-
GEBIET DER
ERFINDUNG
-
Diese
Erfindung betrifft Brennstoffzellen und Verfahren zur Verbesserung
des Wassermanagements während
des Betriebs der Brennstoffzellen. Sie betrifft ferner Verfahren
zum Abscheiden eines hydrophoben Materials auf Diffusionsmedien
zur Verwendung in Brennstoffzellen.
-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Brennstoffzellen
werden zunehmend als Energiequellen für Elektrofahrzeuge und andere
Anwendungen verwendet. Eine beispielhafte Brennstoffzelle besitzt
eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit katalytischen Elektroden
und einer Protonenaustauschmembran, die zwischen den Elektroden
ausgebildet ist. Beim Betrieb der Brennstoffzelle wird Wasser an
der Kathodenelektrode auf Grundlage von chemischen Reaktionen an
der Elektrode zwischen Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt, die in
der MEA stattfinden. Ein effizienter Betrieb einer Brennstoffzelle
hängt von
der Fähigkeit
ab, ein effektives Wassermanagement in dem System vorzusehen.
-
Gasdiffusionsmedien
spielen eine wichtige Rolle in PEM-Brennstoffzellen. Allgemein muss
ein Diffusionsmedium Produktwasser von der Kathodenkatalysatorsschicht
wegsaugen, während
eine Reaktandengasströmung
von den Gasströmungskanälen hindurch
zu der Katalysatorschicht beibehalten wird. Zusätzlich arbeitet die Protonenaustauschmembran zwischen
den Elektroden am besten, wenn sie vollständig hydratisiert ist. Demge mäß ist eine
der wichtigsten Funktionen des Gasdiffusionsmediums, ein Wassermanagement
beim Brennstoffzellenbetrieb vorzusehen.
-
Für das beste
Wassermanagement wird angestrebt, ein Gasdiffusionsmedium vorzusehen,
das ein gewünschtes
Gleichgewicht aus hydrophilen und hydrophoben Eigenschaften besitzt.
Durch Bereitstellung eines Gasdiffusionsmediums mit einem richtigen
Gleichgewicht hydrophiler und hydrophober Eigenschaften ist es möglich, ein
Fluten in der Zelle aufgrund einer übermäßigen Ansammlung von Wasser
in den Gasporen zu verhindern, während
eine richtige Befeuchtung der Protonenaustauschmembran beibehalten
wird.
-
Demgemäß ist es
erstrebenswert, Gasdiffusionsmedien vorzusehen, die ein verbessertes Gleichgewicht
aus hydrophoben und hydrophilen Eigenschaften besitzen, die ausgenutzt
werden können,
ein effizientes Wassermanagement in Brennstoffzellen vorzusehen.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Angesichts
des Obigen sieht die vorliegende Erfindung Verfahren zum Abscheiden
hydrophober Materialien, wie Polytetrafluorethylen, auf derartigen Diffusionsmedien
vor, so dass die hydrophoben und hydrophilen Gebiete genau positioniert
werden können,
um einen optimalen Brennstoffzellenwirkungsgrad zu erhalten.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung sind Gasdiffusionsmedien zur Verwendung in Brennstoffzellen
vorgesehen, die ein Muster aus abgeschiedenen hydrophoben Polymeren
enthalten, so dass weniger als 100% der Oberfläche des Diffusionsmediums mit
hydrophobem Polymer bedeckt sind. Die Erfindung sieht auch ein Verfahren
zum Abscheiden eines hyd rophoben Polymers auf einer derartigen Lage
vor. Das hydrophobe Polymer ist vorteilhafterweise ein Fluorkohlenstoffpolymer
und noch vorteilhafter ein Fluorharz. Die Erfindung wird durch Verwendung
eines Fluorharzes beispielhaft dargestellt, ist jedoch nicht darauf
beschränkt.
Die Begriffe Fluorharz und Fluorkohlenstoffpolymer werden oftmals
von Fachleuten gegenseitig austauschbar verwendet. Das Verfahren
umfasst zunächst
ein Befeuchten einer Lage aus Kohlefaserpapier in einer wässrigen
Emulsion des hydrophoben Polymers. Anschließend wird die befeuchtete Lage
mit einem Musterelement in Kontakt gebracht, das eine oder mehrere Öffnungen
enthält,
die so orientiert sind, dass sie einem vorbestimmten oder gewünschten
Muster der Abscheidung des hydrophoben Polymers entsprechen. Während die
Lage sich immer noch in Kontakt mit dem Musterelement befindet,
wird sie erhitzt oder anderweitig behandelt, um eine Verdunstung
des Lösemittels
von der Lage zu bewirken. Eine Verdunstung, während sie sich in Kontakt mit
dem Musterelement befindet, erfolgt so, dass das hydrophobe Polymer
durch den Verdunstungsprozess in der Lage an den Öffnungen
des Musterelements konzentriert wird.
-
Bei
einer anderen Variation des Verfahrens kann die Kohlefaserpapierlage
zunächst
mit einer wässrigen
Emulsion befeuchtet werden, die Wasser und hydrophobe Polymerpartikel
umfasst. Anschließend
wird die befeuchtete Lage mit einem Musterelement durch einen Heißpressprozess
in Kontakt gebracht und Wasser wird von der Lage verdunstet, während sie
sich in Kontakt mit dem Musterelement befindet. Wie zuvor wird Wasser
von der Lage derart verdunstet, dass die hydrophoben Polymerpartikel
in der Lage an Orten konzentriert werden, die den Orten von Öffnungen
in dem Musterelement entsprechen.
-
Bei
bevorzugten Ausführungsformen
besteht das Musterelement aus einem Sieb, der durch ein mehr oder
weniger regelmäßiges Muster
aus Öffnungen
in einem im Wesentlichen planaren Musterelement gekennzeichnet ist.
