DE102011010891A1

DE102011010891A1 - High tortuosity diffusion medium

Info

Publication number: DE102011010891A1
Application number: DE102011010891A
Authority: DE
Inventors: Christian Wieser; Paul D. Nicotera
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2011-02-10
Publication date: 2012-05-31
Anticipated expiration: 2031-02-11
Also published as: CN102163723B; US20110207022A1; CN102163723A; DE102011010891B4; US8304145B2

Abstract

Diffusionsmedium zur Verwendung in einer PEM-Brennstoffzelle, umfassend: eine erste perforierte Schicht mit mehreren darin ausgebildeten Perforationen; eine zweite perforierte Schicht mit mehreren darin ausgebildeten Perforationen; eine elektrisch leitende poröse Abstandshalterschicht, die zwischen der ersten perforierten Schicht und der zweiten perforierten Schicht angeordnet ist; eine erste mikroporöse Schicht, die auf der ersten perforierten Schicht angeordnet ist; und eine zweite mikroporöse Schicht, die auf der zweiten perforierten Schicht angeordnet ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und insbesondere ein Diffusionsmedium für einen Brennstoffzelle, das ausgelegt ist, um das Wassermanagement in der Brennstoffzelle zu optimieren, wobei das Diffusionsmedium eine poröse Abstandshalterschicht, mehrere perforierte Schichten mit Perforationen unterschiedlicher Größe, Häufigkeit und Anordnung und mehrere mikroporöse Schichten umfasst, wobei die mikroporösen Schichten und die perforierten Schichten auf der porösen Abstandshalterschicht angeordnet sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellensysteme werden zunehmend als Leistungsquelle für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen verwendet. In Protonenaustauschmembran(PEM)-Brennstoffzellen (kurz vom engl. Proton Exchange Membrane) wird einer katalytischen Anodenelektrode der Brennstoffzelle Wasserstoff geliefert und einer katalytischen Kathodenelektrode der Brennstoffzelle wird Luft mit Sauerstoff als Oxidationsmittel geliefert. Die elektrochemische Reaktion, die zwischen den Reaktantgasen in der Brennstoffzelle erfolgt, verzehrt den Wasserstoff an der Anodenseite und den Sauerstoff an der Kathodenseite und erzeugt an der Kathodenseite Produktwasser in Flüssigkeits- und Dampfphase. PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodeneinheit (MEA) mit einer dünnen, Protonen übertragenden, nicht elektrisch leitenden Festpolymerelektrolytmembran, die an einer Seite mit der katalytischen Anodenelektrode und an einer gegenüberliegenden Seite mit der katalytischen Kathodenelektrode verbunden ist.
Bei PEM-Brennstoffzellen spielen Gasdiffusionsmedien eine wichtige Rolle. Die allgemein zwischen katalytischen Elektroden und den Strömungsfeldkanälen der Bipolarplatten in der Brennstoffzelle angeordneten porösen Gasdiffusionsmedien sehen Reaktant- und Produktpermeabilität, elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit sowie mechanische Abstützung für die weiche MEA vor. Ein effizienter Betrieb der Brennstoffzelle hängt von der Fähigkeit ab, in dem System ein effektives Wassermanagement vorzusehen. Bei PEM-Brennstoffzellen muss das Wassermanagement sorgfältig ausgewogen sein, um der Protonenaustauschmembran genügend Wasser zu liefern, damit sie ausreichend protonenleitend ist, und gleichzeitig Produktwasser zu entfernen, um sicherzustellen, dass die gasförmigen Reaktanten ohne Blockade durch Filme oder Rückstände flüssigen Wassers Zugang zu den katalytischen Elektroden haben.
Bei trockenen Betriebsbedingungen, bei denen der Brennstoffzelle die unbefeuchteten Reaktantgase zugeführt werden, was bevorzugt ist, um das Brennstoffzellensystem zu vereinfachen, ist Produktwasser hauptsächlich in Dampfphase vorhanden, d. h. das Auftreten von flüssigem Wasser erfolgt nicht oder nur in kleinen Mengen. In dieser Situation muss der Wasserdampf die Quelle für Membranbefeuchtung vorsehen, um Protonenleitfähigkeit vorzusehen. Der Feuchtegrad an der Position der Membran und der katalytischen Elektrode ist eng mit dem Gastransportwiderstand des Gasdiffusionsmediums verbunden, da der Dampf über das Diffusionsmedium in den Strömungsfeldkanal diffundiert. Folglich sind hohe Transportwiderstände erwünscht, um die Membran in trockenen Situationen durch Nutzen des Produktwasserdampfes befeuchtet zu halten. Nasse Betriebsbedingungen (bei denen die Reaktantgase mit Dampf gesättigt sind und Kondensation auftreten kann) liefern dagegen reichlich Wasser für Membranbefeuchtung, und es sind niedrige Transportwiderstände für Reaktantzugang und Wasserentfernung erforderlich.
Typischerweise haben in PEM-Brennstoffzellen verwendete Diffusionsmedien einen relativ konstanten Transportwiderstand über der gesamten Fläche der Medien, da die Struktur, die Größe und Häufigkeit der Poren in den Diffusionsmedien gleichmäßig sind. Weiterhin ist der Transportwiderstand von Materialien des Stands der Technik für gewöhnlich sehr niedrig. Die Leistung von Kraftfahrzeug-Brennstoffzellen, die solche gängige Diffusionsmedien verwenden, ist beschränkt, da Reaktantströme häufig an dem Zelleneinlass mit Wasserdampf gesättigt sind, aber entlang der Strömungsrichtung an dem Auslass zunehmend bis zum Kondensationspunkt mit Dampf gesättigt werden. Somit besteht über dem aktiven Bereich der Zelle von Strömungseinlass zu Strömungsauslass eine große Schwankungsbreite bezüglich Feuchte und elektrischem Strom (d. h. Wassererzeugung). Somit muss eine Rate der Produktwasserentfernung in nassen Betriebsbereichen nahe dem Zellenauslass mit der Notwendigkeit abgewogen werden, Wasser nahe dem Zelleneinlass zurückzuhalten, um die Membranhydratation aufrechtzuerhalten. Das ungelöste Problem liegt somit dann, ein Brennstoffzellen-Diffusionsmedium mit unterschiedlichem Transportwiderstand über dem aktiven Bereich vorzusehen, das an dem Zelleneinlass hohen Transportwiderstand für das Zurückhalten von Wasserdampf an der Membran und an dem Auslass, wo Wasser effektiv entfernt werden muss, niedrigen Transportwiderstand aufweist.
