DE102012202832A1

DE102012202832A1 - Separatorrollen-membranbeschichtung für einen brennstoffzellen-befeuchter

Info

Publication number: DE102012202832A1
Application number: DE102012202832A
Authority: DE
Inventors: Annette M. Brenner; Timothy J. Fuller; Lijun Zou
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2012-08-30
Anticipated expiration: 2032-02-25
Also published as: US8657266B2; CN102651479B; CN102651479A; US20120217661A1; DE102012202832B4

Abstract

Wasserdampftransfereinheit mit Separatorplatten und ein Verfahren zur Herstellung derselben. In solch einer Anordnung können eine Ionomerbeschichtung, die einen Feuchtigkeitstransfer von einem feuchtigkeitsreichen Strömungspfad zu einem feuchtigkeitsarmen Strömungspfad erleichtert, und ein darunter liegender Separator mithilfe von kontinuierlichen Rollenverfahren hergestellt werden. Das Ionomer kann auf eine Separatoranordnung als letzter Verarbeitungsschritt aufgebracht werden, sodass die Bearbeitung der zerbrechlichen Membran bei einem Minimum gehalten wird.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen U.S.-Anmeldung Serien-Nr. 61/447 212, eingereicht am 28. Februar 2011.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein eine Art und Weise, eine Brennstoffzellen-Befeuchtereinheit zu verbessern, und im Spezielleren den Aufbau einer wasserdurchlässigen Membran innerhalb des Befeuchters und ein Verfahren zur Herstellung derselben.
In vielen Brennstoffzellensystemen wird Wasserstoff oder ein Wasserstoffreiches Gas durch ein Strömungsfeld an die Anodenseite einer Brennstoffzelle geliefert, während Sauerstoff (z. B. in Form von Luftsauerstoff) durch ein getrenntes Strömungsfeld hindurch an die Kathodenseite der Brennstoffzelle geliefert wird. Typischerweise ist ein geeigneter Katalysator (z. B. Platin) als eine Schicht auf einem porösen Diffusionsmedium angeordnet, das typischerweise aus einem Kohlenstoff oder -papier besteht, so dass die Kombination Elastizität, elektrische Leitfähigkeit und Gasdurchlässigkeit zeigt. Das katalytisierte Diffusionsmedium wird verwendet, um die Wasserstoffoxidation auf der Anodenseite und die Sauerstoffreduktion auf der Kathodenseite zu erleichtern. Ein elektrischer Strom, der durch die Zerlegung von Wasserstoff an der Anode erzeugt wird, wird von dem katalysierten Abschnitt des Diffusionsmediums und durch einen separaten Kreis hindurch geleitet, so dass er die Quelle für Nutzarbeit sein kann, während der ionisierte Wasserstoff durch ein weiteres Medium hindurch gelangt, das sich zwischen dem Diffusionsmedium der Anode und der Kathode befindet. Bei solch einem Durchgang verbindet sich der ionisierte Wasserstoff mit ionisiertem Sauerstoff an der Kathode, um Hochtemperatur-Wasserdampf als ein Reaktionsnebenprodukt zu bilden. In einer Form von Brennstoffzelle, die als die Protonenaustauschmembran- oder Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (in jedem Fall PEM) bezeichnet wird, ist das Medium für den Durchgang von ionisiertem Wasserstoff ein Elektrolyt in der Form einer perfluorierten Sulfonsäure-(PFSA)-Ionomermembran (wie z. B. Nafion^®). Diese geschichtete Struktur der Membran, die auf gegenüberliegenden Seiten von dem katalysierten Diffusionsmedium umgeben ist, wird üblicherweise als eine Membranelektrodenanordnung (MEA) bezeichnet und bildet eine einzelne Brennstoffzelle. Es können viele solcher einzelnen Zellen kombiniert werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, um den Leistungsausgang davon zu erhöhen.
