DE102010002392A1

DE102010002392A1 - Gasdiffusionsschicht für Brennstoffzellenanwendungen

Info

Publication number: DE102010002392A1
Application number: DE102010002392A
Authority: DE
Inventors: Bo Ki Hong; Kook Il Han
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2011-06-09
Also published as: US20140162167A1; KR20110062552A; US10511043B2; CN102088096A; CN102088096B; KR101481187B1; US20110136044A1; US10431838B2

Abstract

Eine Gasdiffusionsschicht (GDL) für Brennstoffzellenanwendungen, die verhindern kann, dass in Kanäle einer Bipolarplatte eingedrungen wird. Die Gasdiffusionsschicht wird durch Schneiden eines GDL-Materials mit einem bestimmten Winkel hergestellt, so dass eine Maschinenrichtung der inhärenten hohen Steifigkeit des GDL-Materials nicht parallel zu einer Hauptströmungsfeldrichtung einer Bipolarplatte verläuft, um die GDL-Intrusion in die Kanäle der Bipolarplatte zu verhindern, ohne ein bestehendes Verfahren zum Herstellen der Gasdiffusionsschicht zu verändern. Mit der Gasdiffusionsschicht kann die elektrochemische Leistung der Brennstoffzelle verbessert werden und ein Herstellungsprozess kann sogar in dem Fall verbessert werden, wo die Weite des gerollten GDL-Materials gering ist.

