DE10048182A1 - Verbundananordnung zur Gasverteilung bei Brennstoffzellen - Google Patents
Verbundananordnung zur Gasverteilung bei BrennstoffzellenInfo
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Abstract
Es ist eine mehrlagige Gasverteilungsanordnung zur Verwendung mit einem Membranelektrodenaufbau einer PEM-Brennstoffzelle vorgesehen. Die Lagen der mehrlagigen Diffusionsanordnung besitzen ausgewählte chemische und physikalische Eigenschaften. Zusammen erleichtern die Lagen einen Transport von Reaktandengas zu der Elektrode, während die Wasserführung verbessert ist.
Description
Diese Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und insbesondere ein
System bestehend aus mehreren Zellen, die ein H2-reiches Gas verbrau
chen, um Energie für einen Fahrzeugantrieb zu erzeugen.
Brennstoffzellen sind bei vielen Anwendungen als eine Energiequelle ver
wendet und zur Verwendung bei elektrischen Fahrzeugtriebwerken als Er
satz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Bei Brennstoffzellen
vom Typ mit Protonenaustauschmembran (PEM) wird Wasserstoff an die
Anode der Brennstoffzelle und Sauerstoff als das Oxidationsmittel an die
Kathode geliefert. PEM-Brennstoffzellen umfassen einen Membranelektro
denaufbau (MEA), der einen dünnen, protonendurchlässigen, nicht elek
trisch leitfähigen Festpolymermembranelektrolyten umfaßt, der auf einer
seiner Seiten die Anode und auf der gegenüberliegenden Seite die Kathode
aufweist. Der MEA ist zwischen ein Paar elektrisch leitfähiger Elemente
geschichtet, die (1) als Stromkollektoren für die Anode und Kathode die
nen und (2) geeignete Kanäle und/oder Öffnungen darin zur Verteilung
der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der
jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren aufweisen. Es ist eine
Vielzahl einzelner Zellen gemeinsam zusammengebündelt, um einen PEM-
Brennstoffzellenstapel zu bilden. Der Begriff "Brennstoffzelle" wird typischerweise
zur Bezeichnung entweder einer einzelnen Zelle oder einer
Vielzahl von Zellen (Stapel) abhängig von dem jeweiligen Zusammenhang
verwendet. Eine Gruppe von Zellen in dem Stapel wird als ein Cluster be
zeichnet. Typische Anordnungen von mehreren Zellen in einem Stapel
sind in dem U.S. Patent Nr. 5,763,113 beschrieben, das der General Mo
tors Corporation übertragen ist.
Bei PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff (H2) der Anodenreaktant (d. h.
Brennstoff) und Sauerstoff ist der Kathodenreaktant (d. h. Oxidationsmit
tel). Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O2) vorliegen oder Luft
(eine Mischung aus O2 und N2) sein. Die Festpolymerelektrolyten bestehen
typischerweise aus Ionenaustauschharzen, wie beispielsweise perfluorier
ter Sulfonsäure. Die Anode/Kathode umfaßt typischerweise fein unter
teilte katalytische Partikel, die oftmals auf Kohlenstoffpartikeln in Mi
schung mit einem protonenleitfähigen Harz getragen sind. Die katalyti
schen Partikel sind typischerweise sehr teure Metallpartikel. Diese Mem
branelektrodenaufbauten, die die mit Katalysator versehenen Elektroden
umfassen, sind relativ teuer herzustellen und erfordern gewisse gesteuerte
Zustände, um eine Schädigung/Verschlechterung derselben zu vermei
den.
Bei Kraftfahrzeuganwendungen ist es erwünscht, einen Flüssigbrennstoff,
wie beispielsweise einen Alkohol (beispielsweise Methanol oder Ethanol)
oder Kohlenwasserstoffe (beispielsweise Benzin) als Wasserstoffquelle für
die Brennstoffzelle zu verwenden. Derartige Flüssigbrennstoffe für das
Fahrzeug sind leicht an Bord zu speichern und es besteht eine breite In
frastruktur zur Lieferung von Flüssigbrennstoffen. Jedoch müssen derar
tige Brennstoffe aufgespalten werden, um den Wasserstoffgehalt derselben
zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Brennstoff freizugeben. Die Auf
spaltungsreaktion wird heterogen in einer chemischen Brennstoffbe
handlungseinrichtung erreicht, die als Reformer bekannt ist, der über eine
gesamte Katalysatormasse thermische Energie liefert und ein reformiertes
Gas erzielt, das hauptsächlich Wasserstoff und Kohlendioxid umfaßt. Bei
spielsweise reagieren in dem Dampf-Methanol-Reformierungsprozeß
Methanol und Wasser (als Dampf) idealerweise zu Wasserstoff und Koh
lendioxid. Die Reformierungsreaktion ist eine endotherme Reaktion, die
externe Hitze erfordert, damit die Reaktion stattfinden kann.
Brennstoffzellensysteme, die einen Kohlenwasserstoffbrennstoff verarbei
ten, um ein wasserstoffreiches Reformat zum Verbrauch durch PEM-
Brennstoffzellen zu erzeugen, sind bekannt und in den ebenfalls anhängi
gen U.S. Patentanmeldungen Seriennummern 08/975,422 und
08/980,087, die im November 1997 eingereicht wurden, und U.S. Serien
nummer 09/187,125, die im November 1998 eingereicht wurde, beschrie
ben, die jeweils auf die General Motors Corporation übertragen sind und
auf die auch die vorliegende Erfindung übertragen ist. Eine typische PEM-
Brennstoffzelle und ihr Membranelektrodenaufbau (MEA) sind in den U.S.
Patenten Nr. 5,272,017 und 5,316,871 beschrieben, die am 21. Dezember
1993 bzw. 31. Mai 1994 eingereicht wurden und auf die General Motors
Corporation übertragen sind.
Ein effizienter Betrieb einer Brennstoffzelle hängt von der Fähigkeit ab,
Reaktandengase an katalytischen Stellen der Elektrode wirksam zu ver
teilen, an denen eine Reaktion stattfindet. Zusätzlich ist eine wirksame
Entfernung von Reaktionsprodukten erforderlich, um so den Fluß von fri
schen Reaktanden zu den katalytischen Stellen nicht zu hemmen. Daher
ist es erwünscht, die Mobilität von Reaktanden und Produktarten zu und
von dem MEA, an dem die Reaktion stattfindet, zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Diffusionsanordnung, die einen
Massentransport zu und von einer Elektrode in einem Membranelektro
denaufbau (MEA) einer Brennstoffzelle steigert. Die Diffusionsanordnung
wirkt mit einer Elektrode an einer Hauptfläche der Elektrode gegenüber
liegend dem Membranelektrolyten der Zelle zusammen und steht mit die
ser in Wechselwirkung. Die Diffusionsanordnung ist ein Verbunddiffusi
onsmedium, das die Lieferung von Reaktandengas zu der Elektrode er
leichtert. Die Diffusionsanordnung erleichtert auch die Bewegung von
Wasser. Die Diffusionsanordnung umfaßt eine charakteristische Hauptla
ge, die zwei oder mehr Abschnitte aufweist, von denen jeder Eigenschaften
aufweist, die unten definiert sind und Hydrophobie und Oberflächenener
gie umfassen. Die Hauptlage ist allein dazu verwendbar, als eine Diffusi
onsanordnung zu wirken. Sie wird jedoch bevorzugt mit einer Absorpti
onslage und einer Desorptionslage auf jeweiligen Seiten der Hauptlage
kombiniert, um eine bevorzugte Diffusionsanordnung zu bilden.
Die Diffusionsanordnung umfaßt vorzugsweise eine Absorptionslage, die
ein erstes elektrisch leitfähiges Material aufweist. Die Absorptionslage
weist eine Oberfläche auf, die zu der Hauptfläche der Elektrodenanord
nung weist oder mit dieser in Eingriff steht, wobei die Absorptionslage
Wasser von der Elektrodenanordnung aufnimmt. Wasser ist ein Produkt
der Reaktion in der Zelle zwischen Wasserstoff und Luft an der Kathode.
Die Diffusionsanordnung umfaßt auch die Hauptlage, die ein zweites
elektrisch leitfähiges Material aufweist. Die Hauptlage weist eine Oberflä
che auf, die zu einer Hauptfläche der Absorptionslage gegenüberliegend
der Elektrodenanordnung weist oder mit dieser in Eingriff steht. Die
Hauptlage weist zumindest zwei Abschnitte auf, wobei der erste Abschnitt
weniger hydrophob als der zweite Abschnitt ist. Der erste Abschnitt liegt
der Absorptionslage am nächsten.
Die Diffusionsanordnung umfaßt ferner bevorzugt eine Desorptionslage,
die ein drittes elektrisch leitfähiges Material aufweist. Die Desorptionslage
weist eine Oberfläche, die zu dem zweiten Abschnitt der Hauptlage weist
oder mit diesem in Eingriff steht, und eine gegenüberliegende Oberfläche
auf, die von der Elektrodenanordnung weg weist. An dieser gegenüberlie
genden Oberfläche der Desorptionslage wird Wasser freigegeben.
Vorzugsweise umfaßt die Hauptlage zumindest einen Zwischenabschnitt
zwischen den ersten und zweiten Abschnitten, wobei die Hydrophobie je
des der Zwischenabschnitte größer als bei dem ersten Abschnitt und klei
ner als bei dem zweiten Abschnitt ist. Bevorzugt ist der hydrophobe Cha
rakter jedes Zwischenabschnittes so gewählt, daß die Hydrophobie in ei
ner Richtung weg von dem Membranelektrodenaufbau ansteigt. Bevorzugt
ist zwischen den ersten und zweiten Abschnitten eine Vielzahl von Zwi
schenlagen mit abnehmender Oberflächenenergie und ansteigender Hy
drophobie in der Richtung von dem ersten Abschnitt zu dem zweiten Ab
schnitt angeordnet. Vorzugsweise ist die Diffusionsanordnung ferner da
durch gekennzeichnet, daß in einer Richtung von der Elektrode in Rich
tung der gegenüberliegenden Oberfläche der Desorptionslage die Hydro
phobie ansteigt und die Oberflächenenergie abnimmt.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung sind spezifische Materialien für
die Absorptionslage, die Hauptlage und die Desorptionslage so gewählt,
um die Eigenschaften von Oberflächenenergie, Hydrophobie und entspre
chender Hydrophilie zu schaffen und die Bewegung von Reaktandengasen
in einer Richtung zu dem Membranelektrodenaufbau zu optimieren und
Produktgase und Wasser in einer Richtung weg von dem Membranelektro
denaufbau zu bewegen. Demgemäß umfaßt die Absorptionslage bevorzugt
das erste elektrisch leitfähige Material, das in einem fluorinierten Poly
merbinder (PVDF) dispergiert ist. Der erste Abschnitt der Hauptlage be
steht bevorzugt im wesentlichen aus dem zweiten elektrisch leitfähigen
Material. Der zweite Abschnitt der Hauptlage umfaßt das zweite elektrisch
leitfähige Material vermischt mit Polytetrafluorethylen (PTFE). Die Ge
wichtsmenge des PTFE ist kleiner als die Menge des elektrisch leitfähigen
Materials in dem zweiten Abschnitt. Die Desorptionslage umfaßt vorzugs
weise das dritte elektrisch leitfähige Material vermischt mit PTFE, und die
Menge an PTFE relativ zu dem dritten elektrisch leitfähigen Material ist
größer als die Menge an PTFE relativ zu dem zweiten elektrisch leitfähigen
Material in dem zweiten Abschnitt der Hauptlage. Bei einem Aspekt unter
scheiden sich die drei elektrisch leitfähigen Materialien voneinander.
Bei einem anderen Aspekt werden die Eigenschaften der Lagen durch Be
zugnahme auf bestimmte bezifferte Oberflächen der Lagen besser ver
ständlich. Die Elektrodenanordnung weist eine erste Oberfläche auf, die
zu dem Elektrolyten weist oder mit diesem in Eingriff steht, um einen Teil
des MEA zu bilden. Die zweite Oberfläche der Elektrodenanordnung weist
zu der dritten Oberfläche der Absorptionslage oder steht mit dieser in Ein
griff. Die vierte Oberfläche der Absorptionslage weist zu der fünften Oberfläche
der Hauptlage oder steht mit dieser in Eingriff, und die sechste
Oberfläche der Hauptlage weist zu der siebten Oberfläche der Desorpti
onslage oder steht mit dieser in Eingriff. Die achte Oberfläche der Desorp
tionslage ist von dem MEA am weitesten entfernt. Hier umfaßt die Haupt
lage zumindest zwei Abschnitte, wobei der erste Abschnitt der Hauptlage
benachbart ihrer fünften Oberfläche und der zweite Abschnitt der Haupt
lage benachbart ihrer sechsten Oberfläche angeordnet ist. Der erste Ab
schnitt weist ein Material mit einer Oberflächenenergie auf, die größer als
die Oberflächenenergie des Materials des zweiten Abschnittes ist. Hier ist
zwischen den fünften und sechsten Oberflächen der Hauptlage eine ab
nehmende Oberflächenenergie vorgesehen. Wie oben beschrieben ist,
umfaßt die Hauptlage bevorzugt zumindest einen Zwischenabschnitt zwi
schen den ersten und zweiten Abschnitten. Die Oberflächenenergie der
Materialien jedes Zwischenabschnittes liegt zwischen der Oberfläche
nenergie des Materials des ersten Abschnittes und der des Materials des
zweiten Abschnittes.
Bevorzugt ist die Oberflächenenergie des Materials der vierten Oberfläche
der Absorptionslage und der fünften Oberfläche der Hauptlage ähnlich.
Bevorzugt ist die Oberflächenenergie der Materialien der sechsten Oberflä
che der Hauptlage und der siebten Oberfläche der Desorptionslage ähnlich
und sind von den Oberflächenenergien der Materialien der vierten und
fünften Oberflächen ausgeprägt verschieden. Bevorzugt besteht die Ab
sorptionslage, die Hauptlage und die Desorptionslage aus Materialien, die
zwischen der zweiten Oberfläche der Elektrodenanordnung und der ach
ten Oberfläche der Desorptionslage eine abnehmende Oberflächenenergie
vorsehen, die die Oberfläche der Diffusionsanordnung darstellt, die von
dem MEA am weitesten entfernt ist.
