DE102008038202A1

DE102008038202A1 - PEM-Brennstoffzelle mit verbessertem Wassermanagement

Info

Publication number: DE102008038202A1
Application number: DE102008038202A
Authority: DE
Inventors: Mahmoud H. Abd Grosse Pointe Woods Elhamid; Youssef M. Sterling Heights Mikhail; Gayatri Vyas Rochester Hills Dadheech
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-08-21
Filing date: 2008-08-18
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2028-08-19
Also published as: DE102008038202B4; CN101373842B; CN101373842A; US8007958B2; US20090053572A1

Abstract

Produkt mit einer Polymerelektrolytmembran, einer Elektrode über der Membran, einer Gasdiffusionsmediumschicht über der Elektrode sowie einer hydrophilen Schicht über der Gasdiffusionsmediumschicht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das Gebiet, zu dem die vorliegende Offenbarung allgemein gehört, umfasst Brennstoffzellen, Brennstoffzellenkomponenten und Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung.
HINTERGRUND
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Die Kraftfahrzeugindustrie wendet erhebliche Ressourcen bei der Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen als eine Energiequelle für Fahrzeuge auf. Derartige Fahrzeuge wären effizienter und würden weniger Emissionen erzeugen, als heutige Fahrzeuge, die Brennkraftmaschinen verwenden.
Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen umfasst. Die Anode nimmt wasserstoffreiches Gas oder reinen Wasserstoff auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden. Die Arbeit kann dazu verwendet werden, beispielsweise ein Fahrzeug zu betreiben.
Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzellen sind populär für Fahrzeuganwendungen. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb. Diese Bedingungen umfassen ein richtiges Wassermanagement und eine richtige Befeuchtung sowie eine richtige Steuerung katalysatorschädigender Bestandteile, wie Kohlenmonoxid (CO).
Typischerweise werden eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Serie von Strömungsfeld- oder Bipolarplatten, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind. Die Bipolarplatten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Anodenwasserstoffreaktandengas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt. An der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodengas an die Anodenseite der MEA strömen kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodenreaktandengas, typischerweise eine Strömung aus Luft auf, die durch den Stapel über einen Kompressor getrieben wird. An der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodengas an die Kathodenseite der MEA strömen kann. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das flüssiges Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Die Bipolarplatten können auch Strömungskanäle für ein Kühlfluid umfassen. Beispielsweise kann ein Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenstapel etwa zweihundert oder mehr Bipolarplatten umfassen.
Die Bipolarplatten bestehen typischerweise aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl, Titan, Aluminium, polymeren Kohlenstoffkompositen oder Graphit, etc., so dass sie die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität von einer Zelle zu der nächsten Zelle und aus dem Stapel heraus leiten. Metall-Bipolarplatten erzeugen typischerweise ein natürliches Oxid an ihrer Außenfläche, das diese beständig gegenüber Korrosion macht. Jedoch ist diese Oxidschicht nicht leitend und erhöht somit den Innenwiderstand der Brennstoffzelle, wodurch ihre elektrische Leistungsfähigkeit verringert wird. Die Oxidschicht kann die Platten häufig auch hydrophober machen.
