DE102015208239A1 - Mikroporöse schicht für eine brennstoffzelle mit verbesserter eisspeicherung - Google Patents

Abstract

Eine Brennstoffzelle enthält eine Kathode mit einer ersten Gasdiffusionsschicht und einer ersten Katalysatorschicht, eine Anode mit einer zweiten Gasdiffusionsschicht und einer zweiten Katalysatorschicht und eine zwischen der Kathode und der Anode angeordnete Protonenaustauschmembran. Eine mikroporöse Schicht ist zwischen der ersten Gasdiffusionsschicht und der ersten Katalysatorschicht angeordnet. Die mikroporöse Schicht definiert mehrere Domänen, die sich zwischen gegenüberliegenden Oberflächen der mikroporösen Schicht erstrecken. Unter Gefrierbedingungen ist die mikroporöse Schicht ausgelegt zum Konzentrieren einer Eisbildung innerhalb der Domänen, um die Menge an gefrorenem Wasser innerhalb der Katalysatorschicht zu reduzieren.

Description

• Die vorliegende Offenbarung betrifft mikroporöse Schichtstrukturen für die Verwendung in Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellensystemen.
• Sorgen um die Umweltverschmutzung und die Erschöpfung fossiler Brennstoffe haben zu einer dringenden Nachfrage nach alternativen Lösungen für saubere Energie geführt. Die Wasserstoffbrennstoffzelle, beispielsweise die Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle (PEMFC – Proton Exchange Membrane Fuel Cell), ist ein potentielles Energieumwandlungssystem für zukünftige Kraftfahrzeuge und stationäre Anwendungen. Die Reaktion in einer PEMFC beinhaltet, dass an der Anode Wasserstoffmoleküle in Wasserstoffionen und Elektronen gespalten werden, während an der Kathode Protonen mit Sauerstoff und Elektronen rekombinieren, um Wasser zu bilden und Wärme freizusetzen. Eine Brennstoffzelle kann aufgrund der spezifischen Anforderungen hoher Leistungsausgabe (schnelle Reaktion und Dynamik), Langlebigkeit und wirtschaftliche Effektivität sehr kompliziert und empfindlich sein. Allgemein wird in einer PEMFC eine Protonenaustauschmembran als Protonenleiter verwendet. Eine Katalysatorschicht, die beispielsweise Platin und/oder eine Platinlegierung enthält, wird zum Katalysieren der Elektrodenreaktionen verwendet. Eine Gasdiffusionsschicht, die eine mikroporöse Schicht und eine auf einer Kohlenstofffaser basierende Gasdiffusionsträgerschicht enthalten kann, wird zum Transportieren von Reaktionsgasen und Elektronen sowie zum Entfernen von Produktwasser und Wärme verwendet. Außerdem wird eine Strömungsfeldplatte allgemein zum Verteilen des Reaktionsgases verwendet.
• Bei einer Ausführungsform umfasst eine Brennstoffzelle eine Kathode mit einer ersten Gasdiffusionsschicht und einer ersten Katalysatorschicht, eine Anode mit einer zweiten Gasdiffusionsschicht und einer zweiten Katalysatorschicht und eine zwischen der Kathode und der Anode angeordnete Protonenaustauschmembran. Eine mikroporöse Schicht ist zwischen der ersten Gasdiffusionsschicht und der ersten Katalysatorschicht angeordnet. Die mikroporöse Schicht definiert mehrere Bohrungen, die sich zwischen gegenüberliegenden Oberflächen der mikroporösen Schicht erstrecken. Unter Gefrierbedingungen ist die mikroporöse Schicht ausgelegt zum Konzentrieren einer Eisbildung innerhalb der Bohrungen, um die Menge an gefrorenem Wasser innerhalb der Katalysatorschicht zu reduzieren.
• Bei einer weiteren Ausführungsform ist eine mikroporöse Brennstoffzellenschicht zwischen einer Katalysatorschicht und einer Gasdiffusionsträgerschicht auf einer Kathodenseite der Brennstoffzelle angeordnet. Die mikroporöse Schicht umfasst ein Volumenmaterial. Das Volumenmaterial definiert mehrere Poren und mehrere Domänen. Unter Gefrierbedingungen sind die Domänen konfiguriert zum Konzentrieren der Eisbildung innerhalb der Domänen, um ein Ausmaß an gefrorener Grenzfläche zwischen dem Volumenmaterial und der Katalysatorschicht zu reduzieren.