Der Gastransportwiderstand ist als ”f·h/D_eff” definiert, wobei ”f” ein geometrischer Faktor ist, um Steg-Kanal-Geometrie zu berücksichtigen, wenn die Messung des Gastransportwiderstands in einer Brennstoffzellenkonfiguration vorgenommen wird, ”h” die Schichtdicke ist und ”D_eff” der effektive Diffusionskoeffizient ist. Der effektive Diffusionskoeffizient beschreibt den Diffusionskoeffizienten der betrachteten Gasspezies (z. B. Wasserdampf) in dem Gasgemisch (z. B. Luft) bei Vorhandensein eines porösen Materials. Da einerseits der Feststoffanteil in dem porösen Material einen Teil des Raums füllt, der normalerweise für Diffusion und den Diffusionsstrom (Porositätseffekt) zugänglich ist, und andererseits die Poren über das poröse Material für gewöhnlich nicht gerade, sondern geneigt oder gekrümmt sind, wodurch die Weglänge verlängert wird (Tortuositätseffekt), ist der effektive Diffusionskoeffizient natürlich kleiner als der freie Diffusionskoeffizient. Die effektive Diffusionsfähigkeit von porösen Materialien ist typischerweise als D_eff = D·ε/τ definiert, wobei D der freie Diffusionskoeffizient der Spezies in dem Gemisch bei Fehlen des porösen Materials ist, ε die Porosität des porösen Materials (d. h. das Verhältnis des Porenvolumens zu dem gesamten Materialvolumen) ist und τ die Tortuosität des Transportpfads in den Poren des porösen Materials ist. Typischerweise ist das Verhältnis des freien Diffusionskoeffizienten zu dem effektiven Diffusionskoeffizienten D/D_eff ein quantitatives Maß, in wie weit das poröse Medium ein Hindernis für Diffusion und Diffusionsstrom darstellt. Die Ableitung des Gastransportwiderstandterms wird in der Schrift "D. Baker, C. Wieser, K. C. Nyerlin, und M. W. Murphy, "The Use of Limiting Current to Determine Transport Resistance in PEM Fuel Cells," ECS Transactions, Band 3, S. 989–999 (2006), beschrieben, die hiermit hierin durch Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen ist.
Da die Schichtdicke in Brennstoffzellenanwendungen aufgrund technischer Beschränkungen eingeschränkt ist, ist das Vergrößern des Transportwiderstands durch Vergrößern der Schichtdicke für gewöhnlich nicht möglich. Somit ist ein Verringern der effektiven Diffusionsfähigkeit erforderlich. Dies kann entweder durch Verringern der Porosität ε, Verstärken der Tortuosität τ oder beides erfolgen. Analytische Untersuchungen haben gezeigt, dass die Porosität signifikant verringert werden muss, um eine Wirkung zu zeigen, und dass weiterhin der Grad, auf den Porosität bei gängigen Materialien verringert werden kann (die willkürliche poröse Medien basierend auf Kohlenstofffaserpapieren mit Partikelbeschichtung aus Carbon-Ruß sind), ebenfalls beschränkt ist. Somit wurde ein Versuch unternommen, um die Tortuosität von Gasdiffusionsmedien gesteuert zu steigern.
Demgemäß ist die vorliegende Erfindung ein Diffusionsmedium, das dafür ausgelegt ist, eine unterschiedliche Wassermanagement-Fähigkeit zu bieten, um optimierte Brennstoffzellenleistung zu ermöglichen. Bei dem hierin beschriebenen Diffusionsmedium wird der Gastransportwiderstand des Diffusionsmediums bei Diffusion durch Verändern der Struktur, Größe, Häufigkeit und Anordnung der Poren, insbesondere mit dem Ziel, die Tortuosität zu verstärken, maximiert, wodurch eine in dem PEM für Hydratation zurückgehaltene Wasserdampfmenge maximiert wird. Gleichzeitig wird der Transportwiderstand des Diffusionsmediums durch Verändern der Struktur, Größe, Häufigkeit und Anordnung der Poren darin, insbesondere mit dem Ziel, die Tortuosität zu steuern, um den Transportwiderstand und die Tortuosität des Diffusionsmediums selektiv zu verändern, örtlich begrenzt und über dem Diffusionsmedium gesteuert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Einklang und in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wurde ein Diffusionsmedium entdeckt, das ausgelegt ist, um Wassermanagement zu optimieren, während auch die Leistung und Robustheit der Brennstoffzelle im Betrieb verbessert wird.
In einer Ausführungsform umfasst ein Diffusionsmedium zur Verwendung in einer PEM-Brennstoffzelle eine erste perforierte Schicht mit mehreren darin ausgebildeten Perforationen; eine zweite perforierte Schicht mit mehreren darin ausgebildeten Perforationen; eine elektrisch leitende poröse Schicht als Abstandshalter, die zwischen der ersten perforierten Schicht und der zweiten perforierten Schicht angeordnet ist; eine erste mikroporöse Schicht, die auf der ersten perforierten Schicht angeordnet ist; und eine zweite mikroporöse Schicht, die auf der zweiten perforierten Schicht angeordnet ist; wobei die mikroporösen Schichten in die Poren der ersten und der zweiten perforierten Schicht sowie in den porösen Abstandshalter eindringen können.
In einer Ausführungsform umfasst ein Diffusionsmedium zur Verwendung in einer PEM-Brennstoffzelle eine erste perforierte Schicht mit mehreren darin ausgebildeten Perforationen; eine zweite perforierte Schicht mit mehreren darin ausgebildeten Perforationen; eine elektrisch leitende poröse Abstandshalterschicht, die zwischen der ersten perforierten Schicht und der zweiten perforierten Schicht angeordnet ist; eine erste mikroporöse Schicht, die auf der ersten perforierten Schicht angeordnet ist; und eine zweite mikroporöse Schicht, die auf der zweiten perforierten Schicht angeordnet ist.
In einer anderen Ausführungsform umfasst ein Diffusionsmedium zur Verwendung in einer PEM-Brennstoffzelle eine erste perforierte Schicht mit mehreren darin ausgebildeten Perforationen, wobei die Perforationen der ersten perforierten Schicht so beabstandet sind, dass sie einen Perforationsdichtegradienten ergeben; eine zweite perforierte Schicht mit mehreren darin ausgebildeten Perforationen; eine elektrisch leitende poröse Abstandshalterschicht, die zwischen der ersten perforierten Schicht und der zweiten perforierten Schicht angeordnet ist; eine erste mikroporöse Schicht, die auf der ersten perforierten Schicht angeordnet ist; und eine zweite mikroporöse Schicht, die auf der zweiten perforierten Schicht angeordnet ist.
In einer anderen Ausführungsform umfasst ein Diffusionsmedium zur Verwendung in einer PEM-Brennstoffzelle eine erste perforierte Schicht mit mehreren darin ausgebildeten Perforationen; eine zweite perforierte Schicht mit mehreren darin ausgebildeten Perforationen, wobei ein Abstand zwischen den Perforationen der ersten perforierten Schicht größer als ein Abstand zwischen den Perforationen der zweiten perforierten Schicht ist; eine elektrisch leitende poröse Abstandshalterschicht, die zwischen der ersten perforierten Schicht und der zweiten perforierten Schicht angeordnet ist; eine erste mikroporöse Schicht, die auf der ersten perforierten Schicht angeordnet ist; und eine zweite mikroporöse Schicht, die auf der zweiten perforierten Schicht angeordnet ist.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorstehenden sowie andere Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen für den Fachmann ohne Weiteres aus der folgenden eingehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform bei Betrachtung im Hinblick auf die Begleitzeichnungen hervor, wobei:
1A eine unvollständige Querschnittansicht eines Gasdiffusionsmediums gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
1B eine Drauftansicht auf das Gasdiffusionsmedium von 1a ist, wobei eine erste mikroporöse Schicht entfernt ist.
2 eine unvollständige Querschnittansicht eines Gasdiffusionsmediums gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist;
3 eine unvollständige Querschnittansicht eines Gasdiffusionsmediums gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist;
4A eine unvollständige Querschnittansicht eines Gasdiffusionsmediums gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist;
48 eine Drauftansicht auf das Gasdiffusionsmedium von 4A ist, wobei eine erste mikroporöse Schicht entfernt ist.