Wie es in der Technik gut bekannt ist, müssen die Membranen in einer Brennstoffzelle eine gewisse relative Feuchte besitzen, so dass der Ionenwiderstand über die Membran niedrig genug ist, um effektiv Protonen zu leiten. Im Betrieb der Brennstoffzelle kann Feuchtigkeit von den MEAs und externer Befeuchtung in die Anoden- und Kathodenströmungskanäle eintreten. Bei niedrigen Zellenleistungsanforderungen, typischerweise unter 0,2 A/cm², sammelt sich Wasser in den Strömungskanälen an, da der Durchfluss des Reaktandengases zu gering ist, um das Wasser aus den Kanälen zu treiben. Wenn sich das Wasser ansammelt, bildet es Tröpfchen, die sich aufgrund der hydrophoben Beschaffenheit des Plattenmaterials zunehmend ausdehnen. Der Kontaktwinkel der Wassertröpfchen liegt allgemein bei etwa 90°, wobei dies bedeutet, dass sich die Tröpfchenform in den Strömungskanälen im Wesentlichen rechtwinklig zu der Strömung des Reaktandengases befindet. Wenn die Größe der Tröpfchen zunimmt, wird der Strömungskanal geschlossen und das Reaktandengas an andere Strömungskanäle umgelenkt, da die Kanäle zwischen üblichen Einlass- und Auslassverteilern parallel verlaufen. Da das Reaktandengas nicht durch einen mit Wasser blockierten Kanal strömen kann, kann das Reaktandengas das Wasser nicht aus dem Kanal treiben. Diejenigen Bereiche der Membran, die keine Reaktandengase aufgrund einer Blockierung des Kanals aufnehmen, erzeugen keine Elektrizität, was in einer nicht homogenen Verteilung elektrischen Stroms und einer Reduzierung des Gesamtwirkungsgrades der Brennstoffzelle resultiert. Wenn mehr und mehr Strömungskanäle durch Wasser blockiert werden, nimmt die von der Brennstoffzelle erzeugte Elektrizität ab, wobei ein Zellenspannungspotenzial von weniger als 200 mV als ein Zellenausfall betrachtet wird. Da die Brennstoffzellen elektrisch in Reihe geschaltet sind, kann, wenn eine der Brennstoffzellen funktionsunfähig wird, der gesamte Brennstoffzellenstapel funktionsunfähig werden.
ZUSAMMENFASSUNG VON BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht ein Produkt vor, das eine Polymerelektrolytmembran, eine Elektrode über der Membran, eine Gasdiffusionsmediumschicht über der Elektrode und eine hydrophile Schicht über der Gasdiffusionsmediumschicht umfasst.
Andere beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
1 ein Produkt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
2 ein Schaubild der Stromdichte und Zellenspannung gegenüber der Zeit ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Bezug nehmend auf 1 umfasst eine Ausführungsform der Erfindung ein Produkt 10, das eine Brennstoffzelle 12 aufweist. Die Brennstoffzelle 12 weist eine erste Brennstoffzellenbipolarplatte 14 auf, die eine erste Seite 16 besitzt, die ein darin durch eine Vielzahl von Stegen 18 und Kanälen 20 definiertes Reaktandengasströmungsfeld besitzt. Das Reaktandengasströmungsfeld kann einen Brennstoff an eine Seite der Bipolarplatte und ein Oxidationsmittel an die andere Seite der Bipolarplatte liefern. Die Brennstoffzelle 12 weist eine zweite Brennstoffzellenbipolarplatte 22 auf, die eine erste Seite 24 aufweist, die ein darin durch eine Vielzahl von Stegen 26 und Kanälen 28 definiertes Reaktandengasströmungsfeld besitzt. Die Stege 18 oder 26 und Kanäle 20 oder 28 können in der Bipolarplatte 14 oder 22 durch maschinelles Bearbeiten, Ätzen, Prägen bzw. Stanzen, Formgebung oder dergleichen geformt werden. Zwischen der ersten Brennstoffzellenbipolarplatte 14 und der zweiten Brennstoffzellenbipolarplatte 22 kann ein nachgiebige bzw. weiche Teile umfassender Abschnitt 30 vorgesehen sein. Die erste Brennstoffzellenbipolarplatte 14 und die zweite Brennstoffzellenbipolarplatte 22 können eine Vielzahl von Materialien aufweisen, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, ein Metall, eine Metalllegierung und/oder einen elektrisch leitenden Komposit. Bei einer Ausführungsform können die erste Brennstoffzellenbipolarplatte 14 und die zweite Brennstoffzellenbipolarplatte 22 rostfreier Stahl sein.