Description

HINTERGRUND
(a) Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasdiffusionsschicht (GDL) für Brennstoffzellenanwendungen, welche arbeitet um Wasser als ein Produkt einer elektrochemischen Reaktion in einem Brennstoffzellenstapel ausströmen zu lassen und um Elektronen zu übertragen.
(b) Hintergrund des Standes der Technik
Im Allgemeinen wird eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) als Brennstoffzelle für ein Fahrzeug verwendet. Die PEMFC sollte in der Lage sein, über einen großen Stromdichtebereich stabil zu arbeiten, so dass sie normalerweise eine Höchstleistung von wenigstens einigen Zehn kW unter verschiedenen Betriebszuständen des Fahrzeugs aufweist [S. Park, J. Lee und B. N. Popov, J. Power Sources, 177, 457 (2008)].
Die Brennstoffzelle erzeugt Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff. Wasserstoff, der einer Anode als Oxidationselektrode der Brennstoffzelle zugeführt wird, wird in Protonen (oder Wasserstoffionen) und Elektronen getrennt. Die Protonen werden zu einer Kathode als Reduktionselektrode durch eine Polymerelektrolytmembran übertragen und die Elektronen werden zu der Kathode durch eine externe Schaltung übertragen. An der Kathode reagieren die Protonen und Elektronen mit Sauerstoff enthaltender Luft um Elektrizität und Wärme zu erzeugen und um gleichzeitig Wasser als Nebenprodukt der Reaktion zu erzeugen.
Wenn eine geeignete während der elektrochemischen Reaktion erzeugte Wassermenge in der Brennstoffzelle vorhanden ist, führt sie die Funktion zum Beibehalten der Feuchtigkeit einer Membranelektrodenanordnung (100) aus. Wenn eine übermäßige Wassermenge vorhanden ist und nicht in geeigneter Weise abgeführt wird, tritt jedoch ein Überflutungsphänomen bei einer hohen Stromdichte auf und das überlaufende Wasser hindert die gasförmigen Reaktionspartner daran, dass sie der Brennstoffzelle wirksam zugeführt werden, was zu einer Erhöhung des Spannungsverlusts führt.
Die Funktionen der von der Brennstoffzelle umfassten Gasdiffusionsschicht werden nun ausführlich beschrieben.
1 zeigt ein schematisches Diagramm, das den Aufbau einer Elementarzelle einschließlich der Gasdiffusionsschichten darstellt.
Die Gasdiffusionsschicht ist an die Außenfläche an jede der Katalysatorschichten angebracht, die beide Seiten einer Polymerelektrolytmembran der Elementarzelle für eine Oxidationselektrode und eine Reduktionselektrode beschichten. Die Gasdiffusionsschichten arbeitet um gasförmige Reaktionspartner wie zum Beispiel Wasserstoff und Luft (Sauerstoff) zuzuführen, durch die elektrochemische Reaktion erzeugte Elektronen zu übertragen und durch die Reaktion erzeugtes Wasser abzuführen um das Überflutungsphänomen zu minimieren.
Typischerweise weist eine handelsübliche Gasdiffusionsschicht einen dualen Schichtaufbau einschließlich einer mikroporösen Schicht (MPL) mit einer Porengröße von weniger als 1 μm auf, wenn sie durch Quecksilberintrusion gemessen wird und einem makroporösen Substrat (oder Unterschicht) mit einer Porengröße von 1 bis 300 μm [X. L. Wang, H. M. Zhang, J. L. Zhang, H. F. Xu, Z. Q. Tian, J. Chen, H. X. Zhong, Y. M. Lang, B. L. Yi, Electrochimica Acta, 51, 4909 (2006)].
Die mikroporöse Schicht der Gasdiffusionsschicht wird durch Mischen von Kohlenstoffpulver wie zum Beispiel Acetylenruß und Black Pearl Carbon mit einem hydrophoben Mittel wie zum Beispiel Polytetrafluorethylen (PTFE) und Beschichten des Gemisches auf eine oder beide Seiten des makroporösen Substrats gebildet.
Unterdessen besteht das makroporöse Substrat der Gasdiffusionsschicht im Allgemeinen aus Kohlefaser und einem hydrophoben Mittel wie zum Beispiel PTFE und kann aus Kohlefasergewebe, Kohlefaserfilz oder Kohlefaserpapier gebildet werden [S. Escribano, J. Blachot, J. Etheve, A. Morin, R. Mosdale, J. Power Sources, 156, 8 (2006); M. F. Mathias, J. Roth, J. Fleming und W. Lehnert, Handbook of Fuel Celss-Fundamentals, Technology and Appliactions, Vol. 3, Ch. 42, John Wiley & Sons (2003)].
Es ist notwendig, den strukturellen Aufbau der Gasdiffusionsschicht für Brennstoffzellenanwendungen zu optimieren, so dass die Gasdiffusionsschicht eine angemessene Leistung gemäß ihrer Anwendungsbereiche und Betriebszustände bereitstellt. Im Allgemeinen wird bei der Bildung der Gasdiffusionsschicht für Brennstoffzellenanwendungen der Kohlefaserfilz oder das Kohlefaserpapier dem Kohlefasergewebe vorgezogen, da der Kohlefaserfilz und Kohlefaserpapier hervorragende Eigenschaften wie zum Beispiel Eigenschaften der gasförmigen Reaktionspartner und der Produktwasserabführung, der Druckeigenschaften und Handlingeigenschaften aufweisen.
Darüber hinaus weist die Gasdiffusionsschicht eine bedeutende Wirkung auf die Leistung der Brennstoffzelle gemäß komplexen und verschiedenen strukturellen Unterschieden wie zum Beispiel der Dicke, der Gaspermeabilität, der Verdichtbarkeit, des Hydrophobiegrades, dem Aufbau der Kohlefaser, der Verteilung der Porigkeit/Poren, der Gewundenheit der Poren, des elektrischen Widerstands und der Biegesteifigkeit auf. Insbesondere ist es bekannt, dass es einen bedeutsamen Unterschied in der Leistung im Massentransportbereich gibt ( Japanese Patent No. 3331703 B2 ).
Mit der Kommerzialisierung der Brennstoffzelle gab es vor kurzem bei der umfassenden Forschung und Entwicklung der Massenherstellung der Gasdiffusionsschicht als ein Kernbestandteil der Brennstoffzelle weitere Fortschritte. Die Gasdiffusionsschicht sollte eine überragende Leistung in der Brennstoffzelle bereitstellen und sollte einen geeigneten Steifigkeitsgrad aufweisen um hervorragende Handlingeigenschaften bereitzustellen, wenn einige hundert Zellen in dem Brennstoffzellenstapel montiert werden. Wenn die Steifigkeit der Gasdiffusionsschicht in der Rollrichtung des GDL-Materials sehr hoch ist, ist es schwierig, das GDL-Material für einen Transport und eine Lagerung zu rollen, und somit wird die Massenproduktivität verringert. Darüber hinaus kann gemäß früheren Berichten, wenn die Steifigkeit der Gasdiffusionsschicht in der Brennstoffzelle wie in 2 gezeigt unzureichend ist, die Gasdiffusionsschicht 106 in Strömungsfeldkanäle 202 einer Bipolarplatte (oder einem Separator) während der Montage der Brennstoffzelle eindringen (was mit ”GDL-Intrusion” bezeichnet wird) [Iwao Nitta, Tero Hottinen, Olli Himanen, Mikko Mikkola, J. Power Sources, 171, 26(2007); Yeh-Hung Lai, Pinkhas A. Rapaport, Chunxin Ji, Vinod Kumar, J. Power Sources, 184, 120 (2008); J. Kleemann, F. Finsterwalder, W. Tillmetz, J. Power Sources, 190, 92 (2009); M. F. Mathias, J. Roth, M. K. Budinski, US 7,455,928 B2 ; T. Kawashima, T. Osumi, M. Teranishi, T. Sukawa, US 2008/0113243 A1 ].