5 eine Explosionsansicht eines Brennstoffzellenstapels ist, die zwei Brennstoffzellen zeigt und das in 4A und 4B gezeigte Gasdiffusionsmedium umfasst; und
6 eine unvollständige Querschnittansicht einer einzelnen PEM-Brennstoffzelle ist, die das in 4A und 4B gezeigte Gasdiffusionsmedium umfasst.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die folgende eingehende Beschreibung und beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und Zeichnungen dienen dazu, einem Fachmann das Herstellen und Nutzen der Erfindung zu ermöglichen, und sollen nicht den Schutzumfang der Erfindung in irgendeiner Weise beschränken.
1A und 1B veranschaulichen ein Gasdiffusionsmedium 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Diffusionsmedium 10 umfasst eine poröse Abstandshalterschicht 12, eine erste perforierte Schicht 14, eine zweite perforierte Schicht 16, eine erste mikroporöse Schicht 18 und eine zweite mikroporöse Schicht 20. Es versteht sich, dass eine Dicke des Diffusionsmediums 10 und der Schichten 12, 14, 16, 18, 20 derselben beruhend auf einer erwünschten Leistung einer Brennstoffzelle, in der das Diffusionsmedium 10 verwendet wird, variieren kann. Beruhend auf der vorstehenden Beschreibung des Konzepts der Tortuosität sollte die Dicke der porösen Abstandshalterschicht 12 minimiert werden, um Tortuosität des Diffusionsmediums 10 zu maximieren (und den elektrischen Widerstand durch die Ebene des Diffusionsmediums 10 zu minimieren). Natürlich muss die poröse Abstandshalterschicht 12 eine gewisse finite Dicke haben, um Gastransport dort zu ermöglichen, wo die Perforationen in der Schicht 14, 16 nicht ausgerichtet sind. Zum Steigern des Gastransportwiderstands kann aber eine poröse Abstandshalterschicht 12 mit einer minimierten Dicke die Wirkung der verstärkten Tortuosität durch Verringern des für Gastransport verfügbaren Querschnitts in der Ebene verbessern.
Wie gezeigt ist die poröse Abstandshalterschicht 12 ein zwischen den perforierten Schichten 14, 16 angeordnetes Kohlenstofffaserpapier (CFP, kurz vom engl. Carbon Fiber Paper). Die poröse Abstandshalterschicht 12 ist mit einem Fluorkohlenstoffpolymer wie etwa Polytetrafluorethylen (PTFE) (nicht gezeigt) behandelt. Es kann jedes herkömmliche CFP wie zum Beispiel Toray TGPH-060 verwendet werden. Es versteht sich, dass die poröse Abstandshalterschicht 12 auch ein Kohletuch, ein Schaum oder ein anderes herkömmliches Material sein kann, das ausgelegt ist, um elektrisch leitend und wärmeleitend zu sein. Weiterhin kann die poröse Abstandshalterschicht 12 nach Bedarf unbehandelt oder mit anderen Materialien als einem Fluorkohlenstoffpolymer behandelt sein.
Jede von erster perforierter Schicht 14 und zweiter perforierter Schicht 16 umfasst mehrere selektiv verteilte Perforationen 22. Die erste perforierte Schicht 14 ist zwischen der ersten mikroporösen Schicht 18 und der porösen Abstandshalterschicht 12 angeordnet. Die zweite perforierte Schicht 16 ist zwischen der zweiten mikroporösen Schicht 20 und der porösen Abstandshalterschicht 12 angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform sind die perforierten Schichten 14, 16 aus einer Graphitfolie gebildet. Die perforierten Schichten 14, 16 können aber aus anderen herkömmlichen Materialien wie etwa zum Beispiel Metallblechen, Polymermaterialien, Verbundmaterialien, imprägnierten Polymermaterialien oder beliebigen herkömmlichen elektrisch leitenden Materialien gebildet sein. Es versteht sich, dass die perforierten Schichten 14, 16 aus nicht leitenden Materialien gebildet sein können.
In der in 1A und 1B gezeigten Ausführungsform ist die Größe und Häufigkeit der Perforationen 22 pro Fläche, kollektiv als Perforationsdichte bekannt, der ersten perforierten Schicht 14 im Wesentlichen ähnlich der Perforationsdichte der zweiten perforierten Schicht 16. Die Perforationen 22 der ersten perforierten Schicht 14 sind aber von den Perforationen 22 der zweiten perforierten Schicht 16 versetzt, um eine Ausrichtung mit diesen zu vermeiden. Die Größe und Häufigkeit der Perforationen 22 in den perforierten Schichten 14, 16 kann weiter verändert werden, um eine andere offene Fläche (d. h. Porenvolumen) vorzusehen. Das Verringern der Häufigkeit der Perforationen 22 in den perforierten Schichten 14, 16 führt zu einer höheren Tortuosität (τ)(d. h. effektiven Porenlänge) des Diffusionsmediums 10. Ein gleichmäßiges Stück Graphitfolie kann verwendet werden, um die perforierten Schichten 14, 16 zu bilden, oder die perforierten Schichten 14, 16 können jeweils aus mehreren Graphitfolienlagen mit unterschiedlicher Größe und Häufigkeit der Perforationen, die zueinander benachbart angeordnet sind, gebildet werden. Die perforierten Schichten 14, 16 können auch aus Edelmetallen oder leitenden Oxiden bestehen, die mit Wasserstoff-Brennstoffzellen elektrochemisch kompatibel sind. Wenn das Material/die Materialien, das/die die mikroporösen Schichten 18, 20 bildet/bilden, ausreichend elektrisch leitend ist/sind und die perforierten Schichten 14, 16 mechanisch robust genug sind, dann kann die poröse Abstandshalterschicht 12 aus einem mikroporösen Schichtmaterial (einer Mischung aus leitenden und hydrophoben Partikeln) bestehen und/oder die perforierten Schichten 14, 16 können aus nicht leitenden Feststoffen wie etwa Polymerfilmen oder halbleitenden Feststoffen hergestellt sein. Alternativ können die perforierten Schichten 14, 16 unter Verwenden von Maskiertechniken oder photochemischen Behandlungen, um die erwünschten Perforationsmuster in diesen Schichten während oder nach der Filmbildung zu erzeugen, direkt auf die poröse Abstandshalterschicht 12 aufgebracht oder auf dieser ausgebildet werden.
Die gezeigte erste mikroporöse Schicht 18 und zweite mikroporöse Schicht 20 sind aus Carbon-Black-Partikeln gebildet. Die mikroporösen Schichten 18, 20 können auch aus einer Mischung von Carbon-Black-Partikeln und Fluorkohlenstoffpolymer gebildet sein. Die Dicke und die effektive Diffusionsfähigkeit der mikroporösen Schichten 18, 20 kann variieren, um den Transportwiderstand der mikroporösen Schichten 18, 20 nach Bedarf anzupassen. Es versteht sich, dass die erste mikroporöse Schicht 18 oder die zweite mikroporöse Schicht 20 nach Bedarf so ausgebildet werden können, dass sie die Abstandshalterschicht 12 sind und als diese dienen.