Brennstoffzellen, insbesondere PEM-Brennstoffzellen, benötigen ausgewogene Wasserniveaus, um einen einwandfreien Betrieb sicherzustellen. Es ist z. B. wichtig, das Vorhandensein von zu viel Wasser in der Brennstoffzelle zu vermeiden, was ein Überfluten oder eine ähnliche Verstopfung der Reaktandenströmungsfeldkanäle zur Folge haben kann. Andererseits kann eine zu geringe Hydratation die elektrische Leitfähigkeit der Membran einschränken und zu einem vorzeitigen Zellenausfall führen. Was die Schwierigkeit erhöht, ein ausgewogenes Wasserniveau aufrechtzuerhalten, ist, dass viele konkurrierende Reaktionen in einer Brennstoffzelle stattfinden, welche lokale und allgemeine Hydratisierungsniveaus gleichzeitig erhöhen und herabsetzen.
Ein mögliches Verfahren, um geeignete Hydratisierungsniveaus über die gesamte Brennstoffzelle sicherzustellen, umfasst das Befeuchten eines oder beider Reaktanden, bevor sie in die Brennstoffzelle eintreten. Es kann z. B. Restwasser, das an dem Kathodenauslauf vorhanden ist, mit einer entsprechenden Befeuchtungsvorrichtung verwendet werden, um die Wahrscheinlichkeit des Austrocknens der Anode, der PFSA-Ionomermembran oder des Kathodenzulaufes zu verringern. Eine solche Befeuchtungsvorrichtung ist eine Wasserdampftransfer-(WVT, von water vapor transfer)-Einheit, die auch als ein Membranbefeuchter, ein Brennstoffzellenbefeuchter oder eine ähnliche Anordnung bezeichnet wird. Die WVT-Einheit entzieht die Feuchtigkeit aus einem feuchten Brennstoffzellenausgangsströmungspfad und bringt sie in den Zulaufpfad eines Reaktanden mit geringer Feuchtigkeit. Nassseitige und trockenseitige Reaktandenströmungspfade (z. B. ein Kathodenauslauf und ein Kathodenzulauf) stehen in der WVT-Einheit über einen oder mehrere Separator/en (auch als Separatorplatten bekannt) miteinander in Feuchtigkeitsaustauschverbindung. In einem speziellen Herstellungsansatz wird der Separator kontinuierlich als eine Rolle mit einem Paar von flachen porösen Schichten und einem Träger gebildet, die durch längliche Fäden beabstandet sind, welche zwischen ihnen angeordnet sind. Aus dieser kontinuierlichen Rolle kann die WVT-Einheit in Größen und Formen geschnitten werden, die für eine spezielle Brennstoffzellenanwendung benötigt werden. Beispiele von WVT-Einheiten sind in den US-Patenten 7 749 661 und 7 875 396 sowie in der veröffentlichten US-Patentanmeldung 2009/009 286 3 zu finden, die alle dem Anmelder der vorliegenden Erfindung erteilt wurden und deren gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme vollständig aufgenommen ist.
Der Austausch von Feuchte wird allgemein in der WVT-Einheit durch die Verwendung einer Ionomermembran bewerkstelligt, die zwischen benachbarten Fluidströmungspfaden mit hoher Feuchtigkeit und geringer Feuchtigkeit, welche in den Separatoren gebildet sind, angeordnet ist. Die allgemein flache Membran (die strukturell der oben erläuterten PFSA-Membran ähnlich sein kann) lässt zu, dass Wasserdampf von dem Fluid mit höherer Feuchtigkeit auf einer Seite zu dem Fluid mit weniger Feuchtigkeit auf der anderen Seite strömt, während das direkte Mischen der beiden Fluide, z. B. des Kathodenzulaufes und des Kathodenablaufes, welche durch die Strömungspfade hindurch transportiert werden, verhindert wird. In einer Konstruktionsform ist die Ionomermembran an einer benachbarten Trägerschicht (die eine dünne Schicht aus expandiertem Poly(tetrafluorethylen) (ePTFE) oder ein ähnliches Material sein kann) befestigt, um die Robustheit und die Handhabbarkeit der/des Membran und Trägers zu erhöhen, wie auch das Wandern des Ionomers in einen porösen Separator zu verhindern. Trotz solch einer Schichtung bleibt die Kombination in einer typischen Form dort zerbrechlich, wo die Ionomermembran zwischen 3 und 10 Mikrometer dick sein kann, während der Träger (der z. B. aus expandiertem Poly(tetrafluorethylen) (ePTFE) hergestellt sein kann) etwa 10 bis 30 Mikrometer dick sein kann.
