure arranged in multiple parallel planes, the graphene layers.
  • the fuel cell preferably comprises a polymer electrolyte membrane to which a catalyst layer is applied, wherein the catalyst layer can be brought into contact with the surface of the microporous layer of the gas diffusion layer.
  • the fiber material preferably has a basis weight of 15 to 400 g/m 2 , preferably 20 to 300 g/m 2 , more preferably 30 to 150 g/m 2 and in particular 40 to 120 g/m 2 such as 50 to 100 g/m 2 .
  • the mass or total weight of the fiber material refers to the untreated fiber material, ie without any components such as polymer or other additives.
  • the fiber material preferably has a thickness in the range of 50 to 500 pm, particularly preferably 100 to 400 pm. This thickness refers to the non- equipped, uncompressed state of the fiber material, ie before the GDL is installed in a fuel cell.
  • the fibers contained in the fiber material comprise carbon fibers (carbon fibers, carbon fibers), which comprise carbon fiber nonwoven fabric, and optionally other fibers, preferably selected from glass fibers, fibers of organic polymers such as polypropylene, polyester, polyphenylene sulfide, polyether ketones, and mixtures thereof.
  • the fibers contained in the fiber material consist solely of carbon fibers.
  • Carbon fibers can be produced in a conventional manner, preferably using polyacrylonitrile fibers (PAN fibers) as the starting material.
  • PAN fibers are produced by radical polymerization of a monomer composition that preferably contains at least 90% by weight, based on the total weight of the monomers used for polymerization, of acrylonitrile.
  • the resulting polymer solution is spun into filaments, e.g., by wet spinning and coagulation, and gathered into tows.
  • oxidative cyclization also referred to as oxidation for short
  • oxygen-containing atmosphere at elevated temperatures of approximately 180 to 300 °C.
  • the resulting chemical crosslinking improves the dimensional stability of the fibers.
  • the actual pyrolysis to carbon fibers then takes place at temperatures of at least 1200 °C.
  • either the original fibers or a flat fiber material can be used for this pyrolysis.
  • carbonization refers to a treatment at approximately 1200 to 1500 °C under an inert gas atmosphere, which leads to the release of volatile products.
  • Graphitization i.e., heating to approximately 2000 to 3000 °C under an inert gas, produces so-called high-modulus or graphite fibers.
  • the fiber material is selected from carbon fiber nonwovens, carbon fiber papers, carbon fiber fabrics, and mixtures thereof.
  • the fiber material is, i.e., the fiber material consists of, carbon fiber nonwovens.
  • the fiber material preferably consists of carbon fiber paper.
  • the fiber material is carbon fiber nonwoven fabric in combination with carbon fiber fabric or carbon fiber paper.
  • the flat fiber material is produced by interlacing two thread systems: warp and weft. As with textiles, fiber bundles are flexibly but inextricably linked. Oxidized, but not yet carbonized or graphitized PAN fibers are preferably used to produce carbon fiber fabrics. Carbonization or graphitization, to impart electrical conductivity to the flat fiber material, occurs after weaving.
  • Oxidized PAN fibers are generally used to produce carbon fiber paper. These are shredded into fiber fragments in a conventional manner, slurried, and, analogous to papermaking, a fiber matrix is produced by sieving (laths), and dried.
  • at least one binder is also incorporated into the paper. Suitable binders include, for example, phenolic, furan, polyimide resins, etc.
  • the paper can be impregnated with it, and the binder can then be cured if necessary. After impregnation and curing, the carbon fiber paper is subjected to another carbonization/graphitization process to convert the binder into compounds with improved electrical conductivity.
  • a filled carbon fiber paper is used to provide the fiber material.
  • the initial production process is as described above, but instead of introducing a binder and carbonization/graphitization, a filler consisting of a carbon material in a polymer binder is introduced into the still-moist paper.
  • a carbon-PTFE filler is specifically used for this purpose. This filling increases the thermal and electrical conductivity to such an extent that carbonization/graphitization is no longer necessary.
  • Non-oxidized or oxidized PAN fibers can be used to produce carbon fiber nonwovens.
  • the fibers are first dry-laid (carded) to form a nap and then consolidated into a nonwoven.
  • Nonwovens based on non-oxidized PAN fibers are first subjected to oxidation at elevated temperature and in an oxygen atmosphere after nonwoven laying and consolidation, and then to carbonization/graphitization in an inert gas atmosphere.
  • Nonwovens based on oxidized PAN fibers are only subjected to carbonization/graphitization after nonwoven laying and consolidation.
  • Carbon fiber nonwovens, for the production of which the fibers are laid dry to form a pile in a first step, are a preferred embodiment of the invention.
  • the fiber material contains at least one polymer applied to and/or incorporated into it.
  • the fiber material can be treated with polymer components and, if appropriate, other additives using conventional application and impregnation processes.
  • polymer a1) comprises at least one fluorine-containing polymer, preferably selected from polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymers (FEP), perfluoroalkoxy polymers (PFA), and mixtures thereof.
  • Perfluoroalkoxy polymers include, for example, copolymers of tetrafluoroethylene (TFE) and perfluoroalkoxy vinyl ethers, such as perfluorovinyl propyl ether.
  • the fluorine-containing polymer a1) comprises, and in particular is, polytetrafluoroethylene.
  • Component a1) can serve to increase the hydrophobicity of the fiber material.
  • the mass fraction of the fluorine-containing polymer a1) is preferably 0.5 to 40%, preferably 1 to 20%, in particular 1 to 10%, based on the mass of the fiber material.
  • the fluorine-containing polymer a1) is PTFE, and the mass fraction of PTFE is 0.5 to 40%, preferably 1 to 20%, in particular 1 to 10%, based on the mass of the fiber material.
  • the polymer of a1) comprises various polymers a2) selected from polyaryletherketones (PAEK), polyphenylene sulfides (PPS), polysulfones (PSU), polyethersulfones (PES), partially aromatic (co)polyamides (high-temperature polyamides, HTPA), polyimides (PI), polyamideimides (PAI), polyetherimides (PEI), and mixtures (blends) thereof.
  • PAEK polyaryletherketones
  • PPS polyphenylene sulfides
  • PSU polysulfones
  • PES polyethersulfones
  • partially aromatic (co)polyamides high-temperature polyamides
  • HTPA polyimides
  • PI polyimides
  • PAI polyamideimides
  • PEI polyetherimides
  • a component a2) in and/or on the fiber material of a gas diffusion layer can lead to a reduction in the contact resistance at the interface between the gas diffusion layer and the catalyst layer applied to the polymer electrolyte membrane of a polymer electrolyte membrane fuel cell, especially in the region of the channels of the bipolar plate of the fuel cell, such as in particular in the region of the center of the channels.
  • polymer component a2) comprises at least one polyaryl ether ketone.
  • polymer component a2) consists of at least one polyaryl ether ketone.
  • Polyaryl ether ketones are semi-crystalline thermoplastics that have an alternating structure in which each aryl group is followed by a keto group (carbonyl group) or ether group. The proportions of keto and ether groups are variable and can differ in the substitution pattern on the aryl rings.
  • Suitable polyaryl ether ketones a2) are polyether ketones (PEK), polyether ether ketones (PEEK), polyether ketone ketones (PEKK), etc.
  • polymer component a1) comprises at least one polyether ether ketone; in particular, polymer component a1) consists of at least one polyether ether ketone.
  • Suitable partially aromatic (co)polyamides a2) are, in particular, the polymers known as high-temperature polyamides (HTPAs). These are semi-crystalline or amorphous, thermoplastic, partially aromatic polyamides. These preferably contain at least one aromatic dicarboxylic acid as polymerized units, in particular selected from terephthalic acid, isophthalic acid, and mixtures of terephthalic acid and isophthalic acid.
  • HTPAs high-temperature polyamides
  • Preferred partially aromatic (co)polyamides a2) are selected from PA 6.T, PA 10.T, PA 12.T, PA 6.I, PA 10.1, PA 12.1, PA 6.T/6.I, PA 6.T/6, PA 6.T/10T, PA 10.T/6.T, PA 6.T/12.T, PA12.T/6.T, and mixtures thereof.
  • Another specific embodiment of the polyamides a2) is polyphthalamide (PPA).
  • Suitable polyimides a2) are polysuccinimide (PSI), polybismaleimide (PBMI), polyimidesulfone (PISO) and polymethacrylimide (PMI).
  • Suitable polymers a2) are also (semi-)aromatic polyesters, such as polyethylene terephthalate (PET) or polybutylene terephthalate (PBT), polycarbonates (PC) and temperature-resistant melamines, such as melamine foams filled with nanoporous SiO2 aerogels.
  • PET polyethylene terephthalate
  • PBT polybutylene terephthalate
  • PC polycarbonates
  • temperature-resistant melamines such as melamine foams filled with nanoporous SiO2 aerogels.
  • the polymer a2) as defined above is selected from so-called high-performance plastics, which are characterized by properties such as a high glass transition temperature, a high melting temperature, good temperature resistance, good chemical resistance, and good mechanical properties.
  • the polymers a2) preferably have a continuous operating temperature (continuous use temperature) of at least 150°C. Semi-aromatic and aromatic polymers are preferred as polymers a2).
  • the polymers a2) are preferably thermoplastics.
  • the mass fraction of the polymer a2) is preferably 0.5 to 40%, preferably 1 to 20%, based on the mass of the fiber material a).
  • the polymer a2) is PEEK
  • the mass fraction of the PEEK a2) is 0.5 to 40%, preferably 1 to 20%, based on the mass of the fiber material.
  • the polymer a1) comprises at least one fluorine-containing polymer and/or a2) at least one polymer different from a1), as defined above, in order to simultaneously achieve a suitable hydrophobicity of the fiber material and a reduced contact resistance as explained above.
  • the proportion of the fluorine-containing polymer a1), based on the total weight of fluorine-containing polymer a1) and polymer a2) different from a1) is 10 to 100 wt.%, preferably 20 to 90 wt.%, more preferably 30 to 80 wt.%, even more preferably 40 to 75 wt.%, such as in particular 40 to 60 wt.% or 60 to 75 wt.%.
  • a bonded fiber material is used as the fiber material, it is selected in particular from mechanically bonded fiber materials. Chemical bonding, especially with carbonizable polymeric binders, can adversely affect the flexural properties of the gas diffusion layer.
  • the fiber materials used according to the invention do not contain any polymers other than polymers a1) and a2) added as binders.
  • the fibers are wet-laid in a first step.
  • the term "carbon fiber nonwoven fabric” also encompasses, for example, a wet-laid material consisting of short-cut carbon fibers, carbon black, at least one polymer a1), especially PTFE, and at least one polymer a2), especially PEEK.
  • the wet-laid fiber materials used according to the invention contain no or only a very small proportion of phenolic resins as binders.
  • the mass fraction of phenolic resins is preferably 0 to 10%, more preferably 0 to 5%, in particular 0 to 1%, based on the mass of the fiber material.
  • the fiber material already has good electrical and thermal conductivity due to the carbon fibers used, even without conductivity-enhancing additives.
  • the fiber material can additionally be treated with at least one conductivity-enhancing additive a3).
  • the conductivity-enhancing additive a3) is selected from metal particles, carbon black, graphite, graphene, carbon nanotubes (CNTs), carbon nanofibers, and mixtures thereof.
  • the conductivity-enhancing additive a3) comprises carbon black or consists of carbon black.
  • the treatment of the fiber material with at least one conductivity-enhancing additive a3) can, for example, be carried out together with a polymer, such as, for example, polymer a1) and/or a2), and/or other additives.
  • a polymer such as, for example, polymer a1) and/or a2), and/or other additives.
  • An aqueous dispersion is preferably used to treat the fiber material.
  • the mass fraction of the conductivity-improving additive a3) is 0.5 to
  • the conductivity-improving additive a3) comprises carbon black or consists of carbon black and the mass fraction is 0.5 to 45%, preferably 1 to 25%, based on the mass of the fiber material.
  • the fiber material contains, based on the total weight of components a1), a2) and a3), 10 to 50 wt.%, preferably 20 to 40 wt.%, of at least one fluorine-containing polymer a1), 0 to 40 wt.% of at least one polymer a2 different from a1), and 20 to 90 wt.%, preferably 50 to 80 wt.%, of at least one conductivity-improving additive a3), applied thereto and/or incorporated therein.
  • the total weight of components a1), a2), if present, and a3) is 3 to 50 wt.%, preferably 5 to 35 wt.%, in particular 10 to 25 wt.%, based on the total weight of the fiber material.
  • the fiber material further comprises at least one additive a4) applied thereto and/or incorporated therein, which additive is selected, for example, from polymer binders a41) different from polymer a1) and polymer a2) as defined above, such as furan resins, polyimide resins, surface-active substances a42) and further additives and auxiliaries a43).
  • additive is selected, for example, from polymer binders a41) different from polymer a1) and polymer a2) as defined above, such as furan resins, polyimide resins, surface-active substances a42) and further additives and auxiliaries a43).
  • the fiber material can be treated with at least one further additive a4), for example, together with a polymer, such as polymer a1) and/or a2), and/or other additives.
  • the binders a41) can optionally be subsequently cured. This can be done, for example, together with drying and/or sintering following treatment with a polymer, such as polymer a1) and/or a2), or separately.
  • the total mass fraction of further additives a4) is preferably 0 to 80%, preferably 0 to 50%, based on the mass of the fiber material. If the fiber materials additionally contain at least one further additive a4), the total mass fraction of further additives a4) is 0.1 to 80%, preferably 0.5 to 50%, based on the mass of the fiber material.
  • the fiber material contains various other polymers a41) in addition to the fluorine-containing polymers a1) and the polymers a2) in a weight proportion of at most 5%, preferably at most 1%, particularly preferably at most 0.5%, in particular at most 0.1%, based on the total weight of the fiber material, applied thereto and/or incorporated therein. More specifically, the fiber material contains no additives of further polymers a41) that are different from the fluorine-containing polymers a1) and the polymers a2). This applies especially to polymeric binders a41) that would carbonize under the manufacturing conditions of the sheet-like electrically conductive material A).
  • the fiber material can be provided with the polymer components such as polymers a1) and/or a2) and optionally further components such as a3) and/or a4) by conventional methods. Suitable coating and impregnation methods are described in more detail below.
  • the subsequent drying and/or sintering, preferably drying and sintering, of the coated and/or impregnated fiber material to produce the sheet-like electrically conductive material A) according to the invention is also described in more detail below.
  • the binding effect of the polymer is achieved through sintering.
  • the sintering step can also be carried out without a prior drying step. However, a prior drying step is preferably carried out, which promotes a more uniform binder distribution in the sintered product of the sheet-like electrically conductive material A).
  • the present application also relates to a gas diffusion layer according to the invention as defined above, wherein the sheet-like electrically conductive material A) is obtainable by coating and/or impregnating the fiber material with a preferably aqueous composition containing at least one polymer and optionally further components, and subsequently drying and/or sintering, preferably drying and sintering, the coated and/or impregnated fiber material, wherein the sintering is carried out by thermal treatment at a temperature of 250 °C to 500 °C, preferably 300 °C to 450 °C, and in particular 350 °C to 450 °C.
  • the gas diffusion layer preferably comprises a sheet-like electrically conductive material A) resulting from drying the coated and/or impregnated fiber material.
  • the gas diffusion layer comprises a material obtained by thermal treatment at a temperature of 250 °C to 500 °C, preferably 300 °C to 450 °C, and in particular 350 °C to 450 °C.
  • the finishing weight of the preferably aqueous composition ie its mass of solids used relative to the mass of the unfinished fiber material, is typically 5 to 25%, preferably 10 to 20%, such as about 15%.
  • At least one fiber material is provided, which comprises a carbon fiber nonwoven fabric.
  • the fiber material consists of a carbon fiber nonwoven fabric.
  • the fiber material is a carbon fiber nonwoven fabric in combination with a carbon fiber fabric or carbon fiber paper.
  • the fiber material provided in the first step is coated and/or impregnated in the second step with a preferably aqueous composition containing a polymer such as at least one fluorine-containing polymer a1) and/or at least one polymer a2) different from a1), as defined above, and optionally further additives.
  • the preferably aqueous composition can be in the form of a dispersion or a solution. Typically, it is in the form of an aqueous dispersion.
  • finishing of the fiber materials by coating and/or impregnation is carried out using conventional application methods known to those skilled in the art.
  • a method selected from among padding, doctor blade coating, spraying, splattering, and combinations thereof is used for coating and/or impregnating the fiber materials.
  • the fiber material is passed through a padding tank containing the additive-containing solution or dispersion and then squeezed out to the desired application quantity of additive using a pair of rollers with adjustable pressure and, if necessary, gap.
  • the squeegee used is a knife-like steel belt, with or without a support blade. It serves to wipe off excess additive-containing solution or dispersion from the webs of the printing cylinder (scraping).
  • the squeegee is usually made of rubber or plastic with a sharp or rounded edge.
  • the additive-containing solution or dispersion is applied to the fiber material to be finished using a slotted nozzle.
  • the kiss-roll coating process is used to coat the underside of horizontally running webs.
  • the coating medium can be applied to the web in either a counter- or co-rotating direction.
  • Transfer rollers allow for indirect coating with small application quantities.
  • the padding process is used to finish the cleaning articles according to the invention.
  • the coated and/or impregnated fiber material is subjected to drying and/or sintering, preferably drying and sintering, to produce the flat, electrically conductive material A).
  • drying and/or sintering preferably drying and sintering
  • Suitable processes for drying fiber materials coated and/or impregnated with additive-containing solutions or dispersions, such as nonwovens or woven fabrics, are known in principle.
  • at least a portion of the solvent, especially the water can be suctioned out of the fiber material, e.g., by passing it through a suction opening from which the liquid is removed by means of applied negative pressure.
  • the fiber material can be dried at elevated temperature. In addition, drying can take place at reduced pressure.
  • the fiber material is preferably dried at a temperature in the range of 20 to 250°C, particularly preferably 40 to 200°C.
  • the coated and/or impregnated fiber material can be subjected to sintering in the third step.
  • Sintering is preferably carried out by thermal treatment at a temperature of 250 °C to 500 °C, preferably 300 °C to 450 °C, and in particular 350 °C to 450 °C.
  • Microporous layer B is a Microporous layer B
  • the microporous layer (MPL) contains conductive carbon particles in a matrix of a polymeric binder, wherein the conductive carbon particles comprise carbon black and graphite to reduce contact resistance as described above, wherein the graphite content, based on the total weight of carbon black and graphite contained in the microporous layer, is at least 50 wt. %. It is applied to at least one of the surfaces of the sheet-like electrically conductive material A), i.e., applied thereto on at least one side. In a preferred embodiment, it is applied to only one side of the sheet-like electrically conductive material A). In an alternative embodiment, it is applied to both sides of the sheet-like electrically conductive material A).
  • An MPL according to the invention can also be applied to one side of the sheet-like electrically conductive material A) and an MPL not according to the invention can be applied to the other side of the sheet-like electrically conductive material A).
  • the MPL not according to the invention also contains conductive particles, typically conductive carbon particles, preferably carbon black and/or graphite, in a matrix of a polymeric binder, such as preferably the aforementioned fluorine-containing polymers, especially polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • a polymeric binder such as preferably the aforementioned fluorine-containing polymers, especially polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • an MPL is applied only to one side of the sheet-like electrically conductive material A), as this creates a porosity gradient within the resulting GDL. This facilitates both the finely divided supply of the combustion gases to the catalyst layer and the removal of the combustion gas (in the form of water).
  • an MPL according to the invention can also be combined with an MPL not according to the invention on at least one side of the sheet-like electrically conductive material A).
  • the microporous layer according to the invention may contain further conductive particles, preferably further carbon particles such as in particular graphene, carbon nanotubes (CNT), carbon nanofibers or mixtures thereof.
  • the total weight of carbon black and graphite contained in the MPL is at least 50%, preferably at least 90%, more preferably at least 95% and in particular 100%.
  • the polymeric binder of the MPL preferably comprises at least one fluorine-containing polymer.
  • the fluorine-containing polymer is preferably selected from polytetrafluoroethylenes, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymers, perfluoroalkoxy polymers, and mixtures thereof.
  • Polytetrafluoroethylene (PTFE) is preferably used.
  • the graphite content of the microporous layer is 50 to 90 wt. %, more preferably 60 to 85 wt. %, and in particular 65 to 80 wt. %, such as 70 to 75 wt.
  • the contact resistance at the interface between the MPL of the gas diffusion layer and the catalyst layer applied to the polymer electrolyte membrane can be further reduced, as described above.
  • its thermal and electrical conductivity as well as the air permeability of the GDL according to Gurley typically deteriorate.
  • the microporous layer preferably contains carbon black in a proportion of 10 to 45 wt.%, preferably 15 to 40 wt.%, based on the total weight of the microporous layer.
  • the microporous layer preferably contains graphite in a proportion of 30 to 80 wt.%, preferably 40 to 70 wt.%, based on the total weight of the microporous layer.
  • the microporous layer preferably contains carbon black in a proportion of 10 to 45 wt.%, preferably 15 to 40 wt.%, and graphite in a proportion of 30 to 80 wt.%, preferably 40 to 70 wt.%, based on the total weight of the microporous layer.
  • the polymeric binder is present in the microporous layer in a proportion of 5 to 50 wt.%, preferably 15 to 30 wt.%, in particular 20 to 25 wt.%, based on the total weight of the microporous layer.
  • the microporous layer contains carbon black and graphite together in a proportion of 40 to 95 wt.%, preferably 60 to 90 wt.%, in particular 70 to 80 wt.%, based on the total weight of the microporous layer.
  • the microporous layer contains the polymeric binder in a proportion of 5 to 50 wt.%, preferably 15 to 30 wt.% and in particular 20 to 25 wt.%, and carbon black and graphite together in a proportion of 40 to 95 wt.%, preferably 60 to 90 wt.% and in particular 70 to 80 wt.%, in each case based on the total weight of the microporous layer.
  • the MPL contains at least one pore-forming agent.
  • Suitable pore-forming agents are commercially available plastic particles, e.g., made of polymethyl methacrylate (PMMA).
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • a suitable particle size ranges from 10 to 100 pm.
  • the loading of the microporous layer is preferably 10 to 50 g/m 2 , more preferably 10 to 30 g/m 2 and especially 15 to 25 g/m 2 .
  • the microporous layer B preferably has a thickness in the range of 5 to 150 pm, particularly preferably 10 to 100 pm. This thickness refers to the uncompressed state of the microporous layer B), i.e., before the GDL is incorporated into a fuel cell.
  • the MPL B) is microporous with pore diameters that are generally well below five micrometers, preferably of at most 900 nm, particularly preferably of at most 500 nm, in particular of at most 300 nm.
  • the pore size distribution can be determined using mercury porosimetry, as described in DIN ISO 15901-1:2019-03: Mercury porosimetry.
  • the pore diameter can exhibit a bimodal or polymodal distribution curve. For example, when using a mixture of carbon black and graphite, a pore diameter distribution with multiple pore peaks can be obtained.
  • MPL has a significant impact on the water balance of the fuel cell. Due to the high proportion of polymeric binders such as PTFE and the smaller pores of MPL, flooding of the GDL and the electrode is made more difficult by the MPL acting as a liquid water barrier, thus favoring the mass transport of gaseous reactants to the catalyst.
  • the microporous layer preferably has a mean roughness value R a of at most 10 pm, more preferably at most 5 pm, determined according to DIN 4768-1:1974-08.
  • the microporous layer preferably has an average roughness depth R z of at most 60 pm, more preferably at most 30 pm, determined according to DIN 4768-1:1974-08.
  • the sheet-like electrically conductive material A) is typically coated with a preferably aqueous composition containing the conductive carbon particles and the polymeric binder, and the coated material A) is then dried and/or sintered, preferably dried and sintered.
  • the application of the MPL B) to the flat electrically conductive material A) can be accomplished in various ways. While spray, screen printing, or Meyer rod processes are often used in discontinuous production, doctor blade, slot die, and roller processes are preferred for continuous coating.
  • drying can be carried out at elevated temperatures. Drying can also be carried out at reduced pressure. Drying is preferably carried out at a temperature in the range of 20 to 250 °C, particularly preferably 40 to 200 °C, such as 100 to 200 °C. Sintering is carried out by thermal treatment at a temperature of 250°C to 500°C, preferably 300°C to 450°C, and especially 350°C to 450°C. The binding effect of the polymer is achieved through sintering.
  • the sintering step can also be performed without a prior drying step. However, a prior drying step is preferably performed, which promotes a more uniform binder distribution in the sintered product of the MPL B).
  • the present application also relates to a gas diffusion layer according to the invention as defined above, wherein the microporous layer B) is obtainable by coating the sheet-like electrically conductive material A) with a preferably aqueous composition containing the conductive carbon particles and the polymeric binder, and subsequently drying and/or sintering the coated material A), wherein the sintering is carried out by thermal treatment at a temperature of 250 °C to 500 °C, preferably 300 °C to 450 °C, and in particular 350 °C to 450 °C.
  • the particle diameter values D10, D50, and D90 for graphite and carbon black can be determined according to ISO 13320:2020-01 (Particle size analysis - Laser diffraction method).
  • the graphite has a particle diameter value D10 of typically 0.5 to 15 pm, preferably 1 to 10 pm, in particular 3 to 7 pm, determined by static light scattering at 25°C using a Mastersizer 2000 instrument from Malvern Instruments.
  • the graphite has a particle diameter value D50 of typically 1 to 50 pm, preferably 2 to 30 pm, in particular 10 to 25 pm, determined by static light scattering at 25°C using a Mastersizer 2000 instrument from Malvern Instruments.
  • the graphite has a particle diameter value D90 of typically 2 to 100 pm, preferably 5 to 70 pm, in particular 30 to 60 pm, determined by static light scattering at 25 °C using a Mastersizer 2000 device from Malvern Instruments.
  • the determination of the particle diameter value by static light scattering at 25 °C using a Mastersizer 2000 device from Malvern Instruments is carried out as a wet measurement, typically with the addition of distilled water.
  • the D10, D50 or D90 value of the The integral volume distribution is defined in the present application as the particle diameter at which 10, 50 or 90 volume percent of the particles have a smaller diameter than the diameter corresponding to the D10, D50 or D90 value, respectively.
  • the graphite preferably has a BET surface area, determined according to ISO 9277:2010, in the range from 0.5 to 50 m 2 /g, preferably from 1.0 to 25 m 2 /g.
  • the carbon black has a particle diameter value D10 of typically 5 to 50 nm, preferably 10 to 30 nm, determined by static light scattering at 25°C using a Mastersizer 2000 from Malvern Instruments.
  • the carbon black has a particle diameter value D50 of typically 20 to 200 nm, preferably 50 to 150 nm, determined by static light scattering at 25°C using a Mastersizer 2000 from Malvern Instruments.
  • the carbon black has a particle diameter value D90 of typically 40 to 500 nm, preferably 80 to 300 nm, determined by static light scattering at 25°C using a Mastersizer 2000 from Malvern Instruments. The determination of the particle diameter value by static light scattering at 25 °C using a Mastersizer 2000 instrument from Malvern Instruments is carried out as a wet measurement, typically with the addition of distilled water.
  • the carbon black preferably has a BET surface area, determined according to ISO 9277:2010, in the range from 10 to 600 m 2 /g, preferably from 20 to 400 m 2 /g.
  • a single type of carbon black or a combination with at least one other carbon black can be used as carbon black.
  • the particle size distribution of the carbon black in the preferably aqueous composition can be monomodal or multimodal, such as bimodal.
  • a single type of graphite or a combination with at least one other graphite can be used as graphite.
  • the particle size distribution of the graphite in the preferably aqueous composition can be monomodal or multimodal, such as bimodal.
  • the microporous layer B) according to the invention is preferably obtainable from a preferably aqueous composition whose graphite and/or carbon black has such particle diameters.
  • the gas diffusion layer according to the invention preferably has a thickness at a compressive force of 0.025 MPa in the range of 100 to 300 pm, more preferably 130 to 250 pm, and in particular 150 to 200 pm.
  • high compression set values are advantageous with regard to reducing the contact resistance at the interface of the GDL.
  • Plastic deformation occurs when a material, such as a gas diffusion layer, does not fully return to its original shape after being subjected to stress, but rather undergoes a permanent deformation. Part of the deformation is elastic and thus reversible, while only a certain part is plastic and remains permanently.
  • the property of a material to permanently change its shape when stress is applied, i.e., its deformability, is also referred to as "settling.” Materials with low plastic deformability exhibit low settling behavior.
  • the compression set value is a measure of how a material, in this case a GDL, behaves during compression deformation and subsequent relaxation. GDLs are typically heavily compressed when used in fuel cells. The proportion of elastic and plastic deformation can be used to characterize the properties of a GDL due to compression.
  • the compression set is the permanent deformation that remains after the applied force is removed. Gas diffusion layers with low settling behavior are characterized by low compression set values.
  • the compression set value can be determined as described in detail below under the test methods. It is possible to simultaneously determine the values of other physical parameters, such as thickness, gas permeability, and electrical resistance, each at a specific compressive force and after single or multiple force applications.
  • the gas diffusion layer has a compression set value at 1.0 MPa of at least 4.0 pm, preferably at least 5.0 pm, more preferably at least 7.0 pm and in particular at least 10.0 pm, such as at least 20 pm, determined on an annular sample with an inner diameter of 45 mm and an outer diameter of 56 mm, wherein the sample is subjected to three loading cycles from 0.025 MPa to 1.0 MPa and the compression set value results from the difference between the thickness measured at 1.0 MPa in the first loading cycle and in the third loading cycle.
  • the gas diffusion layer has a compression set value at 2.0 MPa of at least 4.0 pm, preferably at least 5.0 pm, more preferably at least 7.0 pm and in particular at least 10.0 pm, such as at least 20 pm, determined on an annular sample with an inner diameter of 45 mm and an outer diameter of 56 mm, wherein the sample is subjected to three loading cycles from 0.025 MPa to 2.0 MPa and the compression set value results from the difference between the thickness measured at 2.0 MPa in the first loading cycle and in the third loading cycle.
  • the gas diffusion layer has a compression set value at 6.0 MPa of at least 5.0 pm, preferably at least 10.0 pm, more preferably at least 15.0 pm and in particular at least 20.0 pm, determined on an annular sample with an inner diameter of 45 mm and an outer diameter of 56 mm, wherein the sample is subjected to three loading cycles from 0.025 MPa to 6.0 MPa and the compression set value results from the difference between the thickness measured at 6.0 MPa in the first loading cycle and in the third loading cycle.
  • the gas diffusion layer also has an air permeability, also called gas permeability or gas permeability, according to Gurley, determined according to ISO 5636-5:2013-11, of 1 to 50 seconds, preferably 5 to 25 seconds, more preferably 10 to 20 seconds.
  • air permeability also called gas permeability or gas permeability, according to Gurley, determined according to ISO 5636-5:2013-11, of 1 to 50 seconds, preferably 5 to 25 seconds, more preferably 10 to 20 seconds.
  • the gas diffusion layer has a
  • Dry diffusion length of 250 pm to 900 pm, preferably 300 to 800 pm.
  • Dry diffusion length refers to the actual length of the path that a The distance traveled by a gas molecule through the flat, electrically conductive material A) and the microporous layer B) in pm. It is determined using a stationary Wicke-Kallenbach cell.
  • the present invention also relates to a fuel cell which contains at least one gas diffusion layer according to the invention as described above.
  • the gas diffusion layer according to the invention is suitable for all common fuel cell types.
  • the invention relates to a polymer electrolyte membrane fuel cell.
  • the fuel cell according to the invention comprises a polymer electrolyte membrane to which a catalyst layer is applied, wherein the catalyst layer is in contact with the surface of the microporous layer of the gas diffusion layer according to the invention.
  • the gas diffusion layer according to the invention is suitable, compared to gas diffusion layers from the prior art, in a polymer electrolyte membrane fuel cell for reducing the contact resistance at the interface between the microporous layer of the gas diffusion layer and the catalyst layer applied to the polymer electrolyte membrane, especially in the region of the channels of the bipolar plate of the fuel cell, such as in particular in the region of the center of the channels.
  • the channels K of the bipolar plates can have different geometries, among other things with regard to the width B and the radius R of the curves (wherein the channels K can be arranged linearly and parallel on the bipolar plate, for example).
  • the geometries (B1, R1), (B1, R2), (B2, R1) and (B2, R2) are mentioned here as examples, where “B” stands for the width and “R” for the radius of the curves of the channels K, which are each adjoined by webs S (for illustration, see Figure 1, which schematically shows a section of a bipolar plate from the prior art (in cross section)).
  • Test Method F strip measurement
  • the contact resistance in question is simulated by determining the contact resistance of the GDL applied to the bipolar plate in the corresponding regions at the interface with the measuring electrodes instead.
  • Test Method F including the measuring apparatus, please refer to the following section on measurement methods.
  • the pressure to which the GDL is exposed is lower in the area of the channels of the bipolar plate, and particularly in the center of the channels, compared to the area of the webs, the contact resistance at the interface with the catalyst layer is comparatively high.
  • the GDL according to the invention leads to a significant reduction in the contact resistance at the interface with the catalyst layer in the pressed fuel cell compared to prior art gas diffusion layers. This applies particularly in the area of the channels, and especially their center.
  • the contact resistance at the interface between the GDL and the catalyst layer in the region of the center of the channels of the bipolar plate, at a compression pressure of 1.0 MPa is as follows: if the GDL is arranged on the bipolar plate such that the machine direction of the GDL runs parallel to the main flow field direction of the bipolar plate, typically ⁇ 15 mOhm*cm 2 , preferably ⁇ 10 mOhm*cm 2 .
  • the GDL is arranged on the bipolar plate such that the machine direction of the GDL runs at a 90° angle to the main flow field direction of the bipolar plate (ie the transverse direction of the machine of the GDL is parallel to the main flow field direction of the bipolar plate), typically also ⁇ 15 mOhm*cm 2 , preferably ⁇ 10 mOhm*cm 2 , whereby the contact resistances are typically lower in comparison.
  • Gas diffusion layers have a machine direction (MD), which runs parallel to the production direction of a web and thus along the roll winding, and a cross-machine direction (CMD), which runs transversely, i.e. at a 90° angle, to the production direction and thus transversely to the roll winding.
  • MD machine direction
  • CMD cross-machine direction
  • the contact resistance between the GDL and the CCM in the region of the channels can be minimized by a suitable arrangement of the GDL on the bipolar plate.
  • the GDL is not arranged on the bipolar plate such that the machine direction of the GDL runs parallel to the main flow field direction of the bipolar plate.
  • the GDL is arranged on the bipolar plate such that the machine direction of the GDL forms an angle of 25° to 90°, preferably 45° to 90°, to the main flow field direction of the bipolar plate, which angle is in particular 90°.
  • the machine direction of a GDL typically has a comparatively high flexural rigidity, so that if it is arranged not parallel, and particularly preferably at a 90° angle to the main flow field direction of the bipolar plate, the GDL intrusion into the channels of the bipolar plate and thus the contact resistance between the GDL and CCM in the region of the channels can be minimized.
  • the contact resistance at the interface of the GDL to the catalyst layer in the region of the center of the channels of the bipolar plate, at a compression pressure of 1.0 MPa is as follows: if the GDL is arranged on the bipolar plate such that the machine direction of the GDL runs parallel to the main flow field direction of the bipolar plate, typically ⁇ 40 mOhm*cm 2 , preferably ⁇ 25 mOhm*cm 2 and in particular ⁇ 15 mOhm*cm 2 .
  • the GDL is arranged on the bipolar plate such that the machine direction of the GDL runs at a 90° angle to the main flow field direction of the bipolar plate (ie the transverse machine direction of the GDL runs parallel to the main flow field direction of the bipolar plate), typically ⁇ 30 mOhm*cm 2 , preferably ⁇ 20 mOhm*cm 2 and in particular ⁇ 10 mOhm*cm 2 .
  • gas diffusion layers according to the invention exhibit relatively high compression set values due to the compressively soft MPL.
  • the compression set at 2.0 MPa and the compression set at 6.0 MPa is particularly preferably above 20 ⁇ m.
  • the contact resistance at the interface between the MPL and the catalyst layer in the region of the channels of the bipolar plate is typically so reduced that it differs at most slightly from the contact resistance in the region of the webs. This means that the adhesion and electrical conductivity differ only slightly between the channel and web regions.
  • the determination of the roughness for example of the microporous layer, can be carried out using conventional stylus methods known to the person skilled in the art, such as those described in DIN 4768-1:1974-08 entitled "Determination of the roughness measurement quantities R a , R z , Rmax with electrical stylus instruments; basic principles".
  • the mean roughness value R a mean distance of a measuring point on the surface from the center line
  • the mean roughness depth R z were determined.
  • the measurements were performed using a Mahrsurf XCR20 measuring instrument with an MFW-250 free-surface probe. The values are averages of six measurements: three in the machine direction (MD) and three perpendicular to the machine direction (CD).
  • Thicknesses in the uncompressed state can be determined according to DIN 53855-1:1993-08 "Determination of the thickness of textile fabrics” (test method B1).
  • the determination of the thickness of a GDL at a specific compressive force can be carried out in a compression set measuring device as described in detail below (Test Method B2).
  • Three samples are taken across the entire width of the GDL to be tested, and an average value is calculated. If the material has a machine direction due to manufacturing, the samples are taken perpendicular to the machine direction (CMD).
  • the samples are ring-shaped with an inner diameter of 45 mm and an outer diameter of 56 mm.
  • the sample area is 8.72577 cm2 .
  • the samples are subjected to a time-varying compressive force acting perpendicular to the surface of the sample.
  • a sensor determines the change in the thickness of the GDL over time for each applied pressure.
  • the sample is mounted on a device for determining elastic and plastic deformation using force sensors, with the movement being transmitted to the sample via springs.
  • the travel distance until the maximum compressive force is reached is determined using displacement sensors. Since the deformation of the sample is non-linear, the measurement curve is adapted to the relative change. One measurement cycle, ie a single loading to maximum pressure and the subsequent unloading, lasts 1 minute. The sample undergoes three loading cycles. The initial value, at which only a small force is exerted on the sample, is 0.025 MPa. Typical pressure values for determining the compression set value (and other physical quantities, such as thickness, electrical conductivity or sheet resistance, gas permeability, etc.) are 0.6 MPa, 1.0 MPa, 2.0 MPa, 2.4 MPa and 6.0 MPa.
  • the compression set value for a specific pressure is the difference between the thickness measured at that pressure in the first load cycle and the thickness measured at that pressure in the third load cycle.
  • Air permeability gas permeability, gas permeability
  • Gurley test method D
  • Gas permeability perpendicular to the material plane can be determined using a Gurley measurement, which can be performed using an automated Gurley densometer from Gurley Precision Instruments. The measurement determines the time in seconds until 100 cm3 of air has flowed vertically through the GDL sample at a constant pressure difference, with a sample area of 6.42 cm2 . The determination of air permeability according to Gurley is described in ISO 5636-5.
  • the dry diffusion length of a GDL is determined using a stationary Wicke-Kallenbach cell.
  • the contact resistance of a GDL applied to a bipolar plate at its interface with a catalyst layer applied to a polymer electrolyte membrane can be simulated using strip measurement. This applies both to the channel regions of the fuel cell bipolar plate, particularly the channel center regions, and to the bridge regions of the fuel cell bipolar plate.
  • the respective contact resistance is simulated by determining the contact resistance of a circular GDL sample applied to the channel structure of the corresponding bipolar plate at its interface with measuring electrodes, specifically in the desired region (i.e., for example, in the channel center region and/or bridge region).
  • the circular GDL sample is clamped between the respective channel structure at the top and the measuring electrodes 1-20 below at a compression pressure of 1.0 MPa, in the specified Angle to the main flow field direction of the channel structure.
  • the line of the 20 measuring electrodes is arranged in the apparatus perpendicular to the main flow field direction of the channel.
  • the channels can, for example, have the geometry (B1, R1), (B1, R2), (B2, R1) or (B2, R2) as defined above.
  • the circular GDL sample is large enough that its maximum width covers at least one channel and the two adjacent webs.
  • the measuring electrodes 1 and 2 or 19 and 20 are arranged in the region of the webs on the GDL sample; the measuring electrodes 10 and 11 are also arranged in the region of the channel center on the GDL sample. Further details of the measuring method, including the measuring apparatus, can be found in the Journal of The Electrochemical Society, 159 (6) B709-B713 (2012), which is hereby incorporated by reference into the disclosure of the present application. This concerns in particular the experimental part of the said publication, including the figures, in particular Figure 1, to which reference is made therein (and in particular the statements under ‘Measurement of the contact resistance’).
  • Figure 1 schematically illustrates a section of a prior art bipolar plate, such as can also be used in a fuel cell according to the invention (sectional drawing).
  • B represents the width and "R” the radius of the curves of the channel K shown, which is adjoined by webs S on both sides.
  • gas diffusion layers according to the invention and as a comparison were produced, each containing a sheet-like electrically conductive material A) and a microporous layer B).
  • the impregnation composition and MPL- An aqueous dispersion was used in the GDL production of the paste.
  • additives such as surfactants are not considered to be part of the solids of an impregnation composition or MPL paste, particularly since they typically decompose during sintering.
  • a nonwoven fabric I made of 100% carbon fibers with a basis weight of 40 g/ m2 was used.
  • an impregnation composition was mixed which contained, based on the solids, 70 wt.% carbon black and 30 wt.% PTFE. The finishing was carried out by pad impregnation with an aqueous dispersion with 15% finish weight based on the mass of the GDL substrate (i.e., nonwoven fabric I, which corresponds to a finish of 6.0 g/ m2 ). This was followed by drying for 5 minutes at 160 °C and sintering for 10 minutes at 400 °C. An MPL was then applied.
  • MPL coating For the MPL coating, an MPL paste containing, based on the solids, 20 wt.% PTFE and 80 wt.% carbon black in distilled water was applied to the fiber material. The fiber material was then dried at 130 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. The resulting MPL loading was 15 g/m 2 .
  • Example 2 The production of the gas diffusion layer in Example 2 differs from that of Comparative Example 1 only in the MPL paste used.
  • MPL paste For the MPL coating, an MPL paste containing, based on the solids content, 20 wt.% PTFE, 40 wt.% carbon black, and 40 wt.% graphite in distilled water was applied to the fiber material. The fiber material was then dried at 130 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. The resulting MPL loading was 15 g/ m2 .
  • Example 3 (B3) The production of the gas diffusion layer in Example 3 differs from that of Comparative Example 1 only in the MPL paste used.
  • MPL paste for the MPL coating, an MPL paste containing, based on the solids content, 20 wt.% PTFE, 20 wt.% carbon black, and 60 wt.% graphite in distilled water was applied to the fiber material. The fiber material was then dried at 130 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. The resulting MPL loading was 20 g/ m2 .
  • the production of the gas diffusion layer from Example 4 differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 1 in that (i) a nonwoven fabric II made of 100% carbon fibers with a basis weight of 63 g/m 2 was used to produce the sheet-like electrically conductive material (the impregnation composition was also applied with a 15% finish weight based on the mass of the GDL substrate (i.e., nonwoven fabric II, which corresponds to a finish of 9.5 g/m 2 )), and (ii) by the MPL paste used.
  • an MPL paste was applied to the fiber material, which contained, based on the solids, 20 wt.% PTFE, 20 wt.% carbon black, and 60 wt.% graphite in distilled water.
  • the fiber material was then dried at 130 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer.
  • the resulting MPL loading was 13 g/m 2 .
  • the production of the gas diffusion layer from Example 5 differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 1 in that (i) a nonwoven fabric II made of 100% carbon fibers with a basis weight of 63 g/ m2 was used to produce the sheet-like electrically conductive material (the impregnation composition was also applied at a weight of 15% based on the mass of the GDL substrate (i.e., nonwoven fabric II)), and (ii) by the MPL paste used.
  • MPL paste for the MPL coating, an MPL paste containing, based on the solids, 20 wt.% PTFE, 40 wt.% carbon black, and 40 wt.% graphite in distilled water was applied to the fiber material. The fiber material was then dried at 130 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer.
  • the resulting MPL loading was 25 g/m 2 .
  • a nonwoven III made of 100% carbon fibers with a basis weight of 63 g/ m2 was used.
  • an impregnation composition was mixed which contained, based on the solids, 70 wt.% carbon black and 30 wt.% PTFE. The finishing was carried out by pad impregnation with an aqueous dispersion with 15% finish weight based on the mass of the GDL substrate (i.e., nonwoven III, which corresponds to a finish of 9.5 g/ m2 ). This was followed by drying for 5 minutes at 160 °C and sintering for 10 minutes at 400 °C. An MPL was then applied.
  • MPL coating For the MPL coating, an MPL paste containing, based on the solids, 20 wt.% PTFE and 80 wt.% carbon black in distilled water was applied to the fiber material. The fiber material was then dried at 160 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. The resulting MPL loading was 23 g/m 2 .
  • the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 7 differs from that of Comparative Example 6 only in the impregnation composition used.
  • an impregnation composition was mixed containing, based on the solids, 60 wt.% carbon black, 22 wt.% PTFE, and 18 wt.% PEEK.
  • the finishing was carried out by padding impregnation with an aqueous dispersion containing 15% of the finishing weight based on the mass of the GDL substrate (i.e., nonwoven III). This was followed by drying for 5 minutes at 160 °C and sintering for 10 minutes at 400 °C.
  • Example 8 (B8) The production of the gas diffusion layer in Example 8 differs from that of Comparative Example 6 only in the MPL paste used.
  • MPL paste for the MPL coating, an MPL paste containing, based on the solids content, 20 wt.% PTFE, 40 wt.% carbon black, and 40 wt.% graphite in distilled water was applied to the fiber material. The fiber material was then dried at 160 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. The resulting MPL loading was 15 g/ m2 .
  • the production of the gas diffusion layer from Example 9 differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 6 in (i) the impregnation composition used.
  • an impregnation composition was mixed that contained, based on solids, 60% carbon black, 22% PTFE, and 18% PEEK.
  • the finishing was carried out by padding impregnation with an aqueous dispersion containing 15% finishing weight based on the mass of the GDL substrate (i.e., nonwoven fabric III). This was followed by drying for 5 minutes at 160°C and sintering for 10 minutes at 400°C.
  • the production of the gas diffusion layer from Example 9 further differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 6 in (ii) the MPL paste used.
  • MPL coating For the MPL coating, an MPL paste containing 20 wt% PTFE, 40 wt% carbon black, and 40 wt% graphite in distilled water, based on the solids, was applied to the fiber material. The fiber material was then dried at 160 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. The resulting MPL loading was 15 g/ m2 .
  • the production of the gas diffusion layer from Example 10 differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 6 only in the MPL paste used.
  • MPL paste for the MPL coating, an MPL paste containing, based on the solids, 20 wt.% PTFE, 20 wt.% carbon black, and 60 wt.% graphite in distilled water was applied to the fiber material. The fiber material was then dried at 160 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. The resulting MPL loading was 20 g/m 2 .
  • the production of the gas diffusion layer from Example 11 differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 6 in (i) the impregnation composition used.
  • an impregnation composition was mixed that contained, based on the solids, 60 wt.% carbon black, 22 wt.% PTFE, and 18 wt.% PEEK.
  • the finishing was carried out by padding impregnation with an aqueous dispersion containing 15% finish weight based on the mass of the GDL substrate (i.e., nonwoven fabric III). This was followed by drying for 5 minutes at 160°C and sintering for 10 minutes at 400°C.
  • the production of the gas diffusion layer from Example 11 differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 6 further in (ii) the MPL paste used.
  • MPL paste used for the MPL coating, an MPL paste containing 20 wt% PTFE, 20 wt% carbon black, and 60 wt% graphite in distilled water, based on the solids, was applied to the fiber material. The fiber material was then dried at 160 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. The resulting MPL loading was 20 g/ m2 .
  • the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 12 differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 1 only in the impregnation composition used.
  • an impregnation composition was mixed containing, based on the solids, 60 wt.% carbon black, 28 wt.% PTFE, and 12 wt.% PEEK.
  • the finishing was carried out by padding impregnation with an aqueous dispersion containing 15% of the finishing weight based on the mass of the GDL substrate (i.e., nonwoven fabric I). This was followed by drying for 5 minutes at 160 °C and sintering for 10 minutes at 400 °C.
  • Comparative Example 13 (VB13) The production of the gas diffusion layer from Comparative Example 13 differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 1 only in the impregnation composition used.
  • an impregnation composition was mixed containing, based on the solids, 50 wt.% carbon black, 26 wt.% PTFE, and 24 wt.% PEEK.
  • the finishing was carried out by padding impregnation with an aqueous dispersion containing 15% of the finishing weight based on the mass of the GDL substrate (i.e., nonwoven fabric I). This was followed by drying for 5 minutes at 160 °C and sintering for 10 minutes at 400 °C.
  • the production of the gas diffusion layer from Example 14 differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 1 in (i) the impregnation composition used.
  • an impregnation composition was mixed which contained, based on the solids, 60 wt.% carbon black, 28 wt.% PTFE, and 12 wt.% PEEK.
  • the finishing was carried out by padding impregnation with an aqueous dispersion with 15% finish weight based on the mass of the GDL substrate (i.e., nonwoven fabric I). This was followed by drying for 5 minutes at 160°C and sintering for 10 minutes at 400°C.
  • the production of the gas diffusion layer from Example 14 also differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 1 in the MPL paste used.
  • MPL paste for the MPL coating, an MPL paste containing 20 wt% PTFE, 40 wt% carbon black, and 40 wt% graphite in distilled water, based on the solids, was applied to the fiber material. The fiber material was then dried at 130 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. The resulting MPL loading was 15 g/ m2 .
  • the production of the gas diffusion layer from Example 15 differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 1 in (i) the impregnation composition used.
  • an impregnation composition containing, based on the solids, 50 wt.% carbon black, 26 wt.% PTFE, and 24 wt.% PEEK was mixed to finish the nonwoven fabric. The finishing was carried out by padding. Impregnation with an aqueous dispersion with 15% finish weight based on the mass of the GDL substrate (i.e., nonwoven fabric I). This was followed by drying for 5 minutes at 160 °C and sintering for 10 minutes at 400 °C.
  • the production of the gas diffusion layer from Example 15 differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 1 further in the MPL paste used.
  • MPL paste used for the MPL coating, an MPL paste was applied to the fiber material containing, based on the solids, 20 wt.% PTFE, 40 wt.% carbon black, and 40 wt.% graphite in distilled water. The fiber material was then dried at 130 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. The resulting MPL loading was 15 g/m 2 .
  • the production of the gas diffusion layer from Example 16 differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 1 in (i) the impregnation composition used.
  • an impregnation composition was mixed which contained, based on the solids, 60 wt.% carbon black, 28 wt.% PTFE, and 12 wt.% PEEK.
  • the finishing was carried out by padding impregnation with an aqueous dispersion with 15% finish weight based on the mass of the GDL substrate (i.e., nonwoven fabric I). This was followed by drying for 5 minutes at 160°C and sintering for 10 minutes at 400°C.
  • the production of the gas diffusion layer from Example 16 also differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 1 in the MPL paste used.
  • MPL paste for the MPL coating, an MPL paste containing 20 wt% PTFE, 20 wt% carbon black, and 60 wt% graphite in distilled water, based on the solids, was applied to the fiber material. The fiber material was then dried at 130 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. The resulting MPL loading was 20 g/ m2 .
  • the production of the gas diffusion layer from Example 17 differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 1 in (i) the impregnation composition used.
  • a Impregnation composition containing, based on the solids, 50 wt.% carbon black, 26 wt.% PTFE, and 24 wt.% PEEK was mixed.
  • the finishing was carried out by padding impregnation with an aqueous dispersion with 15% finishing weight based on the mass of the GDL substrate (i.e., nonwoven fabric I). This was followed by drying for 5 minutes at 160 °C and sintering for 10 minutes at 400 °C.
  • the production of the gas diffusion layer from Example 17 differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 1 further in the MPL paste used.
  • MPL paste used for the MPL coating, an MPL paste was applied to the fiber material which, based on the solids, contained 20 wt.% PTFE, 20 wt.% carbon black, and 60 wt.% graphite in distilled water. The fiber material was then dried at 130 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. The resulting MPL loading was 20 g/m 2 .
  • Example 18 The production of the gas diffusion layer in Example 18 differs from the production of the gas diffusion layer in Example 2 in the choice of carbon layer.
  • a carbonized carbon fiber paper with a basis weight of 44.5 g/ m2 and a thickness (at 0.25 bar) of 192 ⁇ m was used.
  • This carbon fiber paper was impregnated with a PTFE dispersion containing 10% finishing weight based on the mass of the GDL substrate. This was followed by drying for 5 minutes at 160 °C and sintering for 10 minutes at 400 °C.
  • MPL coating an MPL paste containing, based on the solids, 20 wt.% PTFE, 40 wt.% carbon black, and 40 wt.% graphite in distilled water was applied to the fiber material. The fiber material was then dried at 160 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. MPL loading was performed analogously to Example 2.
  • Example 19 differs from the production of the gas diffusion layer in Example 4 in the choice of carbon layer.
  • a carbonized carbon fiber paper with a basis weight of 44.5 g/ m2 and a thickness (at 0.25 bar) of 192 ⁇ m was used.
  • This carbon fiber paper was impregnated with a PTFE dispersion at a weight of 10% based on the mass of the GDL substrate. This was followed by drying for 5 minutes at 160 °C and sintering for 10 minutes at 400 °C. The fiber material was then dried at 130 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer.
  • the MPL loading was carried out analogously to Example 4.
  • Example 20 The production of the gas diffusion layer in Example 20 differs from that of Example 3 in the choice of carbon layer.
  • a carbonized carbon fiber paper with a basis weight of 44.5 g/ m2 and a thickness (at 0.25 bar) of 192 ⁇ m was used.
  • This carbon fiber paper was impregnated with a PTFE dispersion at 10% finish weight based on the mass of the GDL substrate. This was followed by drying for 5 minutes at 160 °C and sintering for 10 minutes at 400 °C.
  • the MPL loading was carried out analogously to Example 3.
  • Table 1 shows the contact resistances at the interface between the microporous layer (MPL) of the gas diffusion layers from the (comparative) examples and the catalyst layer deposited on a polymer electrolyte membrane, as simulated using test method F (strip measurement).
  • Bipolar plates with linear and parallel channels of various channel geometries were used for the strip measurement, namely (B1, R1), (B1, R2), (B2, R1), and (B2, R2). It also shows the compression set values of the gas diffusion layers from the (comparative) examples at different pressures:
  • the GDL sample is arranged on the bipolar plate so that the machine direction (MD) of the GDL is parallel to the
  • the GDL sample is arranged on the bipolar plate so that the transverse direction of the machine (CMD) of the GDL is parallel to the
  • Main flow field direction of the bipolar plate i.e. the GDL is arranged on the bipolar plate so that the machine direction (MD) of the GDL forms an angle of 90° to the main flow field direction of the bipolar plate).
  • inventive examples 2 and 3 As shown, for example, by a comparison of inventive examples 2 and 3 with comparative example 1, of inventive examples 8 and 10 with comparative example 6, of inventive examples 14 and 16 with comparative example 12, of inventive examples 15 and 17 with comparative example 13, and of inventive examples 4 and 5 with one another, the additional use of graphite in a soot-containing MPL, particularly in the region of the channels, leads to a significant reduction in the contact resistance at the interface between the MPL of the corresponding gas diffusion layer and the COM, with excellent contact resistances being able to be achieved, particularly with a high graphite content of, for example, 3:1 compared to the soot content.
  • the MPL of the gas diffusion layers from the inventive examples is comparatively “compressively soft,” as the compression set values of the gas diffusion layers in question show.
  • the arrangement of the GDL sample on the bipolar plate influences the contact resistance due to the anisotropic arrangement of the channels on the bipolar plate.
  • particularly low contact resistances can be achieved if the GDL is arranged on the bipolar plate such that the machine direction (MD) of the GDL forms an angle of 90° to the main flow field direction of the bipolar plate.
  • Reduced contact resistances in the channel center can also be achieved by choosing a comparatively narrow channel width, as is the case, for example, with geometry (B1, R1) or (B1, R2) (compare with the contact resistances for geometry (B2, R1) or (B2, R2)).
  • the use of a polyetheretherketone in and/or on the fiber material of the sheet-like electrically conductive material of a gas diffusion layer leads to a significant reduction in the contact resistance at its interface with the CCM.
  • the contact resistance can also be influenced by the weight ratio of PEEK to PTFE in the impregnation composition used.
  • the contact resistance of gas diffusion layers according to the invention with a carbon black and graphite containing MPL at its interface to the CCM can thus be further reduced by a suitable choice of impregnation of the fiber material.

