DE10394032B4

DE10394032B4 - Poröses Diffusionsmedium, Vorrichtung mit einem porösen Diffusionsmedium und Vorrichtung mit einer Membranelektrodenanordnung

Info

Publication number: DE10394032B4
Application number: DE10394032T
Authority: DE
Inventors: Mark E. Mathias; Bhaskar Sompalli; Michael R. Schoeneweiss; David Wood
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-01-15
Filing date: 2003-12-08
Publication date: 2013-05-23
Anticipated expiration: 2023-12-09
Also published as: WO2004066427B1; WO2004066427A1; JP4459820B2; DE10394032T5; AU2003297702A1; JP2006513545A

Abstract

Poröses Diffusionsmedium (20) mit einer porösen Matrix (22), die eine Verteilung von Wasserübertragungspartikeln (24) trägt, wobei: das Diffusionsmedium (20) eine planare Hauptabmessung und eine erste und zweite Hauptseite (21, 23) definiert, die im Wesentlichen parallel zu der planaren Hauptabmessung des Diffusionsmediums (20) angeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung von Wasserübertragungspartikeln (24) eine Vielzahl von Gebieten mit hoher Partikeldichte (26), die durch eine relativ hohe Dichte der Wasserübertragungspartikel (24) gekennzeichnet sind, und eine Vielzahl von Gebieten mit niedriger Partikeldichte (28) definiert, die durch eine relativ niedrige Dichte der Wasserübertragungspartikel (24) gekennzeichnet sind; dass die Gebiete mit relativ hoher und relativ niedriger Partikeldichte (26, 28) über zumindest eine der ersten und zweiten Hauptseite (21, 23) des porösen Diffusionsmediums (20) abwechseln; und dass das poröse Diffusionsmedium (20) ferner eine Lage (25) eines hydrophoben Materials umfasst, das entlang der ersten oder der zweiten Hauptseite (21, 23) des Diffusionsmediums (20) angeordnet ist, wobei die Lage (25) des hydrophoben Materials derart ausgestaltet ist, dass sie gegenüber Wassertropfen abstoßender ist als die Gebiete des porösen Diffusionsmediums (20) mit relativ hoher und relativ niedriger Partikeldichte (26, 28).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Diffusionsmedien, Brennstoffzellen, die Diffusionsmedien gemäß der vorliegenden Erfindung verwenden, und brennstoffzellenbetriebene Systeme, die derartige Brennstoffzellen verwenden. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung von Diffusionsmedien unter Berücksichtigung von Wassertransportschwierigkeiten bei feuchten Betriebsbedingungen in Brennstoffzellen und anderen Typen von Vorrichtungen.
Die WO 01/04980 A1 offenbart ein poröses Diffusionsmedium und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Die EP 0 872 907 A1 und die US 6,024,848 A beschreiben Diffusionsmedien mit abwechselnden hydrophilen und hydrophoben Gebieten.
Aus der DE 198 40 517 A1 ist eine poröse, elektrisch leitfähige Gasdiffusionsstruktur für Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzellen bekannt, welche senkrecht zur Membran eine Struktur aufweist, die mindestens in einem Teilbereich einen Gradienten in der Gasdurchlässigkeit aufweist.
Schließlich offenbart die US 6,365,293 B1 eine Brennstoffzelle mit einer auf der Kathode angeordneten Schicht, welche leitfähig und gasdurchlässig ist, wobei die Schicht eine sich über deren Länge wechselnde Wasserdurchlässigkeit aufweist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes poröses Diffusionsmedium für Brennstoffzellen vorzusehen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Es ist ein poröses Diffusionsmedium mit einer porösen Matrix vorgesehen, die eine Verteilung von Wasserübertragungspartikeln trägt, die so ausgebildet sind, um Wassertransportschwierigkeiten unter feuchten Betriebsbedingungen zu berücksichtigen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein poröses Diffusionsmedium vorgesehen, das eine poröse Matrix umfasst, die eine Verteilung von Wasserübertragungspartikeln trägt. Die Verteilung von Wasserübertragungspartikeln definiert eine Vielzahl von Gebieten mit hoher Partikeldichte, die durch eine relativ hohe Dichte der Wasserübertragungspartikel gekennzeichnet sind, und eine Vielzahl von Gebieten mit niedriger Partikeldichte, die durch eine relativ niedrige Dichte der Wasserübertragungspartikel gekennzeichnet sind. Die Gebiete mit relativ hoher und relativ niedriger Partikeldichte wechseln über eine planare Hauptabmessung des porösen Diffusionsmediums ab, beispielsweise kann die Seite des Diffusionsmediums ein Schachbrettmuster aus Gebieten mit hoher und niedriger Partikeldichte oder eine beliebige andere Anordnung von Gebieten aufweisen, bei der die Gebiete mit hoher und niedriger Dichte benachbart zueinander in abwechselnder Folge angeordnet sind.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen, bei der ein poröses Diffusionsmedium gemäß der vorliegenden Erfindung an einer Katalysatorlage positioniert ist.
Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen, die eine zwischen einem Anodenströmungsfeld und einem Kathodenströmungsfeld einer Brennstoffzelle angeordnete Membranelektrodenanordnung umfasst. Ein poröses Diffusionsmedium gemäß der vorliegenden Erfindung ist an einer Katalysatorlage der Membranelektrodenanordnung positioniert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein poröses Diffusionsmedium gemäß der vorliegenden Erfindung an einer Katalysatorlage der Membranelektrodenanordnung positioniert, die poröse Matrix umfasst Kohlepapier und die Wasserübertragungspartikel umfassen Kohlefasern oder -pulver. Über eine planare Hauptabmessung des porösen Diffusionsmediums wechseln Gebiete mit relativ hoher Dichte von Wasserübertragungspartikeln mit Gebieten relativ niedriger Dichte von Wasserübertragungspartikeln ab. Jeweilige Eigenschaften der Gebiete mit relativ hoher und relativ niedriger Partikeldichte variieren über einen Querschnitt des porösen Diffusionsmediums zwischen der ersten und zweiten Hauptseite des Diffusionsmediums, so dass die erste Hauptseite insgesamt hydrophiler als die zweite Hauptseite ist und die zweite Hauptseite insgesamt hydrophober als die erste Hauptseite ist. Das Diffusionsmedium ist an der Katalysatorlage entlang der ersten Hauptseite des Diffusionsmediums und an einem Strömungsfeld der Brennstoffzelle entlang der zweiten Hauptseite des Diffusionsmediums positioniert. Das poröse Diffusionsmedium umfasst ein hydrophobes Material, das entlang der zweiten Hauptseite des Diffusionsmediums angeordnet ist.
Die folgende detaillierte Beschreibung spezifischer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird am besten unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Strukturen bezeichnen, und in welchen:
1 eine schematische Explosionsdarstellung einer Brennstoffzelle ist, die ein poröses Diffusionsmedium gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst;
2 eine Darstellung einer geeigneten Verteilung von Wasserübertragungspartikeln in einem Abschnitt eines Diffusionsmediums gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine Darstellung eines Diffusionsmediums gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, das an einer Katalysatorlage positioniert ist;
4 eine schematische Darstellung einer geeigneten Verteilung von Gebieten mit hoher und niedriger Partikeldichte über die Seite eines Diffusionsmediums gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
5 eine Darstellung eines Fahrzeugs mit einer Brennstoffzelle ist, die ein poröses Diffusionsmedium gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet.
In 1 ist eine Brennstoffzelle 10 gezeigt, die ein poröses Diffusionsmedium 20 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst. Genauer umfasst die Brennstoffzelle 10 eine Membranelektrodenanordnung 30, die zwischen einem Anodenströmungsfeld 40 und einem Kathodenströmungsfeld 50 der Brennstoffzelle 10 angeordnet ist. Es sei angemerkt, dass die Strömungsfelder 40, 50 und die Membranelektrodenanordnung 30 eine Vielzahl herkömmlicher oder noch zu entwickelnder Formen annehmen können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Obwohl die jeweilige Form der Membranelektrodenanordnung 30 außerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegt, umfasst bei der gezeigten Ausführungsform die Membranelektrodenanordnung 30 jeweilige katalytische Elektrodenlagen 32 und eine Ionentauschermembran 34.
Wie in 2 gezeigt ist, umfasst ein poröses Diffusionsmedium 20 gemäß der vorliegenden Erfindung eine poröse Matrix 22, die eine Verteilung von Wasserübertragungspartikeln 24 trägt. Die Verteilung von Wasserübertragungspartikeln definiert eine Vielzahl von Gebieten 26 mit hoher Partikeldichte, die durch eine relativ hohe Dichte von Wasserübertragungspartikeln 24 gekennzeichnet ist, und eine Vielzahl von Gebieten 28 mit niedriger Partikeldichte, die durch eine relativ niedrige Dichte von Wasserübertragungspartikeln 24 gekennzeichnet ist. Die Gebiete 26, 28 mit relativ hoher und relativ niedriger Partikeldichte wechseln über eine planare Hauptabmessung des porösen Diffusionsmediums, die parallel zu der ersten und zweiten Hauptseite 21, 23 des Diffusionsmediums 20 angeordnet ist, ab.
Wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist, können die Wasserübertragungspartikel 24 über die Matrix 22 hinweg auf eine Vielzahl von Arten erzeugt und verteilt werden. Beispielsweise werden gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Partikel 24 durch Schleifen der ersten Hauptseite 21 des Diffusionsmediums 20 erzeugt, um einen Staub zu erzeugen und den Staub über einen Vakuumzug durch die Matrix 22 zu ziehen. Der Vakuumzug kann so ausgestaltet sein, dass die abwechselnden Gebiete 26, 28 mit relativ hoher und relativ niedriger Partikeldichte erzeugt werden. Der Staub kann gebunden werden oder kann ungebunden bleiben. Geeignete Binder, beispielsweise Fluoropolymere, können so ausgebildet sein, dass sie die Wasserübertragungspartikel zumindest teilweise an der porösen Matrix anbringen.
