DE112005000819T5 - Herstellung eines gemusterten Diffusionsmediums - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Abscheiden eines Polymers auf einem porösen Lagenmaterial in einem vorbestimmten Muster, umfassend, dass:
das poröse Lagenmaterial mit einer Polymerzusammensetzung befeuchtet wird, die ein Lösemittel und ein hydrophobes Polymer umfasst;
das befeuchtete poröse Lagenmaterial, während es noch feucht ist, mit einem Musterelement in Kontakt gebracht wird, das Öffnungen enthält, die dem vorbestimmten Muster entsprechen; und
das Lösemittel von dem befeuchteten porösen Lagenmaterial verdunstet wird, während es sich in Kontakt mit dem Musterelement befindet.

Description

  • 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.

Claims (36)

  1. Verfahren zum Abscheiden eines Polymers auf einem porösen Lagenmaterial in einem vorbestimmten Muster, umfassend, dass: das poröse Lagenmaterial mit einer Polymerzusammensetzung befeuchtet wird, die ein Lösemittel und ein hydrophobes Polymer umfasst; das befeuchtete poröse Lagenmaterial, während es noch feucht ist, mit einem Musterelement in Kontakt gebracht wird, das Öffnungen enthält, die dem vorbestimmten Muster entsprechen; und das Lösemittel von dem befeuchteten porösen Lagenmaterial verdunstet wird, während es sich in Kontakt mit dem Musterelement befindet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das poröse Lagenmaterial Kohlefaserpapier umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Kohlefaserpapier eine Porosität von größer als 50% besitzt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das hydrophobe Polymer ein Fluorkohlenstoffpolymer umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Fluorkohlenstoffpolymer Polytetrafluorethylen umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend, dass das poröse Lagenmaterial nur auf einer Seite mit dem Musterelement in Kontakt gebracht wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend, dass das poröse Lagenmaterial auf beiden Seiten mit einem Musterelement in Kontakt gebracht wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Muster eine Bedeckung von 50–99% durch das hydrophobe Polymer an dem porösen Lagenmaterial umfasst.
  9. Verfahren zum Abscheiden von Fluorkohlenstoffpolymer auf einer Lage aus Kohlefaserpapier in einem vorbestimmten Muster, das eine Bedeckung von weniger als 100% der Lage durch das Fluorkohlenstoffpolymer repräsentiert, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Lage aus Kohlefaserpapier mit Lösemittel in einer wässrigen Emulsion aus Fluorkohlenstoffpolymer befeuchtet wird; die befeuchtete Lage mit einem Musterelement in Kontakt gebracht wird, das eine oder mehrere Öffnungen umfasst, die so orientiert sind, dass sie dem vorbestimmten Muster entsprechen; und das Lösemittel von der Lage verdunstet wird, während sie in Kontakt mit dem Musterelement steht, so dass das Fluorkohlenstoffpolymer an der Lage an den Öffnungen konzentriert wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Fluorkohlenstoffpolymer Polytetrafluorethylen umfasst.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Schritte zur Kontaktnahme umfassen, dass die Lage zwischen zwei Formflächen gehalten wird, wobei zumindest eine Formfläche Öffnungen umfasst, durch die das Lösemittel verdunsten kann.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei eine Formfläche Öffnungen umfasst, und die andere Formfläche massiv ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei beide Formflächen Öffnungen umfassen, und wobei ein Muster aus Fluorkohlenstoffpolymer auf beiden Seiten der Lage abgeschieden wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Musterelement einen Sieb umfasst.
  15. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Verdunsten durch Erhitzen der Lage erreicht wird, um Lösemittel zu entfernen.
