DE102010052997A1 - Gasdiffusionsmedium, hergestellt aus elektrisch leitenden Beschichtungen auf nichtleitenden Fasern - Google Patents

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Abstract

Eine Brennstoffzelle umfasst eine erste elektrisch leitende Platte und eine erste Gasdiffusionsschicht. Die erste Gasdiffusionsschicht ist über der ersten elektrisch leitenden Platte angeordnet. Charakteristisch umfasst die erste Gasdiffusionsschicht eine erste Faserlage, die mit einer elektrisch leitenden Schicht beschichtete Fasern aufweist. Eine erste Katalysatorschicht ist über der ersten Gasdiffusionsschicht angeordnet, und eine ionenleitende Membran ist über der ersten Katalysatorschicht angeordnet. Die Brennstoffzelle umfasst auch eine zweite Katalysatorschicht, die über der ionenleitenden Membran angeordnet ist, wobei eine zweite Gasdiffusionsschicht über der zweiten Katalysatorschicht angeordnet ist. Eine zweite elektrisch leitende Platte ist über der zweiten Gasdiffusionsschicht angeordnet. Es sind auch Verfahren zum Ausbilden der Gasdiffusionsschichten und der Brennstoffzelle vorgesehen.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Gasdiffusionsmedien für Brennstoffzellenanwendungen.
  • HINTERGRUND
  • Brennstoffzellen werden bei vielen Anwendungen als eine elektrische Energiequelle verwendet. Insbesondere werden Brennstoffzellen zur Verwendung in Kraftfahrzeugen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen. Eine üblicherweise verwendete Brennstoffzellenkonstruktion verwendet eine Festpolymerelektrolyt-(”SPE”)-Membran oder Protonenaustauschmembran (”PEM”), um einen Ionentransport zwischen der Anode und der Kathode bereitzustellen.
  • Bei Brennstoffzellen vom Protonenaustauschmembrantyp wird Wasserstoff an die Anode als Brennstoff geliefert und Sauerstoff an die Kathode als das Oxidationsmittel geliefert. Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O2) oder als Luft (eine Mischung aus O2 und N2) vorliegen. PEM-Brennstoffzellen besitzen typischerweise eine Membranelektrodenanordnung (”MEA”), in der eine Festpolymermembran einen Anodenkatalysator auf einer Seite und einen Kathodenkatalysator auf der entgegengesetzten Seite aufweist. Die Anoden- und Kathodenschichten einer typischen PEM-Brennstoffzelle sind aus porösen leitenden Materialien ausgebildet, wie verwobenem Graphit, graphitisierten Lagen oder Kohlepapier, um zu ermöglichen, dass der Brennstoff über die der Brennstofflieferelektrode zugewandten Oberfläche der Membran verteilt wird. Jede Elektrode besitzt fein geteilte Katalysatorpartikel (beispielsweise Platinpartikel), die auf Kohlenstoffpartikeln geträgert sind, um eine Oxidation von Wasserstoff an der Anode und eine Reduktion von Sauerstoff an der Kathode zu unterstützen. Protonen fließen von der Anode durch die ionenleitende Polymermembran an die Kathode, an der sie sich mit Sauerstoff kombinieren, um Wasser zu bilden, das von der Zelle ausgetragen wird. Typischerweise umfasst die ionenleitende Polymermembran ein Perfluorsulfonsäure-(PFSA-)Ionomer.
  • Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar poröser Gasdiffusionsschichten (”GDL”) angeordnet, die ihrerseits schichtartig zwischen einem Paar elektrisch leitender Elemente oder Platten angeordnet sind. Die Platten dienen als Stromkollektoren für die Anode und die Kathode und enthalten geeignete Kanäle und Öffnungen, die darin ausgebildet sind, um die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberfläche jeweiliger Anoden- und Kathodenkatalysatoren zu verteilen. Um effizient Elektrizität zu erzeugen, muss die Polymerelektrolytmembran einer PEM-Brennstoffzelle dünn, chemisch stabil, protonendurchlässig, nicht elektrisch leitend und gasimpermeabel sein. Bei typischen Anwendungen werden Brennstoffzellen in Gruppierungen vieler einzelner Brennstoffzellenstapel vorgesehen, um hohe Niveaus an elektrischer Energie bereitzustellen.
