DE102008009724A1

DE102008009724A1 - Gasdiffusionsschicht mit gesteuertem Diffusionsvermögen über eine aktive Fläche

Info

Publication number: DE102008009724A1
Application number: DE102008009724A
Authority: DE
Inventors: Paul Nicotera; Mark Mathias; Chunxin Ji; Steven G. Goebel
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-02-22
Filing date: 2008-02-19
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2028-02-20
Also published as: CN101252196B; US20080206615A1; JP5154256B2; CN101252196A; DE102008009724B4; JP2008218411A

Abstract

Ein Diffusionsmedium zur Verwendung in einer PEM-Brennstoffzelle umfasst eine dünne, durchlöcherte Schicht mit einer variablen Größe und Häufigkeit von Durchlöcherungsmustern, die auf einer ersten Seite einer porösen Substratschicht in eine mikroporöse Schicht eingebaut ist, wobei das Diffusionsmedium geeignet ist, um das Wassermanagement und die Leistung der Brennstoffzelle zu verbessern.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und im Spezielleren ein Diffusionsmedium und ein Verfahren zur Herstellung desselben, die geeignet sind, um das Wassermanagement innerhalb der Brennstoffzelle zu verbessern, wobei das Diffusionsmedium eine poröse Substratschicht, eine dünne, perforierte bzw. durchlöcherte Schicht mit einer variablen Größe und Häufigkeit von Durchlöcherungsmustern und zumindest eine mikroporöse Schicht umfasst, wobei die mikroporöse Schicht und die dünne, durchlöcherte Schicht auf der porösen Substratschicht aufgebracht sind.
Hintergrund der Erfindung
Brennstoffzellen finden zunehmend Verwendung als Leistungsquelle für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen. In Protonenaustauschmembran (PEM)-Brennstoffzellen wird Wasserstoffgas an eine Anodenseite der Brennstoffzelle geliefert und Sauerstoffgas wird als ein Oxidationsmittel an eine Kathodenseite der Brennstoffzelle geliefert. Die Reaktion, die zwischen den Reaktandengasen in der Brennstoffzelle stattfindet, verbraucht den Wasserstoff auf der Anodenseite und produziert Produktwasser auf der Kathodenseite. PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer dünnen, protonendurchlässigen, elektrisch nicht leitfähigen, festen Polymerelektrolytmembran, die mit der Anodenseite auf einer Fläche und der Kathodenseite auf einer entgegengesetzten Fläche angeordnet ist.
Gasdiffusionsmedien spielen eine bedeutende Rolle in PEM-Brennstoffzellen. Im Allgemeinen zwischen katalytischen Elektroden und den Strömungsfeldkanälen der bipolaren Platten in der Brennstoffzelle angeordnet, sorgen Gasdiffusionsmedien für eine Reaktanden- und Produktdurchlässigkeit, elektronische Leitfähigkeit und thermische Leitfähigkeit, wie auch für die mechanische Festigkeit, die für das korrekte Funktionieren der Brennstoffzelle erforderlich sind. Ein effizienter Betrieb der Brennstoffzelle ist abhängig von der Fähigkeit, für ein effektives Wassermanagement in dem System zu sorgen. Die Diffusionsmedien verhindern, dass sich die Elektroden mit Wasser füllen und der Sauerstoffstrom eingeengt wird (als Fluten bekannt), indem sie das Produktwasser von den katalytischen Elektroden weg entfernen, während sie den Reaktandengasstrom von den Gasströmungskanälen der bipolaren Platten zu den katalytischen Elektroden aufrechterhalten.
Typischerweise besitzen die in PEM-Brennstoffzellen verwendeten Diffusionsmedien einen relativ konstanten Diffusionswiderstand über eine Gesamtfläche der Medien, da die Struktur und Größe der Poren in den Diffusionsmedien einheitlich sind. Die Leistung von Kraftfahrzeug-Brennstoffzellen bei Verwendung aktueller Diffusionsmedien ist begrenzt, da die Reaktandenströme oft untersättigt sind und eine große Schwankung in Bezug auf die Feuchte und den Strom (d. h. die Wassererzeugung) über die aktive Fläche der Zelle vorhanden ist. Daher muss die Geschwindigkeit der Produktwasserentfernung in nassen Betriebsgebieten ausgeglichen sein, wobei die Notwendigkeit besteht, einen bestimmten Grad an Membranhydratisierung in trockenen Betriebsgebieten aufrechtzuerhalten, um eine zufriedenstellende Protonenleitfähigkeit in der Brennstoffzelle zu erhalten.
Demgemäß ist die vorliegende Erfindung ein Diffusionsmedium, das geeignet ist, um für eine variierende lokale Wassermanagement-Fähigkeit zu sorgen, um die höchste Brennstoffzellenleistung zu ermöglichen. In dem hierin beschriebenen Diffusionsmedium wird ein verbesserter Betrieb in den trockenen Gebieten erreicht, indem eine Wasserdampfströmungsrate von der Membran weg in den trockenen Gebieten der aktiven Fläche eingeschränkt wird, um eine annehmbare Membranprotonenleitfähigkeit aufrechtzuerhalten, während auch eine annehmbare Strömung von Reaktandengasen aufrechterhalten wird, und in den nassen Gebieten der Brennstoffzelle wird eine geringere Einschränkung angewendet, um die Leistung der Brennstoffzelle nicht infolge der übermäßigen Wasserretention und Reaktandengasblockade nicht zu verschlechtern.
Zusammenfassung der Erfindung
In Übereinstimmung und gemäß der vorliegenden Erfindung wurde ein Diffusionsmedium entdeckt, das geeignet ist, um das Wassermanagement zu verbessern, während es auch die Leistung der Brennstoffzelle verbessert.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Diffusionsmedium zur Verwendung in einer PEM-Brennstoffzelle eine poröse Substratschicht mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, wobei die Substratschicht elektrisch leitfähig ist; eine dünne, durchlöcherte Schicht mit einer Vielzahl von Durchlöcherungen; eine erste mikroporöse Schicht, wobei die erste mikroporöse Schicht zwischen der ersten Seite der porösen Substratschicht und der dünnen, durchlöcherten Schicht angeordnet ist, wobei die erste mikroporöse Schicht in die erste Seite der porösen Substratschicht eingebaut ist und die dünne, durchlöcherte Schicht in die erste mikroporöse Schicht eingebaut ist; und eine zweite mikroporöse Schicht, die auf der dünnen, durchlöcherten Schicht angeordnet und mit dieser eingebaut ist.