  16. Verfahren nach Anspruch 9, wobei zumindest eine Seite der Lage über 10–90% ihrer Fläche mit Fluorkohlenstoffpolymer beschichtet ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei zumindest eine Seite der Lage über 10–60% ihrer Fläche mit Fluorkohlenstoffpolymer beschichtet ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei zumindest eine Seite der Lage über 10–50% ihrer Fläche mit Fluorkohlenstoffpolymer beschichtet ist.
  19. Brennstoffzelle mit einem Diffusionsmedium, das durch einen Prozess nach Anspruch 9 hergestellt ist.
  20. Verfahren zum Herstellen von Diffusionsmedien, wobei Polymer auf einem Abschnitt des Diffusionsmediums abgeschieden wird, umfassend, dass: eine Lage eines Diffusionsmediums mit einer Lösung, die ein Lösemittel und Polymer umfasst, befeuchtet wird; die Lage mit einem Musterelement in Kontakt gebracht wird, das ein vorbestimmtes Muster aufweist; und Lösemittel von der Lage verdunstet wird, während sich die Lage in Kontakt mit dem Musterelement befindet.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Diffusionsmedium Kohlefaserpapier ist, das Polymer Fluorkohlenstoff umfasst und das Lösemittel Wasser umfasst.
  22. Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Musterelement einen Sieb umfasst.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Sieb Öffnungen umfasst, die 10–90% der Fläche des Siebs ausmachen.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Öffnungen 10–60% der Fläche des Siebs ausmachen.
  25. Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Öffnungen 10–40% der Fläche des Siebs ausmachen.
  26. Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Lösung eine wässrige Emulsion ist, die 1–10 Gew.-% Polymer in der Form von Partikeln umfasst.
  27. Verfahren nach Anspruch 26, wobei die wässrige Emulsion 1–5 Gew.-% Polymer in der Form von Partikeln umfasst.
  28. Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Fluorkohlenstoff Polytetrafluorethylen umfasst, und das Verfahren umfasst, dass 1–20 Gew.-% Polytetrafluorethylen auf das Kohlefaserpapier auf Grundlage des Gesamtgewichts der beschichteten Lage geliefert werden.
  29. Verfahren nach Anspruch 28, wobei 2–15 Gew.-% Polytetrafluorethylen auf die Kohlenstofflage geliefert werden.
  30. Verfahren nach Anspruch 28, wobei 4–10 Gew.-% Polytetrafluorethylen auf die Kohlenstofflage geliefert werden.
  31. Brennstoffzelle mit einem Diffusionsmedium, das durch einen Prozess nach Anspruch 20 hergestellt ist.
  32. Brennstoffzelle mit einem Diffusionsmedium, das durch einen Prozess nach Anspruch 1 hergestellt ist.
  33. Brennstoffzelle mit einem Diffusionsmedium, das durch einen Prozess nach Anspruch 1 hergestellt ist, wobei die Brennstoffzelle eine bipolare Platte aufweist, die eine Vielzahl von Stegen und Nuten umfasst, wobei die Öffnungen des Plattenelements entweder den Nuten oder den Stegen entsprechen.
  34. Brennstoffzelle mit einem Diffusionsmedium, das durch einen Prozess nach Anspruch 1 hergestellt ist, wobei die Brennstoffzelle eine bipolare Platte aufweist, die eine Vielzahl von Stegen und Nuten um fasst, wobei das Musterelement in den Nuten einen Gehalt an hydrophobem Polymer definiert, der von dem Gehalt an hydrophobem Polymer der Stege verschieden ist.
  35. Brennstoffzelle nach Anspruch 32, mit einem Gaseinlassbereich und einem Gasauslassbereich, wobei sich eine größere Beladung an hydrophobem Polymer benachbart oder in dem Gasauslassbereich befindet.
  36. Verfahren zum Aufbringen von Polymer auf eine poröse Lage, umfassend, dass: die Lage mit einer Lösung, die ein Lösemittel und Polymer umfasst, befeuchtet wird; die befeuchtete poröse Lage mit einem Musterelement in Kontakt gebracht wird; und Wasser von der Lage verdunstet wird, während sich die Lage in Kontakt mit dem Musterelement befindet, um eine Polymerbeladung an der Lage entsprechend dem Musterelement zu variieren.
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