  • Gasdiffusionsschichten spielen eine multifunktionale Rolle in PEM-Brennstoffzellen. Beispielsweise wirken GDL als Diffusoren für an die Anoden- und die Kathodenschichten gelangenden Reaktandengase, während Produktwasser an das Strömungsfeld transportiert wird. Die GDL leiten auch Elektronen und übertragen an der MEA erzeugte Wärme an das Kühlmittel und wirken als eine Pufferschicht zwischen der weichen MEA und den steifen Bipolarplatten. Typischerweise sind die Gasdiffusionsschichten aus einem Kohlenstoffgewebe oder einem Vlies mit oder ohne eine daran befestigte mikroporöse Schicht geformt. Obwohl die gegenwärtigen Technologien zur Herstellung von Gasdiffusionsschichten vernünftig gut funktionieren, neigt der Aufbau dieser Brennstoffzellenkomponenten zu relativ hohen Kosten.
  • Demgemäß besteht ein Bedarf nach alternativen Verfahren und Zusammensetzungen zur Ausbildung von Gasdiffusionsschichten für Brennstoffzellenanwendungen.
  • ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung löst ein oder mehrere Probleme des Standes der Technik dadurch, dass bei zumindest einer Ausführungsform eine Brennstoffzelle vorgesehen wird, die ein Diffusionsmedium aufweist, das mit einer elektrisch leitenden Schicht beschichtete Fasern besitzt. Die Brennstoffzelle dieser Ausführungsform umfasst eine erste elektrisch leitende Platte und eine erste Gasdiffusionsschicht. Die erste Gasdiffusionsschicht ist über der ersten elektrisch leitenden Platte angeordnet. Charakteristisch umfasst die erste Gasdiffusionsschicht eine erste Faserlage, die mit einer elektrisch leitenden Schicht beschichtete Fasern besitzt. Eine erste Katalysatorschicht ist über der ersten Gasdiffusionsschicht angeordnet, und eine ionenleitende Membran ist über der ersten Katalysatorschicht angeordnet. Die Brennstoffzelle umfasst auch eine zweite Katalysatorschicht, die über der ionenleitenden Membran angeordnet ist, wobei eine zweite Gasdiffusionsschicht über der zweiten Katalysatorschicht angeordnet ist. Eine zweite elektrisch leitende Platte ist über der zweiten Gasdiffusionsschicht angeordnet.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen Diffusionsmediums vorgesehen. Das Verfahren dieser Ausführungsform umfasst einen Schritt, bei dem zumindest ein Abschnitt einer Mehrzahl von Fasern mit einer elektrisch leitenden Schicht beschichtet wird, um eine Mehrzahl beschichteter Fasern zu bilden. Diese Mehrzahl beschichteter Fasern wird dazu verwendet, eine Gasdiffusionsschicht für Brennstoffzellenanwendungen auszubilden. Bei einem optionalen Schritt wird eine mikroporöse Schicht auf die Gasdiffusionsschicht aufgetragen.
  • Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Zusammenbauen einer Brennstoffzelle vorgesehen. Das Verfahren dieser Ausführungsform umfasst einen Schritt, bei dem die oben dargestellte Gasdiffusionsschicht zwischen einer elektrisch leitenden Platte und einer Membranelektrodenanordnung (MEA) angeordnet wird. Eine zweite Gasdiffusionsschicht wird zwischen der Membranelektrodenanordnung und einer zweiten elektrisch leitenden Platte angeordnet.
  • Andere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle ist, die eine Gasdiffusionsschicht von einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung enthält;
  • 2 ein Flussdiagramm ist, das eine erste Variation eines Verfahrens zum Ausbilden einer Gasdiffusionsschicht bereitstellt;
  • 3 ein Flussdiagramm ist, das eine andere Variation eines Verfahrens zum Ausbilden einer Gasdiffusionsschicht bereitstellt; und
  • 4 ein Flussdiagramm ist, das eine Variation eines Verfahrens zum Ausbilden einer Brennstoffzelle bereitstellt, die Gasdiffusionsschichten enthält, die mit einer elektrisch leitenden Schicht beschichtete Fasern umfassen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Es wird nun detailliert Bezug auf derzeit bevorzugte Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung genommen, die die besten Arten zur Ausführung der Erfindung, die den Erfindern derzeit bekannt sind, bilden. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet. Es sei jedoch zu verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Daher sollen spezifische Einzelheiten, die hier offenbart sind, nicht als beschränkend sondern lediglich als eine repräsentative Basis für irgendeinen Aspekt der Erfindung und/oder als eine repräsentative Basis zur Unterrichtung des Fachmanns interpretiert werden, um die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise auszuführen.
