DE102010035359A1

DE102010035359A1 - Wasserdampf-Transfermembranen auf der Basis von Per-Fluorcyclobutan

Info

Publication number: DE102010035359A1
Application number: DE102010035359A
Authority: DE
Inventors: Sean M. Mackinnon; Timothy J. Fuller; Annette M. Brenner
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2011-05-26
Also published as: US20110053007A1; US8058352B2; CN102005588B; CN102005588A

Abstract

Ein Membranbefeuchtungsaufbau umfasst eine erste Strömungsfeldplatte, welche dafür geeignet ist, das Strömen eines ersten Gases dorthin zu erleichtern, und eine zweite Strömungsfeldplatte, welche dafür geeignet ist, das Strömen eines zweiten Gases dorthin zu erleichtern. Eine Polymermembran ist zwischen dem ersten und zweiten Strömungsfeld angeordnet und dafür geeignet, den Übertritt von Wasser von der ersten Strömungsfeldplatte zu der zweiten Strömungsfeldplatte zuzulassen. Die Polymermembran enthält ein Polymer, welches Perfluorcyclobutylgruppen aufweist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und insbesondere die Befeuchtung von Brennstoffzellen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Brennstoffzellen werden in vielen Anwendungen als elektrische Spannungsquelle verwendet. Insbesondere sind Brennstoffzellen dafür vorgesehen, in Automobilen die Verbrennungsmotoren zu ersetzen. Bei einer verbreitet angewendeten Ausgestaltung der Brennstoffzellen wird eine Membran aus einem festen Polymerelektrolyt (Solid Polymer Electrolyte, „SPE”) oder eine Protonenaustauschmembran (Proton Exchange Membrane, „PEM”) verwendet, um für den Ionentransport zwischen der Anode und der Kathode zu sorgen.
Bei Brennstoffzellen des Protonenaustauschmembran-Typs wird der Anode Wasserstoff als Brennstoff zugeführt, und der Kathode wird Sauerstoff als Oxidationsmittel zugeführt. Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O₂) oder als Luft (Gemisch aus O₂ und N₂) vorliegen. PEM-Brennstoffzellen weisen typischerweise einen Membranelektrodenaufbau („MEA”) auf, bei welchem eine feste Polymermembran auf einer Seite einen Anodenkatalysator und auf der gegenüberliegenden Seite einen Kathodenkatalysator aufweist. Die Anoden- und Kathodenschichten einer typischen PEM-Brennstoffzelle werden aus porösen leitfähigen Materialien gebildet, z. B. aus einem Graphitgewebe, graphitierten Blättern oder Rußpapier, um zu ermöglichen, dass der Brennstoff sich über die Oberfläche der Membran verteilt, die der Brennstoffzufuhrelektrode zugewandt ist. Jede Elektrode weist fein verteilte Katalysatorteilchen (zum Beispiel Platinteilchen) auf, welche auf Kohlenstoffteilchen getragen werden, um die Oxidation von Wasserstoff an der Anode und die Reduktion von Sauerstoff an der Kathode zu unterstützen. Protonen wandern von der Anode durch die ionisch leitende Polymermembran zur Kathode, wo sie sich mit Sauerstoff verbinden und Wasser bilden, welches aus der Zelle abgelassen wird. Der MEA ist zwischen zwei porösen Gasdiffusionsschichten (Gas Diffusion Layers, „GDL”) angeordnet, welche wiederum zwischen zwei nicht porösen, elektrisch leitfähigen Elementen oder Platten angeordnet sind. Die Platten fungieren als Stromabnehmer für die Anode und die Kathode und enthalten geeignete Kanäle und darin ausgebildete Öffnungen, um die gasförmigen Reaktanten der Brennstoffzelle über die Oberfläche entsprechender Anoden- und Kathodenkatalysatoren zu verteilen. Um effizient Elektrizität zu erzeugen, muss die Polymerelektrolytmembran einer PEM-Brennstoffzelle dünn, chemisch stabil, protonendurchlässig, nicht elektrisch leitfähig, und gasundurchlässig sein. In typischen Anwendungen werden Brennstoffzellen in Feldern aus vielen einzelnen Brennstoffzellenstapeln bereitgestellt, um für hohe elektrische Spannungen zu sorgen.
Die inneren Membranen, die in Brennstoffzellen verwendet werden, werden typischerweise in einem feuchten Zustand gehalten. Dies hilft dabei, eine Beschädigung oder eine verkürzte Lebensdauer der Membranen zu vermeiden, ebenso wie die gewünschte Effizienz des Betriebs zu bewahren. Zum Beispiel führt ein niedrigerer Wassergehalt der Membran zu einem höheren Widerstand für die Protonenleitung, was wiederum zu einem höheren ohmschen Spannungsverlust führt. Die Befeuchtung der zugeführten Gase, insbesondere am Kathodeneinlass, ist wünschenswert, um einen ausreichenden Wassergehalt in der Membran aufrecht zu erhalten, besonders im Einlassbereich. Die Befeuchtung in einer Brennstoffzelle wird in der US-Patentanmeldung der Seriennummer 10/797,671, Goebel u. a.; der US-Patentanmeldung der Seriennummer 10/912,298, Sennoun u. a.; und der US-Patentanmeldung der Seriennummer 11/087,911, Forte; die alle denselben Inhaber aufweisen, beschrieben, welche durch Bezugnahme alle in ihrer Gesamtheit hierin einbezogen werden.
Um einen gewünschten Feuchtigkeitsspiegel zu bewahren, wird oft eine Luftbefeuchtungsvorrichtung benutzt, um den Luftstrom zu befeuchten, der in der Brennstoffzelle verwendet wird. Die Luftbefeuchtungsvorrichtung besteht normalerweise aus einem runden oder Kasten-Luftbefeuchtungsmodul, welcher in einem Gehäuse angeordnet ist. Beispiele für diese Art der Luftbefeuchtungsvorrichtung sind in der US-Patentanmeldung der Seriennummer 10/516,483, Tanihara u. a.; und in der US-Patentschrift 6,471,195 dargestellt und beschrieben, welche durch Bezugnahme alle in ihrer Gesamtheit hierin einbezogen werden.
Membranbefeuchtungsvorrichtungen sind ebenso benutzt worden, um den Befeuchtungsanforderungen für Brennstoffzellen zu genügen. Für die Anwendung bei der Befeuchtung einer Brennstoffzelle in Automobilen muss eine solche Membranbefeuchtungsvorrichtung kompakt sein, einen niedrigen Druckabfall und eine hohe Leistung aufweisen.
Bei der Entwicklung einer Membranbefeuchtungsvorrichtung wird es erforderlich, einen Ausgleich zwischen dem Widerstand für den Massentransport und dem Druckabfall zu finden. Um von der feuchten Seite zu der trockenen Seite durch eine Membran hindurch zu transportieren, müssen die Wassermoleküle eine Kombination aus den folgenden Widerstanden überwinden: den Konvektionsmassentransportwiderstand in den feuchten und trockenen Strömungskanälen; den Diffusionstransportwiderstand durch die Membran und den Diffusionstransportwiderstand durch das Membranträgermaterial. Kompakte und Hochleistungs-Membranbefeuchtungsvorrichtungen erfordern typischerweise Membranmaterialien mit einer hohen Wassertransportrate (d. h. einem Wert für die GPU im Bereich von 10.000 bis 12.000). Bei der GPU (Gas Permeation Unit, Gasdurchtrittseinheit) handelt es sich um einen Partialdrucknormalisierten Flux, wobei 1 GPU = 10^–6 cm³ (Standarddruck)/(cm² s cm Hg). Als Ergebnis rückt die Minimierung des Transportwiderstands in den feuchten und trockenen Strömungskanälen und dem Membranträgermaterial in den Mittelpunkt der Entwicklungen.
Dementsprechend besteht ein Bedarf für verbesserte Materialien und Methoden zum Befeuchten von Brennstoffzellen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung löst ein oder mehrere Probleme des Standes der Technik, indem sie mindestens eine Ausführungsform einer Membranbefeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle bereitstellt. Die Membranbefeuchtungsvorrichtung dieser Ausführungsform weist eine erste Strömungsfeldplatte auf, welche dafür geeignet ist, die Strömung eines ersten Gases dorthin zu erleichtern, und eine zweite Strömungsfeldplatte, welche dafür geeignet ist, die Strömung eines zweiten Gases dorthin zu erleichtern. Die Polymermembran ist zwischen dem ersten und zweiten Strömungsfeld angeordnet und ist dafür geeignet, den Durchtritt von Wasser zuzulassen. Die Polymermembran umfasst ein erstes Polymer, welches Perfluorcyclobutylgruppen aufweist.