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Abstract

The invention relates to a gas diffusion layer for a fuel cell, comprising A) a flat electrically conductive material which contains at least one fiber material, said fiber material being selected from carbon fiber nonwoven materials, carbon fiber papers, carbon fiber woven fabrics, and mixtures thereof, and B) a microporous layer containing conductive carbon particles in a matrix consisting of a polymeric binder, wherein the conductive carbon particles comprise soot and graphite, and the proportion of graphite, based on the total weight of soot and graphite contained in the microporous layer, equals at least 50 wt.%, said microporous layer being applied onto at least one face of the flat electrically conductive material A). The invention additionally relates to a method for producing the gas diffusion layer, to a fuel cell containing the gas diffusion layer, and to the use of the gas diffusion layer in a polymer-electrolyte membrane fuel cell in order to reduce the contact resistance at the boundary surface between the microporous layer of the gas diffusion layer and the catalyst layer applied onto the polymer-electrolyte membrane.

Description

Gasdiffusionslage für Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen mit verringerten Kontaktwiderständen Gas diffusion layer for polymer electrolyte membrane fuel cells with reduced contact resistance

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasdiffusionslage (GDL) für eine Polymer- Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle, die den Kontaktwiderstand an der Grenzfläche zwischen der mikroporösen Lage (MPL) der Gasdiffusionslage und der auf der Polymer- Elektrolyt-Membran aufgebrachten Katalysatorschicht verringert. Sie betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung der Gasdiffusionslage und eine Polymer-Elektrolyt-Membran- Brennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) enthaltend die Gasdiffusionslage. The present invention relates to a gas diffusion layer (GDL) for a polymer electrolyte membrane fuel cell that reduces the contact resistance at the interface between the microporous layer (MPL) of the gas diffusion layer and the catalyst layer applied to the polymer electrolyte membrane. It also relates to a method for producing the gas diffusion layer and a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell) containing the gas diffusion layer.

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs, insbesondere von Wasserstoff, mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. In Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen wird Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H2 A 2 H+ + 2 e-). Über eine Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über einen äußeren Leiterkreis der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, wobei eine Reduktion des Sauerstoffs unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Die dabei gebildeten Sauerstoffanionen reagieren mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (1/2 O2 + 2 H+ + 2 e' A H2O). Fuel cells use the chemical conversion of a fuel, particularly hydrogen, with oxygen to form water to generate electrical energy. In hydrogen-oxygen fuel cells, hydrogen or a hydrogen-containing gas mixture is fed to the anode, where electrochemical oxidation takes place with the release of electrons ( H2A2H + + 2e-). The protons are transported from the anode compartment to the cathode compartment via a membrane that separates the reaction compartments from each other in a gas-tight manner and electrically insulates them. The electrons provided at the anode are conducted to the cathode via an external conductor circuit. Oxygen or an oxygen-containing gas mixture is fed to the cathode, where the oxygen is reduced and the electrons are absorbed. The oxygen anions formed react with the protons transported across the membrane to form water (1/ 2O2 + 2H + + 2e'AH2O).

Für viele Anwendungen, speziell im automobilen Antriebsstrang, werden Niedertemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC, proton exchange membrane fuel cells, auch als „polymer electrolyte membrane fuel cells“ bzw. Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle bezeichnet) eingesetzt, deren Kernstück eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) ist, die nur für Protonen (bzw. Oxoniumionen H3O+) und Wasser durchlässig ist und das Oxidationsmittel, im Allgemeinen Luftsauerstoff, räumlich vom Reduktionsmittel trennt. Auf die gasdichte, elektrisch isolierende, protonenleitende Membran ist auf der Anoden- und Kathodenseite eine Katalysatorschicht aufgebracht, die die Elektroden ausbildet und die in der Regel Platin als katalytisch aktives Metall enthält. In den Katalysatorschichten laufen die eigentlichen Redoxreaktionen und Ladungstrennungen ab. Membran und Katalysatorschichten bilden eine Einheit, die auch als CCM (catalyst coated membrane) bezeichnet wird. Auf beiden Seiten der CCM befindet sich eine Gasdiffusionslage (GDL), die den Zellaufbau stabilisiert und Transport- und Verteilerfunktionen für Reaktionsgase, Wasser, Wärme und Strom übernimmt. Membran, Elektroden und Gasdiffusionslage bilden die Membran-Elektroden- Einheit (MEA, membrane electrode assembly). Zwischen den Mem bran- Elektroden- Einheiten sind Strömungsverteilerplatten (sogenannte Bipolarplatten) angeordnet, die Kanäle zur Versorgung der angrenzenden Kathode und Anode mit Prozessgasen sowie in der Regel zusätzlich innenliegende Kühlkanäle aufweisen, d.h. die GDL hat in einer PEM- Brennstoffzelle direkten Kontakt mit der Bipolarplatte. For many applications, especially in automotive powertrains, low-temperature proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs, also known as polymer electrolyte membrane fuel cells) are used. At their core is a polymer electrolyte membrane (PEM) that is only permeable to protons (or oxonium ions H 3 O + ) and water and spatially separates the oxidizing agent, generally atmospheric oxygen, from the reducing agent. The gas-tight, electrically insulating, A catalyst layer is applied to the anode and cathode sides of a proton-conducting membrane. This layer forms the electrodes and usually contains platinum as the catalytically active metal. The actual redox reactions and charge separation take place in the catalyst layers. The membrane and catalyst layers form a unit, also known as a CCM (catalyst coated membrane). On both sides of the CCM is a gas diffusion layer (GDL), which stabilizes the cell structure and performs transport and distribution functions for reaction gases, water, heat, and electricity. The membrane, electrodes, and gas diffusion layer form the membrane electrode assembly (MEA). Flow distribution plates (so-called bipolar plates) are arranged between the membrane electrode units. These have channels for supplying the adjacent cathode and anode with process gases, and usually also have internal cooling channels. This means that in a PEM fuel cell, the GDL has direct contact with the bipolar plate.

Diese Bipolarplatten sind meistens metallisch geprägte Metallplatten oder geprägte graphitische Carbonfasermatten. Die Stege der Bipolarplatten setzen in der Zelle direkt auf die Faserseite (=Substratseite) der GDL bestehend aus faserbasiertem Substrat und mikroporöser Lager auf und bilden den direkten Kontaktpunkt zur Gasdiffusionslage, über den die elektrische Leitung statt findet. Über die Kanäle und die Porenstruktur der Gasdiffusionslage findet der Materialfluss (Reaktionsgase Sauerstoff und Wasserstoff sowie Wasser) von den Kanälen zur Membran sowie von der Membran weg in die Kanäle zurück statt. Den zwischen den Bipolarplatten und den Katalysatorschichten befindlichen Gasdiffusionslagen kommt somit eine wesentliche Bedeutung für die Funktion und Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle zu. So müssen die in den Elektrodenreaktionen verbrauchten und entstehenden Prozesskomponenten durch die Gasdiffusionslage transportiert und von der makroskopischen Struktur der Bipolarplatten auf die mikroskopische Struktur der Katalysatorschichten homogen verteilt werden. Die in den Halbzellenreaktionen gebildeten und verbrauchten Elektronen müssen mit möglichst geringem Spannungsverlust zu den Bipolarplatten geleitet werden. Die bei der Reaktion gebildete Wärme muss zum Kühlmittel in den Bipolarplatten abgeführt werden, so dass die Materialien der GDL auch über ausreichende Wärmeleitfähigkeit verfügen müssen. Zudem muss die GDL auch als mechanischer Ausgleich zwischen der makrostrukturierten Bipolarplatte und den Katalysatorschichten wirken. Dazu müssen Bauteiltoleranzen ausgeglichen und der Kompressionsdruck verteilt werden. Die GDL dient auch als mechanischer Schutz der sehr dünnen Membranen, die in den Brennstoffzellen hohen Lasten ausgesetzt sind. Daher werden speziell an die mechanischen Eigenschaften der GDL hohe Anforderungen gestellt. These bipolar plates are usually metallically embossed metal plates or embossed graphitic carbon fiber mats. The webs of the bipolar plates are placed directly on the fiber side (=substrate side) of the GDL in the cell, consisting of a fiber-based substrate and a microporous layer, and form the direct contact point with the gas diffusion layer, through which electrical conduction takes place. The material flow (reaction gases oxygen and hydrogen as well as water) from the channels to the membrane and from the membrane back into the channels takes place via the channels and the pore structure of the gas diffusion layer. The gas diffusion layers located between the bipolar plates and the catalyst layers are therefore of key importance for the function and performance of the fuel cell. The process components consumed and generated in the electrode reactions must be transported through the gas diffusion layer and homogeneously distributed from the macroscopic structure of the bipolar plates to the microscopic structure of the catalyst layers. The electrons generated and consumed in the half-cell reactions must be conducted to the bipolar plates with the lowest possible voltage loss. The heat generated during the reaction must be dissipated to the coolant in the bipolar plates, so the GDL materials must also have sufficient thermal conductivity. Furthermore, the GDL must also act as a mechanical balance between the macrostructured bipolar plate and the catalyst layers. For this, component tolerances must be considered. The GDL also serves as mechanical protection for the very thin membranes, which are subject to high loads in fuel cells. Therefore, the mechanical properties of the GDL are subject to particularly stringent requirements.

Gasdiffusionslagen für Brennstoffzellen bestehen typischerweise aus einem Kohlefaser- Substrat, welches üblicherweise mit Fluor-Polymeren (z. B. PTFE) hydrophob ausgerüstet ist und anschließend mit einer mikroporösen Lage (MPL) flächig beschichtet wird. Die MPL besteht in der Regel aus einem fluorhaltigen Polymer als Bindemittel (z. B. PTFE) sowie einem porösen und elektrisch leitfähigen Kohlenstoffmaterial (z. B. Ruß, Graphit, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren (CNT), Kohlenstoffnanofasern oder eine Mischung davon). Als Kohlefaser-Substrate für die GDL werden aktuell die drei folgenden Materialien eingesetzt: Gas diffusion layers for fuel cells typically consist of a carbon fiber substrate, which is usually hydrophobically treated with fluoropolymers (e.g., PTFE) and then coated with a microporous layer (MPL). The MPL typically consists of a fluorine-containing polymer as a binder (e.g., PTFE) and a porous and electrically conductive carbon material (e.g., carbon black, graphite, graphene, carbon nanotubes (CNTs), carbon nanofibers, or a mixture thereof). The following three materials are currently used as carbon fiber substrates for GDLs:

Kohlefaser-Papiere (nassgelegte und chemisch gebundene Kohlefaser-Vliesstoffe, mit chemischen Bindemitteln, die karbonisiert werden), Carbon fiber papers (wet-laid and chemically bonded carbon fiber nonwovens, with chemical binders that are carbonized),

Kohlefaser-Gewebe (z. B. aus Garnen aus oxidierten aber noch nicht karbonisierten Polyacrylnitril-Fasern, die nach dem Weben karbonisiert bzw. graphitisiert werden), Carbon fiber fabrics (e.g. made from yarns of oxidized but not yet carbonized polyacrylonitrile fibers, which are carbonized or graphitized after weaving),

Kohlefaser- liesstoffe (z.B. trockengelegte, kardierte und Wasserstrahl-verfestigte Vliesstoffe aus oxidiertem Polyacrylnitril, die anschließend dickenkalibriert und karbonisiert werden). Carbon fiber nonwovens (e.g. dry-laid, carded and hydroentangled nonwovens made of oxidized polyacrylonitrile, which are subsequently thickness calibrated and carbonized).

Die DE 10 2021 215 036 A1 beschreibt eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle mit einer GDL und einer darauf befindlichen MPL, wobei die MPL Rußpartikel in einem polymeren Binder, wie PTFE, enthält. Um die Migration des nicht leitfähigen Bindemittels in das GDL-Substrat zu vermeiden, weist die MPL einen Gradienten des Rußgehalts in Richtung seiner Dicke (z-Achse) auf. DE 10 2021 215 036 A1 describes a polymer electrolyte membrane fuel cell comprising a GDL and an MPL on top, wherein the MPL contains soot particles in a polymeric binder, such as PTFE. To prevent migration of the non-conductive binder into the GDL substrate, the MPL has a gradient of soot content along its thickness (z-axis).

Die JP200859917A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle, die in der Lage ist, die wasserabweisenden Eigenschaften auf der Seite der Strömungsverteilerplatte zu regeln, um ein Überfluten oder Austrocknen zu vermeiden. Dazu wird eine MPL-Beschichtung eingesetzt, die flockenförmiges Graphit enthält. JP200859917A describes a method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell that is capable of regulating the water-repellent properties on the side of the flow distribution plate to prevent flooding or drying out. To avoid this, an MPL coating containing flake graphite is used.

Die DE 102020 121 892 A1 beschreibt eine Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle, die ein flächiges elektrisch leitfähiges Material, ausgewählt unter Kohlefaser-Vliesstoffen, Kohlefaser-Geweben und Mischungen davon, umfasst, wobei das flächige Material wenigstens ein fluorhaltiges Polymer und wenigstens ein davon verschiedenes Polymer, ausgewählt unter Polyetherketonen, Polyphenylensulfiden, Polysulfonen, Polyethersulfonen, teilaromatischen (Co)polyamiden, Polyimiden, Polyamidimiden, Polyetherimiden und Mischungen davon, darauf aufgebracht und/oder darin eingebracht enthält, und gegebenenfalls eine mikroporöse Lage auf einer der Flächen des elektrisch leitfähigen Materials aufgebracht ist. DE 102020 121 892 A1 describes a gas diffusion layer for a fuel cell, which comprises a sheet-like electrically conductive material selected from carbon fiber nonwovens, carbon fiber wovens and mixtures thereof, wherein the sheet-like material contains at least one fluorine-containing polymer and at least one different polymer selected from polyether ketones, polyphenylene sulfides, polysulfones, polyether sulfones, partially aromatic (co)polyamides, polyimides, polyamide-imides, polyetherimides and mixtures thereof, applied thereto and/or incorporated therein, and optionally a microporous layer is applied to one of the surfaces of the electrically conductive material.

Da alle Komponenten einer Zelle üblicherweise unter hohen Drücken zusammengefügt sind, können die Stege der Bipolarplatte je nach Art des Kohlefaser-Substrats unterschiedlich stark in die Faserlage der Gasdiffusionslage eindringen oder die Faserlage unterschiedlich stark mechanisch in ihrer Form verändern, z.B. durch: Since all components of a cell are usually joined together under high pressures, the webs of the bipolar plate can penetrate the fiber layer of the gas diffusion layer to varying degrees depending on the type of carbon fiber substrate or can mechanically change the fiber layer in its shape to varying degrees, e.g. by:

Eindringen und folgende Kompression der Gasdiffusionslage an der Berührungsstelle Steg-Substrat (der Gasdiffusionslage) Penetration and subsequent compression of the gas diffusion layer at the web-substrate contact point (of the gas diffusion layer)

Biegung bzw. Wellung der Gasdiffusionslage in den Kanal der Bipolarplatte hinein Bending or corrugation of the gas diffusion layer into the channel of the bipolar plate

Beide Phänomene resultieren direkt aus den mechanischen Eigenschaften der Gasdiffusionslage. Both phenomena result directly from the mechanical properties of the gas diffusion layer.

Die mechanischen Eigenschaften einer Gasdiffusionslage hängen erfahrungsgemäß stark von der Art des Kohlefaser-Substrats ab, wo zwischen Geweben, Papieren und Vliesstoffen unterschieden wird. In Geweben und und trockengelegten carbonisierten Vliesstoffen sind die Fasern mechanisch gebunden oder durch einen Wasserstrahl ineinander verschlungen. In einem Papier bzw. nassgelegten Vliesstoff werden sie durch ein zusätzliches Harz chemisch gebunden und anschließend carbonisiert. Während in einem Gewebe üblicherweise ein geordneter Aufbau aus Endlosfasern vorhanden ist, werden in Vliesstoffen und Papieren Kurzschnittfasern verwendet, die chaotisch und zufällig orientiert sind. Experience has shown that the mechanical properties of a gas diffusion layer depend heavily on the type of carbon fiber substrate, which distinguishes between woven fabrics, papers, and nonwovens. In woven fabrics and dry-laid carbonized nonwovens, the fibers are mechanically bonded or intertwined by a water jet. In paper or wet-laid nonwovens, they are chemically bonded by an additional resin and then carbonized. While a woven fabric typically has an ordered structure of continuous fibers, Short-cut fibers that are chaotically and randomly oriented are used in nonwovens and papers.

Damit haben die mechanischen Eigenschaften der Gasdiffusionslage einen direkten Einfluss auf die Effektivität der Wasserableitung und die Druckverteilung in der Fläche des Zellstacks. Durch den Verbau der Gasdiffusionslagen unter Druck in einem Brennstoffzellenstack werden Gasdiffusionslagen besonders im Stegbereich komprimiert. Je nach mechanischen Eigenschaften der Gasdiffusionslage hat dies Auswirkungen au den Kontakt der MPL-Seite der gasdiffusionslage mit der Carbon Coated Membrane (CCM). Aus der Kompression der Gasdiffusionslage im Stegbereich resultiert oft Wellung und Biegung der Gasdiffusionslage in die Kanalstruktur der Bipolarplatte, was die ganze oder teilweise Delamination von der CCM auf MPL-Seite und damit eine Erhöhung des Kontaktwiderstands zur CCM zur Folge haben kann. Dies hat folglich einen Einfluss auf die Stromdichteverteilung über die Fläche und kann die Leistung der Brennstoffzelle sowie deren Lebensdauer (bei Fortsetzung der Delamination auch auf die Stegbereiche) signifikant erniedrigen. The mechanical properties of the gas diffusion layer therefore have a direct influence on the effectiveness of water drainage and the pressure distribution across the cell stack. When the gas diffusion layers are installed under pressure in a fuel cell stack, they are compressed, particularly in the web area. Depending on the mechanical properties of the gas diffusion layer, this affects the contact between the MPL side of the gas diffusion layer and the carbon-coated membrane (CCM). Compression of the gas diffusion layer in the web area often results in corrugation and bending of the gas diffusion layer into the channel structure of the bipolar plate, which can lead to complete or partial delamination of the CCM to the MPL side and thus an increase in the contact resistance to the CCM. This consequently influences the current density distribution across the surface and can significantly reduce the fuel cell performance and its service life (if delamination continues, also in the web areas).

Durch Verminderung der Kontaktfläche zwischen Gasdiffusionslage und CCM entstehen so im schlimmsten Fall „Blasen“ zwischen diesen Schichten, die bevorzugt mit Wasser gefüllt werden, was zum sogenannten „Fluten“ führen kann. By reducing the contact area between the gas diffusion layer and the CCM, in the worst case, “bubbles” are formed between these layers, which are preferentially filled with water, which can lead to so-called “flooding”.

Der Kontaktwiderstand zwischen CCM und Gasdiffusionslage bestimmt maßgeblich die Leistung der Brennstoffzelle. Eine Gasdiffusionslage mit idealen mechanischen Eigenschaften hinsichtlich Biegesteifigkeit, Kompressibilität und maximaler Kontaktfläche zur CCM kann den Kontaktwiderstand zwischen CCM und Gasdiffusionslage signifikant verringern und die Leistungsperformance der Brennstoffzelle signifikant erhöhen. The contact resistance between the CCM and the gas diffusion layer significantly determines the performance of the fuel cell. A gas diffusion layer with ideal mechanical properties in terms of flexural rigidity, compressibility, and maximum contact area with the CCM can significantly reduce the contact resistance between the CCM and the gas diffusion layer and significantly increase the performance of the fuel cell.