  • Ausgenommen in den Beispielen oder wo dies ausdrücklich anderweitig genannt ist, sind alle numerischen Mengen in dieser Beschreibung, welche die Mengen von Material oder Reaktionsbedingungen und/oder Verwendung bezeichnen, beim Beschreiben des breitesten Umfangs der vorliegenden Erfindung als durch das Wort „ungefähr” modifiziert zu verstehen. Die Anwendung innerhalb der genannten Zahlenbegrenzungen ist im Allgemeinen bevorzugt. Sofern nicht gegenteilig ausgeführt, sind: Prozent, „Teile von” und Verhältniswerte pro Gewicht; beinhaltet die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien für einen vorgegebenen Zweck in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung als geeignet oder bevorzugt, dass Mischungen von zwei oder mehr der Mitglieder der Gruppe oder Klasse gleichermaßen geeignet oder bevorzugt sind; bezieht sich die Beschreibung von Konstituenten in chemischen Begriffen auf die Konstituenten zu der Zeit der Zugabe zu irgendeiner Kombination, welche in der Beschreibung spezifiziert ist, und schließt nicht notwendigerweise chemische Interaktionen zwischen den Konstituenten einer einmal vermischten Mischung aus; ist die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung hier auf alle nachfolgenden Verwendungen derselben Abkürzung und auf normale grammatikalische Abweichungen der anfänglich definierten Abkürzung anwendbar; und wird, sofern nicht gegenteilig ausgeführt, die Messung einer Eigenschaft durch dieselbe Technik, wie zuvor oder nachfolgend für dieselbe Eigenschaft dargelegt, bestimmt.
  • Es sei auch zu verstehen, dass diese Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsformen und Verfahren, wie nachfolgend beschrieben ist, beschränkt ist, da selbstverständlich spezifische Komponenten und/oder Bedingungen variieren können. Ferner dient die hier verwendete Terminologie nur dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und ist nicht dazu bestimmt, in irgendeiner Weise einzuschränken.
  • Es muss auch angemerkt werden, dass, wie in der Beschreibung und den angefügten Ansprüchen verwendet ist, die Singularform ”ein”, ”eine”, ”einer” und ”der”, ”die”, ”das” Pluralbezüge umfassen, sofern der Kontext dies nicht anderweitig deutlich angibt. Beispielsweise ist ein Bezug auf eine Komponente im Singular dazu bestimmt, eine Mehrzahl von Komponenten zu umfassen.
  • In dieser Anmeldung sind, wenn auf Veröffentlichungen Bezug genommen wird, die Offenbarungen dieser Veröffentlichungen in ihrer Gesamtheit hierdurch durch Bezugnahme in diese Anmeldung eingeschlossen, um den Stand der Technik, zu dem diese Erfindung gehört, besser zu beschreiben.
  • Bezug nehmend auf 1 ist eine Brennstoffzelle vorgesehen, die ein Gasdiffusionsmedium von einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung enthält. Die PEM-Brennstoffzelle 10 umfasst eine ionenleitende Polymermembran 12, die zwischen der ersten Katalysatorschicht 14 und der zweiten Katalysatorschicht 16 angeordnet ist. Bei einer Variation ist die erste Katalysatorschicht 14 eine Kathodenschicht, und die zweite Katalysatorschicht 16 ist eine Anodenschicht. Die Brennstoffzelle 10 umfasst auch elektrisch leitende Platten 20, 22 und Gaskanäle 24 und 26. Die Gasdiffusionsschicht 30 ist zwischen der elektrisch leitenden Platte 20 und der ersten Katalysatorschicht 14 angeordnet, und die Gasdiffusionsschicht 32 ist zwischen der elektrisch leitenden Platte 22 und der zweiten Katalysatorschicht 16 angeordnet. Eine oder beide der Gasdiffusionsschichten 30 und 32 umfassen Fasern, die mit einer elektrisch leitenden Schicht beschichtet sind, wie nachfolgend detaillierter dargestellt ist. Bei verschiedenen Verfeinerungen umfassen eine oder beide Gasdiffusionsschichten 30 und 32 eine Gewebe- oder Vlieslage aus beschichteten Fasern.