• Bei noch einer weiteren Ausführungsform umfasst eine mikroporöse Kathodenschicht für eine Brennstoffzelle eine erste kohlenstoffbasierte Materialschicht bei der Katalysatorschicht und eine zweite kohlenstoffbasierte Materialschicht, die zwischen der ersten Schicht und einer Gasdiffusionsträgerschicht angeordnet ist. Das zweite kohlenstoffbasierte Material enthält mehrere Domänen, die konfiguriert sind zum Konzentrieren der Eisbildung unter Gefrierbedingungen innerhalb der Domänen, um eine Menge an gefrorenem Wasser innerhalb der Katalysatorschicht zu reduzieren.
• 1 zeigt eine schematische Zeichnung einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle.
• 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik, die unter Gefrierbedingungen arbeitet.
• 3 zeigt eine Draufsicht auf eine mikroporöse Schicht gemäß einer Ausführungsform.
• 4 zeigt eine Querschnittsansicht der in 3 gezeigten mikroporösen Schicht.
• 5A bis 5C zeigen einen Prozess zum Herstellen einer mikroporösen Schicht gemäß einer Ausführungsform.
• 6 zeigt eine Querschnittsansicht einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle einer Ausführungsform, die unter Gefrierbedingungen arbeitet.
• 7 zeigt eine Querschnittsansicht einer mikroporösen Schicht gemäß einer weiteren Ausführungsform.
• Es werden hier Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten übertrieben oder minimiert sein, um Details von bestimmten Komponenten zu zeigen. Deshalb sind hierin offenbarte spezifische strukturelle und funktionale Details nicht als beschränkend anzusehen, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um dem Fachmann zu lehren, wie er die vorliegende Erfindung unterschiedlich verwenden kann. Wie der Durchschnittsfachmann versteht, können verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine beliebige der Figuren gezeigt und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren gezeigt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die Kombinationen von dargestellten Merkmalen liefern repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen gewünscht sein.
• Wenngleich die PEMFC-Technologie während der vergangenen Dekade eine signifikante Entwicklung durchlaufen hat, steht das Erhalten einer PEMFC mit hoher Leistung und erhöhter Robustheit bei geringen Kosten immer noch aus. Deshalb steht eine signifikante Kommerzialisierung von Brennstoffzellen immer noch aus. Eine der wichtigen technischen Herausforderungen von PEMFCs ist das Wassermanagement. Dies wird hauptsächlich durch die aktuelle Polymerelektrolytmembran diktiert, die eine hohe Protonenleitfähigkeit nur im gut hydrierten Zustand aufweist. Die Hydratationsanforderung des Elektrolyten begrenzt die größte Brennstoffzellenbetriebstemperatur auf etwa 90° Celsius (C). Über dieser Temperatur kann es zu einem Austrocknen der Membran kommen, was zu verringerter Protonenleitfähigkeit führt. Falls andererseits das Produktwasser nicht effizient entfernt wird, kann es eine Wasserakkumulation bewirken und die Elektroden fluten. Dies verursacht einen Massentransportverlust und kann sogar den Brennstoffzellenbetrieb anhalten.
• Die Akkumulation von flüssigem Wasser in verschiedenen Brennstoffzellenkomponenten macht den Zwei-Phasen-Fluss (z.B. flüssig und gasförmig) für den PEMFC-Betrieb fast unvermeidbar, insbesondere bei niedrigen Temperaturen und hohen Stromdichten. Das akkumulierte flüssige Wasser erstarrt unter Bildung von Eis bei unter dem Gefrierpunkt liegenden Temperaturen. Die Fähigkeit zum effizienten Handhaben eines Flusses von flüssigem Wasser und der Eisbildung ist ein wichtiges Kriterium beim Auslegen und Wählen von PEMFC-Komponenten und Betriebsbedingungen. Gemäß dem Faradayschen Gesetz kann die Wasserentstehung an der Kathodenkatalysatorschicht infolge der Reduktionsreaktion durch folgende Gleichung bestimmt werden: J_H2O = ^Mj/_2Fρ (1) wobei

J_H2O

der Wasserfluss in cm³/(s·cm²) ist;

M

das Molgewicht von Wasser ist (d.h. 18 Gramm/Mol);

j

die Arbeitsstromdichte A/cm² ist;

F

die Faraday-Konstante ist (d.h. etwa 96,485 C/mol) und

ρ

die Dichte von flüssigem Wasser ist (d.h. 1 g/cm³ bei 25°C).

