DE112004001665T5

DE112004001665T5 - Kostengünstiges Gasdiffusionsmedium zur Verwendung in PEM-Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE112004001665T5
Application number: DE112004001665T
Authority: DE
Inventors: Mark F. Mathias; Joerg Roth; Michael R. Schoeneweiss; Gerald Andover Fleming
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-09-16
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2006-10-12
Also published as: JP2007504609A; US20050058869A1; WO2005036669A3; CN1998100A; WO2005036669A2

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Gasdiffusionsmediums für eine Brennstoffzelle, mit den Schritten, dass:
Kohlefasern in vorbestimmte Längen geschnitten werden;
ein Papiermaterial unter Verwendung der zerhackten Kohlefasern gebildet wird;
das Papiermaterial mit einem wärmeaushärtbarem Harzmaterial imprägniert wird;
das imprägnierte Papiermaterial in eine vorbestimmte Dicke und Dichte geformt wird; und
das geformte imprägnierte Papiermaterial auf eine Carbonisierungstemperatur ohne Erhitzung auf eine Graphitisierungstemperatur erhitzt wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere ein kostengünstiges Gasdiffusionsmedium zur Verwendung in einer PEM-Brennstoffzelle.

HINTERGRUND UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Brennstoffzellen sind für viele Anwendungen als eine Energiequelle vorgeschlagen worden. Beispielsweise sind Brennstoffzellen zur Verwendung in elektrischen Fahrzeugantriebsanlagen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Bei Brennstoffzellen vom Typ mit Protonenaustauschmembran (PEM) wie auch anderen Brennstoffzellentypen wird Wasserstoff an die Anode der Brennstoffzelle und Sauerstoff als das Oxidationsmittel an die Kathode geliefert. Eine typische PEM-Brennstoffzelle und ihre Membranelektrodenanordnung (MEA) sind in den U.S.-Patenten Nrn. 5,272,017 und 5,316,871 beschrieben, die am 21. Dezember 1993 bzw. 31. Mai 1994 erteilt wurden und auf die General Motor Corporation übertragen sind. PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer dünnen, protonendurchlässigen, nicht elektrisch leitenden Festpolymerelektrolytmembran, die den Anodenkatalysator auf einer ihrer Seiten und den Kathodenkatalysator auf der entgegengesetzten Seite aufweist. PEM-Brennstoffzellen verwenden gewöhnlich bipolare Platten mit Kanälen auf jeder Seite für die Verteilung von Reaktanden über die Elektrodenoberflächen. Gasdiffusionsmedien (auch als Gasdiffusoren oder Gasdiffusionsunterlagen bekannt) sind zwischen jeder Seite der mit Katalysator beschichteten Protonenaustauschmembran und den bipolaren Platten vorgesehen. Das Gebiet zwischen den Reaktandenkanälen enthält Stege, die auch als Rippen bekannt sind. Gemäß diesem Konstruktionstyp befindet sich grob die Hälfte der Elektrodenfläche benachbart der Rippen und eine Hälfte befindet sich benachbart der Stege. Die Rolle des Gasdiffusionsmediums besteht in der Überführung der Anoden- und Kathodengase von dem Kanal-Rippen-Aufbau des Strömungsfeldes zu dem aktiven Bereich der Elektrode mit minimalem Spannungsverlust. Obwohl der gesamte Strom durch die Stege gelangt, unterstützt ein effektives Diffusionsmedium eine gleichförmige Stromverteilung an den benachbarten Katalysatorschichten.