In einer Ausführungsform umfasst ein Diffusionsmedium zur Verwendung in einer PEM-Brennstoffzelle eine poröse Substratschicht mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, wobei die poröse Substratschicht elektrisch leitfähig ist; eine erste mikroporöse Schicht; und eine dünne, durchlöcherte Schicht mit einer Vielzahl von Durchlöcherungen, einer ersten Seite und einer zweiten Seite, wobei die erste mikroporöse Schicht zwischen der ersten Seite der porösen Substratschicht und der ersten Seite der dünnen, durchlöcherten Schicht angeordnet und in diese eingebaut ist.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Bilden eines Diffusionsmediums zur Verwendung in einer PEM-Brennstoffzelle die Schritte, dass eine poröse Substratschicht vorgesehen wird, wobei die poröse Substratschicht elektrisch leitfähig ist; eine dünne, durchlöcherte Schicht mit einem von einer variablen Größe und einer Häufigkeit eines Durchlöcherungsmusters versehen wird; die poröse Substratschicht mit einem Fluorpolymer behandelt wird; die mit dem Fluorpolymer behandelte poröse Substratschicht mit einer Paste beschichtet wird, um eine mikroporöse Schicht zu bilden; die dünne, durchlöcherte Schicht auf der nassen mikroporösen Schicht zusammengedrückt wird; die mikroporöse Schicht und die poröse Substratschicht getrocknet werden; und die poröse Substratschicht, die dünne, durchlöcherte Schicht und die mikroporöse Schicht zusammengesintert werden.
Beschreibung der Zeichnungen
Die oben stehenden wie auch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann aus der nachfolgenden detaillierten Beschrei bung einer bevorzugten Ausführungsform unter Berücksichtigung der beiliegenden Zeichnungen ohne weiteres offensichtlich, wobei:
1 eine Querschnittsansicht eines Gasdiffusionsmediums gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
2 eine Querschnittsansicht eines Gasdiffusionsmediums gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist;
3 eine Querschnittsansicht eines Gasdiffusionsmediums gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist;
4 eine Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellenstapels ist, die zwei Brennstoffzellen zeigt, welche das in 1 gezeigte Gasdiffusionsmedium umfassen;
5 eine Querschnittsansicht einer einzelnen PEM-Brennstoffzelle ist, die das in 1 gezeigte Gasdiffusionsmedium umfasst;
6 eine Tabelle ist, die einen Gesamtdiffusionswiderstand eines Gasdiffusionsmediums ohne eine dünne, durchlöcherte Schicht, eines Gasdiffusionsmediums mit einer dünnen, durchlöcherten Schicht mit einer zu 25% offenen Fläche und eines Gasdiffusionsmediums mit einer dünnen, durchlöcherten Schicht mit einer zu 5% offenen Fläche zeigt;
7 ein Graph ist, der die Strom/Spannungsleistung eines Gasdiffusionsmediums ohne eine dünne, durchlöcherte Schicht, eines Gasdiffusionsmediums mit einer dünnen, durchlöcherten Schicht mit einer zu 25% offenen Fläche und eines Gasdiffu sionsmediums mit einer dünnen, durchlöcherten Schicht mit einer zu 5% offenen Fläche in einer Brennstoffzelle zeigt, die bei einer hohen relativen Feuchte betrieben wird; und
8 ein Graph ist, der die Strom/Spannungsleistung eines Gasdiffusionsmediums ohne eine dünne, durchlöcherte Schicht, eines Gasdiffusionsmediums mit einer dünnen, durchlöcherten Schicht mit einer zu 25% offenen Fläche und eines Gasdiffusionsmediums mit einer dünnen, durchlöcherten Schicht mit einer zu 5% offenen Fläche in einer Brennstoffzelle zeigt, die bei einer niedrigen relativen Feuchte betrieben wird.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die folgende detaillierte Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, einen Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden, und sollen den Umfang der Erfindung in keiner Weise einschränken. In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte beispielhaft und demzufolge ist die Reihenfolge der Schritte nicht notwendig oder kritisch.
1 veranschaulicht ein Diffusionsmedium 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Diffusionsmedium 10 umfasst eine poröse Substratschicht 12, eine erste mikroporöse Schicht 14, eine dünne, durchlöcherte Schicht 16 und eine zweite mikroporöse Schicht 18. Es ist einzusehen, dass die Dicke des Diffusionsmediums 10 und der Schichten 12, 14, 16, 18 desselben auf der Basis einer gewünschten Leistung einer Brennstoffzelle, in der das Diffusionsmedium 10 verwendet wird, variieren kann.
Die poröse Substratschicht 12 ist ein Kohlefaserpapier (CFP) mit einer ersten Seite 20 und einer zweiten Seite 22. In der gezeigten Ausführungsform wird die poröse Substratschicht 12 mit einem Fluorkohlenstoff-Polymer wie z. B. Polytetrafluorethylen (PTFE) (nicht gezeigt) behandelt. Jedes herkömmliche CFP wie z. B. das von Mitsubishi Rayon Company hergestellte MRC U-105-Papier kann verwendet werden. Es ist einzusehen, dass die poröse Substratschicht 12 auch ein Kohlenstoffgewebe oder ein anderes herkömmliches Material sein kann, das geeignet ist, um elektrisch und thermisch leitfähig zu sein. Des Weiteren kann die poröse Substratschicht 12 je nach Wunsch unbehandelt oder mit anderen Materialien als einem Fluorkohlenstoff-Polymer behandelt sein.
Die erste mikroporöse Schicht 14 und die zweite mikroporöse Schicht 18 sind aus einem Gemisch aus einem Kohlepulver und einem Fluorkohlenstoff-Polymer gebildet. Es ist einzusehen, dass entweder die erste mikroporöse Schicht 14 oder die zweite mikroporöse Schicht 18 möglicherweise nicht notwendig ist und dass nur eine von der ersten mikroporösen Schicht 14 oder der zweiten mikroporösen Schicht 18 verwendet werden kann.
Die dünne, durchlöcherte Schicht 16 weist eine Vielzahl von selektiv verteilten Durchlöcherungen 43 auf. Die dünne, durchlöcherte Schicht 16 weist auch einen nicht durchlöcherten Umfangsabschnitt 45 auf, wie in 5 gezeigt. Es ist verständlich, dass die dünne, durchlöcherte Schicht 16 je nach Wunsch möglicherweise keinen nicht durchlöcherten Umfangsabschnitt 45 aufweist. In der gezeigten Ausführungsform ist die dünne, durchlöcherte Schicht 16 eine Graphitfolie. Die dünne, durchlöcherte Schicht 16 kann jedoch z. B. aus anderen herkömmlichen Materia lien wie z. B. Blechen, Polymermaterialien, Verbundmaterialien, einem imprägnierten Polymermaterial oder einem beliebigen herkömmlichen nicht leitfähigen Material gebildet sein. Die Durchlöcherungen 43 der dünnen, durchlöcherten Schicht 16 können variieren, um Variationen von lokalen Eigenschaften zu erzeugen. Zum Beispiel können die Größe und Häufigkeit der Durchlöcherungen 43 in der dünnen, durchlöcherten Schicht 16 variiert sein, um eine verschiedene offene Fläche (d. h. Porenvolumen) vorzusehen. Eine Reduktion der Häufigkeit der Durchlöcherungen 43 in der dünnen, durchlöcherten Schicht 16 führt zu einer stärkeren Gewundenheit (d. h. effektiven Porenlänge) des Diffusionsmediums 10. Ein einheitliches Stück einer Graphitfolie kann verwendet werden, um die dünne, durchlöcherte Schicht 16 zu bilden, oder die dünne, durchlöcherte Schicht 16 kann aus einer Vielzahl von Graphitfolienbahnen 16a, 16b mit einer verschiedenen Größe und Häufigkeit der Durchlöcherungen, die benachbart zueinander angeordnet sind, wie in 2 veranschaulicht, gebildet sein.
