DE102009035312A1

DE102009035312A1 - Gasdiffusionsschicht mit geringerem Gasdiffusionsvermögen

Info

Publication number: DE102009035312A1
Application number: DE102009035312A
Authority: DE
Inventors: Chunxin Ji; Christian Wieser; Mark Mathias; Paul D. Nicotera
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-08-04
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2010-02-25
Anticipated expiration: 2029-07-31
Also published as: US20100028750A1; DE102009035312B4; CN101662031A

Abstract

Eine Gasdiffusionsschicht zur Verwendung in Brennstoffzellen umfasst eine gasdurchlässige Diffusionsstruktur und eine mikroporöse Schicht. Die mikroporöse Schicht beinhaltet eine Vielzahl von Partikeln mit anisotroper Form, die gleichzeitig die Porosität der mikroporösen Schicht verringern und die Tortuosität für den Gastransport durch die mikroporöse Schicht hindurch erhöht. Die anisotropen Partikel in der mikroporösen Schicht sind in einer ersten Menge vorhanden, sodass die Gasdiffusionsschicht einen erhöhten Gastransport-Widerstand aufweist.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich in zumindest einer Ausführungsform auf Gasdiffusionsschichten mit erhöhtem Gasdiffusions-Widerstand zur Verwendung in Brennstoffzellen.
2. Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik
Brennstoffzellen werden als eine elektrische Leistungsquelle in vielen Anwendungen eingesetzt. Im Speziellen werden Brennstoffzellen zur Verwendung in Kraftfahrzeugen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen. In Brennstoffzellen vom Protonenaustauschmembran(„PEM” von Proton exchange membrane)-Typ wird Wasserstoff (H₂) als Brennstoff der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und Sauerstoff wird als das Oxidationsmittel der Kathode zugeführt. Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O₂) oder von Luft (einem Gemisch aus O2 und N2) vorhanden sein. PEM-Brennstoffzellen weisen typischerweise eine Membranelektrodenanordnung („MEA” von membrane electrode assembly) auf, in der eine feste Polymermembran einen Anoden-Katalysator auf einer Fläche und einen Kathoden-Katalysator auf der gegenüberliegenden Fläche aufweist. Die MEA ist zwischen einem Paar poröser Gasdiffusionsschichten („GDL” von gas diffusion layers) angeordnet, die wiederum zwischen einem Paar nicht poröser, elektrisch leitfähiger Elemente oder Platten angeordnet sind. Diese Platten fungieren als Stromabnehmer für die Anode und die Kathode und enthalten geeignete Kanäle und Öffnungen, die darin ausgebildet sind, um die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathoden-Katalysatoren zu verteilen. Um effizient Elektrizität zu erzeugen, muss die Polymerelektrolytmembran einer PEM-Brennstoffzelle dünn, chemisch stabil, protonendurchlässig, elektrisch nicht leitfähig und gasundurchlässig sein. In typischen Anwendungen sind Brennstoffzellen in Anordnungen von vielen einzelnen Brennstoffzellenstapeln vorgesehen, um hohe elektrische Leistungsniveaus bereitzustellen.
Gasdiffusionsschichten spielen in PEM-Brennstoffzellen eine multifunktionale Rolle. Zum Beispiel dienen GDLs als Diffusoren für Reaktandengase, die zu den Anoden- und Kathodenschichten gelangen, während sie Produktwasser zu dem Strömungsfeld transportieren. GDLs leiten auch Elektronen und übertragen Wärme, die an der MEA erzeugt wird, auf das Kühlmittel und dienen als Pufferschicht zwischen der weichen MEA und den steifen bipolaren Platten. Von diesen Funktionen ist das Wassermanagementvermögen von GDLs kritisch, um die höchste Brennstoffzellenleistung zu ermöglichen. Anders ausgedrückt würde eine ideale GDL in der Lage sein, das überschüssige Produktwasser von einer Elektrode während nasser Betriebsbedingungen oder bei hohen Stromdichten zu entfernen, um ein Fluten zu vermeiden und auch einen gewissen Grad an Membranelektrolyt-Hydratation bzw. -Befeuchtung aufrechtzuerhalten, um während trockener Betriebsbedingungen eine ordentliche Protonenleitfähigkeit zu erhalten. Die feste Elektrolytmembran (z. B. Nafion^®), die in PEM-Brennstoffzellen verwendet wird, muss befeuchtet werden, um einen gewissen Grad an Hydratation aufrechtzuerhalten und eine gute Protonenleitfähigkeit bereitzustellen. PEMs auf Kohlenwasserstoffbasis, die immer beliebter als ein alternativer Festelektrolyt für Brennstoffzellenanwendungen werden, haben das Potenzial kostengünstiger und günstiger (keine Freisetzung von Fluor) im Vergleich zu der festen Elektrolytmembran auf Fluorpolymerbasis wie z. B. Nafion zu sein. Die bis dato entwickelten festen Elektrolytmembranen auf Kohlenwasserstoffbasis benötigen einen höheren Grad an Hydratation, um eine ordentliche Protonenleitfähigkeit zu erzielen.