Zum Bilden des Diffusionsmediums 10 wird die poröse Abstandshalterschicht 12 hydrophob behandelt, z. B. mit PTFE, um eine behandelte poröse Abstandshalterschicht 12 zu bilden. Die perforierten Schichten 14, 16, die jeweils eine erwünschte offene Fläche und ein erwünschtes Perforationsmuster haben, werden aus einem Bogen Graphitfolie (nicht gezeigt) durch Walzen des Graphitbogens zwischen Walzen (nicht gezeigt) mit abstehenden Elementen, die ausgelegt sind, um die Perforationen 22 in der Folie zu erzeugen, um eine erwünschte Perforationsdichte zu ergeben, gebildet. Zum Bilden der perforierten Schichten 14, 16 kann nach Bedarf ein kontinuierlicher Prozess, der dem in U.S. Pat. Nr. 6,521,369 für Mercuri et al. beschriebenen ähnelt, das durch Bezugnahme hierdurch vollumfänglich hierin aufgenommen wird, oder ein aus mehreren Schritten bestehender Prozess verwendet werden. Die Größe und Platzierung der abstehenden Elemente auf den Walzen variieren beruhend auf dem erwünschten Muster, der erwünschten Form und Größe der Perforationen 22, um die erwünschte Perforationsdichte und den erwünschten Diffusionswiderstand durch das Diffusionsmedium 10 zu erhalten. Andere mechanische Verfahren zum Erzeugen der Perforationen und Perforationsmuster können zum Beispiel Laserbohren oder Wasserstrahlbohren umfassen. Es können auch chemische Verfahren verwendet werden, um durch Hinzufügen von ”flüchtigen” Partikeln oder Porenbildnern, die sich nach Wärmebehandlung oder einem Waschschritt zersetzen und Hohlräume hinterlassen, Perforationen in festen, frei stehenden Schichten zu erzeugen. Die perforierten Schichten 14, 16 können auf die poröse Abstandshalterschicht 12 gepresst werden, während die auf die Abstandshalterschicht aufgebrachte PTFE-Dispersion noch nass ist, oder die perforierten Schichten 14, 16 können nach Bedarf unter Verwenden von herkömmlichen Klebstoffen oder Heißpressverfahren an der porösen Abstandshalterschicht 12 zum Haften gebracht werden.
Als Nächstes wird eine (nicht gezeigte) Paste gebildet, die Carbon-Black-Partikel enthält. Die Paste wird auf einer ersten Seite 24 der ersten perforierten Schicht 14 aufgebracht, um die erste mikroporöse Schicht 18 zu bilden, wobei die erste mikroporöse Schicht 18 in die Perforationen 22 der ersten perforierten Schicht 14 eindringt. Die Paste wird auch auf einer ersten Seite 26 der zweiten perforierten Schicht 16 aufgebracht, um die zweite mikroporöse Schicht 20 zu bilden, wobei die zweite mikroporöse Schicht 20 in die Perforationen 22 der zweiten perforierten Schicht 16 eindringt. Dann lässt man die mikroporösen Schichten 18, 20 trocknen.
Die behandelte poröse Abstandshalterschicht 12, die perforierten Schichten 14, 16 und die mikroporöse Schicht 18, 20 werden dann bei oder nahe 380°C gesintert, um das Diffusionsmedium 10 zu bilden. Der Sinterprozess lässt die poröse Abstandshalterschicht 12, die perforierten Schichten 14, 16 und die mikroporösen Schichten 18, 20 aneinander haften. Das U.S. Patent Nr. 7,063,913 der gleichen Anmelderin für DIFFUSION MEDIA WITH A MICROPOROUS LAYER wird hiermit durch Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen, um Verfahren zum Erzeugen der Paste und anderer Materialien und Prozesse, die beim Erzeugen des Diffusionsmediums 10 verwendet werden, weiter zu beschreiben. Es versteht sich, dass bei Bilden der perforierten Schichten 14, 16 aus Polymermaterialien die poröse Abstandshalterschicht 12, die perforierten Schichten 14, 16 und die mikroporösen Schichten 18, 20 heißgepresst werden können, um die Schichten 12, 14, 16, 18, 20 aneinander haften zu lassen, und dass andere Verfahren zum Bilden des Diffusionsmediums 10 verwendet werden können.
2 zeigt ein Diffusionsmedium 210 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Die Ausführungsform von 2 ähnelt mit Ausnahme der nachstehenden Beschreibung dem Diffusionsmedium 10 von 1A und 1B. Wie die Struktur von 1A und 1B umfasst 2 Bezugszeichen in dem Zweihunderter-Bereich statt dem Zehnerbereich, wobei die verbleibenden zwei Stellen gleich sind. Das Diffusionsmedium 210 umfasst eine poröse Abstandshalterschicht 212, eine erste perforierte Schicht 214, eine zweite perforierte Schicht 216, eine erste mikroporöse Schicht 218 und eine zweite mikroporöse Schicht 220. Es versteht sich, dass eine Dicke des Diffusionsmediums 210 und der Schichten 212, 214, 216, 218, 220 derselben beruhend auf einer erwünschten Leistung einer Brennstoffzelle, in der das Diffusionsmedium 210 verwendet wird, variieren kann.
Wie gezeigt ist die poröse Abstandshalterschicht 212 ein zwischen den perforierten Schichten 214, 216 angeordnetes Kohlenstofffaserpapier (CFP). Die poröse Abstandshalterschicht 212 ist mit einem Fluorkohlenstoffpolymer wie etwa Polytetrafluorethylen (PTFE) (nicht gezeigt) behandelt. Es kann jedes herkömmliche CFP wie etwa das von Mitsubishi Rayon Company hergestellte MRC U-105 Papier verwendet werden. Es versteht sich, dass die poröse Abstandshalterschicht 212 auch ein Kohletuch, ein Schaum oder ein anderes herkömmliches Material sein kann, das ausgelegt ist, um elektrisch leitend und wärmeleitend zu sein. Weiterhin kann die poröse Abstandshalterschicht 212 nach Bedarf unbehandelt oder mit anderen Materialien als einem Fluorkohlenstoffpolymer behandelt sein. Weiterhin kann die poröse Abstandshalterschicht 212 nach Bedarf unbehandelt oder mit anderen Materialien als einem Fluorkohlenstoffpolymer behandelt sein.
Jede von erster perforierter Schicht 214 und zweiter perforierter Schicht 216 umfasst mehrere selektiv verteilte Perforationen 222. Die erste perforierte Schicht 214 ist zwischen der ersten mikroporösen Schicht 218 und der porösen Abstandshalterschicht 212 angeordnet. Die zweite perforierte Schicht 216 ist zwischen der zweiten mikroporösen Schicht 220 und der porösen Abstandshalterschicht 212 angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform sind die perforierten Schichten 214, 216 jeweils aus einer Graphitfolie gebildet. Die perforierten Schichten 214, 216 können aber aus anderen herkömmlichen Materialien wie etwa zum Beispiel Metallblechen, Polymermaterialien, Verbundmaterialien, imprägnierten Polymermaterialien oder beliebigen herkömmlichen elektrisch leitenden Materialien gebildet sein. Die perforierten Schichten 214, 216 können ebenfalls aus nicht leitenden Materialien gebildet sein, doch wäre der erwartete ohmsche Verlust bei einer solchen Konfiguration erwartet groß, so dass perforierte leitende Schichten bevorzugt sind.