Da die Eigenschaften der Stege der Bipolarplatten je nach Anwendungsfeld in Abstand, Stegbreite, Winkel und Biegung individuell ausgelegt werden, kann eine Gasdiffusionslage mit bestimmten (mechanischen) Eigenschaften bei unterschiedlichen Stegprofilen zu einer unterschiedlichen Performance führen. Besonders am Übergang Steg zu Kanal ist das Substrat der Gasdiffusionsschicht hohem Stress ausgesetzt. Dieser Punkt ist besonders anfällig für Verletzung der mikroporösen Lage durch Faserbruch oder andere Beschädigungen abhängig vom Radius und Winkel der Stege. Gebrochene Fasern besitzen besonders scharfe Kanten an der Bruchstelle und können durch Durchstoße der mikroporösen Lage und der Membran Kurzschlüsse auslösen. Since the properties of the bipolar plate webs are individually designed in terms of spacing, web width, angle, and curvature depending on the application, a gas diffusion layer with specific (mechanical) properties can lead to different performance with different web profiles. The substrate of the gas diffusion layer is exposed to high stress, particularly at the web-to-channel transition. This point is particularly susceptible to damage to the microporous layer due to fiber breakage or other damage, depending on the radius and angle of the webs. Fibers have particularly sharp edges at the break point and can cause short circuits by penetrating the microporous layer and the membrane.

Im Stand der Technik sind Ansätze zur Lösung des Problems von zu hohen Kontaktwiderständen zwischen einer CCM und einer Gasdiffusionslage hauptsächlich in bestimmtem Ausgestaltungen der Bipolarplatte ausfindig zu machen. Die Auswirkungen derartiger Ausgestaltungen von Bipolarplatten auf den Kontakt zur CCM sind im besagten Stand der Technik dagegen weitestgehend unbeachtet, d.h. nicht diskutiert. In the prior art, approaches to solving the problem of excessive contact resistance between a CCM and a gas diffusion layer can be found primarily in certain bipolar plate designs. However, the effects of such bipolar plate designs on the contact with the CCM are largely ignored, i.e., not discussed, in the aforementioned prior art.

So betrifft JP 2021 125356 A einen Brennstoffzellenseparator mit verbesserter Korrosionsbeständigkeit und Leitfähigkeit, umfassend ein Substrat mit einer Beschichtung, die in Kontakt mit einer Elektrode einer Brennstoffzelle steht. Die Beschichtung enthält FesCL. Der Separator weist eine elektrodenseitige Oberflächenrauheit (Sa) von 5-100 pm, vorzugsweise 10-50 pm auf. Die Beschichtung ist z.B. eine Galvanisierschicht oder eine Sinterschicht. Der Untergrund ist z.B. ein rostfreier Stahl, ein Ti-Basismaterial oder ein Al-Basismaterial. Die Elektrodenoberfläche, mit der die Beschichtungsschicht in Kontakt steht, ist z.B. aus Kohlenstoff-Basismaterial zusammengesetzt. In diesem Fall kann ein Kontaktoberflächendruck, der zwischen der Beschichtungsschicht und der Elektrodenfläche wirkt, 5 MPa oder weniger, vorzugsweise 3 MPa oder weniger, betragen. Die Brennstoffzelle ist z.B. eine Festpolymer- Brennstoffzelle. For example, JP 2021 125356 A relates to a fuel cell separator with improved corrosion resistance and conductivity, comprising a substrate with a coating that is in contact with an electrode of a fuel cell. The coating contains FeCl. The separator has an electrode-side surface roughness (Sa) of 5-100 μm, preferably 10-50 μm. The coating is, for example, an electroplated layer or a sintered layer. The substrate is, for example, stainless steel, a Ti base material, or an Al base material. The electrode surface with which the coating layer is in contact is composed, for example, of a carbon base material. In this case, a contact surface pressure acting between the coating layer and the electrode surface can be 5 MPa or less, preferably 3 MPa or less. The fuel cell is, for example, a solid polymer fuel cell.

JP 2021 026909 A betrifft eine Brennstoffzelle, in der Druckverlust auf der Kathodenseite unterdrückt ist. Die Brennstoffzelle umfasst einen Kathodenseparator, eine Kathodengasdiffusionsschicht, eine Kathodenkatalysatorelektrodenschicht, eine Elektrolytschicht, eine Anodenkatalysatorelektrodenschicht, eine Anodengasdiffusionsschicht und einen Anodenseparator, die in dieser Reihenfolge aufeinanderlaminiert sind. Der Kathodenseparator verfügt über einen Strömungsweg, der es einem Kathodengas ermöglicht, in der Kathodengasdiffusionsschicht zu fließen. Der Anodenseparator verfügt über einen Strömungsweg, der es einem Anodengas ermöglicht, in der Anodengasdiffusionsschicht zu fließen. Die Kathodengasdiffusionsschicht weist gegenüber der Anodengasdiffusionsschicht eine höhere Biegefestigkeit und Luftdurchlässigkeit in Richtung der Ebene pro Dickeneinheit auf. DE 10 2018 202 561 A1 betrifft eine Brennstoffzelle mit einem ionenselektiven Separator, einer Gasdiffusionsschicht und einer Separatorplatte. Die Separatorplatte bildet zusammen mit der Gasdiffusionsschicht mindestens ein gasführendes Strömungsfeld aus. Mindestens ein Kanalsteg der Separatorplatte weist ein Ende mit einer Oberseite und einer Stirnseite auf. Die Stirnseite ist eingerichtet, eine in einer ersten Richtung auf die Stirnseite des Kanalstegs auftreffende Strömung in zwei Teilströmungen aufzuteilen. Die Stirnseite ist eingerichtet, eine benachbart zur Oberseite auf die Stirnseite auftreffende Flüssigkeit F der Strömung derart umzulenken, dass die Flüssigkeit F nach der Umlenkung weiter von der Oberseite beabstandet ist als vor der Umlenkung. JP 2021 026909 A relates to a fuel cell in which pressure loss on the cathode side is suppressed. The fuel cell comprises a cathode separator, a cathode gas diffusion layer, a cathode catalyst electrode layer, an electrolyte layer, an anode catalyst electrode layer, an anode gas diffusion layer, and an anode separator, which are laminated in this order. The cathode separator has a flow path that allows a cathode gas to flow in the cathode gas diffusion layer. The anode separator has a flow path that allows an anode gas to flow in the anode gas diffusion layer. The cathode gas diffusion layer has higher flexural strength and in-plane air permeability per unit thickness than the anode gas diffusion layer. DE 10 2018 202 561 A1 relates to a fuel cell with an ion-selective separator, a gas diffusion layer, and a separator plate. The separator plate, together with the gas diffusion layer, forms at least one gas-conducting flow field. At least one channel web of the separator plate has an end with an upper side and an end face. The end face is configured to divide a flow impinging on the end face of the channel web in a first direction into two partial flows. The end face is configured to deflect a liquid F of the flow impinging on the end face adjacent to the upper side such that the liquid F is further away from the upper side after the deflection than before the deflection.

DE 10 2020 216 101 A1 betrifft eine Anordnung elektrochemischer Zellen, umfassend mindestens eine Gasdiffusionslage, bevorzugt mit einer mikroporösen Schicht, eine katalysatorbeschichtete Membran mit einem Rahmen und eine Bipolarplatte, wobei die Gasdiffusionslage mit der katalysatorbeschichteten Membran und/oder mit der Bipolarplatte jeweils mittels eines vorzugsweise elektrisch leitfähigen Klebers verbunden ist, der Kleber an einer Oberfläche des Rahmens der katalysatorbeschichteten Membran, der Bipolarplatte und/oder gegebenenfalls der mikroporösen Schicht der Gasdiffusionsschicht angeordnet ist und die Oberfläche plasmafunktionalisiert ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug umfassend die Anordnung elektrochemischer Zellen und ein Verfahren zur Herstellung der Anordnung elektrochemischer Zellen. Durch die Plasmafunktionalität der Oberfläche beziehungsweise durch das Vorbehandeln der Oberfläche mittels Plasma wird eine kovalente Fixierung des Klebers an dem Rahmen der Membran, der Bipolarplatte beziehungsweise der mikroporösen Schicht der Gasdiffusionslage erzielt, die eine stärkere stoffschlüssige Verbindung darstellt und somit einer stärkeren Fixierung der Gasdiffusionslage auf der Bipolarplatte oder der katalysatorbeschichten Membran dient. Ferner ist eine bessere Benetzung der Oberfläche mit dem Kleber möglich. Durch Einsatz des Klebers kann eine in der Anordnung elektrochemischer Zellen üblicherweise erforderliche Presskraft, die insbesondere die Gasdiffusionslage beeinträchtigen kann, signifikant gesenkt werden und somit eine Gasverteilung in der elektrochemischen Zelle verbessert werden. Durch den elektrisch leitfähigen Kleber wird weiterhin der elektrische Kontakt zwischen der Bipolarplatte und der Gasdiffusionslage verbessert. Ein Übergangswiderstand wird reduziert. Darüber hinaus wird durch den Kleber ein Verrutschen der Gasdiffusionslage beziehungsweise der katalysatorbeschichteten Membran auf der Bipolarplatte beim Stapeln der Anordnung verhindert. DE 10 2020 216 101 A1 relates to an arrangement of electrochemical cells comprising at least one gas diffusion layer, preferably with a microporous layer, a catalyst-coated membrane with a frame, and a bipolar plate. The gas diffusion layer is bonded to the catalyst-coated membrane and/or to the bipolar plate by means of a preferably electrically conductive adhesive. The adhesive is arranged on a surface of the frame of the catalyst-coated membrane, the bipolar plate, and/or optionally the microporous layer of the gas diffusion layer, and the surface is plasma-functionalized. Furthermore, the invention relates to a vehicle comprising the arrangement of electrochemical cells and a method for producing the arrangement of electrochemical cells. Through the plasma functionality of the surface or through the pretreatment of the surface with plasma, a covalent fixation of the adhesive to the frame of the membrane, the bipolar plate, or the microporous layer of the gas diffusion layer is achieved. This creates a stronger material bond and thus serves to more firmly fix the gas diffusion layer to the bipolar plate or the catalyst-coated membrane. Furthermore, better wetting of the surface with the adhesive is possible. By using the adhesive, a pressing force usually required in the arrangement of electrochemical cells, which can particularly impair the gas diffusion layer, can be significantly reduced, thus improving gas distribution in the electrochemical cell. The electrically conductive adhesive also improves the electrical contact between the bipolar plate and the gas diffusion layer. Contact resistance is reduced. Furthermore, the adhesive prevents slipping of the gas diffusion layer or the catalyst-coated membrane on the bipolar plate when stacking the assembly.

WO 2022/094717 A1 betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Bereitstellung einer gewünschten Anpressdruckverteilung zwischen Brennstoffzellenkomponenten in einem Brennstoffzellenstapel. In einigen Ausführungsformen bezieht sich die Technologie auf Brennstoffzellen-Bipolarplattenkonstruktionen und auf Kompressionssysteme für Brennstoffzellenstapel, die einzeln oder in Kombination dazu verwendet werden können, eine gleichmäßigere Anpressdruckverteilung über die aktive Fläche von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel bereitzustellen. WO 2022/094717 A1 relates to devices and methods for providing a desired contact pressure distribution between fuel cell components in a fuel cell stack. In some embodiments, the technology relates to fuel cell bipolar plate designs and fuel cell stack compression systems, which can be used individually or in combination to provide a more uniform contact pressure distribution across the active area of fuel cells in a fuel cell stack.

DE 10 2020 209 811 A1 betrifft ein Verfahren zur Reduzierung des Kontaktwiderstands zwischen einer metallischen Separatorplatte, beispielsweise einer Monopolarplatte oder einer Bipolarplatte, und einer Gasdiffusionslage einer Brennstoffzelle, bei dem die Separatorplatte zumindest bereichsweise mit einer kohlenstoffbasierten Beschichtung versehen wird. Erfindungsgemäß wird dem Kohlenstoff zur Ausbildung der Beschichtung mindestens ein Elastomer als Bindemittel zugegeben. DE 10 2020 209 811 A1 relates to a method for reducing the contact resistance between a metallic separator plate, for example a monopolar plate or a bipolar plate, and a gas diffusion layer of a fuel cell, in which the separator plate is provided at least partially with a carbon-based coating. According to the invention, at least one elastomer is added to the carbon as a binder to form the coating.

DE 10 2011 006 651 A1 betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit einer verbesserten Gefrier-Tau-Haltbarkeit. Der Brennstoffzellenstapel umfasst insbesondere eine Gasdiffusionsschicht zwischen einer Membranelektroden-Anordnung und einer Bipolarplatte. Die Gasdiffusionsschicht weist dabei eine Struktur auf, die einen Kontaktwiderstand in einer Brennstoffzelle verringert und ist bei einem bestimmten Winkel geschnitten, so dass die Maschinenrichtung (hohe Steifigkeitsrichtung) der GDL-Rolle nicht parallel zu der Hauptströmungsfeldrichtung der Bipolarplatte ist, was zu einer erhöhten GDL-Steifigkeit in einer Breitenrichtung senkrecht zu einer Hauptströmungsfeldrichtung einer Bipolarplatte führt. DE 10 2011 006 651 A1 relates to a fuel cell stack with improved freeze-thaw durability. The fuel cell stack comprises, in particular, a gas diffusion layer between a membrane electrode assembly and a bipolar plate. The gas diffusion layer has a structure that reduces contact resistance in a fuel cell and is cut at a specific angle such that the machine direction (high stiffness direction) of the GDL roll is not parallel to the main flow field direction of the bipolar plate, resulting in increased GDL stiffness in a width direction perpendicular to a main flow field direction of a bipolar plate.

DE 10 2010 002 392 A betrifft eine Gasdiffusionsschicht (GDL) für Brennstoffzellenanwendungen, die verhindern kann, dass in Kanäle einer Bipolarplatte eingedrungen wird. Die Gasdiffusionsschicht wird durch Schneiden eines GDL-Materials mit einem bestimmten Winkel hergestellt, so dass eine Maschinenrichtung der inhärenten hohen Steifigkeit des GDL-Materials nicht parallel zu einer Hauptströmungsfeldrichtung einer Bipolarplatte verläuft, um die GDL-Intrusion in die Kanäle der Bipolarplatte zu verhindern, ohne ein bestehendes Verfahren zum Herstellen der Gasdiffusionsschicht zu verändern. Mit der Gasdiffusionsschicht kann die elektrochemische Leistung der Brennstoffzelle verbessert werden und ein Herstellungsprozess kann sogar in dem Fall verbessert werden, wo die Weite des gerollten GDL-Materials gering ist. DE 10 2010 002 392 A relates to a gas diffusion layer (GDL) for fuel cell applications that can prevent penetration into the channels of a bipolar plate. The gas diffusion layer is produced by cutting a GDL material at a specific angle so that a machine direction of the inherent high stiffness of the GDL material is not parallel to a main flow field direction of a bipolar plate in order to prevent GDL intrusion into the channels of the bipolar plate. Prevent this without changing an existing process for manufacturing the gas diffusion layer. The gas diffusion layer can improve the electrochemical performance of the fuel cell and can improve the manufacturing process even in cases where the width of the rolled GDL material is small.

US 2018/0006314 A1 betrifft eine Bipolarplatte für eine Batterie, die die Batterieeffizienz verbessern kann, indem der Kontaktwiderstand in Kontakt mit einer Elektrode verringert wird, und eine Redox-Flow-Batterie enthaltend eine solche Bipolaplatte. Gemäß mindestens einer Ausführungsform wird eine Bipolarplatte bereitgestellt, die einen leitfähigen thermoplastischen Abschnitt umfasst, der auf mindestens einem Teil der Platte ausgebildet ist, um mit einer Elektrode in Kontakt gebracht zu werden, wobei der leitfähige thermoplastische Abschnitt morphologisch an die Elektrode angepasst ist. US 2018/0006314 A1 relates to a bipolar plate for a battery that can improve battery efficiency by reducing contact resistance in contact with an electrode, and to a redox flow battery containing such a bipolar plate. According to at least one embodiment, a bipolar plate is provided that comprises a conductive thermoplastic portion formed on at least a portion of the plate for contact with an electrode, wherein the conductive thermoplastic portion is morphologically adapted to the electrode.

DE 10 2010 020 168 A1 betrifft eine Bipolarplatte zur Reduzierung eines elektrischen Kontaktwiderstandes zwischen der Platte und einer Diffusionsschicht, die in einer Brennstoffzelle eingesetzt sind. Die gegenüberliegenden Flächen der Platte definieren Strömungskanäle mit nach oben stehenden Stegen, die mit diesen durchsetzt sind. Die Stege der Platte bilden einen elektrisch leitenden Kontakt mit einer Diffusionsschicht in der Brennstoffzelle. Zumindest ein Anteil des elektrisch leitenden Kontakts besteht aus einer nickelbasierten Legierung, die den Kontaktwiderstand zwischen der Platte und der Diffusionsschicht als einen Weg reduziert, um eine verbesserte elektrische Stromdichte zu erreichen. Bei einer Form kann die Legierung als das primäre Material in der Platte verwendet werden, während bei einer anderen dieses als eine Beschichtung verwendet werden kann, die auf eine herkömmliche Platte aus rostfreiem Stahl abgeschieden ist. DE 10 2010 020 168 A1 relates to a bipolar plate for reducing electrical contact resistance between the plate and a diffusion layer used in a fuel cell. The opposing surfaces of the plate define flow channels with upstanding webs interspersed therewith. The webs of the plate form an electrically conductive contact with a diffusion layer in the fuel cell. At least a portion of the electrically conductive contact consists of a nickel-based alloy, which reduces the contact resistance between the plate and the diffusion layer as a way to achieve improved electrical current density. In one form, the alloy can be used as the primary material in the plate, while in another it can be used as a coating deposited onto a conventional stainless steel plate.

KR 101320786 B1 betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Kontaktwiderstands und ein Verfahren zum Messen des Kontaktwiderstands einer Bipolarplatte von Brennstoffzellen, wobei der Kontaktwiderstand jedes Bereichs einer Bipolarplatte gemessen werden kann. Dadurch wird die Genauigkeit der Kontaktwiderstandsmessung der Bipolarplatte verbessert. KR 101320786 B1 relates to a device for measuring the contact resistance and a method for measuring the contact resistance of a bipolar plate of fuel cells, wherein the contact resistance of each region of a bipolar plate can be measured. This improves the accuracy of the contact resistance measurement of the bipolar plate.

Zudem betrifft US 2023/0163314 A1 eine Gasdiffusionsschicht für eine elektrochemische Vorrichtung, umfassend (a) eine erste Seite in Kontakt mit einer Katalysatorschicht, und (b) eine zweite Seite, wobei die erste Seite, die mit der Katalysatorschicht in Kontakt steht, eine vergrößerte Oberfläche aufweist. Gasdiffusionsschichten mit konstruierter Oberflächenrauheit und somit vergrößerter Oberfläche erhöhen die effektive Diffusionsfähigkeit von Gasphasenreaktanten in elektrochemischen Vorrichtungen wie z. B. Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen. In addition, US 2023/0163314 A1 relates to a gas diffusion layer for an electrochemical device, comprising (a) a first side in contact with a catalyst layer, and (b) a second side, wherein the first side in contact with the catalyst layer has an increased surface area. Gas diffusion layers with engineered surface roughness and thus increased surface area increase the effective diffusivity of gas-phase reactants in electrochemical devices such as polymer electrolyte membrane fuel cells.

DE 10 2020 202 433 A1 betrifft ein Verfahren zum Abtragen einer Oberfläche einer Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle, wobei die Gasdiffusionslage umfasst: DE 10 2020 202 433 A1 relates to a method for removing a surface of a gas diffusion layer for a fuel cell, wherein the gas diffusion layer comprises:

- ein elektrisch leitfähiges Netzwerk, - an electrically conductive network,

- ein das elektrisch leitfähige Netzwerk umgebendes elektrisch isolierendes, hydrophobes Material zur Hydrophobisierung des elektrisch leitfähigen Netzwerks, - an electrically insulating, hydrophobic material surrounding the electrically conductive network to hydrophobize the electrically conductive network,

- eine Elektrodenseite, die einer Membran der Brennstoffzelle zugewandt ist, und eine der Elektrodenseite gegenüberliegende Bipolarplattenseite, die einer Bipolarplatte der Brennstoffzelle zugewandt ist, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist: a) Bereitstellen der Gasdiffusionslage, b) wenigstens bereichsweise an der Bipolarplattenseite zumindest teilweise Abtragen des das elektrisch leitfähige Netzwerk umgebenden elektrisch isolierenden, hydrophoben Materials. - an electrode side facing a membrane of the fuel cell, and a bipolar plate side opposite the electrode side, which bipolar plate faces a bipolar plate of the fuel cell, wherein the method comprises at least the following steps: a) providing the gas diffusion layer, b) at least partially removing the electrically insulating, hydrophobic material surrounding the electrically conductive network at least in some regions on the bipolar plate side.

DE 10 2016 200 802 A1 betrifft eine Flusskörper-Gasdiffusionsschicht-Einheit für eine Brennstoffzelle, bei der durch einen porösen Körper ein Flusskörper und eine Gasdiffusionsschicht ausgebildet sind und die zwischen einer Membran-Elektroden- Einheit und den Bipolarplatten angeordnet sind, wobei die Porosität des Körpers in dem Bereich, in dem dieser als Flusskörper ausgebildet ist, größer als die Porosität des Bereichs des Körpers ist, der als Gasdiffusionsschicht ausgebildet ist. Dadurch wird eine Schichtstruktur für eine Brennstoffzelle bereitgestellt, die den Kontaktwiderstand zwischen den Komponenten der Schichtstruktur gegenüber dem Stand der Technik optimiert. DE 10 2016 200 802 A1 relates to a flow body-gas diffusion layer unit for a fuel cell, in which a flow body and a gas diffusion layer are formed by a porous body and arranged between a membrane electrode assembly and the bipolar plates. The porosity of the body in the region in which it is formed as a flow body is greater than the porosity of the region of the body formed as a gas diffusion layer. This provides a layered structure for a fuel cell that optimizes the contact resistance between the components of the layered structure compared to the prior art.

EP 2722917 A1 betrifft eine Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle, die über eine hohe elektrische Leitfähigkeit und gleichzeitig gute Gaspermeabilität verfügen und somit eine verbesserte Leistungsfähigkeit aufweisen soll. Die Gasdiffusionslage weist auf einer der Oberflächen eine mikroporöse Lage auf, die ein Kohlenstoffmaterial umfasst, das schuppenförmiges Graphit (scale-like graphite) enthält. Zur weiteren Verbesserung der elektrischen Eigenschaften und der Gaspermeabilität kann die MPL ein weiteres Kohlenstoffmaterial enthalten, das als Spacer zwischen den Graphitschichten eingelagert wird. Das in der mikroporösen Lage eingesetzte zusätzliche Kohlenstoffmaterial kann über hohe spezifische Oberflächen von 1000 m2/g oder mehr verfügen. In den Ausführungsbeispielen werden Beschichtungsmittel zur Herstellung der mikroporösen Lage eingesetzt, die schuppenförmiges Graphit und Acetylenruß enthalten. Zur Herstellung der Gasdiffusionslage wird das Beschichtungsmittel zur Ausbildung der mikroporösen Lage (die MPL-Tinte) nicht direkt auf das GDL-Substrat aufgetragen, sondern auf einen Träger und auf diesem gehärtet. Das so erhaltene schichtförmige MPL- Substrat wird vom Träger abgelöst und mit dem GDL-Substrat laminiert. Dieses Vorgehen wird als kritisch angesehen, um ein Eindringen der MPL-Schicht in das GDL-Substrat und somit ein Verklumpen zu vermeiden. Das Problem des Kontaktwiderstands zwischen COM und GDL und Wege zu seiner Lösung werden in diesem Dokument nicht beschrieben. EP 2722917 A1 relates to a gas diffusion layer for a fuel cell, which has a high electrical conductivity and at the same time good gas permeability and thus a improved performance. The gas diffusion layer has a microporous layer on one of its surfaces, which comprises a carbon material containing scale-like graphite. To further improve the electrical properties and gas permeability, the MPL can contain another carbon material that is embedded as a spacer between the graphite layers. The additional carbon material used in the microporous layer can have high specific surface areas of 1000 m 2 /g or more. In the exemplary embodiments, coating agents containing scale-like graphite and acetylene black are used to produce the microporous layer. To produce the gas diffusion layer, the coating agent for forming the microporous layer (the MPL ink) is not applied directly to the GDL substrate, but rather to a carrier and cured thereon. The resulting layered MPL substrate is detached from the carrier and laminated to the GDL substrate. This procedure is considered critical to prevent the MPL layer from penetrating the GDL substrate and thus causing clumping. The problem of contact resistance between COM and GDL and ways to resolve it are not described in this document.

WO 2023/190153 A1 betrifft eine Gasdiffusionsschicht mit einer mikroporösen Schicht auf mindestens einer Seite eines leitfähigen porösen Basismaterials, wobei die mikroporöse Schicht Ruß- und Graphitpartikel mit einem Aspektverhältnis von 10 oder mehr enthält und das leitfähige poröse Basismaterial dadurch gekennzeichnet ist, dass die Dicke jenes Teils des leitfähigen porösen Basismaterials, in das die mikroporöse Schicht eingetaucht ist, 5 % oder mehr und 20 % oder weniger der Dicke jenes Teils des leitfähigen porösen Basismaterials beträgt, in das die mikroporöse Schicht nicht eingetaucht ist. Innerhalb der Gasdiffusionsschicht ist der elektrische Widerstand dadurch reduziert, wobei die Gasdiffusionsfähigkeit nicht beeinträchtigt ist. Der Einsatz einer solchen Gasdiffusionsschicht in einer Brennstoffzelle ermöglicht eine Verbesserung deren Performance hinsichtlich der Stromerzeugung. WO 2023/190153 A1 relates to a gas diffusion layer with a microporous layer on at least one side of a conductive porous base material, wherein the microporous layer contains carbon black and graphite particles with an aspect ratio of 10 or more, and the conductive porous base material is characterized in that the thickness of that part of the conductive porous base material in which the microporous layer is immersed is 5% or more and 20% or less of the thickness of that part of the conductive porous base material in which the microporous layer is not immersed. The electrical resistance within the gas diffusion layer is thereby reduced, while the gas diffusion capacity is not impaired. The use of such a gas diffusion layer in a fuel cell enables an improvement in its performance with regard to power generation.

Der angeführte Stand der Technik löst das Problem von hohen Kontaktwiderständen somit typischerwesie durch Anpassung und Optimierung der Bipolarplatte. Diese wird z.B. durch mechanische Verfahren oder Beschichtungen aufgeraut, um deren Oberfläche (= Kontaktfläche zur Substratseite) zu erhöhen, mit besonderen Konzepten mit der GDL verklebt oder die Bipolarplatten der Anode und Kathode werden komplementär zueinander gefräst. The cited state of the art typically solves the problem of high contact resistances by adapting and optimizing the bipolar plate. This is roughened, for example, by mechanical processes or coatings in order to improve its surface (= To increase the contact area to the substrate side, they are bonded to the GDL using special concepts or the bipolar plates of the anode and cathode are milled complementarily to each other.

Nur DE 10 2020 202 433 A1 , US 2023/0163314 A1 , DE 102016200 802 A1 und WO 2023/190153 A1 versuchen, dieses Problem durch eine Optimierung der GDL zu lösen. Only DE 10 2020 202 433 A1 , US 2023/0163314 A1 , DE 102016200 802 A1 and WO 2023/190153 A1 attempt to solve this problem by optimizing the GDL.

DE 10 2020 202 433 A1 und US 2023/0163314 A1 erhöhen die Oberfläche der GDL durch Aufrauhen. Eine Biegung in den Kanal und Delamination wird so nicht verhindert. DE 10 2020 202 433 A1 and US 2023/0163314 A1 increase the surface area of the GDL by roughening it. This does not prevent bending into the channel and delamination.

DE 10 2016 200 802 A1 versucht, durch einen zusätzlichen Rohstoff in Form einer weiteren Faser die Porosität, die Porenform, die Porengröße und Wärmeleitfähigkeit zu beeinflussen. DE 10 2016 200 802 A1 attempts to influence the porosity, pore shape, pore size and thermal conductivity by using an additional raw material in the form of another fiber.

WO 2023/190153 A1 beschreibt die Verminderung des elektrischen Widerstands der GDL, nicht jedoch die Verhinderung einer Biegung der GDL in den Kanal und Delamination der MPL. WO 2023/190153 A1 describes the reduction of the electrical resistance of the GDL, but not the prevention of bending of the GDL into the channel and delamination of the MPL.

Kein Lösungsansatz versucht somit, in einer Brennstoffzelle wie insbesondere einer PEMFC das Problem eines erhöhten Kontaktwiderstands zwischen der GDL und der COM, der auf einer Wellung und Biegung der GDL in die Kanalstruktur der Bipolarplatte und der damit einhergehenden Gefahr der Delamination der GDL von der COM beruht, durch ein spezifisch ausgerichtetes Design der mikroporösen Lage (MPL) der GDL zu lösen. Thus, no solution approach attempts to solve the problem of increased contact resistance between the GDL and the COM in a fuel cell, especially a PEMFC, which is based on corrugation and bending of the GDL into the channel structure of the bipolar plate and the associated risk of delamination of the GDL from the COM, by a specifically aligned design of the microporous layer (MPL) of the GDL.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch eine Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle gelöst, die This problem is solved according to the invention by a gas diffusion layer for a fuel cell, which

A) ein flächiges elektrisch leitfähiges Material, das mindestens ein Fasermaterial enthält, wobei das Fasermaterial ausgewählt ist unter Kohlefaser-Vliesstoffen, Kohlefaser-Papieren, Kohlefaser-Geweben und Mischungen davon, und B) eine mikroporöse Lage, enthaltend leitfähige Kohlenstoffpartikel in einer Matrix aus einem polymeren Bindemittel, wobei die leitfähigen Kohlenstoffpartikel Ruß und Graphit umfassen, wobei der Graphitanteil, bezogen auf das Gesamtgewicht von in der mikroporösen Lage enthaltenem Ruß und Graphit, mindestens 50 Gew.-% beträgt, die mindestens einseitig auf dem flächigen elektrisch leitfähigen Material A) aufgebracht ist, umfasst. A) a sheet-like electrically conductive material containing at least one fiber material, wherein the fiber material is selected from carbon fiber nonwovens, carbon fiber papers, carbon fiber fabrics and mixtures thereof, and B) a microporous layer containing conductive carbon particles in a matrix of a polymeric binder, wherein the conductive carbon particles comprise carbon black and graphite, wherein the graphite content, based on the total weight of carbon black and graphite contained in the microporous layer, is at least 50 wt.%, which is applied at least on one side to the sheet-like electrically conductive material A).

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist eine Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle, die A preferred embodiment of the invention is a gas diffusion layer for a fuel cell, which

A) ein flächiges elektrisch leitfähiges Material, das mindestens ein Fasermaterial enthält, wobei das Fasermaterial Kohlefaser-Vliesstoff umfasst, und A) a sheet-like electrically conductive material containing at least one fiber material, wherein the fiber material comprises carbon fiber nonwoven fabric, and

B) eine mikroporöse Lage, enthaltend leitfähige Kohlenstoffpartikel in einer Matrix aus einem polymeren Bindemittel, wobei die leitfähigen Kohlenstoffpartikel Ruß und Graphit umfassen, wobei der Graphitanteil, bezogen auf das Gesamtgewicht von in der mikroporösen Lage enthaltenem Ruß und Graphit, mindestens 50 Gew.-% beträgt, die mindestens einseitig auf dem flächigen elektrisch leitfähigen Material A) aufgebracht ist, umfasst. B) a microporous layer containing conductive carbon particles in a matrix of a polymeric binder, wherein the conductive carbon particles comprise carbon black and graphite, wherein the graphite content, based on the total weight of carbon black and graphite contained in the microporous layer, is at least 50 wt.%, which is applied at least on one side to the sheet-like electrically conductive material A).

Die Verwendung einer erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage führt in einer Brennstoffzelle gegenüber Gasdiffusionslagen aus dem Stand der Technik zur Verringerung des Kontaktwiderstands an der Grenzfläche der mikroporösen Lage der Gasdiffusionslage, insbesondere zu der auf der Polymer-Elektrolyt-Membran einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle aufgebrachten Katalysatorschicht, vor allem im Bereich der Kanäle der Bipolarplatte der Brennstoffzelle, wie insbesondere im Bereich des Zentrums der Kanäle. Durch die Verwendung einer Kombination von Ruß und Graphit in der mikroporösen Lage lassen sich überraschenderweise verbesserte Kontaktwiderstände erzielen. Die erfindungsgemäße GDL optimiert die mechanischenThe use of a gas diffusion layer according to the invention in a fuel cell leads to a reduction in the contact resistance at the interface of the microporous layer of the gas diffusion layer, in particular to the catalyst layer applied to the polymer electrolyte membrane of a polymer electrolyte membrane fuel cell, especially in the region of the channels of the bipolar plate of the fuel cell, such as in particular in the region of the center of the channels, compared to gas diffusion layers from the prior art. The use of a combination of carbon black and graphite in the microporous layer allows for surprisingly improved contact resistances. The GDL according to the invention optimizes the mechanical

Eigenschaften und Oberflächeneigenschaften der GDL auf das geschilderte Problem hin. Properties and surface properties of the GDL point to the described problem.

Die Erfindung löst somit das geschilderte Problem durch Optimierung der Anteile von Ruß und Graphit in der mikroporösen Lage (MPL). Damit werden besondere mechanische Eigenschaften der MPL-Schicht erzielt. Z. B. wird durch Beimischung von Graphit- Partikeln die MPL besonders druckweich und damit der Kontaktwiderstand zwischen mikroporöser Lage und COM aufgrund der Haftung zur COM besonders niedrig. Diese Eigenschaft „druckweich“ kann dabei besonders gut durch den Compression Set bei 6,0 MPa beschrieben werden. Ohne an die Theorie gebunden zu sein, wird vermutet, dass bei Verwendung einer Kombination von Ruß und Graphit in der MPL einer GDL, wie bei herkömmlichen MPLs, sich das Substrat der GDL nach dem Verpressen mit den weiteren Bauteilen zu einer Brennstoffzelle zwar in die Strömungskanäle der Bipolarplatte hineinwölbt und die MPL sich mit aufwölbt, die großen Graphitflocken jedoch in der Lage sind, diese Aufwölbung räumlich auszugleichen und abzufedern sowie gleichzeitig den Kontakt zur COM beizubehalten. The invention thus solves the described problem by optimizing the proportions of carbon black and graphite in the microporous layer (MPL). This results in special mechanical properties of the MPL layer. For example, by adding graphite particles, the MPL becomes particularly compressively soft, and thus the contact resistance between the microporous layer and the COM is particularly low due to the adhesion to the COM. This "compressively soft" property can be particularly well described by the compression set at 6.0 MPa. Without being bound to theory, it is assumed that when using a combination of carbon black and graphite in the MPL of a GDL, as with conventional MPLs, the substrate of the GDL will bulge into the flow channels of the bipolar plate after being pressed together with the other components to form a fuel cell, and the MPL will bulge with it. However, the large graphite flakes are able to spatially compensate for and cushion this bulge while maintaining contact with the COM.

Neben den mechanischen Eigenschaften des GDL-Substrats können somit auch die Eigenschaften der mikroporösen Lage signifikant zur Wechselwirkung zwischen COM und MPL beitragen. Die Oberflächeneigenschaften wie Rauheit, Verformbarkeit und Elastizität unter Druck, mögliche Kontaktfläche etc. einer mikroporösen Lage werden signifikant von der Beschaffenheit der verwendeten Materialien wie Kohlenstoffpartikel bzw. Bindemittel, wie zum Beispiel PTFE, bestimmt. In addition to the mechanical properties of the GDL substrate, the properties of the microporous layer can also significantly contribute to the interaction between COM and MPL. The surface properties of a microporous layer, such as roughness, deformability and elasticity under pressure, potential contact area, etc., are significantly determined by the nature of the materials used, such as carbon particles or binders such as PTFE.

Je nach Anteil von Ruß und Graphit lassen sich unterschiedliche Eigenschaften der mikroporösen Lage erzielen, z.B. unterschiedliche Porositäten, Porengrößenverteilungen, Permeabilität für Gase und Wasser, Diffusionslängen, elektrische und thermische Leitfähigkeiten, Mechanische Stabilität, Oberflächenrauheiten und Verhalten unter Druck (beispielweise kann eine MPL druckweich sein). Depending on the proportion of carbon black and graphite, different properties of the microporous layer can be achieved, e.g. different porosities, pore size distributions, permeability to gases and water, diffusion lengths, electrical and thermal conductivities, mechanical stability, surface roughness and behavior under pressure (for example, an MPL can be compressively soft).