  • Weiter Bezug nehmend auf 1 ist bei einer Variation der vorliegenden Ausführungsform eine mikroporöse Schicht 34 zwischen der Gasdiffusionsschicht 30 und der ersten Katalysatorschicht 14 angeordnet, und eine mikroporöse Schicht 36 ist zwischen der Gasdiffusionsschicht 32 und der zweiten Katalysatorschicht 16 angeordnet.
  • Die Diffusionsschichten 30 und 32 enthalten jeweils Fasern, die mit einer elektrisch leitenden Schicht beschichtet sind, wie oben dargestellt ist. Bei einer Verfeinerung umfassen die Fasern elektrisch nichtleitende Fasern. Beispiele derartiger Fasern umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Glasfasern, Polymerfasern, Keramikfasern und Kombinationen daraus. Genauer umfassen Beispiele nützlicher Fasern, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Polyamidfasern, Nylonfasern, Polyesterfasern, Phenol-Formaldehydfasern, Polyvinylalkoholfasern, Polyvinylchloridfasern, Polyolefinfasern, Acrylfasern, Polyacrylnitrilfasern, Fasern aus aromatischem Polyamid, Polyethylenfasern, Polyurethanfasern, Fasern aus borhaltigem E-Glas (Siliziumdioxid-Calciumoxid-Aluminiumoxid-Boroxid), Fasern aus borfreiem E-Glas (Siliziumdioxid-Calciumoxid-Aluminiumoxid-Magnesiumoxid), Fasern aus D-Glas (Siliziumdioxid-Boroxid-Aluminiumoxid-Calciumoxid-Magnesiumoxid und Siliziumdioxid-Boroxid-Natriumoxid), Siliziumdioxid/Quarz-Fasern und Kombinationen daraus. Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung auch die Verwendung elektrisch leitender Fasern betrifft. In einem solchen Fall wird die elektrisch leitende Schicht dazu verwendet, die elektrische Leitfähigkeit der Fasern zu verbessern.
  • Bei einer Variation der vorliegenden Ausführungsform besitzen die Fasern, die mit einer elektrisch leitenden Schicht beschichtet sind, Längen zwischen etwa 3 mm bis etwa 65 mm. Längere Fasern sind gewöhnlich erwünscht, um eine Perkolation und Leitfähigkeit zu erhöhen. Jedoch besteht bei längeren Fasern die Tendenz, dass sie die Verarbeitung schwieriger machen und bei Brennstoffzellenanwendungen die Wahrscheinlichkeit eines Membranausfalles potentiell erhöhen können. Daher sind Faserlängen von etwa 6 mm akzeptabel. Bei einer weiteren Verfeinerung liegen Faserdurchmesser zwischen etwa 5 μm bis etwa 15 μm. Für ein gutes Gleichgewicht zwischen Packungsdichte und Faserfestigkeit ist ein Faserdurchmesser von etwa 7 bis etwa 10 μm akzeptabel.
  • Wie oben dargestellt ist, umfassen die Gasdiffusionsschichten 30 und 32 Fasern, die mit einer elektrisch leitenden Schicht beschichtet sind. Beispiele elektrisch leitenden Materials, das in diesen Schichten enthalten sein kann, umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Metallfilme (beispielsweise Gold, Platin, Ruthenium, Iridium, Nickel, Stahl, Chrom, Palladium, Nichrom, etc.), Kohlenstofffilme, Metallcarbidfilme, Filme aus elektrisch leitendem Oxid (beispielsweise Indiumzinnoxid, fluor- oder antimondotiertes Zinnoxid, niob- oder tantaldotiertes Titanoxid, etc.), Oxinitridfilme (beispielsweise Titanoxinitrid, Vanadiumoxinitrid, etc.) und Kombinationen daraus. Bei einer Verfeinerung der vorliegenden Ausführungsform besitzt die elektrisch leitende Schicht eine Dicke zwischen etwa 1 nm bis etwa 1 μm.