In der in 2 gezeigten Ausführungsform unterscheidet sich die Perforationsdichte der ersten perforierten Schicht 214 von der Perforationsdichte der zweiten perforierten Schicht 216. Die Perforationsdichte der zweiten perforierten Schicht 216 ist im Wesentlichen gleichmäßig, während die Perforationsdichte der ersten perforierten Schicht 214 entlang einer Länge derselben variiert. Die Perforationsdichte entlang eines ersten Endes 56 der ersten peforierten Schicht 214 ist größer als eine Perforationsdichte entlang eines zweiten Endes 58 der ersten perforierten Schicht 214. Ein Abstand zwischen den Perforationen 222 nimmt schrittweise von dem ersten Ende 56 zu dem zweiten Ende 58 zu, was zu einem Perforationsdichtegradienten führt. Das erste Ende 56 mit der höchsten Perforationsdichte ist benachbart zu Reaktantauslassöffnungen von Brennstoffzellenplatten angeordnet, die benachbart zu dem Diffusionsmedium 210 angeordnet sind, während das zweite Ende 58 mit der niedrigsten Perforationsdichte benachbart zu Reaktanteinlassöffnungen der Brennstoffzellenplatten angeordnet ist. Die Perforationen 222 der ersten perforierten Schicht 214 sind von den Perforationen 222 der zweiten perforierten Schicht 216 versetzt, um eine Ausrichtung mit diesen zu vermeiden.
Die Größe und Häufigkeit der Perforationen 222 in den perforierten Schichten 214, 216 kann weiter verändert werden, um bei Bedarf ein anderes Volumen von Perforationen 222 vorzusehen. Das Verringern der Häufigkeit der Perforationen 222 in den perforierten Schichten 214, 216 führt zu einer höheren Tortuosität (τ)(d. h. effektiven Porenlänge) des Diffusionsmediums 210. Ein gleichmäßiges Stück Graphitfolie, Metall-, Polymer-, Verbundstoff- oder imprägnierte Polymerlagen können verwendet werden, um die perforierten Schichten 214, 216 zu bilden, oder die perforierten Schichten 214, 216 können jeweils aus mehreren dieser Lagen mit unterschiedlicher Größe und Häufigkeit der Perforationen, die zueinander benachbart angeordnet sind, gebildet werden. Weiterhin können die mehreren Lagen aus dem gleichen Material bestehen oder die Lagen können Kombinationen der miteinander gestapelten unterschiedlichen Materialien sein.
Die gezeigte erste mikroporöse Schicht 218 und zweite mikroporöse Schicht 220 sind aus Carbon-Black-Partikeln gebildet. Die mikroporösen Schichten 218, 220 können auch aus einer Mischung von Carbon-Black-Partikeln und Fluorkohlenstoffpolymer gebildet sein. Die Dicke und die effektive Diffusionsfähigkeit der mikroporösen Schichten 218, 220 können so gewählt werden, dass der Transportwiderstand der mikroporösen Schichten 218, 220 nach Bedarf selektiv verändert wird. Es versteht sich, dass die erste mikroporöse Schicht 218 oder die zweite mikroporöse Schicht 220 nach Bedarf so ausgebildet werden können, dass sie die Abstandshalterschicht 212 sind und als diese dienen.
Durch Verändern der Größe der Perforationen 222, der Perforationsdichte und des geometrischen Musters der Perforationen 222 der perforierten Schichten 214, 216 wird die gesamten Gasdiffusionseigenschaften durch die poröse Abstandshalterschicht 212 verändert. Durch Verringern der Größe und Häufigkeit der Perforationen 222 wird die Porosität (ε) gesenkt, während das Verringern der Häufigkeit der Perforationen 222 zu einer stärkeren Tortuosität (τ) des Diffusionsmediums 210 führt. Da die Perforationen 222 der ersten perforierten Schicht 214 von den Perforationen 222 der zweiten perforierten Schicht 216 versetzt sind, wird die Tortuosität des Diffusionsmediums 210 maximiert, wodurch die Weglänge maximiert wird, die die Reaktantgase zurücklegen, um durch die poröse Abstandshalterschicht 212 zu strömen. Da die Tortuosität selektiv erhöht oder verringert werden kann, können der Gastransport durch die poröse Abstandshalterschicht 212 und der Transportwiderstand derselben gesteuert werden. Da die erste perforierte Schicht 214 von dem ersten Ende 56 zu dem zweiten Ende 58 einen abnehmenden Perforationsdichtegradienten aufweist, nimmt die Tortuosität der perforierten Schicht schrittweise von dem ersten Ende 56 zu dem zweiten Ende 58 zu. Das Verhältnis zwischen dem freien Diffusionskoeffizienten (D) und dem effektiven Diffusionskoeffizienten (D_eff) durch die Gasdiffusionsschicht hängt sowohl von der Porosität als auch der Tortuosität des Diffusionsmediums 210 ab. Die Beziehung ist als
dargestellt. Demgemäß führt eine Verringerung der Größe und räumlichen Häufigkeit der Perforationen 222 in den perforierten Schichten 214, 216 des Diffusionsmediums 210 zu einer Zunahme
und die Abnahme der Perforationsdichte der ersten perforierten Schicht 214 von dem ersten Ende 56 zu dem zweiten Ende 58 führt zu einer Zunahme
von dem ersten Ende 56 zu dem zweiten Ende 58.
3 zeigt ein Diffusionsmedium 310 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Die Ausführungsform von 3 ähnelt mit Ausnahme der nachstehenden Beschreibung dem Diffusionsmedium 10 von 1A und 1B. Wie die Struktur von 1A und 1B umfasst 3 Bezugszeichen in dem Dreihunderterbereich statt dem Zehnerbereich, wobei die verbleibenden zwei Stellen gleich sind. Das Diffusionsmedium 310 umfasst eine poröse Abstandshalterschicht 312, eine erste perforierte Schicht 314, eine zweite perforierte Schicht 316, eine erste mikroporöse Schicht 318 und eine zweite mikroporöse Schicht 320. Es versteht sich, dass eine Dicke des Diffusionsmediums 310 und der Schichten 312, 314, 316, 318, 320 derselben beruhend auf einer erwünschten Leistung einer Brennstoffzelle, in der das Diffusionsmedium 310 verwendet wird, variieren kann.
Wie gezeigt ist die poröse Abstandshalterschicht 312 ein zwischen den perforierten Schichten 314, 316 angeordnetes Kohlenstofffaserpapier (CFP). Die poröse Abstandshalterschicht 312 ist mit einem Fluorkohlenstoffpolymer wie etwa Polytetrafluorethylen (PTFE) (nicht gezeigt) behandelt. Es kann jedes herkömmliche CFP wie etwa das von Mitsubishi Rayon Company hergestellte MRC U-105 Papier verwendet werden. Es versteht sich, dass die poröse Abstandshalterschicht 312 auch ein Kohletuch, ein Schaum oder ein anderes herkömmliches Material sein kann, das ausgelegt ist, um elektrisch leitend und wärmeleitend zu sein. Weiterhin kann die poröse Abstandshalterschicht 312 nach Bedarf unbehandelt oder mit anderen Materialien als einem Fluorkohlenstoffpolymer behandelt sein.