Der nachgiebige Abschnitt 30 kann eine Polymerelektrolytmembran 32 mit einer ersten Seite 34 und einer zweiten Seite 36 aufweisen. Über der ersten Seite 34 der Polymerelektrolytmembran 32 kann eine Kathodenelektrode 38 liegen. Eine erste Gasdiffusionsmediumschicht 40 kann über der Kathodenelektrode 38 liegen, und optional dazu kann eine erste mikroporöse Schicht 42 zwischen der ersten Gasdiffusionsmediumschicht 40 und der Kathodenelektrode 38 angeordnet sein. Die erste Gasdiffusionsmediumschicht 40 kann hydrophob sein. Die erste Brennstoffzellenbipolarplatte 14 kann über der ersten Gasdiffusionsmediumschicht 40 liegen. Bei einer Ausführungsform kann eine erste hydrophile Schicht 44 zwischen der ersten Brennstoffzellenbipolarplatte 14 und der ersten Gasdif fusionsmediumschicht 40 angeordnet sein. Die erste hydrophile Schicht 44 kann von der ersten Bipolarplatte 14 getrennt sein und kann unter den darin geformten Stegen 18 und Kanälen 20 liegen.
Die erste hydrophile Schicht 44 kann ein hydrophiles, elektrisch leitendes Material sein, das in der Brennstoffzellenumgebung stabil ist. Die erste hydrophile Schicht 44 kann ein Kohlenstoffgewebe oder eine Kohlenstoffmatte sein. Die erste hydrophile Schicht 44 muss nicht mit einem hydrophoben Material behandelt sein. Bei einer Ausführungsform kann die erste hydrophile Schicht 44 ein Kohlenstoffgewebe sein, das 203,2 μm (8 mil) dick ist. Bei einer anderen Ausführungsform kann die erste hydrophile Schicht 44 ein nicht tefloniertes Kohlepapier oder Gasdiffusionsmedium sein, das für eine Hydrophilie chemisch oder physikalisch behandelt ist. Chemische Verfahren umfassen die Erzeugung polarer Funktionsgruppen an der Kohlepapieroberfläche unter Verwendung von Oxidationsmitteln, wie Chromsäure, Kaliumpermanganat oder Salpetersäure. Alternativ dazu kann das Papier unter Verwendung physikalischer Verfahren behandelt werden, wie eine durch offenes Plasma bzw. Atmosphärenplasma unterstützte physikalische Dampfphasenabscheidung bzw. Physical Vapor Deposition oder eine ionenstrahlunterstützte Physical Vapor Deposition ("IBAPVD" von ion beam assisted physical vapor deposition). Bei einer Ausführungsform kann die Dicke der ersten hydrophilen Schicht 44 im Bereich von etwa 25,4 μm bis etwa 203,2 μm (etwa 1 bis etwa 8 mil) liegen. Die hydrophile Schicht 44 kann eine Porosität im Bereich von 30 bis 90% besitzen. Andere Eigenschaften oder Charakteristiken der hydrophilen Schicht 44 umfassen eine gute Wärmeleitfähigkeit sowie gute mechanische Eigenschaften, um die Kompressionsdrücke auszuhalten, die während des Brennstoffzellenstapelbetriebs auf das Papier aufgebracht werden. Bei einer Ausführungsform bildet das Wasser entlang den die Kanäle 20 definierenden Oberflächen nahe den Stegen 18 keine Tröpf chen, und es kann die Tendenz bestehen, dass das Wasser innerhalb der Kanäle 20 auf eine Weise strömt, die ähnlich dazu ist, wenn die Kanäle 20 eine hydrophile Beschichtung besitzen.
Eine Anodenelektrode 46 kann unter der zweiten Seite 36 der Polymerelektrolytmembran 32 liegen. Eine zweite Gasdiffusionsmediumschicht 48 kann unter der Anodenschicht 46 liegen, und optional dazu kann eine zweite mikroporöse Schicht 50 zwischen der zweiten Gasdiffusionsmediumschicht 48 und der Anodenelektrode 46 angeordnet sein. Die zweite Gasdiffusionsmediumschicht 48 kann hydrophob sein. Die zweite Brennstoffzellenbipolarplatte 22 kann über der zweiten Gasdiffusionsmediumschicht 48 liegen. Bei einer Ausführungsform kann eine zweite hydrophile Schicht 52 zwischen der zweiten Brennstoffzellenbipolarplatte 22 und der zweiten Gasdiffusionsmediumschicht 48 angeordnet sein. Die zweite hydrophile Schicht 52 kann von der zweiten Bipolarplatte 22 getrennt sein und kann über den darin geformten Stegen 26 und Kanälen 28 liegen.
