DE112021005240T5

DE112021005240T5 - Gasdiffusionsschichten einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112021005240T5
Application number: DE112021005240.3T
Authority: DE
Inventors: Bicheng Chen; Yoshida Rikiya; Makino Shinichi; Xu Zhang; Jake Christensen; Xiaobai Li; Christina Johnston; Lei Cheng
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-01-22
Filing date: 2021-01-22
Publication date: 2023-09-14
Also published as: WO2022159101A1; US20240079607A1

Abstract

Eine Brennstoffzelle enthält eine Gasdiffusionsschicht (Gas Diffusion Layer, GDL), die zwischen einer Katalysatorschicht der Brennstoffzelle und einer Strömungsfeld-platte der Brennstoffzelle angebracht ist. Die GDL weist ein erstes Gebiet und ein zweites Gebiet entlang einer Dickenrichtung der Brennstoffzelle auf. Das erste Gebiet liegt benachbart zur Katalysatorschicht und weist eine erste Wärmeleitfähigkeit auf. Das zweite Gebiet liegt benachbart zur Strömungsfeldplatte und weist eine zweite Wärmeleitfähigkeit auf, die niedriger als die erste Wärmeleitfähigkeit ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Gasdiffusionsschichten (Gas Diffusion Layers, GDLs) einer Brennstoffzelle für eine Brennstoffzelle mit einer Protonenaustauschmembran (Proton Exchange Membrane fuel cell, PEM-Brennstoffzelle).
Hintergrund
Brennstoffzellen haben sich als ein Versprechen als alternative Energiequelle für Fahrzeuge und andere Transportanwendungen erwiesen. Brennstoffzellen werden mit einem erneuerbaren Energieträger wie zum Beispiel Wasserstoff betrieben. Brennstoffzellen werden betrieben, ohne Gift- oder Treibhausgase zu erzeugen. Die GDLs sind wichtige Komponenten in einem PEM-Brennstoffzellenstapel, die nicht nur die Reaktionsmittel von den Strömungsfeldplatten zu den Katalysatorschichten diffundieren, sondern auch eine Wärme- und Wasserableitung in der PEM-Brennstoffzelle vereinfachen.
Kurzdarstellung
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Brennstoffzelle offenbart. Die Brennstoffzelle kann eine Gasdiffusionsschicht (Gas Diffusion Layer, GDL) enthalten, die zwischen einer Katalysatorschicht der Brennstoffzelle und einer Strömungsfeldplatte der Brennstoffzelle angebracht ist. Die GDL kann ein erstes Gebiet und ein zweites Gebiet entlang einer Dickenrichtung der Brennstoffzelle aufweisen. Das erste Gebiet kann benachbart zur Katalysatorschicht liegen und kann eine erste Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Das zweite Gebiet kann benachbart zur Strömungsfeldplatte liegen und kann eine zweite Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die niedriger als die erste Wärmeleitfähigkeit ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird eine Brennstoffzelle offenbart. Die Brennstoffzelle kann eine Gasdiffusionsschicht (Gas Diffusion Layer, GDL) enthalten, die zwischen einer Katalysatorschicht der Brennstoffzelle und einer Strömungsfeldplatte der Brennstoffzelle angebracht ist. Die GDL kann einen Gradienten einer Wärmeleitfähigkeit zwischen einem ersten Gebiet der GDL und einem zweiten Gebiet der GDL entlang einer Dickenrichtung der Brennstoffzelle aufweisen. Das erste Gebiet kann benachbart zur Katalysatorschicht liegen und kann eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Das zweite Gebiet kann benachbart zur Strömungsfeldplatte liegen und kann eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als die höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Gemäß einer noch anderen Ausführungsform wird eine Brennstoffzelle offenbart. Die Brennstoffzelle kann eine Gasdiffusionsschicht (Gas Diffusion Layer, GDL) enthalten, die zwischen einer Katalysatorschicht der Brennstoffzelle und einer Strömungsfeldplatte der Brennstoffzelle angebracht ist. Die GDL kann ein erstes Gebiet und ein zweites Gebiet entlang einer Dickenrichtung der Brennstoffzelle aufweisen. Das erste Gebiet kann benachbart zur Katalysatorschicht liegen und kann eine gleichförmige Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Das zweite Gebiet kann benachbart zur Strömungsfeldplatte liegen und kann einen Gradienten einer Wärmeleitfähigkeit entlang der Dickenrichtung der Brennstoffzelle aufweisen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 stellt eine schematische Seitenansicht einer PEM-Brennstoffzelle dar.
2 stellt eine schematische Seitenansicht einer Halbzellenanordnung einer PEM-Brennstoffzelle dar.
3 stellt ein schematisches Diagramm dar, das einen Ort zeigt, an dem im allgemeinen Wasser in einer GDL kondensiert wird, die eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist.
4 stellt ein schematisches Diagramm dar, das einen Ort zeigt, an dem im allgemeinen Wasser in einer GDL kondensiert wird, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
5 stellt ein schematisches Diagramm einer ersten Ausführungsform einer GDL gemäß der vorliegenden Offenbarung dar.
6 stellt ein schematisches Diagramm dar, das einen Ort zeigt, an dem im allgemeinen Wasser in einer GDL kondensiert wird, wie sie in 5 beschrieben wird.
7 stellt ein schematisches Diagramm dar, das einen Ort zeigt, an dem im allgemeinen Wasser in einer GDL kondensiert wird, die eine Referenzwärmeleitfähigkeit aufweist.