Um das Diffusionsmedium 10 zu bilden, wird die poröse Substratschicht 12 mit dem PTFE behandelt, um eine behandelte poröse Substratschicht 12 zu bilden. Die dünne, durchlöcherte Schicht 16, die ein/e gewünschte/s offene Fläche und Durchlöcherungsmuster aufweist, wird aus einer Bahn einer Graphitfolie (nicht gezeigt) gebildet, indem die Graphitbahn zwischen Rollen (nicht gezeigt) gerollt wird, die vorstehende Elemente aufweisen, welche geeignet sind, um die Durchlöcherungen 43 in der Folie in einem/r gewünschten Muster, Form und Größe herzustellen. Ein kontinuierliches Verfahren wie das in dem US-Patent Nr. 6 521 369 an Mercuri et al. beschriebene oder ein Mehrstufenverfahren kann, falls gewünscht, verwendet werden, um die dünne, durchlöcherte Schicht 16 zu bilden. Die Größe und Anordnung der vorstehenden Elemente wird auf der Basis des/der gewünschten Musters, Form und Größe der Durchlöcherungen 43 variieren, um den gewünschten Diffusionswiderstand durch das Diffusionsmedium 10 zu erhalten.
Als Nächstes wird eine Paste (nicht gezeigt) gebildet, die ein Gemisch aus dem Kohlepulver und Fluorkohlenstoff-Polymeren enthält, und auf die erste Seite 20 der porösen Substratschicht 12 aufgebracht, um die erste mikroporöse Schicht 14 zu bilden, sodass die erste mikroporöse Schicht 14 in die Poren auf der ersten Seite 20 der porösen Substratschicht 12 eindringt. Während die erste mikroporöse Schicht 14 nass ist, wird die dünne, durchlöcherte Schicht 16 gegen die erste mikroporöse Schicht 14 auf der ersten Seite 20 der porösen Substratschicht 12 zusammengedrückt, sodass die erste mikroporöse Schicht 14 in die Durchlöcherungen 43 der dünnen, durchlöcherten Schicht 16 gepresst wird, um die dünne, durchlöcherte Schicht 16 mit der ersten mikroporösen Schicht 14 und der porösen Substratschicht 12 einzubauen, wie in 1 gezeigt. Dann wird die erste mikroporöse Schicht 14 trocknen gelassen. Wie hierin verwendet, soll der Begriff „Einbauen" bedeuten, dass eine Schicht des Diffusionsmediums 10 an/in den/dem Zwischenraum einer benachbarten Schicht haftet, eindringt, sickert oder sonst wie eindringt, um die Integration der Schichten zu begünstigen.
Die Kohlepulverpaste wird auf die dünne, durchlöcherte Schicht 16 aufgebracht, um die zweite mikroporöse Schicht 18 zu bilden, sodass die zweite mikroporöse Schicht 18 in die Durchlöcherungen der dünnen, durchlöcherten Schicht 16 eindringt. Die behandelte poröse Substratschicht 12, die erste mikroporöse Schicht 14, die dünne, durchlöcherte Schicht 16 und die zweite mikroporöse Schicht 18 werden dann bei oder nahe bei 380°C gesintert, um das Diffusionsmedium 10 zu bilden. Der Sinterprozess bewirkt, dass die erste mikroporöse Schicht 14, die dünne, durchlöcherte Schicht 16, die zweite mikroporöse Schicht 18 und die poröse Sub stratschicht 12 aneinander haften. Das gemeinsam im Besitz befindliche US-Patent Nr. 7 063 913 „DIFFUSION MEDIA WITH A MICROPOROUS LAUER" ist hierin durch Bezugnahme aufgenommen, um die Verfahren zur Herstellung der Paste und weitere Materialien und Verfahren, die zur Herstellung des Diffusionsmediums 10 verwendet werden, weiter zu beschreiben. Es ist einzusehen, dass, wenn die dünne, durchlöcherte Schicht 16 ein Polymermaterial oder ein ähnliches Material ist, die poröse Substratschicht 12, die erste mikroporöse Schicht 14, die dünne, durchlöcherte Schicht 16 und die zweite mikroporöse Schicht 18 heiß gepresst werden können, um zu bewirken, dass die Schichten 12, 14, 16, 18 aneinander haften.
4 ist eine Explosionsdarstellung, die einen Mehrzellen-Brennstoffzellenstapel 24 zeigt, der zwei Brennstoffzellen umfasst. Es ist einzusehen, dass die Anzahl von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel 24 Variieren kann. Wie gezeigt, weist der Brennstoffzellenstapel 24 ein Paar Membranelektrodenanordnungen (MEA) 26 und 28 auf, die durch ein elektrisch leitfähiges Brennstoffverteilungselement 30, hierin nachfolgend eine bipolare Platte, voneinander getrennt sind. Die MEAs 26, 28 und die bipolare Platte 30 sind miteinander zwischen Edelstahl-Spannplatten oder Endplatten 32, 34 und Endkontaktelementen 36, 38 gestapelt. Das Endkontaktelement 36 ist eine Katode, während das Endkontaktelement 38 eine Anode ist. Die Endkontaktelemente 36, 38 wie auch die beiden Arbeitsflächen der bipolaren Platte 30 enthalten eine Vielzahl von Rillen oder Kanälen 40, um Brennstoff und Oxidationsmittelgase (d. h. Wasserstoff und Sauerstoff) an die MEAs 26, 28 zu verteilen. Die bipolare Platte 30 und die Endkontaktelemente 36 und 38 können aus einem Metall gebildet sein, können aber, falls gewünscht, auch aus anderen Materialien gefertigt sein. Zum Beispiel können die bipolaren Platten und die Endkontaktelemente aus Graphit hergestellt sein, der leichtgewichtig, korrosionsbe ständig und elektrisch leitfähig in der Umgebung eines PEM-Brennstoffzellenstapels 24 ist.