Um die Abhängigkeit zwischen Kanaleigenschaften und den oben genannten mechanischen Eigenschaften der GDL zu beschreiben, wurde außerdem eine Messmethode entwickelt, die sogenannte Streifenmessung. Diese wird nachfolgend noch näher erläutert. Drucksteife Materialien biegen sich unter Erhaltung ihrer Dicke in Z-Richtung in den Kanal der Bipolarplatte ein. Dies führt dazu, dass die MPL-Seite unter Umständen den Kontakt zur CCM verliert oder delaminiert. Beobachtet wird bei diesen Materialien eine Erhöhung des Kontaktwiderstandes an dieser Stelle (Kanal). Eine weitere Folge könnte die Verringerung der Stromdichte sein. Die Delaminierung an den Kanalstellen kann sich außerdem über die gesamte Fläche fortsetzen, was eine weitere beschleunigte Verringerung der Leistung und eine kürzere Lebensdauer der Brennstoffzelle zur Folge hat. Durch eine Wellung der Gasdiffusionslage in den Kanal der Bipolarplattekann kann außerdem die Kontaktfläche zwischen Bipolarplatte und Gasdiffusionslage vermindert werden, was den elektrischen Kontaktwiderstand zwischen beiden Komponenten erhöhen kann. To describe the relationship between channel properties and the aforementioned mechanical properties of the GDL, a measurement method was developed, the so-called strip measurement. This is explained in more detail below. Compressively stiff materials bend into the channel of the bipolar plate while retaining their thickness in the Z direction. This can lead to the MPL side losing contact with the CCM or delaminating. An increase in contact resistance at this point (channel) is observed with these materials. A further consequence could be a reduction in current density. Furthermore, delamination at the channel locations can continue across the entire surface, resulting in a further accelerated reduction in performance and a shorter service life of the fuel cell. Furthermore, corrugation of the gas diffusion layer into the channel of the bipolar plate can reduce the contact area between the bipolar plate and the gas diffusion layer, which can increase the electrical contact resistance between the two components.

Druckweiche, kompressible und sehr flexible Gasdiffusionsschichten sind dagegen in der Lage, auf unterschiedliche Druckverhältnisse in der Fläche flexibel zu reagieren. Sie werden zwar an den Berührungspunkten mit dem Steg ebenfalls komprimiert und biegen sich ebenfalls auf Substratseite in den Kanal hinein, sind aber flexibel genug, um auf MPL-Seite den Kontakt mit der CCM zu halten und eine Delaminierung an dieser Stelle zu verhindern. Dadurch wird ein ausreichend niedriger Kontaktwiderstand gewährleistet. Pressure-sensitive, compressible, and highly flexible gas diffusion layers, on the other hand, are capable of responding flexibly to different pressure conditions across the surface. Although they are also compressed at the contact points with the web and also bend into the channel on the substrate side, they are flexible enough to maintain contact with the CCM on the MPL side and prevent delamination at this point. This ensures a sufficiently low contact resistance.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Gasdiffusionslage, bei dem i) das Fasermaterial mit einer vorzugsweise wässrigen Zusammensetzung beschichtet und/oder imprägniert wird, die das mindestens eine Polymer und gegebenenfalls weitere Komponenten enthält, und das beschichtete und/oder imprägnierte Fasermaterial anschließend getrocknet und/oder gesintert wird, wobei die Sinterung durch thermische Behandlung bei einer Temperatur von 250 °C bis 500 °C, vorzugsweise 300 °C bis 450 °C, und insbesondere 350 °C bis 450 °C erfolgt, so dass sich das flächige elektrisch leitfähige Material A) ergibt, und anschließend ii) das flächige elektrisch leitfähige Material A) mit einer vorzugsweise wässrigen Zusammensetzung beschichtet wird, die die leitfähigen Kohlenstoffpartikel und das polymere Bindemittel enthält, und das beschichtete Material A) anschließend getrocknet und/oder gesintert wird, wobei die Sinterung durch thermische Behandlung bei einer Temperatur von 250 °C bis 500 °C, vorzugsweise 300 °C bis 450 °C, und insbesondere 350 °C bis 450 °C erfolgt, so dass sich die mikroporöse Lage ergibt. The invention further relates to a method for producing such a gas diffusion layer, in which i) the fiber material is coated and/or impregnated with a preferably aqueous composition containing the at least one polymer and optionally further components, and the coated and/or impregnated fiber material is subsequently dried and/or sintered, wherein the sintering is carried out by thermal treatment at a temperature of 250 °C to 500 °C, preferably 300 °C to 450 °C, and in particular 350 °C to 450 °C, so that the sheet-like electrically conductive material A) is obtained, and subsequently ii) the sheet-like electrically conductive material A) is coated with a preferably aqueous composition containing the conductive carbon particles and the polymeric binder, and the coated material A) is subsequently dried and/or sintered, wherein the sintering is carried out by thermal Treatment is carried out at a temperature of 250 °C to 500 °C, preferably 300 °C to 450 °C, and in particular 350 °C to 450 °C, so that the microporous layer is produced.

In der vorliegenden Anmeldung werden die Begriffe „Sinterung“ und „Sintern“ synonym verwendet. In this application, the terms “sintering” and “sintering” are used synonymously.

Ebenso betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle umfassend wenigstens eine solche Gasdiffusionslage, wobei es sich typischerweise um eine Polymer-Elektrolyt-Membran- Brennstoffzelle handelt. The invention also relates to a fuel cell comprising at least one such gas diffusion layer, which is typically a polymer electrolyte membrane fuel cell.

Dementsprechend betrifft die Erfindung auch die Verwendung einer solchen Gasdiffusionslage in einer Brennstoffzelle, vorzugsweise einer Polymer-Elektrolyt- Membran-Brennstoffzelle. Accordingly, the invention also relates to the use of such a gas diffusion layer in a fuel cell, preferably a polymer electrolyte membrane fuel cell.

Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer solchen Gasdiffusionslage in einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle zur Verringerung des Kontaktwiderstands an der Grenzfläche zwischen der mikroporösen Lage der Gasdiffusionslage und der auf der Polymer-Elektrolyt-Membran aufgebrachten Katalysatorschicht, vor allem im Bereich der Kanäle der Bipolarplatte der Brennstoffzelle, wie insbesondere im Bereich des Zentrums der Kanäle. Furthermore, the invention relates to the use of such a gas diffusion layer in a polymer electrolyte membrane fuel cell for reducing the contact resistance at the interface between the microporous layer of the gas diffusion layer and the catalyst layer applied to the polymer electrolyte membrane, especially in the region of the channels of the bipolar plate of the fuel cell, such as in particular in the region of the center of the channels.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung von leitfähigen Kohlenstoffpartikeln umfassend Ruß und Graphit in der mikroporösen Lage einer Gasdiffusionslage, die vorzugsweise wie vorstehend definiert ist, zur Verringerung des Kontaktwiderstands an der Grenzfläche zwischen der mikroporösen Lage der Gasdiffusionslage und der auf der Polymer-Elektrolyt-Membran einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle aufgebrachten Katalysatorschicht, vor allem im Bereich der Kanäle der Bipolarplatte der Brennstoffzelle, wie insbesondere im Bereich des Zentrums der Kanäle. Furthermore, the invention relates to the use of conductive carbon particles comprising carbon black and graphite in the microporous layer of a gas diffusion layer, which is preferably as defined above, for reducing the contact resistance at the interface between the microporous layer of the gas diffusion layer and the catalyst layer applied to the polymer electrolyte membrane of a polymer electrolyte membrane fuel cell, especially in the region of the channels of the bipolar plate of the fuel cell, such as in particular in the region of the center of the channels.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung eines Polymers ausgewählt aus Polyaryletherketonen, Polyphenylensulfiden, Polysulfonen, Polyethersulfonen, teilaromatischen (Co)polyamiden, Polyimiden, Polyamidimiden, Polyetherimiden und Mischungen davon, vorzugsweise eines Polyaryletherketons wie Polyetheretherketons, im und/oder auf dem Fasermaterial einer Gasdiffusionslage zur Verringerung des Kontaktwiderstands an der Grenzfläche zwischen der Gasdiffusionslage, falls vorhanden deren MPL, und der auf der Polymer-Elektrolyt-Membran einer Polymer-Elektrolyt- Membran-Brennstoffzelle aufgebrachten Katalysatorschicht, vor allem im Bereich der Kanäle der Bipolarplatte der Brennstoffzelle, wie insbesondere im Bereich des Zentrums der Kanäle. Das Fasermaterial umfasst vorzugsweise Kohlefaser- liesstoff. Besonders bevorzugt ist die Gasdiffusionslage wie vorstehend definiert. Furthermore, the invention relates to the use of a polymer selected from polyaryletherketones, polyphenylene sulfides, polysulfones, polyethersulfones, partially aromatic (co)polyamides, polyimides, polyamideimides, polyetherimides and mixtures thereof, preferably a polyaryletherketone such as polyetheretherketone, in and/or on the fiber material of a gas diffusion layer to reduce the contact resistance at the interface between the gas diffusion layer, its MPL if present, and the catalyst layer applied to the polymer electrolyte membrane of a polymer electrolyte membrane fuel cell, especially in the region of the channels of the bipolar plate of the fuel cell, such as in particular in the region of the center of the channels. The fiber material preferably comprises carbon fiber nonwoven fabric. The gas diffusion layer is particularly preferably as defined above.

Es wurde überraschenderweise gefunden, dass bei Verwendung eines solchen Polymers im und/oder auf dem Fasermaterial einer Gasdiffusionslage (GDL) sich die GDL weniger oder gar nicht in den Kanal der Bipolarplatte wölbt. Dadurch kann die Haftung der GDL auf der COM verbessert werden und insbesondere eine Delamination der GDL, d.h. falls vorhanden deren MPL, von der COM verhindert oder zumindest abgemildert werden. Dadurch ergibt sich ein geringerer Kontaktwiderstand an der Grenzfläche zwischen der GDL und der COM. Somit kann durch eine Imprägnierung und/oder Beschichtung des Fasermaterials mit einem solchen Polymer auch das Anschmiegeverhalten der GDL in geeigneter Weise an eine bestimmte Kanalgeometrie angepasst werden. It was surprisingly found that when such a polymer is used in and/or on the fiber material of a gas diffusion layer (GDL), the GDL bulges less or not at all into the channel of the bipolar plate. This can improve the adhesion of the GDL to the COM and, in particular, prevent or at least mitigate delamination of the GDL, i.e., its MPL, if present, from the COM. This results in lower contact resistance at the interface between the GDL and the COM. Thus, by impregnating and/or coating the fiber material with such a polymer, the conformal behavior of the GDL can be suitably adapted to a specific channel geometry.

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage und Brennstoffzelle, des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der Gasdiffusionslage und der erfindungsgemäßen Verwendungen befinden sich in den abhängigen Ansprüchen. Bevorzugte Ausführungsformen eines der genannten erfindungsgemäßen Gegenstände sind dabei auch bevorzugte Ausführungsformen der anderen erfindungsgemäßen Gegenstände, wenn nicht anders angegeben. Preferred embodiments of the gas diffusion layer and fuel cell according to the invention, the method according to the invention for producing the gas diffusion layer, and the uses according to the invention are set out in the dependent claims. Preferred embodiments of one of the aforementioned inventive subjects are also preferred embodiments of the other inventive subjects, unless otherwise stated.

Gasdiffusionslage Gas diffusion layer

Bei dem erfindungsgemäß eingesetzten flächigen elektrisch leitfähigen Material und der Gasdiffusionslage handelt es sich um flächenförmige Gebilde, die über eine im Wesentlichen zweidimensionale, ebene Ausdehnung und eine demgegenüber geringere Dicke verfügen. Die Gasdiffusionslage weist eine Grundfläche auf, die in der Regel im Wesentlichen der Grundfläche der angrenzenden Membran mit den Katalysatorschichten und der Grundfläche der angrenzenden Bipolarplatte der Brennstoffzelle entspricht. Die Form der Grundfläche der Gasdiffusionslage kann beispielsweise polygonal (n-eckig mit n > 3, z. B. dreieckig, viereckig, fünfeckig, sechseckig, etc.), kreisförmig, kreissegmentförmig (z. B. halbkreisförmig), ellipsenförmig oder ellipsensegmentförmig sein. Bevorzugt ist die Grundfläche rechteckig oder kreisförmig. The sheet-like electrically conductive material used according to the invention and the gas diffusion layer are sheet-like structures that have a substantially two-dimensional, planar extension and a comparatively smaller thickness. The gas diffusion layer has a base area that generally corresponds substantially to the base area of the adjacent membrane with the catalyst layers and the base area of the adjacent bipolar plate of the fuel cell. The shape of the base area of the gas diffusion layer can, for example, be polygonal (n-cornered with n > 3, e.g., triangular, square, pentagonal, hexagonal, etc.), circular, circular-segment-shaped (e.g., semicircular), elliptical, or elliptical-segment-shaped. The base is preferably rectangular or circular.

Die erfindungsgemäße Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle umfasst A) ein flächiges elektrisch leitfähiges Material, das mindestens ein Fasermaterial enthält, wobei das Fasermaterial Kohlefaser-Vliesstoff umfasst, und B) eine mikroporöse Lage, enthaltend leitfähige Kohlenstoffpartikel in einer Matrix aus einem polymeren Bindemittel, wobei die leitfähigen Kohlenstoffpartikel Ruß und Graphit umfassen, wobei der Graphitanteil, bezogen auf das Gesamtgewicht von in der mikroporösen Lage enthaltenem Ruß und Graphit, mindestens 50 Gew.-% beträgt. Kohlefaser-Vliesstoffe sind unter anderem vorteilhaft, da sie kompressionselastisch sind und einfach großtechnisch, z. B. in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren, hergestellt werden können. The gas diffusion layer according to the invention for a fuel cell comprises A) a sheet-like, electrically conductive material containing at least one fiber material, wherein the fiber material comprises carbon fiber nonwoven fabric, and B) a microporous layer containing conductive carbon particles in a matrix of a polymeric binder, wherein the conductive carbon particles comprise carbon black and graphite, wherein the graphite content, based on the total weight of carbon black and graphite contained in the microporous layer, is at least 50 wt.%. Carbon fiber nonwoven fabrics are advantageous, among other things, because they are compression-elastic and can be easily produced on an industrial scale, e.g., in a roll-to-roll process.

Die verwendeten leitfähigen Kohlenstoffpartikel unterscheiden sich beträchtlich. Kohlenstoffpartikel in Form von Rußen besitzen eine weitgehend ungeordnete Struktur. Sie bestehen oft aus Agglomeraten aus sehr kleinen und ründlichen Primärpartikeln eines Durchmessers, der typischerweise, je nach Produktionsbedingungen, im unterem Nanometerbereich von 5 bis einigen Hundert nm liegt, wie zum Beispiel oberhalb von 10 nm bis etwa 100 nm. Solche Agglomerate eines Durchmessers von typischerweise höchstens mehreren pm können während der Verarbeitung, wie zum Beispiel des Dispersionsvorgangs in Wasser, aufgrund von Scherkräften zumindest teilweise aufgebrochen werden, so dass kleinere Partikel entstehen. Rußpulver weisen typischerweise Partikel (Agglomerate) mit einem D90-Wert von höchstens wenigen pm wie insbesondere höchstens 500 nm auf, bestimmt mittels statischer Lichtstreuung bei 25 °C unter Verwendung eines Mastersizer 2000-Geräts von Malvern Instruments (wobei eine Nassmessung in destilliertem Wasser oder, bevorzugt, Trockenmessung erfolgen kann). Der D90-Wert der integralen Volumenverteilung wird in der vorliegenden Anmeldung als der Partikeldurchmesser definiert, bei dem 90 Volumenprozent der Partikel einen kleineren Durchmesser aufweisen als der Durchmesser, der dem D90-Wert entspricht. In einer Dispersion sind die gemessenen Partikelgrößen aufgrund des Aufbrechens von Agglomeraten häufig deutlich kleiner. Graphit ist eine natürliche Erscheinungsform des Kohlenstoffs mit einer besonderen hexagonalen Kristallstruktur, die in mehreren parallelen Ebenen, den Graphenschichten, angeordnet ist. Es ist entsprechend plättchenartig. Diese anisotrope Struktur verleiht dem Graphit besondere Eigenschaften, wie die elektrische Leitfähigkeit oder eine besondere Festigkeit entlang der einzelnen Schichten aber auch eine leichte Spaltbarkeit bzw. gute Gleit- und Schmiereigenschaften. Es ist dementsprechend relativ stabil in der Verarbeitung. Bei Graphiten unterscheidet man zudem zwischen natürlichen und synthetischen Graphiten. In Graphitpulver liegt das Graphit typischerweise bereits im Wesentlichen als Primärpartikel vor. Die im Pulver vorliegenden Partikel weisen typischerweise im Wesentlichen einen Partikeldurchmesser von mehr als 500 nm auf, vorzugsweise im pm-Bereich. Der D90-Wert liegt üblicherweise deutlich oberhalb von 1 pm, jeweils bestimmt mittels statischer Lichtstreuung bei 25 °C unter Verwendung eines Mastersizer 2000-Geräts von Malvern Instruments (wobei eine Nassmessung in destilliertem Wasser oder, bevorzugt, Trockenmessung erfolgen kann). Der D90-Wert der integralen Volumenverteilung wird in der vorliegenden Anmeldung als der Partikeldurchmesser definiert, bei dem 90 Volumenprozent der Partikel einen kleineren Durchmesser aufweisen als der Durchmesser, der dem D90-Wert entspricht. The conductive carbon particles used vary considerably. Carbon particles in the form of carbon black possess a largely disordered structure. They often consist of agglomerates of very small and round primary particles with a diameter that typically, depending on production conditions, is in the lower nanometer range of 5 to several hundred nm, for example, from above 10 nm to approximately 100 nm. Such agglomerates, with a diameter of typically at most several pm, can be at least partially broken up by shear forces during processing, such as the dispersion process in water, resulting in smaller particles. Carbon black powders typically have particles (agglomerates) with a D90 value of at most a few pm, in particular at most 500 nm, determined by static light scattering at 25 °C using a Mastersizer 2000 instrument from Malvern Instruments (where a wet measurement can be performed in distilled water or, preferably, a dry measurement). The D90 value of the integral volume distribution is defined in this application as the particle diameter at which 90 volume percent of the particles have a diameter smaller than the diameter corresponding to the D90 value. In a dispersion, the measured particle sizes are often significantly smaller due to the breakup of agglomerates. Graphite is a natural form of carbon with a unique hexagonal crystal structure arranged in multiple parallel planes, the graphene layers. It is accordingly platelet-like. This anisotropic structure gives graphite special properties, such as electrical conductivity and exceptional strength along the individual layers, as well as easy cleavage and good sliding and lubricating properties. It is therefore relatively stable during processing. A distinction is also made between natural and synthetic graphites. In graphite powder, the graphite is typically already present essentially as primary particles. The particles present in the powder typically have a particle diameter of more than 500 nm, preferably in the pm range. The D90 value is usually well above 1 pm, in each case determined by static light scattering at 25 °C using a Mastersizer 2000 device from Malvern Instruments (wet measurement in distilled water or, preferably, dry measurement). The D90 value of the integral volume distribution is defined in the present application as the particle diameter at which 90 volume percent of the particles have a diameter smaller than the diameter corresponding to the D90 value.

Die Brennstoffzelle umfasst erfindungsgemäß vorzugsweise eine Polymer-Elektrolyt- Membran, auf die eine Katalysatorschicht aufgebracht ist, wobei die Katalysatorschicht mit der Oberfläche der mikroporösen Lage der Gasdiffusionslage in Kontakt gebracht werden kann. According to the invention, the fuel cell preferably comprises a polymer electrolyte membrane to which a catalyst layer is applied, wherein the catalyst layer can be brought into contact with the surface of the microporous layer of the gas diffusion layer.

Flächiges elektrisch leitfähiges Material A) Flat electrically conductive material A)

Erfindungsgemäß weist das Fasermaterial vorzugsweise ein Flächengewicht von 15 bis 400 g/m2, vorzugsweise 20 bis 300 g/m2, bevorzugter 30 bis 150 g/m2 und insbesondere 40 bis 120 g/m2 wie zum Beispiel 50 bis 100 g/m2 auf. In der vorliegenden Erfindung bezieht sich die Masse oder das Gesamtgewicht des Fasermaterials auf das nicht ausgerüstete Fasermaterial, d.h. ohne irgendwelche Komponenten wie zum Beispiel Polymer oder andere Additive. According to the invention, the fiber material preferably has a basis weight of 15 to 400 g/m 2 , preferably 20 to 300 g/m 2 , more preferably 30 to 150 g/m 2 and in particular 40 to 120 g/m 2 such as 50 to 100 g/m 2 . In the present invention, the mass or total weight of the fiber material refers to the untreated fiber material, ie without any components such as polymer or other additives.

Das Fasermaterial weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 50 bis 500 pm, besonders bevorzugt von 100 bis 400 pm auf. Diese Dicke bezieht sich auf den nicht ausgerüsteten, unkomprimierten Zustand des Fasermaterials, d. h. vor dem Einbau der GDL in eine Brennstoffzelle. The fiber material preferably has a thickness in the range of 50 to 500 pm, particularly preferably 100 to 400 pm. This thickness refers to the non- equipped, uncompressed state of the fiber material, ie before the GDL is installed in a fuel cell.

Die in dem Fasermaterial enthaltenen Fasern umfassen Kohlenstofffasern (Kohlefasern, Carbonfasern), die Kohlefaser-Vliesstoff umfassen, und gegebenenfalls davon verschiedene Fasern, vorzugsweise ausgewählt unter Glasfasern, Fasern organischer Polymere, wie Polypropylen, Polyester, Polyphenylensulfid, Polyetherketonen, und Mischungen davon. Speziell bestehen die in dem Fasermaterial enthaltenen Fasern nur aus Kohlenstofffasern. The fibers contained in the fiber material comprise carbon fibers (carbon fibers, carbon fibers), which comprise carbon fiber nonwoven fabric, and optionally other fibers, preferably selected from glass fibers, fibers of organic polymers such as polypropylene, polyester, polyphenylene sulfide, polyether ketones, and mixtures thereof. Specifically, the fibers contained in the fiber material consist solely of carbon fibers.

Die Herstellung der Kohlenstofffasern kann in üblicher Weise erfolgen, wobei als Ausgangsmaterial vorzugsweise Polyacrylnitril-Fasern (PAN-Fasern) eingesetzt werden. PAN-Fasern werden hergestellt durch radikalische Polymerisation einer Monomerzusammensetzung, die vorzugsweise wenigstens 90 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der zur Polymerisation eingesetzten Monomere, Acrylnitril enthält. Die erhaltene Polymerlösung wird, z. B. durch Nassspinnen und Koagulation, zu Filamenten versponnen und zu Tauen zusammengefasst. Bevor dieser PAN-Precursor unter hohen Temperaturen zu Kohlenstofffasern umgewandelt wird, wird er in der Regel in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei erhöhten Temperaturen von etwa 180 bis 300 °C einer oxidativen Cyclisierung (auch kurz als Oxidation bezeichnet) unterzogen. Durch die dabei resultierende chemische Vernetzung wird die Formstabilität der Fasern verbessert. Anschließend erfolgt bei Temperaturen von wenigstens 1200 °C die eigentliche Pyrolyse zu Kohlenstofffasern. Für diese Pyrolyse können in Abhängigkeit von der Form des angestrebten Fasermaterials entweder die Ausgangsfasern oder bereits ein flächiges Fasermaterial eingesetzt werden. In Abhängigkeit von der Temperatur bei der Pyrolyse unterscheidet man zwischen Carbonisierung und Graphitisierung. Carbonisierung bezeichnet eine Behandlung bei etwa 1200 bis 1500 °C unter Inertgasatmosphäre, die zur Abspaltung flüchtiger Produkte führt. Durch Graphitisierung, d. h. Erhitzen auf etwa 2000 bis 3000 °C unter Inertgas, erhält man so genannte Hochmodul- oder Graphitfasern. Diese Fasern verfügen über eine hohe Reinheit, sind leicht, hoch fest und sehr gut leitfähig für Elektrizität und Wärme. Erfindungsgemäß ist das Fasermaterial ausgewählt unter Kohlefaser-Vliesstoffen, Kohlefaser-Papieren, Kohlefaser-Geweben und Mischungen davon. Vorzugsweise ist das Fasermaterial, das heißt besteht das Fasermaterial aus, Kohlefaser-Vliesstoff. Carbon fibers can be produced in a conventional manner, preferably using polyacrylonitrile fibers (PAN fibers) as the starting material. PAN fibers are produced by radical polymerization of a monomer composition that preferably contains at least 90% by weight, based on the total weight of the monomers used for polymerization, of acrylonitrile. The resulting polymer solution is spun into filaments, e.g., by wet spinning and coagulation, and gathered into tows. Before this PAN precursor is converted into carbon fibers at high temperatures, it is generally subjected to oxidative cyclization (also referred to as oxidation for short) in an oxygen-containing atmosphere at elevated temperatures of approximately 180 to 300 °C. The resulting chemical crosslinking improves the dimensional stability of the fibers. The actual pyrolysis to carbon fibers then takes place at temperatures of at least 1200 °C. Depending on the desired fiber shape, either the original fibers or a flat fiber material can be used for this pyrolysis. Depending on the temperature during pyrolysis, a distinction is made between carbonization and graphitization. Carbonization refers to a treatment at approximately 1200 to 1500 °C under an inert gas atmosphere, which leads to the release of volatile products. Graphitization, i.e., heating to approximately 2000 to 3000 °C under an inert gas, produces so-called high-modulus or graphite fibers. These fibers are highly pure, lightweight, high-strength, and highly conductive to electricity and heat. According to the invention, the fiber material is selected from carbon fiber nonwovens, carbon fiber papers, carbon fiber fabrics, and mixtures thereof. Preferably, the fiber material is, i.e., the fiber material consists of, carbon fiber nonwovens.

Desweiteren bevorzugt besteht das Fasermaterial aus Kohlefaser-Papier. In einer alternativen Ausführungsform ist das Fasermaterial Kohlefaser-Vliesstoff in Kombination mit Kohlefaser-Gewebe oder Kohlefaser- Papier. Furthermore, the fiber material preferably consists of carbon fiber paper. In an alternative embodiment, the fiber material is carbon fiber nonwoven fabric in combination with carbon fiber fabric or carbon fiber paper.

Bei Kohlefasergeweben wird das flächige Fasermaterial durch das Verkreuzen von zwei Fadensystemen, Kette (Kettfäden) und Schuss (Schussfäden), hergestellt. Wie bei Textilien werden Faserbündel flexibel, aber unlösbar miteinander verbunden. Zur Herstellung von Kohlefasergeweben werden vorzugsweise oxidierte, aber noch nicht karbonisierte oder graphitierte PAN-Fasern eingesetzt. Die Karbonisierung oder Graphitierung, um dem flächigen Fasermaterial elektrische Leitfähigkeit zu verleihen, erfolgt nach dem Weben. In carbon fiber fabrics, the flat fiber material is produced by interlacing two thread systems: warp and weft. As with textiles, fiber bundles are flexibly but inextricably linked. Oxidized, but not yet carbonized or graphitized PAN fibers are preferably used to produce carbon fiber fabrics. Carbonization or graphitization, to impart electrical conductivity to the flat fiber material, occurs after weaving.

Zur Herstellung von Kohlefaser-Papieren werden in der Regel oxidierte PAN-Fasern eingesetzt. Diese werden in an sich bekannter Weise zu Faserbruchstücken zerkleinert, aufgeschlämmt und analog zur Papierherstellung durch Sieben (Bütten) ein Fasergelege hergestellt und getrocknet. In einer bevorzugten Ausführung wird in das Papier zusätzlich wenigstens ein Bindemittel eingebracht. Geeignete Bindemittel sind z. B. Phenol-, Furan-, Polyimidharze, etc. Zum Einbringen des Bindemittels kann das Papier mit diesem imprägniert und das Bindemittel gegebenenfalls anschließend gehärtet werden. Nach dem Imprägnieren und Härten wird das Kohlefaser-Papier nochmals einer Karbonisierung/Graphitisierung unterzogen, um auch das Bindemittel in Verbindungen mit verbesserter elektrischer Leitfähigkeit zu überführen. In einer weiteren geeigneten Ausführung wird zur Bereitstellung des Fasermaterials ein gefülltes Kohlefaser-Papier eingesetzt. Die Herstellung erfolgt zunächst wie zuvor beschrieben, jedoch wird anstelle des Einbringens eines Bindemittels und der Karbonisierung/Graphitisierung ein Füllstoff aus einem Kohlenstoffmaterial in einem polymeren Binder in das noch feuchte Papier eingebracht. Speziell wird dazu ein Kohlenstoff-PTFE-Füllstoff eingesetzt. Durch diese Füllung wird die thermische und elektrische Leitfähigkeit so erhöht, dass eine Karbonisierung/Graphitisierung entfallen kann. Zur Herstellung von Kohlefaser- Vliesstoffen können nicht oxidierte oder oxidierte PAN- Fasern eingesetzt werden. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform werden die Fasern in einem ersten Schritt trocken zu einem Flor gelegt (kardiert) und anschließend zu einem Vlies verfestigt. Dies kann beispielsweise durch Wasserstrahlverfilzung (hydro- entangling) erfolgen, wobei die Karbonfasern orientiert, verschränkt und somit mechanisch stabilisiert werden. Gegebenenfalls kann die Dicke des verfestigten Vliesstoffs auf einen gewünschten Wert kalibriert werden. Vliese auf Basis nicht oxidierter PAN-Fasern werden nach dem Vlieslegen und Verfestigen zunächst der Oxidation bei erhöhter Temperatur und unter Sauerstoffatmosphäre und anschließend der Karbonisierung/Graphitisierung unter Inertgasatmosphäre unterzogen. Vliese auf Basis oxidierter PAN-Fasern werden nach dem Vlieslegen und Verfestigen nur einer Karbonisierung/Graphitisierung unterzogen. Kohlefaser-Vliesstoffe, zu deren Herstellung die Fasern in einem ersten Schritt trocken zu einem Flor gelegt werden, sind eine bevorzugte Ausführung der Erfindung. Oxidized PAN fibers are generally used to produce carbon fiber paper. These are shredded into fiber fragments in a conventional manner, slurried, and, analogous to papermaking, a fiber matrix is produced by sieving (laths), and dried. In a preferred embodiment, at least one binder is also incorporated into the paper. Suitable binders include, for example, phenolic, furan, polyimide resins, etc. To incorporate the binder, the paper can be impregnated with it, and the binder can then be cured if necessary. After impregnation and curing, the carbon fiber paper is subjected to another carbonization/graphitization process to convert the binder into compounds with improved electrical conductivity. In another suitable embodiment, a filled carbon fiber paper is used to provide the fiber material. The initial production process is as described above, but instead of introducing a binder and carbonization/graphitization, a filler consisting of a carbon material in a polymer binder is introduced into the still-moist paper. A carbon-PTFE filler is specifically used for this purpose. This filling increases the thermal and electrical conductivity to such an extent that carbonization/graphitization is no longer necessary. Non-oxidized or oxidized PAN fibers can be used to produce carbon fiber nonwovens. In a first preferred embodiment, the fibers are first dry-laid (carded) to form a nap and then consolidated into a nonwoven. This can be done, for example, by hydroentangling, whereby the carbon fibers are oriented, entangled, and thus mechanically stabilized. If necessary, the thickness of the consolidated nonwoven can be calibrated to a desired value. Nonwovens based on non-oxidized PAN fibers are first subjected to oxidation at elevated temperature and in an oxygen atmosphere after nonwoven laying and consolidation, and then to carbonization/graphitization in an inert gas atmosphere. Nonwovens based on oxidized PAN fibers are only subjected to carbonization/graphitization after nonwoven laying and consolidation. Carbon fiber nonwovens, for the production of which the fibers are laid dry to form a pile in a first step, are a preferred embodiment of the invention.

In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Fasermaterial mindestens ein Polymer darauf aufgebracht und/oder darin eingebracht. Dazu kann das Fasermaterial durch übliche Auftrags- und Imprägnierungsverfahren mit Polymerkomponenten und gegebenenfalls weiteren Additiven ausgerüstet werden. In a preferred embodiment, the fiber material contains at least one polymer applied to and/or incorporated into it. For this purpose, the fiber material can be treated with polymer components and, if appropriate, other additives using conventional application and impregnation processes.

Vorzugsweise umfasst das Polymer a1) mindestens ein fluorhaltiges Polymer, bevorzugt ausgewählt aus Polytetrafluorethylen (PTFE), Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen- Copolymeren (FEP), Perfluoralkoxy-Polymeren (PFA) und Mischungen davon. Perfluoralkoxy-Polymere sind z.B. Copolymere aus Tetrafluorethylen (TFE) und Perfluoralkoxyvinylethern, wie Perfluorvinylpropylether. Besonders bevorzugt umfasst, insbesondere ist, das fluorhaltige Polymer a1) Polytetrafluorethylen. Die Komponente a1) kann dazu dienen, die Hydrophobizität des Fasermaterials zu erhöhen. Preferably, polymer a1) comprises at least one fluorine-containing polymer, preferably selected from polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymers (FEP), perfluoroalkoxy polymers (PFA), and mixtures thereof. Perfluoroalkoxy polymers include, for example, copolymers of tetrafluoroethylene (TFE) and perfluoroalkoxy vinyl ethers, such as perfluorovinyl propyl ether. Particularly preferably, the fluorine-containing polymer a1) comprises, and in particular is, polytetrafluoroethylene. Component a1) can serve to increase the hydrophobicity of the fiber material.

Bevorzugt beträgt der Massenanteil des fluorhaltigen Polymers a1) 0,5 bis 40 %, bevozugt 1 bis 20 %, insbesondere 1 bis 10 %, bezogen auf die Masse des Fasermaterials. In einer speziellen Ausführungsform ist das fluorhaltige Polymer a1) PTFE und beträgt der Massenanteil des PTFE 0,5 bis 40 %, bevozugt 1 bis 20 %, insbesondere 1 bis 10 %, bezogen auf die Masse des Fasermaterials. Ebenso vorzugsweise umfasst das Polymer von a1) verschiedene Polymere a2) ausgewählt unter Polyaryletherketonen (PAEK), Polyphenylensulfiden (PPS), Polysulfonen (PSU), Polyethersulfonen (PES), teilaromatischen (Co)polyamiden (Hochtemperaturpolyamiden, HTPA), Polyimiden (PI), Polyamidimiden (PAI), Polyetherimiden (PEI) und Mischungen (Blends) davon. Die Verwendung einer solchen Komponente a2) im und/oder auf dem Fasermaterial einer Gasdiffusionslage kann zur Verringerung des Kontaktwiderstands an der Grenzfläche zwischen der Gasdiffusionslage und der auf der Polymer-Elektrolyt-Membran einer Polymer-Elektrolyt-Membran- Brennstoffzelle aufgebrachten Katalysatorschicht führen, vor allem im Bereich der Kanäle der Bipolarplatte der Brennstoffzelle, wie insbesondere im Bereich des Zentrums der Kanäle. The mass fraction of the fluorine-containing polymer a1) is preferably 0.5 to 40%, preferably 1 to 20%, in particular 1 to 10%, based on the mass of the fiber material. In a specific embodiment, the fluorine-containing polymer a1) is PTFE, and the mass fraction of PTFE is 0.5 to 40%, preferably 1 to 20%, in particular 1 to 10%, based on the mass of the fiber material. Likewise preferably, the polymer of a1) comprises various polymers a2) selected from polyaryletherketones (PAEK), polyphenylene sulfides (PPS), polysulfones (PSU), polyethersulfones (PES), partially aromatic (co)polyamides (high-temperature polyamides, HTPA), polyimides (PI), polyamideimides (PAI), polyetherimides (PEI), and mixtures (blends) thereof. The use of such a component a2) in and/or on the fiber material of a gas diffusion layer can lead to a reduction in the contact resistance at the interface between the gas diffusion layer and the catalyst layer applied to the polymer electrolyte membrane of a polymer electrolyte membrane fuel cell, especially in the region of the channels of the bipolar plate of the fuel cell, such as in particular in the region of the center of the channels.

Insbesondere umfasst die Polymerkomponente a2) dabei mindestens ein Polyaryletherketon. Speziell besteht die Polmerkomponente a2) aus mindestens einem Polyaryletherketon. Polyaryletherketone sind teilkristalline Thermoplaste, die einen alternierenden Aufbau aufweisen, bei dem auf eine Arylgruppe jeweils eine Ketogruppe (Carbonylgruppe) oder Ethergruppe folgt, wobei die Anteile an den Keto- und Ethergruppen variabel sind und sich im Substitutionsmuster an den Arylringen unterscheiden können. Geeignete Polyaryletherketone a2) sind Polyetherketone (PEK), Polyetheretherketone (PEEK), Polyetherketonketone (PEKK), etc. Bevorzugt umfasst die Polymerkomponente a1) dabei mindestens ein Poletheretherketon, insbesondere besteht die Polymerkomponente a1) aus mindestens einem Polyetheretherketon. In particular, polymer component a2) comprises at least one polyaryl ether ketone. Specifically, polymer component a2) consists of at least one polyaryl ether ketone. Polyaryl ether ketones are semi-crystalline thermoplastics that have an alternating structure in which each aryl group is followed by a keto group (carbonyl group) or ether group. The proportions of keto and ether groups are variable and can differ in the substitution pattern on the aryl rings. Suitable polyaryl ether ketones a2) are polyether ketones (PEK), polyether ether ketones (PEEK), polyether ketone ketones (PEKK), etc. Preferably, polymer component a1) comprises at least one polyether ether ketone; in particular, polymer component a1) consists of at least one polyether ether ketone.

Geeignete teilaromatischen (Co)polyamiden a2) sind insbesondere die als Hochtemperaturpolyamide (HTPA) bezeichneten Polymere. Dabei handelt es sich um teilkristalline oder amorphe, thermoplastische, teilaromatische Polyamide. Bevorzugt enthalten diese wenigstens eine aromatische Dicarbonsäure einpolymerisiert, insbesondere ausgewählt unter Terephthalsäure, Isophthalsäure und Gemischen aus Terephthalsäure und Isophthalsäure. Bevorzugte teilaromatische (Co)polyamide a2) sind ausgewählt unter PA 6.T, PA 10.T, PA 12.T, PA 6.I, PA 10.1, PA 12.1, PA 6.T/6.I, PA 6.T/6, PA 6.T/10T, PA 10.T/6.T, PA 6.T/12.T, PA12.T/6.T und Gemischen davon. Eine weitere spezielle Ausführungsform der Polyamide a2) ist Polyphthalamid (PPA). Geeignete Polyimide a2) sind Polysuccinimid (PSI), Polybismaleinimid (PBMI), Polyimidsulfon (PISO) und Polymethacrylimid (PMI). Suitable partially aromatic (co)polyamides a2) are, in particular, the polymers known as high-temperature polyamides (HTPAs). These are semi-crystalline or amorphous, thermoplastic, partially aromatic polyamides. These preferably contain at least one aromatic dicarboxylic acid as polymerized units, in particular selected from terephthalic acid, isophthalic acid, and mixtures of terephthalic acid and isophthalic acid. Preferred partially aromatic (co)polyamides a2) are selected from PA 6.T, PA 10.T, PA 12.T, PA 6.I, PA 10.1, PA 12.1, PA 6.T/6.I, PA 6.T/6, PA 6.T/10T, PA 10.T/6.T, PA 6.T/12.T, PA12.T/6.T, and mixtures thereof. Another specific embodiment of the polyamides a2) is polyphthalamide (PPA). Suitable polyimides a2) are polysuccinimide (PSI), polybismaleimide (PBMI), polyimidesulfone (PISO) and polymethacrylimide (PMI).