-
Bei
einigen Ausführungsformen
umfasst der Kontaktschritt, dass die Lage zwischen zwei Formflächen gehalten
wird, wobei die beiden Formen dasselbe oder verschiedene Muster
besitzen können.
Bei derartigen Ausführungsformen
können
identische oder verschiedene Muster einer Abscheidung eines hydrophoben
Polymers auf den beiden Seiten der Kohlenstofflage vorgesehen werden.
Wasser kann von der Lage durch Erhitzung, durch Erzeugen eines leichten
Vakuums oder durch eine Kombination der beiden verdunstet werden.
Nachdem das Wasser vollständig
von der befeuchteten Lage entfernt ist, wird die Lage bei einer
erhöhten
Temperatur gehärtet.
Die während
des Trocknungsprozesses gebildeten Muster bleiben nach dem Hochtemperaturhärten unverändert.
-
Die
Musterelemente bestehen aus Materialien, die gegenüber Wasser
undurchlässig
sind und in denen eine Vielzahl von Öffnungen vorgesehen ist, um
ein Muster einer Abscheidung eines hydrophoben Polymers an der Lage
durch Verdunstung durch die Öffnungen
zu definieren. Bei bevorzugten Ausführungsformen umfassen die Öffnungen
10–90% der
Fläche
des Musterelements, so dass die Lagen auf über 10–90% ihrer Fläche mit
hydrophobem Polymer beschichtet werden können. Bei anderen bevorzugten
Ausführungsformen
sind 10–60%
der Lage und bevorzugt 10–50%
beschichtet.
-
Bei
Prozessen, bei denen die Lage mit zwei Formflächen in Kontakt gebracht wird,
kann ein Muster eines hydrophoben Polymers auf beiden Seiten der
Lage abgeschieden werden, wenn beide Formflächen Öffnungen umfassen. Durch Kontakt
der befeuchteten Lage mit einem Musterelement auf nur einer Seite
während
der Verdunstung des Wassers kann ein Gas diffusionsmedium erzeugt
werden, das ein Muster einer Abscheidung eines hydrophoben Polymers
auf einer Seite und eine homogene Bedeckung aus hydrophobem Polymer
auf der anderen besitzt. Alternativ dazu ist es durch Kontakt der
Lage in einem Form- oder Heißpressbetriebsablauf,
bei dem nur eine Seite der Lage mit einem Musterelement, das Löcher umfasst,
in Kontakt gebracht wird und die andere Seite sich an einer massiven
Form befindet, möglich,
Gasdiffusionsmedien zu erzeugen, die auf einer Seite ein Muster
eines abgeschiedenen hydrophoben Polymers besitzen, während die
andere Seite weniger oder im Wesentlichen kein abgeschiedenes hydrophobes
Polymer enthält.
-
Durch
Variation der Parameter des Prozesses, wie oben beschrieben ist,
ist es möglich,
Gasdiffusionsmedien mit einem breiten Bereich von hydrophoben Mustern
zur Verwendung in Brennstoffzellen zu erzeugen.
-
Weitere
Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter
beschrieben. Es sei zu verstehen, 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, in welchen:
-
1 ein Musterelement und ein Lagenmaterial
der Erfindung zeigt;
-
2 eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt;
-
3 eine Schnittansicht einer offenen Form zeigt;
-
4 eine Schnittansicht einer geschlossenen
Formanwendung zeigt; und
-
5 eine Schnittansicht einer doppelseitigen
Form ist.
-
6 ein
Schaubild der Zellenleistungsfähigkeit
bei relativ geringer Gaseinlassfeuchte ist,
-
7 ein
Schaubild einer Zellenleistungsfähigkeit
bei relativ höherer
Gaseinlassfeuchte 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.
-
Ein
Verfahren zum Abscheiden eines Polymers auf einem Lagenmaterial
in einem Muster umfasst, dass das Lagenmaterial mit einer Polymerdispersion,
die ein Lösemittel
und ein Polymer enthält, befeuchtet
wird. Nachdem das Lagenmaterial in die Polymerdispersion getaucht
ist, wird das Lagenmaterial dann mit einem Musterelement in Kontakt
gebracht, das Öffnungen
enthält,
die dem Muster entsprechen. Anschließend wird das Lösemittel
von dem befeuchteten porösen
Lagenmaterial verdunstet, während
das Lagenmaterial sich immer noch in Kontakt mit dem Musterelement
befin det. Das Lösemittel
verlässt
die Lage durch das Musterelement an den Öffnungen. Auf diese Weise wird
Polymer auf der Lage vorwiegend an den Öffnungen abgeschieden.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist ein Verfahren zum Abscheiden eines hydrophoben Polymers auf
einer Lage aus Kohlefaserpapier vorgesehen. Bevorzugt wird das hydrophobe
Polymer auf dem Kohlefaserpapier in einer Muster abgeschieden, das
eine Bedeckung von weniger als 100% der Kohlefaserpapierlage durch
das hydrophobe Polymer, beispielsweise eine Bedeckung von 50%–99% repräsentiert.
Bei anderen Ausführungsformen
kann das Polymer, wie das hydrophobe Polymer, 10%–90% der
Fläche
der Lage, bevorzugt 10%–60% oder
10%–50%
bedecken. Das Verfahren umfasst, dass die Lage aus Kohlefaserpapier
in einer wässrigen
Emulsion aus hydrophobem Polymer befeuchtet wird, wobei danach die
befeuchtete Lage mit einem Musterelement in Kontakt gebracht wird,
bevor das Lösemittel
von der wässrigen
Emulsion des hydrophoben Polymers vollständig verdunstet wird. Das Musterelement
umfasst ein oder mehrere Öffnungen, die
so orientiert sind, dass sie dem Muster der Polymerbedeckung an
dem Kohlefaserpapier entsprechen. Das Wasser wird anschließend von
der Kohlefaserpapierlage verdunstet, während sich die Lage immer noch
in Kontakt mit dem Musterelement befindet. Als Ergebnis wird das
hydrophobe Polymer an dem Kohlefaserpapier an Orten konzentriert,
die Öffnungen
in dem Musterelement entsprechen.