• Um ein geeignetes Gleichgewicht zwischen den Hydratationsanforderungen verschiedener Brennstoffzellenkomponenten und der Zurückweisung von überschüssigem Wasser aus dem Brennstoffzellensystem zu erzielen, kann das Design der Brennstoffzelle so zugeschnitten werden, dass Wasser unter den gegebenen Betriebsbedingungen des Systems effektiv verwaltet wird. Eine PEMFC enthält eine Anzahl von Komponenten, die potentiell bestimmte Material- und Strukturdesigns verwenden können, um das Wassermanagement innerhalb der Baugruppe zu verbessern. Wie hier offenbart, erfüllt die besondere Gasdiffusionsschicht einer PEMFC, typischerweise mit einer auf Kohlenstofffaser basierenden Gasdiffusionsträgerschicht und einer mikroporösen Schicht, die an der Grenzfläche zwischen der Gasdiffusionsträgerschicht und einer benachbarten Katalysatorschicht angeordnet ist, eine integrale Rolle beim Management von Wasser sowohl durch die Elektrodenbaugruppe als auch das größere Brennstoffzellensystem. Auf der Basis der Charakteristika und Betriebsbedingungen einer gegebenen PEMFC kann die Architektur der Gasdiffusionsschichtbaugruppe, einschließlich der Struktur und dem Design der mikroporösen Schicht, optimiert werden, um das Management von Wasser im Brennstoffzellensystem zu verbessern.
• Bei Fahrzeuganwendungen kann insbesondere in kälteren Klimazonen der Betrieb bei Temperaturbedingungen unter dem Gefrierpunkt üblich sein. Deshalb ist es wichtig, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt arbeiten kann. Bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt kann das flüssige Wasser in der Brennstoffzelle zu Eis erstarren. Das Eis kann eine gefrorene Grenzfläche an der Katalysatorschicht-Gasdiffusionsschicht-Grenze bilden und das Diffundieren von Sauerstoffmolekülen in die Katalysatorschicht blockieren. Das Eis kann auch das flüssige Wasser blockieren zum Diffundieren aus der Katalysatorschicht, um durch die Gasströme weggetragen zu werden. Dies verzögert die elektrochemische Reaktion, was ein gescheitertes Hochfahren und beschleunigte Katalysator- und Materialverschlechterung bewirken kann.
• Unter Bezugnahme auf 1 wird ein Beispiel einer PEMFC 10 dargestellt. Die PEMFC 10 enthält allgemein eine negative Elektrode (Anode) 12 und eine positive Elektrode (Kathode) 14, die durch eine Protonenaustauschmembran (PEM – Proton Exchange Membrane) 16 (auch eine Polymerelektrolytmembran) getrennt sind. Die Anode 12 und die Kathode 14 können jeweils eine Gasdiffusionsschicht (GDL – Gas Diffusion Layer) 19, eine Katalysatorschicht 20 und eine Strömungsfeldplatte 22, die einen Gaskanal 24 bildet, enthalten. Die GDL 19 kann die gleiche für die Anode 12 wie auch die Kathode 14 sein. Alternativ kann die Anode 14 eine GDL 19‘ besitzen, und die Kathode 14 kann eine andere GDL 19‘‘ besitzen. Bei mindestens einer Ausführungsform ist die Anode GDL 19‘ aufgrund reduzierter Gasdiffusionsanforderungen der Anode 12 im Vergleich zur Kathode 14 dicker als die Kathode GDL 19‘‘. Die Katalysatorschicht 20 kann die gleiche für die Anode 12 und die Kathode 14 sein, doch wird allgemein die Anode 12 eine Katalysatorschicht 20‘ und die Kathode 14 eine andere Katalysatorschicht 20‘‘ besitzen. Die Katalysatorschicht 20‘ kann das Spalten von Wasserstoffatomen in Wasserstoffionen und Elektronen erleichtern, während die Kathode 14 die Reaktion von Wasserstoffgas und Elektronen unter Ausbildung von Wasser erleichtert. Die GDL 19 enthält eine Gasdiffusionsträgerschicht (GDBL – Gas Diffusion Backing Layer) 18 und eine mikroporöse Schicht (MPL – Microporous Layer) 26.