In der in 4 gezeigten Ausführungsform befinden sich die Diffusionsmedien 10, 10', 10'', 10''' benachbart zu einer Dichtung 42. Die Dichtung 42 benachbart zu den Diffusionsmedien 10, 10', 10'', 10''' sind Dichtungen die Abdichtungen und eine Isolierung zwischen Komponenten des Brennstoffzellenstapels 24 bereitstellen. Ein Abschnitt des nicht durchlöcherten Umfangabschnitts 45 der dünnen, durchlöcherten Schicht 16 der Diffusionsmedien 10, 10', 10'', 10''' ist unmittelbar benachbart zu den Dichtungen 42 angeordnet, um als eine Nebendichtung zwischen den Komponenten des Brennstoffzellenstapels zu dienen. Der/die nicht durchlöcherte Abschnitt 45 oder Nebendichtung kann z. B. auch eine aktive Fläche der Anode und der Katode definieren, wie z. B. die in dem US-Patent Nr. 6 861 173 , „CATALYST LAYER EDGE PROTECTION FOR ENHANCED MEA DURABILITY IN PEM FUEL CELLS", das hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist, gelehrten Nebendichtungen. Der Umfangsabschnitt 45 kann auch einen Schutz für die Kanten der Platten 30, 36, 38 bieten und verhindert, dass die saure und potentiell korrosive Membran die Platten 30, 36, 38 und Dichtungen 42 berührt. Der nicht durchlöcherte Umfangsabschnitt 45 kann auch als eine mechanische Unterstützung für die MEA 26 dienen. Das Diffusionsmedium 10 ist zwischen dem Endkontaktelement 36 und der MEA 26 angeordnet. Das Diffusionsmedium 10' ist zwischen der MEA 26 und einer Anodenseite der bipolaren Platte 30 angeordnet und das Diffusionsmedium 10'' ist zwischen einer Katodenseite der bipolaren Platte 30 und der MEA 28 angeordnet. Das Diffusionsmedium 10''' ist zwischen der MEA 28 und dem Endkontaktelement 38 angeordnet.
5 zeigt eine Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Brennstoffzelle des montierten Brennstoffzellenstapels 24 von 4. Wie gezeigt, um fasst die MEA 26 eine Protonenaustauschmembran 26a, die zwischen einem Anodenkatalysator 26c und einem Kathodenkatalysator 26b angeordnet ist. Die MEA 26 ist zwischen dem Endkontaktelement 36 und der Anodenseite der bipolaren Platte 30 angeordnet. Das Diffusionsmedium 10 ist zwischen dem Endkontaktelement 36 und der MEA 26 angeordnet, wobei die zweite Seite 22 der porösen Substratschicht 12 des Diffusionsmediums 10 benachbart zu den Kanälen 40 des Endkontaktelements 36 angeordnet ist. Die zweite mikroporöse Schicht 18 der Diffusionsmedien 10 ist benachbart zu dem Kathodenkatalysator 26b angeordnet. Das Diffusionsmedium 10' ist zwischen der Anodenseite der bipolaren Platte 30 und der MEA 26 angeordnet, wobei die zweite Seite 22 der porösen Substratschicht 12 des Diffusionsmediums 10' benachbart zu den Kanälen 40 der bipolaren Platte 30 angeordnet ist. Die zweite mikroporöse Schicht 18 der Diffusionsmedien 10' ist benachbart zu dem Anodenkatalysator 26c angeordnet.
Im Gebrauch wird Wasserstoff von einer Wasserstoffquelle 48 an das Endkontaktelement 38 und die Anodenseite 50 der bipolaren Platte 30 des Brennstoffzellenstapels 24 geliefert. Sauerstoff wird als das Oxidationsmittel von einer Sauerstoffquelle 44 an das Endkontaktelement 36 und die Kathodenseite der bipolaren Platte 30 geliefert. Alternativ kann Umgebungsluft als ein Oxidationsmittel an die Kathodenseite geliefert werden und Wasserstoff kann von einem Methanol- oder Benzin-Reformer an die Anode geliefert werden.
Auf der Anodenseite 50 wird der Wasserstoff katalytisch in Protonen und Elektronen gespalten. Die gebildeten Protonen dringen durch die Membran 26a zu der Kathodenseite 52. Die Elektronen wandern den einen externen Verbraucherkreis (nicht gezeigt) entlang zu der Kathodenseite 52 der MEA 26 und erzeugen somit einen Stromausgang des Brennstoffzel lenstapels 24. Unterdessen wird ein Strom von Sauerstoff an die Kathodenseite 52 der MEA 26 geliefert. Auf der Kathodenseite 52 reagieren Sauerstoffmoleküle mit den durch die Membran 26 dringenden Protonen und den durch den externen Kreis ankommenden Elektronen, um Wassermoleküle (nicht gezeigt) zu bilden. Die Diffusionsmedien 10, 10' entfernen das überschüssige Produktwasser während nasser Betriebsbedingungen oder in nassen Gebieten der Brennstoffzellen der Brennstoffzellenanordnung 24, um das Fluten der Elektroden 26c und 26b zu verhindern und auch um einen Hydratisierungsgrad der Membran 26 aufrechtzuerhalten, um eine abnehmende Protonenleitfähigkeit während trockener Betriebsbedingungen oder in trockenen Gebieten der Brennstoffzellen der Brennstoffzellenanordnung 24 zu erhalten. Überschüssiges Wasser in den Diffusionsmedien 10, 10' wird aus dem Brennstoffzellenstapel 24 über Sammelrohre (nicht gezeigt) durch die Strömung von Wasserstoff- und Sauerstoffgas benachbart zu den und durch die Diffusionsmedien 10, 10' entfernt.
Das Wassermanagement in dem Brennstoffzellenstapel 24 ist integral für einen erfolgreichen Langzeitbetrieb des Brennstoffzellenstapels 24. Die Diffusionsmedien 10, 10' unterstützen das Wassermanagement in dem Brennstoffzellenstapel 24. Die Diffusionsmedien 10, 10' besitzen mehrere spezifische Funktionen. Die Diffusionsmedien 10, 10' sorgen für einen Zugang des Reaktandengases von den Strömungskanälen 40 zu den Katalysatorschichten 26b, 26c. Darüber hinaus sind die Diffusionsmedien 10, 10' elektrisch leitfähig und thermisch leitfähig, um für Elektronenpfade und die Abfuhr von Wärme für den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 24 zu sorgen. Auch ermöglichen die Diffusionsmedien 10, 10' das Entfernen von Produktwasser von der Kathodenseite 52 des Brennstoffzellenstapels 24 und setzen dann das Wasser für die Entfernung aus dem Brennstoffzellenstapel 24 in die Strömungskanäle 40 frei.