-
Bei
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
wird der Prozess zur Kontaktnahme der Lage mit einem Musterelement,
während
die Lage immer noch mit Lösemittel
befeuchtet ist, durch einen Prozess zum Heißpressen erreicht. Bei einer
bevorzugten Ausführungsform
wird eine Lage aus Kohlefaserpapier in eine Dispersion aus hydrophobem
Polymer getaucht, die eine wässrige
Emulsion enthält,
die Wasser und hydrophobe Polymerpartikelumfasst. Während die
Kohlefaserpapierlage immer noch mit Wasser befeuchtet ist, wird
die Lage mit einem Musterelement durch einen Heißpressprozess in Kontakt gebracht,
und Wasser wird von der Lage verdunstet, während sich die Lage in Kontakt
mit dem Musterelement befindet.
-
Ein
Lagenmaterial, wie Kohlefaserpapier, das Polymere aufweist, wie
hydrophobe Polymere, die auf diesem in einer Muster abgeschieden
sind, ist beispielsweise als Diffusionsmedium in Brennstoffzellen
verwendbar. Derartige Brennstoffzellen enthalten eine Anode und
eine Kathode mit einer Protonenaustauschmembran, die zwischen der
Anode und der Kathode angeordnet ist. Im Betrieb der Brennstoffzelle
wird Wasser an der Oberfläche
der Kathode erzeugt. Das Diffusionsmedium wird in Kontakt mit den Anoden-
und Kathodenkatalysatorschichten angeordnet, um eine Vielzahl von
Funktionen auszuführen,
die beim Wassermanagement und Reaktandengastransport in der Brennstoffzelle
nützlich
sind.
-
Das
Lagenmaterial zur Verwendung in der Erfindung ist allgemein ein
poröses
flexibles 2-D-Material, das durch Wasser oder andere Lösungsmittel befeuchtet
werden kann, die mit Lösungen
aus Polymeren in Verbindung stehen, wie nachfolgend beschrieben
ist. Bei einer Ausführungsform
kann das Lagenmaterial aus einem gewobenen oder nicht gewobenen
Stoff bestehen. Derartige Stoffe bestehen aus Fasern, die durch
die Polymerlösungen
befeuchtet werden können.
Gegebenenfalls kann ein oberflächenaktiver
Stoff oder ein Befeuchtungsmittel der Polymerlösung zugesetzt werden, um zu
ermöglichen,
dass das Polymer und das Lösemittel
die Fasern befeuchten.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
besteht das Lagenmaterial aus Kohlefaserpapier. Kohlefaserpapiere
können
als ein nicht gewobener Stoff angesehen werden, der aus Kohlefasern
besteht. Kohlefaserpapier ist kommerziell in einer Vielzahl von Formen
erhältlich.
Beispielsweise kann das Kohlefaserpapier eine Dichte von 0,3 bis
0,8 g/cm3 und Dicken von 100 μm bis 500 μm besitzen.
Geeignete Kohlefaserpapier zur Verwendung in Brennstoffzellenanwendungen,
wie nachfolgend beschrieben ist, sind von Toray Industries USA erhältlich.
Ein Beispiel eines kommerziell erhältlichen Kohlefaserpapiers von
Toray ist TGP H-060, das eine Fülldichte
von 0,45 gm/cm3 besitzt und etwa 180 Mikrometer
dick ist.
-
Das
bei der Erfindung verwendete und auf dem Lagenmaterial durch die
Verfahren der Erfindung abgeschiedene Polymer ist eines, das sich
unter den Verdunstungsbedingungen, wie nachfolgend beschrieben ist,
aus einer Emulsion absetzt oder aus einer Lösung niederschlägt. Bevorzugt
ist das auf dem Lagenmaterial abgeschiedene Polymer eines, das in
Kontakt mit den Abschnitten der Lage bei Bedingungen ihres Gebrauchs
in der schließlichen
Endanwendung, wie einem Diffusionsmedium in einer Brennstoffzelle,
stabil bleibt. Wie nachfolgend beschrieben ist, kann die Kompatibilität oder Stabilität des Polymers
in Kontakt mit dem Lagenmaterial durch ein gewisses Nachhärten gesteigert
werden, bei dem das beschichtete Lagenmaterial auf eine hohe Temperatur
erhitzt wird, um die Struktur des Polymers an dem Lagenmaterial
zu fixieren.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das verwendete Polymer eines, das dem Substratlagenmaterial,
an dem das Polymer abgeschieden ist, entweder einen hydrophoben
oder hydrophilen Charakter verleiht. Das Polymer macht die Oberfläche des
Substrats hydrophob, wenn die freie Oberflächenenergie des Polymermaterials
kleiner als die freie Oberflächenenergie
des Lagenmaterials selbst ist. Ein Polymer macht die Oberfläche des
Substrats hydrophil, wenn die freie Oberflächenenergie des Polymers größer als
die freie Oberflächenenergie
des Lagenmaterials ist. Die freie Oberflächenenergie des Polymers und
des Lagenmaterials kann durch den Kontaktwinkel von Wasser in Kontakt
mit dem Polymer- oder Lagenmaterial gemessen bzw. mit diesem korreliert
werden. Wenn beispielsweise der Kontaktwinkel von Wasser auf dem
Polymer größer als
der Kontaktwinkel von Wasser auf dem Lagenmaterial ist, dann kann
das Polymer als hydrophobes Material betrachtet werden. Wenn der
Kontaktwinkel von Wasser auf dem Polymer kleiner als der Kontaktwinkel
von Wasser auf dem Lagenmaterial ist, kann das Polymer als hydrophiles
Polymer betrachtet werden.
