DE102006022862B4

DE102006022862B4 - Fluidverteilungselement für eine Brennstoffzelle sowie Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle mit solch einem Element

Info

Publication number: DE102006022862B4
Application number: DE102006022862A
Authority: DE
Inventors: Youssef M. Sterling Heights Mikhail; Gayatri Rochester Hills Vyas
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-05-18
Filing date: 2006-05-16
Publication date: 2011-01-20
Anticipated expiration: 2026-05-17
Also published as: US7759017B2; DE102006022862A1; US20060263668A1

Abstract

Fluidverteilungselement (17) für eine Brennstoffzelle (9) mit einer Membranelektrodenanordnung (10) (MEA), wobei das Element (17) umfasst:
eine elektrisch leitende faserlose mikroporöse Diffusionsmedienschicht (21, 22), die auf einer Oberfläche (24, 28) ein metallisiertes Gebiet (88) oder mehrere metallisierte Gebiete (88) aufweist, wobei das eine metallisierte Gebiet (88) oder die mehreren metallisierten Gebiete (88) eine Hauptoberfläche der MEA (10) berührt/berühren und jeweils elektrisch leitende Wege zwischen der MEA (10) und der Diffusionsmedienschicht (21, 22) bildet/bilden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrochemische Zellen und insbesondere auf elektrisch leitende Fluidverteilungselemente und auf die Herstellung sowie auf den Betrieb von Brennstoffzellen, die solche Fluidverteilungselemente umfassen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen sind als Leistungsquelle für Elektrofahrzeuge und für andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Eine bekannte Brennstoffzelle ist die PEM-Brennstoffzelle (d. h. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle), die eine so genannte ”Membranelektrodenanordnung” (MEA) umfasst, die einen dünnen, festen Polymermembranelektrolyten umfasst, der an einer Fläche des Membranelektrolyten eine Anode aufweist und an der gegenüberliegenden Fläche des Membranelektrolyten eine Katode aufweist. Es ist erwünscht, dass ein zur Verwendung als eine PEM ausgewähltes Polymer einzigartige Eigenschaften einschließlich der Durchlässigkeit für Protonen und der elektrischen Isolation aufweist. In der Praxis neigen Polymere, die diese Anforderungen erfüllen, dazu, mit einer typischen Dicke von etwa 10 bis 125 μm verhältnismäßig zerbrechlich und dünn zu sein. Wenn zu der PEM die Elektroden hinzugefügt werden, um die MEA zu bilden, wird die PEM Bedingungen verhältnismäßig hoher Belastung ausgesetzt, die sowohl hohe Temperatur als auch hohen Druck umfassen. Da die PEM-Membran zerbrechlich ist, wird sie vorsichtig behandelt und verarbeitet, um physikalische Risse oder eine Verdünnung zu minimieren.
Die MEA wird zwischen ein Paar elektrisch leitender poröser Fluidverteilungselemente geschichtet. Die MEA bildet zusammen mit den Fluidverteilungselementen eine nachgiebige Schicht, die daraufhin zwischen ein Paar elektrisch leitende Kontaktelemente (allgemein Bipolarplatten oder Separatorplatten genannt) geschichtet wird, die als Stromabnehmer für die Anode und für die Katode dienen und die ferner häufig geeignete Kanäle und Öffnungen aufweisen, um die gasförmigen Reaktanden (d. h. H₂ und O₂/Luft) über die Oberflächen der Anode bzw. Katode zu verteilen.
Die Fluidverteilungselemente werden üblicherweise aus Fasern (vorzugsweise Kohlenstoff- oder Graphitfasern) oder aus Metallen wie etwa aus Schäumen oder Gittern hergestellt und sind im Allgemeinen in der Lage, eine Beschädigung der MEA verursachen zu können. Eine Brennstoffzelle mit solch einem fasrigen Fluidverteilungselement auf Polyurethanschaumbasis ist beispielsweise aus der US 2004/0001993 A1 bekannt. Ferner wird der Kontakt von den Fluidverteilungselementen mit den angrenzenden Elementen durch die Anwendung von Druckkraft erzielt, die optimiert werden muss, um den Brennstoffzellenbetrieb zu verbessern, ohne eine Beschädigung an der MEA zu verursachen. Insgesamt können die zugeordneten Komponenten und die Anordnung, die die MEA berühren, zu übermäßigem Verschleiß und zu übermäßiger mechanischer Spannung führen, die die Lebensdauer der Brennstoffzelle verkürzen. Es besteht ein Bedarf an einer Schutzschicht, um die MEA zu polstern, ohne die elektrische Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle zu beeinträchtigen oder übermäßige Kosten zu der Herstellung der Brennstoffzelle hinzuzufügen. Es bleibt die Herausforderung, Brennstoffzellen einschließlich der Fluidverteilungselemente und der daraus hergestellten Anordnungen in einer Brennstoffzelle zu optimieren, um den Wirkungsgrad, die elektrische Leitfähigkeit und die MEA-Haltbarkeit so kostengünstig wie möglich zu fördern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Fluidverteilungselement für eine Brennstoffzelle mit einer Membranelektrodenanordnung (MEA). Das Element umfasst eine elektrisch leitende faserlose mikroporöse Diffusionsmedienschicht. Eine Oberfläche der Diffusionsmedienschicht weist ein metallisiertes Gebiet oder mehrere metallisierte Gebiete auf. Das eine metallisierte Gebiet oder die mehreren metallisierten Gebiete berührt/berühren eine Hauptoberfläche der MEA und bildet/bilden zwischen der MEA und den Diffusionsmedienschichten jeweils elektrisch leitende Wege.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung für eine Brennstoffzelle, das das Positionieren elektrisch leitender faserloser mikroporöser Diffusionsmedienschichten zwischen einer Membranelektrodenanordnung (MEA) und einer elektrisch leitenden Separatorplatte umfasst. Die mikroporösen Diffusionsmedienschichten weisen eine erste Oberfläche, die der MEA gegenüberliegt, und eine zweite Oberfläche, die der leitenden Separatorplatte gegenüberliegt, auf. Das eine Gebiet oder die mehreren Gebiete der ersten Oberfläche steht/stehen mit der MEA in Berührung, und das eine Gebiet oder die mehreren Gebiete der zweiten Oberfläche steht/stehen mit der Separatorplatte in Berührung, um einen elektrisch leitenden Weg von der Separatorplatte durch die mikroporösen Diffusionsmedienschichten zu der MEA zu bilden. Während die Brennstoffzelle arbeitet, werden dann über den elektrisch leitenden Weg Elektronen zu oder von der MEA geleitet.
In einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein anderes Verfahren zur Herstellung einer Anordnung für eine Brennstoffzelle, das das Ablagern eines elektrisch leitenden Metalls auf einer Oberfläche elektrisch leitender faserloser mikroporöser Diffusionsmedienschichten umfasst, um ein metallisiertes Gebiet oder mehrere metallisierte Gebiete mit einer äußerst niedrigen Dicke zu bilden. Die mikroporösen Diffusionsmedienschichten umfassen karbonisiertes Schaum-Polytetrafluorethylen (ePTFE). Die Oberfläche mit den metallisierten Gebieten wird angrenzend an eine Elektrode einer Membranelektrodenanordnung (MEA) positioniert. Die Elektrode wird mit der Oberfläche mit den metallisierten Gebieten in Berührung gebracht, um einen elektrisch leitenden Weg zwischen der Separatorplatte und den mikroporösen Diffusionsmedienschichten zu bilden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird umfassender verständlich aus der ausführlichen Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 eine nicht maßstäbliche seitliche Schnittansicht einer Brennstoffzellenanordnung mit einer Membranelektrodenanordnung (MEA) ist, wobei auf eine Oberfläche davon in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung faserlose mikroporöse elektrisch leitende Diffusionsmedienschichten mit metallisierten Gebieten aufgetragen sind, wobei die Anordnung außerdem Separatorplatten umfasst;
2 eine Explosionsdarstellung eines Schnitts von 1 ist, die eine elektrisch leitende faserlose mikroporöse Diffusionsmedienschicht zeigt;
3 eine nicht maßstäbliche seitliche Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist, die entlang der gesamten Oberfläche einer mikroporösen Diffusionsmedienschicht, die einer MEA zugewandt ist, metallisierte Gebiete umfasst und entlang einer gesamten Oberfläche mikroporöser Diffusionsmedienschichten, die den Separatorplatten zugewandt ist, metallisierte Gebiete umfasst;
4 eine ausführliche nicht maßstäbliche seitliche Teilschnittansicht einer einzelnen faserlosen mikroporösen Diffusionsmedienschicht, die an eine MEA gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angrenzt, mit metallisierten Gebieten entlang der gesamten Oberfläche der Diffusionsmedienschicht, die einer MEA zugewandt ist, und entlang einer Oberfläche der Diffusionsmedienschicht, die einer Separatorplatte zugewandt ist, wobei die metallisierten Gebiete diskret sind; und
5 eine graphische Darstellung von Kontaktwiderstands- und Spannungswerten ist, die durch ein elektrisch leitendes faserloses mikroporöses Fluidverteilungselement gemäß der vorliegenden Erfindung erzielt wurden, wobei die relative Feuchtigkeit des Katodeneinlasses geändert wird, um die Gesamtzellenleistungsfähigkeit zu veranschaulichen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen in keiner Weise einschränken. Die hier verwendeten Überschriften und Unterüberschriften sind lediglich für die allgemeine Organisation von Themen innerhalb der Offenbarung der Erfindung vorgesehen und sollen weder die Offenbarung der Erfindung noch irgendeinen Aspekt davon einschränken. Der in der ”Zusammenfassung der Erfindung” offenbarte Gegenstand ist keine erschöpfende oder vollständige Offenbarung des gesamten Umfangs der Erfindung oder irgendwelcher Ausführungsformen davon.
