DE102020207671A1

DE102020207671A1 - Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102020207671A1
Application number: DE102020207671.5A
Authority: DE
Inventors: Jae Man Park; Seung Tak Noh; Ji Han Lee
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2020-06-22
Publication date: 2021-06-17
Also published as: CN112993302A; US11276863B2; US20210184223A1; KR20210074896A

Abstract

Offenbart ist eine Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle, die durch integrale Ausbildung einer Basis- und einer Feinporenschicht dünner gemacht werden kann, sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben. Eine Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle, die eine Einheitszelle der Brennstoffzelle ausbildet, weist auf: eine Basisschicht, die durch Imprägnieren eines ersten Schlamms, in dem Kohlenstoffpulver und Polytetrafluorethylen (PTFE) gemischt sind, in das Innere einer Kohlenstofffaserbasis ausgebildet ist; und eine Feinporenschicht, die durch Auftragen eines zweiten Schlamms, in dem Kohlenstoffpulver und Polytetrafluorethylen (PTFE) gemischt sind, und der eine Viskosität aufweist, die höher als die Viskosität des ersten Schlamms ist, auf eine Oberfläche der Basisschicht ausgebildet ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle und ein Verfahren zur Herstellung derselben, und insbesondere auf eine Gasdiffusionsschicht, die durch integrale Ausbildung einer Basis- und einer Feinporenschicht dünner gemacht werden kann, und ein Verfahren zur Herstellung derselben.
Beschreibung des Stands der Technik
Eine Brennstoffzelle ist eine Art von Stromerzeugungsvorrichtung, die chemische Energie eines Brennstoffs durch elektrochemische Reaktionen in einem Stapel in elektrische Energie umwandelt und nicht nur Antriebsenergie für die Industrie, Haushalte und Fahrzeuge liefern kann, sondern auch zur Stromversorgung tragbarer Vorrichtungen und kleiner elektronischer Produkte verwendet werden kann, und deren Einsatzbereiche in letzter Zeit als saubere Energiequelle mit hohem Wirkungsgrad zugenommen haben.
1 ist eine Ansicht, die eine Einheitszelle einer allgemeinen Brennstoffzelle darstellt. 2 ist eine Ansicht im Querschnitt, die eine Gasdiffusionsschicht einer allgemeinen Brennstoffzelle darstellt.
Wie in 1 dargestellt, befindet sich eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 10 auf der innersten Seite einer Einheitszelle einer allgemeinen Brennstoffzelle, und die Membran-Elektroden-Anordnung weist eine polymere Elektrolytmembran 11, die Wasserstoffprotonen bewegen kann, sowie eine katalytische Schicht, die auf gegenüberliegenden Oberflächen der Elektrolytmembran aufgebracht ist, so dass Wasserstoff und Sauerstoff miteinander reagieren können, d.h. eine Anode 12 und eine Kathode 13, auf.
Ferner ist eine Gasdiffusionsschicht (GDL) 20 an einem äußeren Abschnitt der Membran-Elektroden-Anordnung 10, d.h. an einem äußeren Abschnitt der Membran-Elektroden-Anordnung 10, an dem die Anode 12 und die Kathode 13 angeordnet sind, und einem Separator 30, welcher der Außenseite der Gasdiffusionsschicht 20 einen Brennstoff zuführt und ein Strömungsfeld aufweist, so dass durch eine Reaktion erzeugtes Wasser ausgestoßen wird, laminiert.
Dann wird die Gasdiffusionsschicht 20, wie in 2 dargestellt, durch Ausbildung einer Feinporenschicht (mikroporöse Schicht: MPL) in der Basis 21, die Kohlenstofffasern aufweist, ausgebildet.
Ferner wird die Basis 21 im Allgemeinen durch Imprägnieren von Kohlenstofffasern mit einem hydrophoben Mittel wie Polytetrafluorethylen (PTFE) ausgebildet, und die Kohlenstofffasern können z.B. in Form von Kohlenstofffasergewebe, Kohlenstofffaserfilz und Kohlenstofffaserpapier vorliegen.
Ferner kann die Feinporenschicht 22 je nach Verwendungszweck auf eine oder gegenüberliegende Oberflächen der Basis 21 aufgetragen sein, nachdem sie durch Mischen von Kohlenstoffpulver, das Ruß, Acetylenruß und schwarzen Perlkohlenstoff aufweist, und einem hydrophoben Mittel wie Polytetrafluorethylen (PTFE), hergestellt worden ist.
Unterdessen erzeugt die Anodenelektrodenschicht 12 Protonen und Elektronen durch eine Oxidationsreaktion von Wasserstoff, und die Protonen und die erzeugten Elektronen bewegen sich dann durch die polymere Elektrolytmembran 11 bzw. einen elektrischen Draht zur Kathode 13, und die Kathodenelektrodenschicht 13 erzeugt Wasser durch eine elektrochemische Reaktion von Protonen und Elektronen, die von der Anode 12 bewegt worden sind, und erzeugt Sauerstoff in Luft und erzeugt zur gleichen Zeit elektrische Energie aus den Strömen der Elektronen.
Ferner werden das der Brennstoffzelle zugeführte verdampfte Reaktionsgas und das durch die chemische Reaktion erzeugte verflüssigte Wasser von der Kathode 13 der Membran-Elektroden-Anordnung 10 abgeführt, während sie sich auf die Feinporenschicht 22, die Basis 21 und den Separator 30 der Gasdiffusionsschicht 20 zubewegen.
Unterdessen werden Studien zur Verringerung eines Zellabstandes (Zellintervalls) zur Erhöhung der Leistungsdichte eines Brennstoffzellenstapels und dementsprechend Versuche zur Verkleinerung der Dicke der einzelnen Produkte, aus denen die Zelle besteht, fortgesetzt.
So wird z.B. versucht, die Dicke der Basis, die als eine Basis fungiert und auf welche die Feinporenschicht aufgetragen wird, klein zu machen, um die Gasdiffusionsschicht dünn zu gestalten.
Insbesondere in jüngster Zeit, da ein poröser Separator verwendet wurde, um die Diffusionsleistung eines einer Zelle zugeführten Reaktionsgases zu erhöhen und das erzeugte Wasser effektiv abzuleiten, und das Reaktionsgas bei Verwendung des porösen Separators durch Zwangskonvektion vom Separator zur Gasdiffusionsschicht geführt wird, wird die Wichtigkeit der Funktion der Basis der Gasdiffusionsschicht verringert.
Da die Feinporenschicht, welche die Gasdiffusionsschicht ausbildet, jedoch keine Schicht allein definieren kann, ist es schwierig, die Basis zu streichen, um die Gasdiffusionsschicht dünn auszugestalten.