  • Das Konzept der Beschichtung nichtleitender Fasern mit einer leitenden Beschichtung wird als ein Mittel zur Nachbildung der elektrischen Eigenschaften relativ teurer Materialien für Gasdiffusionsmedien mit signifikant geringeren Kosten vorgeschlagen. Für eine leitende Faser mit einem Widerstand pro Länge von (R/L)c, einem spezifischen elektrischen Widerstand der leitenden Beschichtung von ρm und einem Durchmesser der nichtleitenden Faser von dnc kann die Beschichtungsdicke (tc), die notwendig ist, um die elektrischen Eigenschaften der leitenden Faser anzupassen, berechnet werden durch:
  • Figure 00100001
  • Ein Beispiel der Berechnung der obigen Formel ist wie folgt. Ein Gasdiffusionsmedium besteht aus Kohlenstofffasern mit einem Durchmesser von 7 μm und einem spezifischen elektrischen Widerstand von 2000 μΩ cm. Auf Grundlage dieser Werte beträgt der Widerstand pro Länge der leitenden Faser (R/L)c 5,2 × 109 μΩ/cm. Es können verschiedene leitende Materialien, die einen spezifischen elektrischen Widerstand besitzen, der wesentlich geringer als der der Basiskohlenstofffaser ist, auf eine im Wesentlichen nichtleitende Faser mit einem Durchmesser von 10 μm aufgetragen werden, um die elektrischen Eigenschaften des Standard-Gasdiffusionsmediums nachzubilden:
    Material spezifischer elektrischer Widerstand (μΩ cm) erforderliche Beschichtungsdicke (nm)
    Gold 2,2 1,3
    Wolfram 5,4 3,3
    Titan 70 42,7
    Titanoxinitrid 100 60,9
  • Bezug nehmend auf 2 ist ein Verfahren zum Ausbilden eines Gasdiffusionsmediums für Brennstoffzellenanwendungen vorgesehen. Ein erstes Fasersubstrat 40 umfasst eine Mehrzahl von Fasern 42. Bei einer Verfeinerung wird das Fasersubstrat 40 durch einen Nasslege-Prozess unter Verwendung eines Binders (beispielsweise PVA) geformt, um die Fasern aneinander zu halten). Bei einer weiteren Verfeinerung wird das Fasersubstrat 40 durch einen Trockenlege-Prozess geformt, bei dem die Fasern durch physikalische Verwirrung bzw. Verschränkung (beispielsweise Vernadeln oder Wasserstrahlsprühen, bezeichnet als ”Hydroentangling” bzw. ”Wasserstrahlverfestigung”) oder einen Vliesbildungsprozess aneinander gehalten werden. Bei Schritt a) wird das Fasersubstrat 40 mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet, um eine Mehrzahl beschichteter Fasern 44 zu bilden, die Gasdiffusionsschichten 30 und/oder 32 bilden. Zusätzlich dazu, dass die Fasern elektrisch leitend gemacht werden, kann die elektrisch leitende Schicht einen Stromdurchgang steigern und eine Faseranbindung verbessern, wenn ein geeignet eindringender Beschichtungsprozess verwendet wird (beispielsweise Chemical Vapor Deposition bzw. chemische Gasphasenabscheidung, Tauchbeschichtung, etc.).
  • Bezug nehmend auf 3 ist ein Verfahren zum Ausbilden eines Gasdiffusionsmediums für Brennstoffzellenanwendungen vorgesehen. Die Fasern 42 werden zuerst bei Schritt a) mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet, um eine Mehrzahl beschichteter Fasern 44 zu bilden. Die Mehrzahl beschichteter Fasern 44 wird dann bei Schritt b) in ein Fasersubstrat 46 geformt. Das Fasersubstrat 46 kann durch eine beliebige Anzahl von Verfahren geformt werden, die dem Fachmann zum Herstellen von Gasdiffusionsschichten für Brennstoffzellen bekannt sind. Beispielsweise wird das Fasersubstrat 46 entweder durch Verbinden der Fasern mit herkömmlichen karbonisierten Harzen oder irgendwie unter Verwendung der leitenden Beschichtung (d. h. durch Schmelzen/Schweißen, Diffusionsbonden, etc.) geformt, um die Fasern aneinander zu binden.