Für PEM-Brennstoffzellenstapel 24, die für Kraftfahrzeuganwendungen geeignet sind, ist ein trockenerer, stationärer Betriebszustand zu bevorzugen, weshalb es erforderlich ist, dass das Diffusionsmedium 10 ein gutes Wasserretentionsvermögen aufweist, um eine gewünschte Hydratisierung der Membran 26 aufrechtzuerhalten. Da Diffusionsmedien mit hohen Diffusionswiderständen auch den Reaktandenmassetransport reduzieren, sollten die Diffusionseigenschaften des Diffusionsmediums 10 entsprechend gewählt werden. In Bereichen der aktiven Brennstoffzellenfläche mit einer hohen lokalen relativen Feuchte und einer geringen Reaktandenkonzentration wie z. B. in der Nähe der Kanalauslässe der Platten 30, 36, 38 kann die Leistung optimiert werden, indem ein Diffusionsmedium 10 mit einem geringen Diffusionswiderstand verwendet wird. In Bereichen der aktiven Brennstoffzellenfläche mit einer niedrigen lokalen relativen Feuchte und einer hohen Reaktandenkonzentration wie z. B. in der Nähe der Gaskanaleinlässe der Platten 30, 36, 38 kann die Leistung optimiert werden, indem ein Diffusionsmedium 10 mit einem hohen Diffusionswiderstand verwendet wird. Wie hierin verwendet, ist die aktive Fläche als der Oberflächenbereich einer einzelnen Brennstoffzelle definiert, der für eine chemische Reaktion zur Verfügung steht. Die Größe der aktiven Fläche kann auf der Basis der Gesamtfläche der Brennstoffzelle variieren, die geeignet ist, um einer Kühlung, einer Reaktandenverteilung und Abdichtmechanismen Rechnung zu tragen.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Mittel zur Bereitstellung verschiedener Diffusionseigenschaften in dem Diffusionsmedium 10 über die aktive Brennstoffzellenfläche vor. Die verschiedenen Eigenschaften werden vorgesehen, indem die dünne, durchlöcherte Schicht 16 in das Diffusionsmedium 10 eingebaut wird und die Größe, die räumliche Häufigkeit und das geometrische Muster der Durchlöcherungen 43 variiert werden. Das Vari ieren der Größe, der räumlichen Häufigkeit und des geometrischen Musters der dünnen, durchlöcherten Schicht 16 beeinflusst die gesamten Gasdiffusionseigenschaften durch das Diffusionsmedium 10. Durch Reduzieren der Größe und der Häufigkeit der Durchlöcherungen 43 wird die Porosität (ε) herabgesetzt, während das Reduzieren der Häufigkeit der Durchlöcherungen 43 zu einer höheren Gewundenheit (τ) des Diffusionsmediums 10 führt. Das Verhältnis zwischen dem freien Diffusionskoeffizienten (D) und dem effektiven Diffusionskoeffizienten (D_eff) durch die Gasdiffusionsschicht ist sowohl von der Porosität als auch der Gewundenheit des Diffusionsmediums 10 abhängig. Die Beziehung wird als
dargestellt. Demgemäß wird eine Reduktion der Größe und der räumlichen Häufigkeit der Durchlöcherungen 43 in der dünnen, durchlöcherten Schicht 16 des Diffusionsmediums 10 zu einem Anstieg von
führen.
3 veranschaulicht ein Diffusionsmedium 11 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Das Diffusionsmedium 11 umfasst eine erste poröse Substratschicht 12, eine erste mikroporöse Schicht 14, eine erste dünne, durchlöcherte Schicht 16, eine zweite mikroporöse Schicht 18, eine dritte mikroporöse Schicht 14', eine zweite dünne, durchlöcherte Schicht 16' und eine vierte mikroporöse Schicht 18'. Es ist verständlich, dass eine Dicke des Diffusionsmediums 11 und der Schichten 12, 14, 16, 18, 14', 16', 18' desselben auf der Basis der gewünschten Leistung einer Brennstoffzelle, in der das Diffusionsmedium 11 verwendet wird, variieren kann.
Die poröse Substratschicht 12 ist ein Kohlefaserpapier (CFP) mit einer ersten Seite 20 und einer zweiten Seite 22. In der gezeigten Ausführungsform wird die poröse Substratschicht 12 mit einem Polytetrafluorethylen (PTFE) (nicht gezeigt) behandelt. Jedes herkömmliche CFP wie z. B. das von Mitsubishi Rayon Company hergestellte MRC U-105-Papier kann verwendet werden. Es ist einzusehen, dass die poröse Substratschicht 12 auch ein Kohlenstoffgewebe oder ein anderes herkömmliches Material sein kann, das geeignet ist, um elektrisch und thermisch leitfähig zu sein. Des Weiteren kann die poröse Substratschicht 12 je nach Wunsch unbehandelt oder mit anderen Materialien als einem Fluorkohlenstoff-Polymer behandelt sein.
Die erste mikroporöse Schicht 14, die zweite mikroporöse Schicht 18, die dritte mikroporöse Schicht 14' und die vierte mikroporöse Schicht 18' sind aus einem Gemisch aus einem Kohlepulver und einem Fluorkohlenstoff-Polymer gebildet. Es ist einzusehen, dass möglicherweise nicht alle der vier mikroporösen Schichten 14, 14', 18, 18' erwünscht sind, und das Diffusionsmedium 11 kann je nach Wunsch eine beliebige Kombination von den mikroporösen Schichten 14, 14', 18, 18' umfassen.
Die dünnen, durchlöcherten Schichten 16, 16' weisen eine Vielzahl von selektiv verteilten Durchlöcherungen ähnlich den Durchlöcherungen 43 des in den 1 und 2 gezeigten Diffusionsmediums 10 auf. In der gezeigten Ausführungsform sind die dünnen, durchlöcherten Schichten 16, 16' eine Graphitfolie. Die dünnen, durchlöcherten Schichten 16, 16' können jedoch z. B. aus anderen herkömmlichen Materialien wie z. B. Blechen, Polymer- oder Verbundmaterialien gebildet sein. Die Durchlöcherungen der dünnen, durchlöcherten Schichten 16, 16' können variieren, um Änderungen von lokalen Eigenschaften zu erzeugen. Zum Beispiel können die Größe und die Häufigkeit der Durchlöcherungen 43 variiert werden, um verschiedene Gasdiffusionswiderstände vorzusehen. Eine Reduktion der Häufigkeit der Durchlöcherungen 43 in den dünnen, durchlöcherten Schichten 16, 16' führt zu einer stärkeren Gewundenheit (d. h. effektiven Porenlänge) des Diffusionsmediums 11. Es ist verständlich, dass die dünnen, durchlöcherten Schichten 16, 16' je nach Wunsch dieselbe Größe und Häufigkeit von Durchlöcherungsmustern aufweisen können oder die dünnen, durchlöcherten Schichten 16, 16' verschiedene Größen und Häufigkeiten von Durchlöcherungsmustern aufweisen können.