DEFINITIONEN
Wie sie hier verwendet werden, beziehen sich die Wörter ”bevorzugt” und ”vorzugsweise” auf Ausführungsformen der Erfindung, die unter bestimmten Umständen bestimmte Vorteile ermöglichen. Allerdings können unter den gleichen oder unter anderen Umständen andere Ausführungsformen ebenfalls bevorzugt sein. Darüber hinaus bedeutet die Darstellung einer oder mehrerer bevorzugter Ausführungsformen nicht, dass andere Ausführungsformen nicht nützlich sind, wobei andere Ausführungsformen nicht vom Umfang der Erfindung ausgeschlossen werden sollen.
Wie es hier verwendet wird, soll das Wort ”umfasst” und seine Varianten nicht einschränkend sein, so dass die Darstellung von Gegenständen in einer Liste andere, ähnliche Gegenstände, die in den Materialien, Zusammensetzungen, Vorrichtungen und Verfahren dieser Erfindung nützlich sein können, nicht ausschließen soll.
Wie es hier erwähnt wird, sind alle Zusammensetzungsprozentsätze, sofern nichts anderes angegeben ist, Gewichtsprozentsätze der Gesamtzusammensetzung.
Wie es hier verwendet wird, bedeutet das Wort ”im Wesentlichen”, wenn es auf eine Charakteristik oder Eigenschaft einer Zusammensetzung oder eines Verfahrens dieser Erfindung angewendet wird, dass es eine Abweichung in der Charakteristik geben kann, ohne dass dies eine wesentliche Wirkung auf die chemischen oder physikalischen Attribute der Zusammensetzung oder des Verfahrens hat.
”Im Wesentlichen frei” soll bedeuten, dass die Eigenschaft oder Charakteristik in dem Umfang fehlt, dass sie nicht erfasst werden kann oder dass der Gegenstand weiter für seinen vorgesehenen Zweck verwendet werden kann, wo die Abwesenheit der gewünschten Charakteristik oder Eigenschaft gefordert ist.
Wenn ”etwa” auf Werte angewendet wird, gibt es an, dass die Berechnung oder die Messung eine geringfügige Ungenauigkeit in dem Wert (z. B. mit einer Annäherung an die Genauigkeit in dem Wert; angenähert oder sinnvoll nahe zu dem Wert; nahezu) zulässt. Falls die durch ”etwa” gelieferte Ungenauigkeit aus irgendeinem Grund im Gebiet nicht mit ihrer normalen Bedeutung auf andere Weise verstanden wird, gibt ”etwa” so, wie es hier verwendet wird, eine mögliche Abweichung von bis zu 5% in dem Wert an.
Wie es hier verwendet wird, bezieht sich ”Hauptoberfläche” auf eine Oberfläche eines Elements mit einer größeren Dimension oder mit einem größeren Flächeninhalt als andere Oberflächen des Elements, z. B. eines Elements, das ein Seitenverhältnis größerer Breite zur Höhe hat, bei dem der Flächeninhalt der Seite, die der Höhe des Elements entspricht (z. B. der Dicke), erheblich kleiner als der Flächeninhalt der Breite desselben Elements ist.
”Nachgiebig” ist eine Charakteristik, die angibt, dass ein Material in wenigstens einer axialen Richtung eine Flexibilität aufweist.
Der Begriff ”faserlos” bedeutet, dass ein Material im Wesentlichen frei von lang gestreckten Partikeln mit einer offensichtlichen langen Achse ist, in Bezug auf die der Partikelkörper symmetrisch ist. Beispiele lang gestreckter Partikel mit einer offensichtlichen langen Achse umfassen z. B. Fasern, Fäserchen oder Filamente oder Gemische davon.
Sofern nicht anderes angegeben ist, bezieht sich ”Porengröße” auf einen Mittel- oder Medianwert, der sowohl die inneren als auch die äußeren Porendurchmessergrößen angibt. Die Begriffe ”Pore” und ”Poren” beziehen sich auf Poren verschiedener Größen einschließlich so genannter ”Makroporen” (Porengröße größer als ein Durchmesser von 50 Nanometern (nm)), ”Meoporen” (Porengrößen mit einem Durchmesser zwischen 2 nm und 50 nm) und ”Mikroporen” (Porengrößen mit einem Durchmesser von weniger als etwa 2 nm oder 20 Ångström). ”Mikroporen” gibt an, dass eine Mehrzahl der Poren in dem Material Porengrößen kleiner als etwa 2 nm haben.
”Äußerst dünn” bezieht sich auf Dicken von weniger als etwa 40 nm und am meisten bevorzugt von weniger als 15 nm.
BRENNSTOFFZELLE
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Fluidverteilungselement zur Verwendung in einer Brennstoffzelle. Das in einer Brennstoffzellenanordnung integrierte Fluidverteilungselement verbessert Aspekte des Brennstoffzellenbetriebs, einschließlich: verbesserter Leistungsfähigkeit, verbesserter elektrischer Leitfähigkeit, verbessertem Wirkungsgrad und verbesserter Haltbarkeit.
In 1 ist eine Ausführungsform einer beispielhaften Brennstoffzellenanordnung gezeigt. Eine Brennstoffzelle 9 umfasst eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 10. Die MEA 10 umfasst eine Protonenaustauschmembran (PEM) 12, die zwischen zwei Elektroden 13 geschichtet ist. Eine Elektrode ist eine Anode 14 und die gegenüberliegende Elektrode ist eine Katode 16, wobei diese jeweils durch ein elektrisch leitendes Material begrenzt sind, das als Fluidverteilungselement 17 bekannt ist, das Reaktandengase zu der MEA 10 verteilt. An die Katode 16 wird ein Sauerstoffreaktand geliefert und an die Anode 14 wird ein Wasserstoffreaktand geliefert. Bei der Anode 14 erzeugte Protonen wandern über die Protonenaustauschmembran 12 durch die MEA 10 zu der Katode 16. Bei der Katode 16 wird über die Reaktion der Protonen mit Sauerstoff als ein Nebenprodukt Wasser erzeugt. In einer vereinfachten einzelnen Brennstoffzelle werden die bei der Anode 14 freigesetzten Elektronen über einen mit der Katode 16 verbundenen äußeren Stromkreis (nicht gezeigt) geleitet, um elektrischen Strom zu erzeugen.
PROTONENAUSTAUSCHMEMBRAN
Die Protonenaustauschmembran (PEM) 12 ist eine feste protonenleitende umgegossene Polymerionomermembran, die H⁺-Ionen transportiert. Eine breite Klasse protonenleitender Kationenaustauschharze, die im Gebiet wohl bekannt sind, ist das so genannte Sulfonsäurekationen-Austauschharz wie etwa jenes, das unter dem Warenzeichen Nafion^® verkauft wird und von E. I. DuPont de Nemours & Co verkauft wird. Weitere, ähnliche Membranen werden von der Asahi Glass and Asahi Chemical Company verkauft. Vorzugsweise haften die Elektroden 13 gut an der Membran 12 und liefern durch den engen Kontakt zwischen jeder Elektrode 14, 16 und der Ionomermembran 12 eine Protonenübertragung.
ELEKTRODEN
Wie am besten in 2, einer ausführlichen Ansicht eines Teils von 1, zu sehen ist, ist jede der Elektroden 13 aus einer entsprechenden Gruppe fein geteilter elektrisch leitender Kohlenstoffpartikel 18 gebildet, die sehr fein geteilte elektrisch leitende Katalytpartikel 19 stützen. Mit den Kohlenstoff- und Katalytpartikeln 18, 19 ist protonenleitendes (kationenleitendes) Material 20 vermischt, um für die Reaktion einen ununterbrochenen H⁺-Weg zu dem Katalysator 19 zu schaffen. Die Kohlenstoffpartikel 18, die die Anode 14 (1) bilden, können sich von jenen unterscheiden, die die Katode 16 (1) bilden. Außerdem können sich die Zusammensetzung des Katalysators 19 und/oder die Füllung an der Anode 14 von der Füllung des Katalysators 19 bei der Katode 16 unterscheiden. Obgleich sich die Charakteristiken und die Füllung der Kohlenstoffpartikel 18 und des Katalysators 19 für die Anode 14 und für die Katode 16 unterscheiden können, ist die Grundstruktur der zwei Elektroden 13 ansonsten allgemein ähnlich.
Ein Faktor in der Aktivität des Katalysators 19 der Elektrode 13 ist (neben dem Wasserstoff- und Protonentransport) die effiziente Übertragung von Elektronen zu dem Katalysator 19. Somit stellt die vorliegende Erfindung in einem Aspekt einen verringerten Kontaktwiderstand zwischen dem Fluidverteilungselement 17 und den leitenden Partikeln 18 der Elektrode 13 sicher, der sich somit durch verbesserte Elektronenübertragung zu den Katalysatorpartikeln 19 in eine verbesserte Katalysatoraktivität überträgt.
FLUIDVERTEILUNGSELEMENTE
Erneut anhand von 1 flankieren zwei Fluidverteilungselemente 17 in Form zweier Diffusionsmedienschichten 21, 22 jede Seite der MEA 10. Eine erste Diffusionsmedienschicht 21 liegt der Anode 14 gegenüber und eine zweite Diffusionsmedienschicht 22 liegt der Katode 16 gegenüber. Die erste Diffusionsmedienschicht 21 umfasst eine erste Oberfläche 24 und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche 26. Die erste Oberfläche 24 der ersten Diffusionsmedienschicht 21 liegt der Anodenelektrode 14 gegenüber und berührt sie vorzugsweise. In gleicher Weise umfasst die zweite Diffusionsmedienschicht 22 eine dritte Oberfläche 28 und eine gegenüberliegende vierte Oberfläche 30. Die dritte Oberfläche 28 der zweiten Diffusionsmedienschicht 22 liegt der Katode 16 gegenüber und berührt sie vorzugsweise. Dort, wo die Fluidverteilungselemente 17 die jeweiligen Elektroden 13 berühren, ist ein elektrisches Kontaktgebiet 29 oder sind mehrere elektrische Kontaktgebiete 29 gebildet.