Geeignete Wasserübertragungspartikel 24 umfassen ein beliebiges Material, das eine Übertragung von Wasser von einer Seite des Diffusionsmediums 20 zu der anderen unterstützt. Beispielsweise umfassen geeignete Wasserübertragungspartikel 24 Kohlenstoff (beispielsweise Kohlefasern oder -pulver), Graphit (beispielsweise Graphitfasern oder -pulver), nicht perfluorierte Polymere, Metalloxide und deren Kombinationen. Ein geeignetes nicht perfluoriertes Polymer ist Polyvinylidenfluorid (PVDF). Ein geeignetes Metalloxid ist Siliziumdioxid. Selbstverständlich enthalten, wenn die Wasserübertragungspartikel 24 aus dem die poröse Matrix 22 bildenden Material erzeugt werden und die poröse Matrix 22 Kohlepapier umfasst, die Wasserübertragungspartikel 24 Kohlefasern, Kohlepulver oder eine Kombination der beiden umfassen. Wenn die poröse Matrix Kohlepapier umfasst, das mit Lagen eines hydrophoben Materials, beispielsweise PTFE beschichtet ist, können die Wasserübertragungspartikel von dem Kohlepapier und den hydrophoben Lagen abgeleitet werden. Hierzu sei angemerkt, dass die Wasserübertragungspartikel 24 von Materialien abgeleitet werden können, die in einer physikalischen Form hydrophob sind, jedoch in einem anderen physikalischen Zustand als hydrophile Wasserübertragungspartikel wirken können.
Die poröse Matrix 22 kann ein elektrisch leitendes Material, Kohlepapier, Graphitpapier, Stoff, Filz, Schaum, Kohlenstoff- oder Graphitgewebe, Kohlenstoff- oder Graphitvliese, metallische Siebe oder Schäume und deren Kombinationen umfassen. Obwohl die Abmessungen der Matrix 22 größtenteils von den Konstruktionsanforderungen in Verbindung mit der jeweiligen Anwendung abhängen, in der das poröse Diffusionsmedium 20 verwendet werden soll, sei angemerkt, dass Dicken zwischen etwa 20 μm und etwa 1000 μm und insbesondere bei etwa 200 μm möglich sind, um Anwendung zu finden. Ähnlicherweise kann die poröse Matrix beispielsweise eine Porosität definieren, die durch eine Permeometerzahl (gemessen mit einem Gurley-Permeometer, Modell Nr. 4301) von etwa 50 ft³/min/ft² bei etwa 0,5 Inch Wasser oder genauer eine Gurley-Permeometerzahl zwischen etwa 20 ft³/min/ft² und etwa 100 ft³/min/ft² bei etwa 0,5 Inch Wasser gekennzeichnet ist. In diesem Zusammenhang sie angemerkt, dass die Porosität ein Maß dafür ist, wie leicht Luft durch eine Probe eines Materials gelangen kann. Der Gurley-Test misst die Zeit, die erforderlich ist, damit ein gegebenes Volumen an Luft durch die Probe gelangt.
Es sei angemerkt, dass die Wasserübertragungspartikel 24 so gewählt sein können, dass sie ausreichend klein genug sind, um eine Migration der Partikel 24 durch eine Dickenabmessung d der porösen Matrix 22 zuzulassen. Auf diese Art und Weise können die Partikel 24 über das Diffusionsmedium 20 hinweg verteilt werden, indem das Medium 20 und die Partikel 24, die von dem Medium 20 getragen werden, unter einem Vakuumzug angeordnet werden, wie im Nachfolgenden detaillierter beschrieben ist. Ferner können Betriebsvorteile in Verbindung mit der Migrationsfreiheit der Wasserübertragungspartikel 24 in der Matrix 22 entstehen. Wenn beispielsweise das Diffusionsmedium 20 an einer katalytischen Elektrodenlage einer Brennstoffzelle positioniert wird, um die Wasserübertragungsanforderungen an der Katalysatorlage zu berücksichtigen, erlaubt die Migrationsfreiheit der Partikel 24 eine Übertragung einiger der Partikel an die Oberfläche der Katalysatorlage. Wenn die Abmessungen der Partikel 24 hier unter Bezugnahme auf ihre Fähigkeit zur Migration in der Matrix 22 des Diffusionsmediums 20 definiert sind, sei angemerkt, dass ein derartiger Bezug unabhängig davon gemacht wird, ob ein Binder in dem Diffusionsmedium vorhanden ist, um die Partikel in der Matrix zu binden. Anders gesagt ist damit gemeint, dass, wenn die Partikelabmessungen durch Bezugnahme auf die Migrationseigenschaften der Partikel in dem Diffusionsmedium 20 definiert sind, dann die Migrationseigenschaften genommen werden, als ob kein Binder in dem Diffusionsmedium 20 vorhanden wäre.
Wie in den 2 und 4 gezeigt ist, werden die Wasserübertragungspartikel 24 über einen Querschnitt des porösen Diffusionsmediums 20 zwischen der ersten und zweiten Hauptseite 21, 23 des Diffusionsmediums verteilt und wechseln über die erste und zweite Hauptseite 21, 23 ab. Zum Zwecke der Veranschaulichung ist anzumerken, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die abwechselnden Gebiete 26, 28 mit hoher und niedriger Dichte durch eine Periodizität von etwa 0,5 cm gekennzeichnet sind. Selbstverständlich hängen die Periodizität und die relativen Größen der Gebiete 26, 28 mit hoher und niedriger Dichte größtenteils von den Konstruktionsanforderungen in Verbindung mit der jeweiligen Anwendung ab, in der das poröse Diffusionsmedium 20 verwendet werden soll.