Die zweite hydrophile Schicht 52 kann ein hydrophiles, elektrisch leitendes Material sein, das in der Brennstoffzellenumgebung stabil ist. Die zweite hydrophile Schicht 52 kann im Wesentlichen identisch zu der ersten hydrophilen Schicht 44 sein. Bei einer Ausführungsform bildet das Wasser entlang der die Kanäle 28 definierenden Oberflächen nahe den Stegen 26 keine Tröpfchen, und es kann die Tendenz bestehen, dass Wasser innerhalb der Kanäle 28 auf eine Weise strömt, die ähnlich der ist, wie es strömen würde, wenn die Kanäle 28 eine hydrophile Beschichtung besitzen.
Die erste hydrophile Schicht 44 und die zweite hydrophile Schicht 52 können zu einem besseren Leistungsverhalten der Brennstoffzelle durch Wassermanagement beitragen. Die Bildung von Wasser innerhalb einer Brennstoffzelle kann zu einem signifikanten Leistungsverlust durch eine so genannte Niedrigleistungsstabilität (LPS von "low power stability") führen. Die LPS wird durch die Ansammlung von Wasser innerhalb der Strömungsfeldkanäle der Bipolarplatten bewirkt. Dieses Wasser verhindert, dass die reaktiven Gase die Katalysatorschichten an der Membranelektrodenanordnung erreichen, und führt daher zu signifikanten Massentransportbeschränkungen. Die hydrophilen Schichten 44 und 52 können das LPS-Problem lösen. Die hydrophilen Schichten 44 und 52 können bewirken, dass das Wasser innerhalb der Kanäle 20 und 28 anstelle von Wassertröpfchen einen Film bildet, so dass das Wasser die Kanäle 20 und 28 nicht signifikant blockiert. Die hydrophilen Schichten 44 und 52 können den Kontaktwinkel des Wassers, das sich in den Kanälen 20 und 28 ansammeln kann, verringern, so dass das Reaktandengas bei niedrigen Lasten durch die Kanäle 20 und 28 strömen kann.
Bei einem Experiment wurde ein Kohlenstoffgewebe mit einer Dicke von 203,2 μm (8 mil) auf einer Platte aus rostfreiem Stahl angeordnet und Wasser wurde auf ein Ende der Platte getropft und die Strömung des Wassers beobachtet. Das Wasser strömte innerhalb der Kanäle auf eine Weise, die identisch zu der ist, wenn die Kanäle der Platte mit hydrophilen silicabasierten Beschichtungen beschichtet sind, beispielsweise kolloidale Silica-Partikel, wie Nano-x, sowie dampfabgeschiedenes Silica. Jedoch ist die Erfindung nicht auf Ausführungsformen beschränkt, um eine derartige Leistungsfähigkeit zu erreichen.
Bei einem weiteren Experiment wurde ein Test mit einer einzelnen Brennstoffzelle unter Verwendung von Poco-Graphitplatten und einer Membranelektrodenanordnung Gore 5720 durchgeführt, wobei das Kohlenstoffgewebe mit einer Dicke von 203,2 μm (8 mil) zwischen das Gasdiffusionsme dium und die Poco-Graphitplatte auf der Anodenseite der Zelle eingesetzt wurde. Der Test wurde bei einer relativen Feuchte von 100% sowie einem Gegendruck von 0,4826 bar Überdruck (7 psig) an sowohl der Kathoden- als auch der Anodenseite durchgeführt. Die Stromdichte wurde geändert und die Zellenspannung wurde aufgezeichnet, um jeglichen Leistungsabbau über die Zeit zu überwachen. 2 zeigt die Stromdichte sowie die Zellenspannung in Abhängigkeit der Zeit. Die Zelle lief über drei Tage, ohne dass eine Änderung der Leistungsfähigkeit oder ein Fluten während des Tests beobachtet wurde, was angibt, dass die hydrophile Matte das Verhalten des Gasdiffusionsmediums auf der Anodenseite nicht störte. Das Experiment zeigt auch, dass die hydrophile Matte oder Schicht ein Wassermanagement innerhalb der Brennstoffzellenumgebung ohne Bedarf nach einer hydrophilen Beschichtung auf den Bipolarplatten verbessert.