Bei einem anderen Aspekt sieht die Erfindung eine Diffusionsanordnung
vor, die die Eigenschaften der Hauptlage aufweist, die zumindest zwei Ab
schnitte aufweist, die durch abnehmende Oberflächenenergie und anstei
gende Hydrophobie in einer Richtung von der Elektrodenfläche auswärts
gekennzeichnet sind. Die Hauptlage, die die oben beschriebenen Merk
male aufweist, wird allein oder in Kombination mit irgendwelchen Absorp
tions- und Desorptionslagen, wie oben beschrieben, verwendet. Daher
wird gegebenenfalls eine Absorptionslage zwischen die Hauptlage und die
Elektrodenlage dazwischengeschichtet. Gegebenenfalls wird eine Desorpti
ons-Absorptions-Lage in Kombination mit der Hauptlage verwendet. Ob
wohl es möglich ist, die Hauptlage mit ihren spezifischen Eigenschaften
als die einzige Lage zum Transport von reaktiven Gasen, Produktgasen
und insbesondere Wasser zu verwenden, ist es bevorzugt, die Hauptlage in
Kombination mit einer Absorptionslage zu verwenden, die aus einem
elektrisch leitfähigen Material besteht, das von dem elektrisch leitfähigen
Material, das in der Hauptlage vorgesehen ist, verschieden ist. Die Kombi
nation wird ferner durch die Verwendung der Desorptionslage gesteigert,
die ein anderes elektrisch leitfähiges Material umfaßt, das von dem elek
trisch leitfähigen Material, das in der Hauptlage und der Absorptionslage
vorgesehen ist, verschieden ist.
Die vorliegende Diffusionsanordnung verteilt bei Verwendung in Kombi
nation mit einem Membranelektrodenaufbau und insbesondere der Ka
thodenanordnung eines derartigen Aufbaus Reaktandengase wirksam an
den katalytischen Stellen der Elektrode, an der die Reaktion stattfindet.
Zusätzlich entfernt die Diffusionsanordnung Reaktionsprodukte, insbe
sondere Wasser, wirksam, um so den Fluß frischer Reaktanden an die
katalytische Stelle nicht zu hemmen. Daher sieht die Diffusionsanordnung
der Erfindung die erwünschten Merkmale einer verbesserten Mobilität der
Reaktanden und Produktarten zu und von dem MEA vor, um dessen Lei
stungsfähigkeit zu erleichtern und zu steigern.
Die verschiedenen Merkmale, Vorteile und anderen Anwendungen der
vorliegenden Erfindung werden durch Bezugnahme auf die folgende Be
schreibung und die Zeichnungen offensichtlicher, in denen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines nicht zusammengebauten
Brennstoffzellenaufbaues ist, der einen Membranelektro
denaufbau und eine Diffusionsanordnung gemäß der Erfin
dung aufweist,
Fig. 2 eine bildliche Darstellung eines Querschnittes eines Mem
branelektrodenaufbaues gemäß der Erfindung,
Fig. 3 eine Explosionsansicht im Schnitt einer mehrlagigen Diffu
sionsanordnung ist,
Fig. 4 ein Diagramm ist, das Ausdrucke von Kontaktwinkel ge
genüber der Zeit für Proben aus Graphitfaserpapier der
Marke Toray, behandelt und unbehandelt, wie bei Beispiel
1, zeigt,
Fig. 5 ein Diagramm ist, das Ausdrucke von Kontaktwinkel ge
genüber der Zeit für Proben aus Graphitfaserpapier der
Marke Spectracarb, behandelt und unbehandelt, wie bei
Beispiel 1, zeigt,
Fig. 6 Ausdrucke der Oberflächenenergie und Materialkonstanten
des Graphitfaserpapiers der Marke Toray gegenüber ver
schiedenen Werten von PTFE-Gewichtsprozentsätzen um
faßt,
Fig. 7 einen Ausdruck eines abnehmenden Oberflächenenergie
profils für eine mehrlagige Diffusionsanordnung darstellt,
die wie bei Beispiel 2 hergestellt ist.
Bei einem Aspekt ist eine mehrlagiger Gasverteilungsanordnung zur Ver
wendung mit einem Membranelektrodenaufbau einer PEM-Brennstoffzelle
vorgesehen. Die Lagen der mehrlagigen Diffusionsanordnung besitzen
ausgewählte chemische und physikalische Eigenschaften. Zusammen er
leichtern die Lagen den Transport von Reaktandengas zu der Elektrode,
während die Wasserführung verbessert wird. Wasser ist das Produkt der
Brennstoffzellenreaktionen. Diese aus Lagen bestehende Anordnung ist
insbesondere bei Anwendung auf die Außenfläche der Kathodenelektrode
nützlich. Dies ist die Kathodenoberfläche, die von denn Membranelektro
denaufbau (MEA) wegweist. Der Begriff "Membranelektrodenaufbau", wie
er hier verwendet ist, bezeichnet die Kombination der Festpolymermem
bran und katalytischer Elektrodenreaktionslagen darauf in dem Brennstoffzellenaufbau
ungeachtet der Konfiguration oder des Herstellungsver
fahrens. Die Lage aus Membranmaterial, die den Katalysator umfaßt, ist
als die "aktive" Lage bezeichnet, ungeachtet dessen, ob der Katalysator in
eine diskrete Lage aus Polymer eingeschlossen oder an die Oberfläche der
Membran aufgebracht oder darauf laminiert ist oder in der Membran
selbst eingeschlossen ist.
In Fig. 1 ist ein Schema eines Brennstoffzellenaufbaues 50 mit Protonen
austauschmembran (PEM) gezeigt. Der Aufbau umfaßt den Membran
elektrodenaufbau 3 (Fig. 2), der eine Ionomermembran 9 umfaßt. Eine
Anodenelektrode 10 ist auf einer Seite der Membran 9 angeordnet und ei
ne Kathodenelektrode 8 ist auf der anderen Seite angeordnet. Eine Katho
dendiffusionsanordnung 7 ist auf der Seite der Kathodenelektrode 8 ange
ordnet, die von der Membran 9 wegweist. Eine Anodendiffusionsanord
nung 11 ist auf der Seite der Anode angeordnet, der von der Membran 9
wegweist. Die Anodenseite umfaßt ferner eine Platte 5 (Fig. 1), die als eine
Gasverteilung und als Stromkollektor dient. Die Platte 5 kann eine End
platte oder eine bipolare Platte sein, die dazu dient, benachbarte Zellen in
einem Brennstoffzellenstapel zu trennen. Optional dazu ist zwischen der
Anordnung 11 und der Platte 5 eine Dichtung 4 vorgesehen. Die Platte 5
weist Oberflächenmerkmale in der Form von Ausnehmungen, die einen
Brennstoffgasflußkanal 6 vorsehen, und ein nicht ausgenommenes Merk
mal auf, das als Stege 18 bezeichnet ist. Die Kathodenseite ist ähnlich
konfiguriert und weist eine Platte 1 auf, die Oberflächenmerkmale besitzt,
die vorher für die Anode beschrieben worden sind, um Oxidationsmittel
gas zu verteilen, und ist elektrisch leitfähig. Optional dazu ist zwischen
der Diffusionsanordnung 7 und der Platte 1 eine Dichtung 2 vorgesehen.
Bei der elektrochemischen Brennstoffzelle 50 der Erfindung ist die Mem
bran 9 eine kationenpermeable, protonenleitfähige Membran mit H+-Ionen
als dem mobilen Ion, wobei das Brennstoffgas Wasserstoff und das Oxida
tionsmittel Sauerstoff oder Luft ist. Die Gesamtzellenreaktion ist die Oxi
dation von Wasserstoff zu Wasser und die jeweiligen Reaktionen an der
Anode 10 und der Kathode 8 sind wie folgt:
H2 = 2H+ + 2e
1/2O2 + 2H+ + 2e = H2O
Da als das Brennstoffgas Wasserstoff verwendet wird, ist das Produkt der
Gesamtzellenreaktion Wasser. Typischerweise wird an der Kathode 8 das
Produkt Wasser abgewiesen, die eine poröse Elektrode mit einer Elektro
katalysatorlage auf der Sauerstoffseite ist. Bei früheren Zellen verflüch
tigte sich Wasser einfach durch Fluß oder durch Verdampfung/Verdun
stung. Jedoch sind nun Mittel vorgesehen, um das Wasser zu sammeln,
wenn es gebildet wird, und es von dem MEA der Zelle weg zu leiten.
Die Wasserführung in der Zelle ist wichtig und stellt einen Schlüssel für
den erfolgreichen Langzeitbetrieb einer elektrochemischen Brennstoffzelle,
wie in Fig. 1 gezeigt ist, und ihrem MEA, wie insbesondere in Fig. 2 gezeigt
ist, dar. Räumliche Variationen des Wassergehaltes innerhalb der Poly
merelektrolytmembran 9 einer stromführenden Brennstoffzelle resultieren
aus einem elektroosmotischen Abziehen von Wasser mit einem Protonen
transport (H+) von Anode zu Kathode, der Erzeugung von Wasser durch
die Sauerstoffreduzierungsreaktion an der Kathode, Feuchtigkeitsbedingungen
des Einlaßgasstromes und "Rückdiffusion" von Wasser von der
Kathode zur Anode.
Bei der gemäß der Erfindung hergestellten Brennstoffzelle unterstützt die
Diffusionsanordnung die Wasserführung in der Zelle. Vor der weiteren Be
schreibung der Erfindung ist es nützlich, die Wasserführungsprobleme,
denen PEM-Brennstoffzellen ausgesetzt sind, und die Konstruktionskrite
rien zu verstehen, die gemäß der vorliegenden Erfindung entwickelt wor
den sind, um derartige Probleme zu bewältigen.
Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEM) gemäß der Erfin
dung besitzen die Diffusionsanordnungen 7 und 11 benachbart oder in
Eingriff mit sowohl der Kathode als auch der Anode, so daß die gesamte
Oberfläche der Elektrodenreaktionslagen 8 und 10 verwendet wird (siehe
Fig. 1 und 2). Die Diffusionsanordnung wirkt als Diffusionsmedium, um
mit der Elektrode und dem starren, nicht porösen Material zusammenzu
wirken, das für Platten 1, 5 verwendet wird, die Flußfeldkanäle (Nuten) 6,
12 aufweisen. Die Elektronen werden durch die Stege 18 geleitet, die die
Kanäle der Flußfelder in den bipolaren Platten 1, 5 definieren. Wenn dort
keine Diffusionsanordnung vorhanden wäre, würden die Stege 18 einen
Gastransport zu den Abschnitten der Elektrodenreaktionslage, mit denen
sie in Eingriff stehen, blockieren und einen Zugriff darauf durch die jewei
ligen H2- und O2-Reaktanden verhindern.
Die Diffusionsanordnungen schützen die Elektrodenreaktionslagen 8, 10
auch dadurch, daß ihre komplizierten und empfindlichen Strukturen in
takt gehalten und eine bauliche Aufnahme für den Umfangsbereich der
Ionomermembran 9 geschaffen wird. Verglichen zu früheren Zellen fügt
eine Einfügung der Diffusionsmedien in moderne PEM-Brennstoffzellen
wirksam eine Massentransportbarriere und eine zusätzliche Schnittstelle
für sowohl die Anode als auch die Kathode hinzu. Daher muß die Katho
dendiffusionsanordnung so konstruiert und aufgebaut sein, um über
schüssiges flüssiges Wasser in der entgegengesetzten Richtung des
Dampfphasenreaktandenflusses (entlang der z-Achse) zu transportieren,
ohne daß der Dampftransport erheblich gehemmt wird. Dies ist insbeson
dere der Fall, wenn die Betriebstemperatur niedrig (kleiner als etwa 80°C),
der Betriebsdruck hoch (größer als etwa 200 kPa absolut) und die relative
Kathodenfeuchtigkeit größer als 25% ist. Der Grund dafür ist, daß, je hö
her der Druck und je niedriger die Temperatur ist, um so niedriger die
Möglichkeit ist, daß Wasser in die Dampfphase übertritt. Diese Situation
kann schädliche Flutbedingungen an der Kathodenseite insbesondere bei
hohen Stromdichten (größer als etwa 0,5 A/cm2) bewirken.
PEM-Brennstoffzellen sind mit ansteigendem Druck leistungsfähiger und
das typische Kraftfahrzeugsystem erfordert, daß der/die PEM-
Brennstoffzellenstapel bei mehr als etwa 0,8 A/cm2 arbeiten, um genug
Leistung zu erbringen. Eine weitere Konstruktionsherausforderung ist,
daß, solange die Protonenaustauschmembran selbst eine mobile Phase
erfordert, um ausreichend ionisch leitfähig zu sein (d. h. Protonen mit ei
ner ausreichenden Rate zu transportieren, um die Elektroreduktion von
Sauerstoffmolekülen aufrechtzuerhalten), dann flüssiges Wasser in einem
bestimmten Ausmaß direkt benachbart der Membran vorhanden sein
muß. Genauer ist es experimentell verifiziert worden, daß polysulfonierte
Fluoroionomere, wie beispielsweise Nafion(s)TM und GORE-SELECTTM (die
gegenwärtigen Membranmaterialien nach dem Stand der Technik für
PEM-Brennstoffzellen) bis zu 20 Wassermoleküle pro Proton erfordern
können, um in einer PEM-Brennstoffzelle richtig zu funktionieren.
Die Schlußfolgerung ist dann, daß, wenn ein PEM-Brennstoffzellenstapel
ausreichend Energie für ein Kraftfahrzeugsystem vorsieht, während bei
höheren Drücken und höheren Stromdichten (unter Verwendung gegen
wärtiger Protonenaustauschmembranmaterialien nach dem Stand der
Technik) gearbeitet wird, dann eine Kathodendiffusionsanordnung vor
handen sein muß, die das praktisch gesamte flüssige Wasser an der Ka
thode entfernen kann, das nicht erforderlich ist und durch die Membran
absorbiert wird. Die Diffusionsanordnung und ihre Schnittstellen mit der
Elektrodenlage 8 und den Stegen 18 müssen auch elektrisch leitfähig
bleiben, während all diese Funktionen ausgeführt werden.
Da die Flußfeldkonstruktionen bei vielen PEM-Brennstoffzellen nicht
selbst einen Fluß von Reaktandengasen in die Diffusionsanordnungen
(siehe Fig. 2) einführen, unterstützen diese keine Reaktandenverteilung
und Produktentfernung durch die Ebene (z-Richtung). Daher sind die Me
chanismen für den Flüssigwasserstransport weg von der Kathodenkataly
satorlage 8 eine Kombination von: (1) hydraulischen Kräften, die in der
Richtung normal zu der Reaktionslage (entlang der z-Achse) ausgeübt
werden und aus einem Flüssigwasser-"Aufbau" resultieren, und (2) Ober
flächenspannung aus Fest-/Flüssig-Phasen-Wechselwirkungen, die durch
Unterschiede der chemischen Beschaffenheit und physikalischen Eigen
schaften der beiden Phasen verursacht werden.