Derzeitige Verfahren in Verbindung mit der Herstellung von WVT-Einheiten können die/der Ionomermembran und Träger übermäßiger Bearbeitung und diesbezüglichen rauen Bedingungen aussetzen, welche die Membranintegrität durch Schädigungsarten wie z. B. einem Durchbruch gefährden können. Gleichermaßen haben derzeitige Verfahren, die damit enden, dass wesentliche Abschnitte der Ionomermembran verworfen werden, Abfall und damit verbundene Kostensteigerungen zur Folge. Wie oben festgestellt, wird der Separator in Rollenform hergestellt; in solch einer Form befindet sich die Ionomermembran auf einer Trägerschicht aus Unterlagenmaterial, die als Teil des Separatorplatten-Herstellungsverfahrens entfernt werden muss. Diese Merkmale tragen wesentlich zu den Gesamtkosten beim Einbau von Ionomermembranen in die WVT-Einheit bei. Als solche sind Ansätze, die sowohl die Bearbeitung als auch die Kosten in Verbindung mit solch einem Membranmaterial reduzieren, bevorzugt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung können WVT-Einheiten (wie auch daraus hergestellte Anordnungen) gleichzeitig langlebiger und kostengünstiger hergestellt werden. Im Speziellen kann die Herstellung der Separatoren, die zusammengestapelt werden, um die WVT-Einheit zu bilden, derart zusammengesetzt sein, dass die feuchtigkeitsdurchlässige Ionomermembranschicht daran mit einer minimalen Gefahr einer Ionomermembranschichtschädigung befestigt wird. In einer Form der Erfindung kann die Ionomermembranschicht als ein letzter Schritt (d. h., unmittelbar bevor die Separatorplatten für den Zusammenbau der WVT-Einheit geschnitten werden) direkt auf eine Separatorrolle beschichtet werden, um dadurch das Ausmaß der Bearbeitung der Ionomermembranschicht zu minimieren. In einer Form weist die Separatorrolle einen ePTFE-Träger auf, der eine Sperre zwischen der Papierschicht des Separators und der Ionomermembranschicht, die aufgebracht wird, bildet. Im Spezielleren wird die ePTFE-Trägerschicht als eine Trägerbindung in der Form einer Trockenbindung (für die trockene Seite) oder einer Nassbindung (für die nasse Seite) mithilfe eines beliebigen bekannten Verfahrens wie z. B. ein thermisches oder Klebstoffmittel an dem Papier befestigt. Nach dem Anbringen der Ionomermembran an der jeweiligen oberen oder unteren Fläche der Trocken- oder Nassbindeschicht könnte die resultierende geschichtete Struktur dann direkt gestanzt und zum Endzusammenbau gestapelt werden.