Jede von erster perforierter Schicht 314 und zweiter perforierter Schicht 316 umfasst mehrere selektiv verteilte Perforationen 322. Die erste perforierte Schicht 314 ist zwischen der ersten mikroporösen Schicht 318 und der porösen Abstandshalterschicht 312 angeordnet. Die zweite perforierte Schicht 316 ist zwischen der zweiten mikroporösen Schicht 320 und der porösen Abstandshalterschicht 312 angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform sind die perforierten Schichten 314, 316 jeweils aus einer Graphitfolie gebildet. Die perforierten Schichten 314, 316 können aber aus anderen herkömmlichen Materialien wie etwa zum Beispiel Metallblechen, Polymermaterialien, Verbundmaterialien, imprägnierten Polymermaterialien oder beliebigen herkömmlichen elektrisch leitenden Materialien gebildet sein. Die perforierten Schichten 314, 316 können ebenfalls aus nicht leitenden Materialien gebildet sein, doch wäre der erwartete ohmsche Verlust bei einer solchen Konfiguration erwartet groß, so dass perforierte leitende Schichten bevorzugt sind.
In der in 3 gezeigten Ausführungsform ist die Perforationsdichte der perforierten Schichten 314, 316 im Wesentlichen ungleichmäßig. Die Perforationen 322 der perforierten Schichten 314, 316 sind von im Wesentlichen gleicher Größe, während die Häufigkeit der Perforationen 322 über den jeweiligen Längen derselben variiert. Eine Perforationsdichte an einem ersten Ende 356 der peforierten Schichten 314, 316 ist größer als eine Perforationsdichte an einem zweiten Ende 358 der perforierten Schichten 314, 316. Der Abstand zwischen den Perforationen 322 der perforierten Schichten 314, 316 nimmt schrittweise von den jeweiligen ersten Enden 356 zu den jeweiligen zweiten Enden 358 zu, was zu einem Perforationsdichtegradienten führt. Das erste Ende 356 mit der höchsten Perforationsdichte ist benachbart zu Reaktantauslassöffnungen von Brennstoffzellenplatten angeordnet, die benachbart zu dem Diffusionsmedium 310 angeordnet sind, während das zweite Ende 358 mit der niedrigsten Perforationsdichte benachbart zu Reaktanteinlassöffnungen der Brennstoffzellenplatten angeordnet ist. Die Perforationen 322 der ersten perforierten Schicht 314 sind von den Perforationen 322 der zweiten perforierten Schicht 316 versetzt, um eine Ausrichtung mit diesen zu vermeiden.
Die Größe und Häufigkeit der Perforationen 322 in den perforierten Schichten 314, 316 kann weiter verändert werden, um bei Bedarf ein anderes Volumen von Perforationen 322 vorzusehen. Das Verringern der Häufigkeit der Perforationen 322 in den perforierten Schichten 314, 316 führt zu einer höheren Tortuosität (d. h. effektiven Porenlänge) des Diffusionsmediums 310. Ein gleichmäßiges Stück Graphitfolie kann verwendet werden, um die perforierten Schichten 314, 316 zu bilden, oder die perforierten Schichten 314, 316 können jeweils aus mehreren Graphitfolienlagen mit unterschiedlicher Größe und Häufigkeit der Perforationen, die zueinander benachbart angeordnet sind, gebildet werden.
Die gezeigte erste mikroporöse Schicht 318 und zweite mikroporöse Schicht 320 sind aus Carbon-Black-Partikeln gebildet. Die mikroporösen Schichten 318, 320 können auch aus einer Mischung von Carbon-Black-Partikeln und Fluorkohlenstoffpolymer gebildet sein. Die Dicke und die effektive Diffusionsfähigkeit der mikroporösen Schichten 318, 320 kann variieren, um den Transportwiderstand der mikroporösen Schichten 318, 320 nach Bedarf zu wählen.
Durch Verändern der Größe, der räumlichen Häufigkeit und des geometrischen Musters der perforierten Schichten 314, 316 wird die gesamten Gasdiffusionseigenschaften durch die poröse Abstandshalterschicht 312 verändert. Durch Verringern der Größe und Häufigkeit der Perforationen 322 wird die Porosität (ε) gesenkt, während das Verringern der Häufigkeit der Perforationen 322 zu einer stärkeren Tortuosität (τ) des Diffusionsmediums 310 führt. Da die Perforationen 322 der ersten perforierten Schicht 314 von den Perforationen 322 der zweiten perforierten Schicht 316 versetzt sind, wird die Tortuosität des Diffusionsmediums 310 maximiert. Bei einer maximierten Tortuosität wird der Weg, den die Reaktantgase zurücklegen, um durch die poröse Abstandshalterschicht 312 zu strömen, ebenfalls maximiert, wodurch Gastransport dadurch behindert und somit der Transportwiderstand derselben maximiert wird. Da die erste perforierte Schicht 314 von dem ersten Ende 356 zu dem zweiten Ende 358 einen abnehmenden Perforationsdichtegradienten aufweist, nimmt die Tortuosität der perforierten Schicht schrittweise von dem ersten Ende 356 zu dem zweiten Ende 358 zu. Das Verhältnis zwischen dem freien Diffusionskoeffizienten (D) und dem effektiven Diffusionskoeffizienten (D_eff) durch die Gasdiffusionsschicht hängt sowohl von der Porosität als auch der Toruosität des Diffusionsmediums 310 ab. Die Beziehung wird als
dargestellt. Demgemäß führt eine Verringerung der Größe und räumlichen Häufigkeit der Perforationen 322 in den perforierten Schichten 314, 316 des Diffusionsmediums 310 zu einer Zunahme von
und die Abnahme der Perforationsdichte der ersten perforierten Schicht 314 von dem ersten Ende 356 zu dem zweiten Ende 358 führt zu einer Zunahme von
von dem ersten Ende 356 zu dem zweiten Ende 358.
4A und 4B veranschaulichen ein Gasdiffusionsmedium 410 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Die Ausführungsform von 4A und 4B ähnelt mit Ausnahme der nachstehenden Beschreibung dem Diffusionsmedium 10 von 1A und 1B. Wie die Struktur von 1A und 1B umfassen 4A und 4B Bezugszeichen in dem Vierhunderterbereich statt dem Zehnerbereich, wobei die verbleibenden zwei Stellen gleich sind. Das Diffusionsmedium 410 umfasst eine poröse Abstandshalterschicht 412, eine erste perforierte Schicht 414, eine zweite perforierte Schicht 416, eine erste mikroporöse Schicht 418 und eine zweite mikroporöse Schicht 420. Es versteht sich, dass eine Dicke des Diffusionsmediums 410 und der Schichten 412, 414, 416, 418, 420 derselben beruhend auf einer erwünschten Leistung einer Brennstoffzelle, in der das Diffusionsmedium 410 verwendet wird, variieren kann.
Wie gezeigt ist die poröse Abstandshalterschicht 412 ein zwischen den perforierten Schichten 414, 416 angeordnetes Kohlenstofffaserpapier (CFP). Die poröse Abstandshalterschicht 412 ist mit einem Fluorkohlenstoffpolymer wie etwa Polytetrafluorethylen (PTFE) (nicht gezeigt) behandelt. Es kann jedes herkömmliche CFP wie etwa das von Mitsubishi Rayon Company hergestellte MRC U-105 Papier verwendet werden. Es versteht sich, dass die poröse Abstandshalterschicht 412 auch ein Kohletuch, ein Schaum oder ein anderes herkömmliches Material sein kann, das ausgelegt ist, um elektrisch leitend und wärmeleitend zu sein. Weiterhin kann die poröse Abstandshalterschicht 412 nach Bedarf unbehandelt oder mit anderen Materialien als einem Fluorkohlenstoffpolymer behandelt sein. Weiterhin kann die poröse Abstandshalterschicht 412 nach Bedarf unbehandelt oder mit anderen Materialien als einem Fluorkohlenstoffpolymer behandelt sein.