Wenn die GDL-Intrusion in die Strömungsfeldkanäle der Bipolarplatte (200) auftritt, wird der Raum verringert, der für ein Übertragen von gasförmigen Reaktionspartnern und von Produktwasser benötigt wird, und der Kontaktwiderstand zwischen der Gasdiffusionsschicht (106), den Rippen oder Stegen (204) der Bipolarplatte und der Polymerelektrolytmembranelektrodenanordnung (100) wird erhöht, was eine signifikante Verschlechterung der Brennstoffzellenleistung verursacht.
Da das Phänomen der GDL-Intrusion in enger Beziehung mit dem Strömungsfeldaufbau der Bipolarplatte steht, ist es von Bedeutung, den Strömungsfeldaufbau in geeigneter Weise zu konstruieren und die mechanischen Eigenschaften der Gasdiffusionsschicht wie zum Beispiel die Biegesteifigkeit zu erhöhen, um damit eine exzellente Brennstoffzellenleistung zu erreichen.
Typischerweise besteht die Bipolarplatte der Brennstoffzelle aus einem Hauptströmungsfeld und einem Nebenströmungsfeld und es ist erforderlich die Gasdiffusionsschicht am Eindringen in die Kanäle in der Hauptströmungsfeldrichtung zu hindern. Zu diesem Zweck ist es von Bedeutung, die Steifigkeit der Gasdiffusionsschicht zu erhöhen, die in Richtung der Weite (W) eher als in Richtung der Länge (L) ausgerichtet ist, welche sich parallel zu der Hauptströmungsfeldrichtung befindet. Andererseits, wenn die Gasdiffusionsschicht mit einer niedrigen Steifigkeit in Richtung der Weite des Hauptströmungsfeldes der Bipolarplatte wie in 2 gezeigt ausgerichtet ist, wird die GDL-Intrusion in das Hauptströmungsfeld der Bipolarplatte erhöht.
Um dieses Phänomen zu lösen ist es möglich, die inhärenten anisotropen Eigenschaften der Gasdiffusionsschicht zu verwenden.
Das heißt, in der aus Kohlefaserfilz oder Kohlefaserpapier als Träger gebildeten Gasdiffusionsschicht wird eine größere Menge an Kohlefasern während der Bildung in die Maschinenrichtung ausgerichtet, und somit weist die Gasdiffusionsschicht in der Maschinenrichtung mechanische Eigenschaften wie zum Beispiel eine Biegesteifigkeit, eine Zugspannung etc. auf. die höher sind als jene in der Querrichtung der Maschine (cross-machine direction – CMD) oder der quer verlaufenden Richtung (transverse direction – TD).
Daher ist es typisch, dass die Maschinenrichtung des gerollten GDL-Materials auf die hohe Steifigkeitsrichtung ausgerichtet ist und die Querrichtung der Maschine auf die niedrige Steifigkeitsrichtung ausgerichtet ist.
Üblicherweise wird die Gasdiffusionsschicht durch absichtliches Anordnen von Kohlefasern hergestellt, die eine größere Länge oder Durchmesser in der Querrichtung der Maschine durch ein bestimmtes Verfahren oder durch Einbringen eines metallverstärkten Materials aufweisen, um die Steifigkeit der Gasdiffusionsschicht in Richtung der Weite des Hauptströmungsfeldes der Bipolarplatte zu erhöhen, um somit die Gasdiffusionsschicht am Eindringen in die Kanäle (202) der Bipolarplatte zu hindern. Außerdem wird die Gasdiffusionsschicht durch Anordnen von Kohlefasern hergestellt, die eine geringere Länge oder Durchmesser in der Maschinenrichtung aufweisen, um das Rollen des GDL-Materials zu erleichtern, und um die Flexibilität zu erreichen, die für das Rollen benötigt wird [M. F. Mathias, J. Roth, M. K. Budinski, US 7,455,928 B2 ]. Jedoch weist dieses Verfahren Probleme auf, so dass es notwendig ist, dieses Verfahren durch Hinzufügen eines komplizierten Prozesses zu dem typischen Verfahren zum Herstellen der Gasdiffusionsschicht zu verändern, und insbesondere wenn ein anderes metallverstärktes Material eingeführt wird, kann es eine Menge an Problemen wie zum Beispiel eine schlechte Mischbarkeit mit der Gasdiffusionsschicht, eine ungleichmäßige Qualität etc. verursachen.
Gemäß weiteren aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Verhindern der GDL-Intrusion unter Verwendung anisotroper Eigenschaften von gewebtem Kohlefasergewebe sind die physikalischen Eigenschaften und Handlingeigenschaften des Gewebes unzureichend, und somit ist es schwierig, dieses Verfahren zu verwenden, um die Gasdiffusionsschicht für Brennstoffzellenanwendungen in Fahrzeugen herzustellen [T. Kawashima, T. Osumi, M. Teranishi, T. Sukawa, US 2008/0113243 A1 ].
Demzufolge sind die früher vorgeschlagenen Verfahren zum Verhindern der GDL-Intrusion in die Strömungsfeldkanäle der Bipolarplatte im Allgemeinen nachteilig in Bezug auf eine Massenherstellung, welche für die Kommerzialisierung von Brennstoffzellenfahrzeugen erforderlich ist.
Die obige in diesem Hintergrundabschnitt offenbarte Information dient nur der Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und kann daher Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der einem Fachmann in diesem Land bereits bekannt ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung ist in dem Bestreben gemacht worden, um die oberhalb beschriebenen mit dem Stand der Technik verbundenen Probleme zu lösen. Demzufolge stellt die vorliegende Erfindung eine Gasdiffusionsschicht (GDL) für Brennstoffzellenanwendungen bereit, welche durch Optimieren eines Prozesses zum Schneiden eines GDL-Materials in eine Größe hergestellt wird, die für einen Brennstoffzellenstapel ohne Verändern eines bestehenden Verfahrens zum Herstellen der Gasdiffusionsschicht geeignet ist. Das heißt, die vorliegende Erfindung stellt eine Gasdiffusionsschicht für Brennstoffzellenanwendungen bereit, welche die Brennstoffzellenleistung durch Erhöhen der Steifigkeit der Gasdiffusionsschicht in einer Richtung der Weite, die sich senkrecht zu einer Hauptströmungsfeldrichtung einer Bipolarplatte befindet, durch Schneiden eines GDL-Materials mit einem bestimmten Winkel verbessert, so dass eine Maschinenrichtung der inhärenten hohen Steifigkeit des GDL-Materials nicht parallel zu der Hauptströmungsfeldrichtung der Bipolarplatte verläuft, um die Gasdiffusionsschicht am Eindringen in Kanäle der Bipolarplatte zu hindern.