Die vorliegenden Erfinder haben Vorteile darin erkannt, sicherzustellen, dass eine Wasserübertragung an den Anoden- und Kathodenseiten der Brennstoffzelle durch eine Gasübertragung über das Diffusionsmedium 20 hinweg ergänzt ist. Die abwechselnde Ausgestaltung der Gebiete 26, 28 mit hoher und niedriger Dichte der vorliegenden Erfindung, wie in den 2 und 4 gezeigt ist, begrenzt die Überlagerung zwischen der Wasser- und Gasübertragung, indem die Aufteilung des Diffusionsmediums 20 in Gebiete 26, in denen die Wasserübertragung betont ist, und Gebiete 28 vorgesehen ist, in denen die Gasübertragung betont ist.
Wie in 2 gezeigt ist, können bestimmte Anwendungen einen Nutzen aus einer Ausgestaltung ziehen, bei der die jeweiligen Querschnittsabmessungen der Gebiete 26, 28 mit relativ hoher und relativ niedriger Partikeldichte invers über den Querschnitt des porösen Diffusionsmediums 20 zwischen der ersten und zweiten Hauptseite 21, 23 des Diffusionsmediums 20 variieren. Beispielsweise kann ein Diffusionsmedium erzeugt werden, bei dem eine der Hauptseiten 21 durch die Gebiete 26 mit relativ hoher Partikeldichte dominiert ist, während die andere der Hauptseiten 23 durch die Gebiete 28 mit relativ niedriger Partikeldichte dominiert ist. Infolge dessen ist die erste Hauptseite insgesamt hydrophiler als die zweite Hauptseite, und die zweite Hauptseite ist insgesamt hydrophober als die erste Hauptseite. Wie nachfolgend detaillierter unter Bezugnahme auf 3 beschrieben ist, können diese sich unterscheidenden Eigenschaften im Zusammenhang mit einer Brennstoffzelle hilfreich sein.
Die vorliegenden Erfinder haben erkannt, dass Wasserübertragungsanforderungen an die Katalysatorlagen einer Brennstoffzelle darauf gerichtet sein sollten, Probleme in Verbindung mit einem Fluten des Katalysators zu vermeiden. Genauer wird in den Kathodenlagen Wasser erzeugt, das von der Kathode zu der Anode zurück diffundieren kann, was zu einem Fluten an den Kathoden- und/oder Anodenseiten einer Brennstoffzelle führt. Wie in 3 gezeigt ist, ist die erste Hauptseite 21, die durch die Gebiete 26 mit relativ hoher Partikeldichte dominiert ist, an der katalytischen Elektrodenlage 32 positioniert, um die Wasserübertragungsanforderungen an der Katalysatorlage 32 der Brennstoffzelle zu berücksichtigen.
Die Dichte der Gebiete mit relativ hoher Partikeldichte kann von einem Gebiet mit hoher Partikeldichte zu dem nächsten über eine der ersten und zweiten Hauptseite des Diffusionsmediums im Wesentlichen gleichförmig bleiben. Alternativ dazu kann die Dichte oder Ausgestaltung der Gebiete mit relativ hoher Partikeldichte von einem Gebiet mit hoher Partikeldichte zu dem nächsten über eine der ersten und zweiten Hauptseiten des Diffusionsmediums variieren. Diese Abweichung hinsichtlich der Dichte über die Seite des Diffusionsmediums kann im Zusammenhang mit einer Brennstoffzelle nützlich sein, wenn es bevorzugt ist, ein Profil charakteristischer Dichtewerte vorzusehen, das von einem Strömungsfeldeinlassgebiet des Diffusionsmediums zu einem Strömungsfeldauslassgebiet des Strömungsfeldes zunimmt, da Wasserübertragungsanforderungen in der Nähe des Strömungsfeldauslassgebiets im Vergleich zu dem Strömungsfeldeinlassgebiet größer sein können.
Bei bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Gebiete 26 mit hoher Partikeldichte als ausreichend hydrophil definiert sein, um einen zunehmenden Kontaktwinkel zwischen etwa 135° und etwa 180° oder insbesondere zwischen etwa 160° und etwa 168° entlang einer der ersten und zweiten Hauptfläche 21, 23 des Diffusionsmediums 20 zu definieren. Hinsichtlich der abnehmenden Kontaktwinkel können die Gebiete mit hoher Partikeldichte als ausreichend hydrophil definiert sein, um einen abnehmenden Kontaktwinkel zwischen etwa 95° und etwa 135° oder insbesondere zwischen etwa 95° und etwa 105° entlang einer der ersten und zweiten Hauptflächen 21, 23 des Diffusionsmediums 20 zu definieren.
Wie auch in den 2 und 3 gezeigt ist, kann das poröse Diffusionsmedium 20 ein hydrophobes Material 25 beispielsweise in der Form einer hydrophoben Lage umfassen, die entlang der zweiten Hauptseite 23 des Diffusionsmediums 20 angeordnet ist. Das hydrophobe Material 25 bildet typischerweise eine relativ dünne Lage beispielsweise mit einer Dicke von bis zu etwa 125 μm und kann in die poröse Matrix 22 mit einer Beladung von bis zu etwa 5 mg pro cm² der Oberfläche des Diffusionsmediums imprägniert sein. Das hydrophobe Material 25 verhindert eine Ansammlung von Tröpfchen flüssigen Wassers auf der zweiten Hauptseite 123 des Diffusionsmediums 20. Es sei angemerkt, dass es bevorzugt ist, sicherzustellen, dass das hydrophobe Material 25 abstoßender gegenüber Wassertröpfchen wirkt, d. h. hydrophober ist, als beide Gebiete 26, 28 mit relativ hoher und relativ niedriger Partikeldichte des porösen Diffusionsmediums 20.