Solch ein Aufbau hilft dabei, die Bearbeitung der Membran zu reduzieren, um einen Durchbruch zu reduzieren. Darüber hinaus eliminiert die direkte Befestigung der Ionomermembran die Notwendigkeit einer Unterlage; dies hilft dabei, Abfall zu reduzieren. In einer spezielleren Form kann eine zweite ePTFE-Schicht auf den Separator oder auf einen gegenüberliegenden Separator, der bereits ein gebundenes ePTFE aufweist, nasslaminiert werden, um eine zusätzliche Haltbarkeit zu fördern.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die nachfolgende detaillierte Beschreibung spezifischer Ausführungsformen ist am besten beim Lesen in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Strukturen mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind und in denen:
1 eine vereinfachte Version einer WVT-Einheit und die Feuchtigkeitsaustausch-Strömungspfade dadurch zeigt;
2A–E das Hinzufügen einer Ionomermembran zu einem Separator mithilfe eines Rollenverfahrens nach dem Stand der Technik zeigen;
3A–D eine Ausführungsform eines Rollenverfahrens zur Herstellung eines Separators durch Hinzufügen der Ionomermembran zu dem Separator als einen letzten Schritt gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigen;
4A–G repräsentative, alternative Ausführungsformen der nassen und trockenen Seiten von Separatoren der vorliegenden Erfindung zeigen, die in der WVT-Einheit von 1 verwendet werden können; und
5 ein Graph ist, der die Wasserdurchlässigkeitsleistung von Proben vergleicht, die gemäß dem Stand der Technik und gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden;
6(1)–(2) eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, die mit getrennten Plattenvorrichtungen verwendet werden kann.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 veranschaulicht eine WVT-Einheit 1 mit mehreren Schichten aus nassen und trockenen Separatoren für den Austausch von Feuchtigkeit. In einer Form kann die nasse Strömung 2 jene sein, die von einem Brennstoffzellen-Kathodenauslauf kommt, während die trockene Strömung 4 der Zulauf in die Brennstoffzellenkathode sein kann, wenngleich einzusehen ist, dass auch andere Strömungspfade innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung liegen.
2 zeigt ein Beispiel eines derzeitigen Verfahrens zur Herstellung der Komponenten einer WVT-Einheit 1. Es gibt trockenseitige Separatoren 10 und nassseitige Separatoren 15, wie in den 2A(1) und (2) gezeigt. Die trockenseitigen Separatoren 10 weisen zwei Schichten aus trockenem Papier 20 auf, die durch Abstandhalter 25 getrennt sind. Gleichermaßen weisen die nassseitigen Separatoren 15 zwei Schichten aus nassem Papier 30 auf, die durch Abstandhalter 35 getrennt sind. Das nasse und trockene Papier können jedes beliebige geeignete poröse Material sein, wie Fachleuten bekannt. Der Einfachheit halber wird das poröse Material als Papier bezeichnet.
Die Fäden oder Abstandhalter stellen einen Strömungspfad zwischen den beiden Schichten aus porösem Material bereit. Es sollte einzusehen sein, dass auf jeder Seite verschiedene Fäden oder Abstandhalter verwendet werden könnten, oder beide Seiten könnten dieselbe Art verwenden, falls erwünscht. Die trockenseitigen Separatoren 10 und die nassseitigen Separatoren 15 können mithilfe des in 2B gezeigten Verfahrens hergestellt werden. Das obere und das untere trockenseitige Papier 20 und die Abstandhalter 25 werden Rollen 40 zugeführt, welche die Schichten zusammenschweißen. Dieses Verfahren ist in der US-Anmeldung 2009/009 286 3 beschrieben, welche hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Die Ionomermembranschicht 45 wird auf eine Unterlagenschicht 50 beschichtet und die Trägerschicht 55 wird auf die Ionomermembranschicht 45 nasslaminiert, wie in 2C gezeigt.
Wie in 2D gezeigt, werden die Rollen der trockenseitigen Separatoren 10 oder der nassseitigen Separatoren 15, die in 2B gebildet wurden, dann mit der in 2C gebildeten Ionomermembranschichtstruktur verbunden. Die trockenseitige Separatorrolle 10 und die Ionomermembranschicht 45 mit der Trägerschicht 55 und der Unterlagenschicht 50 werden z. B. Rollen 60 zugeführt. In einer Form wird die Trägerschicht 55 mithilfe eines Heißschmelzklebstoffes, wie z. B. DuPont^TM Bynel^® auf das diffusionmediumähnliche Papier 20 oder 30 geklebt. Die Unterlagenschicht 50 wird entfernt, um den beschichteten trockenseitigen Separator 65 zu bilden. Auf dieselbe Weise würde ein beschichteter nassseitiger Separator 70 aus der nassseitigen Separatorrolle 15 und der Ionomermembranschicht 45, der Trägerschicht 55 und der Unterlagenschicht 50 gebildet werden. Dann werden die beschichteten Separatoren 65, 70 in die gewünschte Form gestanzt.