Die Gasdiffusionsmedien sehen einen Reaktandengaszugang von dem Strömungsfeldkanal zu den Katalysatorschichten vor, sehen einen Durchgang zur Entfernung von Produktwasser von dem Katalysatorschichtbereich zu den Strömungsfeldkanälen vor, sehen eine elektrische Leitfähigkeit von den Katalysatorschichten zu den bipolaren Platten vor, sehen eine effiziente Wärmeentfernung von der MEA zu den bipolaren Platten vor, an denen Kühlmittelkanäle angeordnet sind, und sehen eine mechanische Abstützung für die MEA in dem Fall eines großen Reaktandendruckabfalls zwischen den Anoden- und Kathodengaskanälen vor. Die obigen Funktionen bringen für die Diffusionsmedien Anforderungen hinsichtlich elektrischer und thermischer Leitfähigkeit mit sich, die sowohl die Masseneigenschaften als auch die Grenzflächenleitfähigkeiten mit den bipolaren Platten und den Katalysatorschichten umfassen. Aufgrund des Kanal-Rippen-Aufbaus der bipolaren Platten ermöglichen die Gasdiffusionsmedien auch einen Gaszugang seitlich von den Kanälen zu dem Katalysatorbereich benachbart zu den Stegen, um dort eine elektrochemische Reaktion zu ermöglichen. Die Gasdiffusionsmedien unterstützen auch eine Wasserent fernung seitlich von dem Katalysatorbereich benachbart zu dem Steg aus dem Kanal heraus. Die Gasdiffusionsmedien sehen auch eine elektrische Leitfähigkeit seitlich zwischen dem Steg der bipolaren Platte und der Katalysatorschicht benachbart des Kanals vor und halten einen guten Kontakt mit der Katalysatorschicht für eine elektrische und thermische Leitfähigkeit bei und dürfen nicht in die Kanäle gepresst werden, was eine blockierte Strömung wie auch hohe Kanaldruckabfälle zur Folge hätte.

Gasdiffusionsmedien nach dem Stand der Technik in Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEM) bestehen aus Kohlefasermatten, die oftmals als Kohlefaserpapier bezeichnet sind. Diese Papiere verwenden Vorläuferfasern, die typischerweise aus Polyacrylnitril, Zellulose und anderen Polymermaterialien hergestellt sind. Die Bearbeitung umfasst eine Ausbildung der Matte, einen Zusatz eines Harzbinders, ein Härten des Harzes mit dem Material unter Druck (d.h. Formen) und ein progressives Erwärmen des Materials in einer inerten Atmosphäre oder einem Vakuum, um nicht kohlenstoffhaltiges Material zu entfernen. Der Endschritt bei der Herstellung des Materials ist ein Hochtemperaturwärmebehandlungsschritt, der sich 2000°C annähert oder diese überschreitet und in einigen Fällen bis in die Höhe von 2800°C reicht. Dieser Schritt wird in einem Inertgas (Stickstoff oder Argon) oder einer Vakuumumgebung ausgeführt, und der Zweck besteht darin, nicht kohlenstoffhaltiges Material zu entfernen und den Kohlenstoff in Graphit umzuwandeln. Teilweise aufgrund der hohen Temperatur und der Sprödigkeit des Materials wird dieser Schritt in Chargenöfen unter Verwendung von Stapeln mit quadratischen Tafeln aus Kohlefaserpapier, gewöhnlich einem Quadratmeter durchgeführt. Eine Umwandlung des Kohlenstoffs in Graphit resultiert in einer überlegenen elektrischen Leitfähigkeit, die typischerweise zur Verwendung in PEM-Brennstoffzellen notwendig ist. Kohlefaserpapiere werden auch als Gasdiffusionselektroden bei Anwendungen mit Phosphor säurebrennstoffzellen (PAFC) verwendet. Bei dieser Anwendung muss das Material graphitisiert werden, damit es eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit besitzt, um dem heißen Phosphorsäurelektrolyt zu widerstehen. Die Kosten zum Wärmebehandeln der Kohlefaserpapiere auf Temperaturen bis zu oder über 2000°C sind allgemein der teurerste Bearbeitungsschritt in der gesamten Abfolge der Bearbeitung des Kohlefaserpapiers. Daher besteht ein Bedarf nach einer Herstellung eines kostengünstigeren Gasdiffusionsmediums ohne Kompromiss hinsichtlich der Leistungsfähigkeit. Demgemäß sieht die vorliegende Erfindung ein Kohlefaserpapier zur Verwendung als ein Gasdiffusionsmedium vor, das einen Endwärmebehandlungsprozess bei hoher Temperatur verwendet, um eine Carbonisierung jedoch keine Graphitisierung zu erreichen, um ein kostengünstigeres Gasdiffusionsmedium zur Verwendung in PEM-Brennstoffzellen vorzusehen.

Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch 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 schematische Darstellung der Bearbeitungsschritte zur Erzeugung der kostengünstigen Gasdiffusionsmedien gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine schematische Schnittansicht einer Membranelektrodenanordnung einer PEM-Brennstoffzelle ist, die die Gasdiffusionsmedien der vorliegenden Erfindung verwendet;
3 eine graphische Darstellung der Polarisierungskurven der Gasdiffusionsmedien, die auf verschiedene Temperaturen behandelt sind, von einer Brennstoffzelle mit 50 cm² ist;
4 eine graphische Darstellung der Brennstoffzellenspannung für Gasdiffusionsmedien, die auf verschiedene Temperaturen wärmebehandelt sind, für verschiedene Stromdichtewerte ist, die in einem Brennstoffzellenstapel erhalten wurden; und
5 eine Tabelle ist, die die d-Abstandswerte und den jeweiligen Grad an Graphitisierung für verschiedene Diffusionsmediumproben zeigt, die auf verschiedene Temperaturniveaus erhitzt wurden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendungen bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
In 2 ist ein Schnitt einer PEM-Brennstoffzellenanordnung 20 gezeigt, die eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 22 umfasst. Die Membranelektrodenanordnung 22 umfasst eine Membran 24, eine Kathodenkataly satorschicht 26 und eine Anodenkatalysatorschicht 28. Bevorzugt ist die Membran 24 eine Protonenaustauschmembran (PEM). Die Membran 24 ist schichtartig zwischen der Kathodenkatalysatorschicht 26 und der Anodenkatalysatorschicht 28 angeordnet. Ein Kathodendiffusionsmedium 30 ist schichtartig benachbart der Kathodenkatalysatorschicht 26 entgegengesetzt der Membran 24 angeordnet. Ein Anodendiffusionsmedium 34 ist schichtartig benachbart der Anodenkatalysatorschicht 28 entgegengesetzt der Membran 24 angeordnet. Die Brennstoffzellenanordnung 20 umfasst ferner einen Kathodenströmungskanal 36 und einen Anodenströmungskanal 38. Der Kathodenströmungskanal 36 empfängt und führt Sauerstoff (O₂) oder Luft. Der Anodenströmungskanal 38 empfängt und führt Wasserstoff (H₂) von einer Quelle. Bei der Brennstoffzellenanordnung 20 ist die Membran 24 eine für Kationen durchlässige protonenleitende Membran mit H⁺-Ionen als dem mobilen Ion. Der Brennstoff ist Wasserstoff (H₂) und das Oxidationsmittel ist Sauerstoff (O₂) oder Luft. Da Wasserstoff als der Brennstoff verwendet wird, ist das Produkt der Gesamtzellenreaktion Wasser (H₂O). Typischerweise wird das Wasser, das erzeugt wird, an der Kathode 26 abgewiesen, die eine poröse Elektrode ist, die eine Elektrokatalysatorschicht auf der Sauerstoffseite umfasst. Das Wasser kann gesammelt werden, wenn es gebildet wird, und kann von der MEA der Brennstoffzellenanordnung 20 auf eine beliebige herkömmliche Art und Weise weggeführt werden.
Die Zellenreaktion erzeugt einen Protonenaustausch in einer Richtung von dem Anodendiffusionsmedium 34 zu dem Kathodendiffusionsmedium 30. Die Elektronen fließen von der Anodenkatalysatorschicht durch die Last und zurück an die Kathodenkatalysatorschicht. Auf diese Weise erzeugt die Brennstoffzellenanordnung 20 Elektrizität. Eine elektrische Last 40 ist elektrisch über die MEA 22 durch eine erste Platte 42 und eine zweite Platte 44 geschaltet, um die Elektrizität aufzunehmen. Die Platten 42 und/oder 44 sind bipolare Platten, wenn sich eine Brennstoffzelle benachbart der jeweiligen Platte 42 oder 44 befindet, oder eine Endplatte, wenn sich keine Brennstoffzelle benachbart dazu befindet.