8 stellt ein schematisches Diagramm einer zweiten Ausführungsform einer GDL gemäß der vorliegenden Offenbarung dar.
9 stellt ein schematisches Diagramm einer dritten Ausführungsform einer GDL gemäß der vorliegenden Offenbarung dar.
10 stellt ein schematisches Diagramm dar, das einen Ort zeigt, an dem im allgemeinen Wasser in einer GDL kondensiert wird, wie sie in 9 beschrieben wird.
11 stellt ein schematisches Diagramm einer vierten Ausführungsform einer GDL gemäß der vorliegenden Offenbarung dar.
12 stellt ein schematisches Diagramm einer fünften Ausführungsform einer GDL gemäß der vorliegenden Offenbarung dar.
13 stellt ein schematisches Diagramm dar, das einen Ort zeigt, an dem im allgemeinen Wasser in einer GDL kondensiert wird, wie sie in 12 beschrieben wird.
14 stellt ein schematisches Diagramm einer sechsten Ausführungsform einer GDL gemäß der vorliegenden Offenbarung dar.
15 stellt eine schematische perspektivische Ansicht einer siebten Ausführungsform einer GDL gemäß der vorliegenden Offenbarung dar.
16 stellt eine schematische perspektivische Ansicht einer achten Ausführungsform einer GDL gemäß der vorliegenden Offenbarung dar.
17 stellt eine schematische perspektivische Ansicht einer neunten Ausführungsform einer GDL gemäß der vorliegenden Offenbarung dar.

Ausführliche Beschreibung
Hier werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es ist jedoch selbstverständlich, dass die offenbarten Ausführungsformen nur Beispiele sind und weitere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet; einige Merkmale können stark vergrößert oder verkleinert sein, um Einzelheiten der Komponenten zu zeigen. Daher dürfen die hier offenbarten spezifischen strukturellen und funktionellen Einzelheiten nicht als Einschränkung interpretiert werden, sondern nur als eine typische Grundlage, um dem Fachmann zu erläutern, wie er die Ausführungsformen in unterschiedlicher Weise einsetzen kann. Wie der Fachmann verstehen wird, können verschiedene Merkmale, die in Bezug auf eine beliebige der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt werden, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht ausdrücklich dargestellt oder beschrieben werden. Die Kombinationen von dargestellten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Ausführungsformen bereit. Für die Anwendungen und Implementierungen können jedoch zahlreiche Kombinationen und Veränderungen der Merkmale erwünscht sein, die mit den Lehren dieser Offenbarung im Einklang stehen.
Diese vorliegende Offenbarung ist nicht auf die nachfolgend beschriebenen spezifischen Ausführungsformen und Verfahren beschränkt, da spezifische Komponenten und/oder Bedingungen selbstverständlich variieren können. Darüber hinaus wird die hier verwendete Terminologie nur zu dem Zweck verwendet, um Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu beschreiben, und sie ist nicht als eine Einschränkung der Erfindung zu verstehen.
So wie in dieser Beschreibung und den angefügten Ansprüchen die Singularformen „ein“, „eine“, „einer“ und „der“, „die“, „das“ verwendet werden, umfassen sie auch die Pluralformen, sofern durch den Kontext nicht eindeutig Gegenteiliges angezeigt wird. Zum Beispiel ist ein Bezug auf eine Komponente im Singular so zu verstehen, dass sie eine Mehrzahl von Komponenten umfasst.
Die Beschreibung einer Gruppe oder einer Klasse von Materialien als geeignet für einen bestimmten Zweck in Zusammenhang mit einer oder mehreren Ausführungsformen bedeutet, dass Mischungen von beliebigen zwei oder mehr Bestandteilen der Gruppe geeignet sind. Eine Beschreibung von Bestandteilen im chemischen Sinne bezieht sich auf die Bestandteile zum Zeitpunkt eines Hinzufügens zu einer beliebigen Kombination, die in der Beschreibung spezifiziert wird, und schließt nicht unbedingt chemische Wechselwirkungen zwischen den Bestandteilen der Mischung aus, sobald sie gemischt wurden.
Ausgenommen wenn dies ausdrücklich angezeigt wird, sind alle numerischen Größen in dieser Beschreibung, die Dimensionen oder Materialeigenschaften anzeigen, so zu verstehen, dass sie durch den Begriff „ungefähr“ modifiziert wurden, wenn der breiteste Umfang der vorliegenden Offenbarung beschrieben wird.
Die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung ist auf alle hier nachfolgenden Verwendungen der gleichen Abkürzung anzuwenden und ist in entsprechender Weise auf normale grammatische Variationen der anfänglich definierten Abkürzung anzuwenden. Sofern nicht ausdrücklich Gegenteiliges angegeben wird, wird eine Messung einer Eigenschaft durch die gleiche Technik ermittelt, wie sie vorher oder nachher für die gleiche Eigenschaft aufgeführt wird.
Der Begriff „im Wesentlichen“ kann hier verwendet werden, um offenbarte oder beanspruchte Ausführungsformen zu beschreiben. Der Begriff „im Wesentlichen“ kann jeden Wert oder relative Eigenschaft modifizieren, die in der vorliegenden Offenbarung offenbart oder beansprucht wird. „Im Wesentlichen“ kann bedeuten, dass der von ihr modifizierte Wert oder die von ihr modifizierte relative Eigenschaft innerhalb von ± 0%, 0,1 %, 0,5%, 1 %, 2%, 3%, 4%, 5% oder 10% des Wertes oder der relativen Eigenschaft liegt.