• Herkömmliche GDBL-18-Materialien für PEMFCs sind auf Kohlenstofffaser basiertes Papier und Tuch mit einer Dicke von etwa 200 Mikrometern. Diese Materialien sind hochporös (mit Porositäten von etwa 80%), um den Reaktionsgastransport zur Katalysatorschicht (die allgemein eine Dicke von etwa 10–15 Mikrometern besitzt) sowie den Wasserstransport von der Katalysatorschicht gestatten. Um das Entfernen von Wasser zu erleichtern, sind GDLs in der Regel so behandelt, dass sie hydrophob sind, und zwar mit einem nicht-benetzenden Polymer wie etwa Polytetrafluorethylen (PTFE), üblicherweise unter dem Handelsnamen Teflon bekannt. Herkömmliche GDLs besitzen eine primäre Porengröße im Bereich von 1 bis hunderte von Mikrometern. In der Kathode erzeugtes Wasser kann in Formen sowohl von Dampf als auch flüssigem Wasser durch die GDL zu einem Kathodengaskanal transportiert werden, wo es durch den Gasstrom weggetragen wird.
• Die besonderen Charakteristika und die besondere Struktur der in der GDL-Baugruppe verwendeten MPL kann eine Schlüsselrolle beim Management von Wasser in der Brennstoffzellenelektrode spielen. Herkömmlicherweise bestehen MPL-Materialien hauptsächlich aus Kohlenstoffpulver und PTFE-Partikeln. Durch Auslegen des Materials und der strukturellen Konfiguration der MPL können Verbesserungen am Gesamtwassermanagement innerhalb des Brennstoffzellensystems erzielt werden. Hierin offenbarte MPLs besitzen die Fähigkeit, sich effektiv mit der abträglichen Wasserakkumulation und Eisbildung zu beschäftigen. Neue Varietäten von CLs, die nun in der Technik erscheinen, wie etwa CLs vom Dünnschichttyp, besitzen das Potential, die Haltbarkeit der Brennstoffzelle zu verlängern, während die Kosten gesenkt werden. Trotz dieser Vorzüge sind viele dieser CLs, einschließlich jener vom Dünnschichttyp, für das Fluten infolge der begrenzten Wasser-/Eisspeicherung in der Membranelektrodenbaugruppe anfällig. Die offenbarten MPL-Strukturen können Verbesserungen beim Wasser- und Eismanagement bereitstellen, um das Potential dieser neuen Arten von Katalysatorschichten nutzbar machen zu helfen.
• Unter Bezugnahme auf 2 wird eine herkömmliche PEMFC 27 nach dem Stand der Technik gezeigt. Die PEMFC enthält eine GDBL 28, eine MPL 30, eine CL 32 und eine PEM 34. Herkömmliche PEMFCs, wie etwa die in 2 gezeigte, weisen möglicherweise bei Bedingungen unter dem Gefrierpunkt keine Leistung auf einem zufriedenstellenden Niveau auf. Während des anfänglichen Hochfahrens der PEMFC wird das Produktwasser (durch die elektrochemische Reaktion produziertes Wasser) zuerst durch die PEM 34 in der sogenannten PEM-Rehydratisierungsperiode absorbiert. Nachdem die Membran 34 vollständig rehydratisiert ist, verteilt sich das Produktwasser in der CL 32.
• Herkömmliche MPLs sind hydrophob und besitzen sehr kleine Porengrößen (d.h. 0,05–0,2 Mikrometer). Dies bewirkt einen schlechten Transport von flüssigem Wasser durch die MPL 30. Somit wird viel flüssiges Wasser durch die PEM absorbiert oder akkumuliert in der CL 32. Falls die Temperatur der CL 32 unter dem Gefrierpunkt liegt, dann friert das Wasser in der CL 32 unter Entstehung von Eis 36. Das Eis 36 kann innerhalb der CL-Poren gebildet werden oder kann an der Grenzfläche zwischen der CL 32 und der MPL 30 gebildet werden. Das Eis 36 blockiert zumindest teilweise das Diffundieren des Sauerstoffs in die CL 32 in der PEM 34. Dies verzögert die elektrochemische Reaktion und reduziert die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle. Die Kathodeneisspeicherkapazität kann anhand Gleichung 2 berechnet werden. Gleichung 2: W_cap = W_cap,cl + W_cap,m (2) wobei gilt W_cap,cl = δ_CLερ_ice + δ_CLε_mc_f,dry∆λ_av,CLM_H2O W_cap,m = δ_mc_f,dry∆λ_av,mM_H2O und wobei