Die Gasdiffusionsmedien 30, 34 gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung werden gemäß den folgenden Prozessen hergestellt. Anfänglich werden vor einer Papierbildung Kohlefasern gebildet (typischerweise aus einem Polyacrylnitrilfaservorläufer) und auf eine Carbonisierungstemperatur, wie beispielsweise 1200–1350°C, in einem Inertgas erhitzt, wie beispielsweise Stickstoff oder Argon. Dieser Prozess bewirkt, dass die Kohlefasern 50 % ihres Gewichtes verlieren, während die Fasern auf einen Kohlenstoffgehalt von etwa 95 % carbonisiert werden. Die resultierenden Fasern können eine Zugfestigkeit von größer als 400.000 psi besitzen. Zusätzlich besitzen die Kohlefasern Zugmodul von 32 Millionen psi und Dichten im Bereich von 1,75–1,90 g/cm² mit Faserdurchmessern von etwa 7 Mikrometern. Der Kohlefaserfaden oder -werg wird dann in vorbestimmte Längen zerhackt, wie beispielsweise Längen von 3–12 mm oder einer beliebigen anderen Länge, die für einen Papierherstellprozess geeignet ist.
Der Papierherstellprozess wird unter Verwendung der auf die vorbestimmte Länge zerhackten Kohlefasern ausgeführt, die in Wasser mit Bindern (typischerweise Polyvinylalkohol) dispergiert werden, wobei die Dispersion von Fasern 0,01 Gewichtsprozent aufweist. Die Dispersion wird auf eine poröse Trommel oder einen Drahtsieb mit einem Vakuumtrockner getropft, um das Wasser zu entfernen. Die Bahn wird dann in einem Ofen oder auf erhitzten Trommeln getrocknet. Die Bahn wird dann in Rollen aufgerollt. Die Bahn besitzt typischerweise einen Bindergehalt von 5–15 Gewichtsprozent mit einem typischen Flächengewicht von 45–70 g/m² und einer Papierdicke von 0,2–0,27 mm. Die Papierbahn wird dann mit einem carbonisierbaren wärmeaushärtbaren Harz imprägniert. Typischerweise wird ein Phenolharz verwendet, obwohl auch andere Harze verwendet werden können. Das imprägnierte Papier wird dann auf etwa 125°C zur Verdampfung des Lösemittels und zur Oligomerisierung des Harzes erhitzt (genannt B-Stufe).
Das imprägnierte Kohlefaserpapier wird dann kompressionsgeformt und vollständig gehärtet, indem das Kohlefaserpapier Temperaturen bis zu 175°C bei einem Druck von 60–80 psi für eine Stunde ausgesetzt wird. Das imprägnierte Kohlefaserpapier wird in eine gewünschte Dicke und Dichte geformt. Nach dem Formen wird eine Nachhärtung bei etwa 200°C in Luft für mehrere Stunden ausgeführt, um eine vollständige Härtung oder Vernetzung (genannt C-Stufe) des Bindermaterials sicherzustellen. Schließlich wird ein Wärmebehandlungsschritt ausgeführt, um das geformte Papier zu carbonisieren, indem das Papier auf eine Carbonisierungstemperatur erhitzt wird. Typischerweise liegt diese Temperatur im Bereich zwischen 900°C und 1800°C, wobei jedoch auch andere Temperaturen abhängig von den verwendeten spezifischen Materialien angewendet werden können. Der Endwärmebehandlungsschritt liegt unterhalb der Graphitisierungstemperatur für das Kohlefaserpapier. Mit anderen Worten ist die Graphitisierungstemperatur typischerweise größer als 1900°C.
Herkömmlich wurde die Bearbeitung der Gasdiffusionsmedien unter Verwendung von Kohlefaserpapier mit der Verwendung eines Enderwärmungsschrittes bei einer hohen Temperatur ausgeführt, die sich 2000°C annähert oder diese überschreitet und in einigen Fällen bis in die Höhe von 2800°C reicht. Dieser Schritt wird in einem Inertgas (Stickstoff oder Argon) oder einer Vakuumumgebung ausgeführt, und der Zweck besteht darin, nicht kohlenstoffhaltiges Material zu entfernen und den Kohlenstoff in Graphit umzuwandeln. Die resultierenden Gasdiffusionsmedien, die gemäß diesen herkömmlichen Verfahren ausgebildet sind, besitzen einen Kohlenstoffgehalt von größer als 99,5 Gewichtsprozent.