Für PEM-Brennstoffzellen, die auf Kraftfahrzeuganwendungen abzielen, ist ein trockenerer stationärer Betriebszustand zu bevorzugen, was ein gutes Wasserrückhaltevermögen der GDL erfordert, um einen gewissen Grad an Membranhydratation aufrechtzuerhalten. Die Brennstoffzellen in Kraftfahrzeuganwendungen werden auch nassen Betriebsbedingungen während des Starts, Ausschaltens und in einer Umgebung unter Null Grad ausgesetzt sein.
Es besteht daher Bedarf an einer GDL, die in der Lage ist, für eine optimale Funktion der Brennstoffzelle etwas Produktwasser unter trockenen Betriebsbedingungen zurückzuhalten und überschüssiges Produktwasser während nasser Betriebsbedingungen zu entfernen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung überwindet ein oder mehrere Probleme des Standes der Technik, indem sie in zumindest einer Ausführungsform eine Gasdiffusionsschicht vorsieht, die in Brennstoffzellenanwendungen von Nutzen ist. Die Gasdiffusionsschicht dieser Ausführungsform ist zwischen einer Elektrode (Anode und/oder Kathode) und einem Strömungsfeld in einer Brennstoffzelle positionierbar. Die Gasdiffusionsschicht dieser Ausführungsform umfasst ein gasdurchlässiges Diffusionssubstrat und eine mikroporöse Schicht, die über dem gasdurchlässigen Diffusionssubstrat angeordnet ist. Die mikroporöse Schicht umfasst feine Kohlenpulver und eine Vielzahl von Partikeln, die innerhalb der Kohlenstoffpulver verteilt sind. Die Vielzahl von Partikeln beeinflusst den Gastransport-Widerstand über die Gasdiffusionsschicht hinweg. Der Einschluss von Partikeln innerhalb der mikroporösen Schicht erhöht die Gastortuosität bzw. -gewundenheit für ein sich darin bewegendes Gas wie z. B. Wasserdampf, wodurch der Gastransport-Widerstand erhöht wird. Demgemäß wird in einer Variante herkömmliches Kohlefaserpapier als das gasdurchlässige Diffusionssubstrat verwendet, um dadurch die gewünschten mechanischen Eigenschaften solcher Materialien zu bewahren.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle vorgesehen, welche die Diffusionsschichten der Erfindung beinhaltet. In diesen Brennstoffzellen ist die Diffusionsschicht zwischen dem Anoden-Strömungsfeld und der Anodenschicht und/oder zwischen dem Kathoden-Strömungsfeld und der Kathodenschicht positioniert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Darstellung einer Brennstoffzelle, die die Gasdiffusionsschicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet;
2 ist ein schematischer Querschnitt einer Variante der Gasdiffusionsschicht der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine Tabelle, die Formulierungen für eine Kontrollprobe und eine graphitische, Flocken enthaltende Testprobe vorsieht;
4 sieht Diagramme der Spannung, aufgetragen gegen die Stromdichte, unter nassen Bedingungen für Zellen vor, welche diese GDLs beinhalten; und
5 sieht Diagramme der Spannung, aufgetragen gegen die Stromstärke, unter trockenen Bedingungen für Zellen vor, welche diese GDLs beinhalten.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform/en
Nunmehr wird im Detail Bezug auf zur Zeit bevorzugte Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung genommen, welche die besten Arten, die Erfindung praktisch umzusetzen, darstellen, die den Erfindern derzeit bekannt sind. Die Fig. sind nicht unbedingt maßstabgetreu. Es ist jedoch einzusehen, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt sein kann. Daher sind hierin offenbarte Einzelheiten nicht als einschränkend, sondern rein als eine repräsentative Basis für jeden Aspekt der Erfindung und/oder als eine repräsentative Basis, um einem Fachmann zu vermitteln, wie er die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise einsetzen kann, zu betrachten.