Es wird ausführlich Bezug genommen auf Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren von Ausführungsformen, die den Erfindern bekannt sind. Die offenbarten Ausführungsformen sind jedoch lediglich beispielhaft für die vorliegende Offenbarung, die in verschiedenen und alternativen Formen verkörpert werden kann. Daher dürfen die hier offenbarten spezifischen Einzelheiten nicht als Einschränkung interpretiert werden, sondern stattdessen nur als repräsentative Grundlagen, um dem Fachmann zu erläutern, wie er die vorliegende Offenbarung in unterschiedlicher Weise einsetzen kann.
Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen) weisen ein großes Potenzial als eine alternative Lösung für eine Energieerzeugung und einen Energieverbrauch auf. Insbesondere werden PEM-Brennstoffzellen als elektrische Stromquellen für Kraftfahrzeuganwendungen entwickelt. Eine typische einzelne PEM-Brennstoffzelle besteht aus einer PEM, einer Anodenschicht, einer Kathodenschicht und Gasdiffusionsschichten (GDLs). Diese Komponenten bilden eine Membranelektrodenanordnung (MEA), die von zwei Strömungsfeldplatten umgeben wird.
Die GDLs bestehen aus einem porösen, elektrisch leitfähigen Material, das aus einer dichten Anordnung von Kohlenstofffasern zusammengesetzt ist, die den Gas- und Wassertransport in einer PEM-Brennstoffzelle unterstützen. Insbesondere stellen die GDLs Durchgänge für Gasreaktionsmittel von den Strömungsfeldplatten zu den Katalysatorschichten und für Wasser von den Katalysatorschichten zu den Strömungsfeldplatten bereit, wodurch eine Wärme- und Wasserableitung aus einer MEA vereinfacht wird und eine intakte Betriebsbedingung für die PEM-Brennstoffzelle aufrechterhalten wird. Außerdem stellen die GDLs eine mechanische Stütze für die MEA bereit und schützen die Katalysatorschichten vor Korrosion. Daher können die Wärmeeigenschaften der GDLs größerer Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit der PEM-Brennstoffzelle haben.
Im allgemeinen kann die Wärmeleitfähigkeit einer GDL in einer PEM-Brennstoffzelle in einem Bereich von 0,1 bis 20 W/mK liegen. Eine PEM-Brennstoffzelle, die mit GDLs ausgestattet ist, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, können eine gute Brennstoffzellenleistungsfähigkeit vorweisen, wenn die PEM-Brennstoffzelle unter warmen und trockenen Bedingungen betrieben wird (wenn z. B. die Temperatur der PEM-Brennstoffzelle ungefähr 80°C beträgt und ein relatives Feuchtigkeitsniveau (RH-Niveau) in der PEM-Brennstoffzelle bei ungefähr 50% liegt). Die Brennstoffzellenleistungsfähigkeit kann jedoch dramatisch abnehmen, wenn eine derartige PEM-Brennstoffzelle unter kalten und feuchten Bedingungen betrieben wird (wenn z. B. die Temperatur der PEM-Brennstoffzelle ungefähr 60°C beträgt und ein RH-Niveau in der PEM-Brennstoffzelle bei ungefähr 90% liegt). Auf der anderen Seite kann eine PEM-Brennstoffzelle, die mit GDLs ausgestattet ist, die eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen, eine niedrige Leistungsfähigkeit vorweisen, wenn die PEM-Brennstoffzelle unter warmen und trockenen Bedingungen betrieben wird. Diese niedrige Leistungsfähigkeit kann auf einer übertrockneten MEA und verschleißenden lonomeren in der MEA begründet sein. Da die PEM-Brennstoffzellen normalerweise in einem Bereich von dynamischen Betriebsbedingungen betrieben werden, welche sowohl die warmen und trockenen Bedingungen als auch die kalten und feuchten Bedingungen enthalten, besteht für ein Verbessern der Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit von Brennstoffzellen eine Notwendigkeit funktionalisierte GDLs aufzunehmen, die gute Wärme- und Wasserverwaltungsfähigkeiten in der PEM-Brennstoffzelle bereitstellen können.
Aspekte der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf GDLs einer PEM-Brennstoffzelle, die gute Wärme- und Wasserverwaltungsfähigkeiten bereitstellen können. In einer ersten Ausführungsform kann eine GDL ein erstes Gebiet und ein zweites Gebiet entlang einer Dickenrichtung der PEM-Brennstoffzelle enthalten, wobei das erste Gebiet eine erste Wärmeleitfähigkeit aufweist und wobei das zweite Gebiet eine zweite Wärmeleitfähigkeit aufweist, die niedriger als die erste Wärmeleitfähigkeit ist. In einer zweiten Ausführungsform kann eine GDL einen Gradienten einer Wärmeleitfähigkeit entlang einer Dickenrichtung der PEM-Brennstoffzelle aufweisen, wobei ein erstes Gebiet der GDL benachbart zu einer Katalysatorschicht der PEM-Brennstoffzelle liegt und eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist und wobei ein zweites Gebiet benachbart zu einer Strömungsfeldplatte der PEM-Brennstoffzelle liegt und eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als die höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist. In einer dritten Ausführungsform kann eine GDL ein erstes Gebiet und ein zweites Gebiet entlang einer Dickenrichtung der PEM-Brennstoffzelle enthalten, wobei das erste Gebiet eine gleichförmige Wärmeleitfähigkeit aufweist und wobei das zweite Gebiet einen Gradienten einer Wärmeleitfähigkeit aufweist. In einigen weiteren Ausführungsformen kann eine GDL ein drittes Gebiet enthalten, das eine anisotrope Wärmeleitfähigkeit aufweist, wobei das dritte Gebiet ein Teil des zweiten Gebiets oder getrennt davon anliegend an einem Endgebiet des zweitens Gebiets sein kann. In noch einigen weiteren Ausführungsformen kann die GDL nicht nur eine nicht-gleichförmige Wärmeleitfähigkeit entlang einer Dickenrichtung der PEM-Brennstoffzelle aufweisen, sondern auch eine nicht-gleichförmige Wärmeleitfähigkeit entlang einer Längen- und/oder einer Höhenrichtung der PEM-Brennstoffzelle aufweisen.