Andere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich. Es versteht sich, dass die detaillierte Beschreibung und die speziellen Beispiele nur der Veranschaulichung dienen und den Umfang der Erfindung nicht beschränken sollen, wenn beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind besser zu verstehen anhand der detaillierten Beschreibung und anhand der begleitenden Zeichnungen, wobei:
1 ein Schema eines Brennstoffzellensystems ist, welches einen Membranbefeuchtungsaufbau zum Befeuchten des Kathodeneinlass-Luftstroms zu einem Brennstoffzellenstapel aufweist;
2A ein schematischer Querschnitt eines Membranbefeuchtungsaufbaus senkrecht zu dem Gasstrom zu einer ersten Strömungsfeldplatte ist;
2B ein Querschnitt eines Membranbefeuchtungsaufbaus mit Außenrandabdichtung ist;
3 ein schematischer Querschnitt eines Membranbefeuchtungsaufbaus senkrecht zu dem Querschnitt der 2A ist;
4 ein schematischer Querschnitt einer Variante eines Membranbefeuchtungsaufbaus senkrecht zu dem Gasstrom zu einer ersten Strömungsfeldplatte ist;
5 ein schematischer Querschnitt einer Variante eines Membranbefeuchtungsaufbaus senkrecht zu dem Gasstrom zu einer ersten Strömungsfeldplatte ist und
6 ein Balkendiagramm ist, welches Leistungsdaten für die verschiedenen Befeuchtungsvorrichtungsmembranen bereitstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN)
Es wird nun detailliert auf derzeit bevorzugte Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, welche nach dem derzeitigen Wissensstand der Erfinder die besten Arten der Durchführung der Erfindung darstellen. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Es versteht sich jedoch, dass die beschriebenen Ausführungsformen die Erfindung, welche in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann, lediglich veranschaulichen sollen. Deswegen sind spezielle Einzelheiten, die hierin beschrieben werden, nicht als beschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Basis für irgendeinen Aspekt der Erfindung und/oder als repräsentative Basis dafür auszulegen, dem Fachmann zu erläutern, die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise anzuwenden.
Außer in den Beispielen oder dort, wo es ausdrücklich anders angegeben ist, sind alle numerischen Mengen in der vorliegenden Beschreibung, welche Materialmengen oder Reaktions- und/oder Anwendungsbedingungen anzeigen, so zu verstehen, dass sie mit dem Wort „etwa” zu ergänzen sind, wenn sie den breitesten Umfang der Erfindung beschreiben. Die Ausübung innerhalb der angegebenen numerischen Grenzen wird im Allgemeinen bevorzugt. Außerdem gilt, solange nicht ausdrücklich anders angegeben, das Folgende: Prozentsätze, „Teile” und Verhältniswerte sind auf das Gewicht bezogen; der Begriff „Polymer” umfasst „Oligomer”, „Copolymer”, „Terpolymer” und Ähnliches; die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien als geeignet oder bevorzugt für einen angegebenen Zweck in Verbindung mit der Erfindung bedeutet, dass Gemische von zwei oder mehr beliebigen Elementen der Gruppe oder Klasse genauso geeignet oder bevorzugt sind; die Beschreibung von Komponenten in chemischen Ausdrücken bezieht sich auf die Komponenten zur Zeit der Zugabe zu irgendeiner Kombination, die in der Beschreibung beschrieben ist, und schließt nicht notwendigerweise chemische Wechselwirkungen zwischen den Komponenten eines Gemisches aus, sobald dieses zusammengemischt ist; die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle folgenden Verwendungen derselben Abkürzung hierin und gilt mit den nötigen Abänderungen auch für normale grammatische Abwandlungen der definierten Abkürzung; und, solange nicht ausdrücklich anders angegeben, die Messung einer Eigenschaft erfolgt über dieselbe Technik, wie sie zuvor oder später für dieselbe Eigenschaft beschrieben wurde.
Es versteht sich auch, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die speziellen Ausführungsformen und Verfahren, die unten beschrieben sind, beschränkt ist, da spezielle Komponenten und/oder Bedingungen natürlich variieren können. Ferner wird die hierin verwendete Terminologie nur zu dem Zweck verwendet, bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu beschreiben, und soll in keiner Weise beschränkend sein.
Es muss auch angemerkt werden, dass in der Beschreibung und in den Patentansprüchen die Singularformen „ein”, „eine” und „der”, „die”, „das” auch die Pluralformen umfassen, solange sich nicht aus dem Kontext eindeutig etwas anderes ergibt. Zum Beispiel soll die Bezugnahme auf eine Komponente im Singular auch mehrere Komponenten umfassen.
Wo in der vorliegenden Patentanmeldung auf Veröffentlichungen Bezug genommen wird, werden die Offenbarungen dieser Veröffentlichungen hiermit in ihrer Gesamtheit in die vorliegende Patentanmeldung einbezogen, um den Stand der Technik, auf den sich die vorliegende Erfindung bezieht, vollständiger zu beschreiben.
In 1 ist ein Schema eines Brennstoffzellensystems dargestellt, welches einen Membranbefeuchtungsaufbau beinhaltet. Das Brennstoffzellensystem 10 weist einen Brennstoffzellenstapel 12 auf, welcher eine Kathodenseite und eine Anodenseite aufweist. Ein Kompressor 14 sorgt für einen Luftstrom zur Kathodenseite des Stapels 12 in einer Kathodeneingangsleitung 16. Der Luftstrom aus dem Kompressor 14 wird durch den Membranbefeuchtungsaufbau 18 geleitet, um befeuchtet zu werden. Ein Kathodenabgas wird in einer Kathodenausgangsleitung 20 von dem Stapel 12 abgegeben. Das Kathodenabgas enthält eine beträchtliche Menge Wasserdampf und/oder flüssiges Wasser als Nebenprodukt des elektrochemischen Prozesses im Brennstoffzellenstapel 12. Wie auf dem Fachgebiet wohlbekannt ist, kann das Kathodenabgas zu dem Membranbefeuchtungsaufbau 18 geleitet werden, um für die Befeuchtung der Kathodeneinlassluft in der Leitung 16 zu sorgen.
In 2A, 2B und 3 sind schematische Querschnitte eines Membranbefeuchtungsaufbaus dargestellt. Die Membranbefeuchtungsvorrichtung dieser Ausführungsform kann in jeder Anwendung benutzt werden, bei welcher es wünschenswert ist, Wasser aus einem feuchten Gas in ein trockenes Gas zu überführen, wie z. B. bei dem Brennstoffzellensystem der 1. 2A ist ein Querschnitt eines Membranbefeuchtungsaufbaus senkrecht zu dem Strom, in welchem trockenes Gas eingeführt wird. 2B ist ein Querschnitt eines Membranbefeuchtungsaufbaus mit Außenrandabdichtung. 3 ist ein Querschnitt eines Membranbefeuchtungsaufbaus senkrecht zu dem Querschnitt der 2A.
Der Membranbefeuchtungsaufbau 18 weist eine erste Strömungsfeldplatte 22 auf, welche dafür geeignet ist, die Strömung eines ersten Gases zu dem Membranbefeuchtungsaufbau 18 zu erleichtern. Der Membranbefeuchtungsaufbau 18 weist auch eine zweite Strömungsfeldplatte 24 auf, welche dafür geeignet ist, die Strömung eines zweiten Gases dorthin zu erleichtern. In einer Verfeinerung handelt es sich bei der ersten Strömungsfeldplatte 22 um eine feuchte Platte und bei der zweiten Strömungsfeldplatte 24 um eine trockene Platte. Die Polymermembran 26 ist zwischen der ersten Strömungsfeldplatte 22 und der zweiten Strömungsfeldplatte 24 angeordnet. Die Polymermembran 26 enthält ein erstes Polymer, welches Perfluorcyclobutyl(PFCB)-Gruppen aufweist, wie unten noch detaillierter ausgeführt wird. In einer Verfeinerung dieser Ausführungsform weist die Polymermembran 26 eine Durchlässigkeit von mindestens 6.000 GPU, typischerweise im Bereich von 6.000 bis 16.000 GPU, auf. Die Polymermembran 26 ist dafür geeignet, einen Übertritt von Wasser aus dem ersten Gas in das zweite Gas zuzulassen.