In einer Ausgestaltung stellt die vorliegende Erfindung eine Gasdiffusionsschicht (GDL) für Brennstoffzellenanwendungen bereit, wobei die Gasdiffusionsschicht einen dualen Schichtaufbau einschließlich einer mikroporösen Schicht und einem makroporösen Substrat aufweist, in welcher die Steifigkeit in einer Richtung der Weite, die sich senkrecht zu einer Hauptströmungsfeldrichtung einer Bipolarplatte befindet, durch Schneiden eines gerollten Gasdiffusionsschicht-(GDL)Materials mit einem bestimmten Winkel erhöht wird, so dass eine Maschinenrichtung der inhärenten hohen Steifigkeit des GDL-Materials nicht parallel zu der Hauptströmungsfeldrichtung der Bipolarplatte verläuft, um die Gasdiffusionsschicht am Eindringen in die Strömungsfeldkanäle der Bipolarplatte zu hindern.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Gasdiffusionsschicht hergestellt werden durch Schneiden des GDL-Materials mit einem Winkel in einem Bereich von 0° bis 90°, vorzugsweise 25° bis 90°, der durch die Maschinenrichtung der inhärenten hohen Steifigkeit des GDL-Materials und der Hauptströmungsfeldrichtung der Bipolarplatte gebildet wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das gerollte GDL-Material in der Maschinenrichtung eine Taber-Biegesteifigkeit in einem Bereich von 20 bis 150 g_f·cm, vorzugsweise 50 bis 100 g_f·cm aufweisen.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das makroporöse Substrat, welches die Gasdiffusionsschicht bildet, wenigstens von einem gebildet werden, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Kohlefaserfilz und Kohlefaserpapier besteht.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Gasdiffusionsschicht eine Gaspermeabilität von mehr als 0.5 cm³/(cm²·s), vorzugsweise 2.5 cm³/(cm²·s) aufweisen.
Weitere Ausgestaltungen und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend erläutert.
Es ist selbstverständlich, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, plug-in Hybridelektrofahrzeuge, Wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassend (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen ist, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, zum Beispiel sowohl eine Benzinangetriebene und eine elektrisch angetriebene.
Die obigen und weiteren Merkmale der Erfindung werden nachfolgend erläutert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und anderen Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen davon ausführlicher beschrieben, welche durch die beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, und welche im Folgenden nur zur Veranschaulichung dienen, und somit nicht für die vorliegende Erfindung einschränkend sind, und wobei:
1 zeigt ein schematisches Diagramm, das den Aufbau einer Elementarzelle darstellt;
2 zeigt ein schematisches Diagramm, das eine Gasdiffusionsschicht darstellt, welche in Hauptströmungsfeldkanäle einer Bipolarplatte durch Zusammendrücken der Rippen der Bipolarplatte während einer Montage einer Brennstoffzelle eindringt;
3 zeigt ein Diagramm, das ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren zum Herstellen einer Gasdiffusionsschicht und ein Verfahren zum Herstellen einer Gasdiffusionsschicht gemäß der vorliegenden Erfindung vergleicht;
4 zeigt ein schematisches Diagramm, das die Anordnung zwischen einer Hauptströmungsfeldrichtung einer Bipolarplatte und einer Richtung einer hohen Steifigkeit einer Gasdiffusionsschicht während einem Schneiden mit unterschiedlichen Winkeln gemäß einem Verfahren der vorliegenden Erfindung darstellt, in welchem (a) einen Prozess zum Schneiden eines gerollten GDL-Materials mit unterschiedlichen Winkeln mit Bezug auf die hohe Steifigkeit des GDL-Materials (Schnitt mit einem Winkel von 0°) in einer Maschinenrichtung darstellt, und (b) die Anordnung zwischen der Richtung der hohen Steifigkeit einer neuen Gasdiffusionsschicht und der Hauptströmungsfeldrichtung der Bipolarplatte darstellt;
5 zeigt ein schematisches Diagramm, das den Aufbau einer aus dem Stand der Technik bekannten Gasdiffusionsschicht (Schnitt mit einem Winkel von 0°) und einer Gasdiffusionsschicht (Schnitt mit einem Winkel von 90°) der vorliegenden Erfindung vergleicht;
6 zeigt ein schematisches Diagramm, das die Gasdiffusionsschicht darstellt, die für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
7 zeigt einen Graph, der die elektrochemischen Leistungen von 5-Zellen-Stapeln (BP-1) mit Gasdiffusionsschichten (GDL-1) darstellt, die mit Winkeln von 0° und 90° geschnitten werden, in welchem (a) bei einer relativen Feuchtigkeit von 50%/50% gemessen wurde, und (b) bei einer relativen Feuchtigkeit von 100%/100% gemessen wurde;
9 zeigt einen Graph, der die elektrochemischen Leistungen (das heißt Stromdichte bei 0.6 V) von Brennstoffzellenstapeln (BP-1) mit einer Gasdiffusionsschicht (GDL-1) der vorliegenden Erfindung und mit einer Gasdiffusionsschicht (GDL-2) darstellt, welche mit einem Winkel von 90° geschnitten wurden, in welchem (a) bei einer relativen Feuchtigkeit von 50%/50% gemessen wurde, und (b) bei einer relativen Feuchtigkeit von 100%/100% gemessen wurde;
10 zeigt einen Graph, der die elektrochemischen Leistungen von 5-Zellen-Stapeln (BP-2) mit Gasdiffusionsschichten (GDL-1) darstellt, die mit Winkeln von 0°, 45°, 60° und 90° geschnitten werden, in welchem (a) bei einer relativen Feuchtigkeit von 50%/50% gemessen wurde, und (b) bei einer relativen Feuchtigkeit von 100%/100% gemessen wurde; und