-
Für bestimmte
Anwendungen, wie für
Diffusionsmedien in Brennstoffzellen werden hydrophobe Polymere
verwendet. Nicht beschränkende
Beispiele von hydrophoben Polymeren umfassen Fluorharze. Fluorharze
sind fluorhaltige Polymere, die durch Polymerisieren oder Copolymerisieren
von einem oder mehreren Monomeren hergestellt werden, die zumindest
ein Fluoratom enthalten. Nicht beschränkende Beispiele fluorhaltiger
Monomere, die polymerisiert werden können, um Fluorkohlenstoffpolymere
zu erzeugen, umfassen Tetrafluorethylen, Hexafluorpropylen, Vinylidenfluorid,
Perfluormethylvinylether, Perfluorpropylvinylether und dergleichen.
Es wird angenommen, dass die Gegenwart von Fluor-Kohlenstoff-Bindungen
für die
hydrophobe Beschaffenheit dieser Harze verantwortlich ist. Ein spezifisches
Beispiel eines bevorzugten Fluorkohlenstoffpolymers oder Fluorharzes
ist Polytetrafluorethylen (PTFE), ein Homopolymer aus Tetrafluorethylen.
-
Die
Polymere werden auf das Lagenmaterial durch Befeuchten des Lagenmaterials
in einer Befeuchtungszusammensetzung, die das Polymer und ein Lösemittel
enthält,
aufgebracht. Bei einigen Ausführungsformen
kann die Befeuchtungszusammensetzung in der Form einer Emulsion
vorgesehen sein. Lösungen
können
auch verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen enthalten die
Befeuchtungszusammensetzungen oberflächenaktive Materialien oder
andere Mittel, um das Polymer in Lösung oder Suspension zu halten
oder ein Befeuchten des Lagenmaterials zu unterstützen. Beispielsweise
kann eine Emulsion, die dazu verwendet wird, das Lagenmaterial zu
befeuchten, zwischen 1 bis etwa 70 Gew.-% Partikel eines hydrophoben
Polymers, wie Polytetrafluorethylen enthalten. Bei anderen Ausführungsformen
sind Gebiete von 1%–20%
bevorzugt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Polymerzusammensetzung
etwa 2 Gew.-% bis 15 Gew.-% der Polymerfeststoffe. Wie oben angemerkt ist,
kann die Polymerzusammensetzung oberflächenaktive Mittel oder Befeuchtungsmittel
zusätzlich
zu Lösemitteln,
wie Wasser, und Polymerpartikeln, wie Polytetrafluorethylenpartikeln,
enthalten.
-
Die
Befeuchtung des Lagenmaterials wird dadurch erreicht, dass das Lagenmaterial
der Befeuchtungszusammensetzung für eine Zeitdauer und mit einer
Polymerkonzentration ausgesetzt wird, die so gewählt ist, dass eine gewünschte Menge
an Polymer auf der Lage abgeschieden wird. Beispielsweise kann das
Lagenmaterial in die Befeuchtungslösung getaucht, in dieser untergetaucht
oder in dieser eingeweicht werden. Bevorzugt werden zwischen etwa
1 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% Polymer auf dem Lagenmaterial auf Grundlage
des Gesamtgewichts des Polymers und Lagenmaterials, bevorzugter
etwa 2 Gew.-% bis 15 Gew.-% und am bevorzugtesten etwa 4 Gew.-%
bis 10 Gew.-% abgeschieden. Die Menge und das Muster der Polymerbedeckung
kann gemäß dem, wie
relativ hydrophob oder hydrophil das Lagenmaterial ist, gemäß der hydrophoben
oder hydrophilen Beschaffenheit des abgeschiedenen Polymers und
der gewünschten
prozentualen Abdeckung des Lagenmaterials mit abgeschiedenem Polymer
variiert werden, alles im Hinblick auf die Anforderungen der Endanwendung.
Bei einem nicht beschränkenden
Beispiel hat sich ein Kohlefaserpapier, das etwa 7 Gew.-% abgeschiedenes
Polymer enthält,
wie PTFE oder ein anderes Fluorharz, Fluorkohlenstoffpolymer oder
hydrophobes Polymer zur Verwendung in einer Brennstoffzelle als
zufrieden stellend herausgestellt.
-
Das
Musterelement wird so genannt, da es aus einem relativ starren Rahmenmaterial
besteht, das Öffnungen
aufweist, die ein Muster definieren, in der das Polymer auf dem
Lagenmaterial abgeschieden wird. Die Öffnungen in dem Musterelement
können
in der Form von Löchern,
Perforierungen, Schlitzen oder anderen Formen vorgesehen sein und
können
in dem Musterelement durch einen geeigneten Stanz-, Schneid- oder
anderen Prozess hergestellt werden. Bei anderen Ausführungsformen
kann das Musterelement in der Form eines Siebes vorgesehen sein,
der ein Muster aus Löcher
oder Öffnungen
in einer oder zwei Dimensionen aufweist. Ein Musterelement in der
Form eines Siebes kann die Form einer perforierten Platte oder eines
Maschen aufweisenden Drahtgeflechtes annehmen. Nicht beschränkende Beispiele
umfassen perforiertes Blech und perforierte Siebe aus rostfreiem
Stahl. Allgemein können die Öffnungen
10%–90%
der Fläche
des Siebes, der mit der Lage in Kontakt gebracht wird, ausmachen. Bei
anderen Ausführungsformen
können
die Öffnungen
10%–60%
oder bevorzugter 10%–50%
der Siebkontaktfläche
ausmachen. Bei einer anderen Ausführungsform kann das Musterelement
in der Form einer Platte oder eines im Wesentlichen planaren Elements
vorgesehen sein. Das Musterelement kann planar sein oder es kann
geringfügig
gekrümmt
sein. In jedem Fall ist das Musterelement derart ausgebildet, dass
es an das Lagenmaterial während
eines anschließenden
Verdunstungsschrittes, wie nachfolgend beschrieben ist, gepresst
wird.