Außer in den Beispielen, oder wo anderweitig ausdrücklich angegeben, sind alle numerischen Größen in der Beschreibung, die Mengen bzw. Beträge von Reaktions- und/oder Gebrauchsmaterial oder -bedingungen angeben, so zu verstehen, dass sie durch das Wort „etwa” zur Beschreibung des Schutzumfanges im weitesten Sinne der Erfindung modifiziert sind. Die Praxis innerhalb der angegebenen numerischen Grenzen wird allgemein bevorzugt. Außerdem, wenn nicht ausdrücklich das Gegenteil ange geben wird: sind Prozent, „Teile von” und Verhältniswerte pro Gewicht; umfasst der Begriff „Polymer” „Oligomer”, „Copolymer”, „Terpolymer” und dergleichen; impliziert die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien als geeignet oder bevorzugt für einen gegebenen Zweck in Verbindung mit der Erfindung, dass Mischungen aus zwei oder mehreren der Mitglieder der Gruppe oder Klasse gleichermaßen geeignet oder bevorzugt sind; bezieht sich die Beschreibung von Bestandteilen in chemischer Hinsicht auf die Bestandteile zum Zeitpunkt der Zugabe zu einer beliebigen Kombination, die in der Beschreibung angegeben ist, und schließt nicht notwendigerweise chemische Wechselwirkungen zwischen den Bestandteilen einer Mischung, sobald sie gemischt ist, aus; trifft die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung auf alle nachfolgenden Verwendungen derselben Abkürzung hierin zu und ist sinngemäß auf die normalen grammatikalischen Varianten der anfänglich definierten Abkürzung anzuwenden; und, wenn nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben wird, wird die Messung einer Eigenschaft durch dieselbe Technik bestimmt, wie zuvor oder später für dieselbe Eigenschaft angeführt.
Es ist auch einzusehen, dass die Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsformen und Verfahren beschränkt ist, die unten stehend beschrieben sind, da spezifische Komponenten und/oder Bedingungen selbstverständlich variieren können. Des Weiteren wird die hierin verwendete Terminologie nur zum Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet, und soll in keiner Weise einschränkend sein.
Es ist auch anzumerken, dass, wie in der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendet, die Einzahlform „ein/e/s” und „der/die/das” die Mehrzahlformen umfassen, es sei denn, der Kontext bringt deutlich das Gegenteil zum Ausdruck. Zum Beispiel soll die Bezugnahme auf eine Komponente in der Einzahl eine Vielzahl von Komponenten umfassen.
In der gesamten Anmeldung sind, wenn auf Publikationen verwiesen wird, die Offenbarungsgehalte dieser Publikationen hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in dieser Anmeldung aufgenommen, um den Stand der Technik, auf den sich die Erfindung bezieht, umfassender zu beschreiben.
In zumindest einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Diffusionsschicht vorgesehen, die zwischen einer Elektrode und einem Strömungsfeld in einer PEM-Brennstoffzelle positionierbar ist. Unter Bezugnahme auf 1 ist eine perspektivische Darstellung einer Brennstoffzelle vorgesehen, welche die Diffusionsschicht der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet. Die PEM-Brennstoffzelle 10 umfasst Gasdiffusionsschichten 12, 14. Die Gasdiffusionsschicht 12 ist zwischen einem Anoden-Strömungsfeld 16 und einer Anodenschicht 18 positioniert, während die Gasdiffusionsschicht 14 zwischen einem Kathoden-Strömungsfeld 20 und einer Kathodenschicht 22 positioniert ist.
