DE112005001910T5

DE112005001910T5 - Diffusionsmedien mit hydrophoben und hydrophilen Eigenschaften

Info

Publication number: DE112005001910T5
Application number: DE112005001910T
Authority: DE
Inventors: Chunxin Ji
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-08-06
Filing date: 2005-06-09
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2025-06-10
Also published as: WO2006022989A2; WO2006022989A3; DE112005001910B4; JP2008509521A; JP4860616B2; CN100502113C; US8241818B2; US20060029858A1; CN101036254A

Abstract

Brennstoffzelle mit:
einer Anode;
einer Kathode;
einer Protonenaustauschmembran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist;
einer Fluidverteilungskammer, die der Kathode zugeordnet ist und eine Gaseintritts- und eine Gasaustrittsseite aufweist;
einer Fluidverteilungskammer, die der Anode zugeordnet ist und eine Gaseintritts- und eine Gasaustrittsseite aufweist;
einem Diffusionsmedium, das in der Fluidverteilungskammer, die der Kathode zugeordnet ist, der Fluidverteilungskammer, die der Anode zugeordnet ist, oder beiden angeordnet ist, wobei das Diffusionsmedium die Fluidverteilungskammer von der Eintrittsseite zu der Austrittsseite überspannt, und wobei zumindest eines der Diffusionsmedien umfasst:
ein elektrisch leitendes poröses Material;
ein hydrophobes Polymer, das auf dem porösen Material abgeschieden ist und hydrophobe Bereiche definiert; und
ein hydrophiles Polymer, das auf dem porösen Material abgeschieden ist und hydrophile Bereiche definiert.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft Brennstoffzellen und Verfahren zur Verbesserung des Wassermanagements beim Betrieb der Brennstoffzellen. Sie betrifft ferner Verfahren zum Herstellen von Diffusionsmedien für die Brennstoffzellen, die räumlich gemusterte hydrophobe und hydrophile Bereiche besitzen.
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 chemischer Elektrodenreaktionen zwischen Wasserstoff und Sauerstoff, die in der MEA erfolgen, erzeugt. 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 müssen Diffusionsmedien Produktwasser von der Kathodenkatalysatorschicht wegsaugen, während eine Reaktandengasströmung von den Gasströmungskanälen hindurch zu der Katalysatorschicht aufrecht erhalten wird. Zusätzlich arbeitet die Protonenaustauschmembran zwischen den Elektroden am besten, wenn sie vollständig hydratisiert ist.
Demgemäß besteht eine der wichtigsten Funktionen der Gasdiffusionsmedien darin, ein Wassermanagement während des Brennstoffzellenbetriebs vorzusehen.
Für das beste Wassermanagement ist es erwünscht, ein Gasdiffusionsmedium vorzusehen, das ein gewünschtes Gleichgewicht aus hydrophilen und hydrophoben Eigenschaften besitzt. Dadurch, dass Gasdiffusionsmedien mit einem richtigen Gleichgewicht hydrophiler und hydrophober Eigenschaften vorgesehen werden, ist es möglich, verschiedene Transportpfade für Reaktandengase und Produktwasser vorzusehen und dadurch ein Fluten in der Zelle aufgrund einer übermäßigen Ansammlung von Wasser in den Poren der Gasdiffusionsmedien zu verhindern, während eine richtige Hydratation der Protonenaustauschmembran beibehalten wird, insbesondere von der Anodenseite, wenn Wasser in die Kathodenseite durch Protonen über osmotisches Mitreißen bei hoher Stromdichte geführt wird. Zusätzlich ermöglicht sie die Verwendung von ziemlich trockenem Einlassreaktandengas durch Beibehaltung einer dezenten Menge an flüssigem Wasser in den Gasdiffusionsmedien oder durch Rückführung von flüssigem Wasser innerhalb der Zelle und reduziert somit die Kapazitätsanforderung für den externen Befeuchter.
In der Brennstoffzellentechnologie ist es üblich, Kohlefaser-Diffusionsmedien Polytetrafluorethylen (PTFE) hinzuzusetzen. Ein derartiger Zusatz macht die Medien hydrophober und sieht Vorteile vor. Es sind verschiedene Versuche gemacht worden, um die Wassermanagementfähigkeit der mit PTFE beschichteten Medien zu verbessern, einschließlich der Beschichtung einer zusätzlichen mikroporösen Schicht und/oder Einbettung von saugenden Materialien in die Diffusionsmedien.
Demgemäß wäre es erwünscht, Gasdiffusionsmedien mit einem verbesserten Gleichgewicht hydrophober und hydrophiler Eigenschaften vorzusehen, die ausgenutzt werden können, um ein effizientes Wassermanagement in Brennstoffzellen vorzusehen. Es wäre ferner erwünscht, Verfahren zum Abscheiden hydrophober Materialien, wie Polytetrafluorethylen, auf derartigen Diffusionsmedien vorzusehen, so dass die hydrophoben und hydrophilen Bereiche präzise positioniert werden können, um einen optimalen Brennstoffzellenwirkungsgrad zu erhalten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei einer Ausführungsform enthält ein Diffusionsmedium zur Verwendung in einer PEM-Brennstoffzelle hydrophobe und hydrophile Bereiche für ein verbessertes Wassermanagement. Das Diffusionsmedium enthält ein Kohlefaserpapier, das in der Form einer Lage vorliegt, die zwei Seiten aufweist. Ein hydrophobes Polymer wird auf dem Papier abgeschieden, um die hydrophoben Bereiche zu definieren, und ein hydrophiles elektrisch leitendes Polymer wird auf den Papieren abgeschieden, das die hydrophilen Bereiche definiert. Bei verschiedenen Ausführungsformen wird eine Matrix hydrophober und hydrophiler Bereiche auf den kohlefaserbasierten Diffusionsmedien durch Elektropolymerisation des hydrophilen Polymers auf ein Diffusionsmedium erzeugt, das vorher mit einem hydrophoben Polymer beschichtet worden ist, wie einem Fluorkohlenwasserstoffpolymer. Wenn eine wässrige Lösung, die Monomere zur Elektropolymerisation enthält, mit einem fluorkohlenwasserstoffbeschichteten Diffusionsmedium in Kontakt gebracht wird, wird das hydrophile elektrisch leitende Polymer bevorzugt auf Bereichen des kohlefaserbasierten Diffusionsmediums abgeschieden, die nicht durch die Fluorkohlenwasserstoffe bedeckt sind. Da die Elektropolymerisation vorwiegend an Bereichen auftritt, die nicht durch den Fluorkohlenwasserstoff bedeckt sind, wird ein Diffusionsmedium mit einem Gleichgewicht hydrophober Bereiche und hydrophiler Bereiche erzeugt.
Bei einer anderen Ausführungsform sind PEM-Brennstoffzellen vorgesehen, die das Diffusionsmedium enthalten, das in einer Fluidverteilungskammer angeordnet ist, die an der Kathodenseite und Anodenseite der Zelle durch ein impermeables elektrisch leitendes Element, wie eine Bipolarplatte, definiert ist. Das Gleichgewicht hydrophiler und hydrophober Bereiche an dem Diffusionsmedium kann zugeschnitten sein, um ein gewünschtes Niveau an Wassermanagement in der Brennstoffzelle vorzusehen. Beispielsweise besitzt bei verschiedenen Ausführungsformen die Fluidverteilungskammer eine Eintrittsseite und eine Austrittsseite für Reaktandengas. Ein Oxidationsmittelgas, wie Sauerstoff, wird an den Kathodeneintritt geliefert. Wasserstoff-Brennstoff wird an den Anodeneintritt geliefert. Der Wasserstoff wird an der Anode oxidiert, um Protonen zu bilden, und die Protonen gelangen durch die Polymeraustauschmembran von der Anode zu der Kathode, um Wasser durch Reaktion mit Sauerstoffgas zu erzeugen. Das Produktwasser wird von der Kathodenelektrode durch die Wirkung des Diffusionsmediums weggesaugt und von der Zelle durch die Strömung des Oxidationsmittelgases entfernt. Bei einer Ausführungsform ist der Gehalt an hydrophobem Polymer an dem Diffusionsmedium in einem Bereich des Diffusionsmediums benachbart der Austrittsseite größer als in einem Bereich des Diffusionsmediums benachbart der Eintrittsseite. Alternativ dazu kann der Gehalt des hydrophilen Polymers in einem Bereich des Diffusionsmediums benachbart der Eintrittsseite größer als in einem Bereich benachbart der Austrittsseite sein.
Bei verschiedenen Ausführungsformen umfasst das hydrophobe Polymer ein Fluorkohlenwasserstoffpolymer, wie Polytetrafluorethylen (PTFE), und das elektrophile Polymer, das durch Elektropolymerisation abgeschieden wird, ist Polyanilin oder Polypyrrol. Bevorzugt ist das hydrophobe Polymer elektrisch nichtleitend.