1 stellt eine schematische Seitenansicht einer PEM-Brennstoffzelle dar. Die PEM-Brennstoffzelle 10 kann gestapelt sein, um eine Brennstoffzellenstapelanordnung zu bilden. Die PEM-Brennstoffzelle 10 enthält eine Polymerelektrolytmembran (PEM) 12, eine Anodenschicht 14, eine Kathodenschicht 16, eine Anodengasdiffusionsschicht (Anoden-GDL) 18, und eine Kathoden-GDL 20. Die PEM 12 ist zwischen der Anodenschicht 14 und der Kathodenschicht 16 angebracht. Die Anodenschicht 14 ist zwischen der Anoden-GDL 18 und der PEM 12 angebracht und die Kathodenschicht 16 ist zwischen der Kathoden-GDL 20 und der PEM 12 angebracht. Die PEM 12, die Anode 14, die Kathode 16 und die Anoden- und Kathoden-GDLs 18 und 20 umfassen außerdem eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 22. Ein Katalysatormaterial, wie zum Beispiel Platin (Pt), kann in der Anodenschicht 14 und der Kathodenschicht 16 enthalten sein.
Eine erste Seite 24 der MEA 22 wird von einer Anodenströmungsfeldplatte 28 begrenzt und die zweite Seite 26 der MEA 22 wird von einer Kathodenströmungsfeldplatte 30 begrenzt. Die Anodenströmungsfeldplatte 28 enthält ein Anodenströmungsfeld 32, das konfiguriert ist, um H₂ auf der MEA 22 zu verteilen. Die Kathodenströmungsfeldplatte 30 enthält ein Kathodenströmungsfeld 34, das konfiguriert ist, um O₂ auf der MEA 22 zu verteilen.
Zum Verbessern eines Wasser- und Gastransports und zum Verstärken eines elektrischen Kontakts einer GDL kann die GDL außerdem eine mikroporöse Schicht (Microporous Layer, MPL) enthalten. 2 stellt eine schematische Seitenansicht einer Halbzellenbaugruppe einer PEM-Brennstoffzelle dar. Wie in 2 gezeigt wird, enthält die Halbzellenanordnung 50 eine Katalysatorschicht 52, eine GDL 54 und eine Strömungsfeldplatte 56. Die GDL 54 ist zwischen der Katalysatorschicht 52 und der Strömungsfeldplatte 56 angebracht. In dieser Konfiguration ist die GDL 54 eine zweischichtige Konfiguration, die eine makroporöse Schicht 58 und eine MPL 60 enthält. Die MPL 60 trennt die Katalysatorschicht 52 von der makroporösen Schicht 58. Im allgemeinen besteht die MPL 60 aus Ruß und einem hydrophoben Agenten. Die makroporöse Schicht 58 besteht typischerweise auf Kohlenstofffasern. Die MPL 60 kann verhindern, dass Wasser die Katalysatorschicht 52 blockiert, wodurch der Wasser- und Gastransport in der MEA vereinfacht wird.
3 stellt ein schematisches Diagramm dar, das einen Ort zeigt, an dem im allgemeinen Wasser in einer GDL kondensiert wird, die eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Es wird angenommen, dass der Wert der Wärmeleitfähigkeit der GDL gleich R1 ist. In 3 repräsentiert T1 die Temperatur einer ersten Seite der GDL 80, die benachbart zu einer Katalysatorschicht 82 ist. T0 repräsentiert die Temperatur einer zweiten Seite der GDL 80, die benachbart zu einer Strömungsfeldplatte 84 ist, und wobei T0 im allgemeinen die Temperatur eines Kühlmittels ist, das in der Strömungsfeldplatte 84 fließt, um eine PEM-Brennstoffzelle abzukühlen. Wie in 3 dargestellt wird, nimmt die Temperatur der GDL 80 von der ersten Seite zur zweiten Seite der GDL 80 ab, was durch den Plot 1 dargestellt wird.
Da in der GDL 80 während eines Normalbetriebs Wasser erzeugt wird, kann aufgrund der Temperaturdifferenzen über der gesamten GDL 80 auch Wasser kondensiert werden. Eine Wasserkondensationstemperatur kann von einer Betriebsbedingung der PEM-Brennstoffzelle abhängig sein. Wie in 3 gezeigt wird, liegt die Wasserkondensationstemperatur, Tc, zwischen T1 und T0, was durch eine gestrichelte Linie dargestellt wird. Der Schnittpunkt des Plots 1 und der gestrichelten Linie, P1, kann einen Ort anzeigen, an dem Wasser im allgemeinen in der GDL 80 während oder nach einem Normalbetrieb der PEM-Brennstoffzelle kondensiert wird. In 3 erscheint es, dass der Wasserkondensationsort P1 näher an der Strömungsfeldplatte 84 im Vergleich zur Katalysatorschicht 82 liegt. Ein derartiger Wasserkondensationsort kann es weniger wahrscheinlich machen, dass Wasser die gesamte GDL 80 überflutet. Aufgrund der niedrigen Wärmeleitfähigkeit der GDL 80 ist T1 jedoch üblicherweise hoch. Eine derartige hohe Temperatur von T1 kann den Verschleiß der MEA beschleunigen.