Um das Diffusionsmedium 11 zu bilden, wird die poröse Substratschicht 12 mit dem PTFE behandelt, um eine behandelte poröse Substratschicht 12 zu bilden. Die dünnen, durchlöcherten Schichten 16, 16', die eine gewünschte Größe und Häufigkeit von Durchlöcherungsmustern aufweisen, werden aus einer Bahn einer Graphitfolie (nicht gezeigt) gebildet, indem die Graphitbahn zwischen Rollen (nicht gezeigt) gerollt wird, die vorstehende Elemente aufweisen, welche geeignet sind, um die Durchlöcherungen in der Folie in einem/r gewünschten Muster, Form und Größe herzustellen. Ein kontinuierliches Verfahren ähnlich dem in dem US-Patent Nr. 6 521 369 an Mercuri et al. beschriebenen oder ein Mehrstufenverfahren kann, falls gewünscht, verwendet werden, um die dünnen, durchlöcherten Schichten 16, 16', zu bilden. Die Größe und Anordnung der vorstehenden Elemente wird auf der Basis des/der gewünschten Musters, Form und Größe der Durchlöcherungen variieren, um den gewünschten Gasdiffusionswiderstand zu erhalten.
Als Nächstes wird eine Paste (nicht gezeigt) gebildet, die ein Gemisch aus dem Kohlepulver und Fluorkohlenstoff-Polymeren enthält, und auf die erste Seite 20 und die zweite Seite 22 der porösen Substratschicht 12 aufgebracht, um die erste mikroporöse Schicht 14 und die dritte mikroporöse Schicht 14' zu bilden. Während die erste und die dritte mikroporöse Schicht 14, 14' nass sind, wird die erste dünne, durchlöcherte Schicht 16 mit der porösen Substratschicht 12 und der ersten mikroporösen Schicht 14 verbunden, sodass die erste mikroporöse Schicht 14 in die Durchlöcherungen 43 der ersten dünnen, durchlöcherten Schicht 16 gepresst wird, um die erste dünne, durchlöcherte Schicht 16 mit der ersten mikroporösen Schicht 14 einzubauen, wie in 3 gezeigt. Dann wird die Paste auf eine freiliegende Seite der ersten dünnen, durchlöcherten Schicht 16 aufgebracht, um die zweite mikroporöse Schicht 18 zu bilden. Während die zweite mikroporöse Schicht 18 nass ist, wird die zweite dünne, durchlöcherte Schicht 16' mit der zweiten mikroporösen Schicht 18 und der ersten dünnen, durchlöcherten Schicht 16 verbunden, sodass die zweite mikroporöse Schicht 18 in die Durchlöcherungen 43 der zweiten dünnen, durchlöcherten Schicht 16' gepresst wird, um die zweite dünne, durchlöcherte Schicht 16' mit der zweiten mikroporösen Schicht 18 einzubauen. Dann wird die Kohlepulverpaste auf eine freiliegende Seite der zweiten dünnen, durchlöcherten Schicht 16' aufgebracht, um die vierte mikroporöse Schicht 18' zu bilden. Dann werden die mikroporösen Schichten 14, 14', 18, 18' trocknen gelassen.
Die behandelte poröse Substratschicht 12, die erste mikroporöse Schicht 14, die erste dünne, durchlöcherte Schicht 16, die zweite mikroporöse Schicht 18, die dritte mikroporöse Schicht 14', die zweite dünne, durchlöcherte Schicht 16' und die vierte mikroporöse Schicht 18' werden dann bei oder nahe bei 380°C gesintert. Der Sinterprozess bewirkt, dass die mikroporösen Schichten 14, 14', 18, 18', die dünnen, durchlöcherten Schichten 16, 16' und die poröse Substratschicht 12 aneinander haften.
Die oben beschriebenen Diffusionsmedien können auf der Kathodenseite 52 der Brennstoffzelle, der Anodenseite 50 der Brennstoffzelle oder auf beiden Seiten verwendet werden, um die Wassermanagementeigenschaften der Brennstoffzellenanordnung 24 zu optimieren. Die Positionierung der hierin beschriebenen Diffusionsmedien 10 wird von der Konstruktion der Strömungskanäle 40 und den Betriebsbedingungen der Brennstoffzellenanordnung 24 abhängig sein.
Die Erfindung wurde oben stehende unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. Weitere nicht einschränkende Beispiele sind in den nachfolgenden Beispielen angeführt.
Beispiele
Mitsubishi MRC-U-105 Kohlefaserpapier mit einer Dicke von 200 Mikron wird in eine PTFE-Dispersion getaucht, um eine Aufnahme von ca. 10 Gewichts-% PTFE zu erhalten. Nachdem das Papier getrocknet ist, wird eine aus einem Gemisch aus Acethylen-Ruß und PTFE gebildete Paste auf eine Seite des Kohlefaserpapiers aufgetragen, um eine mikroporöse Schicht zu bilden. Die Paste besteht aus 4,8 Gewichts-% Feststoff, dispergiert in einer Lösung aus Wasser und Alkohol, und der Feststoff besteht aus Acethylen-Ruß und PTFE in einem Gewichtsverhältnis von 3 zu 1. Während die mikroporöse Schicht nass ist, wird eine durchlöcherte, gestreckte Graphitfolie von Graftech International Ltd. gegen die mikroporöse Schicht und das Kohlefaserpapier gepresst. Nachdem die mikroporöse Schicht getrocknet ist, wird eine weitere mikroporöse Schicht auf die dünne, durchlöcherte Graphitfolie aufgetragen. Die ungefähre Ladung der mikroporösen Schicht nach jeder Beschichtung beträgt 1 mg/cm², was eine Dicke der trockenen Beschichtung von etwa 20 Mikron ergibt. Zuletzt wird das Kohlepapier mit den mikroporösen Schichten und einer dünnen, durchlöcherten Schicht durch Erwärmen auf 380°C gesintert.