Unter Bezugnahme auf 2 ist ein schematischer Querschnitt einer Variante der Gasdiffusionsschichten der vorliegenden Erfindung vorgesehen. Eine oder beide der Gasdiffusionsschichten 12, 14 umfassen ein gasdurchlässiges Diffusionssubstrat 28 und eine mikroporöse Schicht 30, die über dem gasdurchlässigen Diffusionssubstrat angeordnet ist. In einer Variante der vorliegenden Erfindung besitzt ein gasdurchlässiges Diffusionssubstrat eine Dicke zwischen etwa 50 Mikrometer und 500 Mikrometer. Die mikroporöse Schicht besitzt eine Dicke zwischen 10 Mikrometer und 100 Mikrometer und kann entweder eine eigenständige Schicht auf dem Substrat bilden oder in ein gasdurchlässiges Substrat eindringen. Die mikroporöse Schicht 30 umfasst einen feinen Kohlenstoffpulverabschnitt 32 und eine Vielzahl von darin verteilten Partikeln 34 auf. Die Vielzahl von Partikeln 34 verringert das verfügbare Volumen oder die Querschnittsfläche (d. h. verringert die Porosität) und vergrößert die Distanz, welche die Gase, die sich durch den feinen Pulverabschnitt 34 bewegen, überqueren müssen (d. h. erhöht die Tortuosität), wie durch die Richtungen d₁, d₂ und d₃ angegeben. Diese Distanzen sind vergrößert, da die Gase notgedrungen nichtlineare Wege verwenden, um durch die mikroporöse Schicht 30 hindurch zu gelangen.
In einer Variante der vorliegenden Ausführungsform ist die Vielzahl von Partikeln 34 in einer solchen Menge vorhanden, dass der Gastransport-Widerstand im Vergleich zum Stand der Technik deutlich erhöht ist. Der Gastransport-Widerstand kann sowohl durch die Menge der Partikel als auch die Form oder Geometrie der Partikel variiert werden. Der Einschluss einer Vielzahl von Partikeln 34 in der mikroporösen Schicht 30 verringert die Porosität (d. h. das Porenvolumen) der Gasdiffusionsschichten und erhöht die Tortuosität (d. h. die effektive Porenlänge) dieser Schichten, wobei beide Effekte eine Erhöhung des Diffusionstransport-Widerstandes zur Folge haben.
Die Gasdiffusionsschicht 12 umfasst typischerweise zusätzlich zu einer Vielzahl von Partikeln 34 ein Gasdiffusionssubstrat 28 und eine mikroporöse Schicht 30, die in den üblichen Gasdiffusionsschichten nach dem Stand der Technik anzutreffen sind. Zum Beispiel kann das gasdurchlässige Diffusionssubstrat 28 elektrisch leitfähige vliesartige Textilien oder ein elektrisch leitfähiges Papier oder elektrisch leitfähige gewebte Textilien oder Gewebe umfassen. Speziellere Beispiele für das gasdurchlässige Diffusionssubstrat 28 umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Kohlefaserpapier oder kohlenstoffimprägniertes Gewebe. Der Gastransport- Widerstand von Toray^® TGP-H-060 Kohlefaserpapier, welches etwa 180 Mikrometer dick ist, liegt bei etwa 0,1 s/cm bei 100 kPa und 80°C, wie in dem US-Patent Nr. 7 157 178 dargelegt. Der gesamte Offenbarungsgehalt dieses Patents ist hiermit durch Bezugnahme aufgenommen.
In einer Variante der vorliegenden Ausführungsform umfasst die mikroporöse Schicht 30 ein Kohlenstoffpulver und ein Fluorkohlenstoff-Polymerbindemittel. Beispiele von geeigneten Fluorkohlenstoff-Polymerbindemitteln umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Fluorpolymere wie z. B. Polytetrafluorethylen („PTFE”), fluoriertes Ethylenpropylen („FEP”) und Kombinationen davon.
Wie oben dargelegt, umfasst die mikroporöse Schicht 30 eine Vielzahl von verteilten Partikeln. Typischerweise umfasst zumindest ein Teil der Vielzahl von Partikeln dreidimensionale Objekte mit einer plattenartigen Form. In einer Variante der vorliegenden Ausführungsform umfasst zumindest ein Teil der Vielzahl von Partikeln elektrisch leitfähige Flocken. In einer weiteren Verfeinerung dieser Variante besitzen die elektrisch leitfähigen Flocken eine größte Abmessung von etwa 0,1 Mikrometer bis etwa 50 Mikrometer. In einer weiteren Verfeinerung dieser Ausführungsform besitzen die elektrisch leitfähigen Flocken eine kleinste Abmessung von etwa 1 Mikrometer bis etwa 5 Mikrometer. In einer noch weiteren Verfeinerung der vorliegenden Ausführungsform besitzen die elektrisch leitfähigen Flocken eine größte Abmessung von etwa 5 Mikrometer bis etwa 15 Mikrometer. Beispiele für verwendbare leitfähige Flocken umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Graphitflocken.
Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ist eine Brennstoffzelle vorgesehen, welche die oben dargelegten Diffusionsschichten der Erfindung beinhaltet. Die Brennstoffzelle 10 dieser Ausführungsform umfasst ein Ano dengas-Strömungsfeld 16, welches typischerweise einen oder mehrere Kanäle 60 zum Einleiten eines ersten Gases in die Brennstoffzelle 10 umfasst. Eine Anoden-Diffusionsschicht 12 ist über dem Anodengas-Strömungsfeld 16 angeordnet, während eine Anoden-Katalysatorschicht 18 über der Anoden-Diffusionsschicht 12 angeordnet ist. Eine ionenleitfähige Polymermembran 62 ist über der Anoden-Katalysatorschicht 18 angeordnet. Eine Kathodenschicht 22 ist über der ionenleitfähigen Polymermembran 62 angeordnet. Die Kathoden-Diffusionsschicht 14 ist über der Kathodenschicht 22 angeordnet. Schließlich ist ein Kathodengas-Strömungsfeld 20 über der Kathoden-Diffusionsschicht 14 angeordnet. Das Kathodengas-Strömungsfeld 20 umfasst einen oder mehrere Kanäle 66 zum Einleiten eines zweiten Gases in die Brennstoffzelle 10. Zumindest eine von der Anoden-Diffusionsschicht 12 oder der Kathoden-Diffusionsschicht 14 umfasst eine gasdurchlässige Diffusionsstruktur 26 und die mikroporöse Schicht 30. Wie oben dargelegt, ist die mikroporöse Schicht 30 über dem gasdurchlässigen Diffusionssubstrat angeordnet, wobei eine Vielzahl von Partikeln 34 darin verteilt ist. Die Details des Gasdiffusionssubstrats 28, der mikroporösen Schicht 30 und der Vielzahl von Partikeln 34 sind dieselben wie oben dargelegt.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann wird viele Varianten erkennen, die innerhalb des Geistes der vorliegenden Erfindung und des Schutzumfanges der Ansprüche liegen.
Eine Kontrollprobe und eine Graphitflocken enthaltende Testprobe werden wie folgt hergestellt (siehe Tabelle 1 in 3). Graphitflocken mit einer Mediangröße von 7 bis 70 μm werden von VWR International besorgt. In Übereinstimmung mit dem einstufigen Sinterverfahren, welches in dem US-Patent Nr. 7 063 913 B2 beschrieben ist, wird ein Toray TGP-H-060 Kohlepapiersubstrat zuerst in eine 3%ige verdünnte Daikin D2C-Dispersion getaucht und dann unter einer IR-Lampe bei etwa 64°C getrocknet, um ein hydrophobes Toray-Substrat zu bilden. Die gemessene PTFE-Aufnahme beträgt etwa 12,9 Gew.-%. Das hydrophobe Toray-Substrat wird mit einer mikroporösen Schicht mit 68,7% Acetylenruß, 25,1% PTFE-Bindemittel und 6,2% Graphitflocken beschichtet und dann 20 Minuten lang bei etwa 380°C gesintert. Diese Kontrollprobe, die keine Graphitflocken in der mikroporösen Schicht (75% Acetylenruß und 25% PTFE) enthält, wird auf analoge Weise hergestellt. Beide Endbeschichtungen wiesen eine gemessene Belegung von 1 mg/cm² auf.
Die Leistung einer GDL mit und ohne Graphitflocken in der MPL unter sowohl nassen als auch trockenen Betriebsbedingungen wird bewertet, wie in den 4 und 5 gezeigt. 4 sieht Diagramme der Spannung, aufgetragen gegen die Stromdichte, unter nassen Bedingungen für Wasserstoff-Luft-Brennstoffzellen vor, welche diese GDLs beinhalten. 5 sieht Diagramme der Spannung, aufgetragen gegen die Stromdichte, unter trockenen Bedingungen für Zellen vor, welche diese GDLs beinhalten. Unter nassen Betriebsbedingungen ist die Leistung einer Testprobe, welche Graphitflocken umfasst, etwas schlechter als bei einer Kontrollprobe, welche keine Graphitflocken bei 2 A/cm² umfasst. Allerdings liegt die Leistung beider Zellen bis zu Stromstärken von etwa 1,5 A/cm² eng beieinander. Im trockeneren Betriebszustand ist die Leistung einer Testprobe, welche Graphitflocken umfasst, besser als bei der Kontrollprobe. Für den nassen Testzustand betragen der Anoden- und Kathodengasdruck und die relative Feuchte 270 kPa abs. und 100% an den Einlässen und die Zellentemperatur beträgt 60°C. Für den trockenen Testzustand betragen der Gasdruck und die relative Feuchte 101 kPa abs. und 40% an den Einlässen und die Zellentemperatur beträgt 70°C. Für beide Testzustände wurden die Reaktandenstöchiometrien für H₂ und O₂ bei 2 gehalten.