11 zeigt ein schematisches Diagramm, das ein Verfahren zum Herstellen einer Gasdiffusionsschicht unter Verwendung eines Prozesses zum Schneiden eines GDL-Materials der vorliegenden Erfindung darstellt, wenn die Weite eines gerollten GDL-Materials geringer als die Größe der Gasdiffusionsschicht ist, in welchem (a) ein Verfahren aus dem Stand der Technik darstellt und (b) das Verfahren der vorliegenden Erfindung darstellt.
Es ist selbstverständlich, dass die beigefügten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgerecht sind, und eine etwas vereinfachte Darstellung von verschiedenen bevorzugten Merkmalen darstellen, welche die Grundsätze der Erfindung veranschaulichen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung wie sie hierin offenbart sind, einschließlich zum Beispiel spezifischer Abmessungen, Orientierungen, Einbauorten, und Formen werden zum Teil durch die eigens dafür vorgesehene Anmeldung und der Arbeitsumgebung bestimmt.
In den Figuren beziehen sich die Bezugszeichen in den einzelnen Figuren der Zeichnungen durchwegs auf gleiche oder ähnliche Teile der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nachstehend wird nun ausführlich Bezug genommen auf die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die Beispiele, welche in den nachfolgend beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind und nachfolgend beschrieben werden. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, ist es selbstverständlich, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu vorgesehen ist, die Erfindung auf jene beispielhafte Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegensatz dazu ist die Erfindung dazu vorgesehen, nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen abzudecken, sondern ebenso verschiedenste Alternativen, Abänderungen, Äquivalente und andere Ausführungsformen, welche innerhalb des Geistes und des Umfangs der Erfindung wie sie in den beigefügten Ansprüchen bestimmt ist, umfasst sein können.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Gasdiffusionsschicht für Brennstoffzellenanwendungen bereit, welche einen dualen Schichtaufbau einschließlich einer mikroporösen Schicht und einem makroporösen Substrat aufweist, und am Eindringen in Strömungsfeldkanäle einer Bipolarplatte gehindert wird, um dadurch überragende Eigenschaften wie zum Beispiel Eigenschaften der Versorgung der gasförmigen Reaktionspartner, der Produktwasserabführung, Elektronenübertragung etc. bereitzustellen.
Im Einzelnen stellt die vorliegende Erfindung eine Gasdiffusionsschicht für Brennstoffzellenanwendungen bereit, welche einen dualen Schichtaufbau einschließlich einer mikroporösen Schicht und einem makroporösen Substrat aufweist, in welcher ein GDL-Material mit einem bestimmten Winkel geschnitten wird, so dass sich eine Maschinenrichtung der inhärenten hohen Steifigkeit eines gerollten GDL-Materials nicht parallel zu einer Hauptströmungsfeldrichtung einer Bipolarplatte befindet, ohne Verändern eines bestehendes Verfahrens zum Herstellen der Gasdiffusionsschicht, um dadurch die Gasdiffusionsschicht am Eindringen in Strömungsfeldkanäle der Bipolarplatte zu hindern.
Die Gasdiffusionsschicht der vorliegenden Erfindung wird hergestellt durch Schneiden eines GDL-Materials mit einem Winkel (θ) in einem Bereich von 0° < θ ≤ 90°, vorzugsweise 25° < θ ≤ 90°, der durch die Maschinenrichtung der inhärenten hohen Steifigkeit des GDL-Materials und der Hauptströmungsfeldrichtung der Bipolarplatte gebildet wird. Hierbei befindet sich die Taber-Biegesteifigkeit des gerollten GDL-Materials in der Maschinenrichtung (d. h. Richtung der hohen Steifigkeit) in einem Bereich von 20 bis 150 g_f·cm, vorzugsweise 50 bis 100 g_f·cm. Der Grund für dies ist, dass falls die Taber-Biegesteifigkeit weniger als 20 g_f·cm beträgt, die Steifigkeit zu gering ist, um als Gasdiffusionsschicht für Brennstoffzellenanwendungen verwendet zu werden, wohingegen, falls sie mehr als 150 g_f·cm beträgt, das GDL-Material zu steif wird, was es schwierig macht das GDL-Material zu rollen, und dadurch die Massenherstellung verringert.
Darüber hinaus weist die Gasdiffusionsschicht der vorliegenden Erfindung eine Gaspermeabilität von mehr als 0.5 cm³/(cm²·s), vorzugsweise 2.5 cm³/(cm²·s) auf. Der Grund für dies ist, dass falls die Gaspermeabilität weniger als 0.5 cm³/(cm²·s) beträgt, die Eigenschaften des Massentransports der Gasdiffusionsschicht in hohem Maße verringert sind.
Indessen kann das makroporöse Substrat, welches die Gasdiffusionsschicht bildet, wenigstens von einem gebildet werden, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Kohlefaserfilz und Kohlefaserpapier besteht.
BEISPIELE
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung und sind nicht dazu vorgesehen dieselben zu beschränken.
In den Beispielen 1 und 2 der vorliegenden Erfindung wurden die Gasdiffusionsschichten 106 durch Schneiden eines GDL-Materials durch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren mit einem bestimmten Winkel hergestellt, um die Steifigkeit der Gasdiffusionsschicht in der Richtung der Weite (W) zu erhöhen, die sich senkrecht zu der Hauptströmungsfeldrichtung der Bipolarplatte wie in 6 gezeigt befindet.
Das GDL-Material wird herkömmlich geschnitten, so dass die hohe Steifigkeit des GDL-Materials in der Maschinenrichtung die Richtung der Länge (L) ist, welche sich parallel zu der Hauptströmungsfeldrichtung der Bipolarplatte befindet (Schneidewinkel: 0°). In der vorliegenden Erfindung wurde das GDL-Material jedoch mit einem Winkel von 90° geschnitten, so dass die hohe Steifigkeit des GDL-Materials in der Maschinenrichtung in der Richtung der Weite des Hauptströmungsfeldes der Bipolarplatte ist, um dadurch die Steifigkeit der Gasdiffusionsschicht in der Richtung der Weite des Hauptströmungsfeldes zu erhöhen.