Die beschichteten Separatoren 65, 70 (in 2E(1) und (2) als getrennte Einheiten gezeigt, die bereits auf eine vorbestimmte Größe geschnitten wurden) können dann in der Art eines wiederholten Querstromes zusammengestapelt werden, um die WVT-Einheit 1 zu bilden.
In einer typischen Form kann die Ionomermembranschicht 45 eine Dicke zwischen etwa 3 und 10 Mikrometer aufweisen, während die Trägerschicht 55 eine Dicke zwischen etwa 10 und 30 Mikrometer oder weniger aufweist, wenn sie zusammengedrückt ist. Das nasse und das trockene Papier weist eine Dicke von etwa 100 Mikrometer auf und verhält sich mit Ausnahme der katalytischen und leitenden Funktion auf eine im Allgemeinen ähnliche Weise wie das poröse Diffusionsmedium der MEA.
Im Gegensatz dazu minimiert ein Ansatz zur Herstellung des beschichteten Separators gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung die Bearbeitung der Ionomermembranschicht 45. In dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird die Bearbeitung der Ionomermembranschicht 45 bis zum Ende des Herstellungsvorganges (d. h. unmittelbar vor dem Schneiden) aufgehoben, wie in 3 gezeigt. Darüber hinaus könnte eine thermische Bearbeitung (wie z. B. in einem in 3D gezeigten Ofen 75) verwendet werden, um die Haftung der Ionomermembranschicht 45 an der Trägerschicht 55 zu unterstützen. Das Wesen des Rollenverfahrens ist derart, dass die Verarbeitung und Bedingungen in Verbindung mit der Herstellung der beschichteten Separatoren die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung der Ionomermembranschicht 45 minimieren sollten.
Das trockenseitige Papier 20 und das nassseitige Papier 30 werden auf die Trägerschicht 55 geklebt, um die gebundenen Schichten 80, 85 zu bilden, wie in den 3A(1) und (2) gezeigt. Die Bindung kann mithilfe eines jeden bekannten Verfahrens, einschließlich der Verwendung von Wärme oder Klebstoff, z. B. eines Heißschmelzklebstoffes, gebildet werden. Dann werden die trocken- und nassseitigen Separatoren unter Verwendung des oben beschriebenen und in 3B gezeigten Verfahrens gebildet. Das obere und untere Papier kann entweder einfaches Papier 20, 30 oder Papier mit der daran befestigten Trägerschicht 80, 85 sein. In Abhängigkeit davon, welche Art von Papier verwendet wird, kann eine Vielfalt von trockenen und nassen Strukturen 90, 95, mit und ohne die Trägerschicht 55, gebildet werden, wie in den 3C(1–6) gezeigt. Es kann trockenes oder nasses Papier, das die Fäden umgibt (3C(1) und (2)), trockenes oder nasses Papier mit einer Trägerschicht 55 auf beiden Seiten (3C(3) und (4)) oder trockenes oder nasses Papier mit einer Trägerschicht 55 auf einer Seite (3C(5)–(6)) vorhanden sein.
Die trocken- und die nassseitigen Strukturen 90, 95 mit der Trägerschicht 55 können dann mit der Ionomermembranschicht 45 beschichtet werden, wie in 3D gezeigt. Die Beschichtung der Ionomermembranschicht 45 auf die Trägerschicht 55 kann mithilfe eines von zahlreichen Verfahren, wie z. B. Schlitzdüsenwerkzeug-, Gegenlaufbeschichtungs- oder Gravurbeschichtungsverfahren erreicht werden. Die beschichteten Strukturen 100, 105 können dann je nach Bedarf gestanzt werden.