Geeignete Polymere a2) sind außerdem (teil)aromatische Polyester, wie Polyethylenterephthalat (PET) oder Polybutylenterephthalat (PBT), Polycarbonate (PC) und temperaturbeständige Melamine, wie mit nanoporösen SiO2- Aerogelen gefüllte Melaminschäume. Suitable polymers a2) are also (semi-)aromatic polyesters, such as polyethylene terephthalate (PET) or polybutylene terephthalate (PBT), polycarbonates (PC) and temperature-resistant melamines, such as melamine foams filled with nanoporous SiO2 aerogels.

Bevorzugt ist das wie vorstehend definierte Polymer a2) ausgewählt unter sogenannten Hochleistungskunststoffen, die sich durch Eigenschaften wie eine hohe Glasübergangstemperatur, eine hohe Schmelztemperatur, gute Temperaturbeständigkeit, gute Chemikalienbeständigkeit und gute mechanische Eigenschaften auszeichnen. Bevorzugt weisen die Polymere a2) eine dauerhafte Betriebstemperatur (Dauergebrauchstemperatur) von wenigstens 150°C auf. Bevorzugt als Polymere a2) sind teilaromatische und aromatische Polymere. Bevorzugt handelt es sich bei den Polymeren a2) um Thermoplaste. Preferably, the polymer a2) as defined above is selected from so-called high-performance plastics, which are characterized by properties such as a high glass transition temperature, a high melting temperature, good temperature resistance, good chemical resistance, and good mechanical properties. The polymers a2) preferably have a continuous operating temperature (continuous use temperature) of at least 150°C. Semi-aromatic and aromatic polymers are preferred as polymers a2). The polymers a2) are preferably thermoplastics.

Bevorzugt beträgt der Massenanteil des Polymers a2) 0,5 bis 40 %, bevozugt 1 bis 20 %, bezogen auf die Masse des Fasermaterials a). In einer speziellen Ausführungsform ist das Polymers a2) PEEK und beträgt der Massenanteil des PEEK a2) 0,5 bis 40 %, bevozugt 1 bis 20 %, bezogen auf die Masse des Fasermaterials. The mass fraction of the polymer a2) is preferably 0.5 to 40%, preferably 1 to 20%, based on the mass of the fiber material a). In a specific embodiment, the polymer a2) is PEEK, and the mass fraction of the PEEK a2) is 0.5 to 40%, preferably 1 to 20%, based on the mass of the fiber material.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Polymer a1) mindestens ein fluorhaltiges Polymer und/oder a2) mindestens ein von a1) verschiedenes Polymer wie jeweils vorstehend definiert, um gleichzeitig eine geeignete Hydrophobizität des Fasermaterials und einen verringerten Kontaktwiderstand wie vorstehend erläutert erzielen zu können. In a particularly preferred embodiment, the polymer a1) comprises at least one fluorine-containing polymer and/or a2) at least one polymer different from a1), as defined above, in order to simultaneously achieve a suitable hydrophobicity of the fiber material and a reduced contact resistance as explained above.

Vorzugsweise beträgt der Anteil des fluorhaltigen Polymers a1), bezogen auf das Gesamtgewicht von fluorhaltigem Polymer a1) und von a1) verschiedenem Polymer a2), 10 bis 100 Gew.-%, vorzugsweise 20 bis 90 Gew.-%, bevorzugter 30 bis 80 Gew.-%, noch bevorzugter 40 bis 75 Gew.-%, wie insbesondere 40 bis 60 Gew.-% oder 60 bis 75 Gew.-%. Wenn als Fasermaterial ein gebundenes Fasermaterial eingesetzt wird, so ist dieses insbesondere ausgewählt unter mechanisch gebundenen Fasermaterialien. Eine chemische Bindung, speziell mit carbonisierbaren polymeren Bindemitteln, kann sich nachteilig auf die Biegeeigenschaften der Gasdiffusionslage auswirken. Speziell enthalten die erfindungsgemäß eingesetzten Fasermaterialien keine von den Polymeren a1) und a2) verschiedenen Polymere als Bindemittel zugesetzt. Preferably, the proportion of the fluorine-containing polymer a1), based on the total weight of fluorine-containing polymer a1) and polymer a2) different from a1), is 10 to 100 wt.%, preferably 20 to 90 wt.%, more preferably 30 to 80 wt.%, even more preferably 40 to 75 wt.%, such as in particular 40 to 60 wt.% or 60 to 75 wt.%. If a bonded fiber material is used as the fiber material, it is selected in particular from mechanically bonded fiber materials. Chemical bonding, especially with carbonizable polymeric binders, can adversely affect the flexural properties of the gas diffusion layer. Specifically, the fiber materials used according to the invention do not contain any polymers other than polymers a1) and a2) added as binders.

In einer Ausführungsform der Erfindung werden die Fasern in einem ersten Schritt nass gelegt. In dieser Ausführung umfasst der Begriff Kohlefaser- Vliesstoff dann auch z.B. ein nassgelegtes Material, welches aus Kurzschnitt-Carbonfasern, Ruß, mindestens einem Polymer a1), speziell PTFE, und mindestens einem Polymer a2), speziell PEEK, besteht. Im Unterschied zu aus dem Stand der Technik bekannten Kohlefaser-Papieren weisen die erfindungsgemäß eingesetzten nassgelegten Fasermaterialien keine oder nur einen sehr geringen Anteil an Phenolharzen als Bindemittel auf. Bevorzugt beträgt der Massenanteil an Phenolharzen 0 bis 10 %, bevozugt 0 bis 5 %, insbesondere 0 bis 1 %, bezogen auf die Masse des Fasermaterials. In one embodiment of the invention, the fibers are wet-laid in a first step. In this embodiment, the term "carbon fiber nonwoven fabric" also encompasses, for example, a wet-laid material consisting of short-cut carbon fibers, carbon black, at least one polymer a1), especially PTFE, and at least one polymer a2), especially PEEK. In contrast to carbon fiber papers known from the prior art, the wet-laid fiber materials used according to the invention contain no or only a very small proportion of phenolic resins as binders. The mass fraction of phenolic resins is preferably 0 to 10%, more preferably 0 to 5%, in particular 0 to 1%, based on the mass of the fiber material.

Vielfach verfügt das Fasermaterial bereits durch die eingesetzten Kohlenstofffasern, auch ohne leitfähigkeitsverbessernde Additive, über eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit. Zur Verbesserung der elektrischen und der thermischen Leitfähigkeit kann das Fasermaterial jedoch zusätzlich mit mindestens einem leitfähigkeitsverbessernden Additiv a3) ausgerüstet werden. Bevorzugt ist das leitfähigkeitsverbessernde Additiv a3) ausgewählt ausgewählt unter Metall parti kein, Ruß, Graphit, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren (CNT), Kohlenstoffnanofasern und Mischungen davon. Bevorzugt umfasst das leitfähigkeitsverbessernde Additiv a3) Ruß oder besteht aus Ruß. Die Ausrüstung des Fasermaterials mit mindestens einem leitfähigkeitsverbessernden Additiv a3) kann beispielsweise gemeinsam mit Polymer, wie zum Beispiel Polymer a1) und/oder a2), und/oder weiteren Additiven erfolgen. Bevorzugt wird zur Ausrüstung des Fasermaterials eine wässrige Dispersion eingesetzt. In many cases, the fiber material already has good electrical and thermal conductivity due to the carbon fibers used, even without conductivity-enhancing additives. To improve the electrical and thermal conductivity, however, the fiber material can additionally be treated with at least one conductivity-enhancing additive a3). Preferably, the conductivity-enhancing additive a3) is selected from metal particles, carbon black, graphite, graphene, carbon nanotubes (CNTs), carbon nanofibers, and mixtures thereof. Preferably, the conductivity-enhancing additive a3) comprises carbon black or consists of carbon black. The treatment of the fiber material with at least one conductivity-enhancing additive a3) can, for example, be carried out together with a polymer, such as, for example, polymer a1) and/or a2), and/or other additives. An aqueous dispersion is preferably used to treat the fiber material.

Bevorzugt beträgt der Massenanteil des leitfähigkeitsverbessernden Additivs a3) 0,5 bisPreferably, the mass fraction of the conductivity-improving additive a3) is 0.5 to

45 %, bevorzugt 1 bis 25 %, bezogen auf die Masse des Fasermaterials. In einer speziellen Ausführungsform umfasst das leitfähigkeitsverbessernde Additiv a3) Ruß oder besteht aus Ruß und beträgt der Massenanteil 0,5 bis 45 %, bevozugt 1 bis 25 %, bezogen auf die Masse des Fasermaterials. 45%, preferably 1 to 25%, based on the mass of the fiber material. In a specific embodiment, the conductivity-improving additive a3) comprises carbon black or consists of carbon black and the mass fraction is 0.5 to 45%, preferably 1 to 25%, based on the mass of the fiber material.

In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Fasermaterial, bezogen auf das Gesamtgewicht der Komponenten a1), a2) und a3), 10 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 20 bis 40 Gew.-%, mindestens eines fluorhaltigen Polymers a1), 0 bis 40 Gew.-% mindestens eines von a1) verschiedenen Polymers a2), und 20 bis 90 Gew.-%, vorzugsweise 50 bis 80 Gew.-%, mindestens eines leitfähigkeitsverbessernden Additivs a3), darauf aufgebracht und/oder darin eingebracht. Dabei beträgt das Gesamtgewicht der Komponenten a1), a2), sofern vorhanden, und a3) 3 bis 50 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 35 Gew.-%, insbesondere 10 bis 25 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Fasermaterials. In a preferred embodiment, the fiber material contains, based on the total weight of components a1), a2) and a3), 10 to 50 wt.%, preferably 20 to 40 wt.%, of at least one fluorine-containing polymer a1), 0 to 40 wt.% of at least one polymer a2 different from a1), and 20 to 90 wt.%, preferably 50 to 80 wt.%, of at least one conductivity-improving additive a3), applied thereto and/or incorporated therein. The total weight of components a1), a2), if present, and a3) is 3 to 50 wt.%, preferably 5 to 35 wt.%, in particular 10 to 25 wt.%, based on the total weight of the fiber material.

In einer Ausführungsform enthält das Fasermaterial ferner mindestens ein Additiv a4) darauf aufgebracht und/oder darin eingebracht, das zum Beispiel ausgewählt ist unter von Polymer a1) und Polymer a2) wie vorstehend definiert verschiedenen polymeren Bindemitteln a41) wie z. B. Furan-, Polyimidharze, oberflächenaktiven Substanzen a42) und weiteren Zusatz- und Hilfsstoffen a43). In one embodiment, the fiber material further comprises at least one additive a4) applied thereto and/or incorporated therein, which additive is selected, for example, from polymer binders a41) different from polymer a1) and polymer a2) as defined above, such as furan resins, polyimide resins, surface-active substances a42) and further additives and auxiliaries a43).

Die Ausrüstung des Fasermaterials mit mindestens einem weiteren Additiv a4) kann beispielsweise gemeinsam mit Polymer, wie Polymer a1) und/oder a2), und/oder weiteren Additiven erfolgen. Die Bindemittel a41) können gegebenenfalls anschließend gehärtet werden. Dies kann z.B. gemeinsam mit dem Trocknen und/oder Sintern im Anschluss an die Ausrüstung mit Polymer wie Polymer a1) und/oder a2) oder auch separat davon erfolgen. The fiber material can be treated with at least one further additive a4), for example, together with a polymer, such as polymer a1) and/or a2), and/or other additives. The binders a41) can optionally be subsequently cured. This can be done, for example, together with drying and/or sintering following treatment with a polymer, such as polymer a1) and/or a2), or separately.

Bevorzugt beträgt der Gesamtmassenanteil an weiteren Additiven a4) 0 bis 80 %, bevozugt 0 bis 50 %, bezogen auf die Masse des Fasermaterials. Sofern die Fasermaterialien zusätzlich mindestens ein weiteres Additiv a4) enthalten, beträgt der Gesamtmassenanteil an weiteren Additiven a4) 0,1 bis 80 %, bevozugt 0,5 bis 50 %, bezogen auf die Masse des Fasermaterials. The total mass fraction of further additives a4) is preferably 0 to 80%, preferably 0 to 50%, based on the mass of the fiber material. If the fiber materials additionally contain at least one further additive a4), the total mass fraction of further additives a4) is 0.1 to 80%, preferably 0.5 to 50%, based on the mass of the fiber material.

Speziell enthält das Fasermaterial von den fluorhaltigen Polymeren a1) und den Polymeren a2) verschiedene weitere Polymere a41) in einem Gewichtsanteil von höchstens 5 %, bevorzugt von höchstens 1 %, besonders bevorzugt von höchstens 0,5 %, insbesondere von höchstens 0,1 %, bezogen auf das Gesamtgewicht des Fasermaterials, darauf aufgebracht und/oder darin eingebracht. Noch spezieller enthält das Fasermaterial keine Zusätze von weiteren Polymeren a41), die von den fluorhaltigen Polymeren a1) und den Polymeren a2) verschieden sind. Dies gilt speziell für polymere Bindemittel a41), die unter den Herstellungsbedingungen des flächigen elektrisch leitfähigen Materials A) carbonisieren würden. Specifically, the fiber material contains various other polymers a41) in addition to the fluorine-containing polymers a1) and the polymers a2) in a weight proportion of at most 5%, preferably at most 1%, particularly preferably at most 0.5%, in particular at most 0.1%, based on the total weight of the fiber material, applied thereto and/or incorporated therein. More specifically, the fiber material contains no additives of further polymers a41) that are different from the fluorine-containing polymers a1) and the polymers a2). This applies especially to polymeric binders a41) that would carbonize under the manufacturing conditions of the sheet-like electrically conductive material A).

Das Fasermaterial kann durch übliche Verfahren mit den Polymerkomponenten wie Polymeren a1) und/oder a2) und gegebenenfalls weiteren Komponenten wie a3) und/oder a4) ausgerüstet werden. Geeignete Beschichtungs- und Imprägnierverfahren werden im Folgenden näher beschrieben. Das anschließende Trocknen und/oder Sintern, vorzugsweise Trocknen und Sintern, des beschichteten und/oder imprägnierten Fasermaterials zur Herstellung des erfindungsgemäßen flächigen elektrisch leitfähigen Materials A) wird ebenfalls im Folgenden näher beschrieben. Durch das Sintern wird die bindende Wirkung des Polymers erzielt. Der Sinterungsschritt kann auch ohne vorherigen Trocknungsschritt erfolgen. Vorzugsweise erfolgt jedoch ein vorheriger Trocknungsschritt, was eine gleichmäßigere Bindemittelverteilung im Sinterungsprodukt des flächigen elektrisch leitfähigen Materials A) fördert. The fiber material can be provided with the polymer components such as polymers a1) and/or a2) and optionally further components such as a3) and/or a4) by conventional methods. Suitable coating and impregnation methods are described in more detail below. The subsequent drying and/or sintering, preferably drying and sintering, of the coated and/or impregnated fiber material to produce the sheet-like electrically conductive material A) according to the invention is also described in more detail below. The binding effect of the polymer is achieved through sintering. The sintering step can also be carried out without a prior drying step. However, a prior drying step is preferably carried out, which promotes a more uniform binder distribution in the sintered product of the sheet-like electrically conductive material A).

Dementsprechend betrifft die vorliegende Anmeldung auch eine erfindungsgemäße Gasdiffusionslage wie vorstehend definiert, wobei das flächige elektrisch leitfähige Material A) erhältlich ist durch Beschichten und/oder Imprägnieren des Fasermaterials mit einer vorzugsweise wässrigen Zusammensetzung, die mindestens ein Polymer und gegebenenfalls weitere Komponenten enthält, und anschließendes Trocknen und/oder Sintern, vorzugsweise Trocknen und Sintern, des beschichteten und/oder imprägnierten Fasermaterials, wobei die Sinterung durch thermische Behandlung bei einer Temperatur von 250 °C bis 500 °C, vorzugsweise 300 °C bis 450 °C, und insbesondere 350 °C bis 450 °C erfolgt. Vorzugsweise umfasst die Gasdiffusionslage dementsprechend ein durch Trocknen des beschichteten und/oder imprägnierten Fasermaterials sich ergebendes flächiges elektrisch leitfähiges Materials A). Ebenso vorzugsweise umfasst die Gasdiffusionslage ein durch thermische Behandlung bei einer Temperatur von 250 °C bis 500 °C, vorzugsweise 300 °C bis 450 °C, und insbesondere 350 °C bis 450 °C, erhaltenes Sinterungsprodukt des flächigen elektrisch leitfähigen Materials A). Das Ausrüstungsgewicht der vorzugsweise wässrigen Zusammensetzung, d.h. dessen eingesetzte Masse an Feststoff bezogen auf die Masse des nicht ausgerüsteten Fasermaterials, beträgt typischerweise 5 bis 25 %, vorzugsweise 10 bis 20 %, wie zum Beispiel etwa 15 %. Accordingly, the present application also relates to a gas diffusion layer according to the invention as defined above, wherein the sheet-like electrically conductive material A) is obtainable by coating and/or impregnating the fiber material with a preferably aqueous composition containing at least one polymer and optionally further components, and subsequently drying and/or sintering, preferably drying and sintering, the coated and/or impregnated fiber material, wherein the sintering is carried out by thermal treatment at a temperature of 250 °C to 500 °C, preferably 300 °C to 450 °C, and in particular 350 °C to 450 °C. Accordingly, the gas diffusion layer preferably comprises a sheet-like electrically conductive material A) resulting from drying the coated and/or impregnated fiber material. Likewise preferably, the gas diffusion layer comprises a material obtained by thermal treatment at a temperature of 250 °C to 500 °C, preferably 300 °C to 450 °C, and in particular 350 °C to 450 °C. Sintered product of the sheet-like electrically conductive material A). The finishing weight of the preferably aqueous composition, ie its mass of solids used relative to the mass of the unfinished fiber material, is typically 5 to 25%, preferably 10 to 20%, such as about 15%.

Verfahren zur Herstellung des flächigen elektrisch leitfähigen Materials A) Process for producing the flat electrically conductive material A)

Im ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird wenigstens ein Fasermaterial bereitstellt, das Fasermaterial Kohlefaser-Vliesstoff umfasst. Vorzugsweise besteht das Fasermaterial aus Kohlefaser-Vliesstoff. In einer alternativen Ausführungsform ist das Fasermaterial Kohlefaser-Vliesstoff in Kombination mit Kohlefaser-Gewebe oder Kohlefaser-Papier. Bezüglich geeigneter und bevorzugter Fasermaterialien wird auf die zuvor gemachten Ausführungen in vollem Umfang Bezug genommen. In the first step of the method according to the invention, at least one fiber material is provided, which comprises a carbon fiber nonwoven fabric. Preferably, the fiber material consists of a carbon fiber nonwoven fabric. In an alternative embodiment, the fiber material is a carbon fiber nonwoven fabric in combination with a carbon fiber fabric or carbon fiber paper. Regarding suitable and preferred fiber materials, reference is made in full to the above statements.

Das im ersten Schritt bereitgestellte Fasermaterial wird im zweiten Schritt mit einer vorzugsweise wässrigen Zusammensetzung beschichtet und/oder imprägniert, die Polymer wie mindestens ein fluorhaltiges Polymer a1) und/oder mindestens ein von a1) verschiedenes Polymer a2) wie jeweils vorstehend definiert, und gegebenenfalls weitere Additive enthält. Die vorzugsweise wässrige Zusammensetzung kann als Dispersion oder Lösung vorliegen. Typischerweise liegt sie als wässrige Dispersion vor. The fiber material provided in the first step is coated and/or impregnated in the second step with a preferably aqueous composition containing a polymer such as at least one fluorine-containing polymer a1) and/or at least one polymer a2) different from a1), as defined above, and optionally further additives. The preferably aqueous composition can be in the form of a dispersion or a solution. Typically, it is in the form of an aqueous dispersion.

Die Ausrüstung der Fasermaterialien durch Beschichten und/oder Imprägnieren erfolgt nach üblichen, dem Fachmann bekannten Aufbringmethoden. Vorzugsweise wird zum Beschichten und/oder Imprägnieren der Fasermaterialien ein Verfahren eingesetzt, das ausgewählt ist unter Foulardieren, Rakeln, Sprühen, Pflatschen und Kombinationen davon. The finishing of the fiber materials by coating and/or impregnation is carried out using conventional application methods known to those skilled in the art. Preferably, a method selected from among padding, doctor blade coating, spraying, splattering, and combinations thereof is used for coating and/or impregnating the fiber materials.

Beim Foulardverfahren wird das Fasermaterial durch ein Foulard (Tauchbecken) mit der Additiv-haltigen Lösung oder Dispersion geführt und anschließend über ein druck- und ggf. spalteinstellbares Walzenpaar auf die gewünschte Auftragsmenge an Additiv abgequetscht. Beim Rakelverfahren wird zwischen Tiefdruck und Siebdruck unterschieden. Beim Tiefdruck wird als Rakel beispielsweise ein messerartig geschliffenes Stahlband mit oder ohne Stützrakel eingesetzt. Sie dient dazu, die überschüssige Additiv-haltige Lösung oder Dispersion von den Stegen des Druckzylinders abzustreifen (Abrakeln). Beim Siebdruck besteht die Rakel hingegen in der Regel aus Gummi oder Kunststoff mit einer scharf- oder rundgeschliffenen Kante. In the padding process, the fiber material is passed through a padding tank containing the additive-containing solution or dispersion and then squeezed out to the desired application quantity of additive using a pair of rollers with adjustable pressure and, if necessary, gap. In the squeegee process, a distinction is made between gravure and screen printing. In gravure printing, the squeegee used is a knife-like steel belt, with or without a support blade. It serves to wipe off excess additive-containing solution or dispersion from the webs of the printing cylinder (scraping). In screen printing, however, the squeegee is usually made of rubber or plastic with a sharp or rounded edge.

Beim Sprühauftrag wird die Additiv-haltige Lösung oder Dispersion mittels einer Schlitzdüse auf das auszurüstende Fasermaterial aufgetragen. During spray application, the additive-containing solution or dispersion is applied to the fiber material to be finished using a slotted nozzle.

Das Pflatschverfahren (Kiss-Roll) dient zur Beschichtung der Materialunterseite horizontal verlaufender Bahnen. Das Beschich-tungsmedium kann gegenläufig oder mitläufig auf die Warenbahn aufgebracht werden. Mittels Übertragungswalzen kann eine indirekte Beschichtung mit geringen Auftrags-mengen realisiert werden. The kiss-roll coating process is used to coat the underside of horizontally running webs. The coating medium can be applied to the web in either a counter- or co-rotating direction. Transfer rollers allow for indirect coating with small application quantities.

In einer besonderen Ausführungsform wird das Foulardverfahren zum Ausrüsten der erfindungsgemäßen Reinigungsartikel verwendet. In a particular embodiment, the padding process is used to finish the cleaning articles according to the invention.

Im dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das beschichte und/oder imprägnierte Fasermaterial einer Trocknung und/oder Sinterung, vorzugsweise Trocknung und Sinterung, unterzogen, so dass sich das flächige elektrisch leitfähige Material A) ergibt. Geeignete Verfahren zur Trocknung von mit Additiv-haltigen Lösungen oder Dispersionen beschichteten und/oder imprägnierten Fasermaterialien wie Vliesstoffen oder Geweben sind prinzipiell bekannt. Nach dem Aufträgen kann beispielsweise wenigstens ein Teil des Lösungsmittels, speziell des Wassers, aus dem Fasermaterial abgesaugt werden, indem dieses z.B. über eine Absaugöffnung geführt wird, von der die Flüssigkeit mittels anliegendem Unterdrück abgeführt wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Fasermaterial bei erhöhter Temperatur getrocknet werden. Zusätzlich kann die Trocknung bei einem verringerten Druck erfolgen. Bevorzugt erfolgt die Trocknung des Fasermaterials bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 250 °C, besonders bevorzugt 40 bis 200 °C. In the third step of the process according to the invention, the coated and/or impregnated fiber material is subjected to drying and/or sintering, preferably drying and sintering, to produce the flat, electrically conductive material A). Suitable processes for drying fiber materials coated and/or impregnated with additive-containing solutions or dispersions, such as nonwovens or woven fabrics, are known in principle. After application, for example, at least a portion of the solvent, especially the water, can be suctioned out of the fiber material, e.g., by passing it through a suction opening from which the liquid is removed by means of applied negative pressure. Alternatively or additionally, the fiber material can be dried at elevated temperature. In addition, drying can take place at reduced pressure. The fiber material is preferably dried at a temperature in the range of 20 to 250°C, particularly preferably 40 to 200°C.

Zusätzlich, d.h. nach, oder alternativ zur Trocknung kann das beschichte und/oder imprägnierte Fasermaterial im dritten Schritt einer Sinterung unterzogen werden. Die Sinterung erfolgt vorzugsweise durch thermische Behandlung bei einer Temperatur von von 250 °C bis 500 °C, vorzugsweise 300 °C bis 450 °C, und insbesondere 350 °C bis 450 °C. In addition, i.e. after, or alternatively to drying, the coated and/or impregnated fiber material can be subjected to sintering in the third step. Sintering is preferably carried out by thermal treatment at a temperature of 250 °C to 500 °C, preferably 300 °C to 450 °C, and in particular 350 °C to 450 °C.

Mikroporöse Lage B): Microporous layer B):

Die erfindungsgemäße mikroporöse Lage (MPL) enthält leitfähige Kohlenstoffpartikel in einer Matrix aus einem polymeren Bindemittel, wobei die leitfähigen Kohlenstoffpartikel zur Verringerung des Kontaktwiderstands wie vorstehend beschrieben Ruß und Graphit umfassen, wobei der Graphitanteil, bezogen auf das Gesamtgewicht von in der mikroporösen Lage enthaltenem Ruß und Graphit, mindestens 50 Gew.-% beträgt. Sie ist auf mindestens einer der Flächen des flächigen elektrisch leitfähigen Materials A) aufgebracht, das heißt mindestens einseitig darauf aufgebracht. In einer bevorzugten Ausführungsform ist sie lediglich einseitig auf dem flächigen elektrisch leitfähigen Material A) aufgebracht. In einer alternativen Ausführungsform ist sie beidseitig auf dem flächigen elektrisch leitfähigen Material A) aufgebracht. Es kann auch eine erfindungsgemäße MPL einseitig auf dem flächigen elektrisch leitfähigen Material A) aufgebracht sein und eine nicht erfindungsgemäße MPL auf der anderen Seite des flächigen elektrisch leitfähigen Materials A) aufgebracht sein. Die nicht erfindungsgemäße MPL enthält ebenfalls leitfähige Partikel, typischerweise leitfähige Kohlenstoffpartikel, vorzugsweise Ruß und/oder Graphit, in einer Matrix aus einem polymeren Bindemittel wie vorzugsweise die zuvor genannten fluorhaltigen Polymere, speziell Polytetrafluorethylen (PTFE). Üblichwerweise ist lediglich auf einer Seite des flächigen elektrisch leitfähigen Materials A) eine MPL aufgebracht, da dadurch innerhalb der sich ergebenden GDL ein Porositätsgradient vorliegt. Dies erleichtert sowohl die feinteilige Versorgung der Katalysatorschicht mit den Brenngasen, als auch den Abtransport des Verbrennungsgases (in Form von Wasser). The microporous layer (MPL) according to the invention contains conductive carbon particles in a matrix of a polymeric binder, wherein the conductive carbon particles comprise carbon black and graphite to reduce contact resistance as described above, wherein the graphite content, based on the total weight of carbon black and graphite contained in the microporous layer, is at least 50 wt. %. It is applied to at least one of the surfaces of the sheet-like electrically conductive material A), i.e., applied thereto on at least one side. In a preferred embodiment, it is applied to only one side of the sheet-like electrically conductive material A). In an alternative embodiment, it is applied to both sides of the sheet-like electrically conductive material A). An MPL according to the invention can also be applied to one side of the sheet-like electrically conductive material A) and an MPL not according to the invention can be applied to the other side of the sheet-like electrically conductive material A). The MPL not according to the invention also contains conductive particles, typically conductive carbon particles, preferably carbon black and/or graphite, in a matrix of a polymeric binder, such as preferably the aforementioned fluorine-containing polymers, especially polytetrafluoroethylene (PTFE). Typically, an MPL is applied only to one side of the sheet-like electrically conductive material A), as this creates a porosity gradient within the resulting GDL. This facilitates both the finely divided supply of the combustion gases to the catalyst layer and the removal of the combustion gas (in the form of water).

In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann außerdem auf mindestens einer Seite des flächigen elektrisch leitfähigen Materials A) eine erfindungsgemäße MPL mit einer nicht erfindungsgemäßen MPL kombiniert werden. Die erfindungsgemäße mikroporöse Lage kann weitere leitfähige Partikel enthalten, vorzugsweise weitere Kohlenstoffpartikel wie insbesondere Graphen, Kohlenstoffnanoröhren (CNT), Kohlenstoffnanofasern oder Mischungen davon. In a further alternative embodiment, an MPL according to the invention can also be combined with an MPL not according to the invention on at least one side of the sheet-like electrically conductive material A). The microporous layer according to the invention may contain further conductive particles, preferably further carbon particles such as in particular graphene, carbon nanotubes (CNT), carbon nanofibers or mixtures thereof.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen MPL beträgt das Gesamtgewicht von in der MPL enthaltenem Ruß und Graphit, bezogen auf das Gesamtgewicht der in der mikroporösen Lage enthaltenen leitfähigen Kohlenstoffpartikeln, mindestens 50 %, bevorzugt mindestens 90 %, bevorzugter mindestens 95 % und insbesondere 100 %. In a preferred embodiment of the MPL according to the invention, the total weight of carbon black and graphite contained in the MPL, based on the total weight of the conductive carbon particles contained in the microporous layer, is at least 50%, preferably at least 90%, more preferably at least 95% and in particular 100%.

Das polymere Bindemittel der MPL umfasst vorzugsweise mindestens ein fluorhaltiges Polymer. Das fluorhaltiges Polymer ist vorzugsweise ausgewählt unter Polytetrafluorethylenen, Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymeren, Perfluoralkoxy-Polymeren und Mischungen davon. Bevorzugt wird ein Polytetrafluorethylen (PTFE) eingesetzt. The polymeric binder of the MPL preferably comprises at least one fluorine-containing polymer. The fluorine-containing polymer is preferably selected from polytetrafluoroethylenes, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymers, perfluoroalkoxy polymers, and mixtures thereof. Polytetrafluoroethylene (PTFE) is preferably used.

In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Graphitanteil der mikroporösen Lage, bezogen auf das Gesamtgewicht von in der mikroporösen Lage enthaltenem Ruß und Graphit, 50 bis 90 Gew.-%, bevorzugter 60 bis 85 Gew.-%, und insbesondere 65 bis 80 Gew.-%, wie zum Beispiel 70 bis 75 Gew.-%. Mit zunehmendem Graphitanteil der MPL lässt sich der wie vorstehend beschriebene Kontaktwiderstand an der Grenzfläche zwischen der MPL der Gasdiffusionslage und der auf der Polymer-Elektrolyt-Membran aufgebrachten Katalysatorschicht weiter verringern. Bei sehr hohen Graphitanteilen in der MPL verschlechtern sich allerdings typischerweise deren thermische und elektrische Leitfähigkeit sowie die Luftdurchlässigkeit der GDL nach Gurley. In a preferred embodiment, the graphite content of the microporous layer, based on the total weight of carbon black and graphite contained in the microporous layer, is 50 to 90 wt. %, more preferably 60 to 85 wt. %, and in particular 65 to 80 wt. %, such as 70 to 75 wt. With increasing graphite content of the MPL, the contact resistance at the interface between the MPL of the gas diffusion layer and the catalyst layer applied to the polymer electrolyte membrane can be further reduced, as described above. However, at very high graphite contents in the MPL, its thermal and electrical conductivity as well as the air permeability of the GDL according to Gurley typically deteriorate.

Vorzugsweise ist in der mikroporösen Lage Ruß in einem Anteil von 10 bis 45 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 40 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der mikroporösen Lage, enthalten. Vorzugsweise ist in der mikroporösen Lage Graphit in einem Anteil von 30 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise 40 bis 70 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der mikroporösen Lage, enthalten. Vorzugsweise sind in der mikroporösen Lage Ruß in einem Anteil von 10 bis 45 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 40 Gew.-% und Graphit in einem Anteil von 30 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise 40 bis 70 Gew.-%, enthalten, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der mikroporösen Lage. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in der mikroporösen Lage das polymere Bindemittel in einem Anteil von 5 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 30 Gew.- %, insbesondere 20 bis 25 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der mikroporösen Lage, enthalten. In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform ist in der mikroporösen Lage Ruß und Graphit zusammengenommen in einem Anteil von 40 bis 95 Gew.-%, vorzugsweise 60 bis 90 Gew.-%, insbesondere 70 bis 80 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der mikroporösen Lage, enthalten. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind in der mikroporösen Lage das polymere Bindemittel in einem Anteil von 5 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 30 Gew.-% und insbesondere 20 bis 25 Gew.- % enthalten, sowie Ruß und Graphit zusammengenommen in einem Anteil von 40 bis 95 Gew.-%, vorzugsweise 60 bis 90 Gew.-% und insbesondere 70 bis 80 Gew.-% enthalten, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der mikroporösen Lage. The microporous layer preferably contains carbon black in a proportion of 10 to 45 wt.%, preferably 15 to 40 wt.%, based on the total weight of the microporous layer. The microporous layer preferably contains graphite in a proportion of 30 to 80 wt.%, preferably 40 to 70 wt.%, based on the total weight of the microporous layer. The microporous layer preferably contains carbon black in a proportion of 10 to 45 wt.%, preferably 15 to 40 wt.%, and graphite in a proportion of 30 to 80 wt.%, preferably 40 to 70 wt.%, based on the total weight of the microporous layer. In a further preferred embodiment, the polymeric binder is present in the microporous layer in a proportion of 5 to 50 wt.%, preferably 15 to 30 wt.%, in particular 20 to 25 wt.%, based on the total weight of the microporous layer. In a further preferred embodiment, the microporous layer contains carbon black and graphite together in a proportion of 40 to 95 wt.%, preferably 60 to 90 wt.%, in particular 70 to 80 wt.%, based on the total weight of the microporous layer. In a further preferred embodiment, the microporous layer contains the polymeric binder in a proportion of 5 to 50 wt.%, preferably 15 to 30 wt.% and in particular 20 to 25 wt.%, and carbon black and graphite together in a proportion of 40 to 95 wt.%, preferably 60 to 90 wt.% and in particular 70 to 80 wt.%, in each case based on the total weight of the microporous layer.

In einer speziellen Ausführung enthält die MPL mindestens einen Porenbildner. Geeignete Porenbildner sind kommerziell erhältliche Kunststoff parti kel, z. B. aus Polymethylmethacrylat (PMMA). Eine geeignete Teilchengröße liegt im Bereich von 10 bis 100 pm. In a special version, the MPL contains at least one pore-forming agent. Suitable pore-forming agents are commercially available plastic particles, e.g., made of polymethyl methacrylate (PMMA). A suitable particle size ranges from 10 to 100 pm.

Die Beladung der mikroporösen Lage beträgt vorzugsweise 10 bis 50 g/m2, bevorzugter 10 bis 30 g/m2 und insbesondere 15 bis 25 g/m2. The loading of the microporous layer is preferably 10 to 50 g/m 2 , more preferably 10 to 30 g/m 2 and especially 15 to 25 g/m 2 .

Dementsprechend weist die mikroporöse Lage B) vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 5 bis 150 pm, besonders bevorzugt von 10 bis 100 pm auf. Diese Dicke bezieht sich auf den unkomprimierten Zustand der mikroporösen Lage B), d. h. vor dem Einbau der GDL in eine Brennstoffzelle. Accordingly, the microporous layer B) preferably has a thickness in the range of 5 to 150 pm, particularly preferably 10 to 100 pm. This thickness refers to the uncompressed state of the microporous layer B), i.e., before the GDL is incorporated into a fuel cell.

Im Gegensatz zum makroporösen flächigen elektrisch leitfähigen Material A) ist die MPL B) mikroporös mit Porendurchmessern, die in der Regel deutlich unter fünf Mikrometern liegen, bevorzugt von höchstens 900 nm, besonders bevorzugt von höchstens 500 nm, insbesondere von höchstens 300 nm. Die Bestimmung der Porengrößenverteilung kann mittels Quecksilberporosimetrie erfolgen, wie dies in der DIN ISO 15901-1:2019-03: Quecksilberporosimetrie beschrieben ist. Der Porendurchmesser kann eine bimodale oder polymodale Verteilungskurve aufweisen. So kann beim Einsatz einer Mischung aus Ruß und Graphit eine Verteilung des Porendurchmessers mit mehreren Porenpeaks erhalten werden. In contrast to the macroporous sheet-like electrically conductive material A), the MPL B) is microporous with pore diameters that are generally well below five micrometers, preferably of at most 900 nm, particularly preferably of at most 500 nm, in particular of at most 300 nm. The pore size distribution can be determined using mercury porosimetry, as described in DIN ISO 15901-1:2019-03: Mercury porosimetry. The pore diameter can exhibit a bimodal or polymodal distribution curve. For example, when using a mixture of carbon black and graphite, a pore diameter distribution with multiple pore peaks can be obtained.