Es wurden zwei Arten von aus Kohlefaserfilz gebildeten Gasdiffusionsschichten (GDL-1 und GDL-2) in den Beispielen 1 und 2 der vorliegenden Erfindung verwendet, und ihre grundlegenden Eigenschaften sind in der folgenden Tabelle 1 dargestellt. [Tabelle 1]

Physikalische Eigenschaften	Bedingungen der Messung	Einheiten	GDL-1	GDL-2
Schichtdicke	25 kPa	μm	454	302
Taber-Biege-Steifigkeit	Steifigkeitstester: 150-E V-5* Winkel der Messung: 15°	g_f·cm	MD: 65 CMD: 11	MD: 27 CMD: 2
Gaspermeabilität	Gurley	cm³/(cm²·s)	3.7	0.7
*Taber Industries, USA

In Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung wurde GDL-1 mit Winkeln von 45°, 60° und 90° geschnitten, um die Wirkung zum Verbessern der Brennstoffzellenleistung zu vergleichen.
BEISPIELE ZUM VERGLEICH
Wie in 3–5 in den vergleichenden Beispielen gezeigt, wurde das GDL-Material in der Maschinenrichtung in der Richtung der Länge (L) geschnitten, welche parallel zu der Hauptströmungsfeldrichtung der Bipolarplatte verläuft (Schnittwinkel: 0°).
Um die elektrochemischen Leistungen der Gasdiffusionsschicht gemäß den Beispielen und den vergleichenden Beispielen auszuwerten, wurden verschiedenste Bauelemente wie zum Beispiel Polymerelektrolytmembrane, Katalysatorschichten, Anschlussvorrichtungen etc. montiert und in der gleichen Weise beibehalten.
Es wurden zwei Arten von Bipolarplatten (BP-1 und BP-2) mit einem im Wesentlichen gleichen Aufbau verwendet, in welcher BP-1 in den Beispielen 1 und 2 und den vergleichenden Beispielen 1 und 2 verwendet wurde, und BP-2 in Beispiel 3 und im vergleichenden Beispiel 3 verwendet wurde.
Darüber hinaus wurden die elektrochemischen Leistungen der Gasdiffusionsschichten gemäß den Beispielen und vergleichenden Beispielen durch Messen und Vergleichen der Zellpotential-Stromdichte-Polarisationseigenschaften mit Bezug auf einen einzelnen Zellstapel oder einen 5-Zellen-Stapel unter Verwendung einer handelsüblich Ausrüstung ausgewertet.
Die Bedingungen während der Messung der elektrochemischen Leistungen der Brennstoffzellenstapel mit den Gasdiffusionsschichten gemäß den Beispielen und vergleichenden Beispielen waren wie folgt:

– Temperatur an dem Einlass des Brennstoffzellenstapels: 65°C;
– Gasdruck: nahe Umgebungsdruck
– Relative Feuchtigkeit (RH) an der Anode und Kathode: 100%/100% oder 50%/50%; und
– Stöchiometrisches Verhältnis (SR) an der Anode und Kathode: 1.5/2.0

Unter den obigen Bedingungen wurde die Auswertung der elektrochemischen Leistungen der Brennstoffzellenstapel mit den Gasdiffusionsschichten gemäß den Beispielen und vergleichenden Beispielen in der folgenden Art und Weise durchgeführt.
Bei der relativen Feuchtigkeit von 100%/100% oder 50%/50% wurden die elektrochemischen Leistungen der Gasdiffusionsschichten gemäß den Beispielen 1 und 2 der vorliegenden Erfindung und jene der Gasdiffusionsschichten gemäß den vergleichenden Beispielen 1 und 2 unter Standardbetriebsbedingungen verglichen und die Ergebnisse sind in 7 und 8 gezeigt.
Wie in 7 und 8 gezeigt, ist es ersichtlich, dass die elektrochemischen Leistungen der Brennstoffzellenstapel mit den Gasdiffusionsschichten, die mit einem Winkel von 90° gemäß der vorliegenden Erfindung geschnitten wurden, höher waren als jene der Brennstoffzellenstapel mit den Gasdiffusionsschichten, die mit einem Winkel von 0° gemäß dem Stand der Technik geschnitten wurden.
Das heißt, im Fall von GDL-1 ist es ersichtlich, dass wie in 7 gezeigt bei relativen Feuchtigkeiten von 50%/50% und 100%/100% die Stromdichte der Gasdiffusionsschicht, die mit einem Winkel von 90° gemäß dem Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung geschnitten und bei 0.6 V gemessen wurde, um ungefähr 12% beziehungsweise 15% erhöht wurde, verglichen mit der Gasdiffusionsschicht, die mit einem Winkel von 0° gemäß dem vergleichenden Beispiel 1 geschnitten wurde.
Darüber hinaus ist es im Fall von GDL-2 wie in 8 gezeigt ersichtlich, dass bei relativen Feuchtigkeiten von 50%/50% und 100%/100% die Stromdichte der Gasdiffusionsschicht, die die mit einem Winkel von 90° gemäß dem Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung geschnitten und bei 0.6 V gemessen wurde, um ungefähr 18% beziehungsweise 16% erhöht wurde, verglichen mit der Gasdiffusionsschicht, die mit einem Winkel von 0° gemäß dem vergleichenden Beispiel 2 geschnitten wurde.
Es wird wie in 6 gezeigt angenommen, ohne Absicht die Theorie zu begrenzen, dass der Grund für die Verbesserung der Brennstoffzellenleistung der ist, dass die Richtung der hohen Steifigkeit der Gasdiffusionsschichten 106 in der Richtung der Weite (W) entsprechend ausgerichtet war, die sich senkrecht zur Hauptströmungsfeldrichtung der Bipolarplatte 200 befindet, um die GDL-Intrusion in die Strömungsfeldkanäle 202 der Bipolarplatte zu verhindern.
Die elektrochemischen Leistungen (d. h. Stromdichte bei 0.6 V) der Brennstoffzellenstapel mit den Gasdiffusionsschichten GDL-1 und GDL-2 (geschnitten mit einem Winkel von 90°) gemäß den Beispielen 1 und 2 der vorliegenden Erfindung wurden verglichen und die Ergebnisse sind in 9 dargestellt. Wie in der Figur dargestellt ist, ist es ersichtlich, dass die höhere Steifigkeit der Gasdiffusionsschicht zu der Verbesserung der Brennstoffzellenleistung beiträgt, da die Brennstoffzellenleistung von GDL-2 mit einer relativ geringen Biegesteifigkeit ungefähr 72% der Brennstoffzellenleistung von GDL-1 bei allen relativen Feuchtigkeiten von 50%/50% und 100%/100% betrug.
Darüber hinaus wurde die Wirkung der Verbesserung der Brennstoffzellenleistung der Gasdiffusionsschichten GDL-1 ausgewertet, die mit Winkeln von 0°, 45°, 60° und 90° geschnitten wurden und die Ergebnisse sind in 10 dargestellt. Wie in der Figur dargestellt ist, ist es ersichtlich, dass die Brennstoffzellenleistungen der Gasdiffusionsschichten, die mit Winkeln von mehr als 45° geschnitten wurden, auf einen Grad verbessert wurden, der dem der Gasdiffusionsschicht äquivalent war, die mit einem Winkel von 90° bei allen relativen Feuchtigkeiten von 50%/50% und 100%/100% geschnitten wurden.
Dadurch ist es möglich, wenn der Prozess zum Schneiden des GDL-Materials gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, die Gasdiffusionsschicht mit einer verbesserten Biegesteifigkeit einfach herzustellen, welche die GDL-Intrusion in die Hauptströmungsfelder der Bipolarplatte verhindern kann, ohne das bestehende Verfahren zum Herstellen der Gasdiffusionsschicht zu verändern, um dadurch die Brennstoffzellenleistung zu verbessern.
Wie in 11 gezeigt ist es insbesondere schwierig, wenn die Weite des gerollten GDL-Materials gering ist oder wenn die Länge der Gasdiffusionsschicht relativ groß ist, die Gasdiffusionsschicht mit einer gewünschten Größe mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren herzustellen; wenn das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird ist es jedoch möglich, die Gasdiffusionsschicht mit einer Größe herzustellen, die für die gewünschte Anwendung durch Schneiden des GDL-Materials mit verschiedenen Winkeln (z. B. 45°, 60° etc.) geeignet ist.
Wie oberhalb beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung die folgenden Wirkungen bereit.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Brennstoffzelleleistung durch Verändern des Prozesses zum Schneiden des GDL-Materials zu verbessern, um die Biegesteifigkeit der Gasdiffusionsschicht zu erhöhen, welche mit der GDL-Intrusion in Strömungsfeldkanäle der Bipolarplatte in engem Zusammenhang steht, ohne das bestehende Verfahren zum Herstellen der Gasdiffusionsschicht zu verändern.
Die Erfindung wurde mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen davon ausführlich beschrieben. Jedoch ist es für den Fachmann verständlich, dass Änderungen bezüglich dieser Ausführungsformen gemacht werden können, ohne von den Grundsätzen und dem Geist der Erfindung, und dem Umfang abzuweichen, welcher durch die beigefügten Ansprüche und ihren Äquivalenten bestimmt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 3331703 B2 [0012]
US 7455928 B2 [0013, 0020]
US 2008/0113243 A1 [0013, 0021]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