Die als Stand-der-Technik-Technologien beschriebenen Gegenstände werden nur zur Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der vorliegenden Offenbarung vorgesehen und sollten nicht so verstanden werden, dass zugegeben wird, dass die Gegenstände der herkömmlichen Technologie entsprechen, die den Fachleuten bekannt ist, auf die sich die vorliegende Offenbarung bezieht.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung sieht eine Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle, in der eine Basis und eine Feinporenschicht integral durch Imprägnierung von Schlamm, der die Feinporenschicht in dem Inneren der Basis ausbildet, ausgebildet sind, anstatt die Basis zu streichen, um die Gasdiffusionsschicht dünn zu machen, sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben vor.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist eine Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle, die eine Einheitszelle der Brennstoffzelle ausbildet, eine Basisschicht, die durch Imprägnieren eines ersten Schlamms (engl. „slurry“ bzw. Aufschlämmung), in dem Kohlenstoffpulver und Polytetrafluorethylen (PTFE) gemischt sind, in das Innere einer Kohlenstofffaserbasis ausgebildet ist, und eine Feinporenschicht auf, die durch Auftragen eines zweiten Schlamms, in dem Kohlenstoffpulver und Polytetrafluorethylen (PTFE) gemischt sind, und der eine Viskosität aufweist, die höher als die Viskosität des ersten Schlamms ist, auf eine Oberfläche der Basisschicht ausgebildet ist.
Der erste Schlamm, der in das Innere der Basisschicht imprägniert ist, kann im gesamten Bereich der Basisschicht imprägniert sein.
Der erste Schlamm, der in das Innere der Basisschicht imprägniert ist, kann in das Innere der Basisschicht imprägniert sein, um ein vorbestimmtes Muster aufzuweisen, und das Muster, in dem der erste Schlamm in die Basisschicht imprägniert ist, ist ein Muster, das einem Steg, der in einem Separator ausgebildet ist, der die Einheitszelle der Brennstoffzelle ausbildet, und einem Bereich eines Kanals, der dem Steg gegenüberliegt, entspricht.
Der erste Schlamm, der in das Innere der Basisschicht imprägniert ist, kann in dem gesamten Bereich der Basisschicht imprägniert sein, das vorbestimmte Muster des ersten Schlamms, der in das Innere der Basisschicht imprägniert ist, kann in ein Überdichte-Muster, bei dem die Menge des imprägnierten ersten Schlamms relativ groß ist, und ein Niederdichte-Muster, bei dem die Menge des imprägnierten ersten Schlamms relativ klein ist, wenn der erste Schlamm in das Innere der Basisschicht imprägniert ist, klassifiziert sein, und das Überdichte-Muster in dem Muster, in dem der erste Schlamm in die Basisschicht imprägniert ist, kann ein Muster sein, das einem Steg, der in einem Separator ausgebildet ist, der die Einheitszelle der Brennstoffzelle ausbildet, und einem Bereich eines Kanals, der dem Steg zugewandt ist, entspricht.
Die Basisschicht kann in einen Hochdichte-Bereich, in dem die Menge des imprägnierten ersten Schlamms relativ groß ist, und einen Niederdichte-Bereich, in dem die Menge des imprägnierten ersten Schlamms in Bezug auf seine Dickenrichtung relativ klein ist, klassifiziert sein.
Die Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle kann in eine Niedrigbefeuchtungs-Gasdiffusionsschicht und eine Hochbefeuchtungs-Gasdiffusionsschicht klassifiziert sein, die Niedrigbefeuchtungs-Gasdiffusionsschicht kann die Feinporenschicht auf einer Oberfläche des in der Basisschicht ausgebildeten Niederdichte-Bereichs aufweisen, und die Hochbefeuchtungs-Gasdiffusionsschicht kann die Feinporenschicht auf einer Oberfläche des in der Basisschicht ausgebildeten Hochdichte-Bereichs aufweisen.
Die Dicke der Basisschicht kann 50 µm bis 80 µm betragen, und die Dicke der Feinporenschicht kann 20 µm bis 40 µm betragen.
Der Feststoffgehalt des ersten Schlamms kann 5 % bis 10 % betragen, und der Feststoffgehalt des zweiten Schlamms kann 10 % bis 15 % betragen.
Ein Ceroxid kann in einen oder beide des ersten und des zweiten Schlamms zusätzlich gemischt sein.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht, die eine Einheitszelle der Brennstoffzelle ausbildet, vorgesehen, wobei das Verfahren einen Basisvorbereitungsschritt zum Vorbereiten einer Basis unter Verwendung von Kohlenstofffasern; einen Schlammvorbereitungsschritt zum Vorbereiten eines ersten Schlamms, dessen Viskosität relativ niedrig ist, und eines zweiten Schlamms, dessen Viskosität relativ hoch ist, durch Mischen von Kohlenstoffpulver und Polytetrafluorethylen (PTFE); einen Basisschicht-Ausbildungsschritt zum Ausbilden einer Basisschicht durch Imprägnieren des ersten Schlamms in das Innere der Basis; und einen Feinporenschicht-Ausbildungsschritt zum Ausbilden einer Feinporenschicht durch Auftragen des zweiten Schlamms auf eine Oberfläche der Basisschicht, aufweist.
Der Schlammvorbereitungsschritt kann das Vorbereiten des ersten Schlamms durch Mischen von Kohlenstoffpulver und Polytetrafluorethylen (PTFE) mit einem Lösungsmittel, so dass der Feststoffgehalt des ersten Schlamms 5% bis 10% beträgt, wobei die Viskosität des ersten Schlamms 10.000 cps bis 100.000 cps beträgt; und das Vorbereiten des zweiten Schlamms durch Mischen von Kohlenstoffpulver und Polytetrafluorethylen (PTFE) mit einem Lösungsmittel, so dass der Feststoffgehalt der zweiten Schlamms 10% bis 15% beträgt, wobei die Viskosität des zweiten Schlamms 100.000 cps bis 500.000 cps beträgt, aufweisen.
Der Basisvorbereitungsschritt kann das Vorbereiten der Basis unter ausschließlicher Verwendung der Kohlenstofffasern aufweisen, und der Basisschicht-Ausbildungsschritt weist auf: Imprägnieren des ersten Schlamms im gesamten Bereich des Inneren der Basis, indem, nachdem der erste Schlamm auf eine Oberfläche der Basis aufgetragen worden ist, der erste Schlamm von einer gegenüberliegenden Oberfläche der Basis angesaugt wird.
Der Basisschicht-Ausbildungsschritt kann das Ausbilden der Basisschicht derart aufweisen, dass die Basisschicht in einen Hochdichte-Bereich, in dem die Menge des imprägnierten Kohlenstoffpulvers relativ groß ist, und einen Niederdichte-Bereich, in dem die Menge des imprägnierten Kohlenstoffpulvers in Bezug auf dessen Dickenrichtung relativ klein ist, klassifiziert werden kann, indem die Menge des angesaugten ersten Schlamms eingestellt wird.
Die Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle kann in eine Niedrigbefeuchtungs-Gasdiffusionsschicht und eine Hochbefeuchtungs-Gasdiffusionsschicht klassifiziert sein, wobei der Feinporenschicht-Ausbildungsschritt, wenn die Niedrigbefeuchtungs-Gasdiffusionsschicht hergestellt wird, das Ausbilden der Feinporenschicht durch Auftragen des zweiten Schlamms auf eine Oberfläche des in der Basisschicht ausgebildeten Niederdichte-Bereichs aufweisen kann; und, wenn die Hochbefeuchtungs-Gasdiffusionsschicht hergestellt wird, das Ausbilden der Feinporenschicht durch Auftragen des zweiten Schlamms auf eine Oberfläche des in der Basisschicht ausgebildeten Hochdichte-Bereichs aufweisen kann.