Eine erste Probe, das Diffusionsmedium A, wurde mit dem obigen Verfahren hergestellt, wobei der Einbau der dünnen, durchlöcherten Schicht weggelassen wurde. Somit weist das Diffusionsmedium A zwei Beschich tungen aus Paste auf, um ungefähr dieselbe mikroporöse Gesamtladung zu erzielen, wie bei den Proben, die dünne, durchlöcherte Schichten enthalten. Eine zweite Probe, das Diffusionsmedium B, wurde gemäß dem obigen Verfahren hergestellt, wobei eine Graphitfolie von GrafTech International Ltd. mit einer durchschnittlichen Dicke von 157 Mikron, 10 000 Durchlöcherungen pro Quadratinch und Durchlöcherungsgrößen, sodass die dünne, durchlöcherte Schicht eine durchschnittliche offene Fläche von 25% aufweist, verwendet wurde. Eine dritte Proben, das Diffusionsmedium C, wurde mit einer Graphitfolie von GrafTech International Ltd. mit einer durchschnittlichen Dicke von 190 Mikron, 10 000 Durchlöcherungen pro Quadratinch und Durchlöcherungsgrößen, sodass die dünne, durchlöcherte Schicht eine durchschnittliche offene Fläche von 5% aufweist, hergestellt. Somit sind nominell die einzigen Unterschiede zwischen den Proben A, B und C die Gesamtdicke des Diffusionsmediums und das Vorhandensein der dünnen, durchlöcherten Schicht.
6 zeigt eine Tabelle der Massetransport-Widerstandswerte, ein Maß für den Diffusionswiderstand für die drei Proben, die aus Grenzstrommessungen in einer Brennstoffzelle mit einer aktiven Fläche von 5 cm² berechnet wurden. Die Grenzstrommessung und die nachfolgende Berechnung des effektiven Diffusionskoeffizienten sind in der Literatur von D. Baker, C. Wieser, K. C. Neyerlin, M. W. Murphy, „The Use of Limiting Current to Determine Transport Resistance in PEM Fuel Cells", ECS Transactions, 3 (1) 989–999 (2006) und von U. Beuscher „Experimental Method to Determine the Mass Transport Resistance of a Polymer Electrolyte Fuel Cell", J. Elec. Soc., 153 (9) A1788–A1793 (2006) beschrieben. Die tabellarisch dargestellten Werte sind der gesamte Massetransportwiderstand,
wobei „f" ein geometrischer Faktor ist, der die Kanalgeometrie der Brennstoffzelle berücksichtigt, und „h" die Gesamtdicke der Gasdiffusi onsschicht ist. Der Massetransportwiderstand besitzt die Einheit von Sekunden pro Zentimeter (s/cm). Der gesamte Massetransportwiderstand ist bei einem Gasdruck von 200 kPa absolut gezeigt. 6 zeigt einen Anstieg des Massetransportwiderstandes von der ersten Probe A zu der zweiten Probe B zu der dritten Probe C. Demgemäß stieg der Gastransportwiderstand der Proben B, C mit abnehmender Durchlöcherungsfläche an.
Die Diffusionsmedien-Proben A, B, C wurden in Brennstoffzellen unter verschiedenen Betriebsbedingungen getestet. Die 7 und 8 zeigen die Ergebnisse im Hinblick auf Strom-Spannungs-Kurven für die Proben A, B und C. An jeder Probe A, B, C wurde ein Wiederholungstest durchgeführt, um sechs Kurven A1, A2, B1, B2, C1, C2 zu erzeugen. Die Proben wurden als die Kathodendiffusionsmedien in einer Brennstoffzelle mit einer Gore 5510 Membranelektrodenanordnung montiert. Johnson Matthey-Diffusionsmedien wurden auf der Anodenseite verwendet. Die Brennstoffzelle umfasste gerade Kanäle mit einer aktiven Fläche von 5 cm². Die Brennstoffzelle wurde unter hohen Anoden- und hohen Kathoden-Stöchiometrien betrieben, meist größer als 10, mit der Ausnahme von vier hohen Stromdichte-Sollwerten, bei denen die Stöchiometrie zwischen 3 und 6 lag. Der an den Proben A, B, C unter den obigen Betriebsbedingungen durchgeführte Test ist als Differenzialzellentest bekannt. Bei dem Differenzialzellentest kann angenommen werden, dass die Betriebsbedingungen einschließlich der Reaktandenkonzentrationen und der relativen Feuchte entlang dem Kanal in der Messfläche konstant sind.
7 zeigt die Strom-Spannungs-Kurven für die Proben A, B, C bei 80°C, 150 kPa absolut und 71% relativer Feuchte. Die Kurven für die zweite Probe B1, B2 und die dritte Probe C1, C2 zeigen bei relativ niedrigen Strömen (1,0 A/cm² und darunter) keine erkennbare Leistungsdifferenz im Vergleich zu den Kurven für die erste Probe A1, A2, während die Span nungen für die dritte Probe C1, C2 bei hohen Stromdichten (1,5 A/cm²) eine deutliche Abnahme zeigen. Die erste Probe A1, A2 und die zweite Probe B1, B2 haben sich unter dieser Betriebsbedingung als das Diffusionsmedium mit einer stabilen Wassermanagement-Fähigkeit erwiesen.
8 zeigt die Strom-Spannungs-Kurven für die Proben A, B, C bei 80°C, 150 kPa und 22% relativer Feuchte. Unter diesen relativ trockenen Bedingungen weisen die Kurven einen deutlichen Streubereich auf. Die Kurven für die dritte Probe C1, C2 zeigen eine Leistungsverbesserung der Brennstoffzelle im Vergleich zu der ersten Probe A1, A2. Die Kurven für die zweite Probe B1, B2 zeigen eine noch größere Leistungsverbesserung der Brennstoffzelle im Vergleich zu der ersten Probe A1, A2. Die zweite Probe B1, B2 und die dritte Probe C1, C2 mit der durchlöcherten dünnen Folie zeigten unter relativ trockenen Bedingungen eine überlegene Wassermanagement-Fähigkeit im Vergleich zu der ersten Probe A1, A2.
Demzufolge wurde in den obigen Beispielen der Vorteil von verschiedenen Gasdiffusionsmedienproben A, B, C bei relativ feuchten und trockenen Betriebsbedingungen illustriert. Es zeigte sich, dass der Einbau einer dünnen, durchlöcherten Schicht 16 in die poröse Substratschicht 12 den Diffusionswiderstand und die Wassermanagement-Fähigkeiten innerhalb des Brennstoffzellenstapels abhängig von den spezifischen Durchlöcherungsmerkmalen der dünnen, durchlöcherten Schicht 16 erhöht.