Bei einer anderen Ausführungsform werden die Diffusionsmedien durch einen Prozess hergestellt, der umfasst, dass ein Fluorkohlenwasserstoffpolymer auf einem leitendem porösen Substrat, wie einem kohlefaserbasierten Substrat, in einem Muster abgeschieden wird, so dass ein Abschnitt des Substrats nicht mit dem Fluorkohlenwasserstoffpolymer bedeckt zurückbleibt. Anschließend wird ein elektrisch leitendes Polymer bevorzugt durch Elektropolymerisation auf dem nicht bedeckten Abschnitt des Substrates abgeschieden. Bevorzugt wird das abgeschiedene Fluorkohlenwasserstoffpolymer einer hohen Temperatur ausgesetzt, um das Polymer zu sintern, das Dispersionsmittel von der Fluorkohlenwasserstoffpolymerlösung wegzubrennen und dieses an dem kohlefaserbasierten Substrat zu fixieren, bevor der Elektropolymerisationsschritt ausgeführt wird.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie die verschiedenen Ausführungsformen 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 und 2 Ausführungsformen von Musterelementen zeigen, die dazu verwendet werden, ein Verfahren zur Abscheidung ei nes hydrophoben Polymers auf einem Substrat in einem gewünschten Muster auszuführen;
3, 4 und 5 Schnittansichten von bei dem Verfahren verwendeten Formen sind; und
6 eine schematische Darstellung von drei Zellen in einem Stapel in einem beispielhaften Brennstoffzellensystem ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Ein Diffusionsmedium zur Verwendung in einer PEM-Brennstoffzelle, die hydrophobe und hydrophile Bereiche für ein verbessertes Wassermanagement enthält, umfasst ein elektrisch leitendes poröses Material in der Form einer Lage, die zwei Seiten aufweist; ein hydrophobes Polymer, das auf dem porösen Material abgeschieden ist und die hydrophoben Bereiche definiert; und ein hydrophiles elektrisch leitendes Polymer, das auf dem porösen Material abgeschieden ist und die hydrophilen Bereiche definiert. Ein bevorzugtes poröses Material ist ein Kohlefaserpapier oder Kohlenstoffgewebe.
Bei verschiedenen Ausführungsformen ist das hydrophobe Polymer ein Fluorkohlenwasserstoffpolymer. Geeignete hydrophobe Polymere umfassen ohne Beschränkung Polytetrafluorethylen (PTFE), Perfluorethylenpropylen (FEP) und Polyfluoralkoxy (PFA). Bevorzugte elektrisch leitende Polymere umfassen ohne Beschränkung Polyanilin und Polypyrrol. Bei ver schiedenen Ausführungsformen befinden sich die hydrophoben Bereiche, die durch Beschichtungen von hydrophobem Polymer definiert sind, vorwiegend auf einer Seite des Papiers, während sich die hydrophilen Bereiche, die durch die Abscheidungen des elektrisch leitenden Polymers definiert sind, vorwiegend auf der anderen Seite des Papiers befinden. Bei anderen Ausführungsformen ist ein Muster aus hydrophoben und hydrophilen Bereichen auf einer oder beiden Seiten des Papiers vorgesehen, um ein Diffusionsmedium vorzusehen, das ein Gleichgewicht aus hydrophilen und hydrophoben Eigenschaften besitzt.
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines kohlefaserbasierten Diffusionsmediums, das hydrophobe Bereiche und hydrophile Bereiche aufweist, dass: a) ein hydrophobes Polymer auf einem kohlenstoffbasierten Substrat in einem Muster abgeschieden wird, so dass ein Abschnitt des Substrats nicht mit dem hydrophoben Polymer bedeckt zurückbleibt; und anschließend b) ein elektrisch leitendes Polymer auf dem nicht bedeckten Abschnitt des Substrates abgeschieden wird. Bei verschiedenen Ausführungsformen umfasst das hydrophobe Polymer ein Fluorkohlenwasserstoffpolymer, wie PTFE, und das elektrisch leitende Polymer umfasst Polyanilin oder Polypyrrol. Bei einigen Ausführungsformen wird das hydrophobe Polymer vorwiegend auf einer Seite des Substrats abgeschieden und das elektrisch leitende Polymer vorwiegend auf der anderen Seite abgeschieden.
Das hydrophobe oder Fluorkohlenwasserstoffpolymer kann auf dem kohlefaserbasierten Substrat durch eine Vielzahl von Verfahren abgeschieden werden. Bei verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen kann ein gewünschtes Muster aus Fluorkohlenwasserstoffpolymer auf dem Kohlefasersubstrat durch Verfahren abgeschieden werden, die nachfolgend und in der ebenfalls anhängigen Anmeldung mit dem Titel "Preparation of Pat terned Diffusion Media" beschrieben sind, die auf den vorliegenden Anmelder gemeinschaftlich übertragen und am 14. April 2004 mit der Seriennummer 10/824,032 eingereicht wurde, deren Offenbarung hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Bei verschiedenen Ausführungsformen wird das Fluorkohlenwasserstoffpolymer auf dem Substrat mit einem Prozess abgeschieden, der die Schritte umfasst, dass: a) eine Lage aus Kohlefaserpapier mit einem Lösemittel in einer wässrigen Emulsion aus Fluorkohlenwasserstoffpolymer benetzt wird, wie durch Tauchen des Papiers in die Emulsion; b) die benetzte Lage mit einem Musterelement in Kontakt gebracht wird, das ein oder mehrere Öffnungen umfasst, die so orientiert sind, dass sie einem vorbestimmten Muster der Fluorkohlenwasserstoffpolymerabscheidung entsprechen; und c) das Lösemittel von der Lage verdampft wird, während die Lage sich in Kontakt mit dem Musterelement befindet. Als Ergebnis wird das Fluorkohlenwasserstoffpolymer auf den Lagen an den Bereichen benachbart der Öffnungen an dem Musterelement konzentriert. Der Kontaktschritt kann dadurch ausgeführt werden, dass die Lage zwischen zwei Formflächen gehalten wird, wobei zumindest eine Formfläche eine Öffnung umfasst, durch die das Lösemittel verdampfen kann. Bei einer alternativen Ausführungsform umfasst eine Formfläche Öffnungen und die andere Formfläche ist massiv. Bei einer anderen Ausführungsform umfassen beide Formflächen Öffnungen, und es wird ein Muster aus Fluorkohlenwasserstoffpolymer auf beiden Seiten des Kohlefaserpapiers abgeschieden. Das Musterelement kann ein Sieb umfassen.
Bei verschiedenen Ausführungsformen wird das Verdampfen des Lösemittels durch Erhitzen der Lage erreicht, um das Lösemittel zu entfernen. Bei verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen wird zumindest eine Seite der Lage über etwa 10 bis etwa 90 % ihrer Fläche mit Fluorkohlenwasserstoffpolymer beschichtet. Bei anderen Ausführungsformen wird zumindest eine Seite der Lage über etwa 10 bis etwa 60 % ihrer Fläche mit Fluorkohlenwasserstoffpolymer beschichtet.
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das elektrisch leitende Polymer abgeschieden werden, wie nachfolgend und in der ebenfalls anhängigen Anmeldung mit dem Titel "Increasing the Hydrophilicity of Carbon Fiber paper by Electropolymerization" und mit der Anwaltsnummer 8540G-000212 (GP-303506) beschrieben ist, die gemeinschaftlich auf den gegenwärtigen Anmelder übertragen und am 05. August 2004 eingereicht wurde, deren Offenbarung hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Bevorzugt wird das elektrisch leitende Polymer aus einer wässrigen Lösung eines polymerisierenden Monomers durch elektrochemische Polymerisation abgeschieden. Bevorzugt enthält die Lösung einen Elektrolyt und ein Monomer, das aus der Gruppe gewählt ist, die Pyrrol, Thiophen, Anilin, Furan, Azulen, Carbazol und Derivate daraus umfasst. Die Elektropolymerisation wird dadurch erreicht, dass das Kohlefasersubstrat, das teilweise mit einem Fluorkohlenwasserstoffpolymer beschichtet ist, als eine Arbeitselektrode in einem Elektropolymerisationsprozess eingerichtet wird. Wenn die Lösung Anilin enthält, wird Polyanilin auf dem Substrat abgeschieden. Wenn andererseits die Lösung Pyrrol enthält, wird Polypyrrol abgeschieden. Das elektrisch leitende Polymer wird bevorzugt auf dem nicht bedeckten Abschnitt des Substrates abgeschieden und sieht hydrophile Bereiche vor, da eine Elektropolymerisation vorwiegend auf der elektrisch leitenden Fläche erfolgt.
Bei verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen werden die Diffusionsmedien der Erfindung in Brennstoffzellen verwendet. Beispielhafte Brennstoffzellen umfassen eine Anode, eine Kathode und eine Protonenaustauschmembran (PEM), die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist. Benachbart der Kathode und Anode sind impermeable elekt risch leitende Elemente vorgesehen, die gemeinsam mit den jeweiligen Elektroden Fluidverteilungskammern definieren, die der Kathode bzw. Anode zugeordnet sind. Ein Diffusionsmedium, wie eines, das oben beschrieben ist, wird in einer oder beiden der Fluidverteilungskammern angeordnet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die bevorzugte Verteilungskammer eine Gaseintrittsseite und eine Gasaustrittsseite, und das Diffusionsmedium überspannt die Fluidverteilungskammer von der Eintrittsseite zu der Austrittsseite. An der Anodenseite ist das Gas der Reaktand Wasserstoff, während an der Kathode das Gas das Oxidationsmittel Sauerstoff ist. Das Gleichgewicht hydrophober und hydrophiler Bereiche (d.h. die Menge und die Flächenbedeckung des hydrophoben Polymers, die Menge und die Flächenbedeckung des hydrophilen Polymers und das relative Verhältnis der beiden) des Diffusionsmediums kann nach Bedarf variiert werden, um ein Wassermanagement in der Brennstoffzelle vorzusehen. Beispielsweise kann die Menge an hydrophobem Polymer an Abschnitten der jeweiligen Diffusionsmedien benachbart der Eintritts- und Austrittsseiten der Fluidverteilungskammern verschieden sein. In einem nicht beschränkenden Beispiel, bei dem sich das Diffusionsmedium an der Kathodenseite befindet, ist der Gehalt an hydrophobem Polymer in einem Bereich des Diffusionsmediums benachbart der Austrittsseite größer als in einem Bereich des Diffusionsmediums benachbart der Eintrittsseite.
Bei einem Aspekt der Erfindung wird eine Matrix aus hydrophoben und hydrophilen Bereichen auf einem porösen Material, wie einem kohlefaserbasierten Diffusionsmedium, durch Elektropolymerisation eines hydrophilen Polymers auf ein Diffusionsmedium erzeugt, das teilweise mit einem nichtleitenden hydrophoben Polymer beschichtet worden ist. Wenn eine wässrige Lösung, die Monomere für die Elektropolymerisation enthält, auf das teilweise beschichtete Diffusionsmedium aufgebracht wird, erfolgt die Abscheidung des elektrisch leitenden Polymers vorwiegend an Bereichen des Substrates, die nicht mit dem hydrophoben Polymer bedeckt sind. Es wird angenommen, dass dies teilweise auf die elektrisch nichtleitende und hydrophobe Beschaffenheit der Beschichtung zurückzuführen ist, die ein Benetzen der Kohlefasern mit der Lösung, die die elektropolymerisierbaren Monomere enthält, verhindert, so dass durch die nichtleitende Polymerbeschichtung kein Elektron übertragen werden kann, um den Elektropolymerisationsprozess einzuleiten.
Das hydrophobe Polymer, das bei verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen ein Fluorkohlenwasserstoffpolymer umfasst, kann auf dem Substrat des porösen Materials durch eine Vielzahl von Mitteln abgeschieden werden, solange zumindest ein Abschnitt des Substrates nicht bedeckt bleibt. Bei einer Ausführungsform wird ein Kohlefasersubstrat in eine Emulsion aus Fluorkohlenwasserstoffpolymeren getaucht, aus der Emulsion entfernt und auf ein massives Substrat, wie einen Objektträger, gelegt. Bei Verdampfung des Lösemittels von dem Substrat wird das Fluorkohlenwasserstoffpolymer, das auf das Substrat abgeschieden ist, auf der Seite konzentriert, von der das Lösemittel verdampft wird, während die entgegengesetzte Seite relativ wenig Fluorkohlenwasserstoffpolymer auf ihrer Oberfläche enthält. Die Rate der Verdampfung des Lösemittels kann beispielsweise durch Variation der Temperatur eingestellt werden, um eine gewünschte Verteilung von abgeschiedenem Fluorkohlenwasserstoff durch die Ebene hindurch über die Substratdicke zu erreichen. Alternativ dazu kann die Verteilung des abgeschiedenen Fluorkohlenwasserstoffpolymers innerhalb der Ebene variiert werden. Beispielsweise kann das hydrophobe/hydrophile Gleichgewicht des Diffusionsmediums in einem Bereich benachbart der Einlass- oder Eintrittsseite für die Reaktandengase in der Brennstoffzelle von dem verschieden sein, das an der Austritts- oder Auslassseite vorgesehen ist.
Das poröse Material oder Substrat zur Verwendung bei der Erfindung ist allgemein ein poröses flexibles 2-D-Material, das mit Wasser oder anderen Lösemitteln in Verbindung mit Lösungen aus Polymeren benetzt werden kann, wie nachfolgend beschrieben ist. Bei einer Ausführungsform kann das poröse Material (auch als ein Lagenmaterial bezeichnet) aus einem gewobenen oder nicht gewobenen Stoff bestehen. Derartige Stoffe bestehen aus Fasern, die durch die Polymerlösungen benetzt werden können. Gegebenenfalls kann ein oberflächenaktiver Stoff oder ein Benetzungsmittel der Polymerlösung zugesetzt werden, um zu ermöglichen, dass das Polymer und das Lösemittel die Fasern benetzen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Lagenmaterial aus einem Kohlefaserpapier hergestellt. Kohlefaserpapiere können als nicht gewobener Stoff angenommen werden, der aus Kohlefasern hergestellt ist. Das Kohlefaserpapier ist kommerziell in einer Vielzahl von Formen erhältlich. Bei verschiedenen Ausführungsformen beträgt die Dichte des Papiers beispielsweise zwischen etwa 0,3 bis 0,8 g/cm³ oder zwischen etwa 0,4 bis 0,6 g/cm³, und die Dicke des Papiers liegt zwischen etwa 100 μm bis etwa 1000 μm, bevorzugt zwischen etwa 100 μm bis etwa 500 μm, und die Porosität liegt zwischen etwa 60 % bis etwa 80 %. Geeignete Kohlefaserpapiere zu Verwendung in Brennstoffzellenanwendungen, wie nachfolgend beschrieben ist, sind beispielsweise von Toray Industries USA erhältlich. Ein Beispiel eines kommerziell erhältlichen Kohlefaserpapiers von Toray ist TGP H-060, das eine Raumdichte von 0,45 gm/cm³ aufweist und etwa 180 Mikrometer dick ist.
Das hydrophobe Polymer, das bei der Erfindung verwendet ist und auf dem Lagenmaterial durch die Verfahren der Erfindung abgeschieden ist, ist eines, das sich unter den nachfolgend beschriebenen Verdampfungs bedingungen aus einer Emulsion absetzt oder aus einer Lösung niederschlägt. Bevorzugt ist das Polymer, das auf dem Lagenmaterial abgeschieden wird, eines, das in Kontakt mit den Abschnitten der Lage bei Bedingungen ihres Gebrauchs in der schließlichen Endanwendung, wie einem Diffusionsmedium in einer Brennstoffzelle, relativ stabil bleibt. Wie nachfolgend beschrieben ist, kann die Kompatibilität oder Stabilität des Polymers in Kontakt mit dem Lagenmaterial durch bestimmte Nachhärteschritte gesteigert werden, bei denen das beschichtete Lagenmaterial auf eine hohe Temperatur erhitzt wird, um die Struktur des Polymers auf dem Lagenmaterial zu fixieren.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Polymer, das verwendet wird, eines, das dem Substratlagenmaterial, an dem das Polymer abgeschieden ist, einen hydrophoben Charakter verleiht. Das Polymer macht die Oberfläche des Substrates hydrophob, wenn die freie Oberflächenenergie des Polymermaterials kleiner als die freie Oberflächenenergie des Lagenmaterials selbst ist. Die freie Oberflächenenergie des Polymers und des Lagenmaterials kann durch den Kontaktwinkel von Wasser in Kontakt mit dem Polymer bzw. dem Lagenmaterial gemessen und korreliert werden. Wenn beispielsweise der Kontaktwinkel von Wasser an dem Polymer größer als der Kontaktwinkel von Wasser an dem Lagenmaterial ist, dann kann das Polymer als ein hydrophobes Material betrachtet werden. Wenn der Kontaktwinkel von Wasser an dem Polymer kleiner als der Kontaktwinkel von Wasser an dem Lagenmaterial ist, kann das Polymer als ein hydrophiles Polymer betrachtet werden.
Nicht beschränkende Beispiele hydrophober Polymere umfassen Fluorharze. Fluorharze sind fluorhaltige Polymere, die durch Polymerisieren oder Copolymerisieren von einem oder mehreren Monomeren, die zumindest ein Fluoratom enthalten, hergestellt werden. Die Begriffe "Fluorharz" und "Fluorkohlenwasserstoffpolymer" werden gegenseitig austauschbar verwendet, sofern es nicht anders angegeben ist. Nicht beschränkende Beispiele von fluorhaltigen Monomeren, die polymerisiert werden können, um Fluorkohlenwasserstoffpolymere zu erhalten, umfassen Tetrafluorethylen, Hexafluorpropylen, Vinylidenfluorid, Perfluormethylvinylether, Perfluorpropylvinylether und dergleichen. Es wird angenommen, dass die Anwesenheit von Fluor-Kohlenstoff-Bindungen für die hydrophobe Beschaffenheit dieser Polymere verantwortlich ist. Ein spezifisches Beispiel eines bevorzugten Fluorharzes ist Polytetrafluorethylen (PTFE), ein Homopolymer von Tetrafluorethylen.
Bei verschiedenen Ausführungsformen umfasst ein Verfahren zum Abscheiden eines hydrophoben Polymers auf einem Lagenmaterial in einem Muster, das das Lagenmaterial mit einer Polymerdispersion, die ein Lösemittel und das Polymer enthält, benetzt 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 benetzten porösen Lagenmaterial verdampft, während sich das Lagenmaterial immer noch in Kontakt mit dem Musterelement befindet. Das Lösemittel verlässt die Lage durch das Musterelement an den Öffnungen. Auf diese Weise wird das hydrophobe Polymer auf der Lage vorwiegend an den Öffnungen abgeschieden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Fluorharz auf dem Kohlefaserpapier in einem Muster abgeschieden, das eine Bedeckung von weniger als 100 % der Kohlefaserpapierlage durch das Fluorharz repräsentiert, beispielsweise eine Bedeckung von 50 % bis 99 %. Bei anderen Ausführungsformen kann das Polymer, wie Fluorharz, 10 % bis 90 % der Fläche der Lage, bevorzugt 10 % bis 60 % oder 10 % bis 50 % bedecken. Das Verfahren umfasst, dass die Lage aus Kohlefaserpapier in einer wässrigen Emulsion aus Fluorharz benetzt wird, gefolgt durch einen Kontakt der benetzten Lage mit einem Musterelement, bevor das Lösemittel von der wässrigen Emulsion aus Fluorharz vollständig verdampft wird. Das Musterelement umfasst eine oder mehrere Öffnungen, die so orientiert sind, dass sie dem Muster der Polymerbedeckung auf dem Kohlefaserpapier entsprechen. Anschließend wird das Wasser von der Kohlefaserpapierlage verdampft, während sich die Lage immer noch in Kontakt mit dem Musterelement befindet. Als Ergebnis wird das hydrophobe Polymer auf dem Kohlefaserpapier an Orten konzentriert, die Öffnungen in dem Musterelement entsprechen.
Bei verschiedenen Ausführungsformen wird der Prozess des Kontaktes der Lage mit einem Musterelement, während die Lage immer noch mit Lösemittel benetzt ist, durch einen Prozess eines Heißpressens erreicht. Beispielsweise wird eine Lage aus Kohlefaserpapier in eine Fluorharzdispersion mit einer wässrigen Emulsion, die Wasser und Fluorharzpartikel umfasst, getaucht. Während die Kohlefaserpapierlage immer noch mit Wasser benetzt ist, wird die Lage mit einem Musterelement durch einen Prozess eines Heißpressens in Kontakt gebracht, und das Wasser wird von der Lage verdampft, während sich die Lage in Kontakt mit dem Musterelement befindet.
Das Lagenmaterial, wie Kohlefaserpapier, das Polymere aufweist, wie Fluorharze, die auf diesem in einem Muster abgeschieden sind, ist beispielweise als Diffusionsmedien in Brennstoffzellen anwendbar. Derartige Brennstoffzellen enthalten eine Anode und eine Kathode mit einer Protonenaustauschmembran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist. Beim Betrieb der Brennstoffzelle wird Wasser an der Fläche der Kathode erzeugt. Das Diffusionsmedium ist in Kontakt mit den Anoden- und Kathodenkatalysatorschichten angeordnet, um eine Vielzahl von Funktionen auszuführen, die beim Wassermanagement und einem Reaktandengastransport in der Brennstoffzelle nützlich sind.
Die Membran ist eine Protonenaustauschmembran (PEM), die typischerweise eine Ionentauscherkomponente umfasst, wie eine Perfluorsulfonationomermembran. Eine derartige kommerziell erhältlich Membran ist die protonenleitende Membran, die von E. I. DuPont De Nemours & Co. mit der Handelsbezeichnung NAFION^® vertrieben wird. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise poröse Materialien mit darin verteilten katalytischen Partikeln, um die elektrochemische Reaktion von Sauerstoff mit Wasserstoff zu erleichtern. Es ist wichtig, die Membran für einen Protonentransport und zur Bereitstellung des richtigen Innenwiderstandes richtig hydratisiert zu halten.
Bei verschiedenen Ausführungsformen werden die Diffusionsmedien der Erfindung auf der Anodenseite, der Kathodenseite oder beiden verwendet. Sie unterstützen die Wasserumverteilung an der Kathodenseite und helfen auch, das Anodenreaktandengas dadurch zu befeuchten, dass ein Reservoir vorgesehen wird, um einiges Wasser in den Diffusionsmedien zu halten. Zusätzlich halten sie die Membran hydratisiert, wenn sie entweder an der Anoden- oder der Kathodenseite verwendet werden.
Im Brennstoffzellenbetrieb wird Wasserstoffgas an der Anode eingeführt, wobei der Wasserstoff (H₂) in zwei Protonen (H⁺) aufgespalten wird, wodurch zwei Elektronen freigesetzt werden. Die Protonen wandern über die Membran an die Kathodenseite. An der Kathodenseite wird Sauerstoff oder Luft eingeführt, an der er/sie in die poröse Elektrode strömt. Katalysatorpartikel in der Kathodenelektrode erleichtern eine Reaktion zwischen den Protonen (H⁺) und Sauerstoff (O₂), um Wasser in der Elektrode zu bil den. Somit muss, wenn flüssiges Wasser erzeugt wird, die Gasströmung in das Material der porösen Kathode gleichzeitig aufrecht erhalten werden. Ansonsten weist die Elektrode die Gefahr auf, mit Flüssigkeit "geflutet" zu werden. Ein Fluten beeinträchtigt die Gasströmung zu den Elektroden durch die Diffusionsmedien, wodurch tatsächlich Reaktionen, die an der MEA stattfinden, verringert oder beendet werden. Ein Diffusionsmedium ist teilweise dazu vorgesehen, ein Wassermanagement zu erleichtern.
Bei verschiedenen Ausführungsformen werden die hydrophoben Polymere auf das Lagenmaterial durch Benetzen des Lagenmaterials in einer Benetzungszusammensetzung, die das Polymer und ein Lösemittel enthält, aufgebracht. Bei einigen Ausführungsformen kann die Benetzungszusammensetzung in der Form einer Emulsion vorgesehen sein. Es können auch Lösungen verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen enthalten die Benetzungszusammensetzungen oberflächenaktive Materialien oder andere Mittel, um das Polymer in Lösung oder Suspension zu halten oder das Benetzen des Lagenmaterials zu unterstützen. Beispielsweise kann eine Emulsion, die dazu verwendet wird, das Lagenmaterial zu benetzen, 1 bis etwa 70 Gew.-% Partikel eines hydrophoben Polymers enthalten, wie Polytetrafluorethylen. Bei anderen Ausführungsformen sind Bereiche von 1 Gew.-% bis 20 Gew.-% 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 Benetzungsmittel zusätzlich zu Lösemitteln enthalten, wie Wasser und Polymerpartikel, wie Polytetrafluorethylenpartikel.
Eine Benetzung des Lagenmaterials kann dadurch erreicht werden, dass das Lagenmaterial der Benetzungszusammensetzung für eine Zeitdauer und bei einer Polymerkonzentration ausgesetzt wird, die so gewählt ist, dass eine gewünschte Menge an hydrophobem Polymer auf der Lage abgeschieden wird. Beispielsweise kann das Lagenmaterial in die Benetzungslösung getaucht, untergetaucht oder eingeweicht werden. Bevorzugt werden zwischen etwa 1 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% Polymer auf dem Lagenmaterial auf Grundlage des Gesamtgewichtes des Polymers und Lagenmaterials, bevorzugter etwa 2 Gew.-% bis 15 Gew.-% und bevorzugter etwa 4 Gew.-% bis 10 Gew.-% abgeschieden. Die Menge und das Muster der Polymerbedeckung kann demgemäß variiert werden, wie relativ hydrophob oder hydrophil das Lagenmaterial ist, der hydrophoben Beschaffenheit des abgeschiedenen Polymers und der gewünschten prozentualen Bedeckung des Lagenmaterials mit dem abgeschiedenen Polymer, 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, zur Verwendung in einer Brennstoffzelle als zufriedenstellend erwiesen.
Das Musterelement wird so genannt, da es aus einem relativ starren Rahmenmaterial hergestellt ist, das Öffnungen aufweist, die ein Muster definieren, in dem das hydrophobe Polymer auf dem Lagenmaterial abgeschieden ist. 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 beliebigen geeigneten Stanz-, Schneid- oder anderen Prozess hergestellt sein. Bei anderen Ausführungsformen kann das Musterelement in der Form eines Siebes vorgesehen sein, der ein Muster aus Löchern oder Öffnungen in einer oder zwei Dimensionen aufweist. Ein Musterelement in der Form eines Siebes kann die Form einer mit Löchern versehenen Platte oder eines vermaschten Drahtgewebes annehmen. Nicht beschränkende Beispiele umfassen mit Löchern versehene Eisenbleche und mit Löchern versehene Siebe aus rostfreiem Stahl. Bei verschiedenen Ausführungsformen machen die Öff nungen 10 % bis 90 % der Fläche des Siebes aus, um in Kontakt mit der Lage zu kommen. Bei anderen Ausführungsformen können die Öffnungen 10 % bis 60 % oder bevorzugt 10 % bis 50 % der Siebkontaktfläche ausmachen. Bei einer anderen Ausführungsform kann das Musterelement in der Form einer Platte oder einem im Wesentlichen planaren Element vorgesehen sein. Das Musterelement kann planar sein oder es kann geringfügig gekrümmt sein. In jedem Fall ist das Musterelement derart ausgebildet, dass es bei einem nachfolgenden Verdampfungsschritt, wie unten beschrieben ist, gegen das Lagenmaterial gepresst wird.
Bei einer anderen Ausführungsform kann das Musterelement zylindrisch sein. Bei dieser Ausführungsform kann das zylindrische Musterelement derart ausgebildet sein, dass es ein Muster einer Beschichtung auf einem Lagenmaterial durch einen Prozess eines Heißwalzens erzeugt. Bei dieser Ausführungsform wird zunächst ein Abschnitt des zylindrischen Mustermaterials gegen ein Lagenmaterial gepresst. Es werden Hochtemperatur- oder andere Bedingungen angelegt, um Lösemittel von dem Lagenmaterial zu verdampfen, während sich das Lagenmaterial in Kontakt mit dem Zylinder befindet. Der Zylinder wird über die Tafel mit einer Geschwindigkeit gewalzt, die niedrig genug ist, damit die Verdampfung erfolgt, während sich das zylindrische Musterelement momentan in Kontakt mit dem Lagenmaterial befindet. Ein benetztes Lagenmaterial kann kontinuierlich in eine Vorrichtung zugeführt werden, die ein derartiges walzendes Element eines zylindrischen Musters enthält.
Bevorzugt ist das Material, aus dem das Rahmenmaterial des Musterelementes aufgebaut ist, undurchlässig gegenüber Wasser oder anderen Lösemitteln und sollte bevorzugt wärmeleitend sein, um eine Verdampfung des Lösemittels zu unterstützen, wie unten beschrieben ist. In Kontakt mit dem Lagenmaterial definieren die Öffnungen in dem Musterelement Verdampfungspfade, damit Lösemittel von dem porösen Lagenmaterial, das in Kontakt mit dem Musterelement gehalten wird, entweichen kann.
Wenn das Lagenmaterial immer noch feucht ist, wird ein Verdunstungsschritt dadurch ausgeführt, dass das Musterelement mit dem Lagenmaterial in Kontakt gebracht 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 erzeugt 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 erleichtern. Ein Trocknen kann auch durch Verwendung von Mikrowellen- oder Infrarotstrahlung erreicht werden, um das Material zu erhitzen und das Lösemittel zu verdunsten. Es können auch Kombinationen derartiger Verdunstungsbedingungen verwendet werden.
Wenn das Lagenmaterial erhitzt wird, um das Lösemittel zu verdunsten, ist die Geschwindigkeit der Verdunstung eine Funktion verschiedener Variablen, wie der Temperatur, der relativen Feuchte der Umgebung wie auch dem konvektiven Durchsatz. Diese Geschwindigkeit der Trocknung beeinflusst ihrerseits die Verteilung des hydrophoben Polymers durch die Ebene hindurch. Beispielsweise tendiert eine schnellere Trocknung dazu, PTFE an die Papieroberfläche an den Öffnungen zu ziehen, während eine langsamere Trocknung dazu tendiert, dass relativ mehr PTFE in dem Papierquerschnitt oder der Papiermasse abgeschieden wird. Durch Auswahl einer geeigneten Kombination von Bedingungen, wie Temperatur, Vakuum und Gasströme ist es möglich, Bedingungen zu wählen, bei denen das Lösemittel mit einer akzeptablen Geschwindigkeit verdunstet, und somit die gewünschte Querschnitts-PTFE-Verteilung zu erzeugen.
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 mit einem Lagenmaterial durch einen Prozess eines Heißpressens in Kontakt gebracht werden. Bei einem derartigen Prozess wird das Musterelement bevorzugt erhitzt, bevor es in Kontakt mit dem Lagenelement kommt. Das Heißpresselement kann in der Form einer Platte, einem gekrümmten Material oder einem Zylinder vorliegen, wie oben beschrieben ist. Die Heißpresstechnik ist insbesondere zur Anpassung an kontinuierliche Prozesse oder Prozesse mit hohem Durchsatz geeignet.
Während des Trocknungs- oder Verdunstungsschrittes bewegen sich die Polymerpartikel, wie die PTFE-Partikel, mit dem Lösemittel und setzen sich an der Stelle ab, an der das Lösemittel von dem Substrat verdunstet. Das Musterelement wird derart hergestellt, dass ein offenes Loch oder ein Schlitz geschnitten wird, an dem ein relativ hoher Gehalt an abgeschiedenem hydrophoben Polymer an dem Lagenmaterial gewünscht oder beabsichtigt ist. Das Lagenmaterial kann in die Polymerlösung getaucht oder dieser anderweitig ausgesetzt werden, und das benetzte Lagenmaterial, wie Kohlefaserpapier, kann zwischen zwei identischen und spiegelbildlichen Musterformen angeordnet werden. Alternativ dazu kann das Lagenmaterial mit einer Form oder einem Musterelement in Kontakt gebracht werden, die/das auf jeder Seite des Lagenmaterials eine andere Musterausgestaltung aufweist. 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 ferner in nicht beschränkenden Beispielen anhand der Figuren gezeigt.
Auf diese Weise werden die PTFE-Partikel oder anderen Polymerpartikel auf dem Lagenmaterial vorwiegend 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 Musterelementes (d.h. nicht den Öffnungen) können eine detektierbare Menge an Polymerabscheidung aufweisen, die jedoch kleiner als an den Öffnungen ist.
Nachdem das Lösemittel verdunstet und das hydrophobe Polymer an dem Lagenmaterial in einem gewünschten Muster abgeschieden worden ist, ist es gewöhnlich erwünscht, einen weiteren Nachhärte- oder Sinterschritt auszuführen. Diese Nachhärtung 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 Fluorharzbeschichtungen, wie Polytetrafluorethylen, reicht es allgemein aus, auf eine Temperatur von etwa 380°C zu erhitzen. Allgemein ist es bevorzugt, eine beliebige derartige Polymerbeschichtung um ihre Schmelz- oder Erweichungstemperatur herum zu erhitzen. Das Erweichen erlaubt einen engeren Kontakt des Polymers mit dem Gewebe des Lagenmaterials. Die Muster, die an dem Gewebe während des Trocknungsschrittes abgeschieden sind, werden durch die Hochtemperaturhärtung nicht geändert. Somit kann der Musterformungsschritt bei einer relativ niedrigen Temperatur ausgeführt werden, was ein kostengünstiges Verfahren vorsieht.
1A zeigt ein Musterelement 2, das aus einem massiven Abschnitt oder impermeablen Teil 6 besteht, das Öffnungen 8 in dem Musterelement 2 definiert, wie hier als eine Serie von Schlitzen 8 gezeigt ist. 1B zeigt einen Schnitt eines Musterelementes 2, der den massiven Abschnitt 6 und die Öffnung 8 zeigt. 1C zeigt ein Lagenmaterial 4, das durch Kontakt des Musterelementes 2 mit einem porösen Gewebe gemäß dem Verfahren der Erfindung ausgebildet ist. Die Lage 4 enthält Bereiche 10, die Orten entsprechen, die benachbart von Öffnungen 8 in dem Musterelement gehalten werden, und Kontaktbereiche 12, die Orten entsprechen, die benachbart zu massiven Abschnitten 6 des Musterelementes gehalten werden. Das Polymer wird auf der Lage hauptsächlich an den offenen Bereichen 8 abgeschieden.
2A zeigt eine perspektivische Zeichnung einer anderen Ausführungsform eines Musterelementes 2, das hier als ein massiver Abschnitt 6 in der Form eines Siebes mit Öffnungen 8 in der Form von Löchern in einem zweidimensionalen Muster in dem Musterelement gezeigt ist. 2B zeigt ein poröses Gewebe 4 mit einem Polymer, das hauptsächlich an offenen Bereichen 10 abgeschieden ist, während an Kontaktbereichen 2 wenig oder gar kein Polymer abgeschieden ist.
3A zeigt einen Schnitt eines Musterelementes 2 in Kontakt mit einem porösen Gewebe 4. Das Musterelement 2 besteht aus einem massiven Abschnitt 6 mit Öffnungen 8, die Verdunstungspfade für das Lösemittel in dem porösen Gewebe 4 definieren. Das poröse Gewebe 4 steht mit dem Musterelement an Kontaktbereichen 12 in Kontakt, wodurch offene Bereiche 10 des porösen Gewebes zurückbleiben, die nicht in Kontakt mit dem Musterelement stehen. Bei der in 3A gezeigten Ausführungsform steht die entgegengesetzte Seite 11 des porösen Gewebes 4 bei dem Verdunstungsschritt nicht in Kontakt mit dem Musterelement. 3B zeigt in schematischer Form die Struktur eines porösen Gewebes von 3A nach dem Verdunstungsschritt. 3B zeigt das Polymer, das an dem porösen Gewebe 4 vorwiegend an Orten, die offenen Bereichen 10 entsprechen, und der entgegengesetzte Seite 11 des porösen Gewebes von 3A abgeschieden ist. Andererseits ist an Orten 12 an dem porösen Gewebe, die denen entsprechen, an denen das poröse Gewebe während der Verdunstung in Kontakt mit dem Musterelement war, wenig oder gar kein Polymer abgeschieden.
4A zeigt ein poröses Gewebe der Erfindung in Kontakt mit einem Musterelement 2 auf einer Seite und einer massiven Formfläche 5 auf der anderen. 4B zeigt das Muster der Polymerabscheidung an dem porösen Gewebe 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 Gewebes wenig oder gar kein abgeschiedenes Polymer, da sie während des Verdunstungsschrittes in Kontakt mit einer Formfläche war und folglich keine Verdunstungspfade vorhanden waren, die von der entgegengesetzten Seite vorgesehen waren.
5A zeigt in schematischer Form ein poröses Gewebes 4 in Kontakt mit einem Musterelement 2 auf einer Seite und einem Musterelement 2' auf der anderen. Das Musterelement 2' auf der entgegengesetzten Seite des porösen Gewebes besteht aus einem massiven Abschnitt 6' und Öffnungen 8' in dem Musterelement. Das poröse Gewebe 4 steht während des Verdunstungsschrittes an Orten 12 und 12' in Kontakt mit dem Musterelement, während Orte 10 und 10' der jeweiligen Musterelemente 2 und 2' während des Verdunstungsschrittes nicht in Kontakt stehen. 5B zeigt das poröse Gewebe mit abgeschiedenem Polymer, wie in 5A durch Verdunstung erzeugt ist. Das Polymer wird auf dem porösen Gewebe 4 an Orten 10 und 10' abgeschieden, die den offenen Bereichen von 5A entsprechen. Ferner wird wenig oder gar kein Polymer an Orten 12 und 12', die dem Kontaktbereich zwischen dem Gewebe und dem Musterelement entsprechen, bei dem Verdunstungsschritt abgeschieden.
Sobald das hydrophobe Polymer an dem Lagenmaterial abgeschieden ist, wie einem kohlefaserbasierten Substrat, wird ein hydrophiles Polymer auf dem Substrat abgeschieden. Bei verschiedenen Ausführungsformen wird das hydrophile Polymer vorwiegend an Bereichen des Substrates abgeschieden, die nicht von dem hydrophoben Polymer bedeckt sind.
Bei verschiedenen Ausführungsformen wird das hydrophile Polymer durch einen Prozess einer elektrochemischen Polymerisierung hergestellt. Ein Kohlefaserpapier, das teilweise mit Fluorkohlenwasserstoffpolymer beschichtet ist, wie oben beschrieben ist, wird als die Arbeitselektrode einer elektrochemischen Zelle verwendet. Alle Bezüge auf Kohlefaser in der Beschreibung der elektrochemischen Polymerisierung unten sind dahingehend zu verstehen, dass sie auf Kohlefasersubstrat verweisen, das teilweise mit Fluorkohlenwasserstoffpolymer beschichtet ist, wie oben beschrieben ist. Die Kohlefaserpapieranode wird in eine Lösung aus Monomeren und Elektrolyt eingetaucht. An die Arbeitselektrode wird ein positives Potenzial angelegt, und das leitende Polymer wird durch Anodenkopplung radikaler Monomerkationen (beispielsweise radikaler Pyrrolkationen, um Polypyrrol an der 2,5 Stellung zu bilden) gebildet. Die Bildung des leitenden Polymers und die Oberflächeneigenschaften der Beschichtung sind abhängig von der Monomerkonzentration, der Elektrolytkonzentration und den Reaktionsbedingungen.
Geeignete Monomere umfassen diejenigen, von denen bekannt ist, dass sie stromleitende Polymere bei Polymerisierung an einer Anode mit einer Spannung über dem Oxidationspotenzial des Monomers bilden. Nicht beschränkende Beispiele derartiger Monomere umfassen Pyrrol, Thiophen, Anilin, Furan, Azulen, Carbazol wie auch substituierte Derivate derselben. Substituierte Derivate umfassen 1-Methylpyrrol und verschiedene – substituierte Pyrrole, Thiophene und Furane. Nicht beschränkende Bei spiele von ⎕-substituierten Thiophenen umfassen beispielsweise ⎕-Alkylthiophen, ⎕-Bromthiophen, ⎕-CH₂CN-Thiophen und ⎕,⎕-Dibromthiophen. Ähnliche Substitutionen können an einem Furan- oder Pyrrolring vorgesehen werden. Ferner können verschiedene Alkyl-, Halo- und andere substituierte Azulene und Carbazole verwendet werden. Wie oben beschrieben ist, wird das Kohlefaserpapier als die Arbeitselektrode oder Anode bei der Elektropolymerisierung eingerichtet. Es sind auch geeignete Gegenelektroden vorgesehen, beispielsweise ein Graphitblock oder ein Sieb aus rostfreiem Stahl. Eine standardmäßige Calomel-Referenzelektrode (SCE) kann nahe der Arbeitselektrode angeordnet werden. Das Kohlefaserpapier kann elektrisch mit einem Stromkollektor, wie einer Metallfolie, gekoppelt sein oder kann direkt in die Schaltung durch geeignete Klemmen, Leitungen oder andere Vorrichtungen geschaltet werden. Es können zwei Kammern, die mit einer semipermeablen Membran getrennt sind, oder es kann eine einzelne Kammer für die Gegenelektrode bzw. Arbeitselektrode verwendet werden. Die Gegenelektroden und die Arbeitselektroden werden allgemein in denselben Elektrolyt eingetaucht. Das Fach, in dem die Arbeitselektrode gehalten ist, enthält ferner eine geeignete Konzentration polymerisierbarer Monomere.
Im Allgemeinen kann die Konzentration der polymerisierbaren Monomere über einen breiten Bereich abhängig von den Bedingungen der Polymerisierung gewählt werden. Es sei zu verstehen, dass die Geschwindigkeit der Polymerisierung und das Ausmaß der Integration des Polymers auf der Kohlefaseroberfläche teilweise durch die Konzentration des Monomers bestimmt werden. Geeignete Monomerkonzentrationen umfassen Konzentrationen zwischen etwa 0,01 M und der oberen Löslichkeitsgrenze des Monomers. Bei verschiedenen Ausführungsformen wird eine maximale Konzentration von etwa 1,5 M des polymerisierbaren Monomers verwendet. Bei verschiedenen anderen Ausführungsformen beträgt die Monomerkon zentration zumindest etwa 0,1 M, zumindest etwa 0,5 M oder liegt im Bereich von etwa 0,5 M bis etwa 1,5 M.
Die Elektropolymerisierungsfächer enthalten auch ein geeignetes Niveau an Elektrolyt. Es kann eine breite Vielzahl von Elektrolyten verwendet werden, und die Konzentration des Elektrolyten wird abhängig von den anderen Charakteristiken der elektrochemischen Zelle und den anderen Reaktionsbedingungen gewählt. Bevorzugt wird die Elektrolytkonzentration so gewählt, dass ein Ladungstransfer durch die Zelle mittels der Elektrolytmoleküle nicht geschwindigkeitsbegrenzend ist. Wie bei den Monomeren kann die Konzentration des Elektrolyten im Bereich von etwa 0,01 M bis zu seiner Löslichkeitsgrenze in dem Lösemittel liegen. Bevorzugte Elektrolyte werden in einem Bereich zwischen etwa 0,01 M und etwa 1,5 M, bevorzugt zwischen etwa 0,1 M und etwa 1,0 M verwendet. Ein bevorzugtes Lösemittel ist Wasser.
Der Elektrolyt kann aus Molekülen oder Mischungen von Molekülen gewählt sein, die eine molekulare Ladung enthalten und Elektronen durch die Lösung zwischen den Elektroden führen können. Üblicherweise verwendete Elektrolyte umfassen Sulfonsäuren und Sulfonate, wie, ohne Beschränkung, Camphersulfonsäure, para-Toluolsulfonsäure, Dodecylbenzolsulfonsäure, Schwefelsäure, Alizarinrot S-Monohydrat und deren Salze, insbesondere die Natriumsalze. Der Elektrolyt ist normalerweise in die abgeschiedene Beschichtung des stromleitenden Polymers integriert. Die Struktur und die Konzentration des Elektrolyts beeinflusst die freie Oberflächenenergie der beschichteten Kohlefasern.
Das stromleitende Polymer wird auf dem Anodenkohlefaserpapier dadurch abgeschieden, dass Strom durch das Polymerisierungsfach für eine Zeitdauer geleitet wird, um eine ausreichende Menge an Monomer zu oxidie ren, um zu reagieren und das stromleitende Polymer an der Kohlefaseroberfläche zu bilden. Die Reaktionszeit für die Abscheidung des Polymers hängt von vielen Faktoren ab, wie der Temperatur der Zelle, der Konzentration von Monomer und Elektrolyt, dem aufgebrachten Potenzial, der Ausgestaltung der Zelle und dem gewünschten Ausmaß der Integration von Polymer auf dem Kohlefaserpapier. Typische Reaktionszeiten liegen im Bereich von wenigen Sekunden bis zu wenigen Minuten. Durch Variation der Parameter, wie eben beschrieben wurde, können beschichtete Kohlefaserpapiere mit einer freien Oberflächenenergie von gerade über der der nicht beschichteten Kohlefasern bis zu mehr als 70 dyne/cm hergestellt werden.
Die Elektropolymerisierung wird so ausgeführt, indem die Anode bei einer Spannung über dem Oxidationspotenzial des polymerisierbaren Monomers gehalten wird. Über dieser Spannung kann eine angelegte Spannung gewählt werden, die konsistent mit der Reaktionszeit, der gewünschten freien Oberflächenenergie, der Monomerkonzentration, der Elektrolytkonzentration, der Reaktionstemperatur und anderen Parametern ist. Als praktisches Beispiel sollte die angelegte Spannung kleiner als die Spannung sein, die das Wasser in der elektrochemischen Zelle hydrolysieren würde. Bei verschiedenen Ausführungsformen liegt die angelegte Spannung im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 2,5 Volt. Es können verschiedene Gegenelektroden verwendet werden, wie Platingitter, Titangitter und Graphitblöcke.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Elektropolymerisierung durch Verwendung einer Impulsabscheidungstechnik ausgeführt. Wenn beispielsweise ein Potentiostat so eingestellt wird, dass er eine Impulsspannung (Rechteckwellenfunktion bei einer bestimmten Frequenz) liefert, besteht die Tendenz, dass der Polymerisierungsprozess vorwiegend an dem freiliegenden Kohlefaserbereich anstatt in der Lösung stattfindet. Die Bildung von Polymer in der Lösung kann zu einer unerwünschten Abscheidung von Polymer an Bereichen führen, die anfänglich mit nicht leitenden hydrophoben Polymeren bedeckt waren. Während des Zyklus wird, wenn die Spannung angelegt wird, das Monomer an der Oberfläche der Anode oxidiert und polymerisiert an der Oberfläche. Gleichzeitig wird das Volumen an Elektrolyt um die Substratoberfläche herum temporär an Monomer abgereichert. Wenn der Spannungszyklus aus ist, stoppt die Reaktion und die Konzentration von Monomer kann an der Oberfläche der Anode durch Diffusion aus der Masse des Anodenzellenelektrolyten wiederhergestellt werden. Wenn die Spannung erneut angeschaltet wird, wird das Monomer an der Anodenoberfläche oxidiert und polymerisiert, wie zuvor. Die Dauer der Spannungs- oder Stromimpulse kann so gewählt sein, um die Geschwindigkeit und Gleichförmigkeit der Bildung der stromleitenden Polymere an der Oberfläche zu optimieren. Beispielsweise kann die Frequenz von Impulsen von etwa 0,1 Hz bis etwa 0,001 Hz gewählt werden. Die prozentuale Ein/Aus-Zeit während eines Zyklus kann ebenfalls variieren. Bei einer typischen Ausführungsform beträgt die Ein/Aus-Zykluszeit 50/50.
Bei einem Prozess zum Herstellen des beschichteten Kohlefaserpapiers der Erfindung umfassen bevorzugte Monomere für die Elektropolymerisierung Pyrrol und Anilin. Polypyrrol oder Polyanilin wird an der Oberfläche der Kohlefasern in dem Kohlefaserpapier abgeschieden. Allgemein bewirkt der Prozess, dass eine kleine Menge an Elektrolyt in das stromabgeschiedene leitende Polymer integriert wird, das dazu verwendet werden kann, die Leitfähigkeit und die freie Oberflächenenergie der Polymerbeschichtung zuzuschneiden.
Die freie Oberflächenenergie und andere anwendbare physikalische Eigenschaften des beschichteten Kohlefaserpapiers hängen von einer Vielzahl von Faktoren ab, wie der Beschaffenheit von Gegenionen (Elektrolyt), die in das Polymer integriert sind, der Menge an Polymer wie auch der Oberflächenmorphologie des Polymers, das auf die Oberfläche elektropolymerisiert wird. Bei verschiedenen Ausführungsformen umfasst ein saugendes Material ein Kohlefaserpapier, das mit etwa 2 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-% eines stromleitenden Polymers oder mit etwa 2 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% beschichtet ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke der Polymerbeschichtung etwa 5 % bis etwa 10 % des Durchmessers der Kohlefasern.
Bei verschiedenen Ausführungsformen wird das Diffusionsmedium, das hydrophobe und hydrophile abgeschiedene Polymere, wie oben beschrieben ist, enthält, in einer elektrochemischen Brennstoffzelle verwendet, um ein integriertes Wassermanagement vorzusehen. Derartige Wassermanagementfunktionen umfassen: ein Wegführen von Wasser von den feuchten Bereichen der Brennstoffzelle, wo es als ein Produkt der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle erzeugt wird; ein Transportieren von Wasser intern an irgendwelche relativ trockenen Bereiche; eine Funktion als ein Wasserreservoir zum Speichern und Freigeben von Wasser bei feuchten und trockenen Betriebsbedingungen; und ein Befeuchten der Protonenaustauschmembran (PEM) der Membranelektrodenanordnung (MEA).
Allgemein Bezug nehmend auf 6 sind drei einzelne Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzellen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verschaltet, um einen Stapel zu bilden. Jede PEM-Brennstoffzelle besitzt Membranelektrodenanordnungen (MEA) 13, 15, 14, die jeweils voneinander durch elektrisch leitende, im permeable Separatorplatten 16, 18 getrennt sind und ferner schichtartig zwischen Anschlussseparatorplatten 20, 22 an jedem Ende des Stapels angeordnet sind, wobei jede Anschlussplatte 20, 22 nur eine elektrisch aktive Seite 24, 26 aufweist. Eine einzelne Brennstoffzelle, die nicht in einem Stapel in Reihe verschaltet ist, besitzt eine Separatorplatte mit nur einer einzelnen elektrisch aktiven Seite. In einem Mehrfach-Brennstoffzellenstapel, wie dem, der gezeigt ist, besitzt eine bevorzugte Bipolarseparatorplatte 16 typischerweise zwei elektrisch aktive Seiten 28, 30, die jeweils zu einer separaten MEA 13, 15 mit entgegengesetzten Ladungen weisen, die getrennt sind, daher die sogenannte "Bipolar"-Platte. Wie hier beschrieben ist, besitzt der Brennstoffzellenstapel leitende Bipolarseparatorplatten in einem Stapel mit mehreren Brennstoffzellen, wobei die vorliegende Erfindung jedoch gleichermaßen auf leitende Separatorplatten in einem Stapel anwendbar ist, die nur eine einzelne Brennstoffzelle aufweisen.
Bei den gezeigten Ausführungsformen werden die MEAs 13, 15, 14 und Bipolarplatten 16,18 zwischen Aluminiumklemmplatten 32 an jedem Ende des Stapels und den Endkontaktanschlussplattenelementen 20, 22 aneinandergestapelt. Die Endkontaktanschlussplattenelemente 20, 22 wie auch Arbeitsseiten 28, 30 und 31, 33 beider Bipolarseparatorplatten 16, 18 enthalten eine Vielzahl von Gasströmungskanälen (nicht gezeigt) zur Verteilung von Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen (d.h. H₂ & O₂) an die MEAs 13, 15, 14. Nichtleitende Dichtungselemente oder Abdichtungen (nicht gezeigt) sehen Dichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Gaspermeable leitende Diffusionsmedien 34 werden an die Elektrodenseiten der MEAs 13, 15, 14 gepresst. Wenn der Brennstoffzellenstapel zusammengebaut ist, unterstützen die leitenden Gasdiffusionsschichten 34 eine gleichmäßige Verteilung von Gas über die Elektroden der MEAs 13, 15, 14 und unterstützen auch das Leiten von elektrischem Strom über den Stapel.
Sauerstoff wird an die Kathodenseite 36 jeder Brennstoffzelle in dem Stapel von dem Speichertank 40 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 42 geliefert, während Wasserstoff an die Anodenseite 38 der Brennstoffzelle von dem Speichertank 44 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 46 geliefert wird. Alternativ dazu kann Luft an die Kathodenseite 36 aus der Umgebung und Wasserstoff an die Anode 38 von einem Methanol- oder Benzinreformer oder dergleichen geliefert werden. Es ist eine Austragsverrohrung für die Anodenseite 48 und die Kathodenseite 50 der MEAs 13, 15, 14 vorgesehen. An der Kathodenseite definiert die Verrohrung eine Austrittsseite. Eine Gasströmung in und aus dem Stapel wird typischerweise durch Gebläse 60 erleichtert, wie denjenigen, die in der beispielhaften Konfiguration von 6 gezeigt sind. Die Konfiguration und Anzahl von Gebläsen, die gezeigt ist, ist lediglich beispielhaft und nicht beschränkend.
Wenn eine externe Befeuchtung erwünscht ist, kann sie vorgesehen sein, wie in einer nicht beschränkenden Ausführungsform in 6 gezeigt ist. Wie in der Ausführungsform von 6 gezeigt ist, wird der Kathodenabfluss 50 von dem Stapel an einen Kondensator 54 geführt, der dazu dient, die Dämpfe in dem Kathodenabflussstrom 50 zu verflüssigen und rückzugewinnen. Die Flüssigkeiten (beispielsweise Wasser) werden an ein Reservoir 56 zur Speicherung transportiert. Der Abflussstrom 50 von der Kathode besitzt eine hohe Konzentration an Dampf (beispielsweise Wasserdampf) aufgrund des Wassers, das durch die elektrochemischen Reaktionen, die in der MEA stattfinden, erzeugt wird, und des zusätzlichen Wassers, das zur Kühlung eingeführt wird. Das Wasser verdunstet aufgrund der Druck- und Temperaturbedingungen in der Brennstoffzelle. Bevorzugt ist der Abflussstrom mit Dampf gesättigt (beispielsweise in dem Fall von Wasser bei einer relativen Feuchte von etwa 100 %). Wie gezeigt ist, liefern die Versorgungsleitungen 61 Wasser an die Kathodenseite jeder MEA 13, 15, 14 durch Verbindung des Reservoirs 56 mit den Brennstoffzellen in dem Stapel. Optional kann eine Pumpe (nicht gezeigt) in dem System enthalten sein, um den Transport der Flüssigkeit von dem Reservoir 56 an den Stapel oder durch andere Bereiche des Systems zu erleichtern.
Die impermeable elektrisch leitende Schicht 80 umfasst einen massiven leitenden Körper 86. Die impermeable elektrisch leitende Schicht 80 ist undurchlässig gegenüber sowohl Fluid- als auch Gasströmung, wodurch eine physikalische Barriere zwischen den verschiedenen Brennstoffzellen oder dem Anschlussende des Stapels vorgesehen wird. Die impermeable elektrisch leitende Schicht 80 kann aus leitenden Materialien, die in der Technik bekannt sind, aufgebaut sein, wie beispielsweise Aluminium, Titan, rostfreie Stähle und deren Legierungen wie auch Kohlenstoffverbundstoffe. Bevorzugt befindet sich die leitende impermeable Schicht 80 benachbart des Fluidverteilungsmittels 72 und ist an diesem angebracht.
Die Erfindung ist oben bezüglich bestimmter Ausführungsformen beschrieben worden. Eine weitere nicht beschränkende Beschreibung der Erfindung ist in den Beispielen, die folgen, gegeben.
BEISPIELE
Beispiel 1
Es wird ein Musterelement in der Form eines Siebes vorgesehen, der eine Serie von Löchern in einer Tafel aus rostfreiem Stahl aufweist, so dass der Bereich der Löcher etwa 20 bis 63 % der Gesamtoberfläche des Musterelementes ausmacht. Derartige Siebe sind beispielsweise kommerziell von McMaster-Carr erhältlich. Eine Tafel aus Kohlefaserpapier (beispielsweise Toray TGP H-060, Toray, Japan mit einer Dicke von etwa 180 μm, einem Faserdurchmesser von 7 μm und einer Porosität von 75 %) wird in einer 3 Gew.-% Dispersion aus Polytetrafluorethylen (PTFE) für 4 Minuten eingeweicht. Die 3 Gew.-% PTFE-Lösung wird durch eine 20:1 Verdünnung einer 60 Gew.-% DuPont T-30 PTFE-Dispersion hergestellt. Das Kohlefaserpapier wird dann in Kontakt mit dem Musterelement angeordnet und bei 120°C für 0,5 Stunden getrocknet. An diesem Punkt ist eine Aufnahme von etwa 8 Gew.-% erfolgt, die allgemein aus PTFE und oberflächenaktiven Stoffen in der kommerziellen Lösung gebildet ist. Nach einer Lösemittelentfernung wird das Papier von dem Kontakt mit dem Musterelement entfernt und bei 380°C für 20 Minuten gehärtet. Nach dem Härteschritt verbleibt eine Aufnahme von etwa 7 Gew.-% PTFE.
Beispiel 2
Polyanilin wird auf dem mit PTFE beschichteten Papier von Beispiel 1 in einem Polystyrolsulfonsäureelektrolyt abgeschieden. Ein Beschichtungsbad enthält 1,3 M Anilin und 0,2 mg/ml Polystyrolsulfonsäure in Wasser. Ein Teil mit 3'' × 3'' Toray 060 Kohlepapier, das wie in Beispiel 1 hergestellt ist, wird in der Mitte des Beschichtungsbades als Arbeitselektrode angeordnet. Zwei Stücke von Gegenelektroden aus rostfreiem Stahl werden auf jeder Seite des Kohlefaserpapiers angeordnet, die sich etwa 1,5'' entfernt von der Kohlepapieroberfläche befinden. Eine SCE-Elektrode wird nahe der Kohlepapieroberfläche als Referenzelektrode angeordnet.
Der Elektropolymerisierungsprozess wird mit einem Potentiostat unter Verwendung des folgenden Verfahrens ausgeführt: eine Rechteckwelle einer angelegten Spannung zwischen 0,9 V und 0 V bei 0,1 Hz und einer Dauer von 50/50 wird angelegt, um Anilin zu elektropolymerisieren (die Spannung wird bei 0,9 V für 5 Sekunden und anschließend bei 0 V für 5 Sekunden angelegt). Die Gesamtreaktionszeit beträgt 50 Sekunden (25 Sekunden bei 0,9 V). Eine Sichtprüfung des Papiers zeigt, dass Polyanilin bevorzugt an den Bereichen abgeschieden ist, die anfänglich nicht mit PTFE bedeckt waren.
Die Beladung des leitenden Polymers kann durch die Ladung geschätzt werden, die durch die Abscheidungszelle gelangt ist, nachdem ein Abscheidungswirkungsgrad kalibriert ist (Leiten einer bekannten Menge an Strom oder Ladung durch das System und dann Spülen und Trocknen der Probe, um die Gewichtszunahme zu messen).
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht von dem Erfindungsgedanken der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung befindlich anzusehen. Derartige Abwandlungen werden nicht als Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung betrachtet.
Zusammenfassung
Ein Diffusionsmedium zur Verwendung in einer PEM-Brennstoffzelle enthält hydrophobe und hydrophile Bereiche für ein verbessertes Wassermanagement. Ein hydrophobes Polymer, wie ein Fluorharz, wird auf dem Papier abgeschieden, um die hydrophoben Bereiche zu definieren, und ein stromleitendes Polymer, wie Polyanilin oder Polypyrrol, wird auf den Papieren abgeschieden, das die hydrophilen Bereiche definiert. Bei verschiedenen Ausführungsformen wird eine Matrix aus hydrophoben und hydrophilen Bereichen auf den kohlefaserbasierten Diffusionsmedien durch Elektropolymerisierung eines hydrophilen Polymers auf ein Diffusionsmedium erzeugt, das vorher mit einem hydrophoben Polymer wie einem Fluorkohlenwasserstoffpolymer beschichtet worden ist. Wenn eine wässrige Lösung, die Monomere zur Elektropolymerisierung enthält, mit einem fluorkohlenwasserstoffbeschichteten Diffusionsmedium in Kontakt gebracht wird, wird das hydrophile Polymer bevorzugt an Bereichen des kohlefaserbasierten Diffusionsmediums abgeschieden, die nicht mit den Fluorkohlenwasserstoffen bedeckt sind.

Claims

Brennstoffzelle mit: einer Anode; einer Kathode; einer Protonenaustauschmembran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist; einer Fluidverteilungskammer, die der Kathode zugeordnet ist und eine Gaseintritts- und eine Gasaustrittsseite aufweist; einer Fluidverteilungskammer, die der Anode zugeordnet ist und eine Gaseintritts- und eine Gasaustrittsseite aufweist; einem Diffusionsmedium, das in der Fluidverteilungskammer, die der Kathode zugeordnet ist, der Fluidverteilungskammer, die der Anode zugeordnet ist, oder beiden angeordnet ist, wobei das Diffusionsmedium die Fluidverteilungskammer von der Eintrittsseite zu der Austrittsseite überspannt, und wobei zumindest eines der Diffusionsmedien umfasst: ein elektrisch leitendes poröses Material; ein hydrophobes Polymer, das auf dem porösen Material abgeschieden ist und hydrophobe Bereiche definiert; und ein hydrophiles Polymer, das auf dem porösen Material abgeschieden ist und hydrophile Bereiche definiert.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das hydrophobe Polymer ein Fluorkohlenwasserstoffpolymer umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei das hydrophobe Polymer Polytetrafluorethylen umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das hydrophile Polymer Polyanilin umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das hydrophile Polymer Polypyrrol umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei zumindest eines der Diffusionsmedien, die ein hydrophobes Polymer und ein hydrophiles Polymer umfassen, einen andern Gehalt von hydrophobem Polymer in einem Bereich des Diffusionsmediums benachbart der Eintrittsseite besitzt, als in einem Bereich des Diffusionsmediums benachbart der Austrittsseite.
Brennstoffzelle nach Anspruch 6, wobei ein Diffusionsmedium, das benachbart der Kathode angeordnet ist, in einem Bereich des Diffusionsmediums benachbart der Austrittsseite einen höheren Gehalt an hydrophobem Polymer aufweist, als in einem Bereich benachbart der Eintrittsseite.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das poröse Material Kohlefaserpapier umfasst.
Verfahren zum Herstellen eines Diffusionsmediums, das hydrophobe Bereiche und hydrophile Bereiche aufweist, umfassend, dass: a) ein hydrophobes Polymer auf einem porösen Substrat in einem Muster abgeschieden wird, so dass ein Abschnitt des Substrats nicht mit dem Polymer bedeckt zurückbleibt; und anschließend b) ein stromleitendes Polymer auf dem nicht bedeckten Abschnitt des Substrates abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das hydrophobe Polymer ein Fluorkohlenwasserstoffpolymer umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Fluorkohlenwasserstoffpolymer Polytetrafluorethylen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das stromleitende Polymer Polyanilin oder Polypyrrol umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend, dass das hydrophobe Polymer vorwiegend auf einer Seite des Substrates und das stromleitende Polymer vorwiegend auf der anderen Seite abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei Schritt a) umfasst, dass: das Substrat, das eine Lage aus Kohlefaserpapier ist, mit einem Lösemittel in einer wässrigen Emulsion, die das hydrophobe Polymer umfasst, benetzt wird; die benetzte Lage mit einem Musterelement in Kontakt gebracht wird, das eine oder mehrere Öffnungen umfasst, die so orientiert sind, dass sie einem vorbestimmten Muster entsprechen; und das Lösemittel von der Lage verdunstet wird, während sich die Lage in Kontakt mit dem Musterelement befindet, wodurch das hydrophobe Polymer an der Lage an den Öffnungen konzentriert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Kontaktschritt umfasst, dass die Lagen zwischen zwei Formflächen gehalten werden, wobei zumindest eine Formfläche Öffnungen umfasst, durch die das Lösemittel verdunsten kann.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei eine Formfläche Öffnungen umfasst und die andere Formfläche massiv ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei beide Formflächen Öffnungen umfassen, und wobei ein Muster von hydrophobem Polymer auf beiden Seiten der Lagen abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Musterelement ein Sieb umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei ein Verdunsten durch Erhitzen der Lage erreicht wird, um Lösemittel zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei zumindest eine Seite der Lage über 10 bis 90 % ihrer Fläche mit Fluorkohlenwasserstoffpolymer beschichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei zumindest eine Seite der Lage über 10 bis 60 % ihrer Fläche mit Fluorkohlenwasserstoffpolymer beschichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei Schritt b) umfasst, dass das stromleitende Polymer aus einer wässrigen Lösung von Monomeren durch elektrochemische Polymerisierung abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Lösung ein Elektrolyt und ein Monomer umfasst, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Pyrrol, Thiophen, Anilin, Furan, Azulen, Carbazol und Derivate derselben.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Monomer Anilin umfasst.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Monomer Pyrrol umfasst.
Diffusionsmedium zur Verwendung in einer PEM-Brennstoffzelle, das hydrophobe und hydrophile Bereiche für ein verbessertes Wassermanagement enthält, mit: einem porösen leitenden Substrat, das zwei Seiten aufweist; einem hydrophoben Polymer, das auf dem Substrat abgeschieden ist und die hydrophoben Bereiche definiert; und einem stromleitenden Polymer, das auf dem Substrat abgeschieden ist und die hydrophilen Bereiche definiert.
Diffusionsmedium nach Anspruch 26, wobei das hydrophobe Polymer ein Fluorkohlenwasserstoffpolymer umfasst.
Diffusionsmedium nach Anspruch 27, wobei das hydrophobe Polymer Polytetrafluorethylen umfasst.
Diffusionsmedium nach Anspruch 26, wobei das stromleitende Polymer Polyanilin oder Polypyrrol umfasst.
Diffusionsmedium nach Anspruch 26, wobei die hydrophoben Bereiche sich vorwiegend auf einer Seite des Substrates befinden und die hydrophilen Bereiche sich vorwiegend auf der anderen Seite befinden.
Diffusionsmedium nach Anspruch 26, wobei das Substrat ein Kohlefaserpapier umfasst.
Diffusionsmedium nach Anspruch 31, wobei das hydrophobe Polymer ein Fluorkohlenwasserstoffpolymer umfasst.