Der Basisvorbereitungsschritt kann das Vorbereiten der Basis unter ausschließlicher Verwendung der Kohlenstofffasern aufweisen, wobei der Basisschicht-Ausbildungsschritt aufweisen kann: nach dem Aufbringen einer Maske mit einem Durchgangsloch eines vorbestimmten Musters auf eine Oberfläche der Basis, Aufbringen des ersten Schlamms auf die Oberfläche der Basis, und Imprägnieren des ersten Schlamms in das Innere der Basis in einem vorbestimmten Muster durch Ansaugen des ersten Schlamms von einer gegenüberliegenden Oberfläche der Basis, wobei das vorbestimmte Muster, das in der Maske ausgebildet ist, ein Muster sein kann, das einem in einem Separator ausgebildeten Steg, der die Einheitszelle der Brennstoffzelle ausbildet, und einem Bereich eines Kanals, der dem Steg zugewandt ist, entspricht.
Das Verfahren kann ferner, nach dem Feinporenschicht-Ausbildungsschritt, einen Sinterschritt des Sinterns von Kohlenstoffpulver und Polytetrafluorethylen (PTFE), die der erste Schlamm und der zweite Schlamm aufweist, durch Wärmebehandlung aufweisen.
Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, kann, da die Basisschicht und die Feinporenschicht integral durch Imprägnieren des Schlamms, der die Feinporenschicht im Inneren der Basisschicht ausbildet, und durch Auftragen desselben oder ähnlicher Arten von Schlämmen auf eine Oberfläche der Basisschicht, um die Feinporenschicht auszubilden, ausgebildet werden, die Festigkeit der Gasdiffusionsschicht beibehalten werden, während die Dicke der Gasdiffusionsschicht dünn gemacht wird.
Ferner kann, da die Schlämme, die Kohlenstoffpulver aufweisen, in die Poren zwischen den Kohlestofffaserbasen gefüllt werden, indem die Schlämme, die Kohlenstoffpulver aufweisen, in das Innere der Kohlenstofffaserbasis imprägniert werden, um die Basisschicht auszubilden, die Festigkeit der Basisschicht selbst leicht sichergestellt werden, und die Basisschicht und die Feinporenschicht können daran gehindert werden, delaminiert zu werden, da die Bindungskraft der Basisschicht und der Feinporenschicht erhöht werden kann.
Ferner ist Kohlenstoffpulver in der Kohlenstofffaserbasis, welche die Basis ausbildet, ferner imprägniert, wodurch eine enorme elektrische Leitfähigkeit der Gasdiffusionsschicht sichergestellt werden kann.
Ferner kann gemäß der vorliegenden Offenbarung im Allgemeinen, wenn die Basisschicht zur Ausbildung der Gasdiffusionsschicht vorgesehen ist, ein Prozess der separaten Imprägnierung von PTFE in die Kohlenstofffaserbasis und der Durchführung einer Wärmebehandlung weggelassen werden.
Ferner kann, da die Schlämme mit einem vorbestimmten Muster imprägniert werden, wenn die Schlämme in das Innere der Basisschicht imprägniert werden, die Abflusseffizienz des erzeugten Wassers eingestellt werden.
Figurenliste
Die obigen und andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden in der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen deutlicher, in denen:

1 eine Ansicht ist, die eine Einheitszelle einer Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik darstellt;
2 eine Querschnittsansicht ist, die eine Gasdiffusionsschicht einer allgemeinen Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik darstellt;
3 eine Querschnittsansicht ist, die eine Gasdiffusionsschicht einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt;
4 eine Ansicht ist, die ein Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt;
5A und 5B Ansichten sind, die ein Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellen;
6 eine Ansicht ist, die einen Laminierungszustand einer Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle und einen Separator gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt; und
7A und 7B Ansichten sind, die eine Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle und ein Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf die nachstehend offenbarten Ausführungsformen beschränkt und kann in verschiedenen Formen realisiert werden, und die Ausführungsformen komplettieren lediglich die Offenbarung der vorliegenden Offenbarung und sind vorgesehen, um einen gewöhnlichen Fachmann vollständig über den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu informieren. In den Zeichnungen bezeichnen die gleichen Bezugszeichen die gleichen Elemente.
3 ist eine Querschnittsansicht, die eine Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt. 4 ist eine Ansicht, die das Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
Wie in den Zeichnungen dargestellt, weist die Gasdiffusionsschicht 100 für eine Brennstoffzelle gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung eine Basisschicht 110, die durch Imprägnieren eines ersten Schlamms S1, in dem Kohlenstoffpulver und Polytetrafluorethylen (PTFE) gemischt sind, in das Innere einer Kohlenstofffaserbasis ausgebildet ist, und eine Feinporenschicht 120, die durch Auftragen eines zweiten Schlamms S2, in dem Kohlenstoffpulver und Polytetrafluorethylen (PTFE) gemischt sind und der eine Viskosität aufweist, die höher ist als die Viskosität des ersten Schlamms S1 ist, auf eine Oberfläche der Basisschicht 110 ausgebildet ist, auf.
Die Basisschicht 110 ist durch Imprägnieren des ersten Schlamms S1 in das Innere der Basis 111, die Kohlenstofffasern aufweist, ausgebildet. Die Basis 111 ist dann so ausgestaltet, dass der erste Schlamm S1, in dem Kohlenstoffpulver und Polytetrafluorethylen (PTFE) gemischt sind, in das Innere der Basis 111, welche ausschließlich die Kohlenstofffasern aufweist, imprägniert ist. Dementsprechend kann die Festigkeit der Basisschicht 110 selbst sichergestellt werden, indem Kohlenstoffpulver und PTFE in Poren gefüllt werden, die zwischen den Kohlenstofffasern ausgebildet sind.
Unterdessen können die für die Basis 111 verwendeten Kohlenstofffasern, welche die Basisschicht 110 ausbilden, die Formen von Kohlenstofffasergewebe, Kohlenstofffaserfilz und Kohlenstofffaserpapier aufweisen.
Darüber hinaus kann das Kohlenstoffpulver, das den ersten Schlamm ausbildet, aus einer oder aus einer Mischung von Kohlenstoffverbindungen einschließlich Ruß, Acetylenruß und schwarzem Perlkohlenstoff bestehen. In der Ausführungsform wird Ruß als das Kohlenstoffpulver verwendet.
Die Feinporenschicht 120 ist durch Auftragen des zweiten Schlamms S2 auf eine Oberfläche der Basisschicht 110 ausgebildet. Dann ist die Komponente des zweiten Schlamms S2 gleich oder ähnlich wie die Komponente des ersten Schlamms S1, aber die Feststoffgehalte des ersten Schlamms S1 und des zweiten Schlamms S2 sind unterschiedlich.
Da zum Beispiel der erste Schlamm S1 in das Innere der Basis 111 imprägniert werden soll, wird die Viskosität des ersten Schlamms S1 niedrig gehalten, indem der Feststoffgehalt des ersten Schlamms S1 reduziert ist. Da der zweite Schlamm S2 auf die Oberfläche der Basisschicht 110 aufgetragen wird, wird die Viskosität des zweiten Schlamms S2 unterdessen durch Erhöhung des Feststoffgehalts des zweiten Schlamms S2 hoch gehalten, um die Funktion der Gasdiffusionsschicht zu verbessern.
Bevorzugt wird der erste Schlamm S1 durch Mischen von Kohlenstoffpulver und Polytetrafluorethylen (PTFE) mit einem Lösungsmittel so vorbereitet, dass der Feststoffgehalt des ersten Schlamms S1 5% bis 10% beträgt, wobei die Viskosität des ersten Schlamms S1 10.000 cps bis 100.000 cps beträgt. Ferner wird der zweite Schlamm S2 durch Mischen von Kohlenstoffpulver und Polytetrafluorethylen (PTFE) mit einem Lösungsmittel so vorbereitet, dass der Feststoffgehalt des zweiten Schlamms S2 5% bis 15% beträgt, wobei die Viskosität des zweiten Schlamms S2 100.000 cps bis 500.000 cps beträgt. Dann kann das Lösungsmittel zur Ausbildung des ersten Schlamms S1 und des zweiten Schlamms S2 Isopropylalkohol (IPA), n-Propylalkohol (NPA) und DI-Wasser aufweisen. Ferner kann ferner ein Dispersionsmittel in dem ersten Schlamm S1 und dem zweiten Schlamm S2 vorgesehen sein, so dass Kohlenstoffpulver und PTFE gleichmäßig in dem Lösungsmittel dispergiert werden können.
Ferner können der erste Schlamm S1 und der zweite Schlamm S2 ferner ein Ceroxid aufweisen, das ein Wasserstoffperoxid-Zersetzungskatalysator ist. Dann kann das Ceroxid sowohl in dem ersten Schlamm S1 als auch in dem zweiten Schlamm S2 enthalten sein, oder es kann in einem beliebigen aus dem ersten Schlamm S1 und dem zweiten Schlamm S2 ausgewählten Schlamm enthalten sein.
Da der erste Schlamm S1, der aus einer Komponente besteht, die mit der Komponente des zweiten Schlamms S2, der die Feinporenschicht 120 ausbildet, identisch oder ähnlich ist, in das Innere der Basisschicht 110 imprägniert wird und die Basisschicht 110 und die Feinporenschicht 120 integral durch Auftragen des zweiten Schlamms S2 auf die Oberfläche der Basisschicht 110 und Bildung der Feinporenschicht 120 ausgebildet werden, kann die Festigkeit der Gasdiffusionsschicht aufrechterhalten werden, während die Dicke der Gasdiffusionsschicht dünn gemacht wird.
Zum Beispiel kann die Dicke der Basisschicht 110 50 µm bis 80 µm und die Dicke der Feinporenschicht 120 20 µm bis 40 µm betragen. Auf diese Weise wird die Dicke der Basisschicht 110 im Vergleich zur Dicke (etwa 260 um bis 270 pm) einer herkömmlichen, allgemeinen Basis dünn ausgeführt, aber die Festigkeit der Basisschicht kann aufgrund des Einflusses des ersten Schlamms S1, der in das Innere der Basisschicht 110 als Ganzes imprägniert wird, auf einem gewünschten Niveau gehalten werden.
Ein Verfahren zur Herstellung der oben beschriebenen Gasdiffusionsschicht wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Das Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Offenbarung weißt einen Basisvorbereitungsschritt zum Vorbereiten einer Basis 111 unter Verwendung von Kohlenstofffasern; einen Schlammvorbereitungsschritt zum Vorbereiten eines ersten Schlamms S1, dessen Viskosität relativ niedrig ist, und eines zweiten Schlamms S2, dessen Viskosität relativ hoch ist, einen Basisschicht-Ausbildungsschritt zum Ausbilden einer Basisschicht 110 durch Imprägnieren des ersten Schlamms in das Innere der Basis 11, und einen Feinporenschicht-Ausbildungsschritt zum Ausbilden einer Feinporenschicht durch Auftragen des zweiten Schlamms auf eine Oberfläche der Basisschicht 110. Ferner ist nach dem Feinporenschicht-Ausbildungsschritt, einen Sinterschritt des Sinterns von Kohlenstoffpulver und PTFE, welche im ersten Schlamm und im zweiten Schlamm enthalten sind, durch Wärmebehandlung vorgesehen.
In dem Basisvorbereitungsschritt wird die Basis 111 unter Verwendung von Kohlenstofffasern wie in der konventionellen Technologie vorbereitet. Konventionell wird jedoch ein hydrophobes Mittel wie Polytetrafluorethylen (PTFE) imprägniert, nachdem eine Basis 111 unter Verwendung von Kohlefasern hergestellt wurde, um die Basis 111 hydrophob zu machen, aber in der vorliegenden Ausführungsform wird die Basis 111 nicht separat im Basisschicht-Ausbildungsschritt hydrophob gemacht, da die Basis 111 durch Imprägnierung des ersten Schlamms S1 im Basisschicht-Ausbildungsschritt hydrophob gemacht wird. Dementsprechend wird die Basis 111 in dem Basisvorbereitungsschritt ausschließlich unter Verwendung von Kohlenstofffasern hergestellt. Die Basis 111 kann zum Beispiel aus Kohlenstofffasergewebe, Kohlenstofffaserfilz, Kohlenstofffaserpapier und dergleichen bestehen.
Der Schlammvorbereitungsschritt ist ein Schritt des Vorbereitens des ersten Schlamms S1 und des zweiten Schlamms S2, welche die Basisschicht 110 und die Feinporenschicht 120 ausbilden, und die Komponenten des ersten Schlamms S1 und des zweiten Schlamms S2 sind die gleichen, aber die Viskositäten des ersten Schlamms S1 und des zweiten Schlamms S2 werden unterschiedlich ausgestaltet, indem die Feststoffgehalte des ersten Schlamms S1 und des zweiten Schlamms S2 unterschiedlich gemacht werden.
Da zum Beispiel der erste Schlamm S1 das Innere der Basis 111 imprägniert werden sollte, wird die Viskosität des ersten Schlamms S1 niedrig gehalten, indem der Feststoffgehalt des ersten Schlamms S1 verringert wird. Um dies zu erreichen, wird der erste Schlamm S1 durch Mischen von Kohlenstoffpulver und Polytetrafluorethylen (PTFE) mit einem Lösungsmittel so vorbereitet, dass der Feststoffgehalt des ersten Schlamms S1 5% bis 10% beträgt, wobei die Viskosität des ersten Schlamms S1 10.000 cps bis 100.000 cps beträgt.
Da die Oberfläche der Basisschicht 110 mit dem zweiten Schlamm S2 beschichtet wird, wird die Viskosität des zweiten Schlamms S2 durch Auftragen des zweiten Schlamms S2 auf einem hohen Niveau gehalten, indem der Feststoffgehalt des zweiten Schlamms S2 relativ erhöht wird, um die Funktion der Gasdiffusionsschicht zu verbessern. Um dies zu erreichen, wird der zweite Schlamm S2 durch Mischen von Kohlenstoffpulver und Polytetrafluorethylen (PTFE) mit einem Lösungsmittel so vorbereitet, dass der Feststoffgehalt des zweiten Schlamms S2 10% bis 15% beträgt, wobei die Viskosität des zweiten Schlamms S2 100.000 cps bis 500.000 cps beträgt.
Dann kann das Lösungsmittel zur Ausbildung des ersten Schlamms S1 und des zweiten Schlamms S2 IPA, NPA und DI-Wasser aufweisen. Ferner kann ferner ein Dispersionsmittel in dem ersten Schlamm S1 und dem zweiten Schlamm S2 vorgesehen sein, so dass Kohlenstoffpulver und PTFE gleichmäßig in dem Lösungsmittel dispergiert werden können.
Der Basisschicht-Ausbildungsschritt ist ein Schritt der Vorbereitung der Basisschicht 110 durch Imprägnieren des ersten Schlamms S1 in das Innere der Basis 111, und der erste Schlamm S1 wird im gesamten Bereich des Inneren der Basis 111 imprägniert, indem der erste Schlamm S1 auf eine Oberfläche der vorbereiteten Basis 111 aufgetragen und der erste Schlamm S1 von einer gegenüberliegenden Oberfläche der Basis 111 angesaugt wird.
Zum Beispiel wird, wie in 4 dargestellt, die Basis 111 während des Abwickelns in einem Zustand bewegt, in dem die Basis 111 in Form einer Rolle vorbereitet ist, der erste Schlamm S1 wird der einen Oberfläche der Basis 111 auf einer Bewegungsbahn zugeführt, entlang der die Basis 111 bewegt wird, und der erste Schlamm S1, der von einem Abstreifer 1 zugeführt wird, wird mit einer vorbestimmten Dicke aufgetragen. Wenn in diesem Zustand der erste Schlamm S1 mit Hilfe einer auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Basis vorgesehenen Saugvorrichtung 2 angesaugt wird, wird der erste Schlamm S1 imprägniert, während er in das Innere der Basis 111 verteilt wird.
Der Feinporenschicht-Ausbildungsschritt ist ein Schritt zum Ausbilden der Feinporenschicht 120 durch Auftragen des zweiten Schlamms S2, der auf der Oberfläche der Basisschicht 110 vorbereitet ist, und der zweite Schlamm S2 wird auf die Oberfläche der Basisschicht 110 aufgebracht, die durch Imprägnieren des ersten Schlamms S1 in das Innere der Basis 111 ausgebildet wird.
Zum Beispiel sind, wie in 4 dargestellt, ein Bad 3, in dem der zweite Schlamm S2 vorgesehen ist, und eine in dem Bad 3 installierte Beschichtungswalze 4 zum Auftragen des in dem Bad 3 vorgesehen zweiten Schlamms S2 auf einer Bahn angeordnet, entlang der die durch Imprägnieren des ersten Schlamms S1 in das Innere der Basis 111 ausgebildete Basisschicht 110 kontinuierlich bewegt wird. Dementsprechend wird eine vorbestimmte Menge des zweiten Schlamms S2 durch Auftragen des zweiten Schlamms S2 auf die Oberfläche der Basisschicht 110 durch die Beschichtungswalze 4 aufgetragen, während die Basisschicht 110 bewegt wird, während sie an der Beschichtungswalze 4 haftet.
Auf diese Weise werden, wenn die Feinporenschicht 120 auf die Oberfläche der Basisschicht 110 aufgetragen wird, Kohlenstoffpulver und PTFE, die in dem ersten Schlamm S1 und dem zweiten Schlamm S2 enthalten sind, durch Wärmebehandlung gesintert. Die Wärmebehandlung bezieht sich hier auf das Erhitzen von PTFE auf einen Schmelzpunkt (etwa 350 °C oder mehr) von PTFE. Dementsprechend wird die Feinporenschicht 120 gesintert, während das Dispergierverhalten von PTFE, das in dem ersten Schlamm S1 und dem zweiten Schlamm S2 enthalten ist, verbessert wird. Hier bezieht sich das Sintern auf einen Prozess des Schmelzens der PTFE-Partikel durch Erhitzen des Schlamms, bei dem Kohlenstoffpulver und PTFE gemischt sind, und des gleichmäßigen Dispergierens des fließfähigen PTFE in der gesamten Fläche des Schlamms.
Die Gasdiffusionsschicht gemäß der vorliegenden Offenbarung, die wie oben beschrieben hergestellt wird, ist im Vergleich zu einer herkömmlichen allgemeinen Gasdiffusionsschicht effektiv bei der Ableitung des erzeugten Wassers.
Der Grund dafür ist, dass die herkömmliche allgemeine Gasdiffusionsschicht 20, wie in 2 dargestellt, durch die Ausbildung einer Feinporenschicht 22 (mikroporöse Schicht: MPL) in der Basis 21, die Kohlenstofffasern aufweist, ausgebildet ist bzw. wird. Dann wird zur Ausbildung der Feinporenschicht 22 der Schlamm, in dem Kohlenstoffpulver und ein hydrophobes Mittel wie Polytetrafluorethylen (PTFE) vermischt sind, auf eine Oberfläche der Basis 21 aufgetragen, und ein Abschnitt des aufgetragenen Schlamms dringt bis zu einer vorbestimmten Tiefe in die Oberfläche der Basis ein. Dementsprechend sollte die herkömmliche Gasdiffusionsschicht 20 nacheinander drei Zonen durchlaufen, welche eine Feinporenschicht, eine Basis, in die die Feinporenschicht eindringt, und die Basis, um das erzeugte Wasser abzuleiten, aufweisen.
Da jedoch die Gasdiffusionsschicht 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung so ausgestaltet ist, dass der erste Schlamm S1 in das Innere der Basisschicht 110 imprägniert ist, muss sie nur nacheinander zwei Zonen durchlaufen, welche eine Feinporenschicht und eine Basisschicht, in der der erste Schlamm imprägniert ist, aufweisen, um das erzeugte Wasser abzuleiten.
Auf diese Weise kann die Gasdiffusionsschicht 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung das erzeugte Wasser problemlos abführen, indem die Anzahl der Schritte des Durchgangs, durch die das erzeugte Wasser abgeführt wird, im Vergleich zu der herkömmlichen allgemeinen Gasdiffusionsschicht 20 verringert wird und der Widerstand auf dem Weg, auf dem das erzeugte Wasser abgeführt wird, verringert wird.
Ferner ist die konventionelle allgemeine Gasdiffusionsschicht 20 so ausgestaltet, dass die Kohlenstofffasern, welche die Basis 21 ausbilden, eine Vielzahl von Schichten ausbilden, und dass die Zwischenschichten der Kohlenstofffasern Zwischenräume aufweisen, die mikroskopisch unbesetzt sind. Dementsprechend verschwindet ein Medium, das das erzeugte Wasser bewegt, in den Zwischenschichten der Kohlenstofffasern in der Dickenrichtung der Basis 21, und somit bleibt das erzeugte Wasser vorübergehend zwischen den Schichten der Kohlenstofffasern, welche die Basis 21 ausbilden, wenn das erzeugte Wasser in der Dickenrichtung der Basis abgeführt wird. Infolgedessen nimmt der Wirkungsgrad des erzeugten Wassers, bei dem das erzeugte Wasser in Dickenrichtung der Basis 21 strömt, ab.