Allgemein gesagt, dienen die porösen Fluidverteilungselemente 17 zum (1) Verteilen eines gasförmigen Reaktanden über die gesamte Fläche der MEA 10, (2) Sammeln von Strom von der MEA 10 und (3) strukturellen Unterstützen der MEA 10. Die Reaktandenfluide werden über die Fluidströmungskanäle in der ersten und in der zweiten porösen Diffusionsmedienschichten 21, 22 an die MEA 10 geliefert, wo die elektrochemischen Reaktionen stattfinden und elektrischer Strom erzeugt wird.
SEPARATORPLATTE
Jede poröse Diffusionsmedienschicht 21, 22 ist durch eine Stromabnehmer-Bipolarplatte oder -Separatorplatte (32 oder 34) entlang der zweiten bzw. der vierten Oberfläche 26, 30 begrenzt. Wenn die Brennstoffzelle 9 zusammengesetzt ist, berührt die Oberfläche 38 der ersten Separatorplatte 32 eine zweite Oberfläche 26 der ersten Diffusionsmedienschicht 21 und berührt eine Oberfläche 40 der zweiten Separatorplatte 34 die vierte Oberfläche 30 der zweiten Diffusionsmedienschicht 22. Es ist bevorzugt, dass die Diffusionsmedienschichten 21, 22 und die erste und die zweite Separatorplatte 32, 34 aus elektrisch leitenden Materialien konstruiert sind und der elektrische Kontakt dazwischen bei einem oder bei mehreren elektrischen Kontaktgebieten 44 hergestellt ist, wobei zwischen einer Separatorplatte (32 oder 34) und den entsprechenden porösen Diffusionsmedienschichten (21 oder 22) ein elektrisch leitenden Weg gebildet ist. Ferner ist es bevorzugt, dass die elektrische Leitfähigkeit gleichfalls über das Grundmaterial der porösen Diffusionsmedienschichten 21, 22 und über die elektrischen Kontaktgebiete 29 zu den Elektroden 13 hergestellt ist.
Jede Oberfläche 38, 40 weist ein Strömungsfeld auf, das durch mehrere Stege 48 definiert ist, die dazwischen mehrere Aussparungen 50 definieren. Die Reaktandengase (d. h. H₂ oder O₂) der Brennstoffzelle strömen durch die Aussparungen und werden zu der MEA 10 verteilt. Wenn die Brennstoffzelle vollständig zusammengesetzt ist und eine Druckkraft angewendet ist, drücken die Stege 48 gegen die porösen Diffusionsmedienschichten 21, 22, die wiederum gegen die MEA 10 drücken.
Die ersten Außenoberflächen 60 der Diffusionsmedienschichten 21, 22 beziehen sich auf jene Oberflächen (d. h. auf die Oberflächen 26, 30) der ersten und der zweiten Diffusionsmedienschichten 21, 22, die die Separatorplatten 32, 34 berühren. Die zweiten Außenoberflächen 62 (d. h. 24, 28) der Diffusionsmedienschichten 21, 22 liegen zu den Hauptoberflächen 64 der MEA 10 frei.
Bevorzugte Konstruktionsmaterialien für die Separatorplatten 32, 34 umfassen leitende Metalle wie etwa z. B. rostfreien Stahl, Aluminium und Titan. In bestimmten Ausführungsformen bildet das Material der Separatorplatten 32, 34 Metalloxide, wenn es Sauerstoff ausgesetzt ist. Einige geeignete Konstruktionsmaterialien für die Separatorplatten 32, 34 sind höhere Qualitäten von rostfreiem Stahl, die hohe Beständigkeit gegen Korrosion in der Brennstoffzelle zeigen, wie etwa z. B. 316L, 317L, 256 SMO, Carpenter 20, Inconel 601, Alloy 276 und Alloy 904L.
Die mehreren in 1 gezeigten und oben beschriebenen Komponenten sind allgemein mit weiteren Brennstoffzellen zusammengesetzt, um einen Stapel (nicht gezeigt) zu bilden. Während normaler Operationen wird ein Brennstoffzellenstapel unter Druckkraft betrieben, die einen engen Kontakt zwischen den mehreren Komponenten erzeugt. Derzeit liegt diese äußere Druckkraft im Bereich von etwa 25 bis etwa 600 psi (etwa 170 kPa bis etwa 4200 kPa). Allerdings kann der Fachmann auf dem Gebiet feststellen, dass der Druck von diesem Bereich abweichen kann und weiter in gleicher Weise auf die vorliegende Erfindung anwendbar ist.
Typische Diffusionsmedien, die momentan im Gebiet verwendet werden, weisen eine Porosität von etwa 70%–90% auf und sind allgemein aus Kohlenstoff- oder Graphitfasern konstruiert und haben allgemein die Form von Papier oder Stoff. Andere im Gebiet bekannte Diffusionsmedien sind aus Metallen wie etwa aus einem Edelmetall-Maschengitter konstruiert. Solche üblicherweise verwendeten, kommerziell verfügbaren Diffusionsmedien sind ein Graphitfaserpapier, das von der Toray Carbon Fibers America, Inc., hergestellt wird. Allerdings haben viele leitende Diffusionsmedienpapiere oder -stoffe hauptsächlich wegen des Wesens und der Struktur des faserbasierten Materials und der ihm zugeordneten Herstellungsprozesse raue Oberflächen mit davon ausgehenden Vorsprüngen. Obgleich diese Materialien etwas flexibel sind, sind sie im Allgemeinen nicht fähig zu einem wesentlichen Zusammendrücken oder zu einer erheblichen nachgiebigen Verformung. Solche Diffusionsmedien haben das Potential, an der MEA 10 Verschleiß und Reißen zu verursachen und ihre Lebensdauer zu verkürzen. Außerdem können Vorsprünge von den faserbasierten Diffusionsmedien auf die MEA 10 und/oder auf die PEM 12 auftreffen und eingebettet werden, wenn während der Brennstoffzellenoperationen Druck ausgeübt wird. Die Diffusionsmedienvorsprünge leiten Elektrizität und können lang genug sein, um teilweise oder vollständig in die Membran 12 einzudringen, was in der Brennstoffzelle 9 potentiell elektrische Defekte erzeugt, die einen vollständigen Ersatz erfordern. Daher werden einige Anstrengungen unternommen, um zwischen den Diffusionsmedien und der MEA 10 eine leitende nachgiebige mikroporöse Pufferschicht wie etwa kommerziell verfügbare CARBEL-Produkte, die von der W. L. Gore Company verfügbar sind, hinzuzufügen.
Allerdings kann die Aufnahme einer solchen Schicht bei der Herstellung einer Brennstoffzelle erheblichen elektrischen Widerstand sowie zusätzliche Kosten hinzufügen. Bisher ist zuvor nicht betrachtet worden, die herkömmlichen faserbasierten elektrisch leitenden Diffusionsmedien aus der Brennstoffzellenanordnung zu beseitigen. Allerdings beseitigt die vorliegende Erfindung die Notwendigkeit solcher faserbasierter Diffusionsmedien, indem sie faserlose nachgiebige mikroporöse Fluidverteilungselemente schafft, die ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweisen, um anstelle herkömmlicher faserbasierter Diffusionsmedien verwendet zu werden.
ELEKTRISCH LEITENDE FASERLOSE FLUIDVERTEILUNGSELEMENTE
In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen die Fluidverteilungselemente 17 (erneut allgemein anhand der 1 und 2) elektrisch leitende faserlose mikroporöse Diffusionsmedienschichten. Außerdem ist es bevorzugt, dass die Fluidverteilungselemente 17 nachgiebig und zu einer elastischen Verformung wenigstens in zwei Richtungen fähig sind, so dass sie axial nachgiebig sind und außerdem, wie im Folgenden beschrieben, zusammengedrückt werden können. Bevorzugte Ausführungsformen der Diffusionsmedienschicht sind ”mikroporös”, d. h., eine Mehrzahl der Poren in dem Fluidverteilungselement 17 weisen Porengrößen von weniger als etwa 2 nm auf. Da diese Öffnungen innen innerhalb des Körpers 78 des Fluidverteilungselements 17 (z. B. 21, 22) angeordnet sind, werden die Oberflächen der Öffnungen als Innenoberflächen 86 oder als das Medieninnere bezeichnet. Es ist bevorzugt, dass die Fluidverteilungselemente 17 hoch porös sind (d. h. etwa 60%–80% Poren), wobei innerhalb eines Körpers 78 der Fluidverteilungselemente 17 mehrere Poren 76, vorzugsweise Mikroporen, gebildet sind. Die mehreren Poren 76 umfassen mehrere Innenporen 80 und mehrere Außenporen 82, die zueinander offen sind und durch den gesamten Körper 78 ununterbrochene Strömungswege oder Kanäle 84 bilden, die von einer ersten Außenoberfläche 60 zu der zweiten Außenoberfläche 62 der Fluidverteilungselemente 17 verlaufen. Die Innenporen 80 befinden sich innerhalb des Grundmaterials oder des Körpers 78 der Fluidverteilungselemente 17, während die Außenporen 82 bei den Oberflächen des Fluidverteilungselements 17, z. B. 60 oder 62, enden.
Somit sind bevorzugte Fluidverteilungselemente 17 ein nichtmetallisches elektrisch leitendes faserloses Material, das ein poröses Polymer umfasst. In einer Ausführungsform umfasst das Material des Fluidverteilungselements 17 Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Derivate davon, wobei darin ferner leitende Partikel verteilt sind, um dem Material elektrische Leitfähigkeit zu verleihen. PTFE ist auch als Teflon^® bekannt. Dem Fachmann auf dem Gebiet wird deutlich, dass die Füllung leitender Partikel in dem Polymer von der notwendigen elektrischen Leitfähigkeit abhängt und mit der notwendigen Diffusion und Gasdurchlässigkeit, die durch die poröse Struktur benötigt wird, im Gleichgewicht ist, da die leitenden Partikel allgemein die Poren, die sie belegen, verstopfen. Es ist bevorzugt, dass die leitenden Partikel eine nicht faserige Geometrie, die keine offensichtliche lange Achse aufweist, in Bezug auf die der Partikelkörper symmetrisch ist, aufweist und im Wesentlichen eine Kugelform aufweisen.