Es ist eine Entdeckung der vorliegenden Erfindung, dass der letzte Hochtemperaturwärmebehandlungsschritt (typischerweise größer als 2000°C) nicht notwendig ist, um Diffusionsmaterialien zur Verwendung in PEM-Brennstoffzellen herzustellen. Tatsächlich kann eine Endwärmebehandlung bei 950°C ausreichend sein, um PEM-Gasdiffusionsmedien herzustellen. Die Entdeckung, dass dieser Behandlungsschritt mit relativ niedrigerer Wärme ausreicht, verringert die Kosten der Diffusionsmedien erheblich, da die Hochtemperaturwärmebehandlung der teuerste Bearbeitungsschritt in der gesamten Abfolge bei der Herstellung herkömmlicher Kohlefaserpapiertafeln ist. Dieser Schritt ist deshalb teuer, weil die Ofenherstellungs- und Wartungskosten aufgrund einer stärkeren Ofenkonstruktion, stärkeren Isolationsmaterials wie auch Heizermaterialanforderungen schnell ansteigen, wenn die Wärmebehandlungstemperatur von 1000°C bis 2800°C ansteigt. Überdies ermöglicht diese Entdeckung die Entwicklung kontinuierlich bearbeiteter Diffusionsmedien auf einer Rolle. Genauer macht es die niedrigere Temperaturanforderung viel leichter machbar, eine Rolle aus Diffusionsmedium kontinuierlich zu verarbeiten, ohne dass eine Chargenbearbeitung für einzelne Tafeln erforderlich wird. Das resultierende Diffusionsmedium, das gemäß dem Prozess der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, besitzt einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 99,5 Gewichtsprozent. Mit der Verwendung von Röntgenbeugung kann man auch den Grad der Graphitisierung von Kohlenstoff unter Verwendung einer gut definierten und gut bekannten Menge charakterisieren, die als der 002 d-Abstand, d(002) bekannt ist, der ein Maß der Distanz zwischen den Schichtebenen darstellt. K. Kinoshita, Carbon – Electrochemical and Physicochemical Properties John Wiley and Sons, NY, NY (1988) S. 31. Eine Probe mit einem d-Abstand-Wert von 3,354 Ang ström wird als vollständig graphitisiert betrachtet und eine Probe mit einem d-Abstand von 3,440 oder höher wird als überhaupt nicht graphitisiert betrachtet. Proben mit einem Zwischen-d-Abstand werden als teilweise graphitisiert betrachtet. Eigentlich ist der Grad der Graphitisierung G definiert worden als G = [(d(002) – 3,44)/(–0,086)] 100 %
Beispiel 1:
Es wurde eine Serie von Kohlefaserpapierproben unter Verwendung der Standardbearbeitungsmethode hergestellt. Die Papiere wurden in einer kontinuierlichen Papierherstellausstattung im Nassverfahren hergestellt und dann mit einem Phenolharz wiederum in einer kontinuierlichen Ausstattung imprägniert. Das Material wurde dann in Tafeln geschnitten und in Chargen bis zu einer Dicke von 270 Mikrometer geformt. Schließlich wurden diese Tafeln in kleine Stücke geschnitten und in Argon auf eine Vielzahl von Endtemperaturen von 950°C bis 2800°C in einem Laborofen wärmebehandelt. Diese fertig gestellten Materialien wurden dann durch Röntgenbeugung unter Verwendung von Standardtechniken charakterisiert. Genauer wurden die Proben in Stücke von 1" × 1" geschnitten und auf Objektträgern eines Röntgendiffraktometers (XRD) befestigt. Die XRD-Daten wurden dann unter Verwendung eines Siemens-D5000-Diffraktometers gesammelt, das mit einer Kupfer-Röntgenröhre und einer Parallelstrahloptik ausgestattet war. Eine Kupfer-k-alpha-Strahlung wurde durch Verwendung sowohl eines Primärstrahlmonochromators (Gobel Mirror) als auch eines Monochromators für gebeugten Strahl (LiF) gewählt. Die Daten wurden von 10 bis 90 Grad 2 Theta bei 0,04 Grad/Schritt und 4 Sek./Schritt gesammelt. Die D-Abstände wurden unter Verwendung des Bragg-Gesetzes und dem 2-Theta-Winkel bei der maximal beobachte ten Intensität für eine Graphen-(002)-Reflexion berechnet. Die Ergebnisse sind in der in 5 vorgesehenen Tabelle gezeigt.