4 stellt ein schematisches Diagramm dar, das einen Ort zeigt, an dem im allgemeinen Wasser in einer GDL kondensiert wird, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Es wird angenommen, dass der Wert der Wärmeleitfähigkeit der GDL gleich R2 ist, wobei R2 > R1 ist. In 4 repräsentiert T2 die Temperatur einer ersten Seite der GDL 90, die benachbart zu einer Katalysatorschicht 92 ist. T0 repräsentiert die Temperatur einer zweiten Seite der GDL 90, die benachbart zu einer Strömungsfeldplatte 94 ist, und wobei T0 im allgemeinen die Temperatur eines Kühlmittels ist, das in der Strömungsfeldplatte 94 fließt, um eine PEM-Brennstoffzelle abzukühlen. Wie in 4 dargestellt wird, nimmt die Temperatur der GDL 90 von der ersten Seite zur zweiten Seite der GDL 90 ab, was durch den Plot 2 dargestellt wird. Der Plot 1 aus 3 wurde zum Vergleich in die 4 aufgenommen.
Unter der Annahme, dass die PEM-Brennstoffzelle in 4 unter einer ähnlichen Bedingung wie diejenige in 3 betrieben wird, stellt die gestrichelte Linie die Wasserkondensationstemperatur Tc in der GDL 90 wie diejenige in der GDL 80 in 3 dar. Wenn außerdem angenommen wird, dass die Kühlmitteltemperatur T0 auch die gleiche wie in 3 ist, kann der Schnittpunkt des Plots 2 und der gestrichelten Linie, P2, den Ort anzeigen, an dem in der GDL 90 im allgemeinen Wasser kondensiert wird. Im Vergleich zu dem Wasserkondensationsort P1 in der GDL 80 der 3 erscheint es, dass der Wasserkondensationsort P2 in der GDL 90 näher an der Katalysatorschicht 92 liegt. Obwohl T2 niedriger als T1 ist, kann ein derartiger Wasserkondensationsort von P2 jedoch einen nachteiligen Effekt auf die Katalysatorleistungsfähigkeit in der Katalysatorschicht 92 (wenn die PEM-Brennstoffzelle z. B. unter feuchten Bedingungen betrieben werden) induzieren, wodurch die Haltbarkeit der PEM-Brennstoffzelle abnimmt.
In Anbetracht der 3 und 4 zeigen die Ergebnisse, dass, wenn eine GDL eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist, ein Wasserkondensationsort in der GDL relativ näher an der Strömungsfeldplatte (d. h. weiter entfernt von der Katalysatorschicht) liegen kann, aber die Temperatur der GDL im allgemeinen hoch ist. Dies kann zu einem Austrocknen der PEM und der Katalysatorschichten einer PEM-Brennstoffzelle führen, wodurch die Brennstoffzellenleistungsfähigkeit geopfert wird, insbesondere wenn die PEM-Brennstoffzelle unter trockenen Bedingungen betrieben wird. Wenn eine GDL eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist, kann andererseits ein Wasserkondensationsort in der GDL relativ näher an einer Katalysatorschicht liegen, und das kondensierte Wasser in der GDL kann wahrscheinlicher Katalysatoren in der Katalysatorschicht blockieren, wodurch die Katalysatorleistungsfähigkeit verschlechtert wird, insbesondere wenn die PEM-Brennstoffzelle unter feuchten Bedingungen betrieben wird. Daher besteht für ein Verbessern der Leistungsfähigkeit und der Haltbarkeit einer PEM-Brennstoffzelle eine Notwendigkeit, eine GDL zu haben, die sowohl unter den trockenen als auch den feuchten Bedingungen eine bessere Wärme- und Wasserverwaltungsfähigkeit bietet.
5 stellt ein schematisches Diagramm einer ersten Ausführungsform einer GDL gemäß der vorliegenden Offenbarung dar. Wie in 5 gezeigt wird, enthält die GDL 100 zwei Gebiete, ein Gebiet I und ein Gebiet II. Insbesondere kann das Gebiet I eine höhere Wärmeleitfähigkeit, zum Beispiel RI, aufweisen und das Gebiet II kann eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit, zum Beispiel RII, aufweisen, wobei RI > RII ist. Von daher weist die GDL 100 zwei unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten entlang einer Dickenrichtung einer PEM-Brennstoffzelle auf.
Eine Gesamtdicke der GDL 100 kann in einem Bereich von 20 bis 400 µm liegen. Insbesondere kann die Dicke des Gebiets II in einem Bereich von 20 bis 150 µm liegen. Obwohl die Gebiete I und II in 5 so erscheinen, dass sie eine gleiche oder im Wesentlichen gleiche Dicke aufweisen, kann ihre Dicke basierend auf einer Betriebsbedingung der PEM-Brennstoffzelle variieren. Außerdem kann die Dicke des Gebiets II zusätzlich durch die Temperatur des Kühlmittels (d. h. T0) beeinflusst werden, das in einer Strömungsfeldplatte 102 fließt. Wenn eine niedrige Wärmeleitfähigkeit erforderlich ist, kann die Dicke des Gebiets II gering sein.