Schaum-Polytetrafluorethylen (ePTFE) und seine mikroporösen Eigenschaften und Charakteristiken sind im US-Pat. Nr. 3,953,566 A beschrieben, das hiermit in seiner Gesamtheit durch Literaturhinweis eingefügt ist. Erwünschte Eigenschaften von ePTFE umfassen eine Struktur, in der Knoten durch Fäserchen verbunden sind. Weitere mikroporöse Materialien umfassen irgendwelche gewebten mikroporösen Materialien oder mikroporösen Fliesmaterialien, die im Wesentlichen faserlos sind. Dies umfasst Materialien wie etwa leitenden Kohlenstoff, der auf einem faserlosen Polymermaschennetz beschichtet ist, oder Kohlenstoff-Stoff ohne z-Richtungs-Fasern. Das mikroporöse Substrat ist vorzugsweise so ausgewählt, dass es bei Temperaturen bis zu etwa 200°C seine Unversehrtheit beibehält.
Vorzugsweise sind die verwendeten leitenden Partikel Kohlenstoffpartikel, wobei das ePTFE kombiniert mit den Kohlenstoffpartikeln zusammen ”karbonisiertes ePTFE” bildet. Die Kohlenstoffpartikel haben einen durchschnittlichen Partikelkugeldurchmesser (einen Radius) im Bereich von etwa 50 bis etwa 200 Ångström (Å) (50 bis etwa 200·10^–10 m). Die durchschnittliche Größe der Partikel wird durch Kugelmahlen erzielt, das eine geeignete Verteilung von Porengrößen und eine verhältnismäßig zufällige Verteilung äquivalenter Partikelkugeldurchmesser erzeugt. Es ist erwünscht, dass jede Kohlenstoffpartikel einen äquivalenten durchschnittlichen Kugeldurchmesser kleiner als etwa 35 nm und in einem Bereich von etwa 25 bis 35 nm aufweist. Beispiele geeigneter kugelförmiger Kohlenstoffpartikel umfassen jene, die von der Cabot Corp. erhalten und unter dem Namen ”Vulcan XC-72R” verkauft werden. Die Kohlenstoffpartikel Vulcan XC-72R werden kugelgemahlen, um ihre Eigenschaften zu verbessern. Außerdem können die Kohlenstoffpartikel von der Noury Chemical Corp. erhalten werden, wo sie unter dem Namen ”Ketjen black” verkauft werden. Die Ketjen-black-Partikel werden im Anlieferungszustand verwendet.
Ein besonders bevorzugtes Material des Fluidverteilungselements 17 umfasst ein Schaum-Polytetrafluorethylen (ePTFE), innerhalb dessen Körper leitende Kohlenstoffpartikel verteilt sind, oder ein ”karbonisiertes ePTFE”. In einer Ausführungsform weist das ePTFE-Ausgangsmaterial etwa 70–80 Vol.-% Poren und 20–30% PTFE auf. Daraufhin wird durch Imprägnieren des mikroporösen ePTFE mit mehreren leitenden Kohlenstoffpartikeln, allgemein durch Gießen einer Lösemittelsuspension mit einem Lösemittel mit niedrigem Siedepunkt, das die Kohlenstoffpartikel umfasst, das ”karbonisierte ePTFE” gebildet. Das ePTFE wird (vorzugsweise durch Eintauchen oder Tauchen) der Suspension ausgesetzt, wobei er aber nicht vollständig eingesaugt wird, um einen vorgegebenen Anteil der Poren von Kohlenstoffpartikeln freizuhalten, um die Durchlässigkeit für die Reaktandengasdiffusion aufrechtzuerhalten. In alternativen Ausführungsformen kann eine Matrix aus leitenden Partikeln und PTFE gebildet werden und daraufhin der Schäumungsprozess angewendet werden, um die gewünschte Porösität zu erzeugen.
Ein solches bekanntes karbonisiertes ePTFE, das als ein faserloses mikroporöses Fluidverteilungselement 17 bevorzugt ist, umfasst etwa 70 Vol.-% Poren und besitzt eine nicht zusammengedrückte Dicke von etwa 65 μm, wobei es unter dem Warenzeichen CARBEL mp30z von der W. L. Gore Company kommerziell verfügbar ist. Weitere elektrisch leitende faserlose nachgiebige Fluidverteilungselemente 17, die für bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bevorzugt sind, umfassen karbonisiertes ePTFE mit etwa 70 Vol.-% Poren und einer nicht zusammengedrückten Dicke von etwa 130 μm, wobei es als das Produkt CARBEL 300 ebenfalls von der W. L. Gore Company verkauft wird.
BEHANDLUNG DER FLUIDVERTEILUNGSELEMENTE
Die vorliegende Erfindung stellt im Vergleich zu einem elektrischen Widerstand vergleichbarer mikroporöser Fluidverteilungselemente, die aus dem gleichen Material konstruiert sind, aber keine metallisierten elektrischen Kontaktgebiete mit einer ähnlichen MEA aufweisen, einen verringerten elektrischen Widerstand (d. h. eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit und somit eine erhöhte Elektronenübertragung) von der Grenzfläche der Elektrodenhauptoberfläche 64 zu der Oberfläche 62 des mikroporösen Fluidverteilungselements 17 sicher. In alternativen bevorzugten Ausführungsformen stellt die vorliegende Erfindung ferner eine Gesamtverringerung des elektrischen Widerstands der Brennstoffzellenanordnung sicher, indem sie den elektrischen Gesamtwiderstand der mehreren zusammengesetzten Komponenten der Brennstoffzelle 9 über einen verringerten Widerstand an den Grenzflächen mit beiden Oberflächen 60, 62 der Fluidverteilungselemente 17, die der MEA 10 bzw. den Separatorplatten 32, 34 gegenüberliegen, verringert.
In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf den Außenoberflächen 81 der Poren 76 der mikroporösen Fluidverteilungselemente 17 ein leitendes Metall beschichtet, um ein metallisiertes Gebiet 88 oder mehrere metallisierte Gebiete 88 zu bilden. Das Auftragen metallisierter Gebiete 88 auf die Fluidverteilungselemente 17 ist allgemein in der gleichzeitig anhängigen und gemeinsam übertragenen US-Patentanmeldung US 20005/0260484 A1, eingereicht am 20. Mai 2004, gelehrt, die hiermit in ihrer Gesamtheit durch Literaturhinweis eingefügt ist. Die metallisierten Gebiete 88 sind entlang der zweiten Außenoberflächen 62 des mikroporösen Fluidverteilungselements 17 gebildet, die den Hauptoberflächen 64 der MEA-Elektroden 13 gegenüberliegen. Es ist nachgewiesen worden, dass die an der zweiten Außenoberfläche 62 des Fluidverteilungselements vorgesehenen metallisierten Gebiete 88 den Kontaktwiderstand im Vergleich zu vergleichbaren mikroporösen Fluidverteilungselementen ohne Metallbeschichtung oder metallisierte Gebiete anhaltend verringern. Es ist bevorzugt, dass der Kontaktwiderstand an der Grenzfläche der Elektroden 13 mit den metallisierten Gebieten 88 des elektrisch leitenden mikroporösen Fluidverteilungselements 17 der vorliegenden Erfindung kleiner als 30 mOhm·cm² und bevorzugter kleiner als 15 mOhm·cm² ist. Obgleich dies nicht einschränkend für die Art und Weise ist, in der die vorliegende Operation arbeitet, wird angenommen, dass die leitenden metallisierten Gebiete 88 der Kontaktoberfläche 62 der mikroporösen Fluidverteilungselemente 17 in den Kontaktgebieten 29 eine verbesserte elektrische Grenzfläche schaffen, indem sie (über die metallisierten Gebiete 88) eine besser elektrisch leitende Grenzfläche schaffen, wobei sie ferner davon betroffen sein können, dass sie ähnlichere Materialien (d. h. Katalysatormetalle 19) mit entsprechend ähnlichen molekularen und physikalischen Charakteristiken (z. B. Oberflächenenergien) berühren. Somit schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit und ermöglicht folglich die Verwendung eines faserlosen mikroporösen Materials als die Fluidverteilungselemente 17 und kann ferner die Fähigkeit zulassen, durch diese verbesserte elektrische Leitfähigkeit die Füllung des Katalysators 19 in den Elektroden 13 zu senken und somit die Herstellungskosten für die Brennstoffzellenanordnung 9 zu senken.
In einer bevorzugten Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung ist das eine metallisierte Gebiet 88/sind die mehreren metallisierten Gebiete 88 äußerst dünn und entlang der zweiten Außenoberfläche 62 der Fluidverteilungselemente 17 aufgetragen. ”Äußerst dünne” Schichten aus leitendem Metall, die innerhalb der metallisierten Gebiete 88 abgelagert sind, bezieht sich auf Dicken kleiner als etwa 40 nm und am meisten bevorzugt kleiner als 15 nm. Die Dicke der metallisierten Gebiete 88 entlang der an die Elektroden 13 angrenzenden Oberfläche 62 der MEA 10 ist vorzugsweise kleiner als etwa 10 nm, bevorzugter von zwischen etwa 2 bis etwa 10 nm und am meisten bevorzugt zwischen etwa 5 bis etwa 10 nm. Wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird, ist experimentell festgestellt worden, dass ein optimales Wassermanagement (bei dem ausreichend Wasser zurückbehalten wird, um die Befeuchtung der Membran 12 zuzulassen, während die Elektroden 13 nicht geflutet werden) in bestimmten Ausführungsformen jenem entspricht, bei dem die Dicke des metallisierten Gebiets 88 an den mikroporösen Fluidverteilungselementen 17 entlang der Katodenseite 16 der MEA 10 zwischen etwa 5 und etwa 10 nm liegt.