W_cap

die Eisspeicherkapazität ist;

W_cap,CL

die von der Katalysatorschicht angebotene Eisspeicherkapazität ist;

W_cap,m

die durch die Polymerelektrolytmembran bereitgestellte Eisspeicherkapazität ist.

δ_CL

ist die Dicke der Katalysatorschicht;

ε

ist die Porosität der Katalysatorschicht;

ρ_ice

ist die Dichte von Eis;

ε_m

ist der Ionomer-Volumenanteil in der Katalysatorschicht;

c_f,dry

ist die Ladungskonzentration (-SO₃ ^–) in der trockenen Membran;

Δλ_av,CL

ist die Wasseraufnahme durch das Katalysatorschichtionomer während des Gefrier-Hochfahrens;

M_H2O

ist die relative Molekülmasse von Wasser (18 Gramm/Mol);

δ_m

ist die Dicke der Polymerelektrolytmembran und

Δλ_av,m

ist die Wasseraufnahme durch die Polymerelektrolytmembran während des Gefrier-Hochfahrens.

• Man betrachte beispielsweise eine Brennstoffzelle, die eine 18 Mikrometer dicke Membran (auf ein anfängliches Restwasser λ₀ = 6 konditioniert und kann Wasser bis λ = 14 absorbieren) und eine 10 Mikrometer dicke CL, die eine Porosität von 0,33 besitzt, aufweist. Die Eisspeicherkapazität dieser Brennstoffzelle, durch Gleichung 2 berechnet, beträgt etwa 0,83 mg/cm². Eine mit einer Stromdichte von 0,1 Ampere/Quadratzentimeter (A/cm²) arbeitende Brennstoffzelle übersteigt die Eisspeicherkapazität der Brennstoffzelle in etwa 90 Sekunden. Für ein erfolgreiches Hochfahren unter Gefrierbedingungen muss die Brennstoffzelle ihre Temperatur in weniger als 90 Sekunden über null anheben. Dieses kurze Zeitfenster ist für ein Brennstoffzellenhochfahren unter Gefrierbedingungen eine Herausforderung, insbesondere ab Temperaturen unter –20°C. MPLs können so ausgelegt sein, dass der Transport von flüssigem Wasser aus der CL heraus erhöht wird und Eis in der MPL gespeichert wird. Dies reduziert die Wahrscheinlichkeit des Flutens und eines gescheiterten Hochfahrens bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt.
• Unter Bezugnahme auf 3 wird eine MPL 26 von der PEMFC 10 entfernt gezeigt. Die MPL 26 kann eine Dicke im Bereich von 5 bis 75 Mikrometern (µm) besitzen. Die MPL 26 enthält mehrere Poren 42. Die Poren 42 können einen Porendurchmesser von 0,02 bis 0,5 µm besitzen. Die Poren 42 können je nach der Anwendung entweder hydrophil oder hydrophob sein. Alternativ können die Poren 42 eine Mischung aus hydrophilen und hydrophoben Poren sein. Die MPL 26 enthält auch mehrere Domänen 44. Die vorliegende Offenbarung zieht eine Vielzahl unterschiedlicher Anordnungen von Domänen 44 in Betracht. Beispielsweise können die Domänen 44 in einem spezifischen Array oder chaotisch angeordnet sein. Die Domänen 44 können einen Abstand von 0,1 bis 2 Millimetern (mm) besitzen. Bei einer Ausführungsform sind die Domänen 44 in der MPL 26 ausgebildete Bohrlöcher. Die Bohrlöcher 44 können einen Durchmesser von 0,5 bis 200 µm besitzen. Die Bohrlöcher 44 können aufgrund ihrer relativ großen Größe entweder hydrophil oder hydrophob sein. Bei einer weiteren Ausführungsform bestehen die Domänen 44 aus einem in der MPL 26 eingebetteten hydrophilen Material.
• 4 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils der PEMFC 10. Die MPL 26 ist zwischen der Katalysatorschicht 20 und der GDBL 18 geschichtet. Die MPL 26 besitzt eine erste Oberfläche 46 und eine zweite Oberfläche 48. Die erste Oberfläche 46 ist an der CL 20 angeordnet, und die zweite Oberfläche 48 ist an der GDBL 18 angeordnet. Die Domänen 44 erstrecken sich zwischen der ersten Oberfläche 46 und der zweiten Oberfläche 48, wodurch eine Öffnung ganz durch die MPL 26 bereitgestellt wird. Alternativ erstrecken sich die Domänen 44 möglicherweise nur durch einen Abschnitt der MPL 26. Bei einer Ausführungsform sind die Domänen 44 in der MPL 26 ausgebildete Bohrlöcher. Die Bohrungen 44 können auf beliebige geeignete Weise ausgebildet werden, beispielsweise durch Laserperforation. Alternativ können die Bohrungen 44 mechanisch durch Bohren oder einen anderen Prozess ausgebildet werden. Die Bohrungen 44 können zylindrisch oder im Wesentlichen zylindrisch sein. Andere Gestalten und Querschnitte werden ebenfalls in Betracht gezogen. Es kann auch eine Kombination aus unterschiedlich geformten Bohrungen verwendet werden.