Für die hier dargestellte und beschriebene Ausführungsform ist der Membranbefeuchtungsaufbau 18 für eine Kathodenseite der Brennstoffzelle beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass der Membranbefeuchtungsaufbau 18 auch für eine Anodenseite der Brennstoffzelle oder anders verwendet werden kann, wenn dies gewünscht wird. Es sollte angemerkt werden, dass in einer Variante ein Membranbefeuchtungsaufbau bereitgestellt wird, bei welchem die Membran der US-Patentanmeldung 2008/0001313 durch die Polymermembran 26 ersetzt ist. Die gesamte Offenbarung dieser Patentanmeldung wird hiermit durch Bezugnahme hierin einbezogen.
Die erste Strömungsfeldplatte 22 weist mehrere darin ausgebildete Strömungskanäle 36 auf. Die Kanäle 36 sind dafür geeignet, ein feuchtes Gas aus der Kathode der Brennstoffzelle zu einem (nicht dargestellten) Auslass zu befördern. In einer Verfeinerung dieser Ausführungsform sind die Kanäle 36 durch eine Breite W_CW und eine Tiefe H_CW gekennzeichnet. Zwischen benachbarten Kanälen 36 ist in der Strömungsfeldplatte 24 ein Steg 38 ausgebildet. Der Steg 38 weist eine Breite W_LW auf. Es sollte angemerkt werden, dass jedes herkömmliche Material verwendet werden kann, um die erste Strömungsfeldplatte 22 zu bilden. Beispiele für geeignete Materialien sind, ohne darauf beschränkt zu sein, Stahl, Polymere und Verbundwerkstoffe.
Die zweite Strömungsfeldplatte 24 weist mehrere darin ausgebildete Strömungskanäle 40 auf. Die Kanäle 40 sind dafür geeignet, ein feuchtes Gas aus einer (nicht dargestellten) Gasquelle zu der Kathode der Brennstoffzelle zu befördern. Wie es hierin verwendet wird, ist mit feuchtem Gas ein Gas wie zum Beispiel Luft oder Gasgemische aus O₂, N₂, H₂O, H₂ oder Kombinationen daraus gemeint, welches Wasserdampf und/oder flüssiges Wasser in einer Menge enthält, die größer ist als in dem trockenen Gas. Mit trockenem Gas ist ein Gas wie zum Beispiel Luft oder Gasgemische aus O₂, N₂, H₂O, H₂ oder Kombinationen daraus gemeint, welches keinen Wasserdampf enthält oder Wasserdampf und/oder flüssiges Wasser in einer Menge enthält, die niedriger ist als in dem trockenen Gas. Es versteht sich, dass auch andere Gase und/oder Gasgemische verwendet werden können, falls erwünscht. Die Kanäle 40 weisen eine Breite W_CD und eine Tiefe H_CD auf. Zwischen benachbarten Kanälen 40 ist in der zweiten Strömungsfeldplatte 24 ein Steg 42 ausgebildet. Der Steg 42 weist eine Breite W_LD auf. Es sollte angemerkt werden, dass jedes herkömmliche Material verwendet werden kann, um die trockene Platte 24 zu bilden, zum Beispiel Stahl, Polymere und Verbundwerkstoffe.
In einer Verfeinerung dieser Ausführungsform betragen W_CW und W_CD jeweils unabhängig voneinander etwa 0,5 mm bis etwa 5 mm. In einer anderen Verfeinerung betragen W_LW und W_LD jeweils unabhängig voneinander etwa 0,5 mm bis etwa 5 mm. In noch einer anderen Verfeinerung betragen H_CW und H_CD jeweils unabhängig voneinander etwa 0,1 mm bis etwa 0,5 mm. In noch einer anderen Verfeinerung betragen H_CW und H_CD etwa 0,3 mm.
Weiterhin Bezug nehmend auf 2A, 2B und 3, ist ein Diffusionsmedium oder eine Diffusionsschicht 44 in Nachbarschaft zu der ersten Strömungsfeldplatte 22 angeordnet und stößt an die Stege 38 derselben. In ähnlicher Weise ist ein Diffusionsmedium oder eine Diffusionsschicht 46 in Nachbarschaft zu der Platte 24 der trockenen Seite angeordnet und stößt an die Stege 42 derselben. Die Diffusionsmedien 44, 46 sind aus einem elastischen und gasdurchlässigen Material, zum Beispiel Kohlenstoffgewebe, Papier, Polyester oder Glasfasern, gebildet. In einer Verfeinerung der vorliegenden Erfindung weisen die Diffusionsmedien 44, 46 jeweils unabhängig voneinander eine Dicke von etwa 0,05 mm bis etwa 0,2 mm auf. In einer anderen Variante weisen die Medien 44, 46 jeweils unabhängig voneinander eine Dicke von etwa 0,05 mm bis etwa 0,15 mm auf. In noch einer anderen Variante weisen die Medien 44, 46 jeweils unabhängig voneinander eine Porosität im Bereich von 50% bis 95% auf. In noch einer anderen Variante weisen die Medien 44, 46 jeweils unabhängig voneinander eine Porosität von etwa 79% bis etwa 90% auf. In einer anderen Verfeinerung sind die Diffusionsmedien 44, 46 durch Poren einer Porengröße von etwa 0,01 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer gekennzeichnet. In einer anderen Verfeinerung beträgt die Porengröße etwa 1 bis etwa 50 Mikrometer. Um ein Eindringen der Diffusionsmedien 44, 46 in die Kanäle 36, 40, was zu höheren Druckabfällen in den Kanälen 36, 40 führt, zu verringern, ist es wünschenswert, dass die Diffusionsmedien 44, 46 einen Elastizitätsmodul aufweisen, der größer als 40.000 kPa, insbesondere größer als 100.000 kPa ist.
In einer anderen Variante, wie sie in der 2B zu sehen ist, weist die erste Strömungsfeldplatte 22 einen äußeren Dichtungsabschnitt 52 und die zweite Strömungsfeldplatte 24 einen äußeren Dichtungsabschnitt 54 auf. In einer Verfeinerung umgibt die Dichtungsfläche 52 die Strömungsfeldplatte 22 vollständig, und die Dichtungsfläche 52 umgibt vollständig die Strömungsfeldplatte 24.
In Betrieb ermöglicht der Membranbefeuchtungsaufbau 18 vorteilhafter Weise den Übertritt von Wasser aus den Kanälen 36 der feuchten Seite in die Kanäle 40 der trockenen Seite. Obwohl die Operationen der vorliegenden Erfindung nicht auf eine spezielle Theorie beschränkt sind, wird angenommen, dass verschiedene Transportarten an der Funktion des Membranbefeuchtungsaufbaus 18 beteiligt sind. Konvektionsmassentransport von Wasserdampf tritt in den Kanälen 36, 40 auf, während durch die Diffusionsmedien 44, 46 hindurch ein Diffusionstransport auftritt. Wasserdampf wird ebenso durch Diffusion durch die Polymermembran 26 hindurch transportiert. Des Weiteren wird, wenn zwischen den Kanälen 36 und den Kanälen 40 ein Druckdifferential vorliegt, Wasser durch Hydraulikkräfte durch die Polymermembran 26 hindurch transportiert. Temperaturunterschiede zwischen den Kanälen 36 und den Kanälen 40 können ebenso den Wassertransport beeinflussen. Schließlich wird zwischen den Kanälen 36 der Platte 22 der feuchten Seite und den Kanälen 40 der Platte 24 der trockenen Seite auch Enthalpie ausgetauscht.