Jede von erster perforierter Schicht 414 und zweiter perforierter Schicht 416 umfasst mehrere selektiv verteilte Perforationen 422. Die erste perforierte Schicht 414 ist zwischen der ersten mikroporösen Schicht 418 und der porösen Abstandshalterschicht 412 angeordnet. Die zweite perforierte Schicht 416 ist zwischen der zweiten mikroporösen Schicht 420 und der porösen Abstandshalterschicht 412 angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform sind die perforierten Schichten 414, 416 jeweils aus einer Graphitfolie gebildet. Die perforierten Schichten 414, 416 können aber aus anderen herkömmlichen Materialien wie etwa zum Beispiel Metallblechen, Polymermaterialien, Verbundmaterialien, imprägnierten Polymermaterialien oder beliebigen herkömmlichen elektrisch leitenden Materialien gebildet sein. Die perforierten Schichten 414, 416 können ebenfalls aus nicht leitenden Materialien gebildet sein, doch wäre der erwartete ohmsche Verlust bei einer solchen Konfiguration erwartet groß, so dass perforierte leitende Schichten bevorzugt sind.
In der in 4A und 4B gezeigten Ausführungsform ist die Perforationsdichte der perforierten Schichten 414, 416 im Wesentlichen gleichmäßig. Die Perforationen 422 der perforierten Schichten 414, 416 sind von im Wesentlichen gleicher Größe, während der Abstand zwischen den Perforationen 422 derselben unterschiedlich ist. Der Abstand zwischen den Perforationen 422 der ersten perforierten Schicht 414 ist größer als der Abstand zwischen den Perforationen 422 der zweiten perforierten Schicht 416. Die Perforationen 422 der ersten perforierten Schicht 414 sind im Wesentlichen mit den Perforationen 422 der zweiten perforierten Schicht 416 an den zweiten Enden 458 derselben ausgerichtet, während die Perforationen 422 der ersten perforierten Schicht 414 von den Perforationen 422 der zweiten perforierten Schicht 416 an den ersten Enden 456 der perforierten Schichten 414, 416 vollständig versetzt sind, um eine Ausrichtung damit zu vermeiden. Die Perforationen 422 der ersten perforierten Schicht 414 werden zunehmend weniger ausgerichtet zu den Perforationen 422 der zweiten perforierten Schicht 416, je näher die Perforationen 422 zwischen den Enden 456, 458 zu dem ersten Ende 456 sind.
Die Größe und Häufigkeit der Perforationen 422 in den perforierten Schichten 414, 416 kann weiter verändert werden, um bei Bedarf ein anderes Volumen von Perforationen 422 vorzusehen. Das Verringern der Häufigkeit der Perforationen 422 in den perforierten Schichten 414, 416 führt zu einer höheren Tortuosität (d. h. effektiven Porenlänge) des Diffusionsmediums 410. Ein gleichmäßiges Stück Graphitfolie kann verwendet werden, um die perforierten Schichten 414, 416 zu bilden, oder die perforierten Schichten 414, 416 können jeweils aus mehreren Graphitfolienlagen mit unterschiedlicher Größe und Häufigkeit der Perforationen, die zueinander benachbart sind, gebildet werden.
46 angeordnet sein, um als zusätzliche Dichtscheiben zwischen den Komponenten des Brennstoffzellenstapels 28 zu denen. Die Diffusionsmedien 410 ist zwischen dem Endkontaktelement 40 und der MEA 30 angeordnet. Die Diffusionsmedien 410' ist zwischen der MEA 30 und einer Anodenseite der Bipolarplatte 34 angeordnet, und die Diffusionsmedien 410'' ist zwischen einer Kathodenseite der Bipolarplatte 34 und der MEA 32 angeordnet. Die Diffusionsmedien 410''' ist zwischen der MEA 32 und dem Endkontaktelement 42 angeordnet.
Wenn der Brennstoffzellenstapel 28 im Einsatz ist, wird dem Endkontaktelement 42 und der Anodenseite der Bipolarplatte 34 des Brennstoffzellenstapels 28 von einer Wasserstoffquelle 48 durch eine Leitung 50 Wasserstoff zugeführt. Dem Endkontaktelement 40 und der Kathodenseite der Bipolarplatte 34 wird von einer Sauerstoffquelle 52 durch die Leitung 50 Sauerstoff zugeführt. Alternativ kann der Kathodenseite Umgebungsluft als Oxidationsmittel zugeführt werden und der Anode kann Wasserstoff von einem Methanol- oder Benzinreformer zugeführt werden.
6 zeigt einen Teil einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels 28 von 5 in zusammengebautem Zustand. Wie gezeigt umfasst die MEA 30 eine Protonenaustauschmembran 30a, die zwischen einer Anodenelektrode 30b und einer Kathodenelektrode 30c sandwichartig eingeschlossen ist. Die MEA 30 ist zwischen dem Diffusionsmedium 410 und dem Diffusionsmedium 410' angeordnet. Die Diffusionsmedien 410, 410' und die MEA 30 sind zwischen dem Endkontaktelement 40 und der Anodenseite der Bipolarplatte 34 angeordnet. Das Diffusionsmedium 410 ist zwischen dem Endkontaktelement 40 und der MEA 30 angeordnet, wobei die erste mikroporöse Schicht 418 des Diffusionsmediums 410 benachbart zu dem Endkontaktelement 40 angeordnet ist und die zweite mikroporöse Schicht 420 benachbart zu der Kathodenelektrode 30c angeordnet ist. Das Diffusionsmedium 410 ist zwischen der Anodenseite der Bipolarplatte 34 und der MEA 30 angeordnet, wobei die zweite mikroporöse Schicht 420' benachbart zu der Anodenelektrode 30b ist und die erste mikroporöse Schicht 418' benachbart zu der Bipolarplatte 34 ist. Die perforierten Schichten 414', 416' des Diffusionsmediums 410' sind im Wesentlichen ähnlich den perforierten Schichten 414, 416 des Diffusionsmediums 410.
Wenn die Diffusionsmedien 410, 410' in einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels 28 im Einsatz sind, wird an der Anodenseite der Brennstoffzellen der Wasserstoff katalytisch in Protonen und Elektronen gespalten. Die Protonen dringen durch die Membran 30a zu der Kathodenseite durch. Die Elektronen bewegen sich entlang einer externen Lastschaltung (nicht gezeigt) zu der Kathodenseite der MEA 30, wodurch eine Abgabe elektrischen Stroms des Brennstoffzellenstapels 28 erzeugt wird. Indessen wird Sauerstoff zu der Kathodenseite der MEA 30 geliefert. An der Kathodenseite reagieren Sauerstoffmoleküle mit den Protonen, die durch die Membran 30a dringen, und den Elektronen, die durch die externe Schaltung ankommen, um (nicht gezeigte) Wassermoleküle zu bilden. Während nasser Betriebsbedingungen oder an nassen Bereichen der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 28 absorbieren Diffusionsmedien 410, 410' überschüssiges Produktwasser und/oder führen es ab, um ein Fluten der Elektroden 30c und 30b zu vermeiden und um auch einen Grad an Hydratation der Membran 30a beizubehalten, um während trockener Betriebsbedingungen oder an trockenen Bereichen der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 28 eine angemessene Protonenleitfähigkeit zu erhalten. Überschüssiges Wasser in den Diffusionsmedien 410, 410' wird durch (nicht gezeigte) Sammelleitungen durch die Strömung von Wasserstoff und Sauerstoffgas benachbart zu und durch die Diffusionsmedien 410, 410' aus dem Brennstoffzellenstapel 28 entfernt.