Es ist bevorzugt, dass die metallisierten Gebiete 88 elektrisch leitend, oxidationsbeständig und säurebeständig sind, wobei das elektrisch leitende Metall, das das metallisierte Gebiet bildet, in bestimmten bevorzugten Ausführungsformen eine Verbindung umfasst, die ein Edelmetall umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die umfasst: Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Silber (Ag), Iridium (Ir), Platin (Pt), Osmium (Os) und Gemische davon. Diese Verbindungen können Elementformen des leitenden Metalls umfassen oder können leitende Verbindungen von Metallnitriden, Metalloxiden und Metallcarbiden umfassen. Weitere bevorzugte Metalle für die metallisierten Gebiete 88 umfassen jene, die Chrom (Cr), Titan (Ti) oder Zinn (Sn) umfassen. Elektrisch leitende Verbindungen, die solche Metalle umfassen, umfassen beispielhaft Chromnitrid (CrN), dotiertes Zinnoxid (SnO) und dotiertes Titanoxid (TiO). Ein am meisten bevorzugtes leitendes Metall für die metallisierten Gebiete 88 umfasst Gold (Au). Wie der Fachmann auf dem Gebiet erkennt, kann die leitende Metallzusammensetzung Gemische der oben identifizierten Metalle oder verschiedene metallisierte Gebiete 88 mit unterschiedlichen Metallzusammensetzungen umfassen.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst sowohl die erste als auch die zweite Diffusionsmedienschicht 21, 22 metallisierte Gebiete 88 auf den der MEA 10 zugewandten Oberflächen. Obgleich dies nicht gezeigt ist, kann der Fachmann auf dem Gebiet aber feststellen, dass alternative bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf eine Brennstoffzellenanordnung 9 mit metallisierten Gebieten 88 angewendet werden können, die eher nur auf der ersten oder der zweiten Diffusionsmedienschichtoberfläche 24, 28, die der MEA 10 zugewandt sind, metallisierte Gebiete 88 aufweist, als dass diese wie gezeigt sowohl auf der ersten als auch auf der zweiten Diffusionsmedienschicht 21, 22 aufgetragen sind.
3 zeigt eine alternative bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Viele Aspekte der Brennstoffzellenanordnung 11 sind dieselben wie in der in 1 gezeigten vorigen Ausführungsform. Die zweiten Oberflächen 62 des mikroporösen Fluidverteilungselements 17 umfassen vorzugsweise die gleichen metallisierten Gebiete 88 wie oben beschrieben, um den elektrischen Widerstand in den Kontaktgebieten 29 zwischen dem mikroporösen Fluidverteilungselement 17 und den Elektroden 13 zu verringern. Allerdings ist in der vorliegenden Ausführungsform die erste Außenoberfläche 60, die die der zweiten Oberfläche 62 des mikroporösen Fluidverteilungselements 17 gegenüberliegende Seite ist, zusätzlich mit einem leitenden Metall beschichtet, um ein metallisiertes Gebiet 90 oder mehrere metallisierte Gebiete 90 zu bilden. Die metallisierten Gebiete 90 der Oberflächen 26, 30 der jeweiligen mikroporösen Diffusionsmedienschichten 21, 22 berühren vorzugsweise die Separatorplatten 32, 34, um die elektrischen Kontaktgebiete 44 zu bilden. Es wird angenommen, dass die metallisierten Gebiete 88, 90, und am meisten bevorzugt 90 auf den mikroporösen Fluidverteilungselementen 17, eine gleichmäßigere Verteilung des elektrischen Stroms über den Körper 78 der Fluidverteilungselemente 17 sicherstellen, während der Strom die diskreten und nicht zusammenhängenden Kontaktgebiete 44 erreicht, die den Stegen 48 der Strömungsfeldkonfiguration an den Separatorplatten 32, 34 zugeordnet sind.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform, bei der die erste Außenoberfläche 60 metallisierte Gebiete 90 umfasst, ist es bevorzugt, dass die Dicke der metallisierten Gebiete kleiner als 80 nm, vorzugsweise kleiner als 50 nm und am meisten bevorzugt zwischen etwa 2 und etwa 10 nm ist. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Dicke der metallisierte Gebiete 90 kleiner oder gleich der Tiefe zweier atomarer Monoschichten des für die Beschichtung 90ausgewählten Metalls. Die Dicke der jeweiligen metallisierten Gebiete 88, 90 kann sich je nach Anwendung unterscheiden, wobei sich die gewünschten Dicken sowohl auf die elektrische Leitfähigkeit als auch auf die gewünschten Brennstoffzellenbetriebsbedingungen einschließlich des Wassermanagements beziehen. Allerdings ist das elektrisch leitende Metall der metallisierten Gebiete 90 vorzugsweise aus denselben Zusammensetzungen ausgewählt, die oben für die metallisierten Gebiete 88 beschrieben wurden. Gleichfalls können die leitenden Metalle der metallisierten Gebiete 88 und 90 unabhängig voneinander ausgewählt sein oder dieselbe Zusammensetzung einschließlich desselben elektrisch leitenden Metalls bzw. derselben elektrisch leitenden Metalle umfassen. Es ist bevorzugt, dass die leitenden metallisierten Gebiete 88, 90 die Außenoberflächen 81 der Außenpore 82 und die Oberflächen 86 der Innenporen 80 beschichten und in eine Tiefe von wenigstens etwa 2 bis etwa 10 nm von den jeweiligen Oberflächen 60 oder 62 in den Körper 78 der Fluidverteilungselemente 17 verlaufen.
4 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die die MEA 10 und eine Hälfte der Brennstoffzellenanordnung 101 zeigt. Wie der erfahrene Fachmann feststellt, kann die vorliegende Ausführungsform ebenfalls entlang beider Seiten der MEA 10 genutzt werden, um die Brennstoffzellenanordnung 101 zu bilden. Die MEA 10 umfasst dieselben Elemente, wie sie in den vorherigen Ausführungsformen beschrieben wurden, einschließlich zweier Elektroden 13 und einer Membran 12. Die Fluidverteilungselemente 17a umfassen eine erste Oberfläche 60a und eine zweite Oberfläche 62. Die zweite Oberfläche 62, die der Hauptoberfläche 64 der MEA 10 zugewandt ist, weist, vorzugsweise bei den elektrischen Kontaktgebieten 29, metallisierte Gebiete 88 auf, die in der gleichen Weise wie in den vorherigen Ausführungsformen gebildet sind.
Die zweite Oberfläche 60a der Fluidverteilungselemente 17a umfasst diskrete metallisierte Gebiete 90a der Fluidverteilungselemente 17, die elektrisch leitenden Kontaktgebieten 44 der Außenoberfläche 60a entsprechen, sowie die nichtmetallisierten Gebiete 94, die den elektrisch nicht leitenden Gebieten entsprechen. Die elektrisch leitenden metallisierten Gebiete 90a umfassen jene Bereiche, die die Stege 48 berühren und in den Kontaktgebieten 44 den elektrisch leitenden Weg herstellen. In den zuvor beschriebenen Ausführungsformen wie etwa in der in 3 bedecken die metallisierten Gebiete 90 die ununterbrochene Außenoberfläche 60 vollständig, was eine gleichmäßigere Stromverteilung in den Körper 78 der Fluidverteilungselemente 17 fördert. In der Ausführungsform aus 4 mit diskreten metallisierten Gebieten 90a, die den elektrisch aktiven Kontaktgebieten 44 entsprechen, werden die elektrisch nicht leitenden und nicht metallisierten Gebiete 94 der Außenoberflächen 60a bedeckt oder maskiert, während das leitende Metall der metallisierten Gebiete 90a aufgetragen wird. Eine Maske ist irgendein Material, das auf ein Substrat aufgetragen wird und während des Beschichtungsauftrags stabil bleibt. Maskenmaterialien werden häufig so ausgewählt, dass sie die Wiedergewinnung und Wiederverwertung der während des Ablagerungsprozesses über der Maske abgelagerten Metalle ermöglichen, und sind im Gebiet gut bekannt. Bevorzugte Maskenmaterialien, die mit der vorliegenden Erfindung kompatibel sind, umfassen beispielsweise Metalle wie etwa rostfreien Stahl und Titan oder silicium- und aluminiumbasierte Keramiken.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf das Wassermanagement der Brennstoffzelle. In der Brennstoffzellenreaktion wird typisch Produktwasser erzeugt und bei der Katode 16 ausgeschieden, wo das Wasser typisch durch einfaches Strömen oder durch Verdampfen entweicht. Allerdings können auf Wunsch Mittel bereitgestellt sein, um das Wasser zu sammeln, während es gebildet wird, um es von der Brennstoffzelle 9 wegzuführen. Ein gutes Wassermanagement ermöglicht einen erfolgreichen Langzeitbetrieb der elektrochemischen Brennstoffzelle 9. Aus dem elektroosmotischen Mitführen von Wasser mit dem Protonentransport (H⁺-Transport) von der Anode 14 zur Katode 16, aus der Erzeugung von Wasser durch die Sauerstoffreduktionsreaktion bei der Katode 16, aus den Befeuchtungsbedingungen des Einlassgasstroms und aus der ”Rückdiffusion” von Wasser von der Katode 16 zur Anode 14 ergeben sich räumliche Schwankungen des Wassergehalts innerhalb der Membran 12 einer stromführenden Brennstoffzelle. Ferner tritt der optimale Wirkungsgrad der Brennstoffzelle für momentan genutzte PEM-Membranen 12 dort auf, wo die Auslassfeuchtigkeit von der Katode 100% relative Feuchtigkeit oder höher ist. Um diese Feuchtigkeit zu erreichen, wurden zuvor sowohl der Reaktandenstrom der Anode 14 als auch der der Katode 16 vor Eintritt in die Brennstoffzelle 9 von außen befeuchtet, was eine Befeuchtungsausrüstung erforderte. Das Aufrechterhalten eines ausreichenden Wassergehalts in der Brennstoffzelle, um das Trocknen der Membran zu verhindern, ist typisch ein erhebliches Problem während der Operationen, so dass die Einlassströme sowohl zu der Anode als auch zu der Katode, üblicherweise auf ein Ziel von wenigstens 100% hin, befeuchtet werden.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf die Beseitigung und/oder Verringerung der Notwendigkeit der äußeren Befeuchtung des Einlassstroms der Katode 16 und/oder der Anode 14. Es ist festgestellt worden, dass die Brennstoffzelle dort, wo das faserlose mikroporöse Fluidverteilungselement (z. B. CARBEL-Fluidverteilungsmedien) mit metallisierten Gebieten entlang beider Seiten vorbereitet wurde und in einer Brennstoffzelle verwendet wurde, die so betrieben wurde, dass sie eine typische Einlassfeuchtigkeit zu der Katode von 100% relativer Feuchtigkeit (die ein Standardziel für die Katodeneinlassfeuchtigkeit ist) aufwies, mit überschüssigem Wasser geflutet und unter bestimmten Umständen vollständig geflutet wurde. Somit verringert die vorliegende Erfindung im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik die Notwendigkeit einer äußeren Befeuchtung der Einlassreaktandenströme zu der MEA und stellt durch Bereitstellung einer ständigen MEA-Befeuchtung eine anhaltende Membranhaltbarkeit sicher.