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Polymerelektrolytmembran 32 eine Vielzahl verschiedener Membrantypen umfassen. Die Polymerelektrolytmembran 32, die bei verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung anwendbar ist, kann ein ionenleitendes Material sein. Beispiele geeigneter Membranen sind in den U.S.-Patenten Nr. 4,272,353 sowie 3,134,689 wie auch in dem Journal of Power Sources, Band 28 (1990), Seiten 367-387 offenbart. Derartige Membranen sind auch als Ionentauscherharzmembranen bekannt. Die Harze umfassen Ionengruppen in ihrer polymeren Struktur; eine Ionenkomponente davon ist von der Polymermatrix fixiert oder gehalten, und zumindest eine weitere Ionenkomponente stellt ein mobiles austauschbares Ion dar, das der fixierten Komponente elektrostatisch zugeordnet ist. Die Fähigkeit zum Austausch des mobilen Ions unter geeigneten Bedingungen gegen andere Ionen verleiht diesen Materialien Ionentauschercharakteristiken.
Die Ionentauscherharze können durch Polymerisieren einer Mischung von Ingredienzien hergestellt werden, von denen eines einen Ionenbestandteil enthält. Eine breite Klasse von protonenleitenden Kationentauscherharzen stellt das so genannte Sulfonsäurekationentauscherharz dar. In den Sulfonsäuremembranen sind die Kationentauschergruppen Sulfonsäuregruppen, die an der Polymerhauptkette angebracht sind.
Die Formung dieser Ionentauscherharze in Membranen oder Rinnen ist dem Fachmann gut bekannt. Der bevorzugte Typ ist ein Elektrolyt aus perfluoriertem Sulfonsäurepolymer, bei dem die gesamte Membranstruktur Ionentauschercharakteristiken besitzt. Diese Membranen sind kommerziell erhältlich, und ein typisches Beispiel einer kommerziell erhältlichen protonenleitenden sulfonierten Perfluorkohlenwasserstoffmembran wird von E. I. DuPont D Nemours & Company mit der Handelsbezeichnung NAFION vertrieben. Andere derartige Membranen sind von Asahi Glass und Asahi Chemical Company erhältlich. Die Verwendung anderer Typen von Membranen, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, perfluorierten Kationentauschermembranen, kohlenwasserstoffbasierten Kationentauschermembranen wie auch Anionentauschermembranen liegt ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung.