In Betrieb wird das feuchte Gas dazu gebracht, durch die Kanäle 36 zu strömen, die in der ersten Strömungsfeldplatte 22 ausgebildet sind. Das feuchte Gas wird aus der Feuchtgaszufuhr aufgenommen. Es kann jedes herkömmliche Mittel angewendet werden, um das feuchte Gas den Kanälen 36 zuzuführen, zum Beispiel ein Hauptverteilerrohr für die Zufuhr in Kommunikation mit den Kanälen 36. In der Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, wird das feuchte Gas aus einem Abgasstrom aus dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt. Das feuchte Gas verlässt die Kanäle 36 zum Abgasauslass. Das trockene Gas wird dazu gebracht, durch die Kanäle 40 zu strömen, welche in der zweiten Strömungsfeldplatte 24 ausgebildet sind. Das trockene Gas wird aus der Trockengaszufuhr aufgenommen. Es kann jedes herkömmliche Mittel angewendet werden, um das trockene Gas den Kanälen 40 zuzuführen, zum Beispiel ein Hauptverteilerrohr für die Zufuhr in Kommunikation mit den Kanälen 40. Anschließend verlässt das trockene Gas die Kanäle 40. In der Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, wird das trockene Gas von einem (nicht dargestellten) Kompressor 14 zugeführt.
In einer Variante dieser Ausführungsform ist die Temperatur des feuchten Gases typischerweise niedriger als die Temperatur des trockenen Gases. Die Temperatur der trockenen Luft aus dem Kompressor kann etwa 180°C betragen, und die Temperatur der feuchten Luft aus dem Brennstoffzellenabgas kann etwa 80°C bis 95°C betragen. Wenn ein (nicht dargestellter) Luftkühler benutzt wird, um die vom Kompressor zugeführte trockene Luft zu kühlen, kann die Temperatur im Bereich von 95°C bis 105°C liegen. Es versteht sich, dass auch andere Temperaturbereiche gewählt werden können, ohne den Umfang und die Idee der Erfindung zu verlassen. Als Ergebnis der Temperaturdifferenz zwischen dem feuchten Gas und dem trockenen Gas wird das trockene Gas während seiner Befeuchtung auch gekühlt. Der Kühleffekt erhöht auch die relative Feuchtigkeit des frisch befeuchteten Gases (des trockenen Gases) und beschränkt so die austrocknende Wirkung des Gases auf Komponenten der Brennstoffzelle auf ein Mindestmaß.
Während des Strömens des feuchten Gases durch die Kanäle 36 und des Strömens des trockenen Gases durch die Kanäle 40 befindet sich das feuchte Gas mit dem trockenen Gas im Kreuzstrom. Es versteht sich, dass die Gasströme auch im Gegenstrom geführt werden können, um den Transport von Wasser aus dem feuchten Gasstrom in den trockenen Gasstrom zu erleichtern. Für eine Anwendung zur Befeuchtung von Brennstoffzellen ist die Anforderung an die Effektivität des Wassertransfers typischerweise niedrig. Als Ergebnis ist nur ein geringer Leistungsunterschied zwischen dem Gegenstrom- und dem Kreuzstrom-Design zu erwarten.
Es ist nützlich, die Konstruktion des Membranbefeuchtungsaufbaus 18 zu charakterisieren, indem über die folgende Gleichung ein Kanalflächenverhältnis AR_c definiert wird: AR_c = W_c/(W_c + W_L) wobei W_c für eine Kanalbreite und W_L für eine Kanaltiefe steht. In einer Variante liegen die Kanalflächenverhältnisse AR_c im Bereich von 75% bis 85%, wobei die Kanalbreite W_c 0,5 mm bis 5 mm und die Kanaltiefe 0,1 mm bis 0,5 mm beträgt. Solche Kanalflächenverhältnisse AR_c und Kanalbreiten W_c werden so gewählt, dass die Membranflächenbenutzung unter den Stegen 38, 42 maximiert wird und das Eindringen der Membran 26 oder anderer Strukturen in die Strömungskanäle 36, 40 auf ein Mindestmaß beschränkt wird. In einer Verfeinerung ist die Gasströmung durch die Kanäle 36, 40 laminar, wodurch der Druckabfall durch die Kanäle 36, 40 auf ein Mindestmaß beschränkt wird, während der Wasserdampftransport durch die Diffusionsmedien 44, 46 und die Membran 26 hindurch maximiert wird. In einer anderen Variante ist die Strömung durch die Kanäle 36, 40 turbulent.
In 4 ist eine Variante eines Membranbefeuchtungsaufbaus 18 dargestellt. Der Membranbefeuchtungsaufbau 18 dieser Ausführungsform kann in jeder Anwendung benutzt werden, bei welcher es wünschenswert ist, Wasser aus einem feuchten Gas in ein trockenes Gas zu überführen, wie z. B. bei dem Brennstoffzellensystem der 1. 4 ist ein schematischer Querschnitt eines Membranbefeuchtungsaufbaus senkrecht zu dem Strom, mit welchem trockenes Gas eingeführt wird. Der Membranbefeuchtungsaufbau 18 weist eine erste Strömungsfeldplatte 22 auf, welche dafür geeignet ist, die Strömung eines ersten Gases zu dem Membranbefeuchtungsaufbau 18 erleichtern. Der Membranbefeuchtungsaufbau 18 weist auch eine zweite Strömungsfeldplatte 24 auf, welche dafür geeignet ist, die Strömung eines zweiten Gases dorthin zu erleichtern. In einer Verfeinerung handelt es sich bei der ersten Strömungsfeldplatte 22 um eine feuchte Platte und bei der zweiten Strömungsfeldplatte 24 um eine trockene Platte.
Zwischen der ersten Strömungsfeldplatte 22 und der zweiten Strömungsfeldplatte 24 ist eine Polymermembran 26 angeordnet. Die Polymermembran 26 enthält ein Polymersubstrat 60. Eine Polymerschicht 62 ist über dem Substrat 60 angeordnet und dringt zumindest in einen Abschnitt des Polymersubstrats 60 ein.
Wie oben ausgeführt, enthält die Polymerschicht 62 Perfluorcyclobutylgruppen und Seitenketten, was unten noch detaillierter ausgeführt wird. In einer Verfeinerung dieser Ausführungsform weist die Polymermembran 26 eine Durchlässigkeit von mindestens 6.000 GPU, typischerweise eine Durchlässigkeit im Bereich von 6.000 bis 16.000 GPU auf. Die Polymermembran 26 ist dafür geeignet, den Wasserübertritt vom ersten Gas zum zweiten Gas zuzulassen. Für die hier dargestellte und beschriebene Ausführungsform ist der Membranbefeuchtungsaufbau 18 für eine Kathodenseite der Brennstoffzelle beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass der Membranbefeuchtungsaufbau 18 auch für eine Anodenseite der Brennstoffzelle oder anders verwendet werden kann, wenn dies gewünscht wird.
Es sollte angemerkt werden, dass in einer Variante ein Membranbefeuchtungsaufbau 18 bereitgestellt wird, bei welchem die Membran der US-Patentanmeldung 2008/0001313 durch die Polymermembran 26 ersetzt ist. Die gesamte Offenbarung dieser Patentanmeldung wird hiermit durch Bezugnahme hierin einbezogen. Der Membranbefeuchtungsaufbau 18 weist auch Diffusionsmedien 44, 46 auf, wie oben ausgeführt. Überdies ist die Konstruktion der ersten Strömungsfeldplatte 22 und der zweiten Strömungsfeldplatte 24 dieselbe wie die oben ausgeführte.
In dieser Variante weist das Substrat 60 eine ausreichende Porosität auf, damit die Polymerschicht 62 während der Bildung darin aufgesaugt wird. Deswegen ist das Substrat 60 durch ein vorgegebenes Porenvolumen gekennzeichnet. Typischerweise beträgt das Porenvolumen 30 bis 95 Volumenprozent des Gesamtvolumens des Substrats 60. Das Substrat 60 kann praktisch aus jedem Polymermaterial gebildet werden, welches das erforderliche Porenvolumen aufweist. Geschäumtes Polytetrafluorethan ist für diese Anwendung besonders geeignet. In einer Verfeinerung dringt die Polymerschicht 62 nur teilweise in das Substrat 60 ein, wie in dem speziellen Beispiel, das in 4 und 5 dargestellt ist. In einer anderen Verfeinerung dringt die Polymerschicht 62 im Wesentlichen vollständig in das Substrat 60 ein. 5 zeigt eine ähnliche Konstruktion wie diejenige, die in 4 dargestellt ist, außer dass sich die Polymerschicht 62 auf der trockenen Seite befindet.