Das hydrophobe Material 25 kann Kohlenstoff, Graphit, Fluorpolymer, ein Polymer und deren Kombinationen umfassen. Beispielsweise können geeignete Fluorpolymere aus Polytetrafluorethylen (PTFE), Tetrafluorethylen (TFE), Ethylentetrafluorethylen (ETFE), fluoriertes Ethylenpropylen (FEP), einer Perfluoralkoxyverbindung und deren Kombinationen hergestellt sein, wobei ein geeignetes Polymer aus Polyphenylen, Polyvinylidenfluorid (PVDF) und deren Kombinationen gewählt sein kann.
Zu 5 ist anzumerken, dass Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung eine zusätzliche Struktur umfassen können, die ein brennstoffzellenbetriebenes Kraftfahrzeug 100 in Kombination mit einer Brennstoffzelle 10 gemäß der vorliegenden Erfindung und einem Brennstoffspeichermechanismus 15 definiert.
Bei einem geeigneten Verfahren zur Herstellung eines Diffusionsmediums gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein erster Schritt bei dem Verfahren darin bestehen, das Substrat in eine relativ hydrophobe Substanz zu tauchen. Ein typisches Substrat ist ein 100 bis 400 Mikrometer dickes Kohlefaserpapier beispielsweise Toray TGPH-060, das von Toray (Japan) hergestellt wurde. Die Lösung ist typischerweise eine Dispersion, die eine hydrophobe Substanz, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE) enthält, das in einem Lösemittel gelöst ist. Eine typische Dispersion ist die T-30-Lösung, die von duPont hergestellt wird. Das Substrat wird in die Dispersion für eine Zeitdauer getaucht, die ausreichend ist, um eine nahezu vollständige Sättigung des Substrats mit dem Material zu erreichen. Genauer bleibt das Substrat in der Lösung für eine Zeitdauer von etwa drei Minuten. Das Substrat wird langsam, um ein Brechen zu verhindern, und unter einem geringen Winkel entfernt, um zu ermöglichen, dass überschüssige Lösung von dem Substrat ablaufen kann. Das Papier kann dann für eine Zeitdauer zwischen etwa 5 und etwa 10 Minuten an einem Gestell abtropfen. Das Gestell, das das Substrat hält, wird dann in einem Ofen angeordnet, in dem es einem Wärmezyklus ausgesetzt wird.
Der Wärmezyklus kann in drei Stufen aufgeteilt sein, wobei die Temperatur des Ofens mit 10°C/Minute erhöht werden kann. In der ersten Stufe kann der Wärmezyklus von etwa 40°C auf etwa 96°C erhöht werden und die Temperatur kann für etwa 45 Minuten gehalten werden. In der zweiten Stufe kann die Temperatur des Wärmezyklus von 96°C auf etwa 300°C erhöht werden, und die Temperatur kann für etwa 30 Minuten gehalten werden. In der dritten Stufe kann die Temperatur des Wärmezyklus dann von etwa 300°C auf etwa 390°C erhöht werden, und die Temperatur kann für etwa 20 Minuten gehalten werden, um das PTFE zu sintern. Der Ofen kann dann auf 40°C abkühlen, und das Substrat wird von dem Ofen entnommen.
Typischerweise umfassen etwa 0,1% bis etwa 25% der Masse des Diffusionsmediums oder insbesondere etwa 7% der Masse des Diffusionsmediums gesintertes PTFE. Nach dem Sintern wird das PTFE in etwa gleichmäßig über die erste und zweite Seite des Substrats verteilt, um die relativ hydrophoben Lagen des Materials zu bilden. Es sei angemerkt, dass eine nebensächliche Menge des relativ hydrophoben Materials in der Masse des Substrats bleiben kann. Die relative hydrophobe Lage kann eine kontinuierliche Lage oder eine diskontinuierliche Lage umfassen.
Die zweite Seite des Substrats wird über einem Vakuumzug angeordnet. Der Vakuumzug enthält Luftlöcher, die das Substrat ansaugen und das Substrat an dem Vakuumtisch halten. Die Luftlöcher besitzen allgemein einen Durchmesser von etwa 1/16'' und sind etwa 1/4'' voneinander beabstandet. Die Luftlöcher sind in Reihen angeordnet, die um etwa 1/4'' voneinander beabstandet sind. Die Reihen sind typischerweise versetzt.
An dem Substrat wird dann ein Schleifschritt an der ersten Seite des Substrats ausgeführt, während es dem Vakuumzug ausgesetzt ist. Das Schleifen erzeugt einen Staub, den der Vakuumzug 70 durch einige Gebiete des Substrats zieht – wobei die oben beschriebenen Gebiete mit hoher und niedriger Partikeldichte erzeugt werden. Die Vakuumzugpumpe zieht Luft durch die Luftlöcher mit etwa 210 Kubikfuß pro Minute für ein Substrat mit einer Fläche von etwa 1000 cm².