Bei einer Ausführungsform kann die erste Gasdiffusionsmediumschicht 40 oder die zweite Gasdiffusionsmediumschicht 48 ein beliebiges elektrisch leitendes, poröses Material enthalten. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Gasdiffusionsmediumschicht nicht verwobenes Kohlefaserpapier oder verwobenes Kohlenstoffgewebe aufweisen, das mit einem hydrophoben Material behandelt sein kann, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, Polymere aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), Fluorethylenpropylen oder Polytetrafluorethylen (PTFE). Die Gasdiffusionsmediumschicht kann eine durchschnittliche Porengröße im Bereich von 5–40 Mikrometer besitzen. Die Gasdiffusionsmediumschicht kann eine Dicke im Bereich von etwa 100 bis etwa 500 Mikrometer aufweisen. Bei einer Ausführungsform können die Elektroden (Kathodenschicht und Anodenschicht) Katalysatorschichten sein, die Katalysatorpartikel, wie Platin, sowie ein ionenleitendes Material enthalten können, wie ein protonenleitendes Ionomer, das mit den Partikeln vermischt ist. Das protonenleitende Material kann ein Ionomer sein, wie ein perfluoriertes Sulfonsäurepolymer. Die Katalysatormaterialien können Metalle, wie Platin, Palladium, und Mischungen aus Metallen enthalten, wie Platin und Molybdän, Platin und Kobalt, Platin und Ruthenium, Platin und Nickel, Platin und Zinn, andere Platin-Übergangsmetall-Legierungen und andere Brennstoffzellenelektrokatalysatoren, wie in der Technik bekannt ist. Die Katalysatormaterialien können gegebenenfalls fein geteilt sein. Die Katalysatormaterialien können ungestützt sein oder können auf einer Vielzahl von Materialien getragen sein, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, fein geteilte Kohlenstoffpartikel.
Bei einer Ausführungsform können die Kathodenelektrode 38 und die Anodenelektrode 46 Katalysatorschichten sein, die Katalysatorpartikel, wie Platin, und ein ionenleitendes Material enthalten können, wie ein protonenleitendes Ionomer, das mit den Partikeln vermischt ist. Das protonenleitende Material kann ein Ionomer sein, wie ein perfluoriertes Sulfonsäurepolymer. Die Katalysatormaterialien können Metalle, wie Platin, Palladium, und Mischungen aus Metallen umfassen, wie Platin und Molybdän, Platin und Kobalt, Platin und Ruthenium, Platin und Nickel, Platin und Zinn, andere Platin-Übergangsmetall-Legierungen sowie andere Brennstoffzellenelektrokatalysatoren, wie in der Technik bekannt ist. Die Katalysatormaterialien können gegebenenfalls fein geteilt sein. Die Katalysatormaterialien können ungestützt sein oder können auf einer Vielzahl von Materialien getragen sein, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, fein geteilte Kohlenstoffpartikel.
Bei einer Ausführungsform kann die erste mikroporöse Schicht 42 oder die zweite mikroporöse Schicht 50 aus Materialien, wie Rußen, und hydrophoben Bestandteilen bestehen, wie Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyvinylidenfluorid (PVDF) und kann eine Dicke im Bereich von etwa 2 bis etwa 100 Mikrometer aufweisen. Bei einer Ausführungsform kann die mikroporöse Schicht eine Vielzahl von Partikeln, beispielsweise einschließlich graphitisierten Kohlenstoffs, sowie einen Binder aufweisen. Bei einer Ausführungsform kann der Binder ein hydrophobes Polymer, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, Polyvinylidenfluorid (PVDF), Fluorethylenpropylen (FEP), Polytetrafluorethylen (PTFE) oder andere organische oder anorganische hydrophobe Materialien aufweisen. Die Partikel und der Binder können in einer flüssigen Phase enthalten sein, die beispielsweise eine Mischung aus einem organischen Lösemittel und Wasser sein kann, um eine Dispersion bereitzustellen. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das Lösemittel zumindest eines aus 2-Propanol, 1-Propanol oder Ethanol, etc. enthalten. Die Dispersion kann auf ein Brennstoffzellensubstrat, wie eine Gasdiffusionsmediumschicht oder eine hydrophobe Beschichtung über der Gasdiffusionsmediumschicht aufgebracht werden. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Dispersion auf eine Elektrode aufgebracht werden. Die Dispersion kann getrocknet werden (durch Verdunstung des Lösemittels) und die resultierende getrocknete mikroporöse Schicht kann 60–90 Gewichtsprozent Partikel und 10–40 Gewichtsprozent Binder aufweisen. Bei verschiedenen anderen Ausführungsformen kann der Binder im Bereich von 10–30 Gewichtsprozent der getrockneten mikroporösen Schicht liegen.