Während Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurden, ist nicht vorgesehen, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung veranschaulichen und beschreiben. Vielmehr ist der in der Beschreibung verwendete Wortlaut ein beschreibender Wortlaut und keine Einschränkung, und es ist einzusehen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
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 7157178 [0021]
- US 7063913 B2 [0026]

Claims

Gasdiffusionsschicht zur Verwendung in einer Brennstoffzelle, welche ein Strömungsfeld, eine ionenleitfähige Membran und eine Elektrode umfasst, wobei die Gasdiffusionsschicht umfasst: ein gasdurchlässiges Diffusionssubstrat; und eine mikroporöse Schicht, die über dem gasdurchlässigen Diffusionssubstrat angeordnet ist, wobei die mikroporöse Schicht Kohlenstoffpulver und eine Vielzahl von Partikeln umfasst, die darin verteilt sind, wobei das Vorhandensein der Vielzahl von Partikeln den Gastransport-Widerstand über die mikroporöse Schicht hinweg variiert, wobei die Diffusionsschicht zwischen der Elektrode und dem Strömungsfeld positionierbar ist.
Diffusionsschicht nach Anspruch 1, wobei der Gastransport-Widerstand auf Grund des Vorhandenseins der Vielzahl von Partikeln erhöht ist.
Diffusionsschicht nach Anspruch 1, wobei das gasdurchlässige Diffusionssubstrat elektrisch leitfähige vliesartige Textilien oder ein elektrisch leitfähiges Papier oder gewebte Textilien oder Gewebe umfasst.
Diffusionsschicht nach Anspruch 1, wobei das gasdurchlässige Diffusionssubstrat eine Dicke zwischen etwa 50 Mikrometer und 500 Mikrometer aufweist.
Diffusionsschicht nach Anspruch 1, wobei das gasdurchlässige Diffusionssubstrat ein Kohlefaserpapier oder ein kohlenstoffimprägniertes Gewebe umfasst.
Diffusionsschicht nach Anspruch 1, wobei die mikroporöse Schicht ein Kohlenstoffpulver und ein Fluorkohlenstoff-Polymerbindemittel umfasst.
Diffusionsschicht nach Anspruch 6, wobei das Fluorkohlenstoff-Polymerbindemittel eine Komponente umfasst, die aus der Gruppe gewählt ist, welche aus Polytetrafluorethylen, fluoriertem Ethylenpropylen und Kombinationen davon besteht.
Diffusionsschicht nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Anteil der Vielzahl von Partikeln dreidimensionale Objekte umfasst, die eine plattenartige Form mit bestimmten Aspektverhältnissen aufweisen.
Diffusionsschicht nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Anteil der Vielzahl von Partikeln elektrisch leitfähige Flocken umfasst.
Kathodendiffusionsschicht nach Anspruch 9, wobei die elektrisch leitfähigen Flocken Graphitflocken umfassen.
Kathodendiffusionsschicht nach Anspruch 9, wobei die elektrisch leitfähigen Flocken eine größte Abmessung von etwa 0,1 Mikrometer bis etwa 50 Mikrometer aufweisen.
Diffusionsschicht nach Anspruch 9, wobei die elektrisch leitfähigen Flocken eine kleinste Abmessung von etwa 1 Mikrometer bis etwa 5 Mikrometer aufweisen.
Kathodendiffusionsschicht nach Anspruch 9, wobei die elektrisch leitfähigen Flocken eine größte Abmessung von etwa 5 Mikrometer bis etwa 15 Mikrometer aufweisen.