Hinsichtlich der Zusammensetzungen der GDL 100 kann das Gebiet I aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen. Zu nicht-einschränkenden Beispielen des Materials mit hoher Wärmeleitfähigkeit können Grafit, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren oder eine Kombination davon gehören. Auf der anderen Seite kann das Gebiet II aus einem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit wie zum Beispiel Kohlenstofffasern bestehen. Zum Herstellen der GDL 100 können die Gebiete I und II laminiert werden. Außerdem kann das Gebiet I auf das Gebiet II plattiert werden oder umgekehrt.
Obwohl in 5 die GDL 100 so erscheint, dass sie zwei Gebiete mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten enthält, kann die GDL 100 jedoch mehr als zwei Gebiete enthalten, wobei die Wärmeleitfähigkeit von jedem der mehr als zwei Gebiete entlang einer Dickenrichtung der PEM-Brennstoffzelle variieren kann.
6 stellt ein schematisches Diagramm dar, das einen Ort zeigt, an dem im allgemeinen Wasser in einer GDL kondensiert wird, wie sie in 5 beschrieben wird. Wie in 6 gezeigt wird, enthält die GDL 110 entlang einer Dickenrichtung einer PEM-Brennstoffzelle zwei Gebiete, ein Gebiet I und ein Gebiet II. Insbesondere kann das Gebiet I eine höhere Wärmeleitfähigkeit, zum Beispiel RI, aufweisen und das Gebiet II kann eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit, zum Beispiel RII, aufweisen, wobei RI > RII ist. In 6 repräsentiert TI die Temperatur einer ersten Seite der GDL 110, die benachbart zu einer Katalysatorschicht 112 ist. TII repräsentiert die Temperatur eines mittleren Bereichs der GDL 110, wo das Gebiet I auf das Gebiet II trifft. Wie in 6 dargestellt wird, nimmt die Temperatur der GDL 110 in dem Gebiet I von der ersten Seite zu dem mittleren Bereich der GDL 110 ab, was durch den Plot I dargestellt wird. Außerdem repräsentiert T0 die Temperatur einer zweiten Seite der GDL 110, die benachbart zu einer Strömungsfeldplatte 114 ist, und wobei T0 im allgemeinen die Temperatur eines Kühlmittels ist, das in der Strömungsfeldplatte 114 fließt, um die PEM-Brennstoffzelle abzukühlen. Wie in 6 gezeigt wird, nimmt die Temperatur der GDL 110 in dem Gebiet II von dem mittleren Bereich zur zweiten Seite der GDL 110 ab, was durch den Plot II dargestellt wird.
Unter der Annahme, dass die PEM-Brennstoffzelle in 6 unter einer ähnlichen Bedingung wie diejenige in 3 betrieben wird, stellt die gestrichelte Linie noch die Wasserkondensationstemperatur Tc in der GDL 110 wie diejenige in der GDL 80 oder 90 in 3 bzw. 4 dar. Wenn außerdem angenommen wird, dass die Kühlmitteltemperatur T0 auch die gleiche wie in 3 oder 4 ist, kann der Schnittpunkt des Plots II und der gestrichelten Linie, P, den Ort anzeigen, an dem Wasser im allgemeinen in der GDL 110 kondensiert wird.
7 stellt ein schematisches Diagramm dar, das einen Ort zeigt, an dem im allgemeinen Wasser in einer GDL kondensiert wird, die eine Referenzwärmeleitfähigkeit aufweist. Die Referenzwärmeleitfähigkeit wird hier zu Vergleichszwecken eingefügt. Wie in 7 gezeigt wird, erlaubt die Referenzwärmeleitfähigkeit einer GDL 120, dass sie die gleiche oder die im Wesentlichen gleiche TI auf einer ersten Seite der GDL 120 wie diejenige der GDL 110 in 6 aufweist. Die erste Seite der GDL 120 ist benachbart zu einer Katalysatorschicht 122. T0 repräsentiert noch die Temperatur einer zweiten Seite der GDL 120, die benachbart zu einer Strömungsfeldplatte 124 ist, und wobei T0 im allgemeinen die Temperatur eines Kühlmittels ist, das in der Strömungsfeldplatte 124 fließt, um eine PEM-Brennstoffzelle abzukühlen. Wie in 7 dargestellt wird, nimmt die Temperatur der GDL 120 von der ersten Seite zur zweiten Seite der GDL 120 ab, was durch einen Plot x dargestellt wird. Die Plots I und II aus 6 wurden zum Vergleich in die 7 aufgenommen.
Die PEM-Brennstoffzelle in 7 kann unter einer ähnlichen Bedingung wie diejenige in 6 betrieben werden. In diesem Fall repräsentiert die gestrichelte Linie die Wasserkondensationstemperatur Zc in der GDL 120 wie diejenige in der GDL 110 in 6. Außerdem kann die Kühlmitteltemperatur T0 auch die gleiche sein wie diejenige in 6. In diesem Fall kann der Schnittpunkt des Plots x und der gestrichelten Linie, P', den Ort anzeigen, an dem in der GDL 120 im allgemeinen Wasser kondensiert wird. Im Vergleich zu dem Wasserkondensationsort P in der GDL 110 der 6 erscheint es, dass der Wasserkondensationsort P' in der GDL 120 näher an der Katalysatorschicht 122 liegt, was, wie oben gezeigt wurde, nicht vorteilhaft ist.