Das Vorhandensein der MPL hat einen großen Einfluss auf den Wasserhaushalt der Brennstoffzelle. Aufgrund des hohen Anteils an polymerem Bindemittel wie PTFE und der kleineren Poren der MPL wird die Flutung der GDL und der Elektrode erschwert, indem die MPL als Flüssigwasserbarriere fungiert und somit den Massentransport der gasförmigen Reaktanden an den Katalysator begünstigt. The presence of MPL has a significant impact on the water balance of the fuel cell. Due to the high proportion of polymeric binders such as PTFE and the smaller pores of MPL, flooding of the GDL and the electrode is made more difficult by the MPL acting as a liquid water barrier, thus favoring the mass transport of gaseous reactants to the catalyst.

Die mikroporöse Lage weist vorzugsweise einen Mittenrauwert Ra von höchstens 10 pm, bevorzugter höchstens 5 pm, bestimmt nach DIN 4768-1:1974-08, auf. The microporous layer preferably has a mean roughness value R a of at most 10 pm, more preferably at most 5 pm, determined according to DIN 4768-1:1974-08.

Zudem weist die mikroporöse Lage vorzugsweise eine gemittelte Rautiefe Rz von höchstens 60 pm, bevorzugter höchstens 30 pm, bestimmt nach DIN 4768-1:1974-08, auf. In addition, the microporous layer preferably has an average roughness depth R z of at most 60 pm, more preferably at most 30 pm, determined according to DIN 4768-1:1974-08.

Verfahren zur der Procedure for the

Erfindungsgemäß wird zur Herstellung der mikroporösen Lage B) typischerweise das flächige elektrisch leitfähige Material A) mit einer vorzugsweise wässrigen Zusammensetzung beschichtet, die die leitfähigen Kohlenstoffpartikel und das polymere Bindemittel enthält, und das beschichtete Material A) anschließend getrocknet und/oder gesintert, vorzugsweise getrocknet und gesintert. According to the invention, to produce the microporous layer B), the sheet-like electrically conductive material A) is typically coated with a preferably aqueous composition containing the conductive carbon particles and the polymeric binder, and the coated material A) is then dried and/or sintered, preferably dried and sintered.

Das Aufträgen der MPL B) auf das flächige elektrisch leitfähige Material A) kann auf verschiedene Arten erfolgen. Während in einer diskontinuierlichen Herstellung häufig Sprüh-, Siebdruck- oder Meyer-Rod-Verfahren eingesetzt werden, kommen bei der kontinuierlichen Beschichtung bevorzugt Rakel-, Schlitzdüsen- und Walzenprozesse zum Einsatz. The application of the MPL B) to the flat electrically conductive material A) can be accomplished in various ways. While spray, screen printing, or Meyer rod processes are often used in discontinuous production, doctor blade, slot die, and roller processes are preferred for continuous coating.

Geeignete Verfahren zur Trocknung sind prinzipiell bekannt. Beispielsweise kann bei erhöhter Temperatur getrocknet werden. Zusätzlich kann die Trocknung bei einem verringerten Druck erfolgen. Bevorzugt erfolgt die Trocknung bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 250 °C, besonders bevorzugt 40 bis 200 °C wie 100 bis 200 °C. Die Sinterung erfolgt durch thermische Behandlung bei einer Temperatur von 250 °C bis 500 °C, vorzugsweise 300 °C bis 450 °C, und insbesondere 350 °C bis 450 °C. Durch das Sintern wird die bindende Wirkung des Polymers erzielt. Der Sinterungsschritt kann auch ohne vorherigen Trocknungsschritt erfolgen. Vorzugsweise erfolgt jedoch ein vorheriger Trocknungsschritt, was eine gleichmäßigere Bindemittelverteilung im Sinterungsprodukt der MPL B) fördert. Suitable drying methods are known in principle. For example, drying can be carried out at elevated temperatures. Drying can also be carried out at reduced pressure. Drying is preferably carried out at a temperature in the range of 20 to 250 °C, particularly preferably 40 to 200 °C, such as 100 to 200 °C. Sintering is carried out by thermal treatment at a temperature of 250°C to 500°C, preferably 300°C to 450°C, and especially 350°C to 450°C. The binding effect of the polymer is achieved through sintering. The sintering step can also be performed without a prior drying step. However, a prior drying step is preferably performed, which promotes a more uniform binder distribution in the sintered product of the MPL B).

Dementsprechend betrifft die vorliegende Anmeldung auch eine erfindungsgemäße Gasdiffusionslage wie vorstehend definiert, wobei die mikroporöse Lage B) erhältlich ist durch Beschichten des flächigen elektrisch leitfähigen Materials A) mit einer vorzugsweise wässrigen Zusammensetzung, die die leitfähigen Kohlenstoffpartikel und das polymere Bindemittel enthält, und anschließendes Trocknen und/oder Sintern des beschichteten Materials A), wobei das Sintern durch thermische Behandlung bei einer Temperatur von 250 °C bis 500 °C, vorzugsweise 300 °C bis 450 °C, und insbesondere 350 °C bis 450 °C erfolgt. Accordingly, the present application also relates to a gas diffusion layer according to the invention as defined above, wherein the microporous layer B) is obtainable by coating the sheet-like electrically conductive material A) with a preferably aqueous composition containing the conductive carbon particles and the polymeric binder, and subsequently drying and/or sintering the coated material A), wherein the sintering is carried out by thermal treatment at a temperature of 250 °C to 500 °C, preferably 300 °C to 450 °C, and in particular 350 °C to 450 °C.

Die Partikeldurchmesserwerte D10, D50 und D90 für Graphit und Ruß können nach der ISO 13320:2020-01 (Partikelgrößenanalyse - Laserbeugungsverfahren) bestimmt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Graphit einen Partikeldurchmesserwert D10 von typischerweise 0,5 bis 15 pm, vorzugsweise 1 bis 10 pm, insbesondere 3 bis 7 pm, bestimmt mittels statischer Lichtstreuung bei 25 °C unter Verwendung eines Mastersizer 2000-Geräts von Malvern Instruments, auf. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Graphit einen Partikeldurchmesserwert D50 von typischerweise 1 bis 50 pm, vorzugsweise 2 bis 30 pm, insbesondere 10 bis 25 pm, bestimmt mittels statischer Lichtstreuung bei 25 °C unter Verwendung eines Mastersizer 2000-Geräts von Malvern Instruments, auf. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Graphit einen Partikeldurchmesserwert D90 von typischerweise 2 bis 100 pm, vorzugsweise 5 bis 70 pm, insbesondere 30 bis 60 pm auf, bestimmt mittels statischer Lichtstreuung bei 25 °C unter Verwendung eines Mastersizer 2000-Geräts von Malvern Instruments, auf. Die Bestimmung des Partikeldurchmesserwerts mittels statischer Lichtstreuung bei 25 °C unter Verwendung eines Mastersizer 2000-Geräts von Malvern Instruments erfolgt als Nassmessung, typischerweise unter Zugabe von destilliertem Wasser. Der D10-, D50- bzw. D90-Wert der integralen Volumenverteilung wird in der vorliegenden Anmeldung als der Partikeldurchmesser definiert, bei dem 10, 50 bzw. 90 Volumenprozent der Partikel einen kleineren Durchmesser aufweisen als der Durchmesser, der dem D10-, D50- bzw. D90- Wert entspricht. The particle diameter values D10, D50, and D90 for graphite and carbon black can be determined according to ISO 13320:2020-01 (Particle size analysis - Laser diffraction method). In a preferred embodiment, the graphite has a particle diameter value D10 of typically 0.5 to 15 pm, preferably 1 to 10 pm, in particular 3 to 7 pm, determined by static light scattering at 25°C using a Mastersizer 2000 instrument from Malvern Instruments. In a further preferred embodiment, the graphite has a particle diameter value D50 of typically 1 to 50 pm, preferably 2 to 30 pm, in particular 10 to 25 pm, determined by static light scattering at 25°C using a Mastersizer 2000 instrument from Malvern Instruments. In a further preferred embodiment, the graphite has a particle diameter value D90 of typically 2 to 100 pm, preferably 5 to 70 pm, in particular 30 to 60 pm, determined by static light scattering at 25 °C using a Mastersizer 2000 device from Malvern Instruments. The determination of the particle diameter value by static light scattering at 25 °C using a Mastersizer 2000 device from Malvern Instruments is carried out as a wet measurement, typically with the addition of distilled water. The D10, D50 or D90 value of the The integral volume distribution is defined in the present application as the particle diameter at which 10, 50 or 90 volume percent of the particles have a smaller diameter than the diameter corresponding to the D10, D50 or D90 value, respectively.

Bevorzugt weist das Graphit eine BET-Oberfläche, bestimmt nach der ISO 9277:2010 im Bereich von 0,5 bis 50 m2/g, bevorzugt von 1,0 bis 25 m2/g, auf. The graphite preferably has a BET surface area, determined according to ISO 9277:2010, in the range from 0.5 to 50 m 2 /g, preferably from 1.0 to 25 m 2 /g.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Ruß einen Partikeldurchmesserwert D10 von typischerweise 5 bis 50 nm, vorzugsweise 10 bis 30 nm, bestimmt mittels statischer Lichtstreuung bei 25 °C unter Verwendung eines Mastersizer 2000-Geräts von Malvern Instruments, auf. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Ruß einen Partikeldurchmesserwert D50 von typischerweise 20 bis 200 nm, vorzugsweise 50 bis 150 nm, bestimmt mittels statischer Lichtstreuung bei 25 °C unter Verwendung eines Mastersizer 2000-Geräts von Malvern Instruments, auf. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Ruß einen Partikeldurchmesserwert D90 von typischerweise 40 bis 500 nm, vorzugsweise 80 bis 300 nm, bestimmt mittels statischer Lichtstreuung bei 25 °C unter Verwendung eines Mastersizer 2000- Geräts von Malvern Instruments, auf. Die Bestimmung des Partikeldurchmesserwerts mittels statischer Lichtstreuung bei 25 °C unter Verwendung eines Mastersizer 2000- Geräts von Malvern Instruments erfolgt als Nassmessung, typischerwesie unter Zugabe von destilliertem Wasser. In a further preferred embodiment, the carbon black has a particle diameter value D10 of typically 5 to 50 nm, preferably 10 to 30 nm, determined by static light scattering at 25°C using a Mastersizer 2000 from Malvern Instruments. In a further preferred embodiment, the carbon black has a particle diameter value D50 of typically 20 to 200 nm, preferably 50 to 150 nm, determined by static light scattering at 25°C using a Mastersizer 2000 from Malvern Instruments. In a further preferred embodiment, the carbon black has a particle diameter value D90 of typically 40 to 500 nm, preferably 80 to 300 nm, determined by static light scattering at 25°C using a Mastersizer 2000 from Malvern Instruments. The determination of the particle diameter value by static light scattering at 25 °C using a Mastersizer 2000 instrument from Malvern Instruments is carried out as a wet measurement, typically with the addition of distilled water.

Bevorzugt weist der Ruß eine BET-Oberfläche, bestimmt nach der ISO 9277:2010 im Bereich von 10 bis 600 m2/g, bevorzugt von 20 bis 400 m2/g, auf. The carbon black preferably has a BET surface area, determined according to ISO 9277:2010, in the range from 10 to 600 m 2 /g, preferably from 20 to 400 m 2 /g.

Erfindungsgemäß kann als Ruß ein einziger Rußtyp oder eine Kombination mit mindestens einem anderen Ruß eingesetzt werden. Dementsprechend kann die Partikelgrößenverteilung des Rußes in der vorzugswesie wässrigen Zusammensetzung monomodal oder multimodal wie bimodal sein. Ebenso kann als Graphit ein einziger Graphittyp oder eine Kombination mit mindestens einem anderen Graphit eingesetzt werden. Dementsprechend kann die Partikelgrößenverteilung des Graphits in der vorzugswesie wässrigen Zusammensetzung monomodal oder multimodal wie bimodal sein. Dementsprechend ist die erfindungsgemäße mikroporöse Lage B) bevorzugt erhältlich aus einer vorzugsweise wässrigen Zusammensetzung, deren Graphit und/oder Ruß solche Partikeldurchmesser aufweist. According to the invention, a single type of carbon black or a combination with at least one other carbon black can be used as carbon black. Accordingly, the particle size distribution of the carbon black in the preferably aqueous composition can be monomodal or multimodal, such as bimodal. Likewise, a single type of graphite or a combination with at least one other graphite can be used as graphite. Accordingly, the particle size distribution of the graphite in the preferably aqueous composition can be monomodal or multimodal, such as bimodal. Accordingly, the microporous layer B) according to the invention is preferably obtainable from a preferably aqueous composition whose graphite and/or carbon black has such particle diameters.

Eigenschaften der Gasdiffusionslage Properties of the gas diffusion layer

Die erfindungsgemäße Gasdiffusionslage weist vorzugsweise eine Dicke bei einer Druckkraft von 0,025 MPa im Bereich von 100 bis 300 pm, bevorzugter von 130 bis 250 pm, und insbesondere 150 bis 200 pm auf. The gas diffusion layer according to the invention preferably has a thickness at a compressive force of 0.025 MPa in the range of 100 to 300 pm, more preferably 130 to 250 pm, and in particular 150 to 200 pm.

Wie bereits vorstehend erwähnt, sind erfindungsgemäß hohe Compression Set-Werte im Hinblick auf die Verringerung des Kontaktwiderstands an der Grenzfläche der GDL vorteilhaft. As already mentioned above, according to the invention, high compression set values are advantageous with regard to reducing the contact resistance at the interface of the GDL.

Von einer plastischen Verformung spricht man, wenn ein Material, wie eine Gasdiffusionslage, nach einer Belastung nicht wieder zu 100% in die ursprüngliche Form zurückkehrt, sondern eine permanente Formänderung zurückbleibt. Ein Teil der Verformung ist elastisch und somit reversibel, nur ein bestimmter Teil ist plastisch und bleibt dauerhaft bestehen. Die Eigenschaft eines Materials, seine Form permanent zu ändern, wenn eine Spannung angelegt wird, d.h. seine Verformbarkeit, wird auch mit dem Begriff "Setzen" bezeichnet. Materialien, die über eine geringe plastische Verformbarkeit verfügen, weisen ein geringes Setzverhalten auf. Der Compression Set-Wert ist ein Maß dafür, wie sich ein Material, vorliegend eine GDL, bei einer Druckverformung und anschließender Entspannung verhält. GDLs werden beim Einsatz in Brennstoffzellen in der Regel stark verpresst (komprimiert). Zur Charakterisierung der Eigenschaften einer GDL infolge der Kompression kann der Anteil der elastischen und plastischen Verformung herangezogen werden. Der Compression Set ist die bleibende Verformung, die nach Aufhebung der einwirkenden Kraft verbleibt. Gasdiffusionslagen mit einem geringen Setzverhalten zeichnen sich durch geringe Compression Set-Werte aus. Die Bestimmung des Compression Set-Werts kann in der Art und Weise erfolgen wie nachstehend im Detail unter den Testmethoden beschrieben. Es ist möglich, gleichzeitig die Werte weiterer physikalischer Größen, wie der Dicke, der Gasdurchlässigkeit und des elektrischen Widerstands, jeweils bei einer bestimmten Druckkraft und nach einmaliger oder mehrfacher Krafteinwirkung zu bestimmen. Vorzugsweise weist die Gasdiffusionslage einen Compression Set-Wert bei 1,0 MPa von mindestens 4,0 pm, vorzugsweise mindestens 5,0 pm, bevorzugter mindestens 7,0 pm und insbesondere mindestens 10,0 pm, wie zum Beispiel mindestens 20 pm, bestimmt an einer ringförmigen Probe mit einem inneren Durchmesser von 45 mm und einem äußeren Durchmesser von 56 mm, wobei die Probe drei Belastungszyklen von 0,025 MPa auf 1,0 MPa unterzogen wird und sich der Compression Set-Wert aus der Differenz der bei 1,0 MPa gemessenen Dicke im ersten Belastungszyklus und im dritten Belastungszyklus ergibt. Plastic deformation occurs when a material, such as a gas diffusion layer, does not fully return to its original shape after being subjected to stress, but rather undergoes a permanent deformation. Part of the deformation is elastic and thus reversible, while only a certain part is plastic and remains permanently. The property of a material to permanently change its shape when stress is applied, i.e., its deformability, is also referred to as "settling." Materials with low plastic deformability exhibit low settling behavior. The compression set value is a measure of how a material, in this case a GDL, behaves during compression deformation and subsequent relaxation. GDLs are typically heavily compressed when used in fuel cells. The proportion of elastic and plastic deformation can be used to characterize the properties of a GDL due to compression. The compression set is the permanent deformation that remains after the applied force is removed. Gas diffusion layers with low settling behavior are characterized by low compression set values. The compression set value can be determined as described in detail below under the test methods. It is possible to simultaneously determine the values of other physical parameters, such as thickness, gas permeability, and electrical resistance, each at a specific compressive force and after single or multiple force applications. Preferably, the gas diffusion layer has a compression set value at 1.0 MPa of at least 4.0 pm, preferably at least 5.0 pm, more preferably at least 7.0 pm and in particular at least 10.0 pm, such as at least 20 pm, determined on an annular sample with an inner diameter of 45 mm and an outer diameter of 56 mm, wherein the sample is subjected to three loading cycles from 0.025 MPa to 1.0 MPa and the compression set value results from the difference between the thickness measured at 1.0 MPa in the first loading cycle and in the third loading cycle.

Ebenso vorzugsweise weist die Gasdiffusionslage einen Compression Set-Wert bei 2,0 MPa von mindestens 4,0 pm, vorzugsweise mindestens 5,0 pm, bevorzugter mindestens 7,0 pm und insbesondere mindestens 10,0 pm, wie zum Beispiel mindestens 20 pm auf, bestimmt an einer ringförmigen Probe mit einem inneren Durchmesser von 45 mm und einem äußeren Durchmesser von 56 mm, wobei die Probe drei Belastungszyklen von 0,025 MPa auf 2,0 MPa unterzogen wird und sich der Compression Set-Wert aus der Differenz der bei 2,0 MPa gemessenen Dicke im ersten Belastungszyklus und im dritten Belastungszyklus ergibt. Likewise preferably, the gas diffusion layer has a compression set value at 2.0 MPa of at least 4.0 pm, preferably at least 5.0 pm, more preferably at least 7.0 pm and in particular at least 10.0 pm, such as at least 20 pm, determined on an annular sample with an inner diameter of 45 mm and an outer diameter of 56 mm, wherein the sample is subjected to three loading cycles from 0.025 MPa to 2.0 MPa and the compression set value results from the difference between the thickness measured at 2.0 MPa in the first loading cycle and in the third loading cycle.

Ebenso vorzugsweise weist die Gasdiffusionslage einen Compression Set-Wert bei 6,0 MPa von mindestens 5,0 pm, vorzugsweise mindestens 10,0 pm, bevorzugter mindestens 15,0 pm und insbesondere mindestens 20,0 pm auf, bestimmt an einer ringförmigen Probe mit einem inneren Durchmesser von 45 mm und einem äußeren Durchmesser von 56 mm, wobei die Probe drei Belastungszyklen von 0,025 MPa auf 6,0 MPa unterzogen wird und sich der Compression Set-Wert aus der Differenz der bei 6,0 MPa gemessenen Dicke im ersten Belastungszyklus und im dritten Belastungszyklus ergibt. Likewise preferably, the gas diffusion layer has a compression set value at 6.0 MPa of at least 5.0 pm, preferably at least 10.0 pm, more preferably at least 15.0 pm and in particular at least 20.0 pm, determined on an annular sample with an inner diameter of 45 mm and an outer diameter of 56 mm, wherein the sample is subjected to three loading cycles from 0.025 MPa to 6.0 MPa and the compression set value results from the difference between the thickness measured at 6.0 MPa in the first loading cycle and in the third loading cycle.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Gasdiffusionslage zudem eine Luftdurchlässigkeit, auch Gasdurchlässigkeit oder Gaspermeabilität genannt, nach Gurley, bestimmt nach ISO 5636-5:2013-11, von 1 bis 50 Sekunden, vorzugsweise 5 bis 25 Sekunden, bevorzugter 10 bis 20 Sekunden auf. In a preferred embodiment, the gas diffusion layer also has an air permeability, also called gas permeability or gas permeability, according to Gurley, determined according to ISO 5636-5:2013-11, of 1 to 50 seconds, preferably 5 to 25 seconds, more preferably 10 to 20 seconds.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Gasdiffusionslage eineIn a further preferred embodiment, the gas diffusion layer has a

Trockendiffusionslänge von 250 pm bis 900 pm, vorzugsweise 300 bis 800 pm auf. DieDry diffusion length of 250 pm to 900 pm, preferably 300 to 800 pm.

Trockendiffusionslänge bezeichnet die tatsächliche Länge der Strecke, die ein Gasmolekül durch das flächige elektrisch leitfähige Material A) und die mikroporöse Lage B) in pm zurücklegt. Sie wird bestimmt mittels stationärer Wicke-Kallenbach-Zelle. Dry diffusion length refers to the actual length of the path that a The distance traveled by a gas molecule through the flat, electrically conductive material A) and the microporous layer B) in pm. It is determined using a stationary Wicke-Kallenbach cell.

Brennstoffzelle fuel cell

Die vorliegende Erfindung betrifft zudem eine Brennstoffzelle , die mindestens eine erfindungsgemäße Gasdiffusionslage wie vorstehend beschrieben enthält. The present invention also relates to a fuel cell which contains at least one gas diffusion layer according to the invention as described above.

Prinzipiell eignet sich die erfindungsgemäße Gasdiffusionslage für alle üblichen Brennstoffzelltypen. Vorzugsweise handelt sich sich erfindungsgemäß um eine Polymer- Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle. In diesem Fall umfasst die Brennstoffzelle erfindungsgemäß eine Polymer-Elektrolyt-Membran, auf die eine Katalysatorschicht aufgebracht ist, wobei die Katalysatorschicht mit der Oberfläche der mikroporösen Lage der erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage in Kontakt ist. In principle, the gas diffusion layer according to the invention is suitable for all common fuel cell types. Preferably, the invention relates to a polymer electrolyte membrane fuel cell. In this case, the fuel cell according to the invention comprises a polymer electrolyte membrane to which a catalyst layer is applied, wherein the catalyst layer is in contact with the surface of the microporous layer of the gas diffusion layer according to the invention.

Wie vorstehend beschrieben, eignet sich die erfindungsgemäße Gasdiffusionslage, gegenüber Gasdiffusionslagen aus dem Stand der Technik, in einer Polymer- Elektrolyt- Membran-Brennstoffzelle zur Verringerung des Kontaktwiderstands an der Grenzfläche zwischen der mikroporösen Lage der Gasdiffusionslage und der auf der Polymer- Elektrolyt-Membran aufgebrachten Katalysatorschicht, vor allem im Bereich der Kanäle der Bipolarplatte der Brennstoffzelle, wie insbesondere im Bereich des Zentrums der Kanäle. As described above, the gas diffusion layer according to the invention is suitable, compared to gas diffusion layers from the prior art, in a polymer electrolyte membrane fuel cell for reducing the contact resistance at the interface between the microporous layer of the gas diffusion layer and the catalyst layer applied to the polymer electrolyte membrane, especially in the region of the channels of the bipolar plate of the fuel cell, such as in particular in the region of the center of the channels.

In einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle können die Kanäle K der Bipolarplatten unter anderem hinsichtlich der Breite B und des Radius R der Rundungen unterschiedliche Geometrien aufweisen (wobei die Kanäle K auf der Bipolarplatte beispielsweise linear und parallel angeordnet sein können). Beispielhaft werden an dieser Stelle die Geometrien (B1 , R1), (B1, R2), (B2, R1) und (B2, R2) genannt, wobei jeweils „B“ für die Breite, und „R“ für den Radius der Rundungen der Kanäle K steht, denen sich jeweils Stege S anschließen (siehe zur Veranschaulichung Figur 1, die schematisch einen Ausschnitt einer Bipolarplatte aus dem Stand der Technik zeigt (im Querschnitt)). „B1“ steht dabei für eine Kanalbreite von 0,3 mm, und „B2“ für eine Kanalbreite von 0,6 mm. „R1“ steht für einen Radius der Kanalrundung von 0,13 mm, und „R2“ für einen Radius der Kanalrundung von 0,26 mm. Der Kontaktwiderstand einer auf einer Bipolarplatte aufgebrachten GDL an deren Grenzfläche zu einer auf einer Polymer-Elektrolyt-Membran aufgebrachten Katalysatorschicht kann mittels Testmethode F simuliert werden (Streifenmessung). Dies gilt sowohl für die Bereiche der Kanäle der Bipolarplatte der Brennstoffzelle, wie insbesondere die Bereiche des Zentrums der Kanäle, als auch für die Bereiche der Stege der Bipolarplatte der Brennstoffzelle. Dabei wird der besagte Kontaktwiderstand simuliert, in dem der Kontaktwiderstand der auf der Bipolarplatte aufgebrachten GDL in den entsprechenden Bereichen stattdessen an der Grenzfläche zu Messelektroden bestimmt wird. Hinsichtlich der Einzelheiten von Testmethode F, einschließlich der Messapparatur, wird auf den nachfolgenden Messmethodenteil verwiesen. In a fuel cell according to the invention, the channels K of the bipolar plates can have different geometries, among other things with regard to the width B and the radius R of the curves (wherein the channels K can be arranged linearly and parallel on the bipolar plate, for example). The geometries (B1, R1), (B1, R2), (B2, R1) and (B2, R2) are mentioned here as examples, where “B” stands for the width and “R” for the radius of the curves of the channels K, which are each adjoined by webs S (for illustration, see Figure 1, which schematically shows a section of a bipolar plate from the prior art (in cross section)). “B1” stands for a channel width of 0.3 mm and “B2” for a channel width of 0.6 mm. “R1” stands for a radius of the channel curve of 0.13 mm and “R2” for a radius of the channel curve of 0.26 mm. The contact resistance of a GDL applied to a bipolar plate at its interface with a catalyst layer applied to a polymer electrolyte membrane can be simulated using Test Method F (strip measurement). This applies both to the channel regions of the fuel cell bipolar plate, particularly the channel center regions, and to the land regions of the fuel cell bipolar plate. The contact resistance in question is simulated by determining the contact resistance of the GDL applied to the bipolar plate in the corresponding regions at the interface with the measuring electrodes instead. For details of Test Method F, including the measuring apparatus, please refer to the following section on measurement methods.

Da nach dem Verpressen der einzelnen Bauteile einer Brennstoffzelle der Druck, dem die GDL ausgesetzt ist, im Bereich der Kanäle der Bipolarplatte und insbesondere im Bereich des Zentrums der Kanäle, gegenüber dem Bereich der Stege herabgesetzt ist, ist dort der Kontaktwiderstand an der Grenzfläche zur Katalysatorschicht vergleichsweise hoch. Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass die erfindungsgemäße GDL gegenüber Gasdiffusionslagen aus dem Stand der Technik in der verpressten Brennstoffzelle zu einer signifikanten Verringerung des Kontaktwiderstands an der Grenzfläche zur Katalysatorschicht führt. Dies gilt insbesondere im Bereich der Kanäle, und dabei vor allem deren Zentrum. Since, after the individual components of a fuel cell have been pressed together, the pressure to which the GDL is exposed is lower in the area of the channels of the bipolar plate, and particularly in the center of the channels, compared to the area of the webs, the contact resistance at the interface with the catalyst layer is comparatively high. Surprisingly, it was found that the GDL according to the invention leads to a significant reduction in the contact resistance at the interface with the catalyst layer in the pressed fuel cell compared to prior art gas diffusion layers. This applies particularly in the area of the channels, and especially their center.

In einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ist bei Verwendung von Bipolarplatten mit einer vergleichsweise geringen Kanalbreite, wie sie beispielsweise bei der Geometrie (B1, R1) oder (B1, R2) vorliegt (wobei die Kanäle auf der Bipolarplatte beispielsweise linear und parallel angeordnet sein können), der Kontaktwiderstand an der Grenzfläche der GDL zur Katalysatorschicht im Bereich des Zentrums der Kanäle der Bipolarplatte, bei einem Kompressionsdruck von 1,0 MPa, wie folgt: falls die GDL so auf der Bipolarplatte angeordnet ist, dass die Maschinenrichtung der GDL parallel zur Hauptströmungsfeldrichtung der Bipolarplatte verläuft, typischerweise < 15 mOhm*cm2, vorzugsweise < 10 mOhm*cm2. falls die GDL so auf der Bipolarplatte angeordnet ist, dass die Maschinenrichtung der GDL im 90°-Winkel zur Hauptströmungsfeldrichtung der Bipolarplatte verläuft (d.h. die Querrichtung der Maschine der GDL parallel zur Hauptströmungsfeldrichtung der Bipolarplatte verläuft), typischerweise ebenso < 15 mOhm*cm2, vorzugsweise < 10 mOhm*cm2, wobei die Kontaktwiderstände typischerweise im Vergleich geringer sind. In a fuel cell according to the invention, when using bipolar plates with a comparatively small channel width, as is the case, for example, with the geometry (B1, R1) or (B1, R2) (where the channels on the bipolar plate can be arranged linearly and parallel, for example), the contact resistance at the interface between the GDL and the catalyst layer in the region of the center of the channels of the bipolar plate, at a compression pressure of 1.0 MPa, is as follows: if the GDL is arranged on the bipolar plate such that the machine direction of the GDL runs parallel to the main flow field direction of the bipolar plate, typically < 15 mOhm*cm 2 , preferably < 10 mOhm*cm 2 . if the GDL is arranged on the bipolar plate such that the machine direction of the GDL runs at a 90° angle to the main flow field direction of the bipolar plate (ie the transverse direction of the machine of the GDL is parallel to the main flow field direction of the bipolar plate), typically also < 15 mOhm*cm 2 , preferably < 10 mOhm*cm 2 , whereby the contact resistances are typically lower in comparison.

Gasdiffusionslagen haben eine Maschinenrichtung (engl. „machine direction“, MD), die parallel zur Produktionsrichtung einer Bahnware und somit entlang der Rollenwicklung verläuft, und eine Querrichtung der Maschine (engl. „cross-machine direction“, CMD), die quer, d.h. im 90°-Winkel, zur Produktionsrichtung und somit quer zur Rollenwicklung verläuft. Gas diffusion layers have a machine direction (MD), which runs parallel to the production direction of a web and thus along the roll winding, and a cross-machine direction (CMD), which runs transversely, i.e. at a 90° angle, to the production direction and thus transversely to the roll winding.

Falls die Kanäle einer Bipolarplatte, die in einer Brennstoffzelle zum Einsatz kommen soll, anisotrop sind (beispielsweise wenn sie linear und parallel verlaufen), kann durch eine geeignete Anordnung der GDL auf der Bipolarplatte der Kontaktwiderstand zwischen der GDL und der CCM im Bereich der Kanäle minimiert werden. Vorzugsweise ist die GDL auf der Bipolarplatte nicht so angeordnet, dass die Maschinenrichtung der GDL parallel zur Hauptströmungsfeldrichtung der Bipolarplatte verläuft. Besonders bevorzugt ist die GDL auf der Bipolarplatte so angeordnet, dass die Maschinenrichtung der GDL einen Winkel von 25° bis 90°, vorzugsweise 45° bis 90°, zur Hauptströmungsfeldrichtung der Bipolarplatte bildet, wobei dieser insbesondere 90° beträgt. Die Maschinenrichtung einer GDL weist typischerweise eine vergleichsweise hohe Biegesteifigkeit auf, so dass bei deren Anordnung nicht parallel und besonders bevorzugt im 90°-Winkel zur Hauptströmungsfeldrichtung der Bipolarplatte die GDL-Intrusion in die Kanäle der Bipolarplatte und somit der Kontaktwiderstand zwischen der GDL und CCM im Bereich der Kanäle minimiert werden kann. If the channels of a bipolar plate intended for use in a fuel cell are anisotropic (for example, if they run linearly and parallel), the contact resistance between the GDL and the CCM in the region of the channels can be minimized by a suitable arrangement of the GDL on the bipolar plate. Preferably, the GDL is not arranged on the bipolar plate such that the machine direction of the GDL runs parallel to the main flow field direction of the bipolar plate. Particularly preferably, the GDL is arranged on the bipolar plate such that the machine direction of the GDL forms an angle of 25° to 90°, preferably 45° to 90°, to the main flow field direction of the bipolar plate, which angle is in particular 90°. The machine direction of a GDL typically has a comparatively high flexural rigidity, so that if it is arranged not parallel, and particularly preferably at a 90° angle to the main flow field direction of the bipolar plate, the GDL intrusion into the channels of the bipolar plate and thus the contact resistance between the GDL and CCM in the region of the channels can be minimized.

Zudem ist in einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle bei Verwendung von Bipolarplatten mit einer vergleichsweise hohen Kanalbreite, wie sie beispielsweise bei der Geometrie (B2, R1) oder (B2, R2) vorliegt (wobei die Kanäle auf der Bipolarplatte beispielsweise linear und parallel angeordnet sein können), der Kontaktwiderstand an der Grenzfläche der GDL zur Katalysatorschicht im Bereich des Zentrums der Kanäle der Bipolarplatte, bei einem Kompressionsdruck von 1 ,0 MPa, wie folgt: falls die GDL so auf der Bipolarplatte angeordnet ist, dass die Maschinenrichtung der GDL parallel zur Hauptströmungsfeldrichtung der Bipolarplatte verläuft, typischerweise < 40 mOhm*cm2, vorzugsweise < 25 mOhm*cm2 und insbesondere < 15 mOhm*cm2. falls die GDL so auf der Bipolarplatte angeordnet ist, dass die Maschinenrichtung der GDL im 90°-Winkel zur Hauptströmungsfeldrichtung der Bipolarplatte verläuft (d.h. die Querrichtung der Maschine der GDL parallel zur Hauptströmungsfeldrichtung der Bipolarplatte verläuft), typischerweise < 30 mOhm*cm2, vorzugsweise < 20 mOhm*cm2 und insbesondere < 10 mOhm*cm2. In addition, in a fuel cell according to the invention, when using bipolar plates with a comparatively high channel width, as is the case, for example, with the geometry (B2, R1) or (B2, R2) (where the channels on the bipolar plate can be arranged linearly and parallel, for example), the contact resistance at the interface of the GDL to the catalyst layer in the region of the center of the channels of the bipolar plate, at a compression pressure of 1.0 MPa, is as follows: if the GDL is arranged on the bipolar plate such that the machine direction of the GDL runs parallel to the main flow field direction of the bipolar plate, typically < 40 mOhm*cm 2 , preferably < 25 mOhm*cm 2 and in particular < 15 mOhm*cm 2 . if the GDL is arranged on the bipolar plate such that the machine direction of the GDL runs at a 90° angle to the main flow field direction of the bipolar plate (ie the transverse machine direction of the GDL runs parallel to the main flow field direction of the bipolar plate), typically < 30 mOhm*cm 2 , preferably < 20 mOhm*cm 2 and in particular < 10 mOhm*cm 2 .

Wie bereits vorstehend erwähnt, weisen erfindungsgemäße Gasdiffusionslagen aufgrund der druckweichen MPL relativ hohe Compression Set-Werte auf. Der Compression Set bei 2,0 MPa sowie der Compression Set bei 6,0 MPa beträgt besonders bevorzugt über 20 pm; in solchen Gasdiffusionslagen ist der Kontaktwiderstand an der Grenzfläche zwischen MPL und Katalysatoschicht im Bereich der Kanäle der Bipolarplatte üblicherweise so stark abgesenkt, dass sich dieser allenfalls geringfügig vom Kontaktwiderstand im Bereich der Stege unterscheidet. Dies bedeutet, dass die Haftung und die Fähigkeit der elektrischen Leitung sich nur gering zwischen Kanal- und Stegbereich unterscheiden. As already mentioned above, gas diffusion layers according to the invention exhibit relatively high compression set values due to the compressively soft MPL. The compression set at 2.0 MPa and the compression set at 6.0 MPa is particularly preferably above 20 μm. In such gas diffusion layers, the contact resistance at the interface between the MPL and the catalyst layer in the region of the channels of the bipolar plate is typically so reduced that it differs at most slightly from the contact resistance in the region of the webs. This means that the adhesion and electrical conductivity differ only slightly between the channel and web regions.

Die Erfindung wird anhand der folgenden, nicht einschränkend zu verstehenden Beispiele erläutert. The invention is explained using the following non-limiting examples.

Messmethoden Measurement methods

Im Folgenden werden Testmethoden näher erläutert, die der vorliegenden Anmeldung und insbesondere der Auswertung der (Vergleichs-)Beispiele zugrunde liegen: The following describes in more detail the test methods underlying the present application and, in particular, the evaluation of the (comparative) examples:

Rauheit (Testmethode A) Roughness (Test Method A)

Die Bestimmung der Rauheit, beispielsweise der mikroporösen Lage, kann nach üblichen, dem Fachmann bekannten Tastschnittverfahren erfolgen, wie sie z.B. in der DIN 4768- 1 :1974-08 mit dem Titel "Ermittlung der Rauheitsmeßgrößen Ra, Rz, Rmax mit elektrischen Tastschnittgeräten; Grundlagen" beschrieben sind. Bestimmt wurde der Mittenrauwert Ra (mittlerer Abstand eines Messpunktes auf der Oberfläche zur Mittellinie) und die gemittelte Rautiefe Rz. Die Messungen wurde mit einem Mahr-Messgerät Mahrsurf XCR20 mit Freitaster MFW-250 durchgeführt. Die Werte sind jeweils Durchschnittswerte aus 6 Bestimmungen: 3 in Maschinenrichtung (MD) und 3 senkrecht zur Maschinenrichtung (CD). The determination of the roughness, for example of the microporous layer, can be carried out using conventional stylus methods known to the person skilled in the art, such as those described in DIN 4768-1:1974-08 entitled "Determination of the roughness measurement quantities R a , R z , Rmax with electrical stylus instruments; basic principles". The mean roughness value R a (mean distance of a measuring point on the surface from the center line) and the mean roughness depth R z were determined. The measurements were performed using a Mahrsurf XCR20 measuring instrument with an MFW-250 free-surface probe. The values are averages of six measurements: three in the machine direction (MD) and three perpendicular to the machine direction (CD).