Unterdessen fungiert die Gasdiffusionsschicht 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung als ein Medium zum Bewegen des erzeugten Wassers, während der erste Schlamm S1 in den Zwischenschichten der Kohlenstofffasern, welche die Basisschicht 110 ausbilden, imprägniert ist.
Dementsprechend fließt der erste Schlamm S1, obwohl das erzeugte Wasser in Dickenrichtung der Basisschicht 110 abgeführt wird, als Medium gleichmäßig, während das erzeugte Wasser nicht wie bei der herkömmlichen Technologie zwischen den Zwischenschichten der Kohlenstofffasern verbleibt. Dadurch wird der Wirkungsgrad des erzeugten Wassers, bei dem das erzeugte Wasser in Dickenrichtung der Basisschicht strömt, verbessert.
Unterdessen kann die vorliegende Offenbarung die Abflusseffizienz des erzeugten Wassers verbessern, indem sie ein Muster ausbildet, bei dem der erste Schlamm in der Basis imprägniert ist.
5A und 5B sind Ansichten, die ein Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellen. 6 ist eine Ansicht, die den Laminierungszustand einer Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle und einen Separator gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
Die Gasdiffusionsschicht 200 für eine Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist eine Basisschicht 210 und eine Feinporenschicht 220 auf, ähnlich wie die Gasdiffusionsschicht der oben beschriebenen Ausführungsform.
Unterdessen wird ein vorbestimmtes Muster in einem Bereich, in dem der erste Schlamm S1 imprägniert ist, durch Begrenzung der Lage des ersten Schlammes S1 definiert.
Zum Beispiel ist, wie in 6 dargestellt, das Muster, das durch die Imprägnierung des ersten Schlamms S1 in der Basisschicht 210 definiert wird, ein Muster, das einem Steg 31, der im Separator 30 ausgebildet ist, der eine Einheitszelle einer Brennstoffzelle ausbildet, und einem Bereich des Kanals 32, der dem Steg 31 zugewandt ist, entspricht.
Dementsprechend ist die Basisschicht 210 so ausgestaltet, dass ein vorbestimmtes Muster in dem Bereich 212 ausgebildet ist, in dem eine relativ große Menge des ersten Schlammes S1 in die Basis 211 imprägniert ist. Dementsprechend kann die Hydrophobizität eines Bereichs des Separators 30, der dem Steg 31 zugewandt ist, erhöht werden, indem die Dichte des Bereichs, durch den der Schlamm S1 imprägniert wird, erhöht wird, um zu verhindern, dass sich an dem entsprechenden Abschnitt Wasser ansammelt. Dementsprechend wird das erzeugte Wasser gleichmäßig durch den Kanal 32 des Separators 30 abgeführt, indem die Strömungen des erzeugten Wassers zu einem Bereich des Separators 30 geleitet werden, der dem Kanal 32 zugewandt ist.
Unterdessen kann, wie in 5B dargestellt, die Basisschicht 210 in einen Bereich 212, in dem der erste Schlamm S1 imprägniert ist, während die Lage des ersten Schlammes S1, der in das Innere der Basisschicht 210 imprägniert ist, begrenzt ist, und in einen Bereich 211, in dem der erste Schlamm S1 nicht imprägniert ist, klassifiziert (unterteilt) sein, aber die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt, und die Basisschicht 210 kann in einen Bereich, in dem der erste Schlamm S1 im gesamten Bereich der Basisschicht 210 in das Innere der Basisschicht 210 imprägniert ist, aber eine relativ große Menge des ersten Schlamms S1 imprägniert ist, und einen Bereich, in dem eine relativ kleine Menge des ersten Schlamms S1 imprägniert ist, klassifiziert bzw. unterteilt sein.
Zum Beispiel kann die Menge des ersten Schlamms S1, der in das Innere der Basisschicht 210 imprägniert ist, durch Verwendung eines vorbestimmten Musters unterschiedlich ausgebildet sein, und der erste Schlamm S1 kann in ein Überdichte-Muster (entsprechend 212 in 6), in dem die Menge des imprägnierten ersten Schlamms S1 relativ groß ist, und ein Niederdichte-Muster (entsprechend 211 in 6), in dem die Menge des imprägnierten ersten Schlamms S1 relativ klein ist, klassifiziert sein.
Dementsprechend kann, wie in 6 dargestellt, der erste Schlamm S1 in ein Überdichte-Muster und ein Niederdichte-Muster klassifiziert bzw. unterteil sein, ähnlich wie in dem Fall, in dem der erste Schlamm S1 in den Bereich 212, in dem der erste Schlamm S1 imprägniert ist, und einen Bereich 211, in dem der erste Schlamm S1 nicht imprägniert ist, klassifiziert ist, und dann ist das Überdichte-Muster des Musters, bei dem der erste Schlamm S1 in die Basisschicht 210 imprägniert ist, ein Muster, das einem Steg 31, der im Separator 30 ausgebildet ist, der eine Einheitszelle einer Brennstoffzelle ausbildet, und einem Bereich des Kanals 32, der dem Steg 31 zugewandt ist, entspricht.
Dementsprechend wird das erzeugte Wasser gleichmäßig durch den Kanal 32 des Separators 30 abgeführt, indem die Strömungen des erzeugten Wassers in einen Bereich des Separators 30 geführt werden, der dem Kanal 32 gegenüber liegt.
Das Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wie oben beschrieben wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Das Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist, wie in der oben beschriebenen Ausführungsform, einen Basisschichtvorbereitungsschritt, einen Schlammvorbereitungsschritt, einen Basisschicht-Ausbildungsschritt und einen Feinporenschicht-Ausbildungsschritt auf. Ferner ist nach dem Feinporenschicht-Ausbildungsschritt ein Sinterschritt vorgesehen. Dann werden der Basisschichtvorbereitungsschritt, der Schlammvorbereitungsschritt, der Feinporenschicht-Ausbildungsschritt und der Sinterschritt wie in den obigen Schritten ausgeführt.
Ferner wird, selbst im Basisschicht-Ausbildungsschritt, der erste Schlamm S1 in die Basis 211 imprägniert, indem der erste Schlamm S1 auf eine Oberfläche der Basis 211 aufgebracht und der erste Schlamm S1 von einer gegenüberliegenden Oberfläche der Basis 211 angesaugt wird. Währenddessen wird, nachdem eine Maske 5, in der ein Durchgangsloch eines vorbestimmten Musters auf der einen Oberfläche der Basis 211 ausgebildet ist, vor dem Aufbringen des ersten Schlamms S1 angeordnet worden ist, der erste Schlamm S1 auf die Oberfläche aufgebracht.
Dementsprechend wird, wenn der erste Schlamm S1 von der gegenüberliegenden Oberfläche der Basis 211 angesaugt wird, ein Bereich 212, in dem eine relativ große Menge des ersten Schlamms S1 imprägniert ist, so ausgebildet, dass er ein vorbestimmtes Muster in Übereinstimmung mit dem Muster des in der Maske 5 ausgebildeten Durchgangslochs aufweist, während der erste Schlamm S1 in das Innere der Basis 211 imprägniert wird.