  • Bei jedem der Verfahren, die durch die 2 und 3 dargestellt sind, werden die Fasern mit einer leitenden Schicht beschichtet. Bei einer Variation werden die Fasern durch einen physikalischen Abscheidungsprozess beschichtet, wie durch Sputtern oder Verdampfung. Bei einer anderen Variation wird ein chemisches Verfahren, bei dem eine chemische Reaktion stattfindet, verwendet, um die elektrisch leitende Schicht auf die Fasern aufzutragen. Beispiele chemischer Verfahren umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, chemische Gasphasenabscheidung, Atomschichtabscheidung (ALD), chemische Gasphaseninfiltration (CVI) und Sprühpyrolyse. Die chemische Gasphasenabscheidung verwendet die Reaktion gasförmiger Reaktanden bei erhöhter Temperatur, um einen elektrisch leitenden Film abzuscheiden. Beispielsweise wird, wie in dem U.S. Patent Nr. 5,286,520 dargestellt ist, Zinntetrachlorid mit Wasser in der Anwesenheit eines Fluorkohlenstoffs bei erhöhten Temperaturen reagiert, um einen leitenden Film aus fluordotiertem Zinnoxid zu bilden. Die gesamte Offenbarung dieses Patentes ist hierdurch durch Bezugnahme eingeschlossen. Die Atomschichtabscheidung ist ein chemischer Prozess in der Dampf- bzw. Gasphase, der typischerweise zwei oder mehr nacheinander abgeschiedene chemische Vorläufer verwendet, sodass die Wechselwirkungen der Oberflächenchemie eine Konformität und eine gesteuerte Dicke der Schicht forcieren. Eine chemische Gasphaseninfiltration verwendet elektromagnetische Felder mit sorgfältig gesteuerten Reaktandenkonzentrationen und Temperaturprofilen innerhalb einer Reaktionskammer, um gleichförmige und eindringende Beschichtungen zu erreichen. Bei einer weiteren Ausführungsform wird die leitende Schicht durch ein Tauchbeschichtungsverfahren aufgetragen. Bei einer Variation wird die Lage tauchbeschichtet (2). Bei einer Verfeinerung dieser Variation wird ein Tauchverfahren mit einer Kohlenstoffvorläuferdispersion und anschließender Niedertemperaturcarbonisierung eingesetzt, um einen leitenden Film zu bilden.
  • Bei einer weiteren Variation werden die Fasern der 2 und 3 durch Elektroplattieren bzw. Galvanisieren, Elektroformen und elektrostatische Abscheidung beschichtet. Bei einer Variation der Elektroformung wird eine Opfervorlage/Form als eine Basis für die Diffusionsmaterialmetall-”Faser”-Form verwendet. Beispielsweise wird ein Kunststoff-”Gewebe” mit einer leitenden Schicht beschichtet, und dann wird der Kunststoff optional weggeschmolzen. Bei einer weiteren Variation werden leitende Partikel auf nichtleitende Fasern beschichtet und dann verschmolzen, um durch Sintern der Partikel einen kontinuierlichen Film zu bilden.
  • Bezug nehmend auf 4 ist ein Verfahren zum Zusammenbauen einer Brennstoffzelle, die die oben dargestellten Gasdiffusionsmedien enthält, vorgesehen. Das Fasersubstrat 46 umfasst eine Mehrzahl von Fasern, die mit einer elektrisch leitenden Schicht beschichtet sind. Die mikroporöse Schicht 50 wird auf das Fasersubstrat 46 in einem Schritt a) aufgetragen, um eine Verbundstoff- bzw. Kompositschicht 52 zu bilden. Die mikroporöse Schicht 50 wird durch Auftragen einer Mikroschichtzusammensetzung (beispielsweise eine Tinte oder Paste) auf das Fasersubstrat 46 geformt.
  • Bei einer Verfeinerung umfasst die Mikroschichtzusammensetzung Kohlenstoffpartikel (beispielsweise Ruß), Fluorkohlenstoffpolymer und ein optionales Lösemittel. Nachdem die Mikroschichtzusammensetzung auf das Fasersubstrat 46 aufgetragen ist, wird die Mikroschichtzusammensetzung bei einer erhöhten Temperatur gehärtet, um ein Anbinden der Mikroschicht an das Substrat zu bewirken. In Schritt b) wird eine Kompositschicht 52 zwischen der elektrisch leitenden Platte 20 und der Membranelektrodenanordnung 54 angeordnet. Schließlich wird der Aufbau der Brennstoffzelle dadurch vervollständigt, dass das Gasdiffusionsmedium 56 zwischen der elektrisch leitenden Platte 22 und der Membranelektrodenanordnung 54 angeordnet wird. Bei einer Variation der vorliegenden Ausführungsform umfasst die Gasdiffusionsschicht 56 eine Mehrzahl von Fasern, die mit einer elektrisch leitenden Schicht beschichtet sind, wie oben dargestellt ist. Bei einer weiteren Variation wird eine mikroporöse Schicht 58 auf die Gasdiffusionsschicht 56 aufgetragen, wie oben dargestellt ist.