Wie oben ausgeführt, enthält die Polymermembran 26 ein erstes Polymer, welches Perfluorcyclobutyl-Einheiten aufweist. Geeignete Polymere mit Cyclobutyl-Einheiten sind in der US-Patentveröffentlichung 2007/0099054; den US-Patentanmeldungen 12/197530, eingereicht am 25. August 2008; 12/197537, eingereicht am 25. August 2008; 12/197545, eingereicht am 25. August 2008; und 12/197704, eingereicht am 25. August 2008; offenbart, wobei deren vollständige Offenbarungen hiermit durch Bezugnahme hierin einbezogen werden. In einer Variante weist das erste Polymer ein Polymersegment auf, welches das Polymersegment 1 umfasst: E₀-P₁-Q₁-P₂ 1 wobei:
E₀ für eine Einheit steht, welche eine protogene Gruppe aufweist, z. B. -SO₂X, -PO₃H₂, -COX und Ähnliches;
P₁, P₂ unabhängig voneinander jeweils abwesend sind oder für das Folgende stehen: -O-, -S-, -SO-, -CO-, -SO₂-, -NH-, -NR₂-, oder -R₃-;
R₂ für eine C_1-25-Alkyl-, C_1-25-Aryl- oder C_1-25-Arylengruppe steht;
R₃ für eine C_1-25-Alkylen-, C_1-25-Perfluoralkylen-, Perfluoralkylether-, Alkylether- oder C_1-25-Arylengruppe steht;
X für -OH, ein Halogenatom, eine Estergruppe oder
steht;
R₄ für eine Trifluormethyl-, C_1-25-Alkyl-, C_1-25-Perfluoralkylen-, C_1-25-Arylgruppe oder E₁ (siehe unten) steht; und
Q₁ für eine fluorierte Cyclobutyleinheit steht.
In einer Variante der vorliegenden Erfindung umfasst das erste Polymer die Polymersegmente 2 und 3: [E₁(Z₁)_d]-P₁-Q₁-P₂ 2 E₂-P₃-Q₂-P₄ 3 wobei:
Z₁ für eine protogene Gruppe wie -SO₂X, -PO₃H₂, -COX und Ähnliches steht;
E₁ für eine aromatenhaltige Einheit steht;
E₂ für eine nicht sulfonierte aromatenhaltige und/oder aliphatenhaltige Einheit steht;
X für -OH, ein Halogenatom, eine Estergruppe oder
steht;
d für die Anzahl der Gruppen Z₁ steht, die an E₁ gebunden sind;
P₁, P₂, P₃, P₄ unabhängig voneinander jeweils abwesend sind oder für das Folgende stehen: -O-, -S-, -SO-, -CO-, -SO₂-, -NH-, -NR₂- oder –R₃-;
R₂ für eine C_1-25-Alkyl-, C_1-25-Aryl- oder C_1-25-Arylengruppe steht;
R₃ für eine C_1-25-Alkylen-, C_1-25-Perfluoralkylen-, Perfluoralkylether-, Alkylether- oder C_1-25-Arylengruppe steht;
R₄ für eine Trifluormethyl-, C_1-25-Alkyl-, C_1-25-Perfluoralkylen-, C_1-25-Aryl- oder eine andere E₁-Gruppe steht; und
Q₁, Q₂ jeweils unabhängig voneinander für eine fluorierte Cyclobutyleinheit stehen.
In einer Verfeinerung entspricht d der Anzahl der aromatischen Ringe in E₁. In einer anderen Verfeinerung kann jeder aromatische Ring in E₁ 0, 1, 2, 3 oder 4 Z₁-Gruppen aufweisen.
In einer anderen Variante dieser Ausführungsform umfasst das erste Polymer die Segmente 4 und 5:
E₂-P₃-Q₂-P₄ 5 wobei:
Z₁ für eine protogene Gruppe wie -SO₂X, -PO₃H₂, -COX und Ähnliches steht;
E₁, E₂ jeweils unabhängig voneinander für eine aromatenhaltige und/oder aliphatenhaltige Einheit stehen;
X für -OH, ein Halogenatom, eine Estergruppe oder
steht;
d für die Anzahl der Gruppen Z₁ steht, die an R₈ gebunden sind;
P₁, P₂, P₃, P₄ unabhängig voneinander jeweils abwesend sind oder für das Folgende stehen: -O-, -S-, -SO-, -CO-, -SO₂-, -NH-, -NR₂- oder -R₃-;
R₂ für eine C_1-25-Alkyl-, C_1-25-Aryl- oder C_1-25-Arylengruppe steht;
R₃ für eine C_1-25-Alkylen-, C_1-25-Perfluoralkylen-, Perfluoralkylether-, Alkylether- oder C_1-25-Arylengruppe steht;
R₄ für eine Trifluormethyl-, C_1-25-Alkyl-, C_1-25-Perfluoralkylen-, C_1-25-Aryl- oder eine andere E₁-Gruppe steht;
R₈(Z₁)_d für eine Einheit steht, die eine Anzahl d an protogenen Gruppen aufweist; und
Q₁, Q₂ jeweils unabhängig voneinander für eine fluorierte Cyclobutyleinheit stehen.
In einer Verfeinerung dieser Variante steht R₈ für eine C_1-25-Alkylen, C_1-25-Perfluoralkylen-, Perfluoralkylether-, Alkylether- oder C_1-25-Arylengruppe. In einer Verfeinerung entspricht d der Anzahl der aromatischen Ringe in R₈. In einer anderen Verfeinerung kann jeder aromatische Ring in R₈ 0, 1, 2, 3 oder 4 Z₁-Gruppen aufweisen. In noch einer anderen Verfeinerung ist d im Mittel eine ganze Zahl von 1 bis 4.
In einer anderen Variante der vorliegenden Erfindung umfasst das erste Polymer die Segmente 6 und 7: E₁(SO₂X)_d-P₁-Q₁-P₂ 6 E₂-P₃–Q₂–P₄ 7 verbunden über eine Verbindungsgruppe L₁, wodurch die Polymereinheiten 8 und 9 gebildet werden:
wobei:
Z₁ für eine protogene Gruppe wie -SO₂X, -PO₃H₂, -COX und Ähnliches steht;
E₁ für eine aromatenhaltige Einheit steht;
E₂ für eine nicht sulfonierte aromatenhaltige und/oder aliphatenhaltige Einheit steht;
L₁ für eine Verbindungsgruppe steht;
X für -OH, ein Halogenatom, eine Estergruppe oder
steht;
d für die Anzahl der funktionellen Gruppen Z₁ steht, die an E₁ gebunden sind;
P₁, P₂, P₃, P₄ unabhängig voneinander jeweils abwesend sind oder für das Folgende stehen: -O-, -S-, -SO-, -SO₂-, -CO-, -NH-, -NR₂- oder -R₃-; und
R₂ für eine C_1-25-Alkyl-, C_1-25-Aryl- oder C_1-25-Arylengruppe steht;
R₃ für eine C_1-25-Alkylen-, C_1-25-Perfluoralkylen- oder C_1-25-Arylengruppe steht;
R₄ für eine Trifluormethyl-, C_1-25-Alkyl-, C_1-25-Perfluoralkylen-, C_1-25-Aryl- oder eine andere E₁-Gruppe steht;
Q₁, Q₂ jeweils unabhängig voneinander für eine fluorierte Cyclobutyleinheit stehen;
i für die Anzahl der Wiederholungen des Polymersegments 6 steht, wobei i typischerweise bei 1 bis 200 liegt; und
j für die Anzahl der Wiederholungen des Polymersegments 7 steht, wobei j typischerweise bei 1 bis 200 liegt. In einer Verfeinerung entspricht d der Anzahl der aromatischen Ringe in E₁. In einer anderen Verfeinerung kann jeder aromatische Ring in E₁ 0, 1, 2, 3 oder 4 Z₁-Gruppen aufweisen.