Das Substrat wird an der ersten Seite geschliffen, wobei zwischen etwa 10 Mikrometer und etwa 500 Mikrometer des Substrats weggeschliffen werden. Die endgültige Dicke nach dem Schleifen kann bei etwa 185 Mikrometer bis etwa 200 Mikrometer ausgehend von einem Startmaterial, das etwa 300 Mikrometer dick ist, liegen, wodurch typischerweise etwa 100 Mikrometer des Substrats weggeschliffen werden. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der das hydrophobe Material (beispielsweise PTFE) am stärksten an der Außenfläche des Substrats vor dem Schleifen konzentriert ist, wirkt der Vakuumzug während des gesamten Schleifprozesses und weiterhin für eine Zeitdauer, die ausreichend ist, um den größten Teil, wenn nicht den gesamten, relativ hydrophoben Staub durch das Substrat an einen Abfallbehälter, der an dem Vakuum angeschlossen ist, zu ziehen. Somit ist der relativ hydrophile Staub, der von einem Bereich in der Nähe der ersten Seite 21 stammt, der letzte Abschnitt, der durch das Substrat gezogen wird. Wenn das Vakuum abgeschaltet wird, kann sich der Staub in und an dem Substrat setzen. Genauer bleibt der relativ hydrophile Staub, der durch das Substrat, jedoch nicht vollständig an den Abfallcontainer gezogen wurde, in den Poren des Substrats. Der verbleibende relativ hydrophile Staub, der noch nicht die Poren des Substrats erreicht hat, kann sich über die erste Seite des Substrats absetzen, wodurch eine hydrophile Lage gebildet wird. Alternativ dazu kann, um die relativ hydrophile Lage zu bilden, zusätzlich dazu, sich auf den an der geschliffenen Seite des Substrats abgesetzten, relativ hydrophilen Schleifstaub zu verlassen, oder anstelle dessen als eine Option eine relativ hydrophile Substanz über das Substrat gespritzt oder aufgebracht werden. Die Verwendung eines Schleifschritts mit genau gesteuerter Dicke kann die Gleichförmigkeit der Dicke des Diffusionsmediums verbessern, was in einer verbesserten Gleichförmigkeit von Schicht zu Schicht und innerhalb der Schichtdicke resultiert. Es ist bekannt, dass die Dickenabweichung von Diffusionsmedien nach dem Stand der Technik ein schwieriges Problem ist, da derzeitige Produktionsprozesse keine genaue Dickenkontrolle zulassen.
Wie oben erläutert, kann der Vakuumzug Reihen von Luftlöchern umfassen, die voneinander unter einen spezifischen Abstand gemäß eines vorbestimmten Musters beabstandet sind. Das Muster kann dazu verwendet werden, getrennte aktive Bereiche des Diffusionsmediums zu definieren. Wie oben erläutert ist, besitzt das Einlassgebiet der Brennstoffzelle andere Anforderungen als das Auslassgebiet der Brennstoffzelle. Das Muster der Luftlöcher kann darauf zugeschnitten sein, um diese Unterschiede zu berücksichtigen.
Es sei angemerkt, dass die Begriffe wie ”bevorzugt”, ”üblich” und ”typisch” hier nicht dazu verwendet sind, den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung zu beschränken oder zu implizieren, dass bestimmte Merkmale kritisch, wesentlich oder sogar wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sind diese Begriffe lediglich dazu bestimmt, Alternativen oder zusätzliche Merkmale hervorzuheben, die bei einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, jedoch nicht müssen.
Zum Zwecke der Beschreibung und Definition der vorliegenden Erfindung sei angemerkt, dass der Begriff ”im Wesentlichen” hier dazu verwendet ist, den inhärenten Grad an Unsicherheit zu repräsentieren, der einem quantitativen Vergleich, einem Wert, einer Messung oder einer anderen Darstellung zugeschrieben wird. Der Begriff ”im Wesentlichen” ist hier auch dazu verwendet, den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einer beschriebenen Referenz abweichen kann, ohne in einer Änderung der Grundfunktion des erfindungsgemäßen Gegenstands zu resultieren.
Nach der detaillierten Beschreibung der Erfindung und durch Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen derselben wird offensichtlich, dass Abwandlungen und Variationen ohne Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung, der in den angefügten Ansprüchen definiert ist, möglich sind. Genauer ist, obwohl einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hier jeweils als bevorzugt oder besonders vorteilhaft dargestellt sind, davon auszugehen, dass die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist.

Claims

Poröses Diffusionsmedium (20) mit einer porösen Matrix (22), die eine Verteilung von Wasserübertragungspartikeln (24) trägt, wobei: das Diffusionsmedium (20) eine planare Hauptabmessung und eine erste und zweite Hauptseite (21, 23) definiert, die im Wesentlichen parallel zu der planaren Hauptabmessung des Diffusionsmediums (20) angeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung von Wasserübertragungspartikeln (24) eine Vielzahl von Gebieten mit hoher Partikeldichte (26), die durch eine relativ hohe Dichte der Wasserübertragungspartikel (24) gekennzeichnet sind, und eine Vielzahl von Gebieten mit niedriger Partikeldichte (28) definiert, die durch eine relativ niedrige Dichte der Wasserübertragungspartikel (24) gekennzeichnet sind; dass die Gebiete mit relativ hoher und relativ niedriger Partikeldichte (26, 28) über zumindest eine der ersten und zweiten Hauptseite (21, 23) des porösen Diffusionsmediums (20) abwechseln; und dass das poröse Diffusionsmedium (20) ferner eine Lage (25) eines hydrophoben Materials umfasst, das entlang der ersten oder der zweiten Hauptseite (21, 23) des Diffusionsmediums (20) angeordnet ist, wobei die Lage (25) des hydrophoben Materials derart ausgestaltet ist, dass sie gegenüber Wassertropfen abstoßender ist als die Gebiete des porösen Diffusionsmediums (20) mit relativ hoher und relativ niedriger Partikeldichte (26, 28).