Das Wassermanagement in dem Brennstoffzellenstapel 28 ist für erfolgreichen langfristigen Betrieb des Brennstoffzellenstapels 28 unabdingbar. Die Diffusionsmedien 410, 410' unterstützen das Wassermanagement in dem Brennstoffzellenstapel 28 durch Entfernen von Produktwasser aus den Elektroden der Brennstoffzellen, was zu optimierter Brennstoffzellenleistung führt. Die Diffusionsmedien 410, 410' haben mehrere spezifische Funktionen. Die Diffusionsmedien 410, 410' bieten dem Reaktantgas von den Strömungskanälen 44 Zugang zu Elektrodenschichten 30b, 30c. Ferner sind die Diffusionsmedien 410, 410' elektrisch leitend und wärmeleitend, um Elektronenpfade und Wärmeabfuhr für den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 28 vorzusehen. Ferner erleichtern die Diffusionsmedien 410, 410' die Entfernung von Produktwasser von der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 28 und geben das Wasser dann zur Entfernung aus dem Brennstoffzellenstapel 28 in die Strömungskanäle 44 ab.
Für den für Kraftfahrzeuganwendungen ausgelegten PEM-Brennstoffzellenstapel 28 ist eine trockenere eingeschwungene Betriebsbedingung günstig, was es erforderlich macht, dass das Diffusionsmedium 410 eine adäquate Wasserrückhaltefähigkeit hat, um eine erwünschte Hydratation der Membran 30a beizubehalten. Da Diffusionsmedien mit hohen Diffusionswiderständen ebenfalls Reaktantmassentransport verringern, sollten die Diffusionseigenschaften des Diffusionsmediums 410 geeignet gewählt werden. In Bereichen des aktiven Bereichs der Brennstoffzelle mit einer hohen lokalen relativen Feuchte und einer niedrigen Reaktantkonzentration, wie etwa nahe den Reaktantgasauslässen der Platten 34, 40, 42, kann die Leistung durch Verwenden eines Diffusionsmediums 410 mit niedrigem Diffusionswiderstand und niedriger Tortuosität optimiert werden. Demgemäß ist das zweite Ende 458 des Diffusionsmediums 410 benachbart zu den Reaktantgasauslässen der Bipolarplatte 34 angeordnet. In Bereichen des aktiven Bereichs der Brennstoffzelle mit einer niedrigen lokalen relativen Feuchte und einer hohen Reaktantkonzentration, wie etwa nahe den Reaktantgaseinlässen der Platten 34, 40, 42, kann die Leistung durch Verwenden eines Diffusionsmediums 410 mit hohem Diffusionswiderstand und hoher Tortuosität optimiert werden. Demgemäß ist das erste Ende 456 des Diffusionsmediums 410 benachbart zu den Reaktantgaseinlässen der Bipolarplatte 34 angeordnet. Wie hierin verwendet ist der aktive Bereich als die Fläche einer einzelnen Brennstoffzelle definiert, die für chemische Reaktion verfügbar ist. Die Größe der aktiven Fläche kann beruhend auf der gesamten Fläche der Brennstoffzelle, die ausgelegt ist, um Kühlung, Reaktantverteilung und Abdichtmechanismen Rechnung zu tragen, variieren.
Aus der vorstehenden Beschreibung kann ein Durchschnittsfachmann mühelos die wesentlichen Eigenschaften dieser Erfindung feststellen und kann ohne Abweichen vom Wesen und Schutzumfang derselben verschiedene Änderungen und Abwandlungen an der Erfindung vornehmen, um diese an verschiedene Einsatzmöglichkeiten und Bedingungen anzupassen.
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 6521369 [0029]
US 7063913 [0031]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

”D. Baker, C. Wieser, K. C. Nyerlin, und M. W. Murphy, ”The Use of Limiting Current to Determine Transport Resistance in PEM Fuel Cells,” ECS Transactions, Band 3, S. 989–999 (2006) [0006]

Claims

Diffusionsmedium zur Verwendung in einer PEM-Brennstoffzelle, umfassend: eine erste perforierte Schicht mit mehreren darin ausgebildeten Perforationen; eine zweite perforierte Schicht mit mehreren darin ausgebildeten Perforationen; eine elektrisch leitende poröse Abstandshalterschicht, die zwischen der ersten perforierten Schicht und der zweiten perforierten Schicht angeordnet ist; eine erste mikroporöse Schicht, die auf der ersten perforierten Schicht angeordnet ist; und eine zweite mikroporöse Schicht, die auf der zweiten perforierten Schicht angeordnet ist.
Diffusionsmedium nach Anspruch 1, wobei die poröse Abstandshalterschicht ein Kohlenstofffaserpapier, ein Schaum, die erste mikroporöse Schicht oder die zweite mikroporöse Schicht ist.
Diffusionsmedium nach Anspruch 1, wobei die erste perforierte Schicht und die zweite perforierte Schicht aus Graphitfolie gebildet sind.
Diffusionsmedium nach Anspruch 1, wobei die erste mikroporöse Schicht und die zweite mikroporöse Schicht ein Kohlenstoffpulver, ein Fluorkohlenstoffpolymer und ein Gemisch aus Kohlenstoffpulver und einem Fluorkohlenstoffpolymer sind.
Diffusionsmedium nach Anspruch 1, wobei die Perforationen der ersten dünnen perorierten Schicht in manchen Bereichen mit den Perforationen der zweiten perforierten Schicht ausgerichtet sind und in anderen Bereichen von den Perforationen der zweiten perforierten Schicht wesentlich versetzt sind.
Diffusionsmedium nach Anspruch 1, wobei die Perforationen der ersten perforierten Schicht selektiv beabstandet sind, um einen erwünschten Perforationsdichtegradienten, eine erwünschte Perforationsverteilung oder eine willkürliche Perforationsverteilung zu ergeben.
Diffusionsmedium nach Anspruch 1, wobei ein Abstand zwischen den Perforationen der ersten perforierten Schicht größer als ein Abstand zwischen den Perforationen der zweiten perforierten Schicht ist.
Diffusionsmedium nach Anspruch 7, wobei die Perforationen an einem ersten Ende der ersten perforierten Schicht mit den Perforationen eines ersten Endes der zweiten perforierten Schicht ausgerichtet sind und die Perforationen an einem zweiten Ende der ersten perforierten Schicht von den Perforationen eines zweiten Endes der zweiten perforierten Schicht versetzt sind.
Diffusionsmedium nach Anspruch 1, wobei die erste perforierte Schicht aus mehreren perforierten Schichten gebildet ist.
Diffusionsmedium nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite mikroporöse Schicht, die poröse Abstandshalterschicht und die erste und die zweite perforierte Schicht miteinander gesintert sind.