In noch einer anderen Variante dieser Ausführungsform umfasst das erste Polymer die Polymersegmente 10 und 11: E₁(Z₁)_d-P₁-Q₁-P₂ 10 E₂(Z₁)_f-P₃ 11 wobei:
Z₁ für eine protogene Gruppe wie -SO₂X, -PO₃H₂, -COX und Ähnliches steht;
E₁, E₂ jeweils unabhängig voneinander für eine aromatenhaltige oder aliphatenhaltige Einheit stehen, wobei mindestens eine Einheit aus E₁ und E₂ einen Aromaten enthält, der mit Z₁ substituiert ist;
X für -OH, ein Halogenatom, eine Estergruppe oder
steht;
d für die Anzahl der funktionellen Gruppen Z₁ steht, die an E₁ gebunden sind;
f für die Anzahl der funktionellen Gruppen Z₁ steht, die an E₂ gebunden sind;
P₁, P₂, P₃ unabhängig voneinander jeweils abwesend sind oder für das Folgende stehen: -O-, -S-, -SO-, -SO₂-, -CO-, -NH-, -NR₂- oder -R₃-;
R₂ für eine C_1-25-Alkyl-, C_1-25-Aryl- oder C_1-25-Arylengruppe steht;
R₃ für eine C_1-25-Alkylen-, C_1-25-Perfluoralkylen-, Perfluoralkylether-, Alkylether- oder C_1-25-Arylengruppe steht;
R₄ für eine Trifluormethyl-, C_1-25-Alkyl-, C_1-25-Perfluoralkylen-, C_1-25-Aryl- oder eine andere E₁-Gruppe steht; und
Q₁ für eine fluorierte Cyclobutyleinheit steht;
mit der Maßgabe, dass dann, wenn d größer als Null ist, f Null ist, und dann, wenn f größer als Null ist, d Null ist. In einer Verfeinerung entspricht d der Anzahl der aromatischen Ringe in E₁. In einer anderen Verfeinerung kann jeder aromatische Ring in E₁ 0, 1, 2, 3 oder 4 Z₁-Gruppen aufweisen. In noch einer anderen Verfeinerung ist d im Mittel eine ganze Zahl von 1 bis 4. In einer Verfeinerung entspricht f der Anzahl der aromatischen Ringe in E₂. In einer anderen Verfeinerung kann jeder aromatische Ring in E₂ 0, 1, 2, 3 oder 4 Z₁-Gruppen aufweisen. In noch einer anderen Verfeinerung ist f im Mittel eine ganze Zahl von 1 bis 4. In einer Variante liegen die Polymersegmente 10 und 11 jeweils unabhängig voneinander in 1- bis 10.000-facher Wiederholung vor, um entsprechende Polymerblöcke zu bilden, die mit einer Verbindungsgruppe L₁ verbunden sein können, wie sie unten dargestellt ist.
Beispiele für Q₁ und Q₂ in den obigen Formeln sind die Folgenden:
In jeder der Formeln 1 bis 10 enthalten E₁ und E₂ einen oder mehrere aromatische Ringe. Zum Beispiel enthalten E₁ und E₂ eine oder mehrere der folgenden Einheiten:
Beispiele für L₁ sind die folgenden Verbindungsgruppen:
wobei R₅ für eine organische Gruppe, z. B. eine Alkyl- oder Acylgruppe, steht.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Polymermembran 26 ein Polymergemisch. Das Polymergemisch dieser Ausführungsform enthält ein erstes Polymer und ein zweites Polymer. Das erste Polymer enthält das Polymersegment 1, das oben ausgeführt ist. Das erste Polymer unterscheidet sich von dem zweiten Polymer. In einer Variante ist das zweite Polymer ein nichtionisches Polymer. In einer Verfeinerung handelt es sich bei dem nichtionischen Polymer um ein fluorhaltiges Polymer, z. B. ein Fluorelastomer oder einen Fluorkautschuk.
Bei dem Fluorelastomer kann es sich um irgendein Elastomermaterial handeln, das Fluoratome umfasst. Das Fluorelastomer kann ein Fluorpolymer einer Glasübergangstemperatur unterhalb von etwa 25°C, vorzugsweise unterhalb von 0°C, umfassen. Das Fluorelastomer kann eine Reißdehnung im Zugmodus von mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 100%, bei Raumtemperatur aufweisen. Das Fluorelastomer ist im Allgemeinen hydrophob und im Wesentlichen frei von ionischen Gruppen. Das Fluorelastomer kann durch Polymerisieren mindestens eines Fluormonomers wie Vinylidenfluorid, Tetrafluorethylen, Hexafluorpropylen, Vinylfluorid, Vinylchlorid, Chlortrifluorethylen, Perfluormethylvinylether oder Trifluorethylen hergestellt werden. Das Fluorelastomer kann auch durch Copolymerisieren mindestens eines Fluormonomers mit mindestens einem fluorfreien Monomer wie Ethylen, Propylen, Methylmethacrylat, Ethylacrylat, Styrol und Ähnlichem hergestellt werden. Das Fluorelastomer kann durch radikalische Polymerisation oder anionische Polymerisation in Masse, Emulsion, Suspension oder Lösung hergestellt werden.
Beispiele für Fluorelastomere sind Poly(tetrafluorethylen-co-ethylen), Poly(vinylidenfluorid-co-hexafluorpropylen), Poly(tetrafluorethylen-co-propylen), ein Terpolymer aus Vinylidenfluorid, Hexafluorpropylen und Tetrafluorethylen und ein Terpolymer aus Ethylen, Tetrafluorethylen und Perfluormethylvinylether. Einige der Fluorelastomere sind von Arkema unter der Handelsbezeichnung Kynar Flex^®, von Solvay Solexis unter der Handelsbezeichnung Technoflon^®, von 3 M unter der Handelsbezeichnung Dyneon^® und von DuPont unter der Handelsbezeichnung Viton^® kommerziell erhältlich. Kynar Flex 2751 ist zum Beispiel ein geeignetes Copolymer aus Vinylidenfluorid und Hexafluorpropylen, welches eine Schmelztemperatur zwischen etwa 130°C und 140°C aufweist. Die Glasübergangstemperatur von Kynar Flex 2751 liegt bei etwa –40°C bis –44°C. Das Fluorelastomer kann ferner ein Härtungsmittel umfassen, um eine Vernetzungsreaktion zu ermöglichen, nachdem es mit einem ersten Polymer vermischt worden ist, welches eine Perfluorcyclobutyl-Einheit enthält.
In einer anderen Variante dieser Ausführungsform ist das zweite Polymer ein Perfluorsulfonsäurepolymer (PFSA). In einer Verfeinerung handelt es sich bei diesem PFSA um ein Copolymer, welches eine Polymerisationseinheit auf der Basis einer Perfluorvinylverbindung enthält, die wie folgt darzustellen ist: CF₂=CF-(OCF₂CFX¹)_m-O_r-(CF₂)_q-SO₃H, wobei m für eine ganze Zahl von 0 bis 3, q für eine ganze Zahl von 1 bis 12, r für 0 oder 1 und X¹ für ein Fluoratom oder eine Trifluormethylgruppe steht, und eine Polymerisationseinheit auf der Basis von Tetrafluorethylen enthält.
In einer Variante dieser Ausführungsform liegt das zweite Polymer in einer Menge von etwa 5 bis etwa 70 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des Polymergemisches vor. In einer weiteren Verfeinerung liegt das zweite Polymer in einer Menge von etwa 10 bis etwa 60 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des Polymergemisches vor. In noch einer anderen Verfeinerung liegt das Polymer, welches das Polymersegment 1 aufweist, in einer Menge von etwa 30 bis etwa 95 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des Polymergemisches vor. In noch einer anderen Verfeinerung liegt das Polymer, welches das Polymersegment 1 aufweist (also das erste Polymer), in einer Menge von etwa 40 bis etwa 90 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts des Polymergemisches vor.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann wird viele Abwandlungen erkennen, die der Idee der vorliegenden Erfindung entsprechen und innerhalb des Umfangs der Patentansprüche liegen.

In der Tabelle 1 ist eine Gruppe von Membranen angegeben, die verwendet werden, um die Leistungsfähigkeit von Membranbefeuchtungsvorrichtungen zu bewerten, die gemäß den oben ausgeführten Ausführungsformen hergestellt wurden. Tabelle 1

Vergleichsbeispiel 1	25 μm-PFSA-Grundlinie
Beispiel 2	Freistehende Folie
Beispiel 3	Verfahren 1 Einschichtiger Verbundwerkstoff	Abgeschiedenes ePTFE
Beispiel 4	Verfahren 2 Zweischichtiger Verbundwerkstoff	Aufgegossenes ePTFE mit abgeschiedenem zweitem ePTFE

Beispiel 1: PFSA-Grundlinie
Als Grundlinie wird eine Membran verwendet, für welche eine Perfluorsulfonsäure-Polymermembran verwendet wird.