  • Während Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht und beschrieben worden sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung veranschaulichen und beschreiben. Vielmehr ist der in der Anmeldung verwendete Wortlaut ein Wortlaut der Beschreibung anstatt der Beschränkung, und es sei zu verstehen, dass verschiedene Änderungen ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung durchgeführt werden können.
  • 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 5286520 [0030]

Claims (10)

  1. Brennstoffzelle, umfassend: eine erste elektrisch leitende Platte; eine erste Gasdiffusionsschicht, die über der ersten elektrisch leitenden Platte angeordnet ist, wobei die erste Gasdiffusionsschicht eine erste Faserlage umfasst, die mit einer elektrisch leitenden Schicht beschichtete Fasern aufweist; eine erste Katalysatorschicht, die über der ersten Gasdiffusionsschicht angeordnet ist; eine ionenleitende Membran, die über der ersten Katalysatorschicht angeordnet ist; eine zweite Katalysatorschicht, die über der ionenleitenden Membran angeordnet ist; eine zweite Gasdiffusionsschicht, die über der zweiten Katalysatorschicht angeordnet ist; und eine zweite elektrisch leitende Platte, die über der zweiten Gasdiffusionsschicht angeordnet ist.
  2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei eine erste mikroporöse Schicht zwischen der ersten Diffusionsschicht und der ersten Katalysatorschicht angeordnet ist und eine zweite mikroporöse Schicht zwischen der zweiten Katalysatorschicht und der zweiten Gasdiffusionsschicht angeordnet ist.
  3. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei die erste und zweite mikroporöse Schicht jeweils unabhängig Ruß- und PTFE-Partikel umfassen.
  4. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Fasern elektrisch nichtleitende Fasern umfassen.
  5. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Fasern eine Komponente umfassen, die aus der Gruppe gewählt ist, die aus Glasfasern, Polymerfasern, Keramikfasern und Kombinationen daraus besteht.
  6. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Fasern aus der Gruppe gewählt sind, die umfasst: Polyamidnylon, Polyesterfasern, Phenol-Formaldehydfasern, Polyvinylalkoholfasern, Polyvinylchloridfasern, Polyolefinfasern, Acrylfasern, Polyacrylnitrilfasern, Fasern aus aromatischem Polyamid, Polyethylenfasern, Polyurethanfasern und Kombinationen daraus.
  7. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitende Schicht eine Komponente umfasst, die aus der Gruppe gewählt ist, die aus Metallfilmen, Kohlenstofffilmen, Filmen aus leitendem Oxid, Oxinitridfilmen und Kombinationen daraus besteht.
  8. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitende Schicht eine Dicke zwischen etwa 1 nm bis etwa 1 μm aufweist.
  9. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die zweite Gasdiffusionsschicht eine zweite Faserlage umfasst, die mit einer elektrisch leitenden Schicht beschichtete Fasern umfasst.
  10. Verfahren zum Herstellung einer Brennstoffzelle, umfassend eine erste elektrisch leitende Platte, eine erste Gasdiffusionsschicht, die über der ersten elektrisch leitenden Platte angeordnet ist, eine erste Katalysatorschicht, die über der ersten Gasdiffusionsschicht angeordnet ist, eine ionenleitende Membran, die über der ersten Katalysatorschicht angeordnet ist, eine zweite Katalysatorschicht, die über der ionenleitenden Schicht angeordnet ist, eine zweite Gasdiffusionsschicht, die über der zweiten Katalysatorschicht angeordnet ist, und eine zweite Metallplatte, die über der zweiten Gasdiffusionsschicht angeordnet ist, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Mehrzahl von Fasern vorgesehen wird; zumindest ein Abschnitt der Mehrzahl von Fasern mit einer elektrisch leitenden Schicht beschichtet wird, um eine Mehrzahl beschichteter Fasern zu bilden; und die Mehrzahl beschichteter Fasern zwischen der ersten leitenden Platte und der ersten Katalysatorschicht angeordnet wird.
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