Dicke thickness

Dicken im unkomprimierten Zustand können nach der DIN 53855-1 :1993-08 "Bestimmung der Dicke textiler Flächengebilde" erfolgen (Testmethode B1). Thicknesses in the uncompressed state can be determined according to DIN 53855-1:1993-08 "Determination of the thickness of textile fabrics" (test method B1).

Die Bestimmung der Dicke einer GDL bei einer bestimmten Druckkraft (z.B. bei 0,025 MPa) kann in einer Vorrichtung zur Messung des Compression Sets, wie im Folgenden ausführlich beschrieben, erfolgen (Testmethode B2). The determination of the thickness of a GDL at a specific compressive force (e.g. at 0.025 MPa) can be carried out in a compression set measuring device as described in detail below (Test Method B2).

Aus der zu prüfenden GDL werden über die gesamte Breite drei Proben (links, rechts und Mitte) entnommen, aus denen ein Mittelwert gebildet wird. Weist das Material herstellungsbedingt eine Maschinenrichtung auf, so werden die Proben senkrecht zur Maschinenrichtung entnommen (CMD). Die Proben sind ringförmig mit einem inneren Durchmesser von 45 mm und einem äußeren Durchmesser von 56 mm. Die Probenfläche beträgt 8,72577 cm2. In einer Prüfmaschine werden die Proben einer zeitlich veränderlichen Druckkraft ausgesetzt, die senkrecht auf die Fläche der Probe wirkt. Ein Sensor bestimmt die Änderung der Dicke der GDL im zeitlichen Verlauf bei dem jeweils einwirkenden Druck. Die Probe ist auf einer Vorrichtung zur Bestimmung der elastischen und plastischen Verformung mittels Kraftsensoren gelagert, wobei die Bewegung über Federn auf die Probe übersetzt wird. Der Verfahrweg bis zum Erreichen der maximalen Druckkraft wird über Wegsensoren bestimmt. Da die Verformung der Probe nichtlinear ist, wird der Messverlauf der relativen Veränderung angepasst. Ein Messzyklus, d.h. eine einmalige Belastung bis Maximaldruck und die folgende Entlastung dauert 1 min. Die Probe durchfährt drei Belastungszyklen. Der Anfangswert, bei dem nur eine geringe Kraft auf die Probe ausgeübt wird, beträgt 0,025 MPa. Typische Druckwerte zur Bestimmung des Compression Set-Werts (und weiterer physikalischer Größen, wie der Dicke, der elektrischen Leitfähigkeit bzw. des Flächenwiderstands, der Gaspermeabilität, etc.) sind z.B. 0,6 MPa, 1,0 MPa, 2,0 MPa, 2,4 MPa und 6,0 MPa. Three samples (left, right, and center) are taken across the entire width of the GDL to be tested, and an average value is calculated. If the material has a machine direction due to manufacturing, the samples are taken perpendicular to the machine direction (CMD). The samples are ring-shaped with an inner diameter of 45 mm and an outer diameter of 56 mm. The sample area is 8.72577 cm2 . In a testing machine, the samples are subjected to a time-varying compressive force acting perpendicular to the surface of the sample. A sensor determines the change in the thickness of the GDL over time for each applied pressure. The sample is mounted on a device for determining elastic and plastic deformation using force sensors, with the movement being transmitted to the sample via springs. The travel distance until the maximum compressive force is reached is determined using displacement sensors. Since the deformation of the sample is non-linear, the measurement curve is adapted to the relative change. One measurement cycle, ie a single loading to maximum pressure and the subsequent unloading, lasts 1 minute. The sample undergoes three loading cycles. The initial value, at which only a small force is exerted on the sample, is 0.025 MPa. Typical pressure values for determining the compression set value (and other physical quantities, such as thickness, electrical conductivity or sheet resistance, gas permeability, etc.) are 0.6 MPa, 1.0 MPa, 2.0 MPa, 2.4 MPa and 6.0 MPa.

Der Compression Set-Wert für einen bestimmten Druck ergibt sich aus der Differenz der bei diesem Druck gemessenen Dicke im ersten Belastungszyklus und der bei diesem Druck im dritten Belastungszyklus gemessenen Dicke. The compression set value for a specific pressure is the difference between the thickness measured at that pressure in the first load cycle and the thickness measured at that pressure in the third load cycle.

Luftdurchlässigkeit (Gasdurchlässigkeit, Gaspermeabilität) nach Gurley (Testmethode D) Air permeability (gas permeability, gas permeability) according to Gurley (test method D)

Die Gaspermeabilität senkrecht zur Materialebene kann über eine Gurley-Messung ermittelt werden, für die ein automatisiertes Gurley-Densometer der Firma Gurley Precision Instruments verwendet kann. Bei der Messung wird die Zeit in Sekunden ermittelt, bis 100 cm3 Luft bei konstanter Druckdifferenz senkrecht durch die GDL-Probe mit einer durchströmten Probenfläche von 6,42 cm2 geströmt sind. Die Bestimmung der Luftdurchlässigkeit nach Gurley ist in der ISO 5636-5 beschrieben. Gas permeability perpendicular to the material plane can be determined using a Gurley measurement, which can be performed using an automated Gurley densometer from Gurley Precision Instruments. The measurement determines the time in seconds until 100 cm³ of air has flowed vertically through the GDL sample at a constant pressure difference, with a sample area of 6.42 cm² . The determination of air permeability according to Gurley is described in ISO 5636-5.

Trockendiffusionslänge (Testmethode E) Dry diffusion length (test method E)

Die Trockendiffusionslänge einer GDL wird bestimmt mittels stationärer Wicke- Kallenbach-Zelle bestimmt. The dry diffusion length of a GDL is determined using a stationary Wicke-Kallenbach cell.

Der Kontaktwiderstand einer auf einer Bipolarplatte aufgebrachten GDL an deren Grenzfläche zu einer auf einer Polymer-Elektrolyt-Membran aufgebrachten Katalysatorschicht kann mittels der Streifenmessung simuliert werden. Dies gilt sowohl für die Bereiche der Kanäle der Bipolarplatte der Brennstoffzelle, wie insbesondere die Bereiche des Zentrums der Kanäle, als auch für die Bereiche der Stege der Bipolarplatte der Brennstoffzelle. Dabei wird der jeweilige Kontaktwiderstand simuliert, indem der Kontaktwiderstand einer auf der Kanalstruktur der entsprechenden Bipolarplatte aufgebrachten kreisförmigen Probe der GDL an deren Grenzfläche zu Messelektroden bestimmt wird, und zwar im gewünschten Bereich (das heißt zum Beispiel im Bereich des Zentrums des Kanals und/oder im Bereich des Stegs). Hierzu wird die kreisförmige GDL- Probe zwischen der betreffenden Kanalstruktur oben und den Messelektroden 1-20 unten bei einem Kompressionsdruck von 1,0 MPa eingespannt, und zwar im vorgesehenen Winkel zur Hauptströmungsfeldrichtung der Kanalstruktur. Die Linie der 20 Messelektroden ist dabei in der Apparatur senkrecht zur Hauptströmungsfeldrichtung des Kanals angeordnet. Die Kanäle können zum Beispiel die Geometrie (B1 , R1), (B1 , R2), (B2, R1) oder (B2, R2) wie vorstehend definiert aufweisen. Die kreisrunde GDL-Probe ist dabei so groß, dass sie an ihrer maximalen Breite mindestens einen Kanal und die beiden benachbarten Stege abdeckt. Die Messelektroden 1 und 2 bzw. 19 und 20 sind im Bereich der Stege auf der GDL-Probe angeordnet; die Messelektroden 10 und 11 sind zudem im Bereich des Kanalzentrums auf der GDL-Probe angeordnet. Weitere Einzelheiten der Messmethode, einschließlich der Messapparatur, können dem Journal of The Electrochemical Society, 159 (6) B709-B713 (2012) entnommen werden, das hiermit durch Bezugnahme zum Bestandteil der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung wird. Dies betrifft insbesondere den experimentellen Teil der genannten Veröffentlichung, einschließlich der Figuren wie insbesondere deren Figur 1, auf die darin Bezug genommen wird (und dabei insbesondere die Ausführungen unter „Measurement of the contact resistance“). The contact resistance of a GDL applied to a bipolar plate at its interface with a catalyst layer applied to a polymer electrolyte membrane can be simulated using strip measurement. This applies both to the channel regions of the fuel cell bipolar plate, particularly the channel center regions, and to the bridge regions of the fuel cell bipolar plate. The respective contact resistance is simulated by determining the contact resistance of a circular GDL sample applied to the channel structure of the corresponding bipolar plate at its interface with measuring electrodes, specifically in the desired region (i.e., for example, in the channel center region and/or bridge region). For this purpose, the circular GDL sample is clamped between the respective channel structure at the top and the measuring electrodes 1-20 below at a compression pressure of 1.0 MPa, in the specified Angle to the main flow field direction of the channel structure. The line of the 20 measuring electrodes is arranged in the apparatus perpendicular to the main flow field direction of the channel. The channels can, for example, have the geometry (B1, R1), (B1, R2), (B2, R1) or (B2, R2) as defined above. The circular GDL sample is large enough that its maximum width covers at least one channel and the two adjacent webs. The measuring electrodes 1 and 2 or 19 and 20 are arranged in the region of the webs on the GDL sample; the measuring electrodes 10 and 11 are also arranged in the region of the channel center on the GDL sample. Further details of the measuring method, including the measuring apparatus, can be found in the Journal of The Electrochemical Society, 159 (6) B709-B713 (2012), which is hereby incorporated by reference into the disclosure of the present application. This concerns in particular the experimental part of the said publication, including the figures, in particular Figure 1, to which reference is made therein (and in particular the statements under ‘Measurement of the contact resistance’).

Die Erfindung wird anhand der folgenden, nicht einschränkend zu verstehenden Beispiele erläutert. The invention is explained using the following non-limiting examples.

FIGURENBESCHREIBUNG FIGURE DESCRIPTION

Figur 1 zeigt zur Veranschaulichung schematisch einen Ausschnitt einer Bipolarplatte aus dem Stand der Technik, wie sie beispielsweise auch in einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle verwendet werden kann (Schnittzeichnung). Dabei steht „B“ für die Breite, und „R“ für den Radius der Rundungen des gezeigten Kanals K, dem sich beidseitig Stege S anschließen. Figure 1 schematically illustrates a section of a prior art bipolar plate, such as can also be used in a fuel cell according to the invention (sectional drawing). "B" represents the width and "R" the radius of the curves of the channel K shown, which is adjoined by webs S on both sides.

BEISPIELE EXAMPLES

I) Herstellung von Gasdiffusionslagen I) Production of gas diffusion layers

Wie im Folgenden beschrieben, wurden Gasdiffusionslagen gemäß der Erfindung und als Vergleich hergestellt, wobei diese jeweils ein flächiges elektrisch leitfähiges Material A) und eine mikroporöse Lage B) enthalten. Als Imprägnierzusammensetzung und MPL- Paste wurde bei der GDL-Herstellung jeweils eine wässrige Dispersion eingesetzt. In der vorliegenden Anmeldung werden Hilfsstoffe wie oberflächenaktive Substanzennicht als Bestandteil des Feststoffs einer Imprägnierzusammensetzung bzw. MPL-Paste angesehen, insbesondere da diese typischerweise während der Sinterung zerfallen. As described below, gas diffusion layers according to the invention and as a comparison were produced, each containing a sheet-like electrically conductive material A) and a microporous layer B). The impregnation composition and MPL- An aqueous dispersion was used in the GDL production of the paste. In the present application, additives such as surfactants are not considered to be part of the solids of an impregnation composition or MPL paste, particularly since they typically decompose during sintering.

Vergleichsbeispiel 1 (VB1) Comparative example 1 (VB1)

Zur Herstellung eines flächigen elektrisch leitfähigen Materials wurde ein Vliesstoff I aus 100% Kohlenstofffasern mit einem Flächengewicht von 40 g/m2 eingesetzt. Zur Ausrüstung des Vliesstoffs wurde eine Imprägnierzusammensetzung gemischt, die bezogen auf den Feststoff 70 Gew.-% Ruß und 30 Gew.-% PTFE enthielt. Die Ausrüstung erfolgte durch Foulard-Imprägnierung mit einer wässrigen Dispersion mit 15% Ausrüstungsgewicht bezogen auf die Masse des GDL-Substrats (d.h. des Vliesstoffs I, was einer Ausrüstung von 6,0 g/m2 entspricht). Anschließend erfolgte noch eine Trocknung für 5 Minuten bei 160 °C und eine Sinterung für 10 Minuten bei 400 °C. Anschließend wurde eine MPL aufgebracht. Für die MPL-Beschichtung wurde auf das Fasermaterial eine MPL-Paste aufgetragen, die bezogen auf den Feststoff 20 Gew.-% PTFE und 80 Gew.-% Ruß in destilliertem Wasser enthielt. Anschließend wurde das Fasermaterial bei 130 °C getrocknet und bei 400 °C gesintert, so dass sich die gewünschte Gasdiffusionslage ergab. Die resultierende MPL-Beladung betrug 15 g/m2. To produce a flat, electrically conductive material, a nonwoven fabric I made of 100% carbon fibers with a basis weight of 40 g/ was used. To finish the nonwoven fabric, an impregnation composition was mixed which contained, based on the solids, 70 wt.% carbon black and 30 wt.% PTFE. The finishing was carried out by pad impregnation with an aqueous dispersion with 15% finish weight based on the mass of the GDL substrate (i.e., nonwoven fabric I, which corresponds to a finish of 6.0 g/ ). This was followed by drying for 5 minutes at 160 °C and sintering for 10 minutes at 400 °C. An MPL was then applied. For the MPL coating, an MPL paste containing, based on the solids, 20 wt.% PTFE and 80 wt.% carbon black in distilled water was applied to the fiber material. The fiber material was then dried at 130 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. The resulting MPL loading was 15 g/m 2 .

Beispiel 2 (B2) Example 2 (B2)

Die Herstellung der Gasdiffusionslage aus Beispiel 2 unterscheidet sich von der Herstellung der Gasdiffusionslage aus Vergleichsbeispiel 1 lediglich durch die eingesetzte MPL-Paste. So wurde für die MPL-Beschichtung auf das Fasermaterial eine MPL-Paste aufgetragen, die bezogen auf den Feststoff 20 Gew.-% PTFE, 40 Gew.-% Ruß und 40 Gew.-% Graphit in destilliertem Wasser enthielt. Anschließend wurde das Fasermaterial bei 130 °C getrocknet und bei 400 °C gesintert, so dass sich die gewünschte Gasdiffusionslage ergab. Die resultierende MPL-Beladung betrug 15 g/m2. The production of the gas diffusion layer in Example 2 differs from that of Comparative Example 1 only in the MPL paste used. For the MPL coating, an MPL paste containing, based on the solids content, 20 wt.% PTFE, 40 wt.% carbon black, and 40 wt.% graphite in distilled water was applied to the fiber material. The fiber material was then dried at 130 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. The resulting MPL loading was 15 g/ .

Beispiel 3 (B3) Die Herstellung der Gasdiffusionslage aus Beispiel 3 unterscheidet sich von der Herstellung der Gasdiffusionslage aus Vergleichsbeispiel 1 lediglich durch die eingesetzte MPL-Paste. So wurde für die MPL-Beschichtung auf das Fasermaterial eine MPL-Paste aufgetragen, die bezogen auf den Feststoff 20 Gew.-% PTFE, 20 Gew.-% Ruß und 60 Gew.-% Graphit in destilliertem Wasser enthielt. Anschließend wurde das Fasermaterial bei 130 °C getrocknet und bei 400 °C gesintert, so dass sich die gewünschte Gasdiffusionslage ergab. Die resultierende MPL-Beladung betrug 20 g/m2. Example 3 (B3) The production of the gas diffusion layer in Example 3 differs from that of Comparative Example 1 only in the MPL paste used. For the MPL coating, an MPL paste containing, based on the solids content, 20 wt.% PTFE, 20 wt.% carbon black, and 60 wt.% graphite in distilled water was applied to the fiber material. The fiber material was then dried at 130 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. The resulting MPL loading was 20 g/ .

Beispiel 4 (B4) Example 4 (B4)

Die Herstellung der Gasdiffusionslage aus Beispiel 4 unterscheidet sich von der Herstellung der Gasdiffusionslage aus Vergleichsbeispiel 1 dadurch, dass (i) zur Herstellung des flächigen elektrisch leitfähigen Materials ein Vliesstoff II aus 100% Kohlenstofffasern mit einem Flächengewicht von 63 g/m2 eingesetzt wurde (die Ausrüstung mit der Imprägnierzusammensetzung erfolgte ebenfalls mit 15% Ausrüstungsgewicht bezogen auf die Masse des GDL-Substrats (d.h. des Vliesstoffs II, was einer Ausrüstung von 9,5 g/m2 entspricht)), und (ii) durch die eingesetzte MPL-Paste. So wurde für die MPL-Beschichtung auf das Fasermaterial eine MPL-Paste aufgetragen, die bezogen auf den Feststoff 20 Gew.-% PTFE, 20 Gew.-% Ruß und 60 Gew.-% Graphit in destilliertem Wasser enthielt. Anschließend wurde das Fasermaterial bei 130 °C getrocknet und bei 400 °C gesintert, so dass sich die gewünschte Gasdiffusionslage ergab. Die resultierende MPL-Beladung betrug 13 g/m2. The production of the gas diffusion layer from Example 4 differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 1 in that (i) a nonwoven fabric II made of 100% carbon fibers with a basis weight of 63 g/m 2 was used to produce the sheet-like electrically conductive material (the impregnation composition was also applied with a 15% finish weight based on the mass of the GDL substrate (i.e., nonwoven fabric II, which corresponds to a finish of 9.5 g/m 2 )), and (ii) by the MPL paste used. For the MPL coating, an MPL paste was applied to the fiber material, which contained, based on the solids, 20 wt.% PTFE, 20 wt.% carbon black, and 60 wt.% graphite in distilled water. The fiber material was then dried at 130 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. The resulting MPL loading was 13 g/m 2 .

Beispiel 5 (B5) Example 5 (B5)

Die Herstellung der Gasdiffusionslage aus Beispiel 5 unterscheidet sich von der Herstellung der Gasdiffusionslage aus Vergleichsbeispiel 1 dadurch, dass (i) zur Herstellung des flächigen elektrisch leitfähigen Materials ein Vliesstoff II aus 100% Kohlenstofffasern mit einem Flächengewicht von 63 g/m2 eingesetzt wurde (die Ausrüstung mit der Imprägnierzusammensetzung erfolgte ebenfalls mit 15% Ausrüstungsgewicht bezogen auf die Masse des GDL-Substrats (d.h. des Vliesstoffs II)), und (ii) durch die eingesetzte MPL-Paste. So wurde für die MPL-Beschichtung auf das Fasermaterial eine MPL-Paste aufgetragen, die bezogen auf den Feststoff 20 Gew.-% PTFE, 40 Gew.-% Ruß und 40 Gew.-% Graphit in destilliertem Wasser enthielt. Anschließend wurde das Fasermaterial bei 130 °C getrocknet und bei 400 °C gesintert, so dass sich die gewünschte Gasdiffusionslage ergab. Die resultierende MPL-Beladung betrug 25 g/m2. The production of the gas diffusion layer from Example 5 differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 1 in that (i) a nonwoven fabric II made of 100% carbon fibers with a basis weight of 63 g/ was used to produce the sheet-like electrically conductive material (the impregnation composition was also applied at a weight of 15% based on the mass of the GDL substrate (i.e., nonwoven fabric II)), and (ii) by the MPL paste used. For the MPL coating, an MPL paste containing, based on the solids, 20 wt.% PTFE, 40 wt.% carbon black, and 40 wt.% graphite in distilled water was applied to the fiber material. The fiber material was then dried at 130 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. The resulting MPL loading was 25 g/m 2 .

Vergleichsbeispiel 6 (VB6) Comparison example 6 (VB6)

Zur Herstellung eines flächigen elektrisch leitfähigen Materials wurde ein Vliesstoff III aus 100% Kohlenstofffasern mit einem Flächengewicht von 63 g/m2 eingesetzt. Zur Ausrüstung des Vliesstoffs wurde eine Imprägnierzusammensetzung gemischt, die bezogen auf den Feststoff 70 Gew.-% Ruß und 30 Gew.-% PTFE enthielt. Die Ausrüstung erfolgte durch Foulard-Imprägnierung mit einer wässrigen Dispersion mit 15% Ausrüstungsgewicht bezogen auf die Masse des GDL-Substrats (d.h. des Vliesstoffs III, was einer Ausrüstung von 9,5 g/m2 entspricht). Anschließend erfolgte noch eine Trocknung für 5 Minuten bei 160 °C und eine Sinterung für 10 Minuten bei 400 °C. Anschließend wurde eine MPL aufgebracht. Für die MPL-Beschichtung wurde auf das Fasermaterial eine MPL-Paste aufgetragen, die bezogen auf den Feststoff 20 Gew.-% PTFE und 80 Gew.-% Ruß in destilliertem Wasser enthielt. Anschließend wurde das Fasermaterial bei 160 °C getrocknet und bei 400 °C gesintert, so dass sich die gewünschte Gasdiffusionslage ergab. Die resultierende MPL-Beladung betrug 23 g/m2. To produce a flat, electrically conductive material, a nonwoven III made of 100% carbon fibers with a basis weight of 63 g/ was used. To finish the nonwoven, an impregnation composition was mixed which contained, based on the solids, 70 wt.% carbon black and 30 wt.% PTFE. The finishing was carried out by pad impregnation with an aqueous dispersion with 15% finish weight based on the mass of the GDL substrate (i.e., nonwoven III, which corresponds to a finish of 9.5 g/ ). This was followed by drying for 5 minutes at 160 °C and sintering for 10 minutes at 400 °C. An MPL was then applied. For the MPL coating, an MPL paste containing, based on the solids, 20 wt.% PTFE and 80 wt.% carbon black in distilled water was applied to the fiber material. The fiber material was then dried at 160 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. The resulting MPL loading was 23 g/m 2 .

Vergleichsbeispiel 7 (VB7) Comparison example 7 (VB7)

Die Herstellung der Gasdiffusionslage aus Vergleichsbeispiel 7 unterscheidet sich von der Herstellung der Gasdiffusionslage aus Vergleichsbeispiel 6 lediglich durch die eingesetzte Imprägnierzusammensetzung. So wurde zur Ausrüstung des Vliesstoffs III eine Imprägnierzusammensetzung gemischt, die bezogen auf den Feststoff 60 Gew.-% Ruß, 22 Gew.-% PTFE und 18 Gew.-% PEEK enthielt. Die Ausrüstung erfolgte durch Foulard- Imprägnierung mit einer wässrigen Dispersion mit 15% Ausrüstungsgewicht bezogen auf die Masse des GDL-Substrats (d.h. des Vliesstoffs III). Anschließend erfolgte noch eine Trocknung für 5 Minuten bei 160 °C und eine Sinterung für 10 Minuten bei 400 °C. The production of the gas diffusion layer from Comparative Example 7 differs from that of Comparative Example 6 only in the impregnation composition used. For finishing nonwoven III, an impregnation composition was mixed containing, based on the solids, 60 wt.% carbon black, 22 wt.% PTFE, and 18 wt.% PEEK. The finishing was carried out by padding impregnation with an aqueous dispersion containing 15% of the finishing weight based on the mass of the GDL substrate (i.e., nonwoven III). This was followed by drying for 5 minutes at 160 °C and sintering for 10 minutes at 400 °C.

Beispiel 8 (B8) Die Herstellung der Gasdiffusionslage aus Beispiel 8 unterscheidet sich von der Herstellung der Gasdiffusionslage aus Vergleichsbeispiel 6 lediglich durch die eingesetzte MPL-Paste. So wurde für die MPL-Beschichtung auf das Fasermaterial eine MPL-Paste aufgetragen, die bezogen auf den Feststoff 20 Gew.-% PTFE, 40 Gew.-% Ruß und 40 Gew.-% Graphit in destilliertem Wasser enthielt. Anschließend wurde das Fasermaterial bei 160 °C getrocknet und bei 400 °C gesintert, so dass sich die gewünschte Gasdiffusionslage ergab. Die resultierende MPL-Beladung betrug 15 g/m2. Example 8 (B8) The production of the gas diffusion layer in Example 8 differs from that of Comparative Example 6 only in the MPL paste used. For the MPL coating, an MPL paste containing, based on the solids content, 20 wt.% PTFE, 40 wt.% carbon black, and 40 wt.% graphite in distilled water was applied to the fiber material. The fiber material was then dried at 160 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. The resulting MPL loading was 15 g/ .

Beispiel 9 (B9) Example 9 (B9)

Die Herstellung der Gasdiffusionslage aus Beispiel 9 unterscheidet sich von der Herstellung der Gasdiffusionslage aus Vergleichsbeispiel 6 durch (i) die eingesetzte Imprägnierzusammensetzung. So wurde zur Ausrüstung des Vliesstoffs III eine Imprägnierzusammensetzung gemischt, die bezogen auf den Feststoff 60% Ruß, 22% PTFE und 18% PEEK enthielt. Die Ausrüstung erfolgte durch Foulard-Imprägnierung mit einer wässrigen Dispersion mit 15% Ausrüstungsgewicht bezogen auf die Masse des GDL-Substrats (d.h. des Vliesstoffs III). Anschließend erfolgte noch eine Trocknung für 5 Minuten bei 160 °C und eine Sinterung für 10 Minuten bei 400 °C. Die Herstellung der Gasdiffusionslage aus Beispiel 9 unterscheidet sich von der Herstellung der Gasdiffusionslage aus Vergleichsbeispiel 6 ferner durch (ii) die eingesetzte MPL-Paste. So wurde für die MPL-Beschichtung auf das Fasermaterial eine MPL-Paste aufgetragen, die bezogen auf den Feststoff 20 Gew.-% PTFE, 40 Gew.-% Ruß und 40 Gew.-% Graphit in destilliertem Wasser enthielt. Anschließend wurde das Fasermaterial bei 160 °C getrocknet und bei 400 °C gesintert, so dass sich die gewünschte Gasdiffusionslage ergab. Die resultierende MPL-Beladung betrug 15 g/m2. The production of the gas diffusion layer from Example 9 differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 6 in (i) the impregnation composition used. For example, to finish nonwoven fabric III, an impregnation composition was mixed that contained, based on solids, 60% carbon black, 22% PTFE, and 18% PEEK. The finishing was carried out by padding impregnation with an aqueous dispersion containing 15% finishing weight based on the mass of the GDL substrate (i.e., nonwoven fabric III). This was followed by drying for 5 minutes at 160°C and sintering for 10 minutes at 400°C. The production of the gas diffusion layer from Example 9 further differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 6 in (ii) the MPL paste used. For the MPL coating, an MPL paste containing 20 wt% PTFE, 40 wt% carbon black, and 40 wt% graphite in distilled water, based on the solids, was applied to the fiber material. The fiber material was then dried at 160 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. The resulting MPL loading was 15 g/ .

Beispiel 10 (B10) Example 10 (B10)

Die Herstellung der Gasdiffusionslage aus Beispiel 10 unterscheidet sich von der Herstellung der Gasdiffusionslage aus Vergleichsbeispiel 6 lediglich durch die eingesetzte MPL-Paste. So wurde für die MPL-Beschichtung auf das Fasermaterial eine MPL-Paste aufgetragen, die bezogen auf den Feststoff 20 Gew.-% PTFE, 20 Gew.-% Ruß und 60 Gew.-% Graphit in destilliertem Wasser enthielt. Anschließend wurde das Fasermaterial bei 160 °C getrocknet und bei 400 °C gesintert, so dass sich die gewünschte Gasdiffusionslage ergab. Die resultierende MPL-Beladung betrug 20 g/m2. The production of the gas diffusion layer from Example 10 differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 6 only in the MPL paste used. For the MPL coating, an MPL paste containing, based on the solids, 20 wt.% PTFE, 20 wt.% carbon black, and 60 wt.% graphite in distilled water was applied to the fiber material. The fiber material was then dried at 160 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. The resulting MPL loading was 20 g/m 2 .

Beispiel 11 (B11) Example 11 (B11)

Die Herstellung der Gasdiffusionslage aus Beispiel 11 unterscheidet sich von der Herstellung der Gasdiffusionslage aus Vergleichsbeispiel 6 durch (i) die eingesetzte Imprägnierzusammensetzung. So wurde zur Ausrüstung des Vliesstoffs III eine Imprägnierzusammensetzung gemischt, die bezogen auf den Feststoff 60 Gew.-% Ruß, 22 Gew.-% PTFE und 18 Gew.-% PEEK enthielt. Die Ausrüstung erfolgte durch Foulard- Imprägnierung mit einer wässrigen Dispersion mit 15% Ausrüstungsgewicht bezogen auf die Masse des GDL-Substrats (d.h. des Vliesstoffs III). Anschließend erfolgte noch eine Trocknung für 5 Minuten bei 160 °C und eine Sinterung für 10 Minuten bei 400 °C. Die Herstellung der Gasdiffusionslage aus Beispiel 11 unterscheidet sich von der Herstellung der Gasdiffusionslage aus Vergleichsbeispiel 6 ferner durch (ii) die eingesetzte MPL- Paste. So wurde für die MPL-Beschichtung auf das Fasermaterial eine MPL-Paste aufgetragen, die bezogen auf den Feststoff 20 Gew.-% PTFE, 20 Gew.-% Ruß und 60 Gew.-% Graphit in destilliertem Wasser enthielt. Anschließend wurde das Fasermaterial bei 160 °C getrocknet und bei 400 °C gesintert, so dass sich die gewünschte Gasdiffusionslage ergab. Die resultierende MPL-Beladung betrug 20 g/m2. The production of the gas diffusion layer from Example 11 differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 6 in (i) the impregnation composition used. For example, to finish nonwoven fabric III, an impregnation composition was mixed that contained, based on the solids, 60 wt.% carbon black, 22 wt.% PTFE, and 18 wt.% PEEK. The finishing was carried out by padding impregnation with an aqueous dispersion containing 15% finish weight based on the mass of the GDL substrate (i.e., nonwoven fabric III). This was followed by drying for 5 minutes at 160°C and sintering for 10 minutes at 400°C. The production of the gas diffusion layer from Example 11 differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 6 further in (ii) the MPL paste used. For the MPL coating, an MPL paste containing 20 wt% PTFE, 20 wt% carbon black, and 60 wt% graphite in distilled water, based on the solids, was applied to the fiber material. The fiber material was then dried at 160 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. The resulting MPL loading was 20 g/ .

Vergleichsbeispiel 12 (VB12) Comparison example 12 (VB12)

Die Herstellung der Gasdiffusionslage aus Vergleichsbeispiel 12 unterscheidet sich von der Herstellung der Gasdiffusionslage aus Vergleichsbeispiel 1 lediglich durch die eingesetzte Imprägnierzusammensetzung. So wurde zur Ausrüstung des Vliesstoffs I eine Imprägnierzusammensetzung gemischt, die bezogen auf den Feststoff 60 Gew.-% Ruß, 28 Gew.-% PTFE und 12 Gew.-% PEEK enthielt. Die Ausrüstung erfolgte durch Foulard- Imprägnierung mit einer wässrigen Dispersion mit 15% Ausrüstungsgewicht bezogen auf die Masse des GDL-Substrats (d.h. des Vliesstoffs I). Anschließend erfolgte noch eine Trocknung für 5 Minuten bei 160 °C und eine Sinterung für 10 Minuten bei 400 °C. The production of the gas diffusion layer from Comparative Example 12 differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 1 only in the impregnation composition used. For finishing nonwoven fabric I, an impregnation composition was mixed containing, based on the solids, 60 wt.% carbon black, 28 wt.% PTFE, and 12 wt.% PEEK. The finishing was carried out by padding impregnation with an aqueous dispersion containing 15% of the finishing weight based on the mass of the GDL substrate (i.e., nonwoven fabric I). This was followed by drying for 5 minutes at 160 °C and sintering for 10 minutes at 400 °C.

Vergleichsbeispiel 13 (VB13) Die Herstellung der Gasdiffusionslage aus Vergleichsbeispiel 13 unterscheidet sich von der Herstellung der Gasdiffusionslage aus Vergleichsbeispiel 1 lediglich durch die eingesetzte Imprägnierzusammensetzung. So wurde zur Ausrüstung des Vliesstoffs I eine Imprägnierzusammensetzung gemischt, die bezogen auf den Feststoff 50 Gew.-% Ruß, 26 Gew.-% PTFE und 24 Gew.-% PEEK enthielt. Die Ausrüstung erfolgte durch Foulard- Imprägnierung mit einer wässrigen Dispersion mit 15% Ausrüstungsgewicht bezogen auf die Masse des GDL-Substrats (d.h. des Vliesstoffs I). Anschließend erfolgte noch eine Trocknung für 5 Minuten bei 160 °C und eine Sinterung für 10 Minuten bei 400 °C. Comparative Example 13 (VB13) The production of the gas diffusion layer from Comparative Example 13 differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 1 only in the impregnation composition used. For finishing nonwoven fabric I, an impregnation composition was mixed containing, based on the solids, 50 wt.% carbon black, 26 wt.% PTFE, and 24 wt.% PEEK. The finishing was carried out by padding impregnation with an aqueous dispersion containing 15% of the finishing weight based on the mass of the GDL substrate (i.e., nonwoven fabric I). This was followed by drying for 5 minutes at 160 °C and sintering for 10 minutes at 400 °C.

Beispiel 14 (B14) Example 14 (B14)

Die Herstellung der Gasdiffusionslage aus Beispiel 14 unterscheidet sich von der Herstellung der Gasdiffusionslage aus Vergleichsbeispiel 1 durch (i) die eingesetzte Imprägnierzusammensetzung. So wurde zur Ausrüstung des Vliesstoffs I eine Imprägnierzusammensetzung gemischt, die bezogen auf den Feststoff 60 Gew.-% Ruß, 28 Gew.-% PTFE und 12 Gew.-% PEEK enthielt. Die Ausrüstung erfolgte durch Foulard- Imprägnierung mit einer wässrigen Dispersion mit 15% Ausrüstungsgewicht bezogen auf die Masse des GDL-Substrats (d.h. des Vliesstoffs I). Anschließend erfolgte noch eine Trocknung für 5 Minuten bei 160 °C und eine Sinterung für 10 Minuten bei 400 °C. Die Herstellung der Gasdiffusionslage aus Beispiel 14 unterscheidet sich von der Herstellung der Gasdiffusionslage aus Vergleichsbeispiel 1 ferner durch die eingesetzte MPL-Paste. So wurde für die MPL-Beschichtung auf das Fasermaterial eine MPL-Paste aufgetragen, die bezogen auf den Feststoff 20 Gew.-% PTFE, 40 Gew.-% Ruß und 40 Gew.-% Graphit in destilliertem Wasser enthielt. Anschließend wurde das Fasermaterial bei 130 °C getrocknet und bei 400 °C gesintert, so dass sich die gewünschte Gasdiffusionslage ergab. Die resultierende MPL-Beladung betrug 15 g/m2. The production of the gas diffusion layer from Example 14 differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 1 in (i) the impregnation composition used. Thus, to finish nonwoven fabric I, an impregnation composition was mixed which contained, based on the solids, 60 wt.% carbon black, 28 wt.% PTFE, and 12 wt.% PEEK. The finishing was carried out by padding impregnation with an aqueous dispersion with 15% finish weight based on the mass of the GDL substrate (i.e., nonwoven fabric I). This was followed by drying for 5 minutes at 160°C and sintering for 10 minutes at 400°C. The production of the gas diffusion layer from Example 14 also differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 1 in the MPL paste used. For the MPL coating, an MPL paste containing 20 wt% PTFE, 40 wt% carbon black, and 40 wt% graphite in distilled water, based on the solids, was applied to the fiber material. The fiber material was then dried at 130 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. The resulting MPL loading was 15 g/ .

Beispiel 15 (B15) Example 15 (B15)

Die Herstellung der Gasdiffusionslage aus Beispiel 15 unterscheidet sich von der Herstellung der Gasdiffusionslage aus Vergleichsbeispiel 1 durch (i) die eingesetzte Imprägnierzusammensetzung. So wurde zur Ausrüstung des Vliesstoffs eine Imprägnierzusammensetzung gemischt, die bezogen auf den Feststoff 50 Gew.-% Ruß, 26 Gew.-% PTFE und 24 Gew.-% PEEK enthielt. Die Ausrüstung erfolgte durch Foulard- Imprägnierung mit einer wässrigen Dispersion mit 15% Ausrüstungsgewicht bezogen auf die Masse des GDL-Substrats (d.h. des Vliesstoffs I). Anschließend erfolgte noch eine Trocknung für 5 Minuten bei 160 °C und eine Sinterung für 10 Minuten bei 400 °C. Die Herstellung der Gasdiffusionslage aus Beispiel 15 unterscheidet sich von der Herstellung der Gasdiffusionslage aus Vergleichsbeispiel 1 ferner durch die eingesetzte MPL-Paste. So wurde für die MPL-Beschichtung auf das Fasermaterial eine MPL-Paste aufgetragen, die bezogen auf den Feststoff 20 Gew.-% PTFE, 40 Gew.-% Ruß und 40 Gew.-% Graphit in destilliertem Wasser enthielt. Anschließend wurde das Fasermaterial bei 130 °C getrocknet und bei 400 °C gesintert, so dass sich die gewünschte Gasdiffusionslage ergab. Die resultierende MPL-Beladung betrug 15 g/m2. The production of the gas diffusion layer from Example 15 differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 1 in (i) the impregnation composition used. For example, an impregnation composition containing, based on the solids, 50 wt.% carbon black, 26 wt.% PTFE, and 24 wt.% PEEK was mixed to finish the nonwoven fabric. The finishing was carried out by padding. Impregnation with an aqueous dispersion with 15% finish weight based on the mass of the GDL substrate (i.e., nonwoven fabric I). This was followed by drying for 5 minutes at 160 °C and sintering for 10 minutes at 400 °C. The production of the gas diffusion layer from Example 15 differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 1 further in the MPL paste used. For the MPL coating, an MPL paste was applied to the fiber material containing, based on the solids, 20 wt.% PTFE, 40 wt.% carbon black, and 40 wt.% graphite in distilled water. The fiber material was then dried at 130 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. The resulting MPL loading was 15 g/m 2 .

