DE112004001393T5 - Räumlich variierendes Diffusionsmedium und Vorrichtungen, die dieses enthalten - Google Patents

Räumlich variierendes Diffusionsmedium und Vorrichtungen, die dieses enthalten Download PDF

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Abstract

Vorrichtung, die derart ausgebildet ist, um eine wasserstoffhaltige Brennstoffquelle in elektrische Energie umzuwandeln, wobei die Vorrichtung umfasst:
eine Anordnung für elektrochemische Umwandlung, die derart ausgebildet ist, um die Vorrichtung in ein erstes und zweites Strömungsfeldgebiet zu unterteilen;
einen Eingang eines ersten Reaktanden und einen Ausgang eines ersten Produkts in Verbindung mit dem ersten Strömungsfeldgebiet; ein erstes Diffusionsmedium, das ein poröses Diffusionsmediumsubstrat umfasst, das derart ausgebildet ist, um mehrphasige Reaktanden zwischen dem ersten Strömungsfeldgebiet und der Anordnung für elektrochemische Umwandlung durchzulassen;
einen Eingang eines zweiten Reaktanden und einen Ausgang eines zweiten Produkts in Verbindung mit dem zweiten Strömungsfeldgebiet; und
ein zweites Diffusionsmedium, das ein poröses Diffusionsmediumsubstrat umfasst, das derart ausgebildet ist, um mehrphasige Reaktanden zwischen dem zweiten Strömungsfeldgebiet und der Anordnung für elektrochemische Umwandlung durchzulassen, wobei:
die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass zumindest eines des ersten und zweiten Diffusionsmediums ein Gebiet, das relativ hohen H2O-Konzentrationen ausgesetzt...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Konstruktion und Herstellung von Diffusionsmedien und insbesondere Diffusionsmedien zur Verwendung in elektrochemischen Zellen, in denen ein Wassermanagement einen wichtigen Konstruktionssachverhalt darstellt.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung sind ein Diffusionsmedium und ein Schema zum räumlichen Variieren der Parameter des Diffusionsmediums vorgesehen, um Sachverhalte in Verbindung mit einem Wassermanagement in elektrochemischen Zellen und anderen Vorrichtungen, die das Diffusionsmedium verwenden, zu berücksichtigen. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung derart ausgebildet, um eine wasserstoffhaltige Brennstoffquelle in elektrischer Energie umzuwandeln. Die Vorrichtung umfasst eine Anordnung für elektrochemische Umwandlung, Eingänge eines ersten und zweiten Reaktanden, Ausgänge eines ersten und zweiten Produkts, wie auch ein erstes und zweites Diffusionsmedium.
  • Die Anordnung für elektrochemische Umwandlung ist derart ausgebildet, um die Vorrichtung in ein erstes und zweites Strömungsfeldgebiet zu unterteilen. Der Eingang des ersten Reaktanden und der Ausgang des ersten Produkts stehen in Verbindung mit dem ersten Strömungsfeldgebiet. Das erste Diffusionsmedium umfasst ein poröses Diffusionsmediumsubstrat, das derart ausgebildet ist, um mehrphasige Reaktanden zwischen dem ersten Strömungsfeldgebiet und der Anordnung für elektrochemische Umwandlung durchzulassen. Der Eingang des zweiten Reaktanden und der Ausgang des zweiten Produkts stehen in Verbindung mit dem zweiten Strömungsfeldgebiet. Das zweite Diffusionsmedium umfasst ein poröses Diffusionsmediumsubstrat, das derart ausgebildet, um mehrphasige Reaktanden zwischen dem zweiten Strömungsfeldgebiet und der Anordnung für elektrochemische Umwandlung durchzulassen.
  • Die Vorrichtung ist derart ausgebildet, dass zumindest eines des ersten und zweiten Diffusionsmediums ein Gebiet, das relativ hohen H2O-Konzentrationen ausgesetzt ist, und ein Gebiet umfasst, das relativ niedrigen H2O-Konzentrationen ausgesetzt ist. Eine mesoporöse Schicht ist entlang zumindest eines Anteils einer Hauptseite von einem des ersten und zweiten Diffusionsmediumsubstrates getragen und umfasst eine hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente und eine hydrophobe Komponente. Die mesoporöse Schicht besetzt einen wesentlich größeren Anteil von einem des Gebietes mit viel H2O und des Gebietes mit wenig H2O relativ zu dem anderen des Gebietes mit viel H2O und des Gebietes mit wenig H2O.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die mesoporöse Schicht eine hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente und eine hydrophobe Komponente. Zumindest eines des ersten und zweiten Diffusionsmediumsubstrates umfasst ein Gebiet mit relativ hoher Porosität und ein Gebiet mit relativ niedriger Porosität. Das Gebiet mit relativ hoher Porosität des Substrates besetzt einen wesentlich größeren Anteil des Gebietes mit relativ hoher H2O-Konzentration, und das Gebiet mit relativ niedriger Porosität des Substrates besetzt einen wesentlich größeren Anteil des Gebietes mit relativ niedriger H2O-Konzentration.
    •
  • Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mittel vorzusehen, um Wassermanagementprobleme in Diffusionsmedien und Vorrichtungen, die derartige Diffusionsmedien verwenden, zu lösen. Andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden angesichts der Beschreibung der Erfindung hier offensichtlich.
    •
  • Die folgende detaillierte Beschreibung der spezifischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird am besten in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Anordnungen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, und wobei:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle ist, die ein poröses Diffusionsmedium gemäß der vorliegenden Erfindung enthält;
  • 2 bis 9 schematische Darstellungen eines porösen Diffusionsmediums gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind; und
  • 10 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs ist, das eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst.
  • Unter anfänglicher Bezugnahme auf 1 ist eine Brennstoffzelle 10 gezeigt, die ein poröses Diffusionsmedium 20 gemäß der vorliegenden Erfindung enthält. Insbesondere umfasst die Brennstoffzelle 10 eine Anordnung für elektrochemische Umwandlung in der Form einer Membranelektrodenanordnung 30, die zwischen einem Anodenströmungsfeldgebiet 40 und einem Kathodenströmungsfeldgebiet 50 der Brennstoffzelle 10 angeordnet ist. Es sei angemerkt, dass die Strömungsfelder 40, 50 und die Anordnung für elektrochemische Umwandlung eine Vielzahl herkömmlicher oder noch zu entwickelnder Formen annehmen können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Obwohl die spe zielle Form der Anordnung für elektrochemische Umwandlung jenseits des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegt, umfasst bei der gezeigten Ausführungsform die Anordnung für elektrochemische Umwandlung eine Membranelektrodenanordnung 30, die jeweilige katalytische Elektrodenschichten 32 und eine Ionentauschermembran 34 umfasst.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf spezifische Mechanismen gerichtet, über die die Brennstoffzelle 10 eine wasserstoffhaltige Brennstoffquelle in elektrische Energie umwandeln kann. Demgemäß ist es bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung ausreichend anzumerken, dass die Brennstoffzelle 10 unter anderem eine Anordnung für elektrochemische Umwandlung, die derart ausgebildet ist, dass sie die Vorrichtung in das erste und zweite Strömungsfeldgebiet 40, 50 unterteilt, und einen Eingang REIN1 eines ersten Reaktanden und einen Ausgang RAUS1 eines ersten Produkts in Verbindung mit dem ersten Strömungsfeldgebiet 40 umfasst. Das erste Diffusionsmedium 20 umfasst ein poröses Diffusionsmediumsubstrat 22, das mehrphasige Reaktanden zwischen dem ersten Strömungsfeldgebiet 40 und der Membranelektrodenanordnung 30 durchlässt. Ähnlicherweise stehen ein Eingang REIN1 eines zweiten Reaktanden und ein Ausgang RAUS2 eines zweiten Produkts in Verbindung mit dem zweiten Strömungsfeldgebiet 50, und ein zweites Diffusionsmedium 20 lässt Reaktanden zwischen dem zweiten Strömungsfeldgebiet 50 und der Membranelektrodenanordnung 30 durch. Beispielsweise nur zur Darstellung und nicht zur Beschränkung kann der Eingang R1 des ersten Reaktanden eine befeuchtete wasserstoffhaltige Brennstoffmischung an eine Anodenseite der Brennstoffzelle 10 führen, der Eingang R2 des zweiten Reaktanden kann eine befeuchtete Oxidationsmittelmischung an die Kathodenseite der Brennstoffzelle 10 führen und die Rektandenausgänge RAUS können Produkte der Reaktionen auf jeder Seite der Brennstoffzelle 10 führen.
  • Die vorliegenden Erfinder haben erkannt, dass die Wassermanagementeigenschaften des Diffusionsmediums 20 räumlich über das Diffusionsmedium optimiert werden sollten, da die Wasseranforderungen über das Diffusionsmedium als eine Funktion der Menge an Wasser, die durch bestimmte Anteile des Diffusionsmediums 20 gehandhabt werden müssen, variiert. Insbesondere kann eine bestimmte Vorrichtung für elektrochemische Umwandlung derart ausgebildet sein, dass ein oder beide der Diffusionsmedien ein Gebiet, das relativ hohen Betriebs-H2O-Konzentrationen ausgesetzt ist, und ein Gebiet umfassen, das relativ niedrigen Betriebs-H2O-Konzentrationen ausgesetzt ist. Beispielsweise kann es für das Gebiet eines kathodenseitigen Diffusionsmediums benachbart dem Ausgang RAUS2 des zweiten Produkts, beispielsweise dem Kathodenausgang, erforderlich werden, ein größeres Wasservolumen zu übertragen, als das Gebiet benachbart dem Eingang REIN2 des zweiten Reaktanden, beispielsweise dem Kathodeneingang. Ähnlicherweise kann das Gebiet eines anodenseitigen Diffusionsmediums benachbart dem Ausgang RAUS1 des ersten Produkts, beispielsweise dem Anodenausgang, unter trockeneren Bedingungen als das Gebiet benachbart dem Eingang REIN1 des ersten Reaktanden, beispielsweise dem Anodeneingang, betrieben werden.
  • Das in den 2 bis 9 gezeigte Diffusionsmedium 20 weist ein Mittel auf, um derartige Wassermanagementsachverhalte zu berücksichtigen. Insbesondere ist unter Bezugnahme auf die 2 und 3 eine mesoporöse Schicht 24, die entlang einer der Hauptseiten 21, 23 der Diffusionsmediensubstrate 20 getragen sein kann, so positioniert, dass sie einen wesentlich größeren Anteil entweder des Gebietes mit relativ hoher H2O-Konzentration (siehe 2) oder des Gebietes mit relativ niedriger H2O-Konzentration (siehe 3) besetzt. Unter Bezugnahme auf die Ausführungsform von 2, bei der die mesoporöse Schicht 24 einen wesentlich größeren Anteil des Gebietes mit relativ hoher H2O-Konzentration besetzt bzw. auf das Gebiet mit relativ hoher H2O-Konzentration begrenzt ist, sollte dann die mesoporöse Schicht derart ausgebildet sein, um H2O-Übertragungseigenschaften des Diffusionsmediumsubstrates 22 zu steigern. Umgekehrt sollte unter Bezugnahme auf die Ausführungsform von 3, bei der die mesoporöse Schicht 24 einen wesentlich größeren Anteil des Gebietes mit relativ niedriger H2O-Konzentration besetzt oder auf das Gebiet mit relativ niedriger H2O-Konzentration begrenzt ist, dann die mesoporöse Schicht derart ausgebildet sein, dass sie die H2O-Übertragungseigenschaften des Diffusionsmediumsubstrates 22 vermindert.
  • Es kann eine Vielzahl von Parametern der mesoporösen Schicht, einschließlich Porosität, Dicke, Grad an Substrateindringung, etc., entweder zur Steigerung oder Verminderung der Wasserübertragungseigenschaften der Schicht optimiert werden. Beispielsweise kann die Porosität der mesoporösen Schicht 24 allgemein höher sein, wenn die Schicht in dem Gebiet mit relativ hoher H2O-Konzentration verwendet wird, in welchem ein erhöhtes Aufsaugen erforderlich ist. In dem Fall, wenn die mesoporöse Schicht 24 eine hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente und eine hydrophobe Komponente umfasst, kann die Porosität der Schicht 24 dadurch erhöht werden, dass bei Verwendung in dem Gebiet mit relativ hoher H2O-Konzentration etwa 80 Gew.-% der kohlenstoffhaltigen Komponente vorgesehen werden, im Vergleich zu zwischen etwa 90 Gew.-% und etwa 95 Gew.-% der kohlenstoffhaltigen Komponente in dem Gebiet mit relativ niedriger H2O-Konzentration.
  • Geeignete Kohlenstoffpartikel für die mesoporöse Schicht 24 umfassen beispielsweise Ruß, Graphit, Kohlefasern, Fullerene und Nanotubes. Zusätzlich zu dem Kohlenstoff mit hoher Oberfläche kann die hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente der mesoporösen Schicht 24 einen kleinen Anteil an Kohlenstoffgraphit umfassen, um die elektrische Leitfähigkeit zu steigern. Die hydrophobe Komponente kann ein fluoriertes Polymer, beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylfluorid (PVF), eine Kombination aus fluorierten Polymeren oder ein beliebiges anderes geeignetes hydrophobes Material oder eine Kombination aus Materialien umfassen.
  • Bei spezifischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente in der mesoporösen Schicht 24 in den Gebieten mit relativ hoher H2O-Konzentration einen Kohlenstoff mit moderater Oberfläche umfassen, der durch eine Oberfläche zwischen etwa 60 m2/g und etwa 300 m2/g und eine mittlere Partikelgröße zwischen etwa 15 nm und etwa 70 nm gekennzeichnet ist. Umgekehrt kann in den Gebieten mit relativ niedriger H2O-Konzentration die hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente einen Kohlenstoff mit hoher Oberfläche umfassen, der durch eine Oberfläche von über etwa 750 m2/g und eine mittlere Partikelgröße von weniger als etwa 20 nm gekennzeichnet ist. Bei anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dringt die mesoporöse Schicht in das Diffusionsmediumsubstrat bis zu einer Tiefe von weniger als 10 μm bei Verwendung in den Gebieten mit relativ hoher H2O-Konzentration und bis zu einer Tiefe von weniger als 25 μm bei Verwendung in den Gebieten mit relativ niedriger H2O-Konzentration ein.
  • Wie in 4 gezeigt ist, wird eine Vielzahl von mesoporösen Schichten 24A, 24B entlang jeweiliger Anteile einer Hauptseite 21 der Diffusionsmediumsubstrate 22 getragen. Die mesoporöse Schicht 24A ist derart ausgebildet, um die H2O-Übertragungseigenschaften des Diffusionsmediumsubstrates 22 zu steigern, und besetzt damit das Gebiet mit relativ hoher H2O-Konzentration. Ferner ist die mesoporöse Schicht 24B derart ausgebildet, um die H2O-Übertragungseigenschaften des Diffusionsmediumsubstrates 22 zu vermindern, und besetzt damit einen wesentlich größeren Anteil des Gebietes mit relativ niedriger H2O-Konzentration. Infolgedessen besteht die Tendenz, dass Wasser von dem Gebiet mit relativ hoher H2O-Konzentration weg gesaugt und in dem Gebiet mit relativ niedriger H2O-Konzentration gehalten wird – wodurch die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung verbessert wird.
  • Die 5–7 zeigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen die mesoporöse Schicht 24 entlang eines Anteiles mit verringerter Dicke des Substrates 22 getragen ist. In dem Diffusionsmedium kann ein im Wesentlichen planares Oberflächenprofil gehalten werden, indem sichergestellt wird, dass die Differenz der Dicke des Substrates 22, die von dem in der Dicke verringerten Anteil des Substrates 22 eingeführt wird, ausreichend ist, um die Erhöhung der Diffusionsmediumdicke, die von der mesoporösen Schicht 22 eingeführt wird, aufzunehmen.
  • Ein alternatives Mittel, um Wassermanagementsachverhalte über ein Diffusionsmedium gemäß der vorliegenden Erfindung zu berücksichtigen, ist in 8 gezeigt. In 8 ist eine im Wesentlichen gleichförmige mesoporöse Schicht entlang der Hauptseite 21 des Diffusionsmediumsubstrates 22 getragen, und das Diffusionsmediumsubstrat 22 ist mit einem Gebiet 22A mit relativ hoher Porosität in dem Gebiet mit relativ hoher H2O-Konzentration des Diffusionsmediums und einem Gebiet 22B mit relativ geringer Porosität in dem Gebiet mit relativ niedriger H2O-Konzentration des Diffusionsmediums vorgesehen.
  • Das Diffusionsmediumsubstrat kann eine kohlenstoffhaltige faserige Matrix umfassen, beispielsweise Kohlefaserpapier, und kann durch eine Porosität von über etwa 70 % in Gebieten mit relativ hoher H2O-Konzentration und zwischen etwa 70 % und etwa 75 % in Gebieten mit relativ niedriger H2O-Konzentration gekennzeichnet sein. Das Substrat kann eine Dicke zwischen etwa 100 μm und etwa 300 μm in den Gebieten mit relativ hoher H2O-Konzentration und eine Dicke zwischen etwa 190 μm und etwa 300 μm in den Gebieten mit relativ niedriger H2O-Konzentration definieren. Ferner kann das Substrat durch eine mittlere Porengröße von über etwa 20 μm in den Gebieten mit relativ hoher H2O-Konzentration und weniger als etwa 25 μm in den Gebieten mit relativ niedriger H2O-Konzentration gekennzeichnet sein.
  • Wie schließlich in 9 gezeigt ist, kann die mesoporöse Schicht 24 derart ausgebildet sein, dass sie wesentliche Anteile sowohl des Gebietes mit relativ hoher H2O-Konzentration als auch des Gebietes mit relativ niedriger H2O-Konzentration besetzt. Um Variationen in den Wassermanagementanforderungen über das Diffusionsmedium hinweg zu berücksichtigen, ist die mesoporöse Schicht 24 mit einem Gebiet mit erhöhter Porosität relativ zu einem verbleibenden Anteil der mesoporösen Schicht versehen. Insbesondere ist das Gebiet mit erhöhter Porosität der mesoporösen Schicht 24 durch eine Vielzahl von Megaporen 26 definiert, die in der Schicht 24 ausgebildet sind. Das Gebiet mit erhöhter Porosität besetzt das Gebiet mit relativ hoher H2O-Konzentration des Diffusionsmediums, während der verbleibende Anteil der mesoporösen Schicht 24 das Gebiet mit relativ niedriger H2O-Konzentration des Diffusionsmediums besetzt. Obwohl die jeweiligen Abmessungen in Verbindung mit den Megaporen 26 gemäß den spezifischen Anforderungen der betreffenden Anwendung variieren, sei angemerkt, dass geeignete Porengrößen im Bereich von etwa 100 μm bis etwa 500 μm liegen. Bei vielen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die mesoporöse Schicht 24 effektiver, Wassermanagementsachverhalte zu berücksichtigen, wenn sie an der Membranelektrodenanordnung 30 der Brennstoffzelle 10 positioniert ist, als wenn sie im Gegensatz dazu so positioniert ist, dass sie zu dem Strömungsfeld der Zelle 10 weist. Dennoch sei angemerkt, dass das Diffusionsmediumsubstrat 22 die mesoporöse Schicht 24 entlang jeder Hauptseite 21, 23 des Substrates 22 ungeachtet dessen tragen kann, welche Seite an der Membranelektrodenanordnung 30 positioniert ist. Ferner dringt die mesoporöse Schicht 24 zumindest teilweise in das Diffusionsmediumsubstrat 22 ein. Das Ausmaß der Tiefe an Eindringung in das Diffusionsmediumsubstrat 22 variiert breit abhängig von den Eigenschaften der mesoporösen Schicht 24 und des Diffusionsmediumsubstrats 22. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann es vorteilhaft sein, die mesoporöse Schicht derart auszugestalten, dass sie poröser als die faserige Matrix des Diffusionsmediumsubstrates ist. Für die Zwecke der Definition und Beschreibung der vorliegenden Erfindung sei angemerkt, dass mesoporöse Strukturen durch Porengrößen gekennzeichnet sind, die sich im Bereich von wenigen Nanometern bis zu Hunderten von Nanometern bewegen.
  • Wie in 3 gezeigt ist, kann ein Brennstoffzellensystem, das ein Diffusionsmedium gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, derart ausgebildet sein, dass es als eine Energiequelle für ein Fahrzeug 100 dient. Insbesondere kann Brennstoff von einer Brennstoffspeichereinheit 120 an die Brennstoffzellenanordnung 110 geführt werden, die derart ausgebildet ist, um Brennstoff, beispielsweise H2, in Elektrizität umzuwandeln. Die erzeugte Elektrizität wird anschließend als eine Antriebsenergieversorgung für das Fahrzeug 100 verwendet, in dem die Elektrizität in Drehmoment und eine Fahrzeugtranslationsbewegung umgewandelt wird.
  • Es sei angemerkt, dass die Begriffe wie "bevorzugt", "üblicherweise" und "typischerweise" hier nicht dazu verwendet sind, den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung zu beschränken oder zu implizieren, dass bestimmte Merkmale kritisch, wesentlich oder sogar wichtig für den Aufbau oder die 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.
  • Für die Zwecke der Beschreibung und der Definition der vorliegenden Erfindung sei angemerkt, dass der Begriff "Vorrichtung" hier verwendet ist, um eine Kombination aus Komponenten und einzelne Komponenten ungeachtet dessen zu repräsentieren, ob die Komponenten mit anderen Komponenten kombiniert sind. Beispielsweise kann eine "Vorrichtung" gemäß der vorliegenden Erfindung ein Diffusionsmedium, eine Brennstoffzelle, die ein Diffusionsmedium gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst, ein Fahrzeug, das eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst, etc. umfassen.
  • Für die 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 auf einen quantitativen Vergleich, einen Wert, eine Messung oder eine andere Darstellung zurückzuführen ist. Der Begriff "im Wesentlichen" wird hier auch dazu verwendet, den Grad zu repräsentieren, um den eine quantitative Darstellung von einer festgelegten Referenz abweichen kann, ohne eine Änderung der Grundfunktion des betreffenden Gegenstands zu bewirken.
  • Nach der detaillierten Beschreibung der Erfindung und 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. Insbesondere ist, obwohl einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hier als bevorzugt oder insbesondere vorteilhaft bezeichnet sind, anzumerken, dass die vorliegende Erfindung nicht unbedingt auf diese bevorzugten Aspekte der vorliegenden Erfindung begrenzt ist.
  • Zusammenfassung
  • Es ist ein Diffusionsmedium und ein Schema zum räumlichen Variieren der Parameter des Diffusionsmediums vorgesehen, um Sachverhalte in Verbindung mit einem Wassermanagement in elektrochemischen Zellen und anderen Vorrichtungen, die das Diffusionsmedium verwenden, zu berücksichtigen. Eine Vorrichtung wird ausgebildet, um eine Quelle für wasserstoffhaltigen Brennstoff in elektrische Energie umzuwandeln, und umfasst eine Anordnung für elektrochemische Umwandlung, Eingänge eines ersten und zweiten Reaktanden, Ausgänge eines ersten und zweiten Produkts und ein erstes und zweites Diffusionsmedium. Die Vorrichtung ist derart ausgebildet, dass eine mesoporöse Schicht entlang zumindest eines Anteils einer Hauptseite von einem des ersten und zweiten Diffusionsmediumsubstrates getragen ist. Die mesoporöse Schicht umfasst eine hydrophile kohlenstoffhaltige und eine hydrophobe Komponente. Die mesoporöse Schicht besetzt einen wesentlich größeren Anteil von einem der Gebiete mit relativ hoher H2O-Konzentration oder relativ niedriger H2O-Konzentration der Vorrichtung relativ zu dem anderen der Gebiete mit relativ hoher H2O-Konzentration oder relativ niedriger H2O-Konzentration der Vorrichtung.

Claims (43)

  1. Vorrichtung, die derart ausgebildet ist, um eine wasserstoffhaltige Brennstoffquelle in elektrische Energie umzuwandeln, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Anordnung für elektrochemische Umwandlung, die derart ausgebildet ist, um die Vorrichtung in ein erstes und zweites Strömungsfeldgebiet zu unterteilen; einen Eingang eines ersten Reaktanden und einen Ausgang eines ersten Produkts in Verbindung mit dem ersten Strömungsfeldgebiet; ein erstes Diffusionsmedium, das ein poröses Diffusionsmediumsubstrat umfasst, das derart ausgebildet ist, um mehrphasige Reaktanden zwischen dem ersten Strömungsfeldgebiet und der Anordnung für elektrochemische Umwandlung durchzulassen; einen Eingang eines zweiten Reaktanden und einen Ausgang eines zweiten Produkts in Verbindung mit dem zweiten Strömungsfeldgebiet; und ein zweites Diffusionsmedium, das ein poröses Diffusionsmediumsubstrat umfasst, das derart ausgebildet ist, um mehrphasige Reaktanden zwischen dem zweiten Strömungsfeldgebiet und der Anordnung für elektrochemische Umwandlung durchzulassen, wobei: die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass zumindest eines des ersten und zweiten Diffusionsmediums ein Gebiet, das relativ hohen H2O-Konzentrationen ausgesetzt ist, und ein Gebiet umfasst, das relativ niedrigen H2O-Konzentrationen ausgesetzt ist, eine mesoporöse Schicht entlang zumindest eines Anteils einer Hauptseite von einem des ersten und zweiten Diffusionsmedium substrates getragen ist und eine hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente und eine hydrophobe Komponente umfasst, und die mesoporöse Schicht einen wesentlich größeren Anteil von einem des Gebietes mit relativ hoher H2O-Konzentration und des Gebietes mit relativ niedriger H2O-Konzentration relativ zu dem anderen des Gebietes mit relativ hoher H2O-Konzentration und des Gebietes mit relativ niedriger H2O-Konzentration besetzt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mesoporöse Schicht im Wesentlichen auf eines des Gebietes mit relativ hoher H2O-Konzentration und des Gebietes mit relativ niedriger H2O-Konzentration begrenzt ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mesoporöse Schicht derart ausgebildet ist, um H2O-Übertragungseigenschaften des Diffusionsmediumsubstrates entlang des Anteils der von der mesoporösen Schicht besetzten Hauptseite zu steigern.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mesoporöse Schicht einen wesentlich größeren Anteil des Gebietes mit relativ hoher H2O-Konzentration besetzt.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mesoporöse Schicht einen wesentlich größeren Anteil des Gebietes mit relativ hoher H2O-Konzentration besetzt und derart ausgebildet ist, um H2O-Übertragungseigenschaften des Diffusionsmediumsubstrates entlang des Anteils der von der mesoporösen Schicht besetzten Hauptseite zu steigern.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mesoporöse Schicht derart ausgebildet ist, um H2O-Übertragungseigenschaften des Diffusionsmediumsubstrates entlang des Anteils der von der mesoporösen Schicht besetzten Hauptseite zu vermindern.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die mesoporöse Schicht einen wesentlich größeren Anteil des Gebietes mit relativ niedriger H2O-Konzentration besetzt.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mesoporöse Schicht einen wesentlich größeren Anteil des Gebietes mit relativ niedriger H2O-Konzentration besetzt und derart ausgebildet ist, um H2O-Übertragungseigenschaften des Diffusionsmediumsubstrates entlang des Anteils der von der mesoporösen Schicht besetzten Hauptseite zu vermindern.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: die Anordnung für elektrochemische Umwandlung eine Anodenseite der Vorrichtung und eine Kathodenseite der Vorrichtung definiert; der Eingang des ersten Reaktanden und der Ausgang des ersten Produkts in Verbindung mit der Anodenseite der Vorrichtung stehen; der Eingang des zweiten Reaktanden und der Ausgang des zweiten Produkts in Verbindung mit der Kathodenseite der Vorrichtung stehen.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei: die mesoporöse Schicht derart ausgebildet ist, um H2O-Übertragungseigenschaften des Diffusionsmediumsubstrates ent lang des Anteils der von der mesoporösen Schicht besetzten Hauptseite zu steigern; das Gebiet, das relativ hohen H2O-Kozentrationen ausgesetzt ist, sich benachbart dem Ausgang des zweiten Produkts in Verbindung mit der Kathodenseite der Vorrichtung befindet; und die mesoporöse Schicht einen wesentlich größeren Anteil des Gebietes mit relativ hoher H2O-Konzentration benachbart dem Ausgang des zweiten Produkts besetzt.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei: die mesoporöse Schicht derart ausgebildet ist, um H2O-Übertragungseigenschaften des Diffusionsmediumsubstrates entlang des Anteils des von der mesoporösen Schicht besetzten Hauptseite zu steigern; das Gebiet, das relativ hohen H2O-Konzentrationen ausgesetzt ist, sich benachbart dem Eingang des ersten Reaktanden in Verbindung mit der Anodenseite der Vorrichtung befindet; und die mesoporöse Schicht einen wesentlich größeren Anteil des Gebietes mit relativ hoher H2O-Konzentration benachbart dem Eingang des ersten Reaktanden besetzt.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei: die mesoporöse Schicht derart ausgebildet ist, um H2O-Übertragungseigenschaften des Diffusionsmediumsubstrates entlang des Anteils der von der mesoporösen Schicht besetzten Hauptseite zu vermindern; das Gebiet, das relativ niedrigen H2O-Konzentrationen ausgesetzt ist, sich benachbart dem Eingang des zweiten Reaktanden in Verbindung mit der Kathodenseite der Vorrichtung befindet; und die mesoporöse Schicht einen wesentlich größeren Anteil des Gebietes mit relativ niedriger H2O-Konzentration benachbart dem Eingang des zweiten Reaktanden besetzt.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei: die mesoporöse Schicht derart ausgebildet ist, um H2O-Übertragungseigenschaften des Diffusionsmediumsubstrates entlang des Anteils der von der mesoporösen Schicht besetzten Hauptseite zu vermindern; das Gebiet, das relativ niedrigen H2O-Konzentrationen ausgesetzt ist, sich benachbart dem Ausgang des ersten Produkts in Verbindung mit der Anodenseite der Vorrichtung befindet; und die mesoporöse Schicht einen wesentlich größeren Anteil des Gebietes mit relativ niedriger H2O-Konzentration benachbart dem Ausgang des ersten Produkts besetzt.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl der mesoporösen Schichten entlang jeweiliger Anteile einer Hauptseite von einem des ersten und zweiten Diffusionsmediumsubstrates getragen sind.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei: eine mesoporöse Schicht, die derart ausgebildet ist, um H2O-Übertragungseigenschaften des Diffusionsmediumsubstrates zu steigern, einen wesentlich größeren Anteil des Gebietes mit relativ hoher H2O-Konzentration besetzt; und eine mesoporöse Schicht, die derart ausgebildet ist, um H2O-Übertragungseigenschaften des Diffusionsmediumsubstrates zu vermindern, einen wesentlich größeren Anteil des Gebietes mit relativ niedriger H2O-Konzentration besetzt.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mesoporöse Schicht entlang eines Anteiles mit verringerter Dicke des Substrates getragen ist.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei eine Differenz der Dicke des Substrates, die von dem Anteil mit verringerter Dicke des Substrates eingeführt wird, ausreichend ist, um eine Zunahme der Diffusionsmediumdicke, die von der mesoporösen Schicht eingeführt wird, aufzunehmen.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Diffusionsmediumsubstrat eine kohlenstoffhaltige faserige Matrix umfasst.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die hydrophobe Komponente der mesoporösen Schicht ein fluoriertes Polymer umfasst.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente der mesoporösen Schicht aus Ruß, Graphit, Kohlefasern, Kohlenstofffullerenen, Kohlenstoffnanotubes und deren Kombinationen gewählt ist.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente einen Kohlenstoff mit moderater Oberfläche umfasst, der durch eine Oberfläche zwischen etwa 60 m2/g und etwa 300 m2/g und eine mittlere Partikelgröße zwischen etwa 15 nm und etwa 70 nm in den Gebieten mit relativ hoher H2O-Konzentration gekennzeichnet ist.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente einen Kohlenstoff mit hoher Oberfläche umfasst, der durch eine Oberfläche von über etwa 750 m2/g und eine mittlere Partikelgröße von weniger als etwa 20 nm in den Gebieten mit relativ niedriger H2O-Konzentration gekennzeichnet ist.
  23. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mesoporöse Schicht etwa 80 Gew.-% der kohlenstoffhaltigen Komponente in dem Gebiet mit relativ hoher H2O-Konzentration umfasst.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mesoporöse Schicht zwischen etwa 75 Gew.-% und etwa 85 Gew.-% der kohlenstoffhaltigen Komponente in dem Gebiet mit relativ hoher H2O-Konzentration umfasst.
  25. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mesoporöse Schicht zwischen etwa 90 Gew.-% und etwa 95 Gew.-% der kohlenstoffhaltigen Komponente in dem Gebiet mit relativ niedriger H2O-Konzentration umfasst.
  26. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die mesoporöse Schicht eine Dicke von weniger als etwa 20 μm in den Gebieten mit relativ hoher H2O-Konzentration definiert.
  27. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mesoporöse Schicht eine Dicke zwischen etwa 10 μm und etwa 40 μm in den Gebieten mit relativ niedriger H2O-Konzentration definiert.
  28. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mesoporöse Schicht zumindest teilweise in das Diffusionsmediumsubstrat eindringt.
  29. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mesoporöse Schicht in das Diffusionsmediumsubstrat bis zu einer Tiefe von weniger als 10 μm in den Gebieten mit relativ hoher H2O-Konzentration eindringt.
  30. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mesoporöse Schicht in das Diffusionsmediumsubstrat bis zu einer Tiefe von weniger als 25 μm in den Gebieten mit relativ niedriger H2O-Konzentration eindringt.
  31. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung eine Brennstoffzelle umfasst.
  32. Vorrichtung nach Anspruch 31, wobei die Vorrichtung ferner einen Aufbau umfasst, der ein von der Brennstoffzelle betriebenes Fahrzeug definiert.
  33. Vorrichtung, die derart ausgebildet ist, um eine wasserstoffhaltige Brennstoffquelle in elektrische Energie umzuwandeln, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Anordnung für elektrochemische Umwandlung, die derart ausgebildet ist, um die Vorrichtung in ein erstes und zweites Strömungsfeldgebiet zu unterteilen; einen Eingang eines ersten Reaktanden und einen Ausgang eines ersten Produkts in Verbindung mit dem ersten Strömungsfeldgebiet; ein erstes Diffusionsmedium, das ein poröses Diffusionsmediumsubstrat umfasst, das derart ausgebildet ist, um mehrphasige Reaktanden zwischen dem ersten Strömungsfeldgebiet und der Anordnung für elektrochemische Umwandlung durchzulassen; einen Eingang eines zweiten Reaktanden und einen Ausgang eines zweiten Produkts in Verbindung mit dem zweiten Strömungsfeldgebiet; und ein zweites Diffusionsmedium, das ein poröses Diffusionsmediumsubstrat umfasst, das derart ausgebildet ist, um mehrphasige Reaktanden zwischen dem zweiten Strömungsfeldgebiet und der Anordnung für elektrochemische Umwandlung durchzulassen, wobei: die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass zumindest eines des ersten und zweiten Diffusionsmediums ein Gebiet, das relativ hohen H2O-Konzentrationen ausgesetzt ist, und ein Gebiet umfasst, das relativ niedrigen H2O-Konzentrationen ausgesetzt ist, eine mesoporöse Schicht entlang zumindest eines Anteils einer Hauptseite von einem des ersten und zweiten Diffusionsmediumsubstrates getragen ist und eine hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente und eine hydrophobe Komponente umfasst, wobei zumindest eines des ersten und zweiten Diffusionsmediumsubstrates ein Gebiet mit relativ hoher Porosität und ein Gebiet mit relativ niedriger Porosität umfasst, wobei das Gebiet mit relativ hoher Porosität des Substrates einen wesentlich größeren Anteil des Gebietes mit relativ hoher H2O-Konzentration besetzt und das Gebiet mit relativ niedriger Porosität des Substrates einen wesentlich größeren Anteil des Gebietes mit relativ niedriger H2O-Konzentration besetzt.
  34. Verfahren nach Anspruch 33, wobei das Gebiet mit relativ hoher Porosität durch eine Porosität von bis zu etwa 90 % gekennzeichnet ist.
  35. Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei das Gebiet mit relativ niedriger Porosität durch eine Porosität zwischen etwa 70 % und etwa 75 % gekennzeichnet ist.
  36. Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei das Substrat durch eine Porosität von über etwa 70 % in den Gebieten mit relativ hoher H2O-Konzentration gekennzeichnet ist.
  37. Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei das Substrat durch eine Porosität zwischen etwa 70 % und etwa 75 % in den Gebieten mit relativ niedriger H2O-Konzentration gekennzeichnet ist.
  38. Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei das Substrat eine Dicke zwischen etwa 100 μm und etwa 300 μm in den Gebieten mit relativ hoher H2O-Konzentration definiert.
  39. Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei das Substrat eine Dicke zwischen etwa 190 μm und etwa 300 μm in den Gebieten mit relativ niedriger H2O-Konzentration definiert.
  40. Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei das Substrat durch eine mittlere Porengröße von über etwa 20 μm in den Gebieten mit relativ hoher H2O-Konzentration gekennzeichnet ist.
  41. Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei das Substrat durch eine mittlere Porengröße von weniger als etwa 25 μm in den Gebieten mit relativ niedriger H2O-Konzentration gekennzeichnet ist.
  42. Vorrichtung, die derart ausgebildet ist, um eine wasserstoffhaltige Brennstoffquelle in elektrische Energie umzuwandeln, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Anordnung für elektrochemische Umwandlung, die derart ausgebildet ist, um die Vorrichtung in ein erstes und zweites Strömungsfeldgebiet zu unterteilen; einen Eingang eines ersten Reaktanden und einen Ausgang eines ersten Produkts in Verbindung mit dem ersten Strömungsfeldgebiet; ein erstes Diffusionsmedium, das ein poröses Diffusionsmediumsubstrat umfasst, das derart ausgebildet ist, um mehrphasige Reaktanden zwischen dem ersten Strömungsfeldgebiet und der Anordnung für elektrochemische Umwandlung durchzulassen; einen Eingang eines zweiten Reaktanden und einen Ausgang eines zweiten Produkts in Verbindung mit dem zweiten Strömungsfeldgebiet; und ein zweites Diffusionsmedium, das ein poröses Diffusionsmediumsubstrat umfasst, das derart ausgebildet ist, um mehrphasige Reaktanden zwischen dem zweiten Strömungsfeldgebiet und der Anordnung für elektrochemische Umwandlung durchzulassen, wobei: die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass zumindest eines des ersten und zweiten Diffusionsmediums ein Gebiet, das relativ hohen H2O-Konzentrationen ausgesetzt ist, und ein Gebiet umfasst, das relativ niedrigen H2O-Konzentrationen ausgesetzt ist, eine mesoporöse Schicht entlang zumindest eines Anteils einer Hauptseite von einem des ersten und zweiten Diffusionsmediumsubstrates getragen ist und eine hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente und eine hydrophobe Komponente umfasst, die mesoporöse Schicht wesentliche Anteile des Gebietes mit relativ hoher H2O-Konzentration und des Gebietes mit relativ niedriger H2O-Konzentration besetzt, die mesoporöse Schicht ein Gebiet mit erhöhter Porosität relativ zu einem verbleibenden Anteil der mesoporösen Schicht umfasst, das Gebiet mit erhöhter Porosität der mesoporösen Schicht einen wesentlich größeren Anteil des Gebietes mit relativ hoher H2O-Konzentration relativ zu dem Gebiet mit relativ niedriger H2O-Konzentration besetzt, und der verbleibende Anteil der mesoporösen Schicht einen wesentlich größeren Anteil des Gebietes mit relativ niedriger H2O-Konzentration relativ zu dem Gebiet mit relativ hoher H2O-Konzentration besetzt.
  43. Vorrichtung nach Anspruch 42, wobei das Gebiet mit erhöhter Porosität der mesoporösen Schicht durch eine Vielzahl von Megaporen definiert ist, die durch eine Porengröße zwischen etwa 100 μm und etwa 500 μm gekennzeichnet sind.
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