DE112004001525T5

DE112004001525T5 - Diffusionsmedium zur Verwendung in einer PEM-Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112004001525T5
Application number: DE112004001525T
Authority: DE
Inventors: Mark F. Mathias; Jörg Roth; Michael K. Budinski
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-08-18
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2024-08-05
Also published as: US7455928B2; US20050042500A1; DE112004001525B4; JP4531758B2; WO2005020347A3; CN101068953A; JP2007518218A; CN101068953B; WO2005020347A2

Abstract

PEM-Brennstoffzelle mit:
einer Elektrodenplatte mit einem darin ausgebildeten Strömungsfeld; und
einer Membranelektrodenanordnung mit einem durchlässigen Diffusionsmedium, das benachbart der Elektrodenplatte angeordnet ist, wobei das durchlässige Diffusionsmedium entlang einer Transversalachse starr ist, entlang einer Lateralachse flexibel ist und eine im Wesentlichen nicht komprimierbare Dicke besitzt, wobei die Transversalachse erste Kanäle des Strömungsfeldes kreuzt und wobei die ersten Kanäle eine vorwiegende Strömungsrichtung definieren.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft PEM-Brennstoffzellen und insbesondere ein verbessertes Diffusionsmedium zur Verwendung in einer PEM-Brennstoffzelle.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen sind bei vielen Anwendungen als eine Energiequelle verwendet worden. Beispielsweise sind Brennstoffzellen zur Verwendung in elektrischen Fahrzeugantriebsanlagen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Bei Brennstoffzellen vom Typ mit Protonenaustauschmembran (PEM) wird Wasserstoff an die Anode der Brennstoffzelle und Sauerstoff als das Oxidationsmittel an die Kathode geliefert. PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer dünnen protonendurchlässigen nicht elektrisch leitenden Festpolymerelektrolytmembran, die den Anodenkatalysator auf einer Seite und den Kathodenkatalysator auf der entgegengesetzten Seite aufweist. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar nicht poröser, elektrisch leitender Elemente oder Platten angeordnet, die (1) als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und (2) geeignete Kanäle und/oder Öffnungen, die darin ausgebildet sind, zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren enthalten.
Der Begriff "Brennstoffzelle" wird typischerweise dazu verwendet, entweder eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen (Stapel) abhängig vom Kontext zu bezeichnen. Typischerweise werden eine Vielzahl einzelner Zellen miteinander gebündelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, und werden allgemein in elektrischer Reihe angeordnet. Jede Zelle in dem Stapel umfasst die Membranelektrodenanordnung (MEA), die vorher beschrieben wurde, und jede derartige MEA liefert ihr Spannungsinkrement. Eine Gruppe benachbarter Zellen in dem Stapel wird als ein Cluster bezeichnet.
Bei PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff (H₂) der Anodenreaktand (d.h. Brennstoff) und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand (d.h. Oxidationsmittel). Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O₂) oder als Luft (eine Mischung aus vorwiegend O₂ und N₂) vorliegen. Die Festpolymerelektrolyte bestehen typischerweise aus Ionentauscherharzen, wie beispielsweise perfluorierter Sulfonsäure. Die Anode/Kathode umfasst typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, die oftmals auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem protonenleitenden Harz gemischt sind. Die katalytischen Partikel sind typischerweise teure Edelmetallpartikel. Da diese derartigen MEAs relativ teuer herzustellen sind und bestimmte Bedingungen erfordern, einschließlich eines richtigen Wassermanagements und einer richtigen Befeuchtung wie auch Steuerung katalysatorschädigender Bestandteile, wie beispielsweise Kohlenmonoxid (CO) für einen effektiven Betrieb.
Die elektrisch leitenden Platten, die die MEAs schichtartig anordnen, können eine Gruppierung aus Nuten in ihren Seiten enthalten, die ein Reaktandenströmungsfeld zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle (d.h. Wasserstoff und Sauerstoff in der Form von Luft) über die Oberflächen der jeweiligen Kathode und Anode definieren. Diese Reaktandenströmungsfelder umfassen allgemein eine Vielzahl von Stegen, die eine Vielzahl von Strömungskanälen dazwischen definieren, durch die die gasförmigen Reaktanden von einer Versorgungssammelleitung an einem Ende der Strömungskanäle zu einer Austragssammelleitung an dem entgegengesetzten Ende der Strömungskanäle strömen.
Die Reaktandenströmungsfelder werden durch ein Diffusionsmedium bedeckt, das verschiedene Funktionen hat. Eine dieser Funktionen ist die Diffusion von Reaktandengasen hindurch zur Reaktion in der jeweiligen Katalysatorschicht. Eine andere ist die Diffusion von Reaktionsprodukten, nämlich Wasser, über die Brennstoffzelle. Zusätzlich muss das Diffusionsmedium Elektronen und Wärme zwischen der Katalysatorschicht und der bipolaren Platte leiten. Um diese Funktionen richtig ausführen zu können, muss das Diffusionsmedium ausreichend porös sein, während es eine ausreichende Festigkeit beibehält. Eine Festigkeit ist erforderlich, um das Diffusionsmedium vor einer offenkundigen Kompression in der Brennstoffzelle und auch vor einem Eindringen des Diffusionsmediums in die Kanäle des Strömungsfeldes zu schützen. Eine offenkundige Kompression des Diffusionsmediums resultiert in einer verringerten Diffusionskapazität. Ein Eindringen des Diffusionsmediums in die Kanäle resultiert in einer verringerten Strömungskapazität durch die Kanäle und hohen Drücken darin wie auch einem möglichen Verlust von elektrischem Kontakt zwischen dem Diffusionsmedium und der Katalysatorschicht benachbart der Kanäle.
Herkömmliche Diffusionsmedien haben versucht, die erforderlichen Festigkeitscharakteristiken durch die Einführung steiferer Materialien, wie beispielsweise Metallgewebe, in der Ebene des Diffusionsmediums vorzusehen. Derartige Lösungen begrenzen die Flexibilität hinsichtlich Trans port und Herstellung der Brennstoffzellen und haben Korrosions- und Kontaktwiderstandsprobleme zur Folge.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung sieht ein Diffusionsmedium zum Einsatz in einer PEM-Brennstoffzelle vor, das eine durchlässige Tafel aufweist, die entlang einer Transversalachse starr ist, entlang einer Lateralachse flexibel ist und eine im Wesentlichen nicht komprimierbare Dicke besitzt. Ferner wird das Diffusionsmedium kontinuierlich als eine Rolle hergestellt, und die relativ starre (Transversal-) Achse verläuft quer zur Produktionsrichtung und die flexible (Lateral-) Achse verläuft entlang der Produktionsrichtung. Die durchlässige Tafel ist elektrisch leitend.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform umfasst das Diffusionsmedium ferner eine erste Vielzahl von Fasern, die im Wesentlichen entlang der Transversalachse ausgerichtet sind, und eine zweite Vielzahl von Fasern, die im Wesentlichen entlang der Lateralachse ausgerichtet sind, wobei jede der ersten Vielzahl von Fasern größer (beispielsweise hinsichtlich Länge oder Durchmesser) ist, als jede der zweiten Vielzahl von Fasern. Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform umfasst das Diffusionsmaterial ferner eine Vielzahl von Streifen, die im Wesentlichen entlang der Transversalachse ausgerichtet sind. Jeder der Vielzahl von Streifen ist bevorzugt aus einem steifen (d.h. mit hohem Zug-Elastizitätsmodul) korrosionsbeständigem Material (beispielsweise rostfreiem Stahl) ausgebildet. Bei diesen beiden Ausführungsformen verläuft die Transversalachse quer zur Produktionsrichtung des Diffusionsmediums.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verste hen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, wobei:
1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines PEM-Brennstoffzellenstapels gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine teilweise perspektivische Schnittansicht eines Anteils des PEM-Brennstoffzellenstapels von 1 ist, die eine Schichtbildung zeigt, die das Diffusionsmedium umfasst;
3 eine fokussiertere Draufsicht des in 2 detailliert dargestellten Abschnittes ist;
4 eine detaillierte Ansicht einer Faserausgestaltung des Diffusionsmediums ist; und
5 eine Draufsicht eines beispielhaften Strömungsfeldes des PEM-Brennstoffzellenstapels ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Unter Bezugnahme auf 1 ist eine PEM-Brennstoffzelle 10 mit einer einzelnen Zelle gezeigt, die eine MEA 12 aufweist, die schichtartig zwischen einem Paar elektrisch leitender Elektrodenplatten 14 angeordnet ist. Es sei jedoch angemerkt, dass die vorliegende Erfindung, wie nachfolgend beschrieben ist, gleichermaßen auf PEM-Brennstoffzellenstapel anwendbar ist, die eine Vielzahl einzelner Zellen umfassen, die in Reihe angeordnet und voneinander durch bipolare Elektrodenplatten getrennt sind, die in der Technik allgemein bekannt sind. Die Platten 14 können aus einem Verbundstoff aus leitendem Material und Polymerbindern, Kohlenstoff, Graphit und korrosionsbeständigen Metallen hergestellt sein. Die MEA 12 und die Elektrodenplatten 14 sind zwischen aus rostfreiem Stahl bestehenden Endplatten 16 aneinander geklemmt. Die Elektrodenplatten 14 enthalten jeweils eine Vielzahl von Stegen 18, die eine Vielzahl von Strömungskanälen 20 definieren, die ein Strömungsfeld 22 zur Verteilung von Reaktandengasen (d.h. H₂ und O₂) an gegenüberliegenden Seiten der MEA 12 bilden. In dem Fall eines PEM-Brennstoffzellenstapels mit mehreren Zellen wird ein Strömungsfeld an jeder Seite der bipolaren Platte gebildet, nämlich eines für H₂ und eines für O₂. Nichtleitende Dichtungen 24 sehen Abdichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten der Brennstoffzelle 10 vor. Isolierte Schrauben (nicht gezeigt) verlaufen durch Löcher, die an den Ecken der verschiedenen Komponenten angeordnet sind, um die PEM-Brennstoffzelle 10 zusammenzuklemmen.
Mit besonderem Bezug auf die 2 und 3 umfasst die MEA 12 eine Membran 26, die schichtartig zwischen einer Anodenkatalysatorschicht 28, einer Kathodenkatalysatorschicht 30, einem Anodendiffusionsmedium 32a und einem Kathodendiffusionsmedium 32b angeordnet ist. Wie gezeigt ist, liegen H₂-Strömungskanäle 20a, die das anodenseitige H₂-Strömungsfeld bilden, unmittelbar benachbart des Anodendiffusionsmediums 32a und stehen in direkter Fluidverbindung damit. Ähnlicherweise liegen O₂-Strömungskanäle 20b, die das kathodenseitige O₂-Strömungsfeld bilden, unmittelbar benachbart des Kathodendiffusionsmediums 32b und stehen in direkter Fluidverbindung damit.
Im Betrieb strömt der H₂-reiche Strom in eine Einlassseite des anodenseitigen Strömungsfeldes und gleichzeitig strömt der O₂-Strom (beispielsweise Luft) in eine Einlassseite des kathodenseitigen Strömungsfeldes. H₂ strömt durch die MEA 12, und die Anwesenheit des Anodenkatalysators 28 hat zur Folge, dass der H₂ in Wasserstoffionen (H+) aufgespalten wird, wobei jedes ein Elektron abgibt. Die Elektronen wandern von der Anodenseite an eine elektrische Schaltung (nicht gezeigt), in der sie Arbeit verrichten (beispielsweise Rotation eines Elektromotors). Die Membranschicht 26 ermöglicht, dass Protonen hindurchfließen können, während ein Elektronenfluss hindurch verhindert wird. Somit fließen die H+-Ionen direkt durch die Membran an den Kathodenkatalysator 28. Auf der Kathodenseite werden die H+-Ionen mit O₂ und den Elektronen, die von der elektrischen Schaltung zurückkehren, kombiniert, wodurch Wasser gebildet wird. Da die oben beschriebenen Reaktionen auftreten, wenn die Reaktanden durch ihre jeweiligen Strömungsfelder strömen, ist der Großteil des resultierenden Wassers typischerweise nahe einer Auslassseite der Kathode konzentriert.
Die Eigenschaften des Diffusionsmediums 32 werden in Bezug auf die x-, y- und z-Achsen beschrieben, die in 2 gezeigt sind. Die x-Richtung (oder Transversalachse) liegt in einer Ebene und rechtwinklig zu den Strömungskanälen 20. Die y-Richtung (oder Lateralachse) liegt ebenfalls in einer Ebene, jedoch parallel zu den Strömungskanälen 20. Schließlich verläuft die z-Richtung durch die x-y-Ebene.
Das Diffusionsmedium 32 erlaubt eine Diffusion der Reaktanden (d.h. H₂ und O₂) wie auch der Reaktionsprodukte (d.h. H₂O) hindurch. Auf diese Art und Weise können die Reaktanden von den Strömungskanälen 20 durch das Diffusionsmedium 32 und in Kontakt mit ihren jeweiligen Katalysatoren strömen, um die erforderliche Reaktion zu ermöglichen. Wie vorher beschrieben wurde, ist ein Produkt der Reaktion H₂O. Die Umverteilung von H₂O über die PEM-Brennstoffzelle 10 ist von erheblicher Wichtigkeit für die Leistungsfähigkeit der PEM-Brennstoffzelle 10. Das Diffusionsmedium 32 erlaubt den Fluss von H₂O hindurch von stärker wässrigen Bereichen zu trockeneren Bereichen zur homogenen Befeuchtung der PEM-Brennstoffzelle 10. Ferner ist der Elektronenfluss ebenfalls ein wichtiger Faktor für die Leistungsfähigkeit der PEM-Brennstoffzelle 10. Ein gehemmter Elektronenfluss resultiert in einer schlechten Leistungsfähigkeit wie auch einem schlechten Wirkungsgrad.
In Bezug auf die Leistungsfähigkeitsanforderungen ist das Diffusionsmedium 32 ausreichend elektrisch leitend und für Fluid durchlässig. In den x- und z-Richtungen ist die Fluiddurchlässigkeit des Diffusionsmediums 32 zum Transport von Reaktandengas und/oder H₂O unter den Stegen 18, die zwischen den Strömungskanälen 20 angeordnet sind, hoch. Die elektrische Leitfähigkeit ist hoch, um Elektronen über die Strömungskanäle 20 von den Stegen 18 an die MEA 12 zu transportieren. Die Fluid durchlässigkeit wie auch die elektrische Leitfähigkeit sind in der y-Richtung weniger wichtig.
Das Diffusionsmedium 32 der vorliegenden Erfindung ist anisotrop, wobei dessen Eigenschaften in den x-, y- und z-Richtungen nicht gleich sind. Infolgedessen passen die Eigenschaften des Diffusionsmediums gut mit den Anforderungen eines leicht rollbaren oder Rollgut-Diffusionsmediums wie auch den Anforderungen eines Diffusionsmediums zur Verwendung in einer Brennstoffzelle mit größtenteils parallelen Kanälen zusammen. Das Diffusionsmedium 32 ist durch zwei wichtige mechanische Eigenschaften gekennzeichnet: das Zug-Elastizitätsmodul (MOE) und das Zug-Bruchmodul (MOR). Das MOE basiert auf Spannungs- und Ablenkungsmessungen, wenn eine Kraft an das Diffusionsmedium 32 angelegt wird. Das MOE ist als eine elastische Spannung geteilt durch eine elastische Dehnung definiert und stellt eine dem Material innewohnende Eigenschaft dar. Das MOR basiert auf dem Beginn eines Materialschadens infolge der angelegten Biegekraft. Für brüchige Materialien, wie beispielsweise Kohlefaserdiffusionsmedien, werden der Zug-MOE und -MOR typischerweise durch eine 3- oder 4-Punkt-Biegeprüfung gemessen (beispielsweise ASTM D790 bzw. D6272) gemessen.
Die Rohform des Diffusionsmediums 32 muss leicht transportierbar sein und eine Serienfertigung erleichtern. Eine ideale Rohform des Diffusionsmediums 32 ist eine lange kontinuierliche Tafel, die aufgerollt ist. Rollen sind leicht und effizient an den geeigneten Montageort zu transportieren. Um das Aufrollen zu erleichtern, muss das Diffusionsmedium 32 flexibel sein. Für die Herstellung des Diffusionsmediums ist es ausreichend, das Diffusionsmediummaterial um einen Kern von etwa 6 bis 12 Zoll zu rollen. Im Gegensatz zu dieser Flexibilitätsanforderung muss das Diffusionsmedium 32 ausreichend steif oder starr sein, so dass es nicht in die Strö mungskanäle 20 eindringt oder durchhängt. Das Durchhängen resultiert in einem unerwünschten Druckabfall in den Strömungskanälen 20 und einem verringerten elektrischen Kontakt mit der Katalysatorschicht, wodurch die Brennstoffzellenleistungsfähigkeit verringert wird.
Herkömmlich ist das am üblichsten verwendete Diffusionsmediummaterial Kohlefaserpapier, wie beispielsweise von Toray in Japan (Produktbezeichnung TGPH-060) und Spectracorp in Massachusetts USA (2050A) hergestellt wird. In letzter Zeit produzieren SGL in Deutschland und Mitsubishi Rayon in Japan kontinuierliches Kohlefaserpapier zur Verwendung als Diffusionsmedium. In der Bearbeitungsabfolge all dieser Produkte werden kontinuierliche Rollen aus Kohlefaserpapier anfänglich unter Verwendung eines "im Nassverfahren ausgeführten" Prozesses ausgebildet, der herkömmliche Papierherstellungsausstattung einsetzt. Bei diesem Prozess werden zerhackte Kohlefasern (beispielsweise 7 Mikrometer Durchmesser, 3–15 Millimeter Länge) in Wasser dispergiert und einem Stoffauflaufkasten zugeführt, der die Dispersion auf eine rotierende poröse Trommel oder einen Drahtsieb mit einem Vakuumtrockner tropft, um das Wasser zu entfernen. Die noch feuchte Bahn wird von der anderen Seite der Trommel oder des Siebs abgezogen und in einem Ofen oder auf heißen Rotationstrommeln mit großem Durchmesser (beispielsweise 1 bis 2 Meter) vollständig getrocknet. Das Material wird am Ende des Trocknungsvorgangs kontinuierlich aufgerollt. Diese Materialien weisen ein Übergewicht von Fasern, die in der Produktionsrichtung ausgelegt sind, aufgrund des Herstellungsprozesses auf, bei dem Fasern in der Produktionsrichtung gezogen werden, wenn sie in die Fasermatte abgeschieden werden. Sogar bei einem Rühren in dem Stoffauflaufkasten beträgt die Orientierung in der Produktionsrichtung zu der Richtung quer zur Produktionsrichtung, wie durch Messungen des Widerstands in der gleichen Ebene oder me chanische Messungen gezeigt ist, allgemein 1,5 bis 1, und dies kann sich bis zu 4 oder 5 zu 1 ohne ein Rühren im Stoffauflaufkasten annähern.
Das Papier, das wie oben beschrieben hergestellt ist, wird einer zusätzlichen Bearbeitung unterzogen, bevor es zur Verwendung in einer Brennstoffzelle bereit ist. Genauer werden Binder und Füllstoffe zugesetzt, das Produkt wird in die gewünschte Dicke geformt und auf Karbonisierungs- oder Graphitisierungstemperaturen erhitzt, um die erforderliche elektrische wie auch thermische Leitfähigkeit zu erhalten.
Die Bearbeitungsabfolge, die oben beschrieben ist, führt aufgrund der bevorzugten Ausrichtung der Fasern in der Produktionsrichtung natürlich zu einem Material, das in der Produktionsrichtung weniger flexibel ist als in der Richtung quer zur Produktionsrichtung. Unglücklicherweise ist dies nicht erwünscht, da das Material aufgrund dieses Merkmals des Papierherstellungsprozesses schwieriger aufzurollen wird.
Die mechanischen Eigenschaften des Diffusionsmediums 32 sind in den x- und y-Richtungen verschieden (d.h. anisotrop), um die Anforderungen hinsichtlich Flexibilität (zum Aufrollen) und Starrheit (um ein Durchhängen zu vermeiden) zu erreichen. Die Zug-MOE-Eigenschaft in der x-Richtung ist hoch, wodurch ein Durchhängen verhindert wird und auch verhindert wird, dass das Diffusionsmedium 32 von seiner jeweiligen Katalysatorschicht abgezogen wird. Die Zug-MOE-Eigenschaft in der y-Richtung ist geringer, wodurch ein Aufrollen des Diffusionsmediums 32 in der y-Richtung ermöglicht wird. Während der Herstellung des Diffusionsmediums wird das Material bevorzugt als Rollen durch Fließfertigungsmaschinen verarbeitet. Somit ist die y-Richtung mit der Produktionsrichtung ausgerichtet und die x-Richtung ist mit der Richtung quer zu der Produktionsrichtung ausgerichtet. Bezüglich der z-Richtung ist das Kompressi onselastizitätsmodul und die Festigkeit bevorzugt hoch, um eine Überkompression des Diffusionsmediums 32 in der PEM-Brennstoffzelle 10 zu verhindern. Eine Überkompression des Diffusionsmediums 32 resultiert in einer verringerten Fluiddurchlässigkeit.
Der Rolldurchmesser (r), um den das Diffusionsmedium 32 herum gerollt werden kann, ohne dass es bricht, basiert auf den MOE- und MOR-Eigenschaften. Der Rolldurchmesser (r) kann gemäß der folgenden Gleichung auf Grundlage der Euler-Theorie über einen gekrümmten Balken geschätzt werden: r = [(MOE)(t)]/[(2)(MOR)]wobei t die Dicke des Diffusionsmediums 32 ist. Da die Vorhersagen des Rolldurchmessers nicht mit experimentalen Daten verifiziert worden sind, wird auf einen Rollfähigkeitsindex (RI) verwiesen, anstatt auf eine quantitative Angabe des minimalen Rolldurchmessers. Je kleiner der Wert von r ist, um so besser rollbar ist das Material. In Bezug auf die x- und y-Richtungen in 2 kann r in der x- gegenüber der y-Richtung verschieden sein.
Unter Bezugnahme auf die Tabelle 1 unten wird ein Vergleich zwischen dünnen und dicken herkömmlichen Diffusionsmedien (Stand der Technik) und dünnen und dicken beispielhaften Diffusionsmedien 32 gemäß der vorliegenden Erfindung (gesteuerte Orientierung) gemacht. Das Material mit der gesteuerten Orientierung wird durch Einstellen von Prozessparametern des Papierherstellschrittes in der Kohlefaserverarbeitungsabfolge hergestellt.
Es sei angemerkt, dass die Eigenschaften des Diffusionsmediums 32 lediglich beispielhaft sind und variieren können. Wie in der Tabelle zu sehen ist, besitzt im Vergleich zu einem herkömmlichen Diffusionsmedium (Stand der Technik) in den beiden Fällen eines dicken und dünnen Materials das Diffusionsmedium 32 (gesteuerte Orientierung) erheblich verringerte MOE- und MOR-Eigenschaften in der Produktionsrichtung (y-Richtung) und erheblich erhöhte MOE- und MOR-Eigenschaften in der Richtung quer zur Produktionsrichtung (x-Richtung). Der abgewandelte Prozess verringert den MOR in der Produktionsrichtung, da jedoch der MOE um einen größeren Faktor abnimmt, verringert sich der Rollfähigkeitsindex (RI) des abgewandelten Materials relativ zu dem des Standes der Technik. Die geeignetste Abwandlung des Materials besteht darin, den MOE in der Produktionsrichtung zu verringern, während der MOR konstant gehalten wird.
Verschieden bemessene Fasern werden dazu verwendet, die Materialeigenschaften in der Produktionsrichtung und quer zur Produktionsrichtung zu variieren. In dem Fall eines Diffusionsmediums 32, das Kohle- oder Graphitfasern 40 umfasst, können die Fasern in der x-Richtung länger sein und/oder einen größeren Durchmesser besitzen als diejenigen in der y-Richtung (siehe 4). Alternativ dazu kann eine Serie von Metalldrähten 32, die allgemein in der x-Richtung ausgebildet sind, eingeführt werden. Die bevorzugten mechanischen Anforderungen des Diffusionsmediums 32 umfassen, dass der MOE in der x-Richtung um das Doppelte größer als der MOE in der y-Richtung ist.
In 5 ist ein beispielhaftes Strömungsfeld gezeigt. Das Strömungsfeld umfasst die Strömungskanäle 20 und die Stege 18. Das Diffusionsmedium 32 ist in der Brennstoffzelle 10 so eingesetzt, dass die Richtung in der gleichen Ebene des Diffusionsmediums 32, die das größte MOE besitzt (d.h. x-Richtung), über die vorwiegende Richtung der Strömungskanäle 20 ausgerichtet ist. Die vorwiegende Kanalrichtung ist die Winkelrichtung in der x-y-Ebene, die die größte kumulative Kanallänge besitzt.
Gerade Kanalabschnitte des Strömungsfeldes besitzen Winkel zwischen 0 und 180°. Dies bedeutet, dass der gerade Kanalabschnitt rechtwinklig zu der y-Richtung (d.h. 90°), rechtwinklig zu der x-Richtung (d.h. 0 oder 180°) oder unter einem beliebigen dazwischen liegenden Winkel liegt. Die kumulative Kanallänge gegenüber dem Winkel der vorwiegenden Richtung kann bestimmt werden. Beispielsweise ist in 5 eine Längeneinheit definiert. Die kumulativen Längen der Strömungskanäle 20 entlang der x-Achse und der y-Achse können auf Grundlage der Einheitslänge bestimmt werden. Tabelle 2 unten ist eine beispielhafte Analyse der kumulativen Länge für das beispielhafte Strömungsfeld von 5.
Tabelle 2
Tabelle 2 zeigt, dass die vorwiegende Richtung für das Strömungsfeld von 5 entlang der x-Achse verläuft. Es sei angemerkt, dass die in Tabelle 2 vorgesehenen Werte lediglich beispielhaft sind und die kumulativen Kanallängen für das beispielhafte Strömungsfeld von 5 unter Verwendung der definierten Längeneinheit angeben.
Obwohl es bevorzugt ist, dass die x-Richtung des Diffusionsmediums 32 rechtwinklig zu der vorwiegenden Strömungsfeldrichtung ausgerichtet ist, sei angemerkt, dass die x-Richtung des Diffusionsmediums aus einer rechtwinkligen Orientierung bis zu etwa +/–45° schräg gestellt sein kann.
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung befindlich anzusehen. Derartige Abwandlungen sind nicht als Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.
Zusammenfassung
Es ist ein Diffusionsmedium zur Verwendung in einer PEM-Brennstoffzelle vorgesehen. Das Diffusionsmedium ist eine durchlässige Tafel, die entlang einer Transversalachse starr ist, entlang einer Lateralachse flexibel ist und eine im Wesentlichen nicht komprimierbare Dicke besitzt. Das Diffusionsmedium kann in großen Tafeln über Serienfertigung hergestellt und entlang der Lateralachse zum Transport und zur Lagerung gerollt werden. Die Starrheit der Transversalachse wird durch entweder Einschluss größerer Fasern oder Metallstreifen vorgesehen, die in der Transversalrichtung ausgerichtet sind und ein Durchhängen des Diffusionsmediums in Strömungskanäle der PEM-Brennstoffzelle verhindern. Das Diffusionsmedium ist für Wasser und Gas durchlässig und elektrisch leitend.

Claims

PEM-Brennstoffzelle mit: einer Elektrodenplatte mit einem darin ausgebildeten Strömungsfeld; und einer Membranelektrodenanordnung mit einem durchlässigen Diffusionsmedium, das benachbart der Elektrodenplatte angeordnet ist, wobei das durchlässige Diffusionsmedium entlang einer Transversalachse starr ist, entlang einer Lateralachse flexibel ist und eine im Wesentlichen nicht komprimierbare Dicke besitzt, wobei die Transversalachse erste Kanäle des Strömungsfeldes kreuzt und wobei die ersten Kanäle eine vorwiegende Strömungsrichtung definieren.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das durchlässige Diffusionsmedium elektrisch leitend ist.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das durchlässige Diffusionsmedium eine erste Vielzahl von Fasern umfasst, die im Wesentlichen entlang der Transversalachse ausgerichtet sind, eine zweite Vielzahl von Fasern umfasst, die im Wesentlichen entlang der Lateralachse ausgerichtet sind, und wobei jede der ersten Vielzahl von Fasern größer als jede der zweiten Vielzahl von Fasern ist.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei jede der ersten Vielzahl von Fasern einen größeren Durchmesser als jede der zweiten Vielzahl von Fasern umfasst.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei jede der ersten Vielzahl von Fasern eine größere Länge als jede der zweiten Vielzahl von Fasern besitzt.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei jede der ersten und zweiten Vielzahl von Fasern Kohlenstoff umfasst.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei jede der ersten und zweiten Vielzahl von Fasern Graphit umfasst.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei jede der ersten Vielzahl von Fasern Kohlenstoff oder Graphit umfasst, und jede der zweiten Vielzahl von Fasern Kohlenstoff oder Graphit umfasst.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das durchlässige Diffusionsmedium ferner eine Vielzahl von Streifen umfasst, die im Wesentlichen entlang der Transversalachse ausgerichtet sind.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei jeder der Vielzahl von Streifen aus rostfreiem Stahl besteht.
Diffusionsmedium zur Verwendung in einer PEM-Brennstoffzelle, mit: einer ersten Vielzahl von Fasern, die entlang einer Lateralachse ausgerichtet sind, um eine Verformung des Diffusionsmediums entlang der Lateralachse zuzulassen; einer zweiten Vielzahl von Fasern, die entlang einer Transversalachse ausgerichtet ist, um eine Verformung des Diffusionsmediums entlang der Transversalachse zu verhindern; und wobei die erste und zweite Vielzahl von Fasern ineinander greifen, um eine Fluiddurchlässigkeit durch das Diffusionsmedium hindurch zu ermöglichen.
Diffusionsmedium nach Anspruch 11, wobei die erste und zweite Vielzahl von Fasern elektrisch leitend sind.
Diffusionsmedium nach Anspruch 11, wobei die zweite Vielzahl von Fasern eine ausreichende Größe besitzt, um hohe Zug- und Kompressionsfestigkeiten in einer Dicke des Diffusionsmediums vorzusehen.
Diffusionsmedium nach Anspruch 13, wobei eine Länge der zweiten Vielzahl von Fasern vordefiniert ist, um die hohen Zug- und Kompressionsfestigkeiten vorzusehen.
Diffusionsmedium nach Anspruch 14, wobei ein Durchmesser der zweiten Vielzahl von Fasern vordefiniert ist, um die hohen Zug- und Kompressionsfestigkeiten vorzusehen.
Durchlässiges Diffusionsmedium zur Verwendung in einer Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzelle, mit: einem durchlässigen Körper, der eine Produktionsrichtung und eine Richtung quer zur Produktionsrichtung definiert, wobei der Körper einen Elastizitätsmodul besitzt, der in der Richtung quer zur Produktionsrichtung größer als in der Produktionsrichtung ist, und eine im Wesentlichen nicht komprimierbare Dicke besitzt.
Durchlässiges Diffusionsmedium nach Anspruch 16, wobei der durchlässige Körper elektrisch leitend ist.
Durchlässiges Diffusionsmedium nach Anspruch 16, ferner mit: einer ersten Vielzahl von Fasern, die im Wesentlichen in der Richtung quer zur Produktionsrichtung ausgerichtet sind; einer zweiten Vielzahl von Fasern, die im Wesentlichen in der Produktionsrichtung ausgerichtet sind; wobei jede der ersten Vielzahl von Fasern größer als jede der zweiten Vielzahl von Fasern ist.
Durchlässiges Diffusionsmedium nach Anspruch 18, wobei jede der ersten Vielzahl von Fasern einen größeren Durchmesser als jede der zweiten Vielzahl von Fasern besitzt.
Durchlässiges Diffusionsmedium nach Anspruch 18, wobei jede der ersten Vielzahl von Fasern eine größere Länge als jede der zweiten Vielzahl von Fasern besitzt.
Durchlässiges Diffusionsmedium nach Anspruch 18, wobei jede der ersten und zweiten Vielzahl von Fasern Kohlenstoff umfasst.
Durchlässiges Diffusionsmedium nach Anspruch 19, wobei jede der ersten und zweiten Vielzahl von Fasern Graphit umfasst.
Durchlässiges Diffusionsmedium nach Anspruch 18, wobei jede der ersten Vielzahl von Fasern Kohlenstoff oder Graphit umfasst und jede der zweiten Vielzahl von Fasern Kohlenstoff oder Graphit umfasst.
Durchlässiges Diffusionsmedium nach Anspruch 16, ferner mit einer Vielzahl von Streifen, die im Wesentlichen in der Richtung quer zur Produktionsrichtung ausgerichtet sind.
Durchlässiges Diffusionsmedium nach Anspruch 24, wobei jeder der Vielzahl von Streifen aus rostfreiem Stahl besteht.