Der Flüssigwasseraufbau an der Kathode entsteht aus der Erzeugung von
Wassermolekülen durch die Sauerstoffelektroreduzierungsreaktion, die in
der Kathodenreaktionslage 8 stattfindet, und der Ansammlung von Was
sermolekülen, die von der Anodenkatalysatorlage 10 durch Protonenelek
troosmose über die Membran 9 transportiert werden. Wenn ein großer
Hydraulikdruck erforderlich ist, um ein örtliches Volumenelement an
Wasser zu bewegen, muß auch ein "örtliches" Fluten der Kathodenkataly
satorlage und/oder des Kathodendiffusionsmediums stattfinden.
Für eine maximale Leistungsfähigkeit (siehe Fig. 3) wird eine Wasserent
fernung an der Kathode durch die Erfindung dadurch erreicht, daß ein
Oberflächenenergiegradient zwischen der Elektrodengrenzfläche 13 und
der Flußkanalgrenzfläche 17 eingeführt wird. Dieser Gradient erlaubt, daß
ein Flüssigwassertransport weniger von den Druckaufbauten abhängig ist,
die in dem oben beschriebenen Mechanismus (1) erwähnt sind. Um diesen
Gradienten zu erreichen, wird durch die Erfindung eine Mehrlagigkeit der
Kathodendiffusionsanordnung erreicht. Anstelle einer herkömmlichen
einlagigen homogen hydrophoben Kathodendiffusionsanordnung wird eine
neue Diffusionsanordnung mit drei oder mehr verschiedenen Lagen ver
wendet. Die drei Lagen unterscheiden sich durch ihre jeweilige Hydropho
bie, Porengrößenverteilung und mittlere und häufigste Porengröße, Ober
fläche, Porosität (oder spezifisches Porenvolumen), Hauptdichte, chemi
sche Zusammensetzung oder Bestandteile und physikalische Verarbei
tung. Zwei Außenlagen, die benachbart der Elektroden- und Flußkanal
grenzflächen (13 bzw. 17) angeordnet sind, umfassen eine oder mehrere
Zentrallagen. Zusätzlich zu ihren Wasserführungsfähigkeiten an den
Elektroden- und Flußkanalgrenzflächen verringert das Material dieser Au
ßenlagen die Kontaktwiderstände innerhalb des Kathodendiffusionsmate
rials. Daher besitzen die Außenlagen eine Doppelfunktion aufgrund des
sen, daß sie einen Flüssigkeitstransfer steigernde Lagen und einen Kontaktwiderstand
verringernde Lagen sind. Vorzugsweise überlappen sich
die drei Lagen miteinander. Nachstehend sind die drei Bereiche mit den
folgenden Namen bezeichnet. Der Bereich benachbart der Elektroden
grenzfläche 13 ist die Absorptionslage 14, die durch niedrige Hydrophobie,
niedrige mittlere Porengröße, große Oberfläche und hohe Porosität ge
kennzeichnet ist. Der Bereich benachbart der Absorptionslage (mittlerer
Bereich) ist die Haupttransportlage 15, die durch mittlere Hydrophobie,
dazwischenliegende mittlere Porengröße, große Oberfläche und mittlere
Porosität gekennzeichnet ist. Der Bereich benachbart der Flußfeldplatte 1
ist der Desorptionsbereich 16, der durch hohe Hydrophobie, hohe mittlere
Porengröße, mittlere Oberfläche und hohe Porosität gekennzeichnet ist.
Es sei angemerkt, daß die Hydrophobie als ein Kontaktwinkel definiert ist,
der größer als 90° ist, wenn ein Tröpfchen der fraglichen Flüssigkeit (in
diesem Fall Wasser) in engen Kontakt mit dem fraglichen Feststoff ge
bracht wird. Der Winkel zwischen einer Tangente an dem gebildeten
Tröpfchen und der Feststoffoberfläche umfaßt einen bestimmten Kontakt
winkel. Die Hydrophilie ist dann ein Wert von weniger als 90° für diesen
selben Winkel. Die Bezeichnung der dazwischenliegenden Hydrophobie
bezeichnet einen Zustand, bei dem der Kontaktwinkel allgemein zwischen
etwa 70° und etwa 110° liegt. Der Zwischenzustand ist weniger hydrophob
als der Zustand relativ hoher Hydrophobie, wobei der Winkel größer als
110° ist, wobei eine Desorption erleichtert wird. Der Zwischenzustand ist
weniger hydrophil als der Zustand relativ hoher Hydrophilie, wobei der
Winkel kleiner als 70° ist, um eine Absorption zu erleichtern. Zur Verein
fachung wird dieser Zwischenzustand als dazwischenliegende Hydropho
bie oder Hydrophilie bezeichnet. Dies wird ferner in Zusammenhang mit
den Eigenschaften von Materiallagen, die miteinander in bezug stehen, zu
verständlich.
Die Dicke der Lagen variiert abhängig von der Geometrie der PEM-Zelle.
Nachstehend sind repräsentative Dicken diskutiert. Die relative Beschaf
fenheit der Abmessung (x und y) in den Fig. 1-3 sind wichtiger als der ab
solute Abmessungswert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die
Absorptionslage nicht kleiner als 20 µm und nicht größer als 150 µm, die
Haupttransportlage ist nicht kleiner als 100 µm und nicht größer als 750 µm
und die Desorptionslage ist nicht kleiner als 40 µm und nicht größer
als 400 µm. Alle Dicken stellen einen unkomprimierten Zustand der Lagen
wie aufgebaut und vor dem Pressen in einem aufgebauten PEM-
Brennstoffzellenstapel dar.
Innerhalb der einzelnen Lagen bestimmt die Hauptdichte, die Porengrö
ßenverteilung und die Porosität den Wert des Oberflächenparameters. Je
doch bewirkt die Materialauswahl, die Verarbeitung der Lagen und die
Werte der vorher erwähnten Parameter, daß die Absorptionslage die größte
Oberfläche und die Desorptionslage die geringste aufweist. Die Lage(n) da
zwischen sollten in Richtung auswärts von dem MEA 3 eine abnehmende
Oberfläche bezüglich der benachbarten Lage aufweisen. Der Parameter der
Hauptdichte ist durch die Materialauswahl für jede Lage bestimmt. Vor
zugsweise sollten alle Lagen eine Hauptdichte von nicht mehr als 3 g/cm3
aufweisen, um sicherzustellen, daß die mehrlagige Anordnung nicht zu
schwer wird.
Das Substratmaterial für die Absorptionslage 14 umfaßt elektrisch leitfä
hige Partikel in einer Bindermatrix. Die Partikel können beispielsweise
Graphit, Kohlenstoff oder korrosionsbeständige Metallpulver umfassen,
wie beispielsweise Metallkarbide, Metallnitride, Metallboride, Metallsilika
te, Metalloxide oder deren Kombinationen. Es können auch Metalloidpul
ver verwendet werden. All diese Materialien sind in einer Vielzahl von Par
tikelgrößen kommerziell erhältlich. Vorzugsweise sollten Substratpartikel
größen nicht kleiner als 0,025 µm und nicht größer als 2,5 µm sein und
am bevorzugtesten zwischen 0,05 und 0,75 µm betragen. Vorzugsweise ist
das Pulver mit einem Material gemischt, das als das Trägerbindemittel für
die leitfähigen Partikel dient. Das Trägerbindemittel ist vorzugsweise ein
mäßig hydrophobes oder hydrophiles Material, wie beispielsweise Po
lyvinylidinfluorid (PVDF), Polyvinylalkohole, Polystyrene, organische Sili
kate, aliphatische Silane oder andere polymerischen oder organischen
Materialien mit den gewünschten Eigenschaften. Das Material wird vor
zugsweise als ein Rohbestandteil in Partikelform (über den gesamten Be
reich verfügbarer Molekulargewichte für Polymermaterialien) entweder als
ein Pulver, eine Dispersion, eine Suspension oder eine andere heterogene
Mischung gekauft. Die Größe der Trägerbindemittelpartikel sollte nicht
kleiner als 0,01 µm und nicht größer als 1 µm betragen und sollte vor
zugsweise zwischen 0,025 und 0,5 µm liegen.
Eine Bildung der Absorptionslage wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß
das leitfähige Pulver und das Material des Trägerbindemittels (einschließ
lich des Lösungsmittels und/oder Dispersionsmittels, das durch den Her
steller geliefert wird) zusammen mit einem Verdünnungsmittel gemischt
wird. Das Verdünnungsmittel wirkt als ein dispergierendes Medium für
die leitfähigen Partikel und als ein dispergierendes Medium oder Lö
sungsmittel (was immer geeignet ist) für das Material des Trägerbinde
mittels. Ein Lösungsmittel, wie beispielsweise Wasser, Alkohole, Ketone,
Ester oder organische Säuren, wird dazu verwendet, diese Materialien zu
kombinieren, so daß ein gut gemischtes Kolloid erhalten wird. Diese Mi
schung ist als Absorptionslagendispersion bezeichnet. Dann kann ein
grenzflächenaktiver Stoff bzw. grenzflächenaktive Stoffe hinzugefügt wer
den, um Partikel- und/oder Agglomeratgrößen zu steuern, wodurch die
Qualität der Absorptionslagendispersion verbessert wird.
Ein geeignetes Mischen der obigen Materialien wird durch Rühren, Ku
gelmahlen, Bewegen (Schütteln), Blasen oder Wärmebehandlung erreicht,
jedoch sollte das Mischverfahren keine chemischen Strukturen der Mate
rialien ändern oder ein ungewünschtes Scheren, eine ungewünschte Ag
glomeration oder Fragmentierung irgendwelcher Partikel bewirken. Nach
Beendigung des Mischens wird die Absorptionslagendispersion auf die
Haupttransportlage 15 aufgebracht, wobei die Haupttransportlage als eine
Substratfläche zum Auftragen der Absorptionslage dient. Ein Auftragen
der Absorptionslagendispersion auf die Haupttransportlage wird vorzugs
weise in einer feuchtigkeitsgeregelten, schmutzstofffreien Umgebung er
reicht. Es können herkömmliche Techniken verwendet: werden, wie bei
spielsweise Sprühen, Schleppbeschichtung, Rollbeschichtung, Flächenbe
schichtung, Gießlacken, Bemalen, Heißpressen, etc., wobei Sprühen be
vorzugt ist. Der Prozeß findet vorzugsweise bei weniger als 75% relativer
Feuchtigkeit statt, wenn eine von Wasser verschiedene Chemikalie für das
Verdünnungs-/Mischmittel verwendet wird, und bei mehr als 50% relati
ver Feuchtigkeit statt, wenn Wasser verwendet wird. Das Mischen und die
Handhabung wird vorzugsweise in einem Reinraum durchgeführt. Der
Reinraum sollte zumindest ein Reinraum der Klasse 100.000, und am be
vorzugtesten der Klasse 10.000 sein. Die Temperatur bei der Aufbringung
kann auch auf einen beliebigen Wert geregelt sein, aber das Verfahren
sollte vorzugsweise bei Raumtemperatur stattfinden.
Bei Beendigung des obigen Aufbringungsprozesses wird die resultierende
Zweilagenanordnung für zumindest 20 Minuten, aber vorzugsweise nicht
mehr als 2 Stunden insgesamt bevorzugt in zwei verschiedenen Schritten
(3 oder mehr, wenn grenzflächenaktive Stoffe verwendet werden) mit ver
schiedenen Temperaturen wärmebehandelt. Dies wird als Wärmezyklus
bezeichnet. Zuerst sollte ein Trocknungsschritt bei einer Temperatur, die
10°C höher als der Siedepunkt des Verdünnungs-/Mischmittels ist, für
55-75% der gesamten Wärmebehandlungszeit ausgeführt werden. Darauf
folgt ein Sinter-/Schmelzschritt, der bei der Sinter-/Schmelztemperatur
des als Trägerbindemittels verwenden Materials für 25-45% der gesamten
Wärmebehandlungszeit ausgeführt wird. Am Ende des Erhitzungszyklus
ist die Absorptionslagendispersion in eine feste mesoporöse Struktur um
gewandelt worden, die die Absorptionslage 14 bildet. Erwünscht ist eine
Porengrößenverteilung von nicht kleiner als 0,01 µm und nicht größer als
5 µm, eine häufigste Porengröße zwischen 0,05 µm und 2 µm und eine
mittlere Porengröße zwischen 0,1 µm und 1 µm. Die Absorptionslage sollte
bei Beendigung des Erhitzungszyklus fest mit der Haupttransportlage ver
bunden sein.
Basismaterialien für die Haupttransportlage 15 sind vorzugsweise Papier,
Filz, Vlies/Matten oder Gewebe bestehend aus Kohlenstoff, Graphit oder
einer Kohlenstoff-/Graphitmischung, die auch ein harzartiges Bindemate
rial für die einzelnen Fasern aufweisen kann. Alternativ dazu ist das Ba
sismaterial irgendein Metall, eine Legierung, eine Metallverbindung oder
Mischungen der Materialien, die elektrisch leitfähig sind. Die Form des
Materials ist nicht begrenzt und kann Maschen, Siebe, Schäume, Gewebe,
Vliese und dergleichen umfassen. Das Basismaterial für diese Lage weist
vorzugsweise eine Porengrößenverteilung von nicht kleiner als 0,5 µm und
nicht größer als 60 µm, eine häufigste Porengröße zwischen 1 µm und 50 µm
und eine mittlere Porengröße zwischen 5 µm und 40 µm auf.
Die Haupttransportlage wird vorzugsweise mit einem beliebigen nicht
elektrisch widerstandsfähigem Polymermaterial, das nach einer Behand
lung eine dazwischenliegende Hydrophobie aufweist, chemisch behandelt.
Genauer sollte es durch eine Hydrophobie gekennzeichnet sein, die merk
lich kleiner als die ist, die 40 Gew.-% Polytetrafluorethylen (PTFE) in der
selben Lage entspricht, wenn PTFE als chemische Behandlung verwendet
würde. Das Polymermaterial zur chemischen Behandlung kann in beliebi
gen Formen von Lösungen, Suspensionen, Dispersionen oder einer ande
ren heterogenen Mischung bezogen werden. (Diese Mischung ist als che
misches Mittel für die Haupttransportlage bezeichnet.) Sie kann ein Dis
pergierungsmittel und/oder grenzflächenaktive Stoffe umfassen und mit
einem Lösungsmittel verdünnt sein. Der grenzflächenaktive Stoff/die
grenzflächenaktiven Stoffe können aus beliebigen bekannten Chemikalien
beliebiger Form bestehen, die Moleküle anderen Typs dabei unterstützen,
in die Poren eines Feststoffes durch Steuerung der Benetzung, Tröpfchen
größe oder beiden einzudringen. Für Partikelgrößen für das chemische
Mittel sind (wenn das Material nicht gelöst ist) keine Grenzen erforderlich,
außer daß die Partikelgrößen klein genug sein müssen, um eine zufrie
denstellende Durchdringung der Polymerpartikel in die Basismaterialpo
ren bei Anwendung zuzulassen.
Das Auftragen des chemischen Mittels auf das Basismaterial der Haupt
transportlage 15 kann durch Sprühen, Tauchen, Ziehen oder Rollen er
reicht werden, ist aber nicht auf diese Techniken begrenzt. Schließlich
wird sie in zumindest zwei getrennten Schritten wärmebehandelt, die eine
Gesamterwärmungszeit von nicht weniger als 20 Minuten und nicht mehr
als 2 Stunden umfassen. Bei einem bevorzugten Verfahren ist der erste
Schritt ein Trocknungsschritt bei 10°C oberhalb des Siedepunktes des
Verdünnungsmittels/Lösungsmittels, das mit dem chemischen Mittel ver
wendet wird (20-35% der Gesamterwärmungszykluszeit). Ein Aushär
tungsschritt verdampft irgendwelche grenzflächenaktiven Stoffe oder ver
bleibendes Lösungsmittel bei einer Temperatur 10°C oberhalb des Siede
punktes der grenzflächenaktiven Stoffe, die verwendet werden (15-30%
der Gesamterwärmungszykluszeit). Es folgt ein Sinter-/Schmelzschritt bei
der Sinter-/Schmelztemperatur für das Polymermaterial (10-20% der Ge
samterwärmungszykluszeit). Wenn keine grenzflächenaktiven Stoffe ver
wendet werden, dann fällt der Aushärtungsschritt weg.
Die hier verwendete chemische Behandlung sollte nicht mehr als 20% der
Porosität (definiert als Porenvolumenanteil) des ursprünglichen Basisma
terials aufnehmen. Die Herstellung der Haupttransportlage 15 sollte vor
dem Zusatz der Absorptionslage 14 beendet werden, wie vorher beschrie
ben wurde. Bei Beendigung der zugehörigen chemischen Behandlung der
Haupttransportlage 15 werden zumindest 5% der Dicke der Lage vor
zugsweise modifiziert, um eine Oberflächenverbesserung durch Polieren,
Schleifen, Schmirgeln oder anderen gleichwertigen Mitteln zu erreichen.
Jedoch sollte dieser optionale Schritt, wenn er betroffen ist, auch unmit
telbar vor dem Auftragen der Absorptionslage 14 auf die Haupttransport
lage 15 beendet werden, und die oberflächenverbesserte Seite der Haupttransportlage
15 wird unmittelbar benachbart der Absorptionslage 14 an
geordnet.
Mit der folgenden Bedingung kann eine beliebige Anzahl von Haupttrans
portlagen erhalten werden. Die Eigenschaften jeder Haupttransportlage
müssen sequentiell geordnet werden, so daß sie einer gegebenen Richtung
des Oberflächenenergiegradienten folgen. Vorzugsweise sollte eine zusätz
liche Haupttransportlage hydrophober sein, größere mittlere und häufigste
Porengrößen aufweisen, eine größere Porosität aufweisen und weniger
Oberfläche als die vorhergehende Haupttransportlage in Richtung aus
wärts von dem MEA aufweisen. Bei dieser Anordnung ist die Oberflächen
energie der Absorptionslage zumindest so groß und vorzugsweise größer
als die (innerste) Haupttransportlage, und die Oberflächenenergie der
Desorptionslage ist nicht größer und vorzugsweise kleiner als die
(äußerste) Haupttransportlage. Dieser "abnehmende" Oberflächenenergie
gradient wird durch die in Tabelle 1 gezeigten Eigenschaften erreicht. Zu
sätzliche Haupttransportlagen sollten vor der Haupttransportlage bear
beitet werden, die direkt benachbart der Absorptionslage angeordnet ist.
Ferner sollte die Gesamtdicke aller Haupttransportlagen gleich der vorher
angegebenen Dickenspezifikation sein.
Die Desorptionslage 16 besteht vorzugsweise aus beliebigen Materialien
und Kombinationen derselben, wie oben beschrieben ist, wobei festgelegte
Zustände erzielt werden. Diese Lage ist mit einem stark hydrophoben
Material chemisch behandelt, wie beispielsweise PTFE oder imprägniert
mit kleinen Kohlenstoff oder Graphitkugeln, die mit demselben stark hy
drophoben Material beschichtet sind und als Imprägnierpartikel der
Desorptionslage bezeichnet sind. Die chemische Behandlung und Imprägnierung
wird mit beliebigen Verfahren und dessen Materialien erzielt, die
für die Absorption- und Haupttransportlagen beschrieben und geeignet
sind. Das Basismaterial der Desorptionslage ist ein stark poröses, ver
dichtbares Material mit angemessenen Zug- und Druckfestigkeiten, um
den angelegten Lasten zu widerstehen. Es weist vorzugsweise eine Poren
größenverteilung von nicht kleiner als 10 µm und nicht größer als 250 µm,
eine häufigste Porengröße zwischen 25 µm und 200 µm und eine mittlere
Porengröße zwischen 50 µm und 150 µm auf. Vorzugsweise gehen bei der
Druckkraft, die dazu verwendet wird, PEM-Brennstoffzellenstapel zu bil
den, nicht mehr als 20% seiner Porosität verloren. Wenn es unter Last
verdichtet wird, erzielen die Basismaterialfasern (nominell 5 bis 150 µm
Durchmesser) und optional Imprägnierpartikel (nominal 0,1 bis 5 µm
Durchmesser) einen engen Kontakt entlang der Stege 18 der Kathoden
gasverteilerplatte 1.
Die Schlüsselmaterialien, -behandlungen und -verfahren, die oben be
schrieben sind, wurden basierend auf Testproben bewertet. Es wurden
auch vergleichende Testproben eingeschlossen. Dabei wurden Benetzbar
keits- und Oberflächenenergiedaten erhalten, die in den Fig. 4-6 gezeigt
sind.
- 1. Unbehandeltes (nicht hydrophobiertes) Graphitfaserpapier Toray 090; 0,26 mm dick.
- 2. Hydrophobiertes (10 Gew.-% PTFE) Graphitfaserpapier Toray 090; 0,26 mm dick.
- 3. Hydrophobiertes (10 Gew.-% PTFE) Graphitfaserpapier Toray 090 mit Grenzflächenbehandlungsverfahren 1 (neue poröse Ke ramikunterdruckspannvorrichtung); 0,26 mm dick.
- 4. Hydrophobiertes (10 Gew.-% PTFE) Graphitfaserpapier Toray 090 mit Grenzflächenbehandlungsverfahren 2 (alte nicht poröse Keramikunterdruckspannvorrichtung mit gebohrten Löchern); 0,26 mm dick.
- 5. Unbehandeltes (nicht hydrophobiertes) Graphitfaserpapier Spectracarb 2050; 0,27 mm dick, 0,53 g/cm3.
- 6. Hydrophobiertes (9,5 Gew.-% PTFE) Graphitfaserpapier Spectra carb 2050; 0,27 mm dick, 0,53 g/cm3.
- 7. Unbehandeltes (nicht hydrophobiertes) Graphitfaserpapier von Stackpole; 0,37 mm dick, 0,34 g/cm3.
- 8. Hydrophobiertes (13 Gew.-% PTFE) Graphitfaserpapier Stackpo le; 0,37 mm dick, 0,34 g/cm3.
- 9. Unbehandeltes (nicht hydrophobiertes) Graphitfaserpapier Spectracarb 2050; 0,27 mm dick, 0,38 g/cm3.
- 10. Hydrophobiertes (12 Gew.-% PTFE) Graphittaserpapier Spectra carb 2050; 0,27 mm dick, 0,38 g/cm3.
- 1. Unbehandeltes (nicht hydrophobiertes) Graphitfaserpapier Toray 090; 0,26 mm dick.
- 2. Hydrophobiertes (10 Gew.-% PTFE) Graphitfaserpapier Toray 090; 0,26 mm dick.
- 3. Hydrophobiertes (17 Gew.-% PTFE) Graphitfaserpapier Toray 090; 0,26 mm dick.
Wie mit den Ergebnissen der Fig. 4 bis 6 gezeigt ist, verbessert ein Schlei
fen der Oberfläche des (Standard-)Kathodendiffusionsmediums in Kontakt
mit der Elektrodenlage die Rate der Wasserabsorption in das Diffusions
medium, da der Kontaktwinkel nach einem Schleifen verringert wird. Fig.
4 zeigt die Kontaktwinkeldaten für Toray 090, wobei gesehen werden
kann, daß der anfängliche Kontaktwinkel bei dem geschliffenen Toray-
090-Papier etwa 10° kleiner als bei dem ungeschliffenen Toray 090 ist. Die
Neigungen sind annähernd gleich, obwohl anzumerken ist, daß der Trop
fen leichter Zeit zum anfänglichen Eindringen in die Oberfläche hat, aber
die Poren des Diffusionsmediums nicht schneller durchquert, sobald er
eingedrungen ist. Aus Fig. 4 läßt sich schließen, daß zwischen den beiden
Schleifverfahren kein erheblicher Unterschied in den Wasserabsorpti
onseigenschaften besteht.
Der Trend zur Erhöhung des anfänglichen Kontaktwinkels und zur Ver
ringerung der Größe der Neigung mit Teflonzusatz besteht für alle drei in
Fig. 5 gezeigten Materialien und ist mit den Ergebnissen von Toray 090 in
Fig. 4 beständig. Es ist nicht genau bekannt, was dies bezüglich der Was
serzurückhaltung bedeutet, aber es ist bezüglich der Wasserabsorption
definitiv die falsche Richtung zur Führung. Es ist auch interessant anzu
merken, daß das Spectracarb 2050 mit hoher Dichte (HD) besser benetzt
als das Spectracarb 2050 mit niedriger Dichte (LD), was durch die niedri
geren Kontaktwinkelwerte und steileren Neigungen bestätigt wird, die mit
dem HD-Spectracarb erhalten wurden. Diese Beobachtung könnte mit
Hilfe der Gleichungen 1 und 2 erklärt werden. Sogar, obwohl das Spectra
carb mit niedriger Dichte mehr Porenvolumen für Flüssigkeitstransport (r5
in Gleichung 2 ist höher) aufweist, können in der dichteren Version (r5 ist
niedriger, aber n2 ist wesentlich höher als bei Gleichung 2) vielmehr Poren
sein, die den Verlust an mittlerem Porenradius ausgleichen und diesen
aufgrund der größeren Kapillarwirkung in Gleichung 1 kleiner machen.
Unten sind die Gleichungen 1 und 2 beschrieben. Diese sind wichtig, da
es zeigt, daß eine einfache Diskussion der Porosität oder des Porenvolu
mens eine grobe Vereinfachung des Themas des Massentransfers in dem
Kathodendiffusionsmedium darstellt. Das Porenvolumen sagt uns nichts
über Kapillarwirkung, Kurvigkeit, Porenradius, Faseroberfläche oder Poro
sitätsverluste, die alle zum Gesamtverständnis des Kathodenmassen
transportphänomens unumgänglich sind.
Die Benetzung oder Durchdringung von Wassertröpfchen an der Oberflä
che des Kathodendiffusionsmediums wird durch hohe Oberflächenenergie
(siehe Fig. 6) und niedrigen Kontaktwinkel (siehe Fig. 4 und Fig. 5) geför
dert. Die zwischen der Kathodenreaktionslage und ihrem Diffusionsmedi
um gebildete Grenzfläche ist der Ort, an dem diese Parameter am wichtig
sten sind. Wenn die Rate der Wasserbildung und Elektroosmose relativ zu
der Rate an Wasserabsorption in die Makroporen des Diffusionsmediums
hoch ist (hohe Betriebsstromdichte), wird ein Fluten der Kathodenkataly
satorlage auftreten. Da der Kontaktwinkel ein direktes Maß der Oberflä
chenabsorptionsaffinität (Benetzungsaffinität) einer Flüssigkeit ist und die
Grundlagenforschung zur Oberflächenchemie feststellt, daß die Tendenz
eines Feststoffes zur Benetzung mit einer beliebigen Flüssigkeit mit ab
nehmendem Kontaktwinkel ansteigt, sollte die Seite des Kathodendiffusi
onsmediums in Kontakt mit der Kathodenreaktionslage einen so niedrig
wie möglichen Kontaktwinkel mit Wasser aufweisen.
Die Porosität des Materials des Diffusionsmediums ist durch den Zusatz
von Teflon erheblich gefährdet. Bei der Oberflächenenergieuntersuchung
nach Zisman sank die Materialkonstante (c) mit 10 Gew.-% Teflonation
um 44,6% und mit 17 Gew.-% Teflonation um 48,6% (siehe Fig. 6). Un
ter Verwendung von Gleichung 2 und den in Fig. 6 gezeigten Materialkon
stantendaten wurde bestimmt, daß bei dem mittleren Porenradius ein
Verlust von 11,1% auftritt, wenn Toray 090 mit 10 Gew.-% PTFE behan
delt wird. Dies stellt einen signifikanten Verlust dar und beeinflußt direkt
die Massenübertragungsraten der Dampfphase auf nachteilige Art und
Weise, die sich mathematisch in eine Verringerung der wirksamen Binär
diffusionskoeffizienten umsetzt.
Die folgende Erläuterung ist ausgeführt, ohne an einer bestimmten Theo
rie festzuhalten. Eine Benetzung von porösen Feststoffen basiert auf der
Washburn-Theorie, die feststellt, daß, wenn eine Flüssigkeit in Kontakt
mit einer festen Oberfläche gebracht wird, das Quadrat der Flüssigkeits
masse, die durch Kapillarwirkung absorbiert wird, direkt proportional zu
der Absorptionszeit ist (Länge der Zeit, nachdem die beiden in Kontakt ge
bracht sind). Sie ist auch von physikalischen Eigenschaften der Flüssig
keit und des Feststoffes abhängig und wird mathematisch für eine
"benetzende" Flüssigkeit ausgedrückt als
t = [η/(cρ2σcosθ)]m2, wobei 0° ≦ θ ≦ 90° Gleichung 1
wobei t die Zeit ist, nachdem die Flüssigkeit in Kontakt mit dem Feststoff
gebracht ist, m die Masse an absorbierter Flüssigkeit ist, η die Flüssig
keitsviskosität ist, c die Materialkonstante des Feststoffes ist, ρ die Flüs
sigkeitsdichte ist, σ die Flüssigkeitsoberflächenspannung ist und θ der
fortschreitende Kontaktwinkel der benetzenden Flüssigkeit auf der Fest
stoffoberfläche ist. Die Materialkonstante (c) ist analog zur Porosität, aber
sie ist etwas genauer, da sie eine Funktion des mittleren Porenradius (r)
und der Anzahl an Poren in einer gegebenen Probengröße (n) ist. Deren
theoretischer Ausdruck erscheint als
c = 0,5 π2r5n2 Gleichung 2
Unter Verwendung der Gleichungen 1 und 2 kann schnell bestimmt wer
den, daß die Benetzungszeit umgekehrt proportional zu dem mittleren Po
renradius und zur Anzahl der Poren ist. Ferner ist die Benetzungszeit ge
genüber dem Radius der Poren empfindlicher als gegenüber der tatsächlichen
Anzahl an vorhandenen Poren, wie durch die jeweiligen Potenzen
dieser beiden Parameter angegeben ist. Gleichung 1 zeigt auch, daß die
Benetzungszeit mit ansteigendem Kontaktwinkel ansteigt und daß, wenn θ
gegen 90° geht, die theoretische Zeit zur Absorption gegen unendlich geht
(cos 90° = 0). Der bzw. die Kontaktwinkel und die Materialkonstante wer
den experimentell bestimmt und dazu verwendet, die Oberflächenenergie
eines bestimmten porösen Feststoffes zu bewerten. Es sei hier angemerkt,
daß die Theorie von Washburn (mit Gleichungen 1 und 2) ein einfacher
Fall ist und nicht direkt auf dieses System anwendbar ist. Die Theorie von
Washburn ist die grundsätzliche Basis für die Beschaffenheit dieser Erfin
dung. Bei dem hier diskutierten System kann θ (in Gleichung 1) größer als
90° sein. Zusätzlich ist θ eine Funktion der Zeit und das Fluid kann mit
der Zeit von dem Nichtbenetzungsbereich (θ < 90°) zu dem Benetzungsbe
reich (θ < 90°) überwechseln.
Sobald die Tröpfchen in die Seite des Diffusionsmediums eindringen, be
ginnt die hydrophobe Beschichtung aus Teflon um die einzelnen Fasern
des Diffusionsmaterials herum, einen Wassertransport in Richtung der
Gasflußkanäle zu unterstützen. Es ist nun ein hoher Kontaktwinkel zwi
schen den flüssigen Wassertröpfchen und der Porenwand beabsichtigt.
Ein Tröpfchen wird dazu veranlaßt, entlang den beschichteten Faserwän
den zu gleiten, anstatt an diesen fest zu haften, wie es der Fall wäre, wenn
kein Teflon vorhanden wäre. Numerisch ist die Grenzflächenspannung
hoch und die Oberflächenenergie der Fasern niedrig. Dies läßt sich ma
thematisch umsetzen in
θ = cos-1[(σS - σSL)/σL] → 180° Gleichung 3
die die Gleichung von Young für eine perfekte nichtbenetzende Flüssigkeit
darstellt, wobei σS die Oberflächenenergie des Materials des Diffusionsme
diums ist, σSL die Grenzflächenspannung ist und σL die Oberflächenspan
nung des flüssigen Wassers ist. Die Frage hier ist, wie nahe an 180° er lie
gen soll. Es bestehen am wahrscheinlichsten Abstriche betreffend die
Grenzflächenspannung zwischen den beschichteten Faserwänden und den
Wassertröpfchen und die zugehörigen Verluste der elektrischen Leitfähig
keit. Die meisten hydrophoben Materialien sind elektrisch nichtleitend.
Um das Konzept der Oberflächenenergie zu vereinfachen, stellt sie in Ver
bindung mit einem porösen Feststoff einen charakteristischen Wert dar,
der ihre Fähigkeit beschreibt, durch eine absorbierende Flüssigkeit be
netzt zu werden. Zisman, ein Forscher mit einer breit akzeptierten Theorie
zur Oberflächenenergie, definiert sie als den Wert der Oberflächenspan
nung einer realen oder imaginären Flüssigkeit, die die höchstmögliche
Oberflächenspannung aufweist und die immer noch erlaubt, daß die Flüs
sigkeit mit einem Kontaktwinkel von 0° benetzen kann. Mathematisch
ausgedrückt ist dies die Flüssigkeitsoberflächenspannung, wobei σS - σSL =
σL in Gleichung 3 und einen inversen Kosinus von θ = 0° ergibt. Die Ober
flächenenergie eines Feststoffes kann auch als die höchste Oberflächen
spannung ausgedrückt werden, die die Flüssigkeit in Kontakt mit diesem
Feststoff perfekt benetzt. Eine hohe Oberflächenenergie bedeutet, daß sie
thermodynamisch günstig ist (-ΔH, +ΔG), damit die flüssige Phase mit der
festen Phase in Kontakt treten kann. Eine niedrige Oberflächenenergie be
deutet, daß der Feststoff in Kontakt mit der Luft sein will, aber kein Flüs
sigkeit an seiner Oberfläche möchte.
Mit ansteigender Oberflächenenergie und abnehmendem Kontaktwinkel
wird ein Wandern (Ausbreiten) gesteigert. Eine chemische Behandlung des
Kathodendiffusionsmediums auf die Art und Weise der Erfindung
und/oder Oberflächenschleifen steigert ein Wandern weiter.
Das Konzept der Änderung der Oberflächenenergie und der Änderung des
Kontaktwinkels ist in Fig. 7 dargestellt, die eine bevorzugte Diffusionsan
ordnung mit einer abnehmenden Oberflächenenergie zeigt. Die Anordnung
basiert auf Beispiel 1.
Eine Wasserzurückhaltung des Kathodendiffusionsmediums oder eine
Unterdrückung des Transports der flüssigen Phase über das Diffusions
medium von der Elektrodengrenzfläche zu der Gaskanalgrenzfläche nimmt
zu, wenn der absolute Wert der Neigung des Kontaktwinkels gegenüber
der Zeit abnimmt. Mathematisch ist bevorzugt, daß:
|dθ(t)/dt| → ∞ Gleichung 4
wobei wiederum θ der Kontaktwinkel von Wasser auf der Oberfläche des
porösen Diffusionsmediums ist, so daß ein beliebiges gegebenes Volu
menelement an flüssigem Wasser die geringstmögliche Menge an Zeit
braucht, um in die Oberfläche einzudringen. Fig. 4 zeigt, daß die Neigung
des unbehandelten, nicht geschliffenen Toray 090 die höchste Neigungs
größe aufweist, aber es ist bestimmt worden, daß es infolge dessen, daß es
mit Wasser vollgesogen ist, unter Bedingungen mit hohem Wassergehalt
eine sehr schlechte Leistungsfähigkeit aufweist. Die hier dargestellte Kon
struktionsanforderung besteht nun darin, wie die Rate der Absorption von
Wasser an der Oberfläche optimiert und die Rückhaltezeit eines beliebigen
Volumenelementes von Wasser innerhalb des Diffusionsmediums mini
miert werden kann. Die Merkmale der hier beschriebenen Erfindung er
zielen beide Aufgaben. Die Auswahl von Materialien, Behandlungen und
Verarbeitungstechnik, die für Lagen innerhalb der Diffusionsanordnung
variieren, erzeugt verschiedene physikalische Folgen abhängig von dem
Ort eines Volumenelementes aus flüssigem Wasser in der Diffusionsan
ordnung.
Zwischen den Gew.-% an zu einem Diffusionsmedium zugefügtem Teflon
und der Dicke der Teflonbeschichtung um die einzelnen Fasern herum be
steht ein Unterschied. Eine sehr dünne gleichmäßige Beschichtung der
Hauptfasern ist ausreichend, um diese hydrophob auszugestalten. Daher
wird das Gewicht an verwendetem Teflon minimiert, bestimmte Poren
werden mit überschüssigem Teflon nicht verstopft und Leitfähigkeitsverlu
ste sind minimiert.
Schließlich wird auch die Entnetzung des Kathodendiffusionsmediums
oder der Kontraktionskontaktwinkel an dem Gasflußkanal bei der Kon
struktion betrachtet. Bei der Konstruktion der Diffusionsanordnung der
Erfindung ist die Rate der Desorption von Wasser von den Makroporen
des Kathodendiffusionsmediums nicht stark abhängig von der Hauptfluß
rate an Luft in dem Flußkanal. Hier ist die Rate, bei der ein Wassertröpf
chen desorbiert, aufgrund eines hohen Kontraktionskontaktwinkels unge
achtet des Tröpfchenvolumens hoch. Dies steht im Gegensatz zu einer
herkömmlichen Konstruktion, bei der das Tröpfchen nur deshalb desor
biert, weil es schließlich groß genug wird, um aufgrund einer Momenten
übertragung in den Hauptgasfluß gezogen zu werden. Die Erfindung sieht
einen optimierten Desorptionsmechanismus vor, der durch richtige Be
handlung dieser Grenzfläche der Diffusionsanordnung erzielt wird.
Die Absorptionslagendispersion wird in einer Form hergestellt, die zum
Auftragen auf die Haupttransportlage geeignet ist.
- 1. Auswählen der elektrisch leitfähigen Partikel, die synthetisches Gra phitpulver umfassen (0,025 µm ≦ Durchmesser ≦ 2,5 µm, aber vorzugs weise 0,05 µm ≦ Durchmesser ≦ 0,75 µm). Auswählen des Rohmaterials des Bindemittels, das Kynar 741TM PVDF-Pulver umfaßt (0,01 µm ≦ Durchmesser ≦ 1 µm, aber vorzugsweise 0,025 µm ≦ Durchmesser ≦ 0,5 µm) für dieses Beispiel. Innerhalb der Absorptionslage dienen die Graphit partikel als Substrat für die PVDF-Partikel in dem fertiggestellten Produkt.
- 2. Vormischen der Pulver von Schritt 1, bis eine im wesentlichen homoge ne Konsistenz auf körnigem Niveau erreicht ist. Diese Mischung bildet den Feststoffanteil der Dispersion.
- 3. Ausbildung der Absorptionslagendispersion durch Mischen der Fest stoffphase mit einem flüssigen Verdünnungsmittel. Hier eine Mischung von 50/50 Vol.-% aus Methanol und deionisiertem Wasser, die den Flüs siganteil der Dispersion bildet. Abhängig von dem gewählten Lösungsmit tel und den gewählten Pulvern kann das Lösungsmittel in der Beschaffen heit eines Trägers vorliegen oder das/die Pulver lösen.
- 4. Die Feststoff- und Flüssigphasen werden durch herkömmliche Rühr methoden (magnetischer Rührstab etc.) vollständig vorgemischt. Eine kleine Menge an geeignetem grenzflächenaktivem Mittel kann hinzugefügt werden, um die Dispersionsqualität zu verbessern. Dann wird das Mi schen fortgesetzt, um eine im wesentlichen homogene Konsistenz unter Zuhilfenahme einer Kugelmahlausrüstung zu erzielen. Die Mischzeiten sind nicht kritisch.
- 5. Die Absorptionslagendispersion (Vorläufermischung) wird in einen ge eigneten Behälter zur Auftragung durch ein herkömmliches Sprühverfah ren eingebracht.
- 6. Optional wird die Qualität der Tinte vor dem Sprühen durch Techniken analysiert, wie beispielsweise Analyse des Prozentsatzes an Feststoff und Elementzusammensetzung der Feststoffphase, wie beispielsweise durch Röntgenfluoreszenzspektroskopie (XFS), Elektronensondenmikroanalyse (EPMA), Röntgenstrahlenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und derglei chen.
- 1. Auswahl des Rohmaterials für diese Lage, das vorzugsweise eine filzar tige Graphitfasermatte (Papier, Filz, etc.) ist, die eine Porengrößenvertei lung zwischen 0,5 µm und 60 µm, eine häufigste Porengröße zwischen 1 µm und 50 µm, eine mittlere Porengröße zwischen 5 µm und 40 µm und eine unkomprimierte Dicke zwischen 150 µm und 400 µm aufweist. Diese Werte lassen sich durch Kapillar-Mengenstromporometrie (Capillary Flow Porometry) oder Quecksilbereindringporosimetrie (Mercury Intrusion Porosimetry) bestimmen.
- 2. Diese Matte wird so chemisch behandelt, daß eine Hälfte ihrer Dicke zwischen 0,5 und 10 Gew.-% eines chemischen Mittels enthält, das ein geführt wird, um eine dazwischenliegende Hydrophobie innerhalb dieser Hälfte der Haupttransportlage zu erzeugen. Das chemische Mittel ist bei spielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), das aus der Teflon 30TM Dispersi on des Basismaterials erhalten wird. Die Dispersion ist in Rohform sprüh bar, sie kann jedoch auch ein Verdünnungsmittel (wie beispielsweise deionisiertes Wasser, Methanol, Isopropanol, Ethylenglykol, Propylengly kol, etc.) und/oder grenzflächenaktive Mittel umfassen, so daß die Tröpf chengröße und die Eindringtiefe des chemischen Mittels in die Haupt transportlage gesteuert wird.
- 3. Auftragen des chemischen Mittels durch herkömmliche Sprühtechniken in einem Reinraum mit Klasse 100.000 oder besser, wobei ein erster Ab schnitt der Hauptlage, der behandelt wird, und ein zweiter Abschnitt der Hauptlage erzielt wird, der unbehandelt bleibt.
- 4. Wärmebehandlung der teflonierten Lage durch Trocken-, Aushärte- und Sinter-/Schmelzschritte (Sintern wg. PTFE).
- 5. Optional dazu Durchführung einer Qualitätsüberprüfung mit XFS oder EPMA bezüglich der Elementzusammensetzung und der Tropfenformana lyse (DSA) über Kontaktwinkel bezüglich Oberflächenqualität.
- 6. Optional Bestätigung unterschiedlicher Oberflächenenergieeigenschaf ten der behandelten und unbehandelten Abschnitte. Bestimmen der (Feststoff/Dampf-)Oberflächenenergie jeder Seite dieser Lage unter Ver wendung eines Tensiometers. Gemäß einer bevorzugten, hier beschriebe nen Ausführungsform ist die Oberflächenenergie der unbehandelten Hälfte zumindest 5% größer als die der behandelten Hälfte.
- 1. Vervollständigen der Haupttransportlage wie bei Abschnitt B unmittel bar vor der Beendigung des Mischens der Absorptionslagendispersion, so daß die Stagnations-, Agglomerations- und Absetzzeit für diese Dispersion nach ihrer Herstellung wie bei Abschnitt A minimiert ist.
- 2. Auftragen der Absorptionslagendispersion auf die Oberfläche des unbe handelten Abschnittes der Haupttransportlage unter Verwendung her kömmlicher Sprühtechniken. Vorsichtiges Auftragen erleichtert das Er zielen der erwünschten Endeigenschaften der Absorptionslage und des Prozentsatzes der Überlappung zwischen den Absorptions- und Haupt transportlagen. Dieser Schritt sollte in einem feuchtigkeitsgeregelten Rein raum mit Klasse 100.000 oder besser stattfinden.
- 3. Wärmebehandlung der frisch aufgetragenen Absorptionslage. Bei die sem Beispiel wird ein Zweischrittzyklus (Trocknen und Sin tern/Schmelzen) verwendet. Wenn ein grenzflächeaktiver Stoff in der Ab sorptionslagendispersionstinte verwendet wurde, dann wird ein Aushärte schritt zwischen den Trocknungs- und Sinter-/Schmelzwär mebehandlungen eingeschlossen.
- 4. Optional wird eine Elementzusammensetzung durch XRF, EPMA, XPS etc. überprüft, und die Oberflächen-QA der freiliegenden Fläche der Ab sorptionslage ist durch DSA-Kontaktwinkel gekennzeichnet.
- 5. Optional Bestätigung der Oberflächenenergieeigenschaft der freiliegen den Oberfläche der Absorptionslage. Bestimmen der (Feststoff-/Dampf-) Oberflächenenergie der freiliegenden Fläche der Absorptionslage oder der Fläche, die in direktem Kontakt mit der Kathodenkatalysatorlage 8 des MEA 3 steht, unter Verwendung eines Tensiometers. Gemäß einer hier be schriebenen bevorzugten Ausführungsform ist die Oberflächenenergie zu mindest 10% größer als die Oberflächenenergie der unbehandelten Hälfte der Haupttransportlage.
- 6. Die fertiggestellte Absorptionslage weist vorzugsweise eine Porengrö ßenverteilung zwischen 0,01 µm und 5 µm, eine häufigste Porengröße zwi schen 0,05 µm und 2 µm, eine mittlere Porengröße zwischen 0,1 µm und 1 µm und eine unkomprimierte Dicke zwischen 20 µm und 70 µm auf. Diese Werte können durch Kapillar-Mengenstromporometrie (Capillary Flow Po rometry) oder Quecksilbereindringporosimetrie (Mercury Intrusion Poro simetry) bestimmt werden.
- 1. Das erste Rohmaterial für die Desorptionslage ist ein makroporöser Graphitfaserfilz mit hohen Druck- und Zugfestigkeiten. Er weist vorzugs weise eine Porengrößenverteilung zwischen 10 µm und 250 µm, eine häu figste Porengröße zwischen 25 µm und 200 µm, eine mittlere Porengröße zwischen 50 µm und 150 µm und eine unkomprimierte Dicke zwischen 200 µm und 500 µm auf.
- 2. Als nächstes wird es chemisch mit PTFE vorzugsweise durch Eintau chen oder Sprühen behandelt, so daß die Beladung von PTFE zumindest 10 Gew.-% beträgt. Bei diesem Beispiel würde es, wenn es gesprüht wird, ähnlich den Schritten B-2 bis B-4 oben hergestellt.
- 3. Optional Durchführung einer QA-Überprüfung für die Desorptionslage unter Verwendung von XFS oder EPMA für die Elementzusammensetzung und der Tropfenformanalyse (DSA) über Kontaktwinkel für die Oberflä chenqualität.
- 4. Wahlweise Bestätigung der Oberflächenenergieeigenschaft der Desorp tionslage. Bestimmen der Oberflächenenergie der Desorptionslage jeder Seite. Gemäß einer bevorzugten hier beschriebenen Ausführungsform ist ihre Oberflächenenergie zumindest 5% kleiner als die Oberflächenenergie der behandelten Hälfte der Haupttransportlage.
- 1. Anordnen der freiliegenden Fläche der Absorptionslage direkt benach bart der Kathodenelektrokatalysatorlage 8 eines MEA 3. Dies läßt den be handelten Abschnitt der Haupttransportlage freiliegend zurück.
- 2. Anordnen der Desorptionslage direkt benachbart des behandelten (freiliegenden) Abschnittes der Haupttransportlage, die ihrerseits direkt an den Kathodenflußfeldstegen 18 liegt.
Fig. 7 zeigt eine graphische Darstellung für die bevorzugte Alternative ei
nes abnehmenden Oberflächenenergiegradienten in einer mehrlagigen
Diffusionsanordnung, die gemäß Beispiel 2 hergestellt ist. Die Untertitel in
Fig. 7 entsprechen denjenigen, die in Tabelle 1 aufgelistet sind. Tabelle 1
listet die physikalischen Merkmale auf, die zur Anpassung eines abneh
menden Oberflächenenergiegradienten in einer Richtung von einer Ab
sorptionslage zu einer Desorptionslage zugeschnitten sind.
Die Krümmung (Größe) und das Vorzeichen der Neigung dieser Kurve
(Gradient) sind nützliche mathematische/physikalische Parameter zur
Quantifizierung erwünschter Merkmale der Erfindung und zur Kennzeich
nung ihrer Vorteile der Leistungsfähigkeit. Bei einer bevorzugten Ausfüh
rungsform sind die Eigenschaften derart ausgebildet, um einen abneh
menden Oberflächenenergiegradienten bei Bewegung auswärts von der
MEA zu schaffen. Zumindest die Hauptlage weist einen Oberflächenener
giegradienten auf, der sich in einer Richtung auswärts von dem MEA ver
ringert.
Bei der Beschreibung der Merkmale der Lagen werden die Begriffe mittlere
und häufigste Porengröße verwendet. Die mittlere Porengröße ist die stati
sche Porengröße entsprechend dem Druckunterschied, bei dem man die
Hälfte des Flusses eines Gases (wie beispielsweise Luft) durch eine voll
ständig benetzte Materialprobe erhält, wie man durch dieselbe Probe bei
dem gleichen Druckunterschied in einem nicht benetzten Zustand erhalten
würde. Die vorhergehende Definition basiert auf der Kapillarflußporo
metrietechnik, sie kann aber auch durch die Quecksilbereindringporosi
metrietechnik definiert sein. Sie würde dann die statistische Porengröße
entsprechend dem Druck sein, bei dem die Hälfte des Gesamtporenvolu
mens der Probe mit Quecksilber besetzt oder befüllt ist, wobei mit einer
evakuierten Probe begonnen wird.
Die häufigste Porengröße bezüglich der Kapillarflußporometrie ist die sta
tistische Porengröße entsprechend dem Differenzdruck, bei dem der
größte Anteil des Gesamtflusses durch eine vollständig benetzte Material
probe auftritt. Mathematisch ist sie der Punkt, bei dem die Ableitung der
Flußrate gegenüber der Differenzdruckkurve ein Maximum ist. Bezüglich
der Quecksilbereindringporosimetrie ist sie die Porengröße entsprechend
des Druckes, bei dem die größte Anteilsänderung in dem gesamten Ein
dringvolumen einer evakuierten Probe stattfindet.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung tritt eine Überlappung durch die
Absorptions- und Desorptionslagen in jeweiligen Seiten der Haupttrans
portlage auf. Die Überlappung ist als der Prozentsatz der Dicke der Ab
sorptions- oder Desorptionslagen definiert, der in die benachbarte Haupt
transportlage eindringt. Die Überlappung oder prozentuale Eindringung
von sowohl der Absorption als auch der Desorptionslagen beträgt vor
zugsweise zumindest 5%, aber nicht mehr als 40%. Die beispielhaften
Dicken der vorher erwähnten Lagen umfassen den Prozentsatz der Über
lappung.
Zusammenfassend löst die Erfindung die Probleme des Massentransfers
und der elektrischen Widerstände, die mit einer herkömmlichen Diffusionsanordnung
auftreten. Die Erfindung sieht Lagenbildungstechniken zu
sammen mit einer strategischen Auswahl von Materialien vor, um das
Kontaktwiderstandsproblem der Diffusionsanordnung zur gleichen Zeit zu
lösen, wie das Lösen des mikroskopischen Wasserführungsproblems an
der Kathode unter Betriebsbedingungen, die vorher erwähnt sind, vorwie
gend ein "Wasserentfernungsproblem" ist. Durch Ausbildung der physika
lischen Strukturen der Absorptions- und Desorptionslagen ähnlich den
physikalischen Strukturen der Materialien, mit denen sie Grenzflächen
bilden (die Kathodenkatalysatorlage bzw. Kathodenflußfeldstege), sind die
Kontaktwiderstände an diesen Grenzflächen verringert.
Diese Erfindung bewältigt Probleme, die durch herkömmliche Verwendung
von hohen Druckkräften (zwischen 100 und 200 psig) auftreten, um
Kontaktwiderstandsprobleme an den verschiedenen Grenzflächen eines
PEM-Brennstoffzellenaufbaues zu vermeiden. Die Erfindung erlaubt die
Verwendung niedrigerer Drucklast, die ausreichend ist, um eine Abdich
tung der Reaktanden-, Produkt- und Kühlmittelströme sicherzustellen.
Dieser Vorteil wird erreicht, da die Komponentengrenzflächen optimiert
und die Grenzflächenphysik genau angepaßt worden ist. Da die Erfindung
diese damit in Verbindung stehenden Kontaktwiderstände verringert, sind
niedrigere Druckkräfte für PEM-Brennstoffzellenstapel anwendbar, was in
einer niedrigeren Stapelmasse und einem niedrigeren Volumen und einer
höheren Stapelzuverlässigkeit resultiert.
Die Erfindung sieht eine mikroskopische Wasserführung an der Kathode
vor, die die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels durch indirekte
Optimierung des Dampfphasentransportes verbessert. Sie sieht auch ein
Stapeluntersystem vor, das auf Übergangsänderungen von Betriebszuständen
sehr stark anspricht. Dies bewirkt ein besser ansprechendes
elektrochemisches Gesamtantriebssystem und eine Systemvereinfachung
der Wasserführung, die derzeit aus Verdampfung, Kondensation, Rück
führung und den zugeordneten Flußsteuerungen besteht. Schließlich ist
die Erfindung kostengünstig und leicht an eine Herstellung und einen
Aufbau von Brennstoffzellensystemen in hohen Volumen anpaßbar.
Während diese Erfindung bezüglich bestimmter Ausführungsformen der
selben beschrieben worden ist, ist nicht beabsichtigt, daß diese auf die
obige Beschreibung begrenzt ist, sondern vielmehr nur durch das in den
folgenden Ansprüchen dargelegte Ausmaß festgelegt ist.
Die Ausführungsformen der Erfindung, in denen ein ausschließliches Ei
gentum oder Privileg beansprucht ist, sind in den folgenden Ansprüchen
definiert.
Claims (23)
1. Aufbau für eine elektrochemische Zelle mit einer Verbunddiffusi
onsanordnung und einer Elektrodenanordnung, die erste und zweite
gegenüberliegende Hauptflächen aufweist, wobei die Diffusionsan
ordnung umfaßt:
eine Absorptionslage mit dritten und vierten gegenüberliegenden Hauptflächen, die ein erstes elektrisch leitfähiges Material umfaßt, wobei die dritte Oberfläche mit der zweiten Oberfläche der Elektro denanordnung in Eingriff steht und so ausgebildet ist, um Wasser an der dritten Oberfläche aufzunehmen;
eine Hauptlage mit fünften und sechsten gegenüberliegenden Hauptflächen, die ein zweites elektrisch leitfähiges Material umfaßt, wobei die fünfte Oberfläche mit der vierten Oberfläche der Adsorpti onslage in Eingriff steht, wobei die Hauptlage zumindest zwei Ab schnitte umfaßt, wobei ein erster Abschnitt benachbart der fünften Oberfläche und ein zweiter Abschnitt benachbart der sechsten Ober fläche vorgesehen ist, wobei der erste Abschnitt weniger hydrophob als der zweite Abschnitt ist;
eine Desorptionslage mit siebten und achten gegenüberliegenden Hauptflächen, die ein drittes elektrisch leitfähiges Material umfaßt, wobei die siebte Oberfläche mit der sechsten Oberfläche der Hauptla ge in Eingriff steht und die achte Oberfläche von der Elektrodenan ordnung weg weist, um Wasser an der achten Oberfläche freizugeben.
eine Absorptionslage mit dritten und vierten gegenüberliegenden Hauptflächen, die ein erstes elektrisch leitfähiges Material umfaßt, wobei die dritte Oberfläche mit der zweiten Oberfläche der Elektro denanordnung in Eingriff steht und so ausgebildet ist, um Wasser an der dritten Oberfläche aufzunehmen;
eine Hauptlage mit fünften und sechsten gegenüberliegenden Hauptflächen, die ein zweites elektrisch leitfähiges Material umfaßt, wobei die fünfte Oberfläche mit der vierten Oberfläche der Adsorpti onslage in Eingriff steht, wobei die Hauptlage zumindest zwei Ab schnitte umfaßt, wobei ein erster Abschnitt benachbart der fünften Oberfläche und ein zweiter Abschnitt benachbart der sechsten Ober fläche vorgesehen ist, wobei der erste Abschnitt weniger hydrophob als der zweite Abschnitt ist;
eine Desorptionslage mit siebten und achten gegenüberliegenden Hauptflächen, die ein drittes elektrisch leitfähiges Material umfaßt, wobei die siebte Oberfläche mit der sechsten Oberfläche der Hauptla ge in Eingriff steht und die achte Oberfläche von der Elektrodenan ordnung weg weist, um Wasser an der achten Oberfläche freizugeben.
2. Aufbau nach Anspruch 1, wobei die Hauptlage zumindest einen Zwi
schenabschnitt zwischen den ersten und zweiten Abschnitten um
faßt, und wobei die Hydrophobie von jedem Zwischenabschnitt größer
als die des ersten Abschnittes und kleiner als die des zweiten Ab
schnittes ist.
3. Aufbau nach Anspruch 2, mit einer Vielzahl von Zwischenlagen zwi
schen den ersten und zweiten Abschnitten und mit einer abnehmen
den Oberflächenenergie in einer Richtung von dem ersten Abschnitt
zu dem zweiten Abschnitt.
4. Aufbau nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch eine zuneh
mende Hydrophobie zwischen den zweiten und achten Oberflächen.
5. Aufbau nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch eine abneh
mende Oberflächenenergie zwischen den zweiten und achten Oberflä
chen.
6. Aufbau nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Elektrolytlage, die
mit der ersten Oberfläche der Elektrodenanordnung in Eingriff steht.
7. Aufbau nach Anspruch 1, wobei die Absorptionslage das erste elek
trisch leitfähige Material umfaßt, das in einem fluorinierten Polymer
bindemittel (PVDF) dispergiert ist.
8. Aufbau nach Anspruch 1, wobei der erste Abschnitt der Hauptlage im
wesentlichen aus dem zweiten elektrisch leitfähigen Material besteht,
und der zweite Abschnitt der Hauptlage das zweite elektrisch leitfähige
Material vermischt mit Polytetrafluorethylen (PTFE) umfaßt, wobei
die Gewichtsmenge des PTFE kleiner als die Menge des elektrisch
leitfähigen Materials des zweiten Abschnitts ist.
9. Aufbau nach Anspruch 8, wobei die Desorptionslage das dritte elek
trisch leitfähige Material vermischt mit PTFE umfaßt, und wobei die
Menge an PTFE relativ zu dem dritten elektrisch leitfähigen Material
größer als die Menge an PTFE relativ zu dem zweiten elektrisch leit
fähigen Material in dem zweiten Abschnitt der Hauptlage ist.
10. Aufbau nach Anspruch 1, wobei die ersten, zweiten und dritten elek
trisch leitfähigen Materialien verschieden sind.
11. Aufbau nach Anspruch 1, wobei die Absorptionslage das erste elek
trisch leitfähige Material dispergiert in einem Bindemittel umfaßt, das
mäßig hydrophob bis mäßig hydrophil ist.
12. Aufbau nach Anspruch 1, wobei der erste Abschnitt der Hauptlage im
wesentlichen aus dem zweiten elektrisch leitfähigen Material besteht,
und der zweite Abschnitt der Hauptlage das zweite elektrisch leitfähi
ge Material vermischt mit einem ersten hydrophoben Material um
faßt; wobei die Gewichtsmenge des ersten hydrophoben Materials
kleiner als die Menge des elektrisch leitfähigen Materials des zweiten
Abschnittes ist.
13. Aufbau nach Anspruch 12, wobei die Desorptionslage das dritte
elektrisch leitfähige Material vermischt mit einem zweiten hydropho
ben Material umfaßt, das stärker hydrophob als das erste hydrophobe
Material ist, und wobei die Menge des zweiten hydrophoben Mate
rials relativ zu dem dritten elektrisch leitfähigen Material größer als
die Menge des ersten hydrophoben Materials relativ zu dem zweiten
elektrisch leitfähigen Material in dem zweiten Abschnitt der Hauptla
ge ist.
14. Aufbau für eine elektrochemische Zelle mit einer Verbunddiffusi
onsanordnung und einer Elektrodenanordnung, die erste und zweite
gegenüberliegende Hauptflächen aufweist, wobei die Diffusionsan
ordnung umfaßt:
eine Adsorptionslage mit dritten und vierten gegenüberliegenden Hauptflächen, die ein erstes elektrisch leitfähiges Material umfaßt, wobei die dritte Oberfläche mit der zweiten Oberfläche der Elektro denanordnung in Eingriff steht und derart ausgebildet ist, um Was ser an der dritten Oberfläche aufzunehmen,
einer Hauptlage mit fünften und sechsten gegenüberliegenden Hauptflächen, die ein zweites elektrisch leitfähiges Material umfaßt, wobei die fünfte Oberfläche mit der vierten Oberfläche der Adsorpti onslage in Eingriff steht, wobei die Hauptlage zumindest zwei Ab schnitte umfaßt, wobei ein erster Abschnitt benachbart der fünften Oberfläche und ein zweiter Abschnitt benachbart der sechsten Ober fläche angeordnet ist, wobei der erste Abschnitt eine Oberfläche nenergie aufweist, die größer als die des zweiten Abschnittes ist,
eine Desorptionslage mit siebten und achten gegenüberliegenden Hauptflächen, die ein drittes elektrisch leitfähiges Material umfaßt, wobei die siebte Oberfläche mit der sechsten Oberfläche der Hauptla ge in Eingriff steht und die achte Oberfläche von der Elektrodenan ordnung weg weist, um Wasser an der achten Oberfläche freizugeben.
eine Adsorptionslage mit dritten und vierten gegenüberliegenden Hauptflächen, die ein erstes elektrisch leitfähiges Material umfaßt, wobei die dritte Oberfläche mit der zweiten Oberfläche der Elektro denanordnung in Eingriff steht und derart ausgebildet ist, um Was ser an der dritten Oberfläche aufzunehmen,
einer Hauptlage mit fünften und sechsten gegenüberliegenden Hauptflächen, die ein zweites elektrisch leitfähiges Material umfaßt, wobei die fünfte Oberfläche mit der vierten Oberfläche der Adsorpti onslage in Eingriff steht, wobei die Hauptlage zumindest zwei Ab schnitte umfaßt, wobei ein erster Abschnitt benachbart der fünften Oberfläche und ein zweiter Abschnitt benachbart der sechsten Ober fläche angeordnet ist, wobei der erste Abschnitt eine Oberfläche nenergie aufweist, die größer als die des zweiten Abschnittes ist,
eine Desorptionslage mit siebten und achten gegenüberliegenden Hauptflächen, die ein drittes elektrisch leitfähiges Material umfaßt, wobei die siebte Oberfläche mit der sechsten Oberfläche der Hauptla ge in Eingriff steht und die achte Oberfläche von der Elektrodenan ordnung weg weist, um Wasser an der achten Oberfläche freizugeben.
15. Aufbau nach Anspruch 14, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die
Oberflächenenergie des Materials der vierten und fünften Oberflächen
ähnlich ist, und die Oberflächenenergie des Materials der sechsten
und siebten Oberflächen ähnlich und deutlich verschieden von der
der vierten und fünften Oberflächen ist.
16. Aufbau nach Anspruch 14, wobei die Hauptlage zumindest einen
Zwischenabschnitt zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt um
faßt, und wobei die Oberflächenenergie jedes Zwischenabschnittes
zwischen der des ersten Abschnittes und der des zweiten Abschnittes
liegt.
17. Aufbau nach Anspruch 16, mit einer Vielzahl der Zwischenlagen zwi
schen den ersten und zweiten Abschnitten und mit einer abnehmen
den Oberflächenenergie in einer Richtung von dem ersten Abschnitt
zu dem zweiten Abschnitt.
18. Aufbau nach Anspruch 14, ferner gekennzeichnet durch eine abneh
mende Oberflächenenergie zwischen den zweiten und achten Oberflä
chen.
19. Aufbau nach Anspruch 14, ferner gekennzeichnet durch eine abneh
mende Oberflächenenergie zwischen den fünften und sechsten Ober
flächen.
20. Aufbau nach Anspruch 14, ferner mit einer Elektrolytlage, die mit der
ersten Oberfläche der Elektrodenanordnung in Eingriff steht.
21. Aufbau für eine elektrochemische Zelle mit einer Verbunddiffusi
onsanordnung und einer Elektrodenanordnung, die eine Hauptfläche
aufweist, wobei die Diffusionsanordnung eine Hauptlage in Massen
transportverbindung mit der Hauptfläche der Elektrode umfaßt, wo
bei die Hauptlage ein erstes elektrisch leitfähiges Material umfaßt
und zumindest zwei Abschnitte aufweist, wobei ein erster Abschnitt
zu der Elektrodenlage weist und ein zweiter Abschnitt von der Elek
trodenlage weg weist, wobei der erste Abschnitt weniger hydrophob
als der zweite Abschnitt ist.
22. Aufbau nach Anspruch 21, ferner mit einer Absorptionslage, die ein
zweites elektrisch leitfähiges Material umfaßt und eine Oberfläche,
die mit der Hauptfläche der Elektrodenanordnung in Eingriff steht,
und eine andere Oberfläche aufweist, die mit dem ersten Abschnitt
der Hauptlage in Eingriff steht.
23. Aufbau nach Anspruch 21, ferner mit einer Desorptionslage, die ein
drittes elektrisch leitfähiges Material umfaßt, wobei die Desorptions
lage mit dem zweiten Abschnitt der Hauptlage in Eingriff steht.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US09/426,294 | 1999-10-25 | ||
US09/426,294 US6350539B1 (en) | 1999-10-25 | 1999-10-25 | Composite gas distribution structure for fuel cell |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10048182A1 true DE10048182A1 (de) | 2001-05-17 |
DE10048182B4 DE10048182B4 (de) | 2004-04-29 |
Family
ID=23690189
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE10048182A Expired - Lifetime DE10048182B4 (de) | 1999-10-25 | 2000-09-28 | Verbundananordnung zur Gasverteilung bei Brennstoffzellen |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US6350539B1 (de) |
CA (1) | CA2316486A1 (de) |
DE (1) | DE10048182B4 (de) |
Cited By (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10260501A1 (de) * | 2002-12-21 | 2004-07-01 | Daimlerchrysler Ag | Gasdiffusionselektrode mit einer Schicht zur Steuerung der Querdiffusion von Wasser |
WO2004093225A2 (de) * | 2003-04-16 | 2004-10-28 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Kathode für eine direkt-methanol-brennstoffzelle sowie verfahren zum betreiben derselben |
DE10330478A1 (de) * | 2003-07-05 | 2005-02-03 | Elringklinger Ag | Brennstoffzelleneinheit und Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelleneinheit |
DE10330476A1 (de) * | 2003-07-05 | 2005-02-03 | Elringklinger Ag | Brennstoffzelleneinheit und Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit |
DE10345030A1 (de) * | 2003-09-29 | 2005-04-14 | Daimlerchrysler Ag | Membran-Elektroden-Anordnung für eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle |
DE10345261A1 (de) * | 2003-09-29 | 2005-04-21 | Ballard Power Systems | Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle mit stabiler Leistung |
DE10340834A1 (de) * | 2003-09-04 | 2005-06-23 | Daimlerchrysler Ag | Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle |
DE10342199B4 (de) * | 2003-09-13 | 2007-02-08 | Daimlerchrysler Ag | Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle |
FR2898731A1 (fr) * | 2006-03-17 | 2007-09-21 | Commissariat Energie Atomique | Pile a comsbustible comportant un ensemble capable de gerer l'eau produite par ladite pile. |
DE112004001386B4 (de) * | 2003-07-28 | 2008-09-18 | General Motors Corp., Detroit | Verfahren zur Herstellung von Diffusionsmedien, Diffusionsmedien und deren Verwendung |
DE112004001385B4 (de) * | 2003-07-28 | 2008-11-13 | General Motors Corp., Detroit | Brennstoffzellensystem mit einer für verschiedene Betriebsfeuchtigkeiten optimierten Gasdiffusionsschicht und dessen Verwendung |
DE112005001886B4 (de) * | 2004-08-05 | 2009-06-18 | General Motors Corp., Detroit | Verfahren zum Herstellen eines hydrophilen Brennstoffzellenmediums |
WO2009153060A1 (de) * | 2008-06-20 | 2009-12-23 | Sgl Carbon Se | Gasdiffusionsschicht |
DE112004001393B4 (de) * | 2003-07-28 | 2013-08-22 | General Motors Corp. | Brennstoffzelle enthaltend ein räumlich variierendes Diffusionsmedium und Verwendung einer solchen Brennstoffzelle in einem Fahrzeug |
DE112004000138B4 (de) * | 2003-01-15 | 2014-12-24 | General Motors Corp. (N.D.Ges.D. Staates Delaware) | Qualitätskontrollverfahren für Gasdiffusionsmedien |
DE112004000141B4 (de) * | 2003-01-15 | 2019-03-28 | General Motors Llc ( N. D. Ges. D. Staates Delaware ) | Verfahren zur Bestimmung einer Qualität eines Gasdiffusionsmediums |
Families Citing this family (66)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3594533B2 (ja) * | 2000-05-30 | 2004-12-02 | 三洋電機株式会社 | 燃料電池 |
SE522666C2 (sv) * | 2000-07-07 | 2004-02-24 | Volvo Ab | Gasfördelningselement för bränsleceller, bränslecell samt metod för att tillverka ett gasfördelningselement |
JP5050294B2 (ja) * | 2000-10-17 | 2012-10-17 | トヨタ自動車株式会社 | 固体高分子電解質型燃料電池の拡散層とその製造方法 |
JP2002164056A (ja) * | 2000-11-22 | 2002-06-07 | Aisin Seiki Co Ltd | 固体高分子電解質型燃料電池及び電極、及びその電極の製造方法 |
JP4171978B2 (ja) * | 2002-05-27 | 2008-10-29 | ソニー株式会社 | 燃料改質器及びその製造方法、並びに電気化学デバイス用電極及び電気化学デバイス |
US6866958B2 (en) * | 2002-06-05 | 2005-03-15 | General Motors Corporation | Ultra-low loadings of Au for stainless steel bipolar plates |
US7179553B2 (en) * | 2002-09-06 | 2007-02-20 | General Motors Corporation | Method for detecting electrical defects in membrane electrode assemblies |
WO2004046408A2 (en) * | 2002-11-20 | 2004-06-03 | Intelligent Energy, Inc. | Electrochemical reformer and fuel cell system |
US6887613B2 (en) * | 2002-12-04 | 2005-05-03 | General Motors Corporation | Corrosion resistant PEM fuel cell |
US7303835B2 (en) * | 2003-01-15 | 2007-12-04 | General Motors Corporation | Diffusion media, fuel cells, and fuel cell powered systems |
US6911276B2 (en) * | 2003-04-15 | 2005-06-28 | Entegris, Inc. | Fuel cell with ultraphobic surfaces |
US20080233436A1 (en) * | 2003-07-28 | 2008-09-25 | General Motors Corporation | Diffusion media tailored to account for variations in operating humidity and devices incorporating the same |
US7105242B2 (en) * | 2003-10-17 | 2006-09-12 | General Motors Corporation | Control of polymer surface distribution on diffusion media improved fuel cell performance |
US20050100774A1 (en) * | 2003-11-07 | 2005-05-12 | Abd Elhamid Mahmoud H. | Novel electrical contact element for a fuel cell |
US7923172B2 (en) * | 2003-11-14 | 2011-04-12 | Basf Fuel Cell Gmbh | Structures for gas diffusion materials and methods for their fabrication |
US7258263B2 (en) * | 2003-12-17 | 2007-08-21 | General Motors Corporation | Bipolar plate fabrication |
US7252218B2 (en) * | 2003-12-17 | 2007-08-07 | General Motors Corporation | Bipolar plate fabrication by roll bonding |
US20060204831A1 (en) * | 2004-01-22 | 2006-09-14 | Yan Susan G | Control parameters for optimizing MEA performance |
US7220513B2 (en) * | 2004-03-18 | 2007-05-22 | General Motors Corporation | Balanced humidification in fuel cell proton exchange membranes |
US20050233202A1 (en) * | 2004-04-20 | 2005-10-20 | Fay Matthew M | Thermoplastic-imbibed diffusion media to help eliminate MEA edge failure |
US8101319B2 (en) * | 2004-05-20 | 2012-01-24 | GM Global Technology Operations LLC | Approach to make a high performance membrane electrode assembly (MEA) for a PEM fuel cell |
JP4691914B2 (ja) * | 2004-06-21 | 2011-06-01 | 日産自動車株式会社 | ガス拡散電極及び固体高分子電解質型燃料電池 |
US20060008696A1 (en) * | 2004-06-30 | 2006-01-12 | Suk-Won Cha | Nanotubular solid oxide fuel cell |
US7063913B2 (en) * | 2004-08-25 | 2006-06-20 | General Motors Corporation | Diffusion media with microporous layer |
US20060105159A1 (en) * | 2004-11-12 | 2006-05-18 | O'hara Jeanette E | Gas diffusion medium with microporous bilayer |
GB2422716B (en) * | 2005-01-26 | 2007-08-22 | Intelligent Energy Ltd | Multi-layer fuel cell diffuser |
US20060199061A1 (en) * | 2005-03-02 | 2006-09-07 | Fiebig Bradley N | Water management in bipolar electrochemical cell stacks |
US7399549B2 (en) * | 2005-04-22 | 2008-07-15 | Gm Global Technology Operations, Inc. | Altering zeta potential of dispersions for better HCD performance and dispersion stability |
US20060240312A1 (en) * | 2005-04-25 | 2006-10-26 | Tao Xie | Diffusion media, fuel cells, and fuel cell powered systems |
US7759017B2 (en) | 2005-05-18 | 2010-07-20 | Gm Global Technology Operations, Inc. | Membrane electrode assembly (MEA) architecture for improved durability for a PEM fuel cell |
US8354199B2 (en) * | 2005-07-13 | 2013-01-15 | GM Global Technology Operations LLC | Multi-layer diffusion medium substrate |
US8211592B2 (en) * | 2005-09-15 | 2012-07-03 | GM Global Technology Operations LLC | Hydrophilic layer on flowfield for water management in PEM fuel cell |
US20070059580A1 (en) * | 2005-09-15 | 2007-03-15 | Budinski Michael K | Design strategies for corrosion mitigation |
US20070065637A1 (en) * | 2005-09-16 | 2007-03-22 | Extrand Charles W | Carrier with anisotropic wetting surfaces |
US20070062594A1 (en) * | 2005-09-16 | 2007-03-22 | Extrand Charles W | Microfluidic device with anisotropic wetting surfaces |
US20070065702A1 (en) * | 2005-09-16 | 2007-03-22 | Extrand Charles W | Fuel cell with anisotropic wetting surfaces |
US7749637B2 (en) * | 2005-09-19 | 2010-07-06 | Gm Global Technology Operations, Inc. | Water blocking layer and wicking reservoir for PEMFC |
WO2007069404A1 (ja) * | 2005-12-16 | 2007-06-21 | Kabushiki Kaisha Equos Research | 燃料電池用電極、燃料電池のセル及び燃料電池のスタック |
US20070178341A1 (en) * | 2006-01-27 | 2007-08-02 | Christian Wieser | Gas channel coating with water-uptake related volume change for influencing gas velocity |
CN100472872C (zh) * | 2006-02-01 | 2009-03-25 | 松下电器产业株式会社 | 直接氧化燃料电池及运行直接氧化燃料电池的方法 |
US7955750B2 (en) * | 2006-02-21 | 2011-06-07 | GM Global Technology Operations LLC | Controlled electrode overlap architecture for improved MEA durability |
US8343452B2 (en) * | 2006-03-20 | 2013-01-01 | GM Global Technology Operations LLC | Acrylic fiber bonded carbon fiber paper as gas diffusion media for fuel cell |
WO2007123066A1 (ja) * | 2006-04-17 | 2007-11-01 | Nec Corporation | 固体高分子型燃料電池 |
US7569299B2 (en) | 2006-07-25 | 2009-08-04 | Gm Global Technology Operations, Inc. | Multi-component fuel cell gasket for low temperature sealing and minimal membrane contamination |
US7749632B2 (en) | 2006-07-27 | 2010-07-06 | Gm Global Technology Operations, Inc. | Flow shifting coolant during freeze start-up to promote stack durability and fast start-up |
US7883810B2 (en) * | 2006-11-09 | 2011-02-08 | GM Global Technology Operations LLC | Slow purge for improved water removal, freeze durability, purge energy efficiency and voltage degradation due to shutdown/startup cycling |
US8455155B2 (en) * | 2006-11-22 | 2013-06-04 | GM Global Technology Operations LLC | Inexpensive approach for coating bipolar plates for PEM fuel cells |
KR100821034B1 (ko) * | 2007-04-24 | 2008-04-08 | 삼성에스디아이 주식회사 | 습도조절장치 겸용 캐소드 엔드 플레이트 및 이를 채용한공기호흡형 연료전지 스택 |
US8026020B2 (en) | 2007-05-08 | 2011-09-27 | Relion, Inc. | Proton exchange membrane fuel cell stack and fuel cell stack module |
KR20080105255A (ko) * | 2007-05-30 | 2008-12-04 | 현대자동차주식회사 | 전기전도도가 향상된 5-레이어 mea 제조 방법 |
US9293778B2 (en) | 2007-06-11 | 2016-03-22 | Emergent Power Inc. | Proton exchange membrane fuel cell |
US8003274B2 (en) * | 2007-10-25 | 2011-08-23 | Relion, Inc. | Direct liquid fuel cell |
DE102007000611A1 (de) * | 2007-10-31 | 2009-05-07 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Kratzfeste und dehnbare Korrosionsschutzschicht für Leichtmetallsubstrate |
US8168340B2 (en) | 2007-11-07 | 2012-05-01 | GM Global Technology Operations LLC | Water removal features for PEMfc stack manifolds |
US8409769B2 (en) | 2007-12-07 | 2013-04-02 | GM Global Technology Operations LLC | Gas diffusion layer for fuel cell |
US20090211522A1 (en) * | 2008-02-21 | 2009-08-27 | Gm Global Technology Operations, Inc. | Use of Variable Frequency Microwaves to Control the Teflon Profile of Gas Diffusion Media |
CN101980956A (zh) * | 2008-03-31 | 2011-02-23 | 户田工业株式会社 | 磷酸铁锂颗粒粉末的制造方法、橄榄石型结构的磷酸铁锂颗粒粉末、使用该磷酸铁锂颗粒粉末的正极材料片和非水溶剂类二次电池 |
JP5188872B2 (ja) * | 2008-05-09 | 2013-04-24 | パナソニック株式会社 | 直接酸化型燃料電池 |
US20090311575A1 (en) * | 2008-06-06 | 2009-12-17 | Brian David Babcock | Fuel cell with passive operation |
WO2009151013A1 (ja) * | 2008-06-09 | 2009-12-17 | 旭硝子株式会社 | 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体 |
US20100028744A1 (en) * | 2008-08-04 | 2010-02-04 | Gm Global Technology Operations, Inc. | Gas diffusion layer with lower gas diffusivity |
US20100028750A1 (en) * | 2008-08-04 | 2010-02-04 | Gm Global Technology Operations, Inc. | Gas diffusion layer with lower gas diffusivity |
US9077009B2 (en) * | 2008-08-12 | 2015-07-07 | General Electric Company | Fuel cell element electrode including layers with varying hydrophobicity |
JP5696722B2 (ja) * | 2010-03-19 | 2015-04-08 | 旭硝子株式会社 | 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体、および固体高分子形燃料電池用カソードの製造方法 |
US20140080080A1 (en) * | 2012-09-14 | 2014-03-20 | GM Global Technology Operations LLC | Annealed WVT Membranes to Impart Durability and Performance |
CA2939193C (en) * | 2014-02-24 | 2022-03-08 | Toray Industries, Inc. | Gas diffusion electrode substrate, and membrane electrode assembly and fuel cell equipped with same |
Family Cites Families (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5217821A (en) * | 1990-06-25 | 1993-06-08 | International Fuel Cells Corporation | High current acid fuel cell electrodes |
JP3171642B2 (ja) * | 1992-02-28 | 2001-05-28 | 田中貴金属工業株式会社 | ガス拡散電極 |
US6106965A (en) * | 1996-03-29 | 2000-08-22 | Mazda Motor Corporation | Polymer electrolyte fuel cell |
JP3929146B2 (ja) * | 1997-11-07 | 2007-06-13 | 松下電器産業株式会社 | 固体高分子型燃料電池システム |
US6103077A (en) * | 1998-01-02 | 2000-08-15 | De Nora S.P.A. | Structures and methods of manufacture for gas diffusion electrodes and electrode components |
JP2000182625A (ja) * | 1998-12-11 | 2000-06-30 | Toyota Motor Corp | 燃料電池用電極及びその製造方法 |
AU1773800A (en) * | 1998-12-21 | 2000-07-12 | Icopal A/S | A water vapour barrier and a method of making the same |
GB9905950D0 (en) * | 1999-03-16 | 1999-05-05 | Johnson Matthey Plc | Substrates |
-
1999
- 1999-10-25 US US09/426,294 patent/US6350539B1/en not_active Expired - Lifetime
-
2000
- 2000-08-22 CA CA002316486A patent/CA2316486A1/en not_active Abandoned
- 2000-09-28 DE DE10048182A patent/DE10048182B4/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (25)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10260501A1 (de) * | 2002-12-21 | 2004-07-01 | Daimlerchrysler Ag | Gasdiffusionselektrode mit einer Schicht zur Steuerung der Querdiffusion von Wasser |
DE112004000141B4 (de) * | 2003-01-15 | 2019-03-28 | General Motors Llc ( N. D. Ges. D. Staates Delaware ) | Verfahren zur Bestimmung einer Qualität eines Gasdiffusionsmediums |
DE112004000138B4 (de) * | 2003-01-15 | 2014-12-24 | General Motors Corp. (N.D.Ges.D. Staates Delaware) | Qualitätskontrollverfahren für Gasdiffusionsmedien |
WO2004093225A2 (de) * | 2003-04-16 | 2004-10-28 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Kathode für eine direkt-methanol-brennstoffzelle sowie verfahren zum betreiben derselben |
WO2004093225A3 (de) * | 2003-04-16 | 2005-01-06 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Kathode für eine direkt-methanol-brennstoffzelle sowie verfahren zum betreiben derselben |
US7638225B2 (en) | 2003-04-16 | 2009-12-29 | Forschungszentrum Julich Gmbh | Cathode for a direct methanol fuel cell and method for operating the same |
DE10330476A1 (de) * | 2003-07-05 | 2005-02-03 | Elringklinger Ag | Brennstoffzelleneinheit und Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit |
DE10330476B4 (de) * | 2003-07-05 | 2007-02-08 | Elringklinger Ag | Brennstoffzelleneinheit und Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit |
DE10330478A1 (de) * | 2003-07-05 | 2005-02-03 | Elringklinger Ag | Brennstoffzelleneinheit und Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelleneinheit |
DE10330478B4 (de) * | 2003-07-05 | 2016-09-15 | Elringklinger Ag | Brennstoffzelleneinheit und Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelleneinheit |
DE10330478B9 (de) * | 2003-07-05 | 2017-01-05 | Elringklinger Ag | Brennstoffzelleneinheit und Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelleneinheit |
DE112004001393B4 (de) * | 2003-07-28 | 2013-08-22 | General Motors Corp. | Brennstoffzelle enthaltend ein räumlich variierendes Diffusionsmedium und Verwendung einer solchen Brennstoffzelle in einem Fahrzeug |
DE112004001386B4 (de) * | 2003-07-28 | 2008-09-18 | General Motors Corp., Detroit | Verfahren zur Herstellung von Diffusionsmedien, Diffusionsmedien und deren Verwendung |
DE112004001385B4 (de) * | 2003-07-28 | 2008-11-13 | General Motors Corp., Detroit | Brennstoffzellensystem mit einer für verschiedene Betriebsfeuchtigkeiten optimierten Gasdiffusionsschicht und dessen Verwendung |
DE10340834A1 (de) * | 2003-09-04 | 2005-06-23 | Daimlerchrysler Ag | Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle |
DE10340834B4 (de) | 2003-09-04 | 2018-12-06 | Daimler Ag | Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle |
DE10342199B4 (de) * | 2003-09-13 | 2007-02-08 | Daimlerchrysler Ag | Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle |
DE10345030A1 (de) * | 2003-09-29 | 2005-04-14 | Daimlerchrysler Ag | Membran-Elektroden-Anordnung für eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle |
DE10345261A1 (de) * | 2003-09-29 | 2005-04-21 | Ballard Power Systems | Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle mit stabiler Leistung |
DE112005001886B4 (de) * | 2004-08-05 | 2009-06-18 | General Motors Corp., Detroit | Verfahren zum Herstellen eines hydrophilen Brennstoffzellenmediums |
WO2007118945A3 (fr) * | 2006-03-17 | 2008-09-12 | Commissariat Energie Atomique | Pile a combustible comportant un ensemble capable de gerer l'eau produite par ladite pile |
US7993794B2 (en) | 2006-03-17 | 2011-08-09 | Commissariat à l'Energie Atomique | Fuel cell comprising an assembly capable of managing the water generated by said cell |
WO2007118945A2 (fr) * | 2006-03-17 | 2007-10-25 | Commissariat A L'energie Atomique | Pile a combustible comportant un ensemble capable de gerer l'eau produite par ladite pile |
FR2898731A1 (fr) * | 2006-03-17 | 2007-09-21 | Commissariat Energie Atomique | Pile a comsbustible comportant un ensemble capable de gerer l'eau produite par ladite pile. |
WO2009153060A1 (de) * | 2008-06-20 | 2009-12-23 | Sgl Carbon Se | Gasdiffusionsschicht |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CA2316486A1 (en) | 2001-04-25 |
US6350539B1 (en) | 2002-02-26 |
DE10048182B4 (de) | 2004-04-29 |
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