Aus der vorhergehenden Beschreibung kann ein Fachmann ohne weiteres die wesentlichen Eigenschaften der Erfindung erkennen und kann, ohne von dem Geist und dem Umfang derselben abzuweichen, verschiedene Änderungen und Modifikationen an der Erfindung vornehmen, um sie an verschiedene Verwendungen und Bedingungen anzupassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6521369 [0024, 0039]
- US 7063913 [0026]
- US 6861173 [0028]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- D. Baker, C. Wieser, K. C. Neyerlin, M. W. Murphy, „The Use of Limiting Current to Determine Transport Resistance in PEM Fuel Cells", ECS Transactions, 3 (1) 989–999 (2006) [0046]
- U. Beuscher „Experimental Method to Determine the Mass Transport Resistance of a Polymer Electrolyte Fuel Cell", J. Elec. Soc., 153 (9) A1788–A1793 (2006) [0046]

Claims

Diffusionsmedium zur Verwendung in einer PEM-Brennstoffzelle, umfassend: eine poröse Substratschicht mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, wobei die poröse Substratschicht elektrisch leitfähig ist; eine erste mikroporöse Schicht; und eine dünne, durchlöcherte Schicht mit einer Vielzahl von Durchlöcherungen, einer ersten Seite und einer zweiten Seite, wobei die erste mikroporöse Schicht zwischen der ersten Seite der porösen Substratschicht und der ersten Seite der dünnen, durchlöcherten Schicht angeordnet und in diese eingebaut ist.
Diffusionsmedium nach Anspruch 1, ferner umfassend eine zweite mikroporöse Schicht, die auf der zweiten Seite der dünnen, durchlöcherten Schicht angeordnet und in diese eingebaut ist.
Diffusionsmedium nach Anspruch 1, wobei die poröse Substratschicht ein Kohlefaserpapier ist.
Diffusionsmedium nach Anspruch 1, wobei die dünne, durchlöcherte Schicht eine gestreckte Graphitfolie ist.
Diffusionsmedium nach Anspruch 2, wobei die erste mikroporöse Schicht und die zweite mikroporöse Schicht eines von einem Kohlepulver, einem Fluorkohlenstoff-Polymer und einem Gemisch aus einem Kohlepulver und einem Fluorkohlenstoff-Polymer sind.
Diffusionsmedium nach Anspruch 5, wobei das Fluorkohlenstoff-Polymer Polytetrafluorethylen ist.
Diffusionsmedium nach Anspruch 1, wobei die dünne, durchlöcherte Schicht eine variierende Größe und Häufigkeit von Durchlöcherungsmustern über eine aktive Fläche des Diffusionsmediums aufweist, um verschiedene Wassermanagement-Fähigkeiten zu ermöglichen.
Diffusionsmedium nach Anspruch 1, wobei die variierte Größe und Häufigkeit von Durchlöcherungsmustern auf einer einzigen dünnen, durchlöcherten Bahn oder durch Kombinieren mehrerer durchlöcherter Bahnen hergestellt werden kann, wobei jede der mehreren durchlöcherten Bahnen eine gleichmäßige Größe und Häufigkeit eines Durchlöcherungsmusters aufweist.
Diffusionsmedium nach Anspruch 1, wobei die dünne, durchlöcherte Schicht einen nicht durchlöcherten Umfang umfasst, der geeignet ist, um eine Nebendichtung zwischen Komponenten der Brennstoffzelle zu bilden.
Diffusionsmedium nach Anspruch 1, wobei die erste mikroporöse Schicht, die poröse Substratschicht und die dünne, durchlöcherte Schicht zusammengesintert sind.
Diffusionsmedium zur Verwendung in einer PEM-Brennstoffzelle, umfassend: eine poröse Substratschicht mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, wobei die Substratschicht elektrisch leitfähig ist; eine dünne, durchlöcherte Schicht mit einer Vielzahl von Durchlö cherungen; eine erste mikroporöse Schicht, wobei die erste mikroporöse Schicht zwischen der ersten Seite der porösen Substratschicht und der dünnen, durchlöcherten Schicht angeordnet ist, wobei die erste mikroporöse Schicht in die erste Seite der porösen Substratschicht eingebaut ist und die dünne, durchlöcherte Schicht in die erste mikroporöse Schicht eingebaut ist; und eine zweite mikroporöse Schicht, die auf der dünnen, durchlöcherten Schicht angeordnet und mit dieser eingebaut ist.
Diffusionsmedium nach Anspruch 11, wobei die erste mikroporöse Schicht und die zweite mikroporöse Schicht eines von einem Kohlepulver, einem Fluorkohlenstoff-Polymer und einem Gemisch aus einem Kohlepulver und einem Fluorkohlenstoff-Polymer sind.
Diffusionsmedium nach Anspruch 12, wobei das Fluorkohlenstoff-Polymer Polytetrafluorethylen ist.
Diffusionsmedium nach Anspruch 11, wobei die dünne, durchlöcherte Schicht eine variierende Größe und Häufigkeit von Durchlöcherungsmustern über eine aktive Fläche des Diffusionsmediums aufweist, um verschiedene Wassermanagement-Fähigkeiten zu ermöglichen.
Diffusionsmedium nach Anspruch 11, wobei die variierte Größe und Häufigkeit von Durchlöcherungsmustern auf einer einzigen dünnen, durchlöcherten Bahn oder durch Kombinieren mehrerer durchlöcherter Bahnen hergestellt werden kann, wobei jede der mehreren durchlöcherten Bahnen eine gleichmäßige Größe und Häufigkeit eines Durchlöcherungsmusters aufweist.
Diffusionsmedium nach Anspruch 11, wobei die dünne, durchlöcherte Schicht einen nicht durchlöcherten Umfang umfasst, der geeignet ist, um eine Nebendichtung zwischen Komponenten der Brennstoffzelle zu bilden.
Diffusionsmedium nach Anspruch 11, wobei die erste mikroporöse Schicht, die poröse Substratschicht und die dünne, durchlöcherte Schicht zusammengesintert sind.
Verfahren zum Bilden eines Diffusionsmediums zur Verwendung in einer PEM-Brennstoffzelle, umfassen die Schritte, dass: eine poröse Substratschicht vorgesehen wird, wobei die poröse Substratschicht elektrisch leitfähig ist; eine dünne, durchlöcherte Schicht mit einem von einer variablen Größe und einer Häufigkeit eines Durchlöcherungsmusters versehen wird; die poröse Substratschicht mit einem Fluorpolymer behandelt wird; die mit dem Fluorpolymer behandelte poröse Substratschicht mit einer Paste beschichtet wird, um eine mikroporöse Schicht zu bilden; die dünne, durchlöcherte Schicht auf der nassen mikroporösen Schicht zusammengedrückt wird; die mikroporöse Schicht und die poröse Substratschicht getrocknet werden; und die poröse Substratschicht, die dünne, durchlöcherte Schicht und die mikroporöse Schicht zusammengesintert werden.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend den Schritt, dass die dünne, durchlöcherte Schicht mit einer Rolle gebildet wird, die Vorsprünge in einem gewünschten Muster aufweist, um die ge wünschte Größe und Häufigkeit des Durchlöcherungsmusters zu beschaffen.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend den Schritt, dass eine Vielzahl von den dünnen, durchlöcherten Schichten vorgesehen wird, die benachbart zueinander auf der mikroporösen Schicht angeordnet sind, um den gewünschten variablen Gasdiffusionswiderstand zu beschaffen.