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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft PEM-Brennstoffzellen und insbesondere
ein Diffusionsmedium für
eine Brennstoffzelle.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellen
sind bei vielen Anwendungen als eine Energiequelle verwendet worden.
Beispielsweise sind Brennstoffzellen zur Verwendung in elektrischen
Fahrzeugantriebsanlagen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen
worden. Bei Brennstoffzellen vom Typ mit Protonenaustauschmembran
(PEM) wird Wasserstoff an die Anode der Brennstoffzelle geliefert
und Sauerstoff als das Oxidationsmittel an die Kathode geliefert.
PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodenanordnung (MEA)
mit einer dünnen
protonendurchlässigen,
nicht elektrisch leitenden Festpolymerelektrolytmembran, die an
dem Abschnitt des aktiven Bereiches einer Seite den Anodenkatalysator
aufweist und an dem Abschnitt des aktiven Bereiches der entgegengesetzten
Seite den Kathodenkatalysator aufweist. Die MEA ist schichtartig
zwischen einem Paar nicht poröser,
elektrisch leitender Elemente oder Bipolarplatten angeordnet, die
als Stromkollektoren für die
Anode und Kathode dienen und geeignete Kanäle und/oder Öffnungen
enthalten, die darin ausgebildet sind, um die gasförmigen Reaktanden
der Brennstoffzelle über
die Oberflächen
der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren zu verteilen.
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Die
elektrisch leitenden Bipolarplatten, die die MEAs schichtartig anordnen,
können
eine Gruppierung aus Nuten in ihren Seiten enthalten, die ein Reaktandenströmungsfeld
zur Verteilung der gasförmigen
Reaktanden der Brennstoffzelle (d.h. Wasserstoff und Sauerstoff
in der Form von Luft) über
die Oberflächen
der jeweiligen Kathode und Anode definieren. Diese Reaktandenströmungsfelder
umfassen allgemein eine Vielzahl von Stegen, die eine Vielzahl von
Strömungskanälen dazwischen
definieren, durch die die gasförmigen
Reaktanden von einer Versorgungssammelleitung an einem Ende der
Strömungskanäle zu einer
Austragssammelleitung an dem entgegengesetzten Ende der Strömungskanäle strömen.
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Die
Abschnitte der MEA-Seiten über
den aktiven Bereich hinaus werden typischerweise als Abdichtungsflächen verwendet.
An diesen Rändern
des Membranelektrolyten sind Hauptdichtungen oder -versiegelungen
angeordnet, die die Bipolarplatten um den Umfang herum einrahmen,
wodurch verhindert wird, dass der Membranelektrolyt mit den Platten in
Kontakt tritt. Zusätzlich
sind auch dünne
polymere Filmdichtungen zwischen dem Membranelektrolyt und dem Diffusionsmedium
der Brennstoffzelle verwendet worden. Aufgrund signifikant höherer Kompressions-
und Scherspannungen an dem Membranelektrolyt an den Dichtungsgrenzflächen während des
Stapelbauprozesses kann die empfindliche Membran vorzeitig ausfallen.
Somit besteht ein Bedarf nach einer verbesserten Herstellung dieser
Elemente.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung sieht ein Diffusionsmedium zur Verwendung
in einer PEM-Brennstoffzelle vor, die ein entlastetes Randgebiet
relativ zu dem Innengebiet des Diffusionsmediums enthält. Vor
dem Bau und der Kompression eines Brennstoffzellenstapels wird der
Außenumfang
oder Abschnitt des Diffusionsmediums, der mit einer abdichtenden Dichtung
eine Schnittstelle bildet, mit einem Presswerkzeug vorkomprimiert.
Das vorkomprimierte Diffusionsmedium verringert die Kompressionsspannung
auf die MEA an der Dichtungsschnittstelle, wodurch eine gleichförmigere
Kompression über
die gesamten MEA-Oberflächen
während
des Baus, der Kompression wie auch des späteren Betriebs eines Brennstoffzellenstapels
ermöglicht
wird.
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Bei
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellendiffusionsmedium
offenbart, das einen ersten Abschnitt mit einer ersten Dicke und
einen zweiten Abschnitt mit einer zweiten Dicke aufweist, wobei
die erste Dicke kleiner als die zweite Dicke ist. Der erste Abschnitt
ist derart ausgebildet, dass er mit einer Dichtung in Eingriff steht,
die eine Tennschicht zwischen dem ersten Abschnitt und einer Membranelektrodenanordnung
vorsieht, wenn sie in einer Brennstoffzelle komprimiert werden.
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Bei
einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle
offenbart. Die Brennstoffzelle umfasst eine Separatorplatte, eine MEA
und ein Diffusionsmedium, das zwischen der Separatorplatte und der
MEA angeordnet ist. Das Diffusionsmedium besitzt eine Hauptseite
mit einem Innengebiet und einem Außengebiet. Die Hauptseite liegt
neben einer ersten Reaktandenseite der MEA und definiert eine erste
Schnittstelle zwischen einem Randgebiet des Diffusionsmediums beabstandet
von einem MEA-Randgebiet. Eine Dichtung ist zwischen dem MEA-Randgebiet
und dem Randgebiet des Diffusionsmediums angeordnet, um eine zweite
Schnittstelle dazwischen zu definieren. Die Dichtung wirkt mit dem
Randgebiet des Diffusionsmediums zusammen, so dass ein Kompressionsdruck,
der an der ersten Schnittstelle gemessen wird, größer als
oder gleich zwei Dritteln eines Kompressionsdruckes ist, der an
der zweiten Schnittstelle gemessen wird, wenn die MEA und die Dichtung
zwischen der Separatorplatte und dem Diffusionsmedium komprimiert sind.
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Bei
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zum Herstellen einer Baugruppe für
eine Brennstoffzelle offenbart. Die Baugruppe umfasst ein Diffusionsmedium
und eine Dichtung, wobei die Dichtung dazu dient, eine Trennschicht
zwischen dem Diffusionsmedium und einer MEA zu bilden. Das Verfahren
umfasst, dass: (1) eine Kraft auf einen Abschnitt des Diffusionsmediums
aufgebracht wird, wodurch der Abschnitt des Diffusionsmediums komprimiert
und dauerhaft verformt wird; (2) die Kraft von dem Abschnitt des
Diffusionsmediums entfernt wird; und (3) die Dichtung an dem Diffusionsmedium
angebracht wird.
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Bei
einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels offenbart, der eine
Vielzahl von Brennstoffzellen aufweist, die aufeinandergestapelt
und aneinander komprimiert sind. Die Brennstoffzellen umfassen ein
Diffusionsmedium, eine MEA, eine Dichtung, die dazu dient, eine
Trennschicht zwischen den Rändern
des Diffusionsmediums und der MEA vorzusehen, und ein leitendes Elektrodenelement.
Das Verfahren umfasst, dass: (1) eine Kompressionskraft auf einen
Abschnitt des Diffusionsmediums aufgebracht wird, bevor das Diffusionsmedium
mit der Kompression der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel
komprimiert wird; (2) die Kompressionskraft entfernt wird; (3) die Brennstoffzellen
in einer gewünschten
Orientierung angeordnet werden; und (4) die Brennstoffzellen aneinander
komprimiert werden, um den Brennstoffzellenstapel zu bilden.
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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 bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und
nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und
den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
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1A eine Teilschnittansicht einer Brennstoffzellenanordnung
gemäß den Grundsätzen der vorliegenden
Erfindung ist;
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1B ein
Schaubild des Kontaktdruckes entlang der Breite der Schnittstelle
zwischen MEA/Diffusionsmedium einer Brennstoffzellenanordnung gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
Schnittansicht eines Presswerkzeuges, das ein Diffusionsmedium komprimiert,
gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung ist;
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3A – 3D Schnittansichten
bevorzugter Konfigurationen der vorliegenden Erfindung sind;
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4A eine
Teilschnittansicht einer Brennstoffzellenanordnung nach dem Stand
der Technik ist; und
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4B ein
Schaubild des Kontaktdruckes entlang der Breite der Schnittstelle
zwischen MEA/Diffusionsmedium einer Brennstoffzellenanordnung nach
dem Stand der Technik ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen) ist lediglich
beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre
Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
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Brennstoffzellenstapel
umfassen typischerweise eine Vielzahl von Brennstoffzellen, die
aufeinandergestapelt sind und in Bezug zueinander unter Kompression
gehalten werden. Die Vielzahl gestapelter Brennstoffzellen bildet
eine Brennstoffzellenanordnung, die komprimiert wird, um die Vielzahl
von Brennstoffzellen in einer komprimierten Beziehung zu halten. 4 zeigt eine Teilschnittansicht einer Brennstoffzellenanordnung 110 nach
dem Stand der Technik, die eine erste Bipolarplatte 112 und
eine zweite Bipolarplatte 114 aufweist. Die Bipolarplatten 112, 114 werden
hier auch als elektrisch leitende Elektroden bezeichnet. Ein Diffusionsmedium 116, 118 befindet
sich benachbart jeder Bipolarplatte 112 bzw. 114.
Eine MEA 120 ist zwischen den Diffusionsmedien 116, 118 angeordnet.
Die MEA 120 umfasst ein ionenleitendes Element 122 mit
einer Anodenelektrode 124 auf einer Seite und einer Kathodenelektrode 126 auf
einer zweiten entgegengesetzten Seite. An den Rändern der MEA 120 sind
eine erste Dichtungsschicht 128 und eine zweite Dichtungsschicht 130 angeordnet,
wodurch verhindert wird, dass bloße MEA 120 den Bipolarplatten 112, 114 und der
rauen Brennstoffzellenumgebung ausgesetzt wird. Die Brennstoffzellenanordnung
erfordert eine signifikante Größe an Kompressionskraft,
um die Brennstoffzellen des Stapels zusammen zu pressen. Der Bedarf
nach Kompressionskraft entsteht aus dem Innengasdruck der Reaktanden
in den Brennstoffzellen zusätzlich
zu dem Bedarf, gute elektrische Kontakte zwischen den Innenkomponenten
der Brennstoffzellen beizubehalten. Bevorzugt werden die aktiven
Bereiche der Brennstoffzellen gleichförmig komprimiert, um den Wirkungsgrad
der Brennstoffzellenstapelanordnung zu maximieren.
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Die
Anordnung 110 nach dem Stand der Technik mit den Dichtungen 128, 130,
wie in 4 gezeigt ist, bewirkt typischerweise
signifikant höhere Kompressions-
und Scherspannungen in der MEA 120 an den Dichtungsrändern 132, 134 während des Stapelbau-
und Kompressionsprozesses. Dies resultiert teilweise daraus, da
Abschnitte der Diffusionsmedien 136, 138 über und
unter den Dichtungen 128 bzw. 130 stärker komprimiert
werden müssen,
um die zusätzliche
Dicke der Dichtungen 128, 130 aufzunehmen.
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4B zeigt
die Druckverteilung oder den Kontaktdruck über die Breite einer MEA einer
Brennstoffzellenanordnung nach dem Stand der Technik entsprechend 4A.
Bei Verwendung einer typischen Dichtung, die aus einem Polymerfilm
mit einer Dicke von 0,025 mm hergestellt ist, und einem typischen
Toray®-Papier
mit einer Dicke von 0, 2 mm als dem Diffusionsmedium 116, 118 hat
sich herausgestellt, dass der MEA-Druck an den Dichtungsrandschnittstellenbereichen 137 bis
zum Doppelten desjenigen der aktiven Bereiche 125, 127 nach
dem Bau und der Kompression einer Brennstoffzellenstapelanordnung
betragen kann. Als Ergebnis ist herausgefunden worden, dass die
Tendenz besteht, dass die MEA 120 an den Dichtungsrändern 132, 134 der MEA 120 vorzeitig
ausfällt,
was die Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels ernsthaft beeinträchtigen kann.
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Die
vorliegende Erfindung geht das Problem der hohen Kompressionsspannung
mit einer Konstruktion und einem Verfahren zur Verwendung eines Diffusionsmediums
an, das ein entlastetes Randgebiet relativ zu dem Innengebiet des
Diffusionsmediums aufweist. Das entlastete Randgebiet besitzt verschiedene
Spannungs-Dehnungs-Eigenschaften in der Dickenrichtung, was dem
Randgebiet eine Spannungsentlastung verleiht. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform
wird das Diffusionsmedium an dem Umfang vor Verwendung in einer
Brennstoffzelle vorkomprimiert. Das vorkomprimierte Diffusionsmedium verringert
die Kompressionsspannung an den MEA-Dichtungsschnittstellen und
erhöht
die MEA-Haltbarkeit.
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1A ist eine Teilschnittansicht einer Brennstoffzelle 10 mit
einer Membranelektrodenanordnung (MEA) gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie
in 1A gezeigt ist, umfasst die MEA 20 ein
ionenleitendes Element 22, das durch eine Anodenelektrode 24 und
eine Kathodenelektrode 26 schichtartig angeordnet ist,
die ein Paar aktiver Oberflächen 25, 27 vorsehen.
Die MEA 20 ist ferner durch ein Paar von Diffusionsmedien 16, 18 schichtartig
angeordnet. Vor der Brennstoffzellenanordnung werden die Diffusionsmedien 16, 18 jeweils
in einen Bereich entlang des Außenumfangs
benachbart der Dichtungen 28, 30, die die Diffusionsmedien 16, 18 um
den Umfang herum umgeben, vorkomprimiert. Ein zusätzliches
Abdichtungselement (nicht gezeigt) ist in den Umfangsgebieten zwischen
den Bipolarplatten 12, 14 angeordnet. Wie in der
Technik bekannt ist, umfassen die Bipolarplatten 12, 14 jeweils
ein Reaktandenströmungsfeld
(nicht gezeigt), das allgemein durch eine Vielzahl von Stegen gekennzeichnet
ist, die eine Vielzahl von Strömungskanälen definieren, durch
die die Reaktanden strömen.
Die Dichtungen 28, 30 und Abdichtungselemente
sind typischerweise elastomerer Natur, können jedoch auch Materialien umfassen,
wie Polyester und Polytetrafluorethylen (PTFE). Jedoch können die
Dichtungen und Abdichtungselemente ein beliebiges Material sein,
das zum Dichten der MEA 20 ausreicht.
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Das
ionenleitende Element 22 ist bevorzugt ein dünner Festpolymermembranelektrolyt
und bevorzugt eine PEM. Das Element 22 wird hier auch als eine
Membran 22 bezeichnet. Bevorzugt besitzt das ionenleitende
Element 22 eine Dicke im Bereich von etwa 10 μm – 100 μm und am
bevorzugtesten eine Dicke von etwa 25 μm. Polymere, die für derartige Membranelektrolyte
geeignet sind, sind in der Technik gut bekannt und in den U.S. Patenten
Nrn. 5,272,017 und 3,134,697 und an anderen Stellen in der Patent-
und Nichtpatentliteratur beschrieben. Es sei jedoch angemerkt, dass
die Zusammensetzung des ionenleitenden Elementes 22 beliebige
der protonenleitenden Polymere umfassen kann, die herkömmlich in
der Technik verwendet werden. Bevorzugt werden perfluorierte Sulfonsäurepolymere,
wie kommerziell erhältliches
NAFION®,
verwendet. Ferner kann das Polymer den alleinigen Bestandteil der Membran
bilden, kann mechanisch stützende
Fibrillen eines anderen Materials enthalten oder kann mit Partikeln
(beispielsweise mit Siliziumdioxid, Zeolithen oder anderen ähnlichen
Partikeln) durchsetzt sein. Alternativ dazu kann das Polymer oder
das Ionomer in den Poren eines anderen Materials getragen sein.
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Das
ionenleitende Element 22 ist eine kationenpermeable, protonenleitende
Membran mit H+-Ionen als dem mobilen Ion;
das Brennstoffgas ist Wasserstoff (oder Reformat), und das Oxidationsmittel
ist Sauerstoff oder Luft. Die Gesamtzellenreaktion ist die Oxidation
von Wasserstoff zu Wasser, und die jeweiligen Reaktionen an der
Anode und Kathode sind H2 = 2H+ +
2e– (Anode)
und 1/2 O2 + 2H+ +
2e– =
H2O (Kathode).
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Die
Zusammensetzung der Anodenelektrode 24 und der Kathodenelektrode 26 umfasst
bevorzugt elektrochemisch aktives Material, das in einem Polymerbinder
dispergiert ist, der wie das ionenleitende Element 22 ein
protonenleitendes Material ist, wie NAFION®. Das
elektrochemisch aktive Material umfasst bevorzugt katalysatorbeschichtete
Kohlenstoff- oder Graphitpartikel. Die Anodenelektrode 24 und
die Kathodenelektrode 26 umfassen bevorzugt Platin-Ruthenium,
Platin oder andere Pt/Übergangsmetalllegierungen
als dem Katalysator. Obwohl die Anode 24 und die Kathode 26 in
den Figuren mit gleicher Größe gezeigt
sind, sei angemerkt, dass es nicht außerhalb des Schutzumfangs der
Erfindung liegt, dass die Anode 24 und die Kathode 26 verschiedene
Größen besitzen
(d.h. die Kathode größer als
die Anode oder umgekehrt ist). Eine bevorzugte Dicke der Anode und
Kathode liegt im Bereich von etwa 2 – 30 μm und am bevorzugtesten bei
etwa 10 μm.
Bei einer alternativen Ausführungsform
kann die Brennstoffzelle ein katalysatorbeschichtetes Diffusionsmedium
verwenden. Bei dieser Konstruktion besteht die MEA ausschließlich aus
dem ionenleitenden Element 22, wobei die Elektroden und
das elektrochemisch aktive Material in den Diffusionsmedien 16, 18 (nicht
gezeigt) enthalten sind.
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Es
sei zu verstehen, dass die Anodenelektrode 24 und die Kathodenelektrode 26 über dem
ionenleitenden Element 22 als kontinuierliche, glatte Schichten
angeordnet sind, die eine im Wesentlichen flache Oberfläche zur
Auflage der Dichtungen 28, 30 und der Diffusionsmedien 16, 18 vorsehen.
Dies ist nützlich,
da, wenn diese Elemente zusammen mit der MEA 20 in einer
Brennstoffzellenstapelanordnung komprimiert werden, um die elektrische
heitfähigkeit der
in der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle erzeugten
Elektronen zu erleichtern und zu steigern, das ionenleitende Element 22 allgemein
einem gleichförmigen
Druck über
seine ganzen Oberflächen
hinweg ausgesetzt ist. Wenn das ionenleitende Element gleichförmigen Drücken über seine
Oberflächen
hinweg ausgesetzt ist, wird eine übermäßige Spannung an dem ionenleitenden
Element 22 verringert oder vermieden. Es sei auch zu verstehen,
dass, obwohl 1A die Anode 24 und
die Kathode 26 über
der gesamten Fläche
des ionenlei tenden Elements 22 angeordnet zeigt, sich die
Schichten der Anode 24 und der Kathode 26 nicht
unbedingt bis zu den äußersten
Rändern
der MEA 20 erstrecken müssen.
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Die
Diffusionsmedien 16, 18 können allgemein beliebige Diffusionsmedien
sein, die in der Technik bekannt sind. Bevorzugt sind die Diffusionsmedien 16, 18 Kohlepapiere,
Kohlenstoffgewebe oder Kohlenstoffschäume mit einer Dicke im Bereich von
etwa 50 – 500 μm. Die Diffusionsmedien 16, 18 unterstützen eine
Verteilung von Reaktandengasen über
die Elektroden 24, 26 und leiten Strom von den Elektroden 24, 26 an
die Stege (nicht gezeigt) der elektrisch leitenden Bipolarplatten 12, 14.
Ein bevorzugtes Diffusionsmedium der vorliegenden Erfindung umfasst
einen ersten Abschnitt 40 mit einer ersten Dicke und einen
zweiten Abschnitt 42 benachbart des aktiven Bereiches der
MEA 25, 27, der eine zweite und größere Dicke
aufweist. Der erste Abschnitt 40 ist dauerhaft verformt
und derart ausgebildet, dass er mit einer Dichtung 28, 30 in
Eingriff steht, die eine Trennschicht zwischen dem ersten Abschnitt 40 und der
MEA 20 vorsieht, wenn sie in einer Brennstoffzellenanordnung
komprimiert werden. Die Dichtung 28, 30 dient
dazu, den Randbereich der Brennstoffzelle zu sichern. Sie erlaubt
eine Wärmeübertragung
von dem aktiven Bereich der Brennstoffzelle an den Außenumfang
und verhindert, dass irgendwelche Fasern der Diffusionsmedien 16, 18 in
direkten Kontakt mit der bloßen
Membran kommen.
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Wie
vorher angemerkt wurde, muss, um die elektrische Leitfähigkeit
zwischen den Diffusionsmedien 16, 18 und den Elektroden 24, 26 zu
erleichtern, die MEA 20 bei einem hohen Druck komprimiert
werden. Bevorzugt besitzt die erste Dicke eine Größe, die
einen Kompressionsdruck an den Schnittstellen 37 der MEA 20 und
den Dichtungen 28, 30 innerhalb eines vorbestimmten
Bereiches für
die bestimmte Brennstoffzellenanordnung zur Folge hat. Bei einer Ausführungsform,
wie in den 1A und 1B gezeigt
ist, ist der Kompressionsdruck an den Schnittstellen 37 kleiner
als der oder gleich dem Kompressionsdruck an den aktiven Bereichen 25, 27 zwischen der
MEA 20 und den Diffusionsmedien 16, 18.
Um dieses Ergebnis zu erhalten, besitzen die Dichtungen 28, 30 bevorzugt
eine Dicke, so dass die Dicke des zweiten Abschnittes 42 größer als
die Gesamtdicke der Dichtungen 28, 30 und des
ersten Abschnittes 40 der Diffusionsmedien 16, 18 ist.
Die Dicke des zweiten Abschnittes 42 kann bis zu dem 1,2-fachen
größer als
die Dicke des ersten Abschnittes 40 sein (bis zu 120 %).
Es sei angemerkt, dass eine definitive Neigungs- oder Gradientenabweichung
der Dicke zwischen dem verformten ersten Abschnitt 40 und dem
nicht verformten zweiten Abschnitt 42 nicht unbedingt vorhanden
sein muss, wie in den 1 bis 3 gezeigt
ist. Insbesondere sei zu verstehen, dass, wenn eine Gradientenabweichung
zwischen derartigen Abschnitten vorhanden ist, die Figuren nicht
unbedingt den korrekten Maßstab
der Abweichung darstellen.
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Der
Vorkompressionsdruck hängt
von der Dicke der Dichtungen 28, 30, der Ziel-Stapelkompression
und dem Kompressionsverhalten der Diffusionsmedien 16, 18 ab.
Das Kompressionsverhalten der Diffusionsmedien 16, 18 kann
durch ihre Kompressionsspannungs-/Dehnungskurve beschrieben werden,
die durch eine Serie von Belastungs-, Entlastungs- und Wiederbelastungszyklen
erzeugt wird, wobei bei nachfolgenden Zyklen ein höherer Kompressionsdruck
vorherrscht. Die Größe der Kompressionskraft,
die dazu verwendet wird, die Diffusionsmedien 16, 18 vorzukomprimieren,
sollte so gewählt sein,
dass der Umfang oder die Ränder 40 der
Diffusionsmedien 16, 18 in dem anschließenden Herstellprozess
bis zu einem ersten gewünschten
Druck wiederbelastet werden können,
so dass der aktive Bereich 25, 27 der MEA 20 bis
zu einem zweiten gewünschten
Druck komprimiert wird. Bei einer Ausführungsform ist der erste ge wünschte Druck
kleiner als oder gleich 150 % des zweiten gewünschten Druckes über die
MEA in dem aktiven Bereich 25, 27.
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Ein
Verfahren zum Herstellen eines vorkomprimierten Diffusionsmediums
der vorliegenden Erfindung ist in 2 gezeigt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
komprimiert ein Presswerkzeug 44 die Ränder 40 des Diffusionsmediums
bis zu einer vorbestimmten Kompressionskraft. Die Dichtung 28, 30 ist
mit einer entfernbaren Verstärkung 46 auf
einer ersten Seite und einer Schicht eines druckempfindlichen Klebstoffes
(PSA) 48 auf einer zweiten entgegengesetzten Seite versehen.
Bevorzugt ist die entfernbare Verstärkung 46 auf die Dichtung
laminiert, und der PSA 48 ist auf die entgegengesetzte
Seite aufgebracht. Dies kann auf individueller Basis ausgeführt werden
oder alternativ dazu kann eine Baugruppe 50 aus PSA/Dichtung/Verstärkung in
Lagenform (nicht gezeigt) hergestellt und später in gewünschte Formen und Größen gemäß dem Dichtung,
das verwendet wird, geschnitten oder geformt werden. Sobald die
Baugruppe 50 aus PSA/Dichtung/Verstärkung hergestellt ist, wird
sie an den Diffusionsmedien 16, 18 angeordnet,
und es wird ein leichter Druck ausgeübt, um die Baugruppe 50 an
der Stelle zu fixieren. Ein Presswerkzeug 44 wird dann
auf der Baugruppe 50 ausgerichtet und angeordnet, und es
wird eine vorbestimmte Kompressionskraft auf die Baugruppe 50 und
das darunterliegende Diffusionsmedium 16, 18 ausgeübt. Bei
der Aufbringung von Druck wird das Diffusionsmedium dauerhaft an
den Rändern 40 verformt.
Der PSA 48 klebt die Dichtung 28, 30 an
das Diffusionsmedium 16, 18 durch Verteilen in die
Bereiche 52 des Diffusionsmediums 16, 18,
die mit der Dichtung 28, 30 in Kontakt stehen.
Bevorzugt ist die Dicke der entfernbaren Verstärkung 46 so gewählt, dass
das Presswerkzeug 44 mit dem nicht komprimierten aktiven
Bereich 42 des Diffusionsmediums während der Kompression nicht
physikalisch in Kontakt steht.
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PSA's werden allgemein
als eine Beschichtung auf einem Substrat geliefert und werden von verschiedenen
Trägern
getragen, wie Papier, Gewebe, Zellulose, Kunststofffilme, Metallfolie.
Chemische Familien von PSA's
umfassen natürlichen
Gummi bzw. Kautschuk, Styrol-Butadien-Kautschuk, Butylkautschuk,
rückgewonnener
Gummi bzw. Kautschuk, Nitrilkautschuk, Polyacrylate, Polyvinylether
und Silikone. Generell besitzen reine gummibasierte Materialien
schlechte Alterungscharakteristiken. Die meisten basieren auf Gummis
mit verschiedenen Zusätzen,
einschließlich
Haftvermittlern. Der PSA ist leicht aufzubringen, wobei die Klebleistung
dennoch durch die Aufbringungsausstattung kompliziert beeinflusst wird.
Allgemein besitzen PSA-Aufkleber und -Bänder eine gleichförmige Dicke,
und eine Anhaftung wird bei Raumtemperatur normalerweise dauerhaft
(d.h. es ist keine Aktivierung durch Wärme, Wasser oder Lösemittel
erforderlich), obwohl eine Vernetzung einiger Formulierungen möglich ist.
Bevorzugt ist der gewählte
PSA in der Lage, Substrate aneinander zu halten, wenn sie in Kontakt
unter kurzem Druck bei Raumtemperatur gebracht werden. Das PSA-Material
muss die Fähigkeit
besitzen, Energie während
der Anhaftung zu dissipieren, ein teilelastisches Verhalten besitzen
und die Tendenz besitzen, einer übermäßigen Strömung zu
widerstehen, d.h. die Fähigkeit,
Bindungsbruchenergie zu speichern, um ein Abziehen und Anhaften
vorzusehen (d.h. Viskoelastizität).
Silikon-PSA's besitzen
einen breiteren Temperaturanwendungsbereich als die meisten anderen
und besitzen eine ausgezeichnete chemische und Lösemittelbeständigkeit
und – flexibilität. Silikon-PSA's basieren auf einem
Gummi und Harz.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann das Diffusionsmedium 16, 18 ohne
die gleichzeitige Verbindung oder Anbringung der Dichtung 28, 30 komprimiert
werden. Diese Ausführungsform
umfasst, dass eine Kraft auf einen Abschnitt des Diffusionsmediums
aufgebracht wird, wodurch ein Abschnitt des Diffusionsmediums kompri miert
und dauerhaft verformt wird. Bevorzugt wird der äußere Umfangsabschnitt des Diffusionsmediums
komprimiert. Das Diffusionsmedium kann unter Verwendung eines Presswerkzeugs 44 komprimiert
werden, wie vorher beschrieben ist, das so abgeändert ist, dass es eine vorragende
Form der Dichtung aufweist. Eine andere Ausführungsform umfasst, dass das
Diffusionsmedium durch eine Vorrichtung vom Rahmentyp gepresst wird,
die eine derartige Kontur aufweist, dass sie die Form der Dichtung 28, 30 besitzt.
Es sei zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung nicht durch
die offenbarten Ausführungsformen,
in denen das Diffusionsmedium vorkomprimiert ist, beschränkt sein
soll, und dass zahlreiche Variationen und Verfahren zum Komprimieren von
Abschnitten der Diffusionsmedien von Fachleuten verwendet werden
können.
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Die 3A – 3D zeigen
verschiedene Ausführungsformen
und Baugruppen der vorliegenden Erfindung. 3A zeigt
das vorkomprimierte Diffusionsmedium 16, 18 selbst
als eine einheitliche Ausführungsform.
Bei einer anderen Ausführungsform
kann die Dichtung 28, 30 mit dem Diffusionsmedium 16, 18 verbunden
sein, um eine Anordnung zu bilden, wie in 3B gezeigt
ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Dichtung 28, 30 an dem Diffusionsmedium 16, 18 angebracht
und überlappt
das Diffusionsmedium 16, 18 nur entlang des vorkomprimierten
Abschnitts 40 des Diffusionsmediums 16, 18.
Die 3C und 3D repräsentieren das
Diffusionsmedium und die Baugruppe aus Diffusionsmedium/Dichtung,
die an jeder Seite einer Bipolarplatte 12, 14 angebracht
ist. Bevorzugt ist das Diffusionsmedium 16, 18 mit
der Bipolarplatte 12, 14 über einen elektrisch leitenden
Klebstoff verbunden. Der Klebstoff kann vor dem Zusammenbau mit
dem Diffusionsmedium 16, 18 zwischen den beiden
Flächen
entlang des Außenumfangs
aufgebracht oder auf die Stege der Bipolarplatte 12, 14 aufgebracht werden.
Geeignete leitende Klebstoffe können
eine Vielzahl von Materialien umfassen, einschließlich Flocken und
Pulvermetall, und sind in der Technik gut bekannt. Leitende Klebstoffe
sind gegenüber
Lötverfahren
bevorzugt, da ein leitender Klebstoff eine allgemein größere Beständigkeit
gegenüber
Korrosion und aggressive Materialien in rauen Umgebungen, wie Brennstoffzellen
besitzt. Zusätzlich
reduziert ein Klebstoff im Vergleich zu Lot das Gewicht für die Verbindungsmaterialien
um einen Faktor von 10 bis 20.
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Nun
wird ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels
beschrieben, das umfasst, dass eine Vielzahl von Brennstoffzellen
aufeinander angeordnet wird und die Anordnung komprimiert wird.
Jede Brennstoffzelle umfasst Diffusionsmedien 16, 18,
eine MEA 20, Dichtungen 28, 30, die dazu dienen,
eine Trennschicht zwischen den Diffusionsmedien 16, 18 und
der MEA 20 vorzusehen, und ein Paar leitende Elektrodenelemente 12, 14.
Das Verfahren umfasst, dass eine Kompressionskraft aufgebracht und
entfernt wird, um einen Abschnitt des Diffusionsmediums dauerhaft
zu verformen, wie vorher beschrieben wurde. Das vorkomprimierte
Diffusionsmedium 16, 18 wird mit den anderen Brennstoffzellenkomponenten
in ein gewünschtes
Gebilde angeordnet, und die gesamte Anordnung der Elemente wird
aneinander komprimiert, wodurch ein Brennstoffzellenstapel gebildet
wird. Die Kompressionskraft, die auf die Brennstoffzellenanordnung
aufgebracht wird, kann typischerweise durch obere und untere Endplatten
(nicht gezeigt) erzeugt werden, die in einer fixierten beabstandeten
Beziehung durch Seitenplatten (nicht gezeigt) gehalten werden, wie
in der Technik bekannt ist. Fachleute erkennen, dass die Anzahl
von Brennstoffzellen, die benachbart aneinander gestapelt sind,
um die Brennstoffzellenanordnung zu bilden, abweichen kann und von
den Anforderungen des Brennstoffzellenstapels abhängt.
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Es
sei angemerkt, dass, während
die vorliegende Erfindung bevorzugte Ausführungsformen offenbart, die
Diffusionsmedien 16, 18 aufweisen, die vorkomprimierte
Ränder
besitzen, alternative Verfahren zum Entlasten von Spannung an der
MEA an den Schnittstellen zwischen MEA/Dichtung erwogen werden können. Beispielsweise
können
die Ränder
des Diffusionsmediums geschnitten oder durch andere Mittel entfernt
werden, einschließlich,
jedoch nicht darauf beschränkt,
Laserätzen,
chemisches Ätzen, Stechen
bzw. Gravieren, Schleifen, Mahlen, Umformen, Sandstrahlen und andere ähnliche
Prozesse vom mechanischen Typ, die in der Technik bekannt sind,
um ein massives Element zu formen und zu verformen. Somit ist die
Beschreibung der Erfindung lediglich beispielhafter Natur, und Abwandlungen,
die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen, sind als innerhalb
des Schutzumfangs der Erfindung befindlich anzusehen. Derartige
Abwandlungen werden nicht als Abweichung von der Grundidee und dem
Schutzumfang der Erfindung betrachtet.
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Zusammenfassung
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Es
ist ein Diffusionsmedium zur Verwendung in einer PEM-Brennstoffzelle
offenbart, das ein entlastetes Randgebiet relativ zu dem Innengebiet
des Diffusionsmediums aufweist. Der Außenumfang oder Abschnitt des
Diffusionsmediums, der mit einer abdichtenden Dichtung eine Schnittstelle
bildet, wird vorkomprimiert. Das vorkomprimierte Diffusionsmedium
verringert die Kompressionsspannung an der MEA an den Dichtungsschnittstellen,
wodurch eine gleichförmigere
Kompression an allen MEA-Oberflächen während des
Aufbaus, der Kompression und des späteren Betriebs eines Brennstoffzellenstapels ermöglicht wird.