• Die Domänen 44 vergrößern die Eisspeicherkapazität. Beispielsweise kann eine 30 Mikrometer dicke MPL mit Domänen mit einem Durchmesser von 100 Mikrometern und einem Domänenabstand von 0,5 mm, in einem quadratischen Gittermuster angeordnet, 0,1 mg/cm² Eis speichern. Dies vergrößert die Gesamteisspeicherkapazität auf 0,93 mg/cm² im Vergleich zu 0,83 mg/cm² bei der herkömmlichen MPL. Dies ist eine Zunahme der Eisspeicherkapazität von ungefähr 12%. Die Domänen 44 vergrößern auch den Transport von supergekühltem flüssigem Wasser aus der CL und in den Gasstrom. Dies ist auf den signifikant reduzierten Wasserdurchbruchdruck und den Flüssigtransportwiderstand zurückzuführen. Dies vergrößert die Eisspeicherung signifikant und ermöglicht ein erfolgreiches PEMFC-Hochfahren bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt.
• Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Domänen 44 Pakete aus hydrophilem Material, die in die MPL 26 eingebettet sind. Bei dem hydrophilen Material kann es sich um hydrophil behandelten Kohlenstoff, hydrophile Polymere (Polyvinylalkohol (PVA) und Ionomer) und Metalloxide (z.B. SiO2) handeln. Das hydrophile Material kann Wasser und/oder Eis in die Domäne 44 saugen, wodurch die Effizienzen der Domäne 44, Wasser und Eis aufzufangen, weiter gesteigert werden. Die Pakete aus hydrophilem Material können durch ein beliebiges geeignetes Verfahren ausgebildet werden. Beispielsweise können Bohrlöcher in einem ersten Schritt in der MPL ausgebildet werden. Dann werden in einem zweiten Schritt die Bohrlöcher mit einem hydrophilen Material ausgefüllt.
• Unter Bezugnahme auf die 5A bis 5C wird ein alternatives Verfahren zum Herstellen der Domänen in der MPL gezeigt. Bei dieser Alternativen werden die Domänen zuerst ausgebildet und die verbleibende MPL wird danach um die Domänen herum ausgebildet. Unter Bezugnahme auf 5A werden mehrere Mikrospitzen 50 auf einem Substrat 52 angeordnet. Die Mikrospitzen 50 werden gemäß dem gewünschten Domänenmuster auf dem Substrat angeordnet. Die Mikrospitzen 50 können durch Tintenstrahldrucken des gewählten Domänenmaterials auf das Substrat 52 ausgebildet werden.
• Als Nächstes wird die verbleibende MPL auf dem Substrat 52 ausgebildet, wie in 5B gezeigt. Die verbleibende MPL kann durch Abscheiden von Kohlenstofftinte 54 auf dem Substrat 52 um die Domänen 50 herum ausgebildet werden. Die Kohlenstofftinte 54 wird dann getrocknet und gesintert unter Ausbildung der MPL.
• Als Nächstes wird die MPL 56 von dem Substrat entfernt, wie in 5C gezeigt. Die Mikrospitzen 50 können so ausgelegt sein, dass sie sich von dem Substrat 52 lösen, wenn die MPL 56 vom Substrat 52 entfernt wird. Somit bleiben die Mikrospitzen 50 in die MPL 56 eingebettet, wodurch Pakete aus Material innerhalb der MPL 56 ausgebildet werden. Die eingebetteten Mikrospitzen 50 bilden die Domänen 58 in der MPL 56. Die eingebetteten Mikrospitzen 50 können aus einem hydrophilen Material bestehen, um in der MPL 56 eine hydrophile Domäne 58 bereitzustellen. Zu Beispielen für hydrophile Materialien zählen hydrophil behandelter Kohlenstoff, hydrophile Polymere (d.h. Polyvinylalkohol), Metalloxide (d.h. SiO₂) und für Wasser halbdurchlässige Materialien.
• Alternativ werden die Mikrospitzen 50 aus bestimmten Porenbildnermaterialien ausgebildet. Ein beispielhaftes Material des Porenbildners ist Ammoniumchlorid (NH₄Cl), was sich zersetzt unter Zurücklassung von Löchern in der MPL, wenn die MPL bei Temperaturen über 338°C gesintert wird. Somit besitzt die entfernte MPL 56 mehrere Bohrlöcher 58 entsprechend den Orten der Mikrospitzen 50.