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S. Escribano, J. Blachot, J. Etheve, A. Morin, R. Mosdale, J. Power Sources, 156, 8 (2006); [0010]
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Iwao Nitta, Tero Hottinen, Olli Himanen, Mikko Mikkola, J. Power Sources, 171, 26(2007) [0013]
Yeh-Hung Lai, Pinkhas A. Rapaport, Chunxin Ji, Vinod Kumar, J. Power Sources, 184, 120 (2008) [0013]
J. Kleemann, F. Finsterwalder, W. Tillmetz, J. Power Sources, 190, 92 (2009) [0013]

Claims

Gasdiffusionsschicht (GDL) für Brennstoffzellenanwendungen, wobei die Gasdiffusionsschicht einen dualen Schichtaufbau einschließlich einer mikroporösen Schicht und einem makroporösem Substrat aufweist, in welcher die Steifigkeit in einer Richtung der Weite, die sich senkrecht zu einer Hauptströmungsfeldrichtung einer Bipolarplatte befindet, durch Schneiden eines gerollten Gasdiffusionsschicht-(GDL)Materials mit einem bestimmten Winkel θ erhöht ist, so dass eine Maschinenrichtung der inhärenten hohen Steifigkeit des GDL-Materials nicht parallel zu der Hauptströmungsfeldrichtung der Bipolarplatte verläuft, um die Gasdiffusionsschicht am Eindringen in Strömungsfeldkanäle der Bipolarplatte zu hindern.
Gasdiffusionsschicht für Brennstoffzellenanwendungen nach Anspruch 1, wobei die Gasdiffusionsschicht hergestellt ist durch Schneiden des GDL-Materials mit einem Winkel in einem Bereich von 0° < θ ≤ 90°, der durch die Maschinenrichtung der inhärenten hohen Steifigkeit des GDL-Materials und der Hauptströmungsfeldrichtung der Bipolarplatte gebildet ist.
Gasdiffusionsschicht für Brennstoffzellenanwendungen nach Anspruch 1, wobei die Gasdiffusionsschicht hergestellt ist durch Schneiden des GDL-Materials mit einem Winkel in einem Bereich von 25° < θ ≤ 90°, der durch die Maschinenrichtung der inhärenten hohen Steifigkeit des GDL-Materials und der Hauptströmungsfeldrichtung der Bipolarplatte gebildet ist.
Gasdiffusionsschicht für Brennstoffzellenanwendungen nach Anspruch 1, wobei das gerollte GDL-Material in der Maschinenrichtung eine Taber-Biegesteifigkeit in einem Bereich von 20 bis 150 g_f·cm aufweist.
Gasdiffusionsschicht für Brennstoffzellenanwendungen nach Anspruch 1, wobei das gerollte GDL-Material in der Maschinenrichtung eine Taber-Biegesteifigkeit in einem Bereich von 50 bis 100 g_f·cm aufweist.
Gasdiffusionsschicht für Brennstoffzellenanwendungen nach Anspruch 1, wobei das makroporöse Substrat, welches die Gasdiffusionsschicht bildet, aus Kohlefaserfilz, Kohlefaserpapier oder einer Kombination davon gebildet ist.
Gasdiffusionsschicht für Brennstoffzellenanwendungen nach Anspruch 1, wobei die Gasdiffusionsschicht eine Gaspermeabilität von mehr als 0.5 cm³/(cm²·s) aufweist.
Gasdiffusionsschicht für Brennstoffzellenanwendungen nach Anspruch 1, wobei die Gasdiffusionsschicht eine Gaspermeabilität von mehr als 2.5 cm³/(cm²·s) aufweist.