Poröses Diffusionsmedium (20) nach Anspruch 1, wobei die Wasserübertragungspartikel (24) aus Kohlenstoff, Graphit, nicht perfluorierten Polymeren, Metalloxiden und deren Kombinationen, aus Kohlenstoff/Polymerverbundstoff, aus Kohlefasern oder -pulvern, Graphitfasern oder -pulvern und deren Kombinationen oder aus nicht gebundenem Staub ausgewählt sind.
Poröses Diffusionsmedium (20) nach Anspruch 2, wobei die nicht perfluorierten Polymere Polyvinylidenfluorid (PVDF) und die Metalloxide Siliziumdioxid umfassen.
Poröses Diffusionsmedium (20) nach Anspruch 1, wobei die Wasserübertragungspartikel (24) ein die poröse Matrix bildendes Material umfassen.
Poröses Diffusionsmedium (20) nach Anspruch 4, wobei die poröse Matrix (22) Kohlepapier umfasst und die Wasserübertragungspartikel (24) Kohlefasern oder -pulver umfassen.
Poröses Diffusionsmedium (20) nach Anspruch 4, wobei die poröse Matrix (22) Kohlepapier und die Lage (25) des hydrophoben Materials umfasst und die Wasserübertragungspartikel (24) Kohlefasern oder -pulver umfassen.
Poröses Diffusionsmedium (20) nach Anspruch 1, wobei die Wasserübertragungspartikel (24) über den Querschnitt des porösen Diffusionsmediums (20) zwischen der ersten und zweiten Hauptseite (21, 23) des Diffusionsmediums (20) verteilt sind.
Poröses Diffusionsmedium (20) nach Anspruch 1, wobei die in ihrer Dichte abwechselnden Gebiete durch eine Periodizität von weniger als 1 cm gekennzeichnet sind.
Poröses Diffusionsmedium (20) nach Anspruch 1, wobei die Gebiete mit relativ hoher und relativ niedriger Partikeldichte (26, 28) über die erste und zweite Hauptseite (21, 23) des Diffusionsmediums (20) abwechseln.
Poröses Diffusionsmedium (20) nach Anspruch 1, wobei jeweilige Querschnittsabmessungen der Gebiete mit relativ hoher und relativ niedriger Partikeldichte (26, 28) invers über den Querschnitt des porösen Diffusionsmediums (20) zwischen der ersten und zweiten Hauptseite (21, 23) des Diffusionsmediums (20) abwechseln.
Poröses Diffusionsmedium (20) nach Anspruch 1, wobei jeweilige Eigenschaften der Gebiete mit relativ hoher und relativ niedriger Partikeldichte (26, 28) über den Querschnitt des porösen Diffusionsmediums (20) zwischen der ersten und zweiten Hauptseite (21, 23) des Diffusionsmediums (20) variieren, so dass die erste Hauptseite (21, 23) insgesamt hydrophiler als die zweite Hauptseite (21, 23) ist, und die zweite Hauptseite (21, 23) insgesamt hydrophober als die erste Hauptseite (21, 23) ist.
Poröses Diffusionsmedium (20) nach Anspruch 1, wobei die Gebiete mit hoher Partikeldichte (26) ausreichend hydrophil sind, um einen zunehmenden Kontaktwinkel zwischen 135° und 180° entlang einer der ersten und zweiten Hauptfläche (21, 23) des Diffusionsmediums (20) zu definieren.
Poröses Diffusionsmedium (20) nach Anspruch 1, wobei die Gebiete mit hoher Partikeldichte (26) ausreichend hydrophil sind, um einen abnehmenden Kontaktwinkel zwischen 95° und 135° entlang einer der ersten und zweiten Hauptfläche (21, 23) des Diffusionsmediums (20) zu definieren.
Poröses Diffusionsmedium (20) nach Anspruch 1, wobei die poröse Matrix (22) ein elektrisch leitendes Material umfasst, das aus Kohlepapier, Graphitpapier, Stoff, Filz, Schaum, Kohle- oder Graphitgewebe, Kohle- oder Graphitvliese, Metallsiebe oder Schäume und deren Kombinationen gewählt ist.
Poröses Diffusionsmedium (20) nach Anspruch 1, wobei die poröse Matrix (22) eine Dicke zwischen 20 μm und 1000 μm definiert.
Poröses Diffusionsmedium (20) nach Anspruch 1, wobei das poröse Diffusionsmedium (20) ferner einen Binder umfasst, der so ausgestaltet ist, dass er die Wasserübertragungspartikel (24) zumindest teilweise an der porösen Matrix (22) anbringt.
Poröses Diffusionsmedium (20) nach Anspruch 16, wobei der Binder ein Fluorpolymer umfasst.
Poröses Diffusionsmedium (20) nach Anspruch 1, wobei die hydrophobe Lage (25) eine Dicke von bis zu 125 μm umfasst.