Dann ist das vorgegebene Muster des in der Maske 5 ausgebildeten Durchgangslochs ein Muster, das einem Steg 31, der in dem Separator 30 ausgebildet ist, der eine Einheitszelle einer Brennstoffzelle ausbildet, und einem Bereich des Kanals 32, der dem Steg 31 zugewandt ist, entspricht.
Dementsprechend ist, wie in 5B dargestellt, die Basisschicht 210 so ausgestaltet, dass ein vorbestimmtes Muster in dem Bereich 212 ausgebildet ist, in dem eine relativ große Menge des ersten Schlammes S1 in die Basis 211 imprägniert ist. Dann kann die Imprägnierung des ersten Schlamms S1 vollständig von den anderen Bereichen der Basisschicht 210 ausgenommen werden, mit Ausnahme des Bereichs 212, in dem eine große Menge des ersten Schlamms S1 imprägniert ist, aber eine relativ kleine Menge des ersten Schlamms S1 kann aufgrund der Eigenschaften des Herstellungsverfahrens imprägniert werden.
Unterdessen kann die vorliegende Offenbarung die Gasdiffusionsschicht realisieren, während sie die Gasdiffusionsschicht in eine Niedrigbefeuchtungs-Gasdiffusionsschicht und eine Hochbefeuchtungs-Diffusionsschicht klassifiziert.
7A und 7B sind Ansichten, die ein Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellen.
Dann ist 7A eine Ansicht, die eine Niedrigbefeuchtungs-Gasdiffusionsschicht in einer Niedrigbefeuchtungs-Umgebung darstellt, und 7B ist eine Ansicht, die eine Hochbefeuchtungs-Gasdiffusionsschicht in einer Hochbefeuchtungs-Umgebung darstellt.
Die Gasdiffusionsschicht gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist, wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen, eine Basisschicht 110 und 310 und eine Feinporenschicht 120 und 320 auf.
Dann ist die Basisschicht 110 und 310 in einen Überdichte-Bereich 111 und 311, in dem die Menge des imprägnierten ersten Schlamms relativ groß in Bezug auf die Dickenrichtung der Basisschicht 110 und 310 ist, und in einen Niederdichte-Bereich 112 und 312, in dem die Menge des imprägnierten ersten Schlamms relativ klein ist, klassifiziert.
Dementsprechend ist, wie in 7A dargestellt, die Niedrigbefeuchtungs-Gasdiffusionsschicht, die in einer Niedrigfeuchte-Umgebung verwendet werden soll, so ausgestaltet, dass eine Feinporenschicht 120 auf einer Oberfläche des in der Basisschicht 110 ausgebildeten Niederdichte-Bereichs 112 ausgebildet ist.
Zur Herstellung der Niedrigbefeuchtungs-Gasdiffusionsschicht wird als erstes in dem Basisschicht-Ausbildungsschritt 110 ein Hochdichte-Bereich 111, in dem die Menge des imprägnierten ersten Schlammes S1 relativ groß ist, auf der Basis in Bezug auf die Dicke der Basis ausgebildet, und ein Niederdichte-Bereich 112, in dem die Menge des imprägnierten ersten Schlammes S1 relativ klein ist, unter der Basis ausgebildet. Ferner wird der Niederdichte-Bereich 112 bewegt, während er der Beschichtungswalze 4 zugewandt ist, wenn die Basisschicht 110 durch die Beschichtungswalze 4 zum Auftragen des zweiten Schlamms S2 hindurchgeführt wird, um eine Feinporenschicht 120 im Niederdichte-Bereich 112 der Basisschicht 110 auszubilden.
Ferner ist, wie in 7B dargestellt, die Hochbefeuchtungs-Diffusionsschicht, die in einer Hochbefeuchtungs-Umgebung verwendet werden soll, so ausgestaltet, dass eine Feinporenschicht 320 auf einer Oberfläche des Hochdichte-Bereichs 311, der in der Basisschicht 310 ausgebildet ist, ausgebildet wird.
Zur Herstellung der Hochbefeuchtungs-Gasdiffusionsschicht wird als erstes in dem Basisschicht-Ausbildungsschritt 310 ein Hochdichte-Bereich 311, in dem die Menge des imprägnierten ersten Schlamms S1 relativ groß ist, auf der Basis in Bezug auf die Dicke der Basis ausgebildet, und ein Niederdichte-Bereich 312, in dem die Menge des imprägnierten ersten Schlamms S1 relativ klein ist, unter der Basis ausgebildet. Ferner wird der Hochdichte-Bereich 311 bewegt, während er der Beschichtungswalze 4 zugewandt ist, indem die Basisschicht 310 umgedreht wird, wenn die Basisschicht 310 durch Auftragen des zweiten Schlamms S2 durch die Beschichtungswalze 4 läuft, um eine Feinporenschicht 320 im Hochdichte-Bereich 311 der Basisschicht 310 auszubilden. Um die Basisschicht 310 umzudrehen, während sich die Basisschicht 310 bewegt, können die Zuführwalzen 6 und 7 an einem vorderen Ende und einem hinteren Ende der Beschichtungswalze 4 angeordnet sein.
Obwohl die vorliegende Offenbarung unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist die vorliegende Offenbarung nicht darauf beschränkt und wird gemäß den nachfolgenden Ansprüchen definiert. Daher kann eine gewöhnliche fachkundige Person, auf die sich die vorliegende Offenbarung bezieht, die vorliegende Offenbarung auf verschiedene Weise modifizieren und korrigieren, ohne vom technischen Geist der nachfolgenden Ansprüche abzuweichen.

Claims

Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle, die eine Einheitszelle der Brennstoffzelle ausbildet, aufweisend: eine Basisschicht, die durch Imprägnieren eines ersten Schlamms, in dem Kohlenstoffpulver und Polytetrafluorethylen (PTFE) gemischt sind, in das Innere einer Kohlenstofffaserbasis ausgebildet ist; und eine Feinporenschicht, die durch Auftragen eines zweiten Schlamms, in dem Kohlenstoffpulver und Polytetrafluorethylen (PTFE) gemischt sind, und der eine Viskosität aufweist, die höher als die Viskosität des ersten Schlamms ist, auf eine Oberfläche der Basisschicht ausgebildet ist.
Gasdiffusionsschicht gemäß Anspruch 1, wobei der erste Schlamm, der in das Innere der Basisschicht imprägniert ist, in dem gesamten Bereich der Basisschicht imprägniert ist.
Gasdiffusionsschicht gemäß Anspruch 1, wobei der erste Schlamm, der in das Innere der Basisschicht imprägniert ist, in das Innere der Basisschicht imprägniert ist, um ein vorbestimmtes Muster aufzuweisen, und wobei das Muster, in dem der erste Schlamm in die Basisschicht imprägniert ist, ein Muster ist, das einem Steg, der in einem Separator ausgebildet ist, der die Einheitszelle der Brennstoffzelle ausbildet, und einem Bereich eines Kanals, der dem Steg zugewandt ist, entspricht.