• Unter Bezugnahme auf 6 wird ein Querschnitt durch eine PEMFC 10 während des Betriebs unter Gefrierbedingungen gezeigt. Eine MPL 26 ist zwischen einer GDBL 18 und einer CL 20 angeordnet. Eine PEM 16 ist bei der CL 20 angeordnet. Die MPL 26 enthält mehrere Domänen 44 und mehrere Poren 42, wie zuvor beschrieben. Die Domänen 44 sind wesentlich größer als die Poren 42 und sind so ausgelegt, dass sie der Hauptwassertransportkanal innerhalb der MPL 26 sind. Die Domänen 44 führen einen Großteil des Wassermassentransports durch, wodurch die kleinere Pore 42 für eine bessere Sauerstoffdiffusion weniger blockiert ist. Die Domänen 44 sind auch so ausgelegt, dass sie während Gefrierbedingungen Eis absorbieren und speichern. Durch das Speichern des Eises in spezifischen Domänen wird das Eis in spezifischen Bereichen konzentriert. Dies hilft bei der Bereitstellung eisfreier Zonen. Wie in 6 zu sehen ist, bildet sich Eis in der CL 20 und in der GDBL 18 nahe den Domänen 44, wodurch große Bereiche der GDBL 18 und der CL 20 ohne Eis bleiben. Somit kann Sauerstoff frei durch die Bereiche ohne Eis diffundieren, wodurch ein besserer Zellbetrieb während Bedingungen unter dem Gefrierpunkt bereitgestellt wird.
• Unter Bezugnahme auf 7 wird eine Querschnittsansicht eines Abschnitts einer PEMFC 78 gezeigt. Die PEMFC 78 enthält eine zwischen der CL 82 und einer GDBL 90 angeordnete MPL 84. Eine PEM 80 ist bei der CL 82 angeordnet. Die MPL 84 besteht aus mehreren Schichten. Die mehreren Schichten können unterschiedliche Eigenschaften besitzen, wie etwa, dass eine Schicht hydrophob und eine andere Schicht hydrophil ist. Die mehreren Schichten können auch unterschiedliche Anordnungen von Poren und Domänen besitzen. Bei einer Ausführungsform enthält die MPL 84 eine erste Schicht 86 und eine zweite Schicht 88. Die erste Schicht 86 ist bei der CL 82 angeordnet, und die zweite Schicht 88 ist an der GDBL 90 angeordnet. Die CL 82 besitzt eine relativ niedrige Wasserspeicherkapazität. Die erste Schicht 86 kann hydrophil sein, um das Wegsaugen von Wasser (flüssig und/oder fest) von der CL 82 zu unterstützen, um das Fluten der CL 82 zu reduzieren. Eine hydrophile erste Schicht kann auch einen besseren Transport von Wasser von der CL 82 zur zweiten Schicht 88 bereitstellen. Die zweite Schicht 88 kann mehrere Domänen 92 enthalten. Die Domänen 92 können Bohrlöcher oder Materialpakete sein, wie zuvor beschrieben. Die Domänen 92 speichern und transportieren Wasser von der ersten Schicht 86 zur GDBL 90. Die zweite Schicht 88 kann hydrophob sein, um Wasser in die Domänen zu lenken.
• Bei einer weiteren Ausführungsform ist die erste Schicht hydrophob und die zweite Schicht 88 ist hydrophil. Eine oder beide der ersten und zweiten Schicht 86, 88 können Domänen 92 enthalten. Bei noch einer weiteren Ausführungsform besitzen die erste und zweite Schicht 86, 88 ähnliche Wassereigenschaften (was bedeutet, dass sie entweder hydrophob oder hydrophil sind). Eine oder beide der ersten und zweiten Schicht 86, 88 können Domänen 92 enthalten.
• Wenngleich oben Ausführungsbeispiele beschrieben werden, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen umfasst werden. Die in der Patentschrift verwendeten Wörter sind Wörter der Beschreibung anstatt der Beschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung auszubilden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder dargestellt sind. Wenngleich verschiedene Ausführungsformen möglicherweise so beschrieben worden sind, dass sie Vorteile liefern oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik bezüglich einer oder mehrerer gewünschter Charakteristika bevorzugt werden, erkennt der Durchschnittsfachmann, dass ein oder mehrere Merkmale oder Charakteristika beeinträchtigt werden können, um gewünschte Gesamtsystemattribute zu erzielen, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen. Zu diesen Attributen können unter anderem Kosten, Festigkeit, Dauerhaftigkeit, Lebenszykluskosten, Vermarktbarkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Wartbarkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Leichtigkeit der Montage usw. zählen. Als solches sind Ausführungsformen, die als weniger wünschenswert denn andere Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik bezüglich einer oder mehrerer Charakteristika beschrieben sind, nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims (9)