-
Bei
einer anderen Ausführungsform
kann das Musterelement zylindrisch sein. Bei dieser Ausführungsform
kann das zylindrische Musterelement derart ausgebildet sein, dass
es ein Beschichtungsmuster auf einem Lagenmaterial durch einen Heißwalzprozess
erzeugt. Bei dieser Ausführungsform wird
zuerst ein Anteil des zylindrischen Mustermaterials an ein Lagenmaterial
gepresst. Es wird eine hohe Temperatur oder es werden andere Bedingungen
aufgebracht, um Lösemittel
von dem Lagenmaterial zu verdunsten, während sich das Lagenmaterial
in Kontakt mit dem Zylinder befindet. Der Zylinder wird über die
Lage mit einer Geschwindigkeit gerollt, die langsam genug ist, so
dass eine Verdunstung erfolgt, während
sich das zylindrische Musterelement momentan in Kontakt mit dem
Lagenmaterial befindet. Ein befeuchtetes Lagenmaterial kann kontinuierlich
in eine Vorrichtung zugeführt
werden, die ein derartiges rollendes zylindrisches Musterelement
enthält.
-
Bevorzugt
sollte das Material, aus dem das Rahmenmaterial des Musterelements
hergestellt ist, gegenüber
Wasser oder anderen Lösemitteln
undurchlässig
sein und sollte bevorzugt wärmeleitend sein,
um eine Verdunstung des Lösemittels
zu unterstützen,
wie nachfolgend beschrieben ist. Die Öffnungen in dem Musterelement
definieren in Kontakt mit dem Lagenmaterial Verdunstungspfade für Lösemittel,
so dass dieses von dem porösen
Lagenmaterial, das in Kontakt mit dem Musterelement gehalten wird, entweichen
kann.
-
Während das
Lagenmaterial noch befeuchtet ist, wird ein Verdunstungsschritt
dadurch ausgeführt,
dass das Musterelement mit dem Lagenmaterial in Kontakt gebracht
wird und Verdunstungsbedingungen aufgebracht werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
wird das Lagenmaterial erhitzt, während es sich in Kontakt mit
dem Musterelement befindet. Bei anderen Ausführungsformen kann ein Vakuum
angelegt werden, um das Lösemittel
zu verdunsten, oder Luft oder ein anderes Gas kann über die
Oberfläche
des Lagenmaterials geblasen werden, während es sich in Kontakt mit
dem Musterelement befindet, um eine Verdunstung zu erleich tern. Ein
Trocknen kann auch durch Verwendung von Mikrowellen- oder Infrarotstrahlung
erreicht werden, um das Material zu erhitzen und das Lösemittel
zu verdunsten. Kombinationen derartiger Verdunstungsbedingungen
können
ebenfalls verwendet werden.
-
Wenn
das Lagenmaterial erhitzt wird, um das Lösemittel zu verdunsten, ist
die Verdunstungsgeschwindigkeit eine Funktion der Temperatur. Die Trocknungstemperatur
beeinflusst die Trocknungsgeschwindigkeit, beeinflusst jedoch nicht
die PTFE-Verteilung in der Ebene (d.h. dem Muster selbst), beeinflusst
jedoch die Verteilung durch die Ebene hindurch, beispielsweise besteht
die Tendenz, dass ein schnelles Trocknen PTFE an die Papieroberfläche an den Öffnungen
zieht, und ein langsames Trocknen in einer größeren Menge an PTFE in dem Papierquerschnitt
oder der Papiermasse an den Öffnungen
resultiert. Durch Auswahl einer geeigneten Kombination von Bedingungen,
wie Temperatur, Vakuum und Gasströmen, ist es möglich, Bedingungen zu
wählen,
bei denen das Lösemittel
mit einer akzeptablen Geschwindigkeit verdunstet und somit die gewünschte Querschnitts-PTFE-Verteilung
erzeugt.
-
Bei
einer Ausführungsform
steht das Musterelement mit dem Lagenmaterial in einer Form in Kontakt,
die Öffnungen
enthalten kann, jedoch nicht muss – einige Ausführungsformen
sind in den Figuren gezeigt. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform
kann das Musterelement durch einen Heißpressprozess mit einem Lagenmaterial
in Kontakt gebracht werden. Bei einem derartigen Prozess wird das
Musterelement bevorzugt erhitzt, bevor es in Kontakt mit dem Lagenmaterial
tritt. Das Heißpresselement
kann in der Form einer Platte, eines gekrümmten Materials oder eines
Zylinders vorliegen, wie oben beschrieben ist. Die Heißpresstechnik
ist insbesondere zur Anpassung an Prozesse mit kontinuierlichem
oder hohem Durchsatz geeignet.
-
Bei
dem Trocknungs- oder Verdunstungsprozess bewegen sich die Polymerpartikel,
wie PTFE-Partikel, mit dem Lösemittel
und lagern sich an der Stelle ab, an der das Lösemittel von dem Substrat verdunstet.
Das Mustermaterial wird derart hergestellt, dass ein offenes Loch öder ein
offener Schlitz geschnitten wird, wo ein relativ hoher Gehalt an
abgeschiedenem Polymer an dem Lagenmaterial erforderlich ist. Das
Lagenmaterial kann in die Polymerlösung getaucht oder dieser anderweitig
ausgesetzt werden, und das befeuchtete Lagenmaterial, wie Kohlefaserpapier,
kann zwischen zwei identischen und spiegelbildlichen Musterformen
angeordnet werden. Alternativ dazu kann das Lagenmaterial mit einem
Form- oder Musterelement in Kontakt gebracht werden, das auf jeder
Seite des Lagenmaterials eine andere Musterausgestaltung besitzt.