Brennstoffzelle, welche umfasst: ein Anodengas-Strömungsfeld mit einem oder mehreren Kanälen zum Einleiten eines ersten Gases in die Brennstoffzelle; eine Anoden-Diffusionsschicht, die über dem Anodengas-Strömungsfeld angeordnet ist; eine Anoden-Elektrodenschicht, die über der Anoden-Diffusionsschicht angeordnet ist; eine ionenleitfähige Polymermembran, die über der Anoden-Elektrodenschicht angeordnet ist; eine Kathoden-Elektrodenschicht, die über der ionenleitfähigen Polymermembran angeordnet ist; eine Kathoden-Diffusionsschicht, die über der Kathoden-Elektrodenschicht angeordnet ist; ein Kathodengas-Strömungsfeld mit einem oder mehreren Kathodenplattenkanälen zum Einleiten eines zweiten Gases in die Brennstoffzelle, wobei das Kathoden-Strömungsfeld über der Kathoden-Diffusionsschicht angeordnet ist, wobei zumindest eine von der Anoden-Diffusionsschicht oder der Kathoden-Diffusionsschicht umfasst: ein gasdurchlässiges Diffusionssubstrat; und eine mikroporöse Schicht, die über dem gasdurchlässigen Diffusionssubstrat angeordnet ist, wobei die mikroporöse Schicht eine Vielzahl von darin verteilten Partikeln umfasst und die Vielzahl von Partikeln den Gastransport-Widerstand über die Gasdiffusionsschicht hinweg erhöht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei das gasdurchlässige Diffusionssubstrat vliesartige Textilien oder ein Papier oder gewebte Textilien oder Gewebe umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei das gasdurchlässige Diffusionssubstrat eine Dicke zwischen etwa 50 Mikrometer und 500 Mikrometer aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei die mikroporöse Schicht ein Kohlenstoffpulver und ein Fluorkohlenstoff-Polymerbindemittel umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei das Fluorkohlenstoff-Polymerbindemittel eine Komponente umfasst, die aus der Gruppe gewählt ist, welche aus Polytetrafluorethylen, fluoriertem Ethylenpropylen und Kombinationen davon besteht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei zumindest ein Anteil der Vielzahl von Partikeln dreidimensionale Objekte umfasst, die eine plattenartige Form aufweisen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei zumindest ein Anteil der Vielzahl von Partikeln elektrisch leitfähige Flocken umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 20, wobei die elektrisch leitfähigen Flocken Graphitflocken umfassen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 20, wobei die elektrisch leitfähigen Flocken eine größte Abmessung von etwa 0,1 Mikrometer bis etwa 50 Mikrometer aufweisen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 20, wobei die elektrisch leitfähigen Flocken eine kleinste Abmessung von etwa 1 Mikrometer bis etwa 5 Mikrometer aufweisen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 20, wobei die elektrisch leitfähigen Flocken eine größte Abmessung von etwa 5 Mikrometer bis etwa 15 Mikrometer aufweisen.
Brennstoffzelle, welche umfasst: ein Anodengas-Strömungsfeld mit einem oder mehreren Kanälen zum Einleiten eines ersten Gases in die Brennstoffzelle; eine Anoden-Diffusionsschicht, die über dem Anodengas-Strömungsfeld angeordnet ist; eine Anoden-Elektrodenschicht, die über der Anoden-Diffusionsschicht angeordnet ist; eine ionenleitfähige Polymermembran, die über der Anoden-Elektrodenschicht angeordnet ist; eine Kathoden-Elektrodenschicht, die über der ionenleitfähigen Polymermembran angeordnet ist; eine Kathoden-Diffusionsschicht, die über der Kathoden-Elektrodenschicht angeordnet ist; ein Kathodengas-Strömungsfeld mit einem oder mehreren Kathodenplattenkanälen zum Einleiten eines zweiten Gases in die Brennstoffzelle, wobei das Kathoden-Strömungsfeld über der Kathoden-Diffusionsschicht angeordnet ist, wobei die Anoden-Diffusions schicht und die Kathoden-Diffusionsschicht jeweils unabhängig umfassen: ein gasdurchlässiges Diffusionssubstrat; und eine mikroporöse Schicht, die über dem gasdurchlässigen Diffusionssubstrat angeordnet ist, wobei die mikroporöse Schicht eine Vielzahl von darin verteilten Partikeln umfasst und die Vielzahl von Partikeln den Gastransport-Widerstand über die Gasdiffusionsschicht hinweg erhöht.