VERFAHREN
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung für eine Brennstoffzelle, das das Ablagern eines elektrisch leitenden Metalls auf einer Oberfläche elektrisch leitender faserloser mikroporöser Diffusionsmedienschichten umfasst, um ein metallisiertes Gebiet oder mehrere metallisierte Gebiete mit einer äußerst niedrigen Dicke zu bilden, wobei die mikroporösen Diffusionsmedienschichten karbonisiertes Schaum-Polytetrafluorethylen (ePTFE) umfassen. Die Oberfläche mit den metallisierten Gebieten wird angrenzend an eine Elektrode einer Membranelektrodenanordnung (MEA) positioniert. Später wird die Elektrode mit der Oberfläche mit den metallisierten Gebieten in Berührung gebracht, um einen elektrisch leitenden Weg zwischen dem Substrat und den mikroporösen Medien zu schaffen.
Um die leitenden Metallzusammensetzungen aufzutragen, die die metallisierten Gebiete (z. B. 88, 90, 90a) der Fluidverteilungselemente 17 bilden, können eine Vielzahl von Ablagerungsverfahren genutzt werden. Ein bevorzugtes Verfahren des Ablagerns des leitenden Metalls der metallisierten Gebiete 88, 90 auf den mikroporösen Fluidverteilungselementen 17 ist eines durch ein ionengestütztes Verfahren der Abscheidung aus der Dampfphase (PVD-Verfahren), das im Gebiet gut bekannt ist und ausführlich in der wie zuvor diskutierten gleichzeitig anhängigen und gemeinsam übertragenen US-Patentanmeldung US 2005/0260484 A1, eingereicht am 20. Mai 2004, beschrieben ist. Auf dem Substrat werden durch die ionengestützte PVD mit einer Rate von 0,10 nm/s bis auf eine Dicke von weniger als 80 nm, was durch im Gebiet bekannte Dickenüberwachungseinrichtungen beobachtet wird, allgemein Edelmetalle abgelagert. Die metallisierten Gebieten 88, 90, 90a können auf dem Substrat leitendes Metall mit einer äußerst niedrigen Dicke von weniger als 80 nm, bevorzugter von weniger als 40 nm und am meisten bevorzugt von etwa 2 bis etwa 10 nm, abgelagert erhalten. Wenn das metallisierte Gebiet 88, 90 eine Dicke von wenigstens etwa 2 nm aufweist, ist es bevorzugt, dass Füllung 0,02 mg/cm² beträgt. Die Verwendung einer ionengestützten PVD-Vorrichtung ermöglicht, dass das elektrisch leitende Metall auf dem Substrat sehr glatt und gleichmäßig und in einer äußerst dünnen Schicht in der Größenordnung von 2 bis 20 nm abgelagert wird, wodurch eine verhältnismäßig gleichförmige und gute Oberflächenbedeckung und gute Haftung erzielt werden.
Ein weiteres bevorzugtes PVD-Verfahren, das ebenfalls für den Auftrag äußerst dünner leitender Metalle geeignet ist, ist die Magnetronzerstäubung oder die Elektronenstrahlbedampfung. Weitere bevorzugte Verfahren zum Auftragen einer Metallbeschichtung (88, 90, 90a) gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen Galvanisieren (z. B. galvanisches Beschichten), außenstromloses Metallabscheiden aus wässrigen Lösungen, Gasphasenabscheidung nach chemischem Verfahren oder Impulslaserablagerung.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen niedrigen Kontaktwiderstand über die Separatorplatten 32, 34 durch die mikroporösen Fluidverteilungselemente 17 mit den metallisierten Gebieten 88, 90, 90a zu den Elektroden 13 der MEA 10 sicher. Es ist bevorzugt, dass der Kontaktwiderstand über eine gesamte Brennstoffzelle (von Separatorplatte zu Separatorplatte) weniger als 100 mOhm·cm² (mΩ·cm²) und bevorzugter weniger als 80 mΩ·cm² beträgt, wobei die mehreren Komponenten der Brennstoffzelle einander unter einer Druckkraft berühren. Außerdem haben unter einer Druckkraft irgendwelche Vorsprünge oder scharfen Kanten von den Brennstoffzellenkomponenten wie etwa die Stege 48 der Separatorplatten, z. B. 32, 34, das Potential, die MEA 10 zu beschädigen. Ein Aspekt des mikroporösen Fluidverteilungselements 17 ist, dass es aus einem biegsamen, zusammendrückbaren und nachgiebigem Material konstruiert ist, so dass es die MEA 10 vor irgendeiner potentiellen Beschädigung schützt und somit durch Aufnehmen und Verteilen irgendwelcher Druckpunkte die Lebensdauer der zerbrechlichen MEA 10 verlängert, während es als das Fluidverteilungselement 17 dient.
Ferner erfordern die elektrisch leitenden Separatorplatten 32, 34 in bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht die Entfernung einer Passivierungsschicht (d. h. Metalloxidschicht) von den Separatorplatten 32, 34 entlang der Kontaktoberflächen 38, 40 vor ihrer Integration in die Brennstoffzellenanordnungen (z. B. 9, 11, 101) der vorliegenden Erfindung. Allgemein erzeugt eine Separatorplatte 32, 34 mit einer Oxidschicht, die eine nichtmetallische Fluidverteilungsschicht (ohne metallisierte Gebiete 90) berührt, einen unzulässig hohen elektrischen Kontaktwiderstand. Somit umfassen Verfahren des Standes der Technik des Entfernens der Oxidschicht eine Vielzahl von Verfahren wie etwa katodischeselektrolytisches Reinigen, mechanisches Abschleifen, Reinigen des Substrats mit Alkalireinigungsmitteln und Ätzen mit Säurelösungsmitteln oder Beizflüssigkeiten. Das Beseitigen der Notwendigkeit des Entfernens der Metalloxide von den Kontaktoberflächen 38, 40 der metallischen Separatorplatte 32, 34 ist somit in Übereinstimmung mit bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung optional.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen die Separatorplatten 32, 34 rostfreien Stahl, wobei die Oberflächen der Separatorplatten 32, 34, wie etwa in der gemeinsam übertragenen US-Patentanmeldung US 2005/0100774 A1, eingereicht am 7. November 2003 und hiermit in ihrer Gesamtheit eingefügt, offenbart ist, keine umfangreiche Entfernung einer Passivierungsschicht von der Kontaktoberfläche 38, 40 erfordern. Die verbesserte elektrische Leitfähigkeit an der Grenzfläche in den durch die Beschichtung 90 des metallisierten Gebiets auf den mikroporösen Fluidverteilungselementen 17 vorgesehenen Kontaktgebieten 44 ermöglicht, dass in den Separatorplatten 32, 34 Metalle verwendet werden, die eine auf der Kontaktoberfläche 38, 40 natürlich auftretende Oxidschicht aufweisen. Somit beseitigt die vorliegende Erfindung den kostspieligen und zeitaufwändigen Verarbeitungsschritt des Entfernens eines Teils oder im Wesentlichen aller Metalloxide von der Kontaktoberfläche 38, 40 der metallischen Separatorplatten 32, 34 oder vereinfacht ihn beträchtlich. Ferner haben die zuvor diskutierten höheren Qualitäten von rostfreiem Stahl eine hohe Korrosionsbeständigkeit und können somit wegen ihrer Fähigkeit, der korrodierenden Umgebung innerhalb der Brennstoffzelle standzuhalten, ohne irgendeine weitere Schutzbehandlung verwendet werden. In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Kontaktoberflächen 38, 40 der Separatorplatten 32, 34 im Wesentlichen rein sind, wobei lose haftende Verunreinigungen durch irgendein dem Fachmann auf dem Gebiet bekanntes Verfahren vor Integration in die Brennstoffzellenanordnung entfernt werden.
In alternativen Ausführungsformen werden die Separatorplatten 32, 34 mit elektrisch leitenden Schutzbeschichtungen beschichtet, die für das darunterliegende metallische Substrat eine Korrosionsbeständigkeit schaffen. Diese Beschichtungen können oxidations- und korrosionsbeständige Schichten der Metallbeschichtung 90 (z. B. Au, Ag, Pt, Pd, Ru, Rh, Ir, Os und Gemische davon) oder korrosionsbeständige elektrisch leitende Polymermatrizen, die allgemein oxidationsbeständige Polymere, die in einer Matrix elektrisch leitender korrosionsbeständiger Partikel dispergiert sind, umfassen, wie sie im Gebiet bekannt sind, umfassen. Vorzugsweise haben die Schutzbeschichtungen einen spezifischen Widerstand kleiner als etwa 50 Ohm·cm (Ω·cm). In einer solchen Ausführungsform, in der auf den Oberflächen 38, 40 eine Schutzbeschichtung liegt, umfassen die metallischen Separatorplatten 32, 34 ein korrosionsanfälliges Metall wie etwa Aluminium, Titan oder eine niedrigere Qualität von rostfreiem Stahl, das mit einer korrosionsbeständigen Schutzbeschichtung beschichtet ist.
In einer weiteren Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, das das Positionieren einer elektrisch leitenden faserlosen mikroporösen Diffusionsmedienschicht zwischen einer Membranelektrodenanordnung (MEA) und einer elektrisch leitenden Separatorplatte umfasst. Die mikroporöse Diffusionsmedienschicht hat eine erste Oberfläche, die der MEA gegenüber liegt, und eine zweite Oberfläche, die der leitenden Separatorplatte gegenüberliegt. Ein Gebiet oder mehrere Gebiete der ersten Oberfläche berühren die MEA, während die zweite Oberfläche gleichfalls ein Gebiet oder mehrere Gebiete besitzt, das/die die angrenzende Separatorplatte berührt/berühren, um einen elektrisch leitenden Weg von der Separatorplatte durch die mikroporöse Diffusionsmedienschicht zu der MEA zu bilden. Während des Betriebs der Brennstoffzelle werden Elektronen über den Weg zu oder von der MEA geleitet.
Während des Betriebs der Brennstoffzelle wird ein Reaktandenstrom in eine Katodenseite der MEA eingeführt. Der Reaktandenstrom wird über die leitende mikroporöse Diffusionsmedienschicht geliefert und erfordert in bestimmten Ausführungsformen keine äußere Befeuchtung. In solchen Ausführungsformen besteht der zu einer Katodenseite der MEA gelieferte Reaktandenstrom im Wesentlichen aus Umgebungsluft, wobei die Umgebungsluft nicht absichtlich befeuchtet wird, während die Umgebungsluft alternativ eine niedrigere relative Feuchtigkeit als die Umgebungsbedingungen aufweist.
In alternativen bevorzugten Ausführungsformen wird der für die Reaktion in die Katodenseite der MEA eingeführte Reaktandenstrom vor dem Eintritt in die MEA bei weniger als den Sättigungsbedingungen von außen befeuchtet. Der in eine Katodenseite der MEA eingeführte Reaktandenstrom hat einen niedrigeren Wassergehalt als einen Sättigungspegel. In alternativen bevorzugten Ausführungsformen umfasst die zweite Oberfläche der mikroporösen Diffusionsmedienschicht ferner ein metallisiertes Gebiet oder mehrere metallisierte Gebiete, das/die ein elektrisch leitendes Metall für das Verringern des spezifischen elektrischen Widerstands zwischen der Separatorplatte und der mikroporösen Diffusionsmedienschicht umfasst/umfassen. Wie der Fachmann auf dem Gebiet feststellen kann, kann die mikroporöse Diffusionsmedienschicht gemäß der vorliegenden Erfindung auf beiden Seiten der MEA angeordnet werden.
In einigen Ausführungsformen des Standes der Technik hat das Beschichten des Metallsubstrats der Bipolarplatten, insbesondere das von Substraten aus rostfreiem Stahl, mit einer Schutzmetallbeschichtung eine hohe MEA-Verunreinigung erzeugt, die zur Vergiftung des Katalysators (und somit zur Katalysatordeaktivierung) oder zur gesamten Deaktivierung des protonenleitenden Materials in der Membran und in den Elektroden über die Lebensdauer der Brennstoffzelle führen kann. Dagegen tritt diese Verunreinigung in Ausführungsformen, in denen der rostfreie Stahl eine Passivierungsschicht von Metalloxiden bildet, im Allgemeinen nicht auf. Somit ist ein zusätzlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung die optionale Verwendung einer unbehandelten Separatorplatte aus rostfreiem Stahl, die eine Schutzmetalloxidschicht bildet, die die MEA-Verunreinigung verringert und somit das Potential einer Katalysatorvergiftung und gesamten Deaktivierung der Membran und der Elektroden verringert.
BEISPIEL 1
Es werden nun ausführlich experimentelle Einzelheiten hinsichtlich einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Wie zuvor beschrieben wurde, ist CARBEL mp30z ein mikroporöses faserloses karbonisiertes ePTFE mit 70 Vol.-% Poren und einer nicht zusammengedrückten Dicke von etwa 65 μm, das von der W. L. Gore Company kommerziell verfügbar ist. In dem Experiment wird durch ionengestützte PVD auf dem CARBEL durch ein Teer-Magnetronzerstäubungssystem Gold abgelagert. Die CARBEL-Medien werden in die Unterdruckkammer eingeführt, wobei dann, wenn der Druck in der Unterdruckkammer 6,66·10^–3 Pa ereicht, die Ablagerung von Au begonnen wird. Die Magnetronziele sind 99,99% reines Au. Die Au-Ablagerung erfolgt bei einem Vorspannungspotential von –50 V unter Verwendung eins Stroms von 0,25 A für eine Minute, um eine Goldbeschichtungsdicke von 10 nm zu erzielen. Das Au wird unter Verwendung des Magetronzerstäubungssystems mit einer Rate von 0,16 nm/s abgelagert. Die Dicke der Proben wird unter Verwendung einer Elektronenprobenmikroanalyse (EPMA) kalibriert. Die Ablagerungstemperatur beträgt vorzugsweise etwa 25°C bis etwa 30°C.
BEISPIEL 2
In einem alternativen Verfahren der Ablagerung durch Elektronenstrahlbedampfung wird das Medienmaterial CARBEL mp30z wie oben beschrieben in die Ladeschleuse einer Ultrahochvakuum-Elektronenstrahlbedampfungskammer eingeführt. Nachdem der Ladeschleusendruck 1,33·10^–5 Pa erreicht hat, wird die Probe in die Hauptablagerungskammer umgesetzt. Der Basisdruck der Kammer ist 6,66·10^–7 Pa. Unter Verwendung der Elektronenstrahlbedampfung wird Au mit einer Rate von angenähert 0,05 nm/s abgelagert. Die Ablagerungsrate wird durch eine Quarzkristall-Mikrowaage gesteuert und unter Verwendung der EPMA kalibriert. Die Ablagerungstemperatur beträgt vorzugsweise etwa 25 bis etwa 30°C. Die Qualität des abgelagerten Au kann dadurch überprüft werden, dass atomar flache Siliciumeinkristallstücke angeordnet werden und gleichzeitig Au auf dem Silicium abgelagert wird und die Qualität unter Verwendung der EPMA überprüft wird.
In 5 wurden Proben in einer 50 cm²-Anlage des Los Alamos National Labors unter Verwendung eines Teledyne Prüfstands getestet. Um die verbesserten Wasssermanagementaspekte der vorliegenden Erfindung nachzuweisen, wurden Tests bei verschiedenen relativen Feuchtepegeln des Katodeneinlasses durchgeführt. Die verwendete Brennstoffzellenanordnung war so beschaffen, dass sie eine Gore MEA 5510 mit einer Füllung von 0,4 mg/cm² Pt-Katalysator und einer Dicke von 25 um aufwies, die zwischen mikroporösen faserlosen Diffusionsmedienschichten CARBEL mp30z, die in Übereinstimmung mit dem obigen Beispiel 2 behandelt wurden, beschichtet war. Das Gold wurde sowohl auf einer Innenoberfläche als auch auf einer Außenoberfläche abgelagert, die durch ein unbehandeltes undurchlässiges Substrat aus rostfreiem Stahl 316L begrenzt und in Kontakt mit ihm sind. Die Brennstoffzelle wurde mit den folgenden Bedingungen betrieben: etwa 175 kPa, stöchiometrisches Verhältnis von Wasserstoff zu Luft 2/2. Die Brennstoffzellenbetriebstemperatur betrug in allen Betriebsszenarien etwa 80°C. Die Brennstoffzelle lief bei einer konstanten Stromdichte von 1 A/cm² 24 Stunden. Nach der Aktivierung mit verschiedenen Befeuchtungspegeln wurden Polarisierungskurven genommen. Die relative Feuchtigkeit (RH) des Katodeneinlasses wurde in den folgenden Mengen geändert: angenähert 50% und 100%. Die relative Feuchtigkeit des Anodeneinlasses wurde gleichfalls auf 50% und 100% relative Feuchtigkeit geändert.
Der 50-%-RH-Katodeneinlass/50-%-RH-Anodeneinlass wies eine verbesserte Leistungsfähigkeit gegenüber dem 100-%-RH-Katodeneinlass/100-%-RH-Anodeneinlass nach. Durch Verringern der relativen Feuchtigkeit von 100%/100% auf 50%/50% wurde eine Verbesserung von 20 auf 50 mV beobachtet, während der Zellenwiderstand ähnlich war. Somit wird die Membran gemäß der vorliegenden Erfindung auf der Katodenseite unter günstigen Sättigungsbedingungen betrieben, während wenig oder keine zusätzliche äußere Befeuchtung notwendig ist.
Die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung vorbereiteten Brennstoffzellenanordnungen sind hoch effizient und haben eine verbesserte Leistungsfähigkeit. Die leitenden faserlosen mikroporösen Fluidverteilungselemente gemäß der vorliegenden Erfindung verbessern durch Beseitigen der Notwendigkeit äußerer Befeuchtung des Katodeneinlassstroms das Brennstoffzellenwassermanagement, während sie eine angemessene Hydratation der Membran in der MEA aufrecherhalten, was zu einer verlängerten MEA-Lebensdauer führt.
Außerdem schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte elektrische Grenzfläche zwischen den nichtmetallischen mikroporösen Fluidverteilungselementen und den Elektroden der MEA, was den elektrischen Widerstand verringert und die Katalysatoraktivität erhöht. Diese erhöhte Katalysatoraktivität kann die Katalysatorfüllungsanforderungen in den Elektroden der MEA verringern und somit die Herstellungskosten senken. Ferner verringern alternative bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gleichfalls den elektrischen Widerstand zwischen den nichtmetallischen mikroporösen Fluidverteilungselementen und dem metallischen Substrat der Separatorplatte, um einen niedrigeren elektrischen Gesamtwiderstand über die Brennstoffzelle sicherzustellen. Die metallisierten Gebiete der vorliegenden Erfindung schaffen eine äußerst dünne leitende Metallbeschichtung, die die Oberfläche des mikroporösen Fluidverteilungselements ausreichend bedeckt, um für ein elektrisch leitendendes Fluidverteilungselement einen niedrigen Kontaktwiderstand sicherzustellen, was die Gesamtleistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle verbessert. Darüber hinaus ist die Dicke der Metallbeschichtung derart, dass die Herstellungskosten der Vorbereitung eines elektrisch leitenden Fluidverteilungselements minimiert werden.
Durch Beseitigen des Schritts des Entfernens von Metalloxiden von den Metallsubstraten, die eine elektrische Grenzfläche mit dem Fluidverteilungselement bilden, werden die Verarbeitungskosten weiter gesenkt. Die verbesserte elektrische Grenzfläche verringert den Kontaktwiderstand und fördert eine weiter verbreitete und gleichmäßigere Stromverteilung, was die Wirtschaftlichkeit und die Gesamtlebensdauer der Membran und des Brennstoffzellenstapels erhöht. Darüber hinaus ermöglicht die vorliegende Erfindung außerdem, dass die herkömmlichen (faserbasierten) Diffusionsmedienschichten von der Brennstoffzellenanordungsarchitektur weggelassen werden, was die Haltbarkeit und Langlebigkeit der Brennstoffzellen sowie Kostensenkungen bei den Brennstoffzellenherstellungskosten fördern kann.

Claims

Fluidverteilungselement (17) für eine Brennstoffzelle (9) mit einer Membranelektrodenanordnung (10) (MEA), wobei das Element (17) umfasst: eine elektrisch leitende faserlose mikroporöse Diffusionsmedienschicht (21, 22), die auf einer Oberfläche (24, 28) ein metallisiertes Gebiet (88) oder mehrere metallisierte Gebiete (88) aufweist, wobei das eine metallisierte Gebiet (88) oder die mehreren metallisierten Gebiete (88) eine Hauptoberfläche der MEA (10) berührt/berühren und jeweils elektrisch leitende Wege zwischen der MEA (10) und der Diffusionsmedienschicht (21, 22) bildet/bilden.
Fluidverteilungselement nach Anspruch 1, bei dem die faserlose mikroporöse Diffusionsmedienschicht (21, 22) keine lang gestreckten Partikel einschließlich Fasern, Fäserchen und Filamenten mit einer offensichtlichen langen Achse aufweist.
Fluidverteilungselement nach Anspruch 1, bei dem die Oberfläche (24, 28) der Diffusionsmedienschicht (21, 22) eine erste Oberfläche ist und die Diffusionsmedienschicht (21, 22) ferner eine zweite Oberfläche (60), die der ersten Oberfläche (24, 28) gegenüber liegt, umfasst, wobei die zweite Oberfläche (60) ein metallisiertes Gebiet (90) oder mehrere metallisierte Gebiete (90) aufweist und einer elektrisch leitenden undurchlässigen Separatorplatte (32, 34) zugewandt ist, die in Kontakt damit angeordnet ist, um einen elektrisch leitenden Pfad oder mehrere elektrisch leitende Pfade zu bilden.
Fluidverteilungselement nach Anspruch 3, bei dem die Separatorplatte (32, 34) Gebiete aus Metalloxiden aufweist, die entlang der Kontaktgebiete (44) einer Oberfläche der Separatorplatte (32, 34) gebildet sind, wobei die Kontaktgebiete (44) dem einen elektrisch leitenden Pfad oder den mehreren elektrisch leitenden Pfaden entsprechen.
Fluidverteilungselement nach Anspruch 3, bei dem die Separatorplatte (32, 34) eine Oberfläche aufweist, die der Diffusionsmedienschicht (21, 22) zugewandt ist und mit mehreren Nuten und Stegen (48) gemustert ist, und wobei die Stege (48) mit dem einen metallisierten Gebiet (90) oder mit den mehreren metallisierten Gebieten (90) der zweiten Oberfläche (60) der Diffusionsmedienschicht (21, 22) in Kontakt sind.
Fluidverteilungselement nach Anspruch 5, bei dem die Diffusionsmedienschicht (21, 22) nachgiebig und zusammendrückbar ist und sich an die Stege (48) und Nuten anpasst, um eine Verformung der MEA (10) zu minimieren, wenn über die Separatorplatte (32, 34) durch die Diffusionsmediumsschicht (21, 22) eine Druckkraft auf die MEA (10) ausgeübt wird.
Fluidverteilungselement nach Anspruch 1, bei dem jedes der metallisierten Gebiete (88, 90) im Vergleich zu einer nicht metallisierten Vergleichsschicht mikroporöser Diffusionsmedienschichten einen verringerten spezifischen elektrischen Widerstand durch die jeweiligen elektrisch leitenden Wege sicherstellt.
Fluidverteilungselement nach Anspruch 1, bei dem das eine metallisierte Gebiet (88) oder die mehreren metallisierten Gebiete eine Dicke kleiner als 10 nm aufweist/aufweisen.
Fluidverteilungselement nach Anspruch 1, bei dem das elektrisch leitende Metall auf Oberflächen der Poren der mikroporösen Diffusionsmedienschicht (21, 22) in den metallisierten Gebieten (88) abgelagert ist.
Fluidverteilungselement nach Anspruch 1, bei dem die mikroporösen Diffusionsmedienschicht (21, 22) ein karbonisiertes Schaum-Polytetrafluorethylen (ePTFE) umfasst.
Fluidverteilungselement nach Anspruch 1, bei dem die metallisierten Gebiete ein Metall oder mehrere Metalle aus der Gruppe Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt, Os, Ti, Cr, Sn und Au ist/sind.
Fluidverteilungselement nach Anspruch 1, bei dem das elektrisch leitende Metall Au umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung für eine Brennstoffzelle (9), wobei das Verfahren umfasst: Positionieren einer elektrisch leitenden faserlosen mikroporösen Diffusionsmedienschicht (21, 22) zwischen einer Membranelektrodenanordnung (MEA) (10) und einer elektrisch leitenden Separatorplatte (32, 34), wobei die mikroporöse Diffusionsmedienschicht (21, 22) eine erste Oberfläche (24, 28), die der MEA (10) gegenüberliegt, und eine zweite Oberfläche (60), die der leitenden Separatorplatte (32, 34) gegenüberliegt, aufweist; und zur Berührung Bringen eines Gebiets (88) oder mehrerer Gebiete (88) der ersten Oberfläche (24, 28) mit der MEA (10) und eines Gebiets (90) oder mehrerer Gebiete (90) der zweiten Oberfläche (60) mit der Separatorplatte (32, 34), um einen elektrisch leitenden Weg von der Separatorplatte (32, 34) durch die mikroporöse Diffusionsmedienschicht (21, 22) zu der MEA (10) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das zur Berührung Bringen durch Druckkraft ausgeführt wird, die der Brennstoffzelle (9) in einem zusammengesetzten Brennstoffzellenstapel erteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem eine Oberfläche (60) der Separatorplatte (32, 34), die der Diffusionsmedienschicht (21, 22) zugewandt ist, mit mehreren Nuten und Stegen (48) gemustert wird und bei dem das zur Berührung Bringen die Stege (48) in Kontakt mit dem einen Gebiet (90) oder mit den mehreren Gebieten (90) der zweiten Oberfläche (60) der Diffusionsmedienschicht (21, 22) anordnet.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Diffusionsmedienschicht (21, 22) nachgiebig und zusammendrückbar ist und bei dem sich die Diffusionsmedienschicht (21, 22) nach dem zur Berührung Bringen an die Stege (48) anpasst und dadurch eine dauerhafte Verformung der MEA (10) minimiert.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem wenigstens eines des einen Gebiets (88) oder der mehreren Gebiete (88, 90) der ersten Oberfläche (24, 28) oder der zweiten Oberfläche (60) metallisierte Gebiete mit einer Dicke kleiner als 10 nm ist/sind, das/die ein elektrisch leitendes Metall umfasst/umfassen.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das wenigstens eine Gebiet (88, 90) oder die mehreren Gebiete (88, 90) sowohl das eine Gebiet (88) oder die mehreren Gebiete der ersten Oberfläche (24, 28) als auch das eine Gebiet (90) oder die mehreren Gebiete (90) der zweiten Oberfläche (60) umfasst/umfassen.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem ein an die MEA (10) gelieferter Reaktandenstrom nicht befeuchtet wird oder eine niedrigere relative Feuchtigkeit als die Umgebung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die faserlosen mikroporösen Diffusionsmedienschicht (21, 22) keine lang gestreckten Partikel einschließlich Fasern, Fäserchen und Filamenten mit einer offensichtlichen langen Achse aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung für eine Brennstoffzelle (9), wobei das Verfahren umfasst: Ablagern eines elektrisch leitenden Metalls auf einer Oberfläche (24, 28) einer elektrisch leitenden faserlosen mikroporösen Diffusionsmedienschicht (21, 22) zum Bilden eines metallisierten Gebiets (88) oder mehrerer metallisierter Gebiete (88), wobei die mikroporöse Diffusionsmedienschicht (21, 22) karbonisiertes Schaum-Polytetrafluorethylen (ePTFE) umfasst; Positionieren der Oberfläche (24, 28) mit den metallisierten Gebieten (88) angrenzend an eine Elektrode einer Membranelektrodenanordnung (MEA) (10); und zur Berührung Bringen der Elektrode mit der Oberfläche (24, 28) mit den metallisierten Gebieten (88) zum Bilden eines elektrisch leitenden Wegs zwischen einer Separatorplatte (32, 34) und der mikroporösen Diffusionsmedienschicht (21, 22).
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Ablagerung durch wenigstens einen Prozess durchgeführt wird, der Elektronenstrahlbedampfung, Magnetronzerstäubung, plasmagestützte Abscheidung aus der Dampfphase, elektrolytische Ablagerung und außenstromloses Metallabscheiden aus wässrigen Lösungen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem das elektrisch leitende Metall ein Metall oder mehrere Metalle aus der Gruppe Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt, Os, Ti, Cr, Sn und Au ist/sind.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem das elektrisch leitende Metall Au umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem das Ablagern durchgeführt wird, um eine Dicke von weniger oder gleich 15 nm sicherzustellen.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem das zur Berührung Bringen durch eine Druckkraft ausgeführt wird, die der Brennstoffzelle (9) in einem zusammengesetzten Brennstoffzellenstapel erteilt wird.