Aus der Tabelle in 5 beobachtet man, dass die d-Abstandswerte abnehmen, wenn die Wärmebehandlungstemperatur zunimmt, was einen zunehmenden Graphitisierungsgrad angibt. Die Graphitisierungsgradwerte in der Tabelle wurden aus den d-Abstands-Werten und der oben gegebenen Gleichung berechnet.
Beispiel Testdaten:
Beispielhafte Gasdiffusionsmedien, die gemäß des oben beschriebenen Prozesses hergestellt wurden, wobei ein Satz von Medien bei 950°C und der andere bei 1950°C als dem Endwärmebehandlungsschritt behandelt wurde, wurden in einer Brennstoffzelle mit 50 cm² geprüft, und die Daten zeigen, dass die Leistung des mit 950°C behandelten Materials gleichwertig zu der des mit 1950°C behandelten Diffusionsmediums war, wie in 3 gezeigt ist. Ein drittes Diffusionsmedium, das bei etwa 2800°C behandelt wurde, ist ebenfalls gezeigt, wobei die Spannung an der y-Achse und die Stromdichte (A/cm²) an der x-Achse aufgetragen ist. Als eine weitere Demonstration wurden die mit 950°C und 1950°C behandelten Materialien auch in einem Stapel aus dreizehn Zellen mit einer aktiven Fläche von 800 cm² geprüft. In 4 ist gezeigt, dass Polarisierungsergebnisse von den Zellen mit dem mit 950°C behandelten Material innerhalb eines Versuchsfehlers verglichen mit denen mit dem mit 1950°C behandeltem Material gleichwertig sind. Dies galt sowohl an dem Beginn der Lebensdauer des Stapels als auch bei Tag 24 (nach 450 Stunden der Prüfung). Dies gibt an, dass der Beginn des Lebensdauerverhaltens wie auch des Haltbarkeitsverhaltens der beiden Materialien gleichwertig ist. Obwohl die elektrische Leitfähigkeit des mit 950°C behandelten Materials geringer als die des teilweise graphitisierten Materials ist, das auf 1950°C erhitzt wurde, war die Leitfähigkeit des auf 950°C erhitzten Gasdiffusionsmediums ausreichend, um die Leistungsfähigkeit der Zelle aufrechtzuerhalten. Dies ist so, da der Diffusionsmediumvolumenwiderstand, die Hauptgröße, die durch die Wärmebehandlungstemperatur beeinflusst wird, keinen größeren Beitrag für Zellenpolarisierungsverluste darstellt. Die d-Abstandswerte der Proben, die geprüft wurden, wurden gemessen. Das Material, das auf 1950°C wärmebehandelt wurde, besaß einen d-Abstand von 3,398 Angström, der einem Grad der Graphitisierung von 48 % entspricht. Die Probe, die mit 950°C behandelt und in der Brennstoffzelle geprüft wurde, besaß einen d-Abstand von 3,542 Angström, was einem Graphitisierungsgrad von 0 % entspricht.
Es sei angemerkt, dass der Graphitisierungsgrad von 48 % der mit 1950°C behandelten Probe höher ist, als man aus den Daten in der in 5 gezeigten Tabelle erwarten könnte. Die Probe, die auf eine höhere Temperatur, 2115°C, wärmebehandelt wurde, wies nur einen Graphitisierungsgrad von 7 % auf. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Zeit, die die Probe bei der maximalen Temperatur verbringt, ebenfalls den Grad der Graphitisierung stark beeinflusst, und die mit 1950°C behandelte Probe in der Produktionsausstattung für eine längere Zeitdauer als die mit 2115°C behandelte Probe wärmebehandelt wurde, die in einem Laborofen behandelt wurde.
Mit der Entdeckung der vorliegenden Erfindung sind die Kosten eines Diffusionsmediums, das auf etwa 900 bis 1900°C behandelt wurde, wesentlich niedriger als bei einer Behandlung bei herkömmlichen Temperaturen von 1900°C oder größer. Zusätzlich erlaubt diese Anforderung nach geringerer Wärmebehandlung die Entwicklung eines kontinuierlich hergestellten und rollbaren Diffusionsmediums, das eine weitere Kostenverrin gerung zulässt und eine Herstellung von Diffusionsmedien in großem Maßstab erlaubt.
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 sind ein Gasdiffusionsmedium und ein Verfahren zur Herstellung vorgesehen, das die Ausbildung eines Kohlefaserpapiers umfasst, das auf eine Carbonisierungstemperatur erhitzt wird, ohne eine Graphitisierungstemperatur zu überschreiten. Die Entdeckung, dass ein Endwärmebehandlungsschritt bei hoher Temperatur in der Graphitisierungstemperaturzone nicht notwendig ist, um effektive Gasdiffusionsmedien für PEM-Brennstoffzellen herzustellen, verringert die Kosten in Verbindung mit der Endwärmebehandlung bei hoher Temperatur stark und erlaubt auch die Verarbeitung der Diffusionsmedien in einer Rolle.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Gasdiffusionsmediums für eine Brennstoffzelle, mit den Schritten, dass: Kohlefasern in vorbestimmte Längen geschnitten werden; ein Papiermaterial unter Verwendung der zerhackten Kohlefasern gebildet wird; das Papiermaterial mit einem wärmeaushärtbarem Harzmaterial imprägniert wird; das imprägnierte Papiermaterial in eine vorbestimmte Dicke und Dichte geformt wird; und das geformte imprägnierte Papiermaterial auf eine Carbonisierungstemperatur ohne Erhitzung auf eine Graphitisierungstemperatur erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Carbonisierungstemperatur zwischen 900°C und 1400°C liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Graphitisierungstemperatur größer als 1900°C ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das geformte imprägnierte Papiermaterial eine gerollte Bahn ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gasdiffusionsmedium einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 99,5 Gewichtsprozent hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gasdiffusionsmedium einen d-Abstand (d(002)) von 3,44 Angström oder höher hat.
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle, mit den Schritten, dass: ein Diffusionsmedium durch Formen eines Papiermaterials unter Verwendung geschnittener Kohlefasern bearbeitet wird; das Papiermaterial mit einem Harzmaterial imprägniert wird; das imprägnierte Papiermaterial geformt wird; und das geformte imprägnierte Papiermaterial auf eine Carbonisierungstemperatur ohne Erhitzung auf eine Graphitisierungstemperatur erhitzt wird; ein Paar Diffusionsmediumtafeln auf entgegengesetzten Seiten einer Protonenaustauschmembran angeordnet werden; und eine bipolare Platte auf der Protonenaustauschmembran entgegengesetzten Seiten der Diffusionsmediumtafeln angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Diffusionsmedium einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 99,5 Gewichtsprozent aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Gasdiffusionsmedium einen d-Abstand (d(002)) von 3,44 Angström oder höher aufweist.
Brennstoffzelle mit: einer Protonenaustauschmembran, die einen Kathodenkatalysator auf einer Fläche derselben und einen Anodenkatalysator auf einer entgegengesetzten Fläche derselben aufweist; einer Diffusionsmediumtafel, die auf entgegengesetzten Seiten der Protonenaustauschmembran angeordnet ist, wobei die Diffusionsmediumtafel einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 99,5 Gewichtsprozent aufweist; und einem Paar bipolarer Platten auf der Protonenaustauschmembran entgegengesetzten Seiten der Diffusionsmediumtafeln.
Brennstoffzelle mit: einer Protonenaustauschmembran, die einen Kathodenkatalysator auf einer Fläche derselben und einen Anodenkatalysator auf einer entgegengesetzten Fläche derselben aufweist; einer Diffusionsmediumtafel, die auf entgegengesetzten Seiten der Protonenaustauschmembran angeordnet ist, wobei die Diffusionsmediumtafel einen d-Abstand von 3,440 oder größer besitzt; und einem Paar bipolarer Platten auf der Protonenaustauschmembran gegenüberliegenden Seiten der Diffusionsmediumtafeln.