1. Brennstoffzelle, die Folgendes umfasst: eine Kathode mit einer ersten Gasdiffusionsschicht und einer ersten Katalysatorschicht; eine Anode mit einer zweiten Gasdiffusionsschicht und einer zweiten Katalysatorschicht; eine zwischen der Kathode und Anode angeordnete Protonenaustauschmembran (PEM – Proton Exchange Membrane) und eine mikroporöse Schicht, die zwischen der ersten Gasdiffusionsschicht und der ersten Katalysatorschicht angeordnet ist, wobei die mikroporöse Schicht mehrere Bohrungen definiert, die sich zwischen gegenüberliegenden Oberflächen der mikroporösen Schicht erstrecken und ausgelegt sind zum Konzentrieren der Eisbildung unter Gefrierbedingungen innerhalb der Bohrungen, um die Menge an gefrorenem Wasser innerhalb der Katalysatorschicht zu reduzieren.
2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Bohrungen einen Durchmesser von 0,5 bis 200 µm besitzen.
3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die mikroporöse Schicht aus Kohlenstoffallotropen und einem Bindemittel besteht.
4. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die mikroporöse Schicht weiterhin eine an der ersten Katalysatorschicht angeordnete erste Schicht und eine zwischen der ersten Schicht und der ersten Gasdiffusionsschicht angeordnete zweite Schicht umfasst und wobei die mehreren Bohrungen nur in der zweiten Schicht definiert sind.
5. Brennstoffzelle nach Anspruch 4, wobei die erste Schicht hydrophil ist und die zweite Schicht hydrophob ist.
6. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, weiterhin umfassend ein innerhalb jeder der Bohrungen angeordnetes hydrophiles Material.
7. Mikroporöse Brennstoffzellenschicht, zwischen einer Katalysatorschicht und einer Gasdiffusionsträgerschicht auf einer Kathodenseite der Brennstoffzelle angeordnet, wobei die mikroporöse Schicht Folgendes umfasst: ein Volumenmaterial; mehrere Poren, die in dem Volumenmaterial definiert sind; und mehrere Domänen, die in dem Volumenmaterial definiert und konfiguriert sind zum Konzentrieren der Eisbildung unter Gefrierbedingungen innerhalb der Domänen, um ein Ausmaß an gefrorener Grenzfläche zwischen dem Volumenmaterial und der Katalysatorschicht zu reduzieren.
8. Mikroporöse Brennstoffzellenschicht nach Anspruch 7, wobei die Domänen Bohrlöcher sind.
9. Mikroporöse Brennstoffzellenschicht nach Anspruch 8, wobei die Bohrlöcher einen Durchmesser von 0,5 bis 200 µm besitzen.

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