Gasdiffusionsschicht gemäß Anspruch 1, wobei der erste Schlamm, der in das Innere der Basisschicht imprägniert ist, in dem gesamten Bereich der Basisschicht imprägniert ist, wobei das vorbestimmte Muster des ersten Schlamms, der in das Innere der Basisschicht imprägniert ist, in ein Überdichte-Muster, bei dem die Menge des imprägnierten ersten Schlamms relativ groß ist, und ein Niederdichte-Muster, bei dem die Menge des imprägnierten ersten Schlamms relativ klein ist, wenn der erste Schlamm in das Innere der Basisschicht imprägniert ist, klassifiziert ist, und wobei das Überdichte-Muster in dem Muster, in dem der erste Schlamm in die Basisschicht imprägniert ist, ein Muster ist, das einem Steg, der in einem Separator ausgebildet ist, der die Einheitszelle der Brennstoffzelle ausbildet, und einem Bereich eines Kanals, der dem Steg zugewandt ist, entspricht.
Gasdiffusionsschicht gemäß Anspruch 1, wobei die Basisschicht in einen Hochdichte-Bereich, in dem die Menge des imprägnierten ersten Schlamms relativ groß ist, und einen Niederdichte-Bereich, in dem die Menge des imprägnierten ersten Schlamms in Bezug auf die Dickenrichtung davon relativ klein ist, klassifiziert ist.
Gasdiffusionsschicht gemäß Anspruch 5, wobei die Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle in eine Niedrigbefeuchtungs-Gasdiffusionsschicht und eine Hochbefeuchtungs-Gasdiffusionsschicht klassifiziert ist, wobei die Niedrigbefeuchtungs-Gasdiffusionsschicht die Feinporenschicht auf einer Oberfläche des in der Basisschicht ausgebildeten Niederdichte-Bereichs aufweist, und wobei die Hochbefeuchtungs-Gasdiffusionsschicht die Feinporenschicht auf einer Oberfläche des in der Basisschicht ausgebildeten Hochdichte-Bereichs aufweist.
Gasdiffusionsschicht gemäß Anspruch 1, wobei die Dicke der Basisschicht 50 µm bis 80 µm beträgt, und wobei die Dicke der Feinporenschicht 20 µm bis 40 µm beträgt.
Gasdiffusionsschicht gemäß Anspruch 1, wobei der Feststoffgehalt des ersten Schlamms 5 % bis 10 % beträgt, und wobei der Feststoffgehalt des zweiten Schlamms 10 % bis 15 % beträgt.
Gasdiffusionsschicht gemäß Anspruch 1, wobei ein Ceroxid in den ersten und/oder den zweiten Schlamm zusätzlich gemischt ist.
Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht, die eine Einheitszelle der Brennstoffzelle ausbildet, wobei das Verfahren aufweist: einen Basisvorbereitungsschritt zum Vorbereiten einer Basis unter Verwendung von Kohlenstofffasern; einen Schlammvorbereitungsschritt zum Vorbereiten eines ersten Schlamms, dessen Viskosität relativ niedrig ist, und eines zweiten Schlamms, dessen Viskosität relativ hoch ist, durch Mischen von Kohlenstoffpulver und Polytetrafluorethylen (PTFE); einen Basisschicht-Ausbildungsschritt zum Ausbilden einer Basisschicht durch Imprägnieren des ersten Schlamms in das Innere der Basis; und einen Feinporenschicht-Ausbildungsschritt zum Ausbilden einer Feinporenschicht durch Auftragen des zweiten Schlamms auf eine Oberfläche der Basisschicht.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei der Schlammvorbereitungsschritt aufweist: Vorbereiten des ersten Schlamms durch Mischen von Kohlenstoffpulver und Polytetrafluorethylen (PTFE) mit einem Lösungsmittel, so dass der Feststoffgehalt des ersten Schlamms 5% bis 10% beträgt, wobei die Viskosität des ersten Schlamms 10.000 cps bis 100.000 cps beträgt; und Vorbereiten des zweiten Schlamms durch Mischen von Kohlenstoffpulver und Polytetrafluorethylen (PTFE) mit einem Lösungsmittel, so dass der Feststoffgehalt der zweiten Schlamms 10% bis 15% beträgt, wobei die Viskosität des zweiten Schlamms 100.000 cps bis 500.000 cps beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei der Basisvorbereitungsschritt aufweist: Vorbereiten der Basis unter ausschließlicher Verwendung der Kohlenstofffasern, und wobei der Basisschicht-Ausbildungsschritt aufweist: Imprägnieren des ersten Schlamms in dem gesamten Bereich des Inneren der Basis, indem, nachdem der erste Schlamm auf eine Oberfläche der Basis aufgetragen worden ist, der erste Schlamm von einer gegenüberliegenden Oberfläche der Basis angesaugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei der Basisschicht-Ausbildungsschritt aufweist: Ausbilden der Basisschicht, so dass die Basisschicht in einen Hochdichte-Bereich, in dem die Menge des imprägnierten Kohlenstoffpulvers relativ groß ist, und einen Niederdichte-Bereich, in dem die Menge des imprägnierten Kohlenstoffpulvers in Bezug auf die Dickenrichtung davon relativ klein ist, klassifiziert ist, indem die Menge des angesaugten ersten Schlamms eingestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle in eine Niedrigbefeuchtungs-Gasdiffusionsschicht und eine Hochbefeuchtungs-Gasdiffusionsschicht klassifiziert ist, wobei der Feinporenschicht-Ausbildungsschritt aufweist: wenn die Niedrigbefeuchtungs-Gasdiffusionsschicht hergestellt wird, Ausbilden der Feinporenschicht durch Auftragen des zweiten Schlamms auf eine Oberfläche des in der Basisschicht ausgebildeten Niederdichte-Bereichs; und wenn die Hochbefeuchtungs-Gasdiffusionsschicht hergestellt wird, Ausbilden der Feinporenschicht durch Auftragen des zweiten Schlamms auf eine Oberfläche des in der Basisschicht ausgebildeten Hochdichte-Bereichs.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei der Basisvorbereitungsschritt aufweist: Vorbereiten der Basis unter ausschließlicher Verwendung der Kohlenstofffasern, wobei der Basisschicht-Ausbildungsschritt aufweist: nach dem Aufbringen einer Maske mit einem Durchgangsloch eines vorbestimmten Musters auf eine Oberfläche der Basis, Aufbringen des ersten Schlamms auf die Oberfläche der Basis, und Imprägnieren des ersten Schlamms in das Innere der Basis in einem vorbestimmten Muster durch Ansaugen des ersten Schlamms von einer gegenüberliegenden Oberfläche der Basis, und wobei das vorbestimmte Muster, das in der Maske ausgebildet ist, ein Muster ist, das einem Steg, der in einem Separator, der die Einheitszelle der Brennstoffzelle ausbildet, ausgebildet ist, und einem Bereich eines Kanals, der dem Steg zugewandt ist, entspricht.
Verfahren gemäß Anspruch 10, ferner aufweisend: nach dem Feinporenschicht-Ausbildungsschritt, einen Sinterschritt des Sinterns von Kohlenstoffpulver und Polytetrafluorethylen (PTFE), welche der ersten Schlamm und der zweiten Schlamm aufweist, durch Wärmebehandlung.