Bei einer noch weiteren Alternative kann eine Seite des Lagenmaterials
in Kontakt mit einem Musterelement gebracht werden, und die andere
Seite einem geschlossenen Block ausgesetzt werden. Diese und andere
Ausführungsformen
sind in nicht beschränkenden
Beispielen anhand der Figuren weiter dargestellt.
-
Auf
diese Weise werden PTFE-Partikel oder andere Polymerpartikel auf
dem Lagenmaterial größtenteils
an den Stellen abgeschieden, an denen das Lösemittel von dem Lagenmaterial
verdunstet. Die Abscheidungsorte entsprechen den Öffnungen
in dem Musterelement. Orte an dem Lagenmaterial in Kontakt mit den
massiven Abschnitten des Musterelements (d.h. nicht den Öffnungen)
können
eine detektierbare Menge an Polymerabscheidung besitzen, die jedoch
erheblich kleiner als an den Öffnungen
ist.
-
Nachdem
das Lösemittel
verdunstet worden ist und das Polymer an dem Lagenmaterial in einem gewünschten
Muster abgeschieden worden ist, ist es gewöhnlich erwünscht, einen weiteren Nachhärte- oder
Sinterschritt auszuführen.
Dieses Nachhärten wird
allgemein durch Erhitzen auf eine relativ hohe Temperatur für eine Zeitdauer
erreicht, die ausreichend ist, um das Härten zu erreichen. In dem Fall von
Fluorkohlenstoffpolymerbeschichtungen wie Polytetrafluorethylen,
reicht es allgemein aus, auf eine Temperatur von etwa 380°C zu erhitzen.
Allgemein ist es bevorzugt, eine derartige Polymerbeschichtung in
einen Bereich um ihre Schmelz- oder Erweichungstemperatur herum
zu erhitzen. Die Erweichung erlaubt einen engeren Kontakt des Polymers mit
dem Stoff des Lagenmaterials. Vor dem Sintern werden die Partikel
in derselben Form, wie sie in der Suspension vorliegen, abgeschieden.
Es wird angenommen, dass der Sinterschritt die einzelnen Partikel in
eine im Wesentlichen kontinuierliche Schicht mit Kristallitstruktur
umwandelt. Die Schicht beeinflusst das Befeuchtungs- bzw. Benetzungsverhalten.
Die Muster, die an dem Stoff während
des Trocknungsschritts abgeschieden werden, werden durch das Härten bei
einer hohen Temperatur nicht geändert. Somit
kann der Musterformungsschritt bei einer relativ niedrigen Temperatur
ausgeführt
werden, was ein kostengünstiges
Verfahren vorsieht.
-
1A zeigt
ein Musterelement 2 der Erfindung, das aus einem massiven
Abschnitt oder undurchlässigem
Teil 6 besteht, das Öffnungen 8 in dem
Musterelement 2 definiert, hier als eine Serie von Schlitzen 8 dargestellt. 1B zeigt
einen Querschnitt des Musterelements 2, der den massiven
Abschnitt 6 und die Öffnung 8 zeigt. 1C zeigt
ein Lagenmaterial 4, das dadurch hergestellt wird, dass
das Musterelement 2 mit einem porösen Stoff gemäß dem Verfahren
der Erfindung in Kontakt gebracht wird. Die Lage 4 enthält Bereiche 10,
die Orten entsprechen, die benachbart zu Öffnungen 8 in dem Musterelement
gehalten werden, und Kontaktbereiche 12 entsprechen Orten,
die benachbart zu massiven Abschnitten 6 des Musterelements
gehalten werden. Polymer wird an der Lage hauptsächlich an den offenen Bereichen 8 abgeschieden.
-
2A zeigt
eine perspektivische Zeichnung einer anderen Ausführungsform
eines Musterelements 2, hier als ein massiver Abschnitt 6 in
der Form eines Siebes dargestellt, der Öffnungen 8 in der Form
von Löchern
in einem zweidimensionalen Muster in dem Musterelement aufweist. 2B zeigt
einen porösen
Stoff 4 mit einem Polymer, das hauptsächlich an offenen Bereichen 10 abgeschieden
ist, während
wenig oder gar kein Polymer an Kontaktbereichen 12 abgeschieden
ist.
-
3A zeigt
einen Querschnitt eines Musterelements 2 in Kontakt mit
einem porösen
Stoff 4. Das Musterelement 2 besteht aus einem
massiven Abschnitt 6, der Öffnungen 8 aufweist,
die Verdunstungspfade für
das Lösemittel
in dem porösen
Stoff 4 definieren. Der poröse Stoff 4 steht mit
dem Musterelement an Kontaktbereichen 12 in Kontakt, wodurch offene
Bereiche 10 des porösen
Stoffs, die nicht in Kontakt mit dem Musterelement stehen, verbleiben. Bei
der in 3A gezeigten Ausführungsform
steht die entgegengesetzte Seite 11 des porösen Stoffs 4 während des
Verdunstungsschrittes nicht in Kontakt mit dem Musterelement. 3B zeigt
in schematischer Form die Struktur eines porösen Stoffs von 3A nach
dem Verdunstungsschritt. 3B zeigt,
dass das Polymer auf dem porösen
Stoff 4 vorwiegend an Orten, die offenen Bereichen 10 entsprechen,
und an der entgegengesetzte Seite 11 des porösen Stoffs
von 3A abgeschieden ist. Andererseits ist an Orten 12 an
dem porösen
Stoff, die denen entsprechen, an denen der poröse Stoff während der Verdunstung in Kontakt
mit dem Musterelement war, wenig oder gar kein Polymer abgeschieden.