Wenn die Begriffe "über", "darüber liegend", "liegt darüber" oder "darunter", "darunter liegend", "liegt darunter" hier bezüglich der relativen Position einer ersten Komponente oder Schicht bezüglich einer zweiten Komponente oder Schicht verwendet sind, soll dies bedeuten, dass die erste Komponente oder Schicht in direktem Kontakt mit der zweiten Komponente oder Schicht steht, oder dass zusätzliche Schichten oder Komponenten zwischen der ersten Komponente oder Schicht und der zweiten Komponente oder Schicht angeordnet sein können.
Die obige Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen nicht als Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.
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 4272353 [0022]
- US 3134689 [0022]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Journal of Power Sources, Band 28 (1990), Seiten 367-387 [0022]

Claims

Produkt, umfassend: eine Polymerelektrolytmembran, die eine erste Seite und eine zweite Seite umfasst; eine Kathodenelektrode über der ersten Seite der Polymerelektrolytmembran; eine erste Gasdiffusionsmediumschicht über der Kathodenelektrode; eine erste hydrophile Schicht über der ersten Gasdiffusionsmediumschicht; eine Anodenelektrode über der zweiten Seite des Polymerelektrolyten; eine zweite Gasdiffusionsmediumschicht über der Anodenelektrode; und eine zweite hydrophile Schicht über der zweiten Gasdiffusionsmediumschicht.
Produkt nach Anspruch 1, ferner mit einer ersten mikroporösen Schicht über der Kathodenelektrode.
Produkt nach Anspruch 1, ferner mit einer zweiten mikroporösen Schicht über der Anodenelektrode.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die Dicke der ersten hydrophilen Schicht etwa 25,4 bis etwa 203,2 μm (etwa 1 bis etwa 8 mil) beträgt.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die Dicke der zweiten hydrophilen Schicht etwa 25,4 bis etwa 203,2 μm (etwa 1 bis etwa 8 mil) beträgt.
Produkt nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine erste Brennstoffzellenbipolarplatte, die eine erste Seite und ein in der ersten Seite definiertes Reaktandengasströmungsfeld umfasst, wobei das Reaktandengasströmungsfeld eine Vielzahl von Stegen und Kanälen umfasst, wobei die erste Brennstoffzellenbipolarplatte über der ersten hydrophilen Schicht liegt; und eine zweite Brennstoffzellenbipolarplatte, die eine erste Seite und ein in der ersten Seite definiertes Reaktandengasströmungsfeld umfasst, wobei das Reaktandengasströmungsfeld eine Vielzahl von Stegen und Kanälen umfasst, wobei die zweite Brennstoffzellenbipolarplatte über der zweiten hydrophilen Schicht liegt.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die erste hydrophile Schicht ein Kohlenstoffgewebe, eine Kohlenstoffmatte oder ein chemisch oder physikalisch abgewandeltes, nicht tefloniertes Gasdiffusionsmedium umfasst.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die zweite hydrophile Schicht ein Kohlenstoffgewebe, eine Kohlenstoffmatte oder ein chemisch oder physikalisch abgewandeltes, nicht tefloniertes Gasdiffusionsmedium umfasst.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die erste hydrophile Schicht eine Dicke von etwa 25,4 bis etwa 203,2 μm (etwa 1 bis etwa 8 mil) besitzt.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die zweite hydrophile Schicht eine Dicke von etwa 25,4 bis etwa 203,2 μm (etwa 1 bis etwa 8 mil) besitzt.
Produkt nach Anspruch 6, wobei die erste Brennstoffzellenbipolarplatte und die zweite Brennstoffzellenbipolarplatte ein Metall, eine Metalllegierung oder einen Komposit umfassen.
Produkt nach Anspruch 6, wobei die erste Brennstoffzellenbipolarplatte und die zweite Brennstoffzellenbipolarplatte rostfreien Stahl umfassen.
Produkt, umfassend: eine Polymerelektrolytmembran; eine Elektrode über der Membran; eine Gasdiffusionsmediumschicht über der Elektrode; und eine hydrophile Schicht über der Gasdiffusionsmediumschicht.