In Anbetracht der 6 und 7 kann der Wasserkondensationsort in einer GDL in Richtung auf eine Strömungsfeldplatte (d. h. weg von einer Katalysatorschicht) verschoben werden, wenn die GDL eine nicht-gleichförmige Wärmeleitfähigkeit entlang einer Dickenrichtung einer PEM-Brennstoffzelle enthält. Wie oben erörtert, wurde, ist es, wenn ein Wasserkondensationsort weiter entfernt von einer Katalysatorschicht ist, weniger wahrscheinlich, dass das kondensierte Wasser eine nachteilige Auswirkung auf die Katalysatorleistungsfähigkeit in der Katalysatorschicht aufweist. Wenn in eine PEM-Brennstoffzelle eine GDL aufgenommen wird, die eine nicht-gleichförmige Wärmeleitfähigkeit entlang einer Dickenrichtung der PEM-Brennstoffzelle aufweist, kann daher die Brennstoffzellenleistungsfähigkeit und die Haltbarkeit der PEM-Brennstoffzelle verbessert werden.
8 stellt ein schematisches Diagramm einer zweiten Ausführungsform einer GDL gemäß der vorliegenden Offenbarung dar. Wie in 8 gezeigt wird, enthält die GDL 130 entlang einer Dickenrichtung einer PEM-Brennstoffzelle drei Gebiete, ein Gebiet I, ein Gebiet II und ein Gebiet III. Insbesondere kann das Gebiet I eine erste Wärmeleitfähigkeit, zum Beispiel RI, aufweisen und das Gebiet II kann eine zweite Wärmeleitfähigkeit, zum Beispiel RII, aufweisen, wobei RI > RII ist. In 8 ist das Gebiet III benachbart zu einer Strömungsfeldplatte 132 einer PEM-Brennstoffzelle angebracht. Bei dieser Ausführungsform ist das Gebiet III anisotrop, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Gebiets III in unterschiedlichen Richtungen unterschiedlich sein kann. Zum Beispiel kann die Wärmeleitfähigkeit des Gebiets III in einer quer zur Ebene liegenden Richtung gleich groß oder niedriger als RII sein, wohingegen die Wärmeleitfähigkeit des Gebiets III in einer in der Ebene liegenden Richtung größer als RII ist. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Gebiet III ein Endgebiet des Gebiets II sein. Bei einigen weiteren Ausführungsformen kann das Gebiet III getrennt an einem Endgebiet des Gebiets II anliegen und zwischen dem Gebiet II und der Strömungsfeldplatte 132 angebracht sein. Das Aufnehmen eines Gebiets III in die GDL 130 kann außerdem dabei helfen, die GDL-Leistungsfähigkeit zu vergrößern und folglich die Haltbarkeit der PEM-Brennstoffzelle zu verbessern.
9 stellt ein schematisches Diagramm einer dritten Ausführungsform einer GDL gemäß der vorliegenden Offenbarung dar. In 9 kann die GDL 140 einen Gradienten einer Wärmeleitfähigkeit entlang einer Dickenrichtung einer PEM-Brennstoffzelle aufweisen. Insbesondere ist eine erste Seite der GDL 140 benachbart zu einer Katalysatorschicht 142 der PEM-Brennstoffzelle und die zweite Seite der GDL 140 ist benachbart zu einer Strömungsfeldplatte 144 der PEM-Brennstoffzelle. Außerdem kann die erste Seite eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen und die zweite Seite kann eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als die höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Die Wärmeleitfähigkeit der GDL 140 nimmt graduell von der ersten zur zweiten Seite der GDL 140 ab.
Eine Gesamtdicke der GDL 140 kann in einem Bereich von 20 bis 400 µm liegen. Die Wärmeleitfähigkeit der GDL 140 kann in einem Bereich von 0,1 bis 20 W/mK liegen. Zum Herstellen der GDL 140 können Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie zum Beispiel Grafit, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren oder eine Kombination davon in die poröse Struktur von Materialien mit niedriger Wärmeleitfähigkeit wie zum Beispiel Kohlenstofffasern unter Verwendung eines Infiltrierungsverfahrens infiltriert werden.
10 stellt ein schematisches Diagramm dar, das einen Ort zeigt, an dem im allgemeinen Wasser in einer GDL kondensiert wird, wie sie in 9 beschrieben wird. Wie in 10 gezeigt wird, weist die GDL 150 einen Gradienten einer Wärmeleitfähigkeit von einer ersten Seite der GDL 150 in der Nachbarschaft einer Katalysatorschicht 152 zu einer zweiten Seite der GDL 150 in der Nachbarschaft zu einer Strömungsfeldplatte 154 auf, wobei die erste Seite eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist und die zweite Seite eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als die höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist. In 10 repräsentiert Tg die Temperatur der ersten Seite der GDL 150. T0 repräsentiert die Temperatur der zweiten Seite der GDL 150 und T0 ist im allgemeinen die Temperatur eines Kühlmittels, das in der Strömungsfeldplatte 154 fließt, um eine PEM-Brennstoffzelle abzukühlen. Wie in 10 dargestellt wird, nimmt die Temperatur der GDL 150 von der ersten Seite zur zweiten Seite der GDL 150 ab, was durch einen Plot g dargestellt wird. Der Plot 1 aus 3 wurde zum Vergleich in die 10 aufgenommen.