-
4A zeigt
einen porösen
Stoff der Erfindung in Kontakt mit einem Musterelement 2 auf
einer Seite und einer massiven Formfläche 5 an der anderen. 4B zeigt
das Muster einer Polymerabscheidung an dem porösen Stoff von 4A nach
dem Verdunstungsschritt. Die Seite in Kontakt mit dem Musterelement
zeigt Polymerabscheidungen an Orten 10, während an
Orten 12 kein Polymer abgeschieden ist. Auch enthält die entgegengesetzte
Seite 11 des porösen
Stoffs wenig oder gar kein abgeschiedenes Polymer, da es während des
Verdunstungsschritts in Kontakt mit einer Formfläche war und daher keine Verdunstungspfade
von der entgegengesetzten Seite vorgesehen waren.
-
5A zeigt
eine schematische Form eines porösen
Stoffs 4 in Kontakt mit einem Musterelement 2 auf
einer Seite und einem Musterelement 2' an der anderen. Das Musterelement 2' an der entgegengesetzten
Seite des porösen
Stoffs besteht aus einem massiven Abschnitt 6' und Öffnungen 8' in dem Musterelement.
Der poröse
Stoff 4 steht während
des Verdunstungsschritts an Orten 12 und 12' in Kontakt mit
dem Musterelement, während
Orte 10 und 10' des
jeweiligen Musterelements 2 und 2' bei dem Verdunstungsschritt nicht
in Kontakt stehen. 5B zeigt den porösen Stoff,
der abgeschiedenes Polymer aufweist, wie durch Verdunstung in 5A erzeugt
ist. Das Polymer wird an dem porösen
Stoff 4 an Orten 10 und 10' entsprechend den offenen Bereichen
von 5A abgeschieden. Ferner ist wenig oder gar kein
Polymer an Orten 12 und 12' entsprechend dem Kontaktbereich
zwischen dem Stoff und dem Musterelement während des Verdunstungselements
abgeschieden.
-
BEISPIELE
-
Beispiel 1
-
Es
wurde ein Musterelement in der Form eines Siebes vorgesehen, das
eine Serie von Löchern in
einem Blech aus rostfreiem Stahl besitzt, so dass die Fläche der
Löcher
etwa 20 bis 63% der Gesamtoberfläche
des Musterelements ausmacht. Derartige Siebe sind kommerziell beispielsweise
von McMaster-Carr erhältlich.
Eine Lage aus Kohlefaserpapier (beispielsweise Toray TGP H-060,
Toray, Japan) wird in einer Lösung
mit 3 Gew.-% Polytetrafluorethylen für 4 Minuten eingeweicht. Die
Lösung
mit 3 Gew.-% PTFE wird durch eine Verdünnung von 20:1 einer 60 Gew.-%igen
DuPont T-30 Lösung
hergestellt. Das Kohlefaserpapier wird dann in Kontakt mit dem Musterelement
angeordnet und bei 120°C
für 0,5
Stunden getrocknet. An diesem Punkt erfolgt eine Aufnahme von etwa
8,2 Gew.-%, die allgemein aus PTFE und oberflächenaktiven Stoffen in der
kommerziellen Lösung
besteht. Nach einem Entfernen des Lösemittels wird das Papier aus
dem Kontakt mit dem Musterelement entfernt und bei 380°C für 20 Minuten
gehärtet.
Nach dem Härtungsschritt
bleibt eine Aufnahme von etwa 7 Gew.-% PTFE.
-
Beispiel 2
-
Es
wurde eine elektrochemische Brennstoffzelle hergestellt, bei der
die Anodenkatalysatorschicht in Kontakt mit einer Lage aus Toray TGPH-060-Kohlefaserpapier
stand, die 7 Gew.-% PFTE enthielt, das ohne Verwendung eines Musterelements
aufgebracht worden war. Bei drei verschiedenen Zellen wurde ein
Diffusionsmedium benachbart der Kathode vorgesehen, das 1) kein
Muster aus PTFE, jedoch insgesamt 7 Gew.-% PTFE enthielt, 2) ein
Kohlefaserpapier, das 7 Gew.-% PTFE mit spiegelbildlichen Mustern
an beiden Seiten des Papiers enthielt, und wobei das PTFE 37% der
Fläche
des Papiers bedeckte und als Punkte mit einem Durchmesser von 0,045
Zoll (1,143 mm) vorgesehen war; und 3) ein Kohlefaserpapier enthielt,
das 7 Gew.-% PTFE mit spiegelbildlichen Mustern an beiden Seiten aufwies,
wobei das PTFE etwa 63% der Fläche
des Papiers bedeckte und als Punkte mit einem Durchmesser von 0,156
Zoll (3,96 mm) vorgesehen war. Es wurde ein erstes Experiment ausgeführt, um
die Leistungsfähigkeit
des Gasdiffusionsmediums unter ziemlich trockenen Bedingungen zu
bewerten, und in 6 sind die Polarisierungskurven
gezeigt. Dieses Experiment und das eine, das nachfolgend beschrieben
ist, wurden an einer aus einer einzelnen Zelle bestehenden Brennstoffzelle
mit einer aktiven Fläche von
50 cm2 durchgeführt. Die Zelle wurde unter
den folgenden Bedingungen betrieben: 80°C, 50 kPa Überdruck, 100% H2-Zufuhr zu der Anode
bei einer Stöchiometrie
von 2,0, Luftzufuhr zu der Kathode mit einer Sauerstoffstöchiometrie
von 2,0, 70°C
Taupunkt der Zufuhrströme.
Es kann gesehen werden, dass unter diesen Bedingungen die Zellen,
die das gemusterte Diffusionsmedium aufweisen, das durch das Verfahren
der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, eine äquivalente
Leistungsfähigkeit
zu der Zelle besitzen, die mit einem Diffusionsmedium versehen war,
das PTFE, jedoch ohne Muster aufwies.
-
Es
wurde ein zweites Experiment ausgeführt, um die Leistungsfähigkeit
von Gasdiffusionsmedien unter sehr feuchten Bedingungen zu bewerten,
und in 7 sind die Polarisierungskurven gezeigt. Die Zelle
wurde unter den folgenden Bedingungen betrieben: 60°C, 170 kPa Überdruck,
100% H2-Zufuhr zu der Anode bei einer Stöchiometrie
von 2,0, Luftzufuhr zu der Kathode mit einer Sauerstoffstöchiometrie
von 2,0, 80°C
Taupunkt der Zufuhrströme.
Hier ist zu sehen, dass die Zelle mit dem Kathodendiffusionsmedium
mit einer PTFE-Bedeckung von 37% (bestehend aus Punkten mit einem
Durchmesser von 0,045 Zoll (1,143 mm)) etwa dieselbe Leistungsfähigkeit
wie die Zelle mit dem Diffusionsmedium aufwies, das 7 Gew.-% PTFE
jedoch ohne Muster aufwies. Andererseits arbeitet die Brennstoffzelle
mit einem Kathodendiffusionsmedium mit 63%-iger Bedeckung (bestehend
aus Punkten mit einem Durchmesser von 0,156 Zoll (3,96 mm)) besser. Die
Brennstoffzellenleistungsfähigkeit
unter feuchten Bedingungen kann dadurch erreicht werden, dass das
PTFE-Muster fein abgestimmt wird, um das beste Gleichgewicht von
Eigenschaften zur Abweisung von Produktwasser und Eigenschaften
zum Transport von Reaktandengas zu erreichen.
-
Wie
aus der vorhergehenden Beschreibung und den Experimenten gesehen
werden kann, sieht die vorliegende Erfindung ein Diffusionsmedium
vor, das durch einen Prozess hergestellt wird, der ein gewünschtes
Muster vorsieht. Insbesondere ist das Diffusionsmedium für eine Kombination
mit einer bipolaren Platte in einer Brennstoffzelle optimiert. Die
bipolare Platte umfasst eine Vielzahl von Stegen und Nuten, wobei
die Öffnungen
des Musterelements den Stegen oder Nuten oder einem anderen Merkmal
entsprechen. Obwohl die Erfindung in ihrer bevorzugten Ausführungsform
ein Verfahren zum Verteilen von Polymer auf Diffusionsmedien in
einem gewünschten Muster
vorsieht, um eine gewünschte
hydrophobe Beladung in einem Bereich im Vergleich zu einem anderen
Bereich vorzusehen, ist die Erfindung auch anwendbar, um Polymer
auf Diffusionsmedien in einem beliebigen gewünschten Muster anzuordnen.
Beispielsweise sieht das Verfahren in seiner allgemeinsten Ausführungsform
ein Verfahren zum Herstellen von Diffusionsmedien vor, wobei Polymer
auf einem Abschnitt des Diffusionsmediums dadurch abgeschieden wird,
dass das Diffusionsmedium mit der Lösung, die ein Lösemittel
und Polymer umfasst, befeuchtet wird und dann die Lage mit einem
Musterelement in Kontakt gebracht wird, das ein vorbestimmtes Muster
aufweist, und dann das Lösemittel
von der Lage verdunstet wird, während
sich die Lage in Kontakt mit dem Musterelement befindet. Genauer
ist das Diffusionsmedium zur Kombination mit einer bipolaren Platte
in einer Brennstoffzelle optimiert. Die bipolare Platte umfasst
eine Vielzahl von Stegen und Nuten. In dem Fall, wenn das Musterelement
parallele Kanäle
umfasst, können
die offenen Kanäle
des Musterelements Stegbereichen oder Nutbereichen entsprechen.
Somit kann die Polymerbeladung so gesteuert werden, dass sie in
den Stegbereichen höher
ist oder in den Nutbereichen höher
ist. Wie gesehen werden kann, sieht das Verfahren der Erfindung die
Fähigkeit
vor, eine Brennstoffzelle herzustellen, die ein gemustertes GDM
mit unterschiedlichem Fluorkohlenstoffpolymergehalt umfasst, der
die Stege und Nuten der bipolaren Platte anpasst. In einem anderen
Fall wird während
des Brennstoffzellenbetriebs mehr Wasser um den Gasauslassbereich
herum angesammelt, obwohl der Gaseinlassbereich ziemlich trocken
ist und eine weitere Befeuchtung des Reaktandengases erwünscht wäre. Eine
geeignetere Option könnte
darin bestehen, ein Muster zu verwenden, das ein Diffusionsmedium
mit einer relativ spärlichen
Bedeckung von hydrophobem Fluorkohlenstoffpolymer um den Gaseinlassbereich
herum und einer dichten Bedeckung von hydrophobem Fluorkohlenstoffpolymer
an dem Gasdiffusionsmedium um den Gasauslassbereich herum erzeugt.
-
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 werden nicht als Abweichung von
der Grundidee und dem Schutzumfang der Erfindung betrachtet.
-
Zusammenfassung
-
Es
sind Gasdiffusionsmedien zur Verwendung in Brennstoffzellen vorgesehen,
die ein Muster aus abgeschiedenem hydrophobem Polymer enthalten,
so dass weniger als 100% der Oberfläche des Diffusionsmediums mit
hydrophobem Polymer bedeckt sind. Die Medien werden hergestellt,
indem zuerst eine Lage aus Kohlefaserpapier in einer wässrigen
Emulsion des hydrophoben Polymers befeuchtet wird. Die befeuchtete
Lage wird mit einem Musterelement in Kontakt gebracht, das eine
oder mehrere Öffnungen
enthält,
die so orientiert sind, dass sie einem vorbestimmten oder gewünschten
Muster einer Abscheidung aus hydrophobem Polymer entsprechen. Während sich
die Lage noch in Kontakt mit dem Musterelement befindet, wird sie
erhitzt oder anderweitig behandelt, um eine Verdunstung des Wassers
von der Lage zu bewirken. Eine Verdunstung in Kontakt mit dem Musterelement
erfolgt derart, dass hydrophobes Polymer in der Lage an den Öffnungen
des Musterelements durch den Verdunstungsprozess konzentriert wird.