Poröses Diffusionsmedium (20) nach Anspruch 1, wobei die Lage (25) des hydrophoben Materials Kohlenstoff, Graphit, ein Fluorpolymer, ein Polymer oder deren Kombinationen umfasst.
Poröses Diffusionsmedium (20) nach Anspruch 19, wobei das hydrophobe Material ein Fluorpolymer, das aus Polytetrafluorethylen (PTFE), Tetrafluorethylen (TFE), Ethylentetrafluorethylen (ETFE), fluoriertem Ethylenpropylen (FEP), einer Perfluoralkoxyverbindung oder deren Kombinationen ausgewählt ist, oder ein Polymer, das aus Polyphenylen, Polyvinylidenfluorid (PVDF) und deren Kombinationen ausgewählt ist, umfasst.
Poröses Diffusionsmedium (20) nach Anspruch 1, wobei die Lage (25) des hydrophoben Materials entlang nur einer der ersten und zweiten Hauptseite (21, 23) des Diffusionsmediums angeordnet ist.
Vorrichtung mit einem porösen Diffusionsmedium (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 21, das an einer Katalysatorlage (32) positioniert ist, wobei das Diffusionsmedium (20) an der Katalysatorlage (32) entlang der ersten Hauptseite (21, 23) des Diffusionsmediums (20) positioniert ist und die jeweiligen Eigenschaften der Gebiete mit relativ hoher und relativ niedriger Partikeldichte (26, 28) über den Querschnitt des porösen Diffusionsmediums (20) zwischen der ersten und zweiten Hauptseite (21, 23) des Diffusionsmediums abwechseln, so dass die erste Hauptseite (21, 23) insgesamt hydrophiler als die zweite Hauptseite (21, 23) ist und die zweite Hauptseite (21, 23) insgesamt hydrophober als die erste Hauptseite (21, 23) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die Vorrichtung ferner eine zusätzliche Anordnung umfasst, die in Kombination mit der Katalysatorlage (32) und dem porösen Diffusionsmedium (20) eine zwischen einem Anodenströmungsfeld (40) und einem Kathodenströmungsfeld (50) angeordnete Membranelektrodenanordnung (30) definiert.
Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei die Vorrichtung ferner eine zusätzliche Anordnung umfasst, die in Kombination mit der Membranelektrodenanordnung (30), dem Anodenströmungsfeld (40) und dem Kathodenströmungsfeld (50) eine Brennstoffzelle (10) definiert.
Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei die Wasserübertragungspartikel (24) durch eine Migrationsfreiheit gekennzeichnet sind, die ausreichend ist, um eine Übertragung der Wasserübertragungspartikel (24) an eine Oberfläche der Katalysatorlage (32) während des Betriebs der Brennstoffzelle (10) zu ermöglichen.
Vorrichtung mit einer Membranelektrodenanordnung (30), die zwischen einem Anodenströmungsfeld (40) und einem Kathodenströmungsfeld (50) einer Brennstoffzelle (10) angeordnet ist, wobei: ein poröses Diffusionsmedium (20) an einer Katalysatorlage (32) der Membranelektrodenanordnung (30) positioniert ist; das poröse Diffusionsmedium (20) eine poröse Matrix (22) umfasst, die eine Verteilung von Wasserübertragungspartikeln (24) trägt; die poröse Matrix (22) Kohlepapier umfasst und die Wasserübertragungspartikel (24) Kohlefasern oder -pulver umfassen; das Diffusionsmedium (20) an der Katalysatorlage (32) entlang einer ersten Hauptseite (21, 23) des Diffusionsmediums (20) positioniert ist; und das Diffusionsmedium (20) an einem Strömungsfeld (40, 50) der Brennstoffzelle (10) entlang einer zweiten Hauptseite (21, 23) des Diffusionsmediums (20) positioniert ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung von Wasserübertragungspartikeln (24) eine Vielzahl von Gebieten mit hoher Partikeldichte (26), die durch eine relativ hohe Dichte der Wasserübertragungspartikel (24) gekennzeichnet sind, und eine Vielzahl von Gebieten mit niedriger Partikeldichte (28) definiert, die durch eine relativ niedrige Dichte von Wasserübertragungspartikeln (24) gekennzeichnet sind; dass die Gebiete mit relativ hoher und relativ niedriger Partikeldichte (26, 28) über eine planare Hauptabmessung des porösen Diffusionsmediums (20) abwechseln, die parallel zu der ersten und zweiten Hauptseite (21, 23) des Diffusionsmediums (20) angeordnet ist; dass jeweilige Eigenschaften der Gebiete mit relativ hoher und relativ niedriger Partikeldichte (26, 28) über einen Querschnitt des porösen Diffusionsmediums (20) zwischen der ersten und zweiten Hauptseite (21, 23) des Diffusionsmediums (20) abwechseln, so dass die erste Hauptseite (21, 23) insgesamt hydrophiler als die zweite Hauptseite (21, 23) ist und die zweite Hauptseite (21, 23) insgesamt hydrophober als die erste Hauptseite (21, 23) ist; dass das poröse Diffusionsmedium (20) hydrophobes Material (25) umfasst, das entlang der zweiten Hauptseite (21, 23) des Diffusionsmediums (20) angeordnet ist; und dass das hydrophobe Material (25) Polytetrafluorethylen (PTFE) umfasst.