Die 4(A–G) zeigen eine Vielzahl von Separator-Untereinheiten 100, 105, die gebildet und kombiniert werden können, um die WVT-Einheit zu bilden. Die WVT-Einheit wird in einer Querströmungsorientierung mit abwechselnden trockenen und nassen Untereinheiten 100, 105 gebaut. Die Untereinheiten sollten derart angeordnet sein, dass eine Ionomerschicht zwischen den trockenen und nassen Untereinheiten 100, 105 vorhanden ist. Die Separatoren können entweder auf keiner Seite oder auf einer Seite oder auf beiden Seiten mit einem Ionomer beschichtet sein und es kann ein Membranträger auf keiner Seite, auf einer Seite oder auf beiden Seiten vorhanden sein. Wenn eine Trägerschicht auf beiden Seiten vorhanden ist, kann die zusätzliche Schicht zum Tragen einen besseren Schutz für die Ionomerschicht bereitstellen. Es kann z. B. ein beschichteter nasser Separator 105 mit einem unbeschichteten trockenen Separator 100, mit einem Membranträger 55 nur auf dem beschichteten nassen Separator 105, wie in 4A(1) und (2) gezeigt, oder mit einem Membranträger 55 auf beiden, wie in 4B(1) und (2) gezeigt, kombiniert werden. Es kann ein unbeschichteter nasser Separator 105 mit einem beschichteten trockenen Separator 100, mit einem Membranträger 55 nur auf dem beschichteten trockenen Separator 100, wie in 4C(1) und (2) gezeigt, oder mit einem Membranträger 55 auf beiden, wie in 4D(1) und (2) gezeigt, kombiniert werden. Es kann eine Beschichtung auf sowohl dem nassen als auch dem trockenen Separator 105, 100 mit einem Membranträger 55 auf beiden Seiten, wie in den 4E(1) und (2) gezeigt, oder mit einem Membranträger 55 auf nur einer Seite, wie in den 4F(1) und (2) gezeigt, vorhanden sein. Es können auch nasse und trockene Separatoren, die auf beiden Seiten beschichtet sind, kombiniert werden, wie in den 4G(1) und (2). Die Separatoren, bei denen nur eine Seite beschichtet ist, sind wahrscheinlich einfacher zur verarbeiten, weil nur ein Durchlauf durch die Beschichtungsanlage stattfindet. Es sind auch weitere Ausführungsformen möglich.
Das Verfahren lässt die Verwendung von verschiedenen porösen Schichten, verschiedenen Ionomerschichten und/oder verschiedenen Trägerschichten auf den trockenen und nassen Seiten der WVT-Einheit oder auf verschiedenen Seiten einer Untereinheit zu, falls erwünscht.
5 ist eine graphische Darstellung der Wasserdurchlässigkeit für vier verschiedene Wassertransfermembranen. Die Wasserdurchlässigkeit wurde mit einer Kontrollprobe aus 25 μm homogener PFSA-Membran aus Nafion^® mit Rohkohlepapier als Basis verglichen, das eine Durchlässigkeit von 12000 gpu (Gaspermeationseinheiten) aufwies. Die Proben 1 und 2 wurden gemäß einem Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellt, während die Proben 3 und 4 gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden. Probe 1 war eine von Hand beschichtete Probe, bei der ein Ionomer auf ein Unterlagenmaterial gegossen wurde und ePTFE auf das Ionomer nasslaminiert wurde. Sie wurde unter Verwendung von Rohkohlepapier als Basis für sowohl nasse als auch trockene Papiere getestet. Probe 2 war eine rollengefertigte Probe, die unter Verwendung desselben Verfahrens wie Probe 1 hergestellt wurde.
Probe 3 war eine von Hand beschichtete Probe, bei der ein Ionomer auf ein Unterlagenmaterial gegossen wurde. Die ePTFE-Trägerschicht wurde thermisch auf das trockene Papier geklebt und das thermisch geklebte ePTFE/Papier wurde auf das Ionomer nasslaminiert. Sie wurde mit Rohkohlepapier als Basis für das nasse Papier getestet. Probe 4 war eine von Hand beschichtete Probe, bei der das Ionomer direkt auf ePTFE gegossen wurde, welches thermisch auf trockenes Papier geklebt wurde. Sie wurde mit Rohkohlepapier als Basis für nasses Papier getestet.
Probe 1 wies eine Leistung von etwa 16000 gpu und Probe 2 von etwa 15200 gpu auf. Probe 3 lag unter der Kontrolle bei 9300 gpu und Probe 4 lag sehr nahe bei der Kontrolle bei 11600 gpu.
In weiteren Studien wurde festgestellt, dass eine Leistungsreduktion von ungefähr 10% vorhanden ist, wenn die selektive Schicht in Richtung der nassen Seite der Vorrichtung vorhanden ist. Daher wird der ePTFE-Träger idealerweise auf das nassseitige Papier geklebt, um die optimale Orientierung aufrechtzuerhalten. Die Proben 3 und 4 wurden jedoch mit der selektiven Schicht in Richtung der nassen Seite der Vorrichtung getestet (Proben 1 und 2 wiesen die gewünschte Orientierung auf). Bei einer Korrektur der nicht optimalen Orientierung der selektiven Schicht würde die Wasserdurchlässigkeit von Probe 3 ungefähr 10000 gpu betragen (weniger als die Kontrolle) und bei Probe 4 etwa 12700 gpu (über der Kontrolle) betragen.
Wenn ein zusätzlicher Schutz der Ionomermembran erforderlich ist, kann eine weitere ePTFE-Schicht (ähnlich dem ePTFE-Träger) auf die Membran nasslaminiert werden oder beim Stapeln auf dem gegenüberliegenden Separator vorhanden sein. Es können zusätzliche Optimierungsmaßnahmen für zusätzliche Diffusionsmediumpapiere, Trägerschichten, Ionomerbeschichtungen und Kunstruktionszwecke implementiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform können die geklebten Schichten 80, 85 der 3A(1) und (2) mit der Ionomermembranschicht 45 beschichtet werden, wie in den 6(1) und (2) gezeigt. Diese Strukturen können in traditionellen getrennten Plattenvorrichtungen, wie z. B. jenen, die in dem US-Patent Nr. 7 749 661 beschrieben sind, welches hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist, verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung sieht eine hohe Flexibilität bei der Herstellung einer WVT-Einheit vor. Die nassen und trockenen Separatoren können aus verschiedenen Materialien hergestellt werden und verschiedene Schichtstrukturen aufweisen. Die Struktur und die Ionomer- und Trägerschichten können so gewählt sein, dass sie den besten Wasserdampftransport für jede Seite bereitstellen.
Es wird ferner darauf hingewiesen, dass Erwähnungen hierin, dass eine Komponente einer Ausführungsform auf eine spezielle Weise „ausgebildet” ist oder eine spezielle Eigenschaft oder Funktion in einer speziellen Weise erfüllt, strukturelle Erwähnungen im Gegensatz zu Erwähnungen für eine vorgesehene Verwendung sind. Im Spezielleren bezeichnen die Bezugnahmen auf die Art, in der eine Komponente „ausgebildet” ist, hierin einen bestehenden physikalischen Zustand der Komponente und sie sind als solche als eine eindeutige Anführung der strukturellen Faktoren der Komponente zu verstehen.
Es ist anzumerken, dass Ausdrücke wie „allgemein”, im Allgemeinen” und „typischerweise”, sofern sie hierin verwendet werden, nicht verwendet werden, um den Schutzumfang der beanspruchten Ausführungsformen einzuschränken oder zu implizieren, dass bestimmte Merkmale kritisch, wesentlich oder auch wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Ausführungsformen sind. Vielmehr sollen diese Ausdrücke lediglich spezielle Aspekte einer Ausführungsform kennzeichnen oder alternative oder zusätzliche Merkmale betonen, die in einer speziellen Ausführungsform verwendet werden können oder nicht.
Es wird darauf hingewiesen, dass, um Ausführungsformen hierin zu beschreiben und zu definieren, die Ausdrücke „im Wesentlichen”, „beträchtlich” und „ungefähr” hierin verwendet werden, um den natürlichen Grad von Unsicherheit darzustellen, der einem/r beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, Messung oder anderen Darstellung zugeordnet werden kann. Die Ausdrücke „im Wesentlichen”, „beträchtlich” und „ungefähr” werden hierin auch verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung in der grundlegenden Funktion des betrachteten Gegenstandes führt.
Nach der Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail und durch Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen derselben wird einzusehen sein, dass Abwandlungen und Varianten möglich sind, ohne von dem Schutzumfang der Ausführungsformen abzuweichen, der in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist. Im Spezielleren, wenngleich einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hierin als bevorzugt oder besonders vorteilhaft bezeichnet sind, wird in Erwägung gezogen, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt auf diese bevorzugten Aspekte beschränkt sind.
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 7749661 [0005, 0034]
US 7875396 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Komponente für eine Wasserdampftransfereinheit, umfassend, dass: eine Membranträgerschicht an eine erste poröse Schicht geklebt wird, um eine geklebte poröse Schicht zu bilden; und eine Ionomermembranschicht auf der Membranträgerschicht abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kleben der Membranträgerschicht an die erste poröse Schicht umfasst, dass Wärme oder ein Klebstoff verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kleben der Membranträgerschicht an die erste poröse Schicht umfasst, dass ein Heißschmelzklebstoff verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abscheiden der Ionomermembranschicht auf der Membranträgerschicht Schlitzdüsenwerkzeugbeschichten, Beschichten im Gegenlauf oder Gravurbeschichten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass: eine Schicht aus Abstandhaltern oder Fäden zwischen zwei geklebten porösen Schichten oder zwischen den geklebten porösen Schichten und einer zweiten porösen Schicht angeordnet wird, bevor die Ionomermembranschicht auf der Membranträgerschicht abgeschieden wird, wobei die Schicht aus Abstandhaltern oder Fäden einen Strömungspfad zwischen den beiden geklebten porösen Schichten oder der geklebten porösen Schicht und der zweiten porösen Schicht bildet.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei zwei geklebte poröse Schichten vorhanden sind und wobei die Ionomermembranschicht auf beiden Membranträgerschichten abgeschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die poröse Schicht auf einer Seite von der porösen Schicht oder der zweiten porösen Schicht auf der anderen Seite verschieden ist oder die Trägerschicht auf einer Seite von der Trägerschicht auf der anderen Seite verschieden ist oder die Ionomermembranschicht auf einer Seite von der Ionomermembranschicht auf der anderen Seite verschieden ist, oder Kombinationen daraus.
Wasserdampftransfereinheit, umfassend: eine nassseitige Separator-Untereinheit mit einer Struktur, die einen Separator umfasst; eine trockenseitige Separator-Untereinheit benachbart der nassseitigen Separator-Untereinheit, wobei die trockenseitige Separator-Untereinheit eine Struktur aufweist, die einen Separator umfasst; wobei die Struktur der nassseitigen Separator-Untereinheit oder der trockenseitigen Separator-Untereinheit oder beide ferner eine Ionomerschicht mit einer Trägermembran auf einer oder beiden Seiten des Separators umfasst/en, wobei die nassseitige Separator-Untereinheit und die trockenseitige Separator-Untereinheit derart positioniert sind, dass sich die Ionomerschicht zwischen der nassseitigen Separator-Untereinheit und der trockenseitigen Separator-Untereinheit befindet; und wobei die Struktur oder ein Material oder beide des nassseitigen Separators von der Struktur oder einem Material der trockenseitigen Separator-Untereinheit verschieden ist/sind.
Wasserdampftransfereinheit nach Anspruch 8, wobei die Struktur der nassseitigen Separator-Untereinheit oder der trockenseitigen Separator-Untereinheit oder beider eine Trägerschicht auf einer oder beiden Seiten des Separators umfasst.
Wasserdampftransfereinheit nach Anspruch 8, wobei die Struktur der nassseitigen Separator-Untereinheit und der trockenseitigen Separator-Untereinheit zumindest eine Ionomerschicht und zumindest eine Trägerschicht umfasst und wobei die Ionomerschicht der nassseitigen Separator-Untereinheit von der Ionomerschicht der trockenseitigen Separator-Untereinheit verschieden ist und/oder die Trägerschicht der nassseitigen Separator-Untereinheit von der Trägerschicht der trockenseitigen Separator-Untereinheit verschieden ist.