Beispiel 2: Freistehende Folie
Arylsulfoniertes Perfluorcyclobutyl-Ionomer-Gemisch
Es wird eine 10-Gew.-%-Lösung (PFCB-Lösung) in N,N-Dimethylacetamid hergestellt, wobei ein sulfoniertes Segment-Blockcopolymer verwendet wird, welches durch die Reaktion von Chlorsulfonsäure mit dem Perfluorcyclobutyl-Polymer (Molekulargewicht 90.000) aus einem Biphenylperfluorcyclobutan-Oligomer (Molekulargewicht 16.000) und einem Hexafluorisopropyliden-bis-trifluorvinylether-Monomer hergestellt wurde. Durch Zugabe von 3 g einer 10-Gew.-%-Lösung Kynar Flex 2751 in N,N-Dimethylacetamid zu 7 g der 10-Gew.-%-PFCB-Lösung wird eine Mischlösung hergestellt. Die 10-Gew.-%-Lösung wird dann bei 50°C auf eine saubere Platte aus extrudiertem Teflon^® geschichtet und 15 Minuten lang getrocknet. Die resultierende einschichtige Komposit-Membranfolie konnte von der sauberen Platte aus extrudiertem Teflon^®) abgezogen werden und als Wasserdampf-Transfermembran in einer befeuchteten Wasserstoff-Luft-Brennstoffzelle verwendet werden, die bei weniger als 100°C betrieben wird.
Beispiel 3: Verfahren 1, Einschichtiger Verbundwerkstoff
Arylsulfoniertes Perfluorcyclobutyl-Ionomer-Gemisch auf Polytetrafluorethylen-Trägerstruktur
Es wird eine 5-Gew.-%-Lösung in N,N-Dimethylacetamid hergestellt, wobei ein sulfoniertes Segment-Blockcopolymer verwendet wird, welches durch die Reaktion von Chlorsulfonsäure mit dem Perfluorcyclobutyl-Polymer (Molekulargewicht ~90.000) aus einem Biphenylperfluorcyclobutan-Oligomer (Molekulargewicht 16.000) und einem Hexafluorisopropyliden-bis-trifluorvinylether-Monomer hergestellt wurde. Durch Zugabe von 3 g einer 5-Gew.-%-Lösung Kynar Flex 2751 in N,N-Dimethylacetamid zu 7 g der 5-Gew.-%-PFCB-Lösung wird eine Mischlösung hergestellt. Die 5-Gew.-%-Lösung wird dann bei 50°C auf eine saubere Platte aus extrudiertem Teflon^® geschichtet, und das ePTFE-Trägermaterial (z. B. Donaldson 1326) wird oben auf der feuchten Schicht abgeschieden, derart, dass die Lösung mit dem porösen Trägermaterial in Kontakt kommen kann. Die ePTFE-Struktur bleibt trüb, und der nasse Film wird 15 Minuten lang getrocknet. Die resultierende einschichtige Komposit-Membranfolie konnte von der sauberen Platte aus extrudiertem Teflon^® abgezogen werden und als Wasserdampf-Transfermembran in einer befeuchteten Wasserstoff-Luft-Brennstoffzelle verwendet werden, die bei weniger als 100°C betrieben wird.
Beispiel 4: Verfahren 2, Zweischichtiger Verbundwerkstoff
Arylsulfoniertes Perfluorcyclobutyl-Ionomer-Gemisch auf Polytetrafluorethylen-Trägerstruktur
Es wird eine 5-Gew.-%-Lösung in N,N-Dimethylacetamid hergestellt, wobei ein sulfoniertes Segment-Blockcopolymer verwendet wird, welches durch die Reaktion von Chlorsulfonsäure mit dem Perfluorcyclobutyl-Polymer (Molekulargewicht ~90.000) aus einem Biphenylperfluorcyclobutan-Oligomer (Molekulargewicht 16.000) und einem Hexafluorisopropyliden-bis-trifluorvinylether-Monomer hergestellt wurde. Durch Zugabe von 3 g einer 5-Gew.-%-Lösung Kynar Flex 2751 in N,N-Dimethylacetamid zu 7 g der 5-Gew.-%-PFCB-Lösung wird eine Mischlösung hergestellt. Das ePTFE-Trägermaterial (z. B. Donaldson 1326) wird bei 50°C mit einer sauberen Platte aus extrudiertem Teflon^® in Kontakt gebracht, homogen mit Isopropanol benetzt und getrocknet. Die 5-Gew.-%-Perfluorcyclobutyl-Ionomergemischlösung wird auf das poröse ePTFE-Trägermaterial geschichtet, und ein zweites ePTFE-Trägermaterial (z. B. Donaldson 1326) wird oben auf der feuchten Schicht abgeschieden, derart, dass die Lösung mit dem porösen Trägermaterial in Kontakt kommen kann. Die ePTFE-Strukturen bleiben trüb, und der nasse Film wird 15 Minuten lang getrocknet. Die resultierende zweischichtige Komposit-Membranfolie konnte von der sauberen Platte aus extrudiertem Teflon^® abgezogen werden und als Wasserdampf-Transfermembran in einer befeuchteten Wasserstoff-Luft-Brennstoffzelle verwendet werden, die bei weniger als 100°C betrieben wird.
Experimentelle Ergebnisse
In 6 sind experimentelle Ergebnisse für Materialien für den Wasserdampftransfer in einem befeuchteten Wasserstoff-Luft-Brennstoffzellensystem an einem Punkt dargestellt. Für eine 50 cm²-Probe wird die Wassermenge in Gramm gemessen, die aus einem feuchten Einlassstrom von 80°C, 85% relativer Feuchtigkeit, 10 slpm Trockengasstrom und 160 kPa durch die Membran in einem trockenen Einlassstrom von 80°C, 0% relativer Feuchtigkeit, 11,5 slpm Trockengasstrom, 80°C und 183 kPa transportiert wird. Es wird deutlich, dass die Befeuchtungsvorrichtungen der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit Befeuchtungsvorrichtungen, bei denen Nafion^® verwendet wird, eine deutlich verbesserte Leistungsfähigkeit aufweisen.
Die obige Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung ist lediglich beispielhaft, und so sind Abwandlungen derselben nicht als Abweichung von der Idee und dem Umfang der Erfindung anzusehen.
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 6471195 [0005]

Claims

Membranbefeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle, wobei die Membranbefeuchtungsvorrichtung das Folgende umfasst: eine erste Strömungsfeldplatte, welche dafür geeignet ist, das Strömen eines ersten Gases dorthin zu erleichtern; eine zweite Strömungsfeldplatte, welche dafür geeignet ist, das Strömen eines zweiten Gases dorthin zu erleichtern; eine Polymermembran, welche zwischen der ersten und zweiten Strömungsfeldplatte angeordnet ist, wobei die Membran dafür geeignet ist, den Übertritt von Wasser zuzulassen, wobei die Polymermembran ein erstes Polymer umfasst, welches ein Polymersegment aufweist, welches das Polymersegment 1 umfasst: E₀-P₁-Q₁-P₂ 1 wobei: E₀ für eine Einheit steht, welche eine protogene Gruppe aufweist; P₁, P₂ unabhängig voneinander jeweils abwesend sind oder für das Folgende stehen: -O-, -S-, -SO-, -CO-, -SO₂-, -NH-, -NR₂- oder -R₃-; und R₂ für eine C_1-25-Alkyl-, C_1-25-Aryl- oder C_1-25-Arylengruppe steht; R₃ für eine C_1-25-Alkylen-, C_1-25-Perfluoralkylen-, Perfluoralkylether-, Alkylether- oder C_1-25-Arylengruppe steht; und Q₁ für eine fluorierte Cyclobutyleinheit steht.
Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Gas und das zweite Gas unabhängig voneinander jeweils eine Komponente enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus O₂, N₂, H₂O, H₂ und Kombinationen dieser besteht.
Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Polymermembran eine Durchlässigkeit von mehr als 6.000 GPU aufweist.
Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Strömungsfeldplatte und die zweite Strömungsfeldplatte unabhängig voneinander jeweils einen äußeren Dichtungsabschnitt aufweisen.
Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Polymersegment 1 in 1- bis 10.000-facher Wiederholung vorliegt.
Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich bei den protogenen Gruppen um -SO₂X, -PO₃H₂ oder -COX handelt, X für -OH, ein Halogenatom, eine Estergruppe oder
steht, und R₄ für eine Trifluormethyl-, C_1-25-Alkyl-, C_1-25-Perfluoralkylen-, C_1-25-Arylgruppe oder eine andere E₁-Gruppe steht.
Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Polymermembran die Polymersegmente 2 und 3 umfasst: [E₁(Z₁)_d]-P₁-Q₁-P₂ 2 E₂-P₃-Q₂-P₄ 3 wobei: Z₁ für -SO₂X, -PO₃H₂ oder -COX steht; E₁ für eine aromatenhaltige Einheit steht; E₂ für eine nicht sulfonierte aromatenhaltige und/oder aliphatenhaltige Einheit steht; X für -OH, ein Halogenatom, eine Estergruppe oder
steht; d für die Anzahl der Gruppen Z₁ steht, die an E₁ gebunden sind; P₁, P₂, P₃, P₄ unabhängig voneinander jeweils abwesend sind oder für das Folgende stehen: -O-, -S-, -SO-, -CO-, -SO₂-, -NH-, -NR₂- oder -R₃-; R₂ für eine C_1-25-Alkyl-, C_1-25-Aryl- oder C_1-25-Arylengruppe steht; R₃ für eine C_1-25-Alkylen-, C_1-25-Perfluoralkylen-, Perfluoralkylether-, Alkylether- oder C_1-25-Arylengruppe steht; R₄ für eine Trifluormethyl-, C_1-25-Alkyl-, C_1-25-Perfluoralkylen-, C_1-25-Aryl- oder eine andere E₁-Gruppe steht; und Q₁, Q₂ jeweils unabhängig voneinander für eine fluorierte Cyclobutyleinheit stehen.
Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Polymermembran die Polymersegmente 4 und 5 umfasst:
E₂-P₃-Q_Z-P₄ 5 wobei: Z₁ für -SO₂X, -PO₃H₂ oder -COX steht; E₁, E₂ jeweils unabhängig voneinander für eine aromatenhaltige und/oder aliphatenhaltige Einheit stehen; X für -OH, ein Halogenatom, eine Estergruppe oder
steht; d für die Anzahl der Gruppen Z₁ steht, die an R₈ gebunden sind; P₁, P₂, P₃, P₄ unabhängig voneinander jeweils abwesend sind oder für das Folgende stehen: -O-, -S-, -SO-, -CO-, -SO₂-, -NH-, -NR₂- oder -R₃-; R₂ für eine C_1-25-Alkyl-, C_1-25-Aryl- oder C_1-25-Arylengruppe steht; R₃ für eine C_1-25-Alkylen-, C_1-25-Perfluoralkylen-, Perfluoralkylether-, Alkylether- oder C_1-25-Arylengruppe steht; R₄ für eine Trifluormethyl-, C_1-25-Alkyl-, C_1-25-Perfluoralkylen-, C_1-25-Aryl- oder eine andere E₁-Gruppe steht; R₈(Z₁)_d für eine Einheit steht, die eine Anzahl d an protogenen Gruppen aufweist; und Q₁, Q₂ jeweils unabhängig voneinander für eine fluorierte Cyclobutyleinheit stehen.
Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Polymermembran die Polymersegmente 6 und 7 umfasst: E₁(SO₂X)_d-P₁-Q₁-P₂ 6 E₂-P₃-Q₂-P₄ 7 verbunden über eine Verbindungsgruppe L₁, wodurch die Polymereinheiten 8 und 9 gebildet werden:
wobei: Z₁ für -SO₂X, -PO₃H₂ oder -COX steht; E₁ für eine aromatenhaltige Einheit steht; E₂ für eine nicht sulfonierte aromatenhaltige und/oder aliphatenhaltige Einheit steht; L₁ für eine Verbindungsgruppe steht; X für -OH, ein Halogenatom, eine Estergruppe oder
steht; d für die Anzahl der funktionellen Gruppen Z₁ steht, die an E₁ gebunden sind; P₁, P₂, P₃, P₄ unabhängig voneinander jeweils abwesend sind oder für das Folgende stehen: -O-, -S-, SO-, -SO₂-, -CO-, -NH-, -NR₂- oder -R₃-; R₂ für eine C_1-25-Alkyl-, C_1-25-Aryl- oder C_1-25-Arylengruppe steht; R₃ für eine C_1-25-Alkylen-, C_1-25-Perfluoralkylen- oder C_1-25-Arylengruppe steht; R₄ für eine Trifluormethyl-, C_1-25-Alkyl-, C_1-25-Perfluoralkylen-, C_1-25-Aryl- oder eine andere E₁-Gruppe steht; Q₁, Q₂ jeweils unabhängig voneinander für eine fluorierte Cyclobutyleinheit stehen; i für die Anzahl der Wiederholungen des Polymersegments 6 steht; und j für die Anzahl der Wiederholungen des Polymersegments 7 steht.
Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Polymermembran die Polymersegmente 10 und 11 umfasst: E₁(Z₁)_d-P₁-Q₁-P₂ 10 wobei: Z₁ für -SO₂X, -PO₃H₂ oder -COX steht; E₁, E₂ jeweils unabhängig voneinander für eine aromatenhaltige oder aliphatenhaltige Einheit stehen, wobei mindestens eine Einheit aus E₁ und E₂ einen Aromaten enthält, der mit Z₁ substituiert ist; X für -OH, ein Halogenatom, eine Estergruppe oder
steht; d für die Anzahl der funktionellen Gruppen Z₁ steht, die an E₁ gebunden sind; f für die Anzahl der funktionellen Gruppen Z₁ steht, die an E₂ gebunden sind; P₁, P₂, P₃ unabhängig voneinander jeweils abwesend sind oder für das Folgende stehen: -O-, -S-, -SO-, -SO₂-, -CO-, -NH-, -NR₂- oder -R₃-; R₂ für eine C_1-25-Alkyl-, C_1-25-Aryl- oder C_1-25-Arylengruppe steht; R₃ für eine C_1-25-Alkylen-, C_1-25-Perfluoralkylen-, Perfluoralkylether-, Alkylether- oder C_1-25-Arylengruppe steht; R₄ für eine Trifluormethyl-, C_1-25-Alkyl-, C_1-25-Perfluoralkylen-, C_1-25-Aryl- oder eine andere E₁-Gruppe steht; und Q₁ für eine fluorierte Cyclobutyleinheit steht; mit der Maßgabe, dass dann, wenn d größer als Null ist, f Null ist, und dann, wenn f größer als Null ist, d Null ist.
Brennstoffzellensystem, welches das Folgende umfasst: einen Brennstoffzellenstapel, welcher eine Kathodenseite und eine Anodenseite aufweist; eine Membranbefeuchtungsvorrichtung, welche das Folgende umfasst: eine erste Strömungsfeldplatte, welche dafür geeignet ist, ein erstes Gas von der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels aufzunehmen; eine zweite Strömungsfeldplatte, welche dafür geeignet ist, das Strömen eines zweiten Gases dorthin zu erleichtern; und eine Polymermembran, welche zwischen dem ersten und zweiten Strömungsfeld angeordnet ist, wobei die Membran dafür geeignet ist, den Wassertransfer zuzulassen, wobei die Polymermembran ein erstes Polymer umfasst, welches ein Polymersegment auf weist, das das Polymersegment 1 umfasst: E₀-P₁-Q₁-P₂ 1 wobei: E₀ für eine Einheit steht, welche eine protogene Gruppe aufweist; P₁, P₂ unabhängig voneinander jeweils abwesend sind oder für das Folgende stehen: -O-, -S-, -SO-, -CO-, -SO₂-, -NH-, -NR₂- oder -R₃-; R₂ für eine C_1-25-Alkyl-, C_1-25-Aryl- oder C_1-25-Arylengruppe steht; R₃ für eine C_1-25-Alkylen-, C_1-25-Perfluoralkylen-, Perfluoralkylether-, Alkylether- oder C_1-25-Arylengruppe steht; und Q₁ für eine fluorierte Cyclobutyleinheit steht.