Verfahren, umfassend, dass: eine Polymerelektrolytmembran bereitgestellt wird, die eine erste Seite und eine zweite Seite umfasst; eine Kathodenelektrode über der ersten Seite der Polymerelektrolytmembran bereitgestellt wird; eine erste Gasdiffusionsmediumschicht über der Kathodenelektrode bereitgestellt wird; eine erste hydrophile Schicht über der ersten Gasdiffusionsmediumschicht bereitgestellt wird; eine Anodenelektrode über der zweiten Seite des Polymerelektrolyten bereitgestellt wird; eine zweite Gasdiffusionsmediumschicht über der Anodenelektrode bereitgestellt wird; und eine zweite hydrophile Schicht über der zweiten Gasdiffusionsmediumschicht bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend, dass eine erste mikroporöse Schicht über der Kathodenelektrode bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend, dass eine zweite mikroporöse Schicht über der Anodenelektrode bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Dicke der ersten hydrophilen Schicht etwa 25,4 bis etwa 203,2 μm (etwa 1 bis etwa 8 mil) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Dicke der zweiten hydrophilen Schicht etwa 25,4 bis etwa 203,2 μm (etwa 1 bis etwa 8 mil) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend, dass: eine erste Brennstoffzellenbipolarplatte über der ersten hydrophilen Schicht bereitgestellt wird, wobei die erste Brennstoffzellenbipolarplatte eine erste Seite und ein in der ersten Seite definiertes Reaktandengasströmungsfeld umfasst, wobei das Reaktandengasströmungsfeld eine Vielzahl von Stegen und Kanälen umfasst; und eine zweite Brennstoffzellenbipolarplatte über der zweiten hydrophilen Schicht bereitgestellt wird, wobei die zweite Brennstoffzellenbipolarplatte eine erste Seite sowie ein in der ersten Seite definiertes Reaktandengasströmungsfeld umfasst, wobei das Reaktan dengasströmungsfeld eine Vielzahl von Stegen und Kanälen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die erste hydrophile Schicht ein Kohlenstoffgewebe, eine Kohlenstoffmatte oder ein chemisch oder physikalisch abgewandeltes, nicht tefloniertes Gasdiffusionsmedium umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die zweite hydrophile Schicht ein Kohlenstoffgewebe, eine Kohlenstoffmatte oder ein chemisch oder physikalisch abgewandeltes, nicht tefloniertes Gasdiffusionsmedium umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die erste hydrophile Schicht eine Dicke von etwa 25,4 bis etwa 203,2 μm (etwa 1 bis etwa 8 mil) besitzt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die zweite hydrophile Schicht eine Dicke von etwa 25,4 bis etwa 203,2 μm (etwa 1 bis etwa 8 mil) besitzt.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die erste Brennstoffzellenbipolarplatte und die zweite Brennstoffzellenbipolarplatte ein Metall, eine Metalllegierung oder einen Komposit umfassen.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die erste Brennstoffzellenbipolarplatte und die zweite Brennstoffzellenbipolarplatte rostfreien Stahl umfassen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Bereitstellen einer ersten hydrophilen Schicht und das Bereitstellen einer zweiten hydrophilen Schicht ein Behandeln umfasst, um ein nicht tefloniertes Kohlepapier oder Gasdiffusionsmedium hydrophil zu machen.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das Behandeln zur Herstellung von Hydrophilie umfasst, dass polare Funktionsgruppen an der Kohlepapier- oder Gasdiffusionsmediumoberfläche erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei das Erzeugen polarer funktionaler Gruppen unter Verwendung eines Oxidationsmittels erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Oxidationsmittel Chromsäure, Kaliumpermanganat und/oder Salpetersäure umfasst.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das Behandeln zur Herstellung von Hydrophilie eine durch offenes Plasma bzw. Atmosphärenplasma unterstützte physikalische Dampfphasenabscheidung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das Behandeln zur Herstellung von Hydrophilie eine ionenstrahlunterstützte physikalische Dampfphasenabscheidung umfasst.