Beispiel 16 (B16) Example 16 (B16)

Die Herstellung der Gasdiffusionslage aus Beispiel 16 unterscheidet sich von der Herstellung der Gasdiffusionslage aus Vergleichsbeispiel 1 durch (i) die eingesetzte Imprägnierzusammensetzung. So wurde zur Ausrüstung des Vliesstoffs eine Imprägnierzusammensetzung gemischt, die bezogen auf den Feststoff 60 Gew.-% Ruß, 28 Gew.-% PTFE und 12 Gew.-% PEEK enthielt. Die Ausrüstung erfolgte durch Foulard- Imprägnierung mit einer wässrigen Dispersion mit 15% Ausrüstungsgewicht bezogen auf die Masse des GDL-Substrats (d.h. des Vliesstoffs I). Anschließend erfolgte noch eine Trocknung für 5 Minuten bei 160 °C und eine Sinterung für 10 Minuten bei 400 °C. Die Herstellung der Gasdiffusionslage aus Beispiel 16 unterscheidet sich von der Herstellung der Gasdiffusionslage aus Vergleichsbeispiel 1 ferner durch die eingesetzte MPL-Paste. So wurde für die MPL-Beschichtung auf das Fasermaterial eine MPL-Paste aufgetragen, die bezogen auf den Feststoff 20 Gew.-% PTFE, 20 Gew.-% Ruß und 60 Gew.-% Graphit in destilliertem Wasser enthielt. Anschließend wurde das Fasermaterial bei 130 °C getrocknet und bei 400 °C gesintert, so dass sich die gewünschte Gasdiffusionslage ergab. Die resultierende MPL-Beladung betrug 20 g/m2. The production of the gas diffusion layer from Example 16 differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 1 in (i) the impregnation composition used. Thus, to finish the nonwoven fabric, an impregnation composition was mixed which contained, based on the solids, 60 wt.% carbon black, 28 wt.% PTFE, and 12 wt.% PEEK. The finishing was carried out by padding impregnation with an aqueous dispersion with 15% finish weight based on the mass of the GDL substrate (i.e., nonwoven fabric I). This was followed by drying for 5 minutes at 160°C and sintering for 10 minutes at 400°C. The production of the gas diffusion layer from Example 16 also differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 1 in the MPL paste used. For the MPL coating, an MPL paste containing 20 wt% PTFE, 20 wt% carbon black, and 60 wt% graphite in distilled water, based on the solids, was applied to the fiber material. The fiber material was then dried at 130 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. The resulting MPL loading was 20 g/ .

Beispiel 17 (B17) Example 17 (B17)

Die Herstellung der Gasdiffusionslage aus Beispiel 17 unterscheidet sich von der Herstellung der Gasdiffusionslage aus Vergleichsbeispiel 1 durch (i) die eingesetzte Imprägnierzusammensetzung. So wurde zur Ausrüstung des Vliesstoffs I eine Imprägnierzusammensetzung gemischt, die bezogen auf den Feststoff 50 Gew.-% Ruß, 26 Gew.-% PTFE und 24 Gew.-% PEEK enthielt. Die Ausrüstung erfolgte durch Foulard- Imprägnierung mit einer wässrigen Dispersion mit 15% Ausrüstungsgewicht bezogen auf die Masse des GDL-Substrats (d.h. des Vliesstoffs I). Anschließend erfolgte noch eine Trocknung für 5 Minuten bei 160 °C und eine Sinterung für 10 Minuten bei 400 °C. Die Herstellung der Gasdiffusionslage aus Beispiel 17 unterscheidet sich von der Herstellung der Gasdiffusionslage aus Vergleichsbeispiel 1 ferner durch die eingesetzte MPL-Paste. So wurde für die MPL-Beschichtung auf das Fasermaterial eine MPL-Paste aufgetragen, die bezogen auf den Feststoff 20 Gew.-% PTFE, 20 Gew.-% Ruß und 60 Gew.-% Graphit in destilliertem Wasser enthielt. Anschließend wurde das Fasermaterial bei 130 °C getrocknet und bei 400 °C gesintert, so dass sich die gewünschte Gasdiffusionslage ergab. Die resultierende MPL-Beladung betrug 20 g/m2. The production of the gas diffusion layer from Example 17 differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 1 in (i) the impregnation composition used. Thus, for the finishing of nonwoven fabric I, a Impregnation composition containing, based on the solids, 50 wt.% carbon black, 26 wt.% PTFE, and 24 wt.% PEEK was mixed. The finishing was carried out by padding impregnation with an aqueous dispersion with 15% finishing weight based on the mass of the GDL substrate (i.e., nonwoven fabric I). This was followed by drying for 5 minutes at 160 °C and sintering for 10 minutes at 400 °C. The production of the gas diffusion layer from Example 17 differs from the production of the gas diffusion layer from Comparative Example 1 further in the MPL paste used. For the MPL coating, an MPL paste was applied to the fiber material which, based on the solids, contained 20 wt.% PTFE, 20 wt.% carbon black, and 60 wt.% graphite in distilled water. The fiber material was then dried at 130 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. The resulting MPL loading was 20 g/m 2 .

Beispiel 18 (B18) Example 18 (B18)

Die Herstellung der Gasdiffusionslage aus Beispiel 18 unterscheidet sich von der Herstellung der Gasdiffusionslage aus Beispiel 2 durch die Wahl der Kohlenstofflage. So wurde in Beispiel 18 ein carbonisiertes Kohlefaserpapier mit einem Flächengewicht von 44,5 g/m2 und einer Dicke (bei 0,25 bar) von 192pm verwendet. Dieses Kohlefaserpapier wurde mit einer PTFE-Dispersion mit 10% Ausrüstungsgewicht bezogen auf die Masse des GDL-Substrats imprägniert. Anschließend erfolgte noch eine Trocknung für 5 Minuten bei 160 °C und eine Sinterung für 10 Minuten bei 400 °C. Für die MPL-Beschichtung wurde eine MPL-Paste auf das Fasermaterial aufgetragen, die bezogen auf den Feststoff 20 Gew.-% PTFE, 40 Gew.-% Ruß und 40 Gew.-% Graphit in destilliertem Wasser enthielt. Anschließend wurde das Fasermaterial bei 160 °C getrocknet und bei 400 °C gesintert, so dass sich die gewünschte Gasdiffusionslage ergab. Die MPL-Beladung erfolgte analog zu Beispiel 2. The production of the gas diffusion layer in Example 18 differs from the production of the gas diffusion layer in Example 2 in the choice of carbon layer. In Example 18, a carbonized carbon fiber paper with a basis weight of 44.5 g/ and a thickness (at 0.25 bar) of 192 μm was used. This carbon fiber paper was impregnated with a PTFE dispersion containing 10% finishing weight based on the mass of the GDL substrate. This was followed by drying for 5 minutes at 160 °C and sintering for 10 minutes at 400 °C. For the MPL coating, an MPL paste containing, based on the solids, 20 wt.% PTFE, 40 wt.% carbon black, and 40 wt.% graphite in distilled water was applied to the fiber material. The fiber material was then dried at 160 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. MPL loading was performed analogously to Example 2.

Beispiel 19 (B19) Example 19 (B19)

Die Herstellung der Gasdiffusionslage aus Beispiel 19 unterscheidet sich von der Herstellung der Gasdiffusionslage aus Beispiel 4 durch die Wahl der Kohlenstofflage. So wurde in Beispiel 19 ein carbonisiertes Kohlefaserpapier mit einem Flächengewicht von 44,5 g/m2 und einer Dicke (bei 0,25 bar) von 192 pm verwendet. Dieses Kohlefaserpapier wurde mit einer PTFE-Dispersion mit 10% Ausrüstungsgewicht bezogen auf die Masse des GDL-Substrats imprägniert. Anschließend erfolgte noch eine Trocknung für 5 Minuten bei 160 °C und eine Sinterung für 10 Minuten bei 400 °C. Anschließend wurde das Fasermaterial bei 130 °C getrocknet und bei 400 °C gesintert, so dass sich die gewünschte Gasdiffusionslage ergab. Die MPL-Beladung erfolgte analog zu Beispiel 4. The production of the gas diffusion layer in Example 19 differs from the production of the gas diffusion layer in Example 4 in the choice of carbon layer. For example, in Example 19, a carbonized carbon fiber paper with a basis weight of 44.5 g/ and a thickness (at 0.25 bar) of 192 μm was used. This carbon fiber paper was impregnated with a PTFE dispersion at a weight of 10% based on the mass of the GDL substrate. This was followed by drying for 5 minutes at 160 °C and sintering for 10 minutes at 400 °C. The fiber material was then dried at 130 °C and sintered at 400 °C to produce the desired gas diffusion layer. The MPL loading was carried out analogously to Example 4.

Beispiel 20 (B20) Example 20 (B20)

Die Herstellung der Gasdiffusionslage aus Beispiel 20 unterscheidet sich von der Herstellung der Gasdiffusionslage aus Beispiel 3 durch die Wahl der Kohlenstofflage. So wurde in Beispiel 20 ein carbonisiertes Kohlefaserpapier mit einem Flächengewicht von 44,5 g/m2 und einer Dicke (bei 0,25 bar) von 192 pm verwendet. Dieses Kohlefaserpapier wurde mit einer PTFE-Dispersion mit 10% Ausrüstungsgewicht bezogen auf die Masse des GDL-Substrats imprägniert. Anschließend erfolgte noch eine Trocknung für 5 Minuten bei 160 °C und eine Sinterung für 10 Minuten bei 400 °C. Die MPL-Beladung erfolgte analog zu Beispiel 3. The production of the gas diffusion layer in Example 20 differs from that of Example 3 in the choice of carbon layer. In Example 20, a carbonized carbon fiber paper with a basis weight of 44.5 g/ and a thickness (at 0.25 bar) of 192 μm was used. This carbon fiber paper was impregnated with a PTFE dispersion at 10% finish weight based on the mass of the GDL substrate. This was followed by drying for 5 minutes at 160 °C and sintering for 10 minutes at 400 °C. The MPL loading was carried out analogously to Example 3.

II) Eigenschaften der Gasdiffusionslagen II) Properties of the gas diffusion layers

Die nachstehende Tabelle 1 zeigt die Kontaktwiderstände an der Grenzfläche zwischen der mikroporösen Lage (MPL) der Gasdiffusionslagen aus den (Vergleichs-)Beispielen und der auf einer Polymer-Elektrolyt-Membran aufgebrachten Katalysatorschicht wie mittels Testmethode F (Streifenmessung) simuliert. Bei der Streifenmessung wurden Bipolarplatten mit linearen und parallel angeordneten Kanälen verschiedener Kanalgeometrien eingesetzt, nämlich (B1, R1), (B1 , R2), (B2, R1) und (B2, R2). Zudem zeigt sie Compression Set-Werte der besagten Gasdiffusionslagen aus den (Vergleichs-) Beispielen bei unterschiedlichen Drücken: Table 1 below shows the contact resistances at the interface between the microporous layer (MPL) of the gas diffusion layers from the (comparative) examples and the catalyst layer deposited on a polymer electrolyte membrane, as simulated using test method F (strip measurement). Bipolar plates with linear and parallel channels of various channel geometries were used for the strip measurement, namely (B1, R1), (B1, R2), (B2, R1), and (B2, R2). It also shows the compression set values of the gas diffusion layers from the (comparative) examples at different pressures:

bdie GDL-Probe ist auf der Bipolarplatte so angeordnet, dass die Maschinenrichtung (MD) der GDL parallel zur bThe GDL sample is arranged on the bipolar plate so that the machine direction (MD) of the GDL is parallel to the

Hauptströmungsfeldrichtung der Bipolarplatte verläuft. cdie GDL-Probe ist auf der Bipolarplatte so angeordnet, dass die Querrichtung der Maschine (CMD) der GDL parallel zurMain flow field direction of the bipolar plate. cThe GDL sample is arranged on the bipolar plate so that the transverse direction of the machine (CMD) of the GDL is parallel to the

5 Hauptströmungsfeldrichtung der Bipolarplatte verläuft (d.h. die GDL ist auf der Bipolarplatte so angeordnet, dass die Maschinenrichtung (MD) der GDL einen Winkel von 90° zur Hauptströmungsfeldrichtung der Bipolarplatte bildet). 5 Main flow field direction of the bipolar plate (i.e. the GDL is arranged on the bipolar plate so that the machine direction (MD) of the GDL forms an angle of 90° to the main flow field direction of the bipolar plate).

Wie beispielsweise ein Vergleich der erfindungsgemäßen Beispiele 2 und 3 mit Vergleichsbeispiel 1 , der erfindungsgemäßen Beispiele 8 und 10 mit Vergleichsbeispiel 6, der erfindungsgemäßen Beispiele 14 und 16 mit Vergleichsbeispiel 12, der erfindungsgemäßen Beispiele 15 und 17 mit Vergleichsbeispiel 13 und der erfindungsgemäßen Beispiele 4 und 5 untereinander zeigt, führt die zusätzliche Verwendung von Graphit in einer Ruß-haltigen MPL, insbesondere im Bereich der Kanäle, zu einer deutlichen Verringerung des Kontaktwiderstands an der Grenzfläche zwischen der MPL der entsprechenden Gasdiffusionslage und der COM, wobei sich vor allem bei einem hohen Graphitanteil von beispielsweise 3:1 gegenüber dem Rußanteil hervorragende Kontaktwiderstände einstellen lassen. Die MPL der Gasdiffusionslagen aus den erfindungsgemäßen Beispielen ist vergleichsweise „druckweich“, wie die Compression Set-Werte der betreffenden Gasdiffusionslagen zeigen. As shown, for example, by a comparison of inventive examples 2 and 3 with comparative example 1, of inventive examples 8 and 10 with comparative example 6, of inventive examples 14 and 16 with comparative example 12, of inventive examples 15 and 17 with comparative example 13, and of inventive examples 4 and 5 with one another, the additional use of graphite in a soot-containing MPL, particularly in the region of the channels, leads to a significant reduction in the contact resistance at the interface between the MPL of the corresponding gas diffusion layer and the COM, with excellent contact resistances being able to be achieved, particularly with a high graphite content of, for example, 3:1 compared to the soot content. The MPL of the gas diffusion layers from the inventive examples is comparatively “compressively soft,” as the compression set values of the gas diffusion layers in question show.

Die besagten Ergebnisse zeigen auch, dass die Anordnung der GDL-Probe auf der Bipolarplatte den Kontaktwiderstand beeinflusst, aufgrund der anisotropen Anordnung der Kanäle auf der Bipolarplatte. So lassen sich bei Vorliegen solcher anisotroper Kanalanordnungen besonders geringe Kontaktwiderstände erzielen, wenn die GDL auf der Bipolarplatte so angeordnet ist, dass die Maschinenrichtung (MD) der GDL einen Winkel von 90° zur Hauptströmungsfeldrichtung der Bipolarplatte bildet. Verringerte Kontaktwiderstände im Kanalzentrum können zudem über die Wahl einer vergleichsweise geringen Kanalbreite erzielt werden, wie sie beispielsweise bei der Geometrie (B1, R1) oder (B1, R2) vorliegen (man vergleiche mit den Kontaktwiderständen bei der Geometrie (B2, R1) oder (B2, R2)). The aforementioned results also show that the arrangement of the GDL sample on the bipolar plate influences the contact resistance due to the anisotropic arrangement of the channels on the bipolar plate. In the presence of such anisotropic channel arrangements, particularly low contact resistances can be achieved if the GDL is arranged on the bipolar plate such that the machine direction (MD) of the GDL forms an angle of 90° to the main flow field direction of the bipolar plate. Reduced contact resistances in the channel center can also be achieved by choosing a comparatively narrow channel width, as is the case, for example, with geometry (B1, R1) or (B1, R2) (compare with the contact resistances for geometry (B2, R1) or (B2, R2)).

Wie beispielsweise ein Vergleich der Beispiele 6 und 7 untereinander, der Beispiele 8 und 9 untereinander, der Beispiele 10 und 11 untereinander, der Beispiele 12 und 13 mit Beispiel 1, der Beispiele 14 und 15 mit Beispiel 2 und der Beispiele 16 und 17 mit Beispiel 3 zeigt, führt außerdem die Verwendung eines Polyetheretherketons im und/oder auf dem Fasermaterial des flächigen elektrisch leitfähigen Materials einer Gasdiffusionslage zu einer deutlichen Verringerung des Kontaktwiderstands an deren Grenzfläche zur CCM. Der Kontaktwiderstand kann dabei auch durch das Gewichtsverhältnis von PEEK zu PTFE in der eingesetzten Imprägnierzusammensetzung beeinflusst werden. Der Kontaktwiderstand von erfindungsgemäßen Gasdiffusionslagen mit einer Ruß und Graphit enthaltenden MPL an deren Grenzfläche zur CCM lässt sich somit durch geeignete Wahl der Imprägnierung der Fasermaterials weiter absenken. As shown, for example, by comparing Examples 6 and 7 with each other, Examples 8 and 9 with each other, Examples 10 and 11 with each other, Examples 12 and 13 with Example 1, Examples 14 and 15 with Example 2, and Examples 16 and 17 with Example 3, the use of a polyetheretherketone in and/or on the fiber material of the sheet-like electrically conductive material of a gas diffusion layer leads to a significant reduction in the contact resistance at its interface with the CCM. The contact resistance can also be influenced by the weight ratio of PEEK to PTFE in the impregnation composition used. The contact resistance of gas diffusion layers according to the invention with a carbon black and graphite containing MPL at its interface to the CCM can thus be further reduced by a suitable choice of impregnation of the fiber material.

Claims

Patentansprüche Patent claims 1. Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle, die 1. Gas diffusion layer for a fuel cell, which A) ein flächiges elektrisch leitfähiges Material, das mindestens ein Fasermaterial enthält, wobei das Fasermaterial ausgewählt ist unter Kohlefaser-Vliesstoffen, Kohlefaser-Papieren, Kohlefaser-Geweben und Mischungen davon, und A) a sheet-like electrically conductive material containing at least one fiber material, wherein the fiber material is selected from carbon fiber nonwovens, carbon fiber papers, carbon fiber fabrics and mixtures thereof, and B) eine mikroporöse Lage, enthaltend leitfähige Kohlenstoffpartikel in einer Matrix aus einem polymeren Bindemittel, wobei die leitfähigen Kohlenstoffpartikel Ruß und Graphit umfassen, wobei der Graphitanteil, bezogen auf das Gesamtgewicht von in der mikroporösen Lage enthaltenem Ruß und Graphit, mindestens 50 Gew.-% beträgt, die mindestens einseitig auf dem flächigen elektrisch leitfähigen Material A) aufgebracht ist, umfasst. B) a microporous layer containing conductive carbon particles in a matrix of a polymeric binder, wherein the conductive carbon particles comprise carbon black and graphite, wherein the graphite content, based on the total weight of carbon black and graphite contained in the microporous layer, is at least 50 wt.%, which is applied at least on one side to the sheet-like electrically conductive material A). 2. Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle, die 2. Gas diffusion layer for a fuel cell, which A) ein flächiges elektrisch leitfähiges Material, das mindestens ein Fasermaterial enthält, wobei das Fasermaterial Kohlefaser-Vliesstoff umfasst, und A) a sheet-like electrically conductive material containing at least one fiber material, wherein the fiber material comprises carbon fiber nonwoven fabric, and B) eine mikroporöse Lage, enthaltend leitfähige Kohlenstoffpartikel in einer Matrix aus einem polymeren Bindemittel, wobei die leitfähigen Kohlenstoffpartikel Ruß und Graphit umfassen, wobei der Graphitanteil, bezogen auf das Gesamtgewicht von in der mikroporösen Lage enthaltenem Ruß und Graphit, mindestens 50 Gew.-% beträgt, die mindestens einseitig auf dem flächigen elektrisch leitfähigen Material A) aufgebracht ist, umfasst. B) a microporous layer containing conductive carbon particles in a matrix of a polymeric binder, wherein the conductive carbon particles comprise carbon black and graphite, wherein the graphite content, based on the total weight of carbon black and graphite contained in the microporous layer, is at least 50 wt.%, which is applied at least on one side to the sheet-like electrically conductive material A). 3. Gasdiffusionslage nach Anspruch 1 oder 2, die eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweist: das Graphit weist einen Partikeldurchmesserwert D10 von 0,5 bis 15 pm, vorzugsweise 1 bis 10 pm, insbesondere 3 bis 7 pm, auf, bestimmt nach ISO 13320:2020-01 mittels statischer Lichtstreuung bei 25 °C, das Graphit weist einen Partikeldurchmesserwert D50 von 1 bis 50 pm, vorzugsweise 2 bis 30 pm, insbesondere 10 bis 25 pm, auf, bestimmt nach ISO 13320:2020-01 mittels statischer Lichtstreuung bei 25 °C, das Graphit weist einen Partikeldurchmesserwert D90 von 2 bis 100 pm, vorzugsweise 5 bis 70 pm, insbesondere 30 bis 60 pm, auf, bestimmt nach ISO 13320:2020-01 mittels statischer Lichtstreuung bei 25 °C. 3. Gas diffusion layer according to claim 1 or 2, which has one or more of the following properties: the graphite has a particle diameter value D10 of 0.5 to 15 pm, preferably 1 to 10 pm, in particular 3 to 7 pm, determined according to ISO 13320:2020-01 by means of static light scattering at 25 °C, the graphite has a particle diameter value D50 of 1 to 50 pm, preferably 2 to 30 pm, in particular 10 to 25 pm, determined according to ISO 13320:2020-01 by means of static light scattering at 25 °C, the graphite has a particle diameter value D90 of 2 to 100 pm, preferably 5 to 70 pm, in particular 30 to 60 pm, determined according to ISO 13320:2020-01 by means of static light scattering at 25 °C. 4. Gasdiffusionslage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweist: der Ruß weist einen Partikeldurchmesserwert D10 von 5 bis 50 nm, vorzugsweise 10 bis 30 nm, auf, bestimmt nach ISO 13320:2020-01 mittels statischer Lichtstreuung bei 25 °C, der Ruß weist einen Partikeldurchmesserwert D50 von 20 bis 200 nm, vorzugsweise 50 bis 150 nm, auf, bestimmt nach ISO 13320:2020-01 mittels statischer Lichtstreuung bei 25 °C, der Ruß weist einen Partikeldurchmesserwert D90 von 40 bis 500 nm, vorzugsweise 80 bis 300 nm, auf, bestimmt nach ISO 13320:2020-01 mittels statischer Lichtstreuung bei 25 °C. 4. Gas diffusion layer according to one of claims 1 to 3, which has one or more of the following properties: the carbon black has a particle diameter value D10 of 5 to 50 nm, preferably 10 to 30 nm, determined according to ISO 13320:2020-01 by means of static light scattering at 25 °C, the carbon black has a particle diameter value D50 of 20 to 200 nm, preferably 50 to 150 nm, determined according to ISO 13320:2020-01 by means of static light scattering at 25 °C, the carbon black has a particle diameter value D90 of 40 to 500 nm, preferably 80 to 300 nm, determined according to ISO 13320:2020-01 by means of static light scattering at 25 °C. 5. Gasdiffusionslage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Ruß eine BET- Oberfläche, bestimmt nach der ISO 9277:2010 im Bereich von 10 bis 600 m2/g, bevorzugt von 20 bis 400 m2/g, aufweist. 5. Gas diffusion layer according to one of claims 1 to 4, wherein the carbon black has a BET surface area, determined according to ISO 9277:2010, in the range from 10 to 600 m 2 /g, preferably from 20 to 400 m 2 /g. 6. Gasdiffusionslage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Graphit eine BET- Oberfläche, bestimmt nach der ISO 9277:2010 im Bereich von 0,5 bis 50 m2/g, bevorzugt von 1,0 bis 25 m2/g, aufweist. 6. Gas diffusion layer according to one of claims 1 to 5, wherein the graphite has a BET surface area, determined according to ISO 9277:2010, in the range from 0.5 to 50 m 2 /g, preferably from 1.0 to 25 m 2 /g. 7. Gasdiffusionslage nach einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei das Fasermaterial Kohlefaser-Vliesstoff ist. 7. Gas diffusion layer according to one of the preceding claims, wherein the fiber material is carbon fiber nonwoven fabric. 8. Gasdiffusionslage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fasermaterial mindestens ein Polymer darauf aufgebracht und/oder darin eingebracht enthält. 8. Gas diffusion layer according to one of the preceding claims, wherein the fiber material contains at least one polymer applied thereto and/or incorporated therein. 9. Gasdiffusionslage nach Anspruch 8, wobei das Polymer a1) mindestens ein fluorhaltiges Polymer, vorzugsweise ausgewählt aus Polytetrafluorethylen, Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymeren, Perfluoralkoxy-Polymeren und Mischungen davon, und insbesondere Polytetrafluorethylen, und/oder a2) mindestens ein von a1) verschiedenes Polymer ausgewählt aus Polyaryletherketonen, Polyphenylensulfiden, Polysulfonen, Polyethersulfonen, teilaromatischen (Co)polyamiden, Polyimiden, Polyamidimiden, Polyetherimiden und Mischungen davon, vorzugsweise ausgewählt aus Polyaryletherketonen wie Polyetheretherketonen, umfasst. 9. Gas diffusion layer according to claim 8, wherein the polymer a1) comprises at least one fluorine-containing polymer, preferably selected from polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymers, perfluoroalkoxy polymers and mixtures thereof, and in particular polytetrafluoroethylene, and/or a2) at least one polymer different from a1) selected from polyaryletherketones, polyphenylene sulfides, polysulfones, polyethersulfones, partially aromatic (co)polyamides, polyimides, polyamideimides, polyetherimides and mixtures thereof, preferably selected from polyaryletherketones such as polyetheretherketones. 10. Gasdiffusionslage nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Fasermaterial mindestens ein leitfähigkeitsverbesserndes Additiv a3) darauf aufgebracht und/oder darin eingebracht enthält, wobei das leitfähigkeitsverbessernde Additiv a3) vorzugsweise ausgewählt ist aus Metall parti kein, Ruß, Graphit, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren (CNT), Kohlenstoffnanofasern und Mischungen davon, und insbesondere Ruß ist. 10. Gas diffusion layer according to claim 8 or 9, wherein the fiber material contains at least one conductivity-improving additive a3) applied thereto and/or incorporated therein, wherein the conductivity-improving additive a3) is preferably selected from metal particles, carbon black, graphite, graphene, carbon nanotubes (CNT), carbon nanofibers and mixtures thereof, and in particular carbon black. 11. Gasdiffusionslage nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das flächige elektrisch leitfähige Material A) erhältlich ist durch Beschichten und/oder Imprägnieren des Fasermaterials mit einer vorzugsweise wässrigen Zusammensetzung, die das mindestens eine Polymer und gegebenenfalls weitere Komponenten enthält, und anschließendes Trocknen und/oder Sintern des beschichteten und/oder imprägnierten Fasermaterials, wobei das Sintern durch thermische Behandlung bei einer Temperatur von 250 °C bis 500 °C, vorzugsweise 300 °C bis 450 °C, und insbesondere 350 °C bis 450 °C erfolgt. 11. Gas diffusion layer according to one of claims 8 to 10, wherein the sheet-like electrically conductive material A) is obtainable by coating and/or impregnating the fiber material with a preferably aqueous composition which contains the at least one polymer and optionally further components, and subsequently drying and/or sintering the coated and/or impregnated fiber material, wherein the sintering is carried out by thermal treatment at a temperature of 250 °C to 500 °C, preferably 300 °C to 450 °C, and in particular 350 °C to 450 °C. 12. Gasdiffusionslage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Graphitanteil der mikroporösen Lage, bezogen auf das Gesamtgewicht von in der mikroporösen Lage enthaltenem Ruß und Graphit, 50 bis 90 Gew.-%, bevorzugter 60 bis 85 Gew.-%, und insbesondere 65 bis 80 Gew.-%, wie zum Beispiel 70 bis 75 Gew.-% beträgt. 12. Gas diffusion layer according to one of the preceding claims, wherein the graphite content of the microporous layer, based on the total weight of carbon black and graphite contained in the microporous layer, is 50 to 90 wt.%, more preferably 60 to 85 wt.%, and in particular 65 to 80 wt.%, such as 70 to 75 wt.%. 13. Gasdiffusionslage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der mikroporösen Lage Ruß in einem Anteil von 10 bis 45 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 40 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der mikroporösen Lage, enthalten ist. 13. Gas diffusion layer according to one of the preceding claims, wherein the microporous layer contains carbon black in a proportion of 10 to 45 wt.%, preferably 15 to 40 wt.%, based on the total weight of the microporous layer. 14. Gasdiffusionslage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der mikroporösen Lage Graphit in einem Anteil von 30 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise 40 bis 70 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der mikroporösen Lage, enthalten ist. 14. Gas diffusion layer according to one of the preceding claims, wherein the microporous layer contains graphite in a proportion of 30 to 80 wt.%, preferably 40 to 70 wt.%, based on the total weight of the microporous layer. 15. Gasdiffusionslage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der mikroporösen Lage das polymere Bindemittel in einem Anteil von 5 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 30 Gew.-%, insbesondere 20 bis 25 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der mikroporösen Lage, enthalten ist. 15. Gas diffusion layer according to one of the preceding claims, wherein the polymeric binder is contained in the microporous layer in a proportion of 5 to 50 wt.%, preferably 15 to 30 wt.%, in particular 20 to 25 wt.%, based on the total weight of the microporous layer. 16. Gasdiffusionslage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das polymere Bindemittel der mikroporösen Lage ein fluorhaltiges Polymer wie zum Beispiel Polytetrafluorethylen umfasst und vorzugsweise ist. 16. A gas diffusion layer according to any one of the preceding claims, wherein the polymeric binder of the microporous layer comprises, and is preferably, a fluorine-containing polymer such as polytetrafluoroethylene. 17. Gasdiffusionslage nach einem der vorhergenenden Ansprüche, wobei die mikroporöse Lage B) erhältlich ist durch Beschichten des flächigen elektrisch leitfähigen Materials A) mit einer vorzugsweise wässrigen Zusammensetzung, die die leitfähigen Kohlenstoffpartikel und das polymere Bindemittel enthält, und anschließendes Trocknen und/oder Sintern des beschichteten Materials A), wobei das Sintern durch thermische Behandlung bei einer Temperatur von 250 °C bis 500 °C, vorzugsweise 300 °C bis 450 °C, und insbesondere 350 °C bis 450 °C erfolgt. 17. Gas diffusion layer according to one of the preceding claims, wherein the microporous layer B) is obtainable by coating the sheet-like electrically conductive material A) with a preferably aqueous composition containing the conductive carbon particles and the polymeric binder, and subsequently drying and/or sintering the coated material A), wherein the sintering is carried out by thermal treatment at a temperature of 250 °C to 500 °C, preferably 300 °C to 450 °C, and in particular 350 °C to 450 °C. 18. Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 8 bis 17, bei dem i) das Fasermaterial mit einer vorzugsweise wässrigen Zusammensetzung beschichtet und/oder imprägniert wird, die das mindestens eine Polymer und gegebenenfalls weitere Komponenten enthält, und das beschichtete und/oder imprägnierte Fasermaterial anschließend getrocknet und/oder gesintert wird, wobei die Sinterung durch thermische Behandlung bei einer Temperatur von 250 °C bis 500 °C, vorzugsweise 300 °C bis 450 °C, und insbesondere 350 °C bis 450 °C erfolgt, so dass sich das flächige elektrisch leitfähige Material A) ergibt, und anschließend ii) das flächige elektrisch leitfähige Material A) mit einer vorzugsweise wässrigen Zusammensetzung beschichtet wird, die die leitfähigen Kohlenstoffpartikel und das polymere Bindemittel enthält, und das beschichtete Material A) anschließend getrocknet und/oder gesintert wird, wobei die Sinterung durch thermische Behandlung bei einer Temperatur von 250 °C bis 500 °C, vorzugsweise 300 °C bis 450 °C, und insbesondere 350 °C bis 450 °C erfolgt, so dass sich die mikroporöse Lage ergibt. 18. A method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell according to one of claims 8 to 17, in which i) the fiber material is coated and/or impregnated with a preferably aqueous composition containing the at least one polymer and optionally further components, and the coated and/or impregnated fiber material is subsequently dried and/or sintered, wherein the sintering is carried out by thermal treatment at a temperature of 250°C to 500°C, preferably 300°C to 450°C, and in particular 350°C to 450°C, so that the sheet-like electrically conductive material A) is obtained, and subsequently ii) the sheet-like electrically conductive material A) is coated with a preferably aqueous composition containing the conductive carbon particles and the polymeric binder, and the coated material A) is subsequently dried and/or sintered, wherein the sintering is carried out by thermal treatment at a temperature of 250°C to 500°C °C, preferably 300 °C to 450 °C, and in particular 350 °C to 450 °C, so that the microporous layer is formed. 19. Brennstoffzelle umfassend mindestens eine Gasdiffusionslage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17. 19. A fuel cell comprising at least one gas diffusion layer according to one of claims 1 to 17. 20. Brennstoffzelle nach Anspruch 19 umfassend eine Polymer-Elektrolyt-Membran, auf die eine Katalysatorschicht aufgebracht ist, wobei die Katalysatorschicht mit der Oberfläche der mikroporösen Lage der Gasdiffusionslage in Kontakt ist. 20. A fuel cell according to claim 19 comprising a polymer electrolyte membrane having a catalyst layer applied thereto, wherein the catalyst layer is in contact with the surface of the microporous layer of the gas diffusion layer. 21. Verwendung einer Gasdiffusionslage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17 in einer Brennstoffzelle, wobei die Brennstoffzelle vorzugsweise eine Polymer-Elektrolyt- Membran-Brennstoffzelle ist. 21. Use of a gas diffusion layer according to one of claims 1 to 17 in a fuel cell, wherein the fuel cell is preferably a polymer electrolyte membrane fuel cell. 22. Verwendung einer Gasdiffusionslage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17 in einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle zur Verringerung des Kontaktwiderstands an der Grenzfläche zwischen der mikroporösen Lage der Gasdiffusionslage und der auf der Polymer-Elektrolyt-Membran aufgebrachten Katalysatorschicht, vor allem im Bereich der Kanäle der Bipolarplatte der Brennstoffzelle, wie insbesondere im Bereich des Zentrums der Kanäle. 22. Use of a gas diffusion layer according to one of claims 1 to 17 in a polymer electrolyte membrane fuel cell for reducing the contact resistance at the interface between the microporous layer of the Gas diffusion layer and the catalyst layer applied to the polymer electrolyte membrane, especially in the area of the channels of the bipolar plate of the fuel cell, such as in particular in the area of the center of the channels. 23. Verwendung von leitfähigen Kohlenstoffpartikeln umfassend Ruß und Graphit in der mikroporösen Lage einer vorzugsweise wie in einem der Ansprüche 1 bis 17 definierten Gasdiffusionslage zur Verringerung des Kontaktwiderstands an der Grenzfläche zwischen der mikroporösen Lage der Gasdiffusionslage und der auf der Polymer-Elektrolyt-Membran einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle aufgebrachten Katalysatorschicht, vor allem im Bereich der Kanäle der Bipolarplatte der Brennstoffzelle, wie insbesondere im Bereich des Zentrums der Kanäle. 23. Use of conductive carbon particles comprising carbon black and graphite in the microporous layer of a gas diffusion layer, preferably as defined in one of claims 1 to 17, for reducing the contact resistance at the interface between the microporous layer of the gas diffusion layer and the catalyst layer applied to the polymer electrolyte membrane of a polymer electrolyte membrane fuel cell, especially in the region of the channels of the bipolar plate of the fuel cell, such as in particular in the region of the center of the channels. 24. Verwendung eines Polymers ausgewählt aus Polyaryletherketonen, Polyphenylensulfiden, Polysulfonen, Polyethersulfonen, teilaromatischen (Co)polyamiden, Polyimiden, Polyamidimiden, Polyetherimiden und Mischungen davon, vorzugsweise eines Polyaryletherketons wie Polyetheretherketons, im und/oder auf dem Fasermaterial einer Gasdiffusionslage, die vorzugsweise wie in einem der Ansprüche 1 bis 17 definiert ist, zur Verringerung des Kontaktwiderstands an der Grenzfläche zwischen der Gasdiffusionslage und der auf der Polymer- Elektrolyt-Membran einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle aufgebrachten Katalysatorschicht, vor allem im Bereich der Kanäle der Bipolarplatte der Brennstoffzelle, wie insbesondere im Bereich des Zentrums der Kanäle. 24. Use of a polymer selected from polyaryletherketones, polyphenylene sulfides, polysulfones, polyethersulfones, partially aromatic (co)polyamides, polyimides, polyamideimides, polyetherimides and mixtures thereof, preferably a polyaryletherketone such as polyetheretherketone, in and/or on the fiber material of a gas diffusion layer, which is preferably as defined in one of claims 1 to 17, for reducing the contact resistance at the interface between the gas diffusion layer and the catalyst layer applied to the polymer electrolyte membrane of a polymer electrolyte membrane fuel cell, especially in the region of the channels of the bipolar plate of the fuel cell, such as in particular in the region of the center of the channels.
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