Die PEM-Brennstoffzelle in 10 kann unter einer ähnlichen Bedingung wie diejenige in 3 betrieben werden. In diesem Fall repräsentiert die gestrichelte Linie die Wasserkondensationstemperatur Zc in der GDL 150 wie diejenige in der GDL 80 in 3. Die Kühlmitteltemperatur T0 kann auch die gleiche sein wie diejenige in 3. In diesem Fall kann der Schnittpunkt des Plots g und der gestrichelten Linie, Pg, den Ort anzeigen, an dem in der GDL 150 im allgemeinen Wasser kondensiert wird. Im Vergleich zu dem Wasserkondensationsort P1 in der GDL 80 der 3 wird der Wasserkondensationsort P2 in der GDL 150 so gezeigt, dass er näher an der Strömungsfeldplatte 154 (d. h. weiter entfernt von der Katalysatorschicht 152) liegt. In Anbetracht der 3 und 10 kann, wenn eine GDL eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist, der Wasserkondensationsort in der GDL in Richtung auf eine Strömungsfeldplatte (d. h. weiter weg von einer Katalysatorschicht) verschoben werden. Ein derartiger Wasserkondensationsort kann daher einen potenziellen nachteiligen Effekt verringern, den das kondensierte Wasser auf die Katalysatoren in der Katalysatorschicht ausüben kann, und kann letztlich die Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit einer PEM-Brennstoffzelle verbessern.
11 stellt ein schematisches Diagramm einer vierten Ausführungsform einer GDL gemäß der vorliegenden Offenbarung dar. In 11 enthält die GDL 160 einer PEM-Brennstoffzelle entlang ihrer Dickenrichtung zwei Gebiete, ein Gebiet I und ein Gebiet II. Insbesondere weist das Gebiet I einen Gradienten einer Wärmeleitfähigkeit entlang einer Dickenrichtung der PEM-Brennstoffzelle auf. Eine erste Seite des Gebiets I ist benachbart zu einer Katalysatorschicht 162 der PEM-Brennstoffzelle und die zweite Seite des Gebiets I ist benachbart zu dem Gebiet II. Die erste Seite des Gebiets I weist eine erste Wärmeleitfähigkeit, zum Beispiel RI, auf und die zweite Seite des Gebiets I kann eine zweite Wärmeleitfähigkeit, zum Beispiel RII, aufweisen, wobei RI > RII ist. Die Wärmeleitfähigkeit des Gebiets I nimmt graduell von der ersten Seite zur zweiten Seite des Gebiets I ab. Das Gebiet II ist benachbart zu einer Strömungsfeldplatte 164 der PEM-Brennstoffzelle angebracht. Bei dieser Ausführungsform ist das Gebiet II anisotrop, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Gebiets II in unterschiedlichen Richtungen unterschiedlich sein kann. Zum Beispiel kann die Wärmeleitfähigkeit des Gebiets II in einer quer zur Ebene liegenden Richtung graduell von dem Wert RII abnehmen, wohingegen die Wärmeleitfähigkeit des Gebiets II in einer in der Ebene liegenden Richtung größer als RII sein kann. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Gebiet II ein Endgebiet des Gebiets I sein. Bei einigen weiteren Ausführungsformen kann das Gebiet II getrennt an einem Endgebiet des Gebiets I anliegen und zwischen dem Gebiet I und der Strömungsfeldplatte 164 angebracht sein. Das Aufnehmen eines Gebiets II in die GDL 160 kann außerdem dabei helfen, die GDL-Leistungsfähigkeit zu vergrößern und folglich die Haltbarkeit der PEM-Brennstoffzelle zu verbessern.
12 stellt ein schematisches Diagramm einer fünften Ausführungsform einer GDL gemäß der vorliegenden Offenbarung dar. Wie in 12 gezeigt wird, enthält die GDL 170 einer PEM-Brennstoffzelle entlang ihrer Dickenrichtung zwei Gebiete, ein Gebiet I und ein Gebiet II. Insbesondere weist das Gebiet I eine gleichförmige Wärmeleitfähigkeit auf und das Gebiet II weist einen Gradienten einer Wärmeleitfähigkeit von einer ersten Seite des Gebiets II (d. h., wo das Gebiet II auf das Gebiet I trifft) zu einer zweiten Seite des Gebiets II in der Nachbarschaft einer Strömungsfeldplatte 174 auf (d. h., wo auch die GDL 170 benachbart zu der Strömungsfeldplatte 174 ist).
Eine Gesamtdicke der GDL 170 kann in einem Bereich von 20 bis 400 µm liegen. Obwohl die Gebiete I und II in 12 so erscheinen, dass sie eine gleiche oder im Wesentlichen gleiche Dicke aufweisen, kann ihre Dicke basierend auf einer Betriebsbedingung der PEM-Brennstoffzelle variieren.
Hinsichtlich der Zusammensetzungen der GDL 170 kann das Gebiet I aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen. Zu nicht-einschränkenden Beispielen des Materials mit hoher Wärmeleitfähigkeit können Grafit, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren oder eine Kombination davon gehören. Außerdem kann das Gebiet II 140 durch ein Infiltrierungsverfahren gebildet werden, wobei Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie zum Beispiel Grafit, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren oder eine Kombination davon, in die poröse Struktur von Materialien mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, wie zum Beispiel Kohlenstofffasern, infiltriert werden können, um eine Schicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu bilden.
13 stellt ein schematisches Diagramm dar, das einen Ort zeigt, an dem im allgemeinen Wasser in einer GDL kondensiert wird, wie sie in 12 beschrieben wird. Wie in 13 gezeigt wird, enthält die GDL 180 zwei Gebiete, ein Gebiet I und ein Gebiet II, entlang einer Dickenrichtung einer PEM-Brennstoffzelle. Insbesondere kann das Gebiet I der GDL 180 eine erste Wärmeleitfähigkeit aufweisen und das Gebiet II der GDL 180 kann einen Gradienten einer Wärmeleitfähigkeit aufweisen. In 13 repräsentiert Tml die Temperatur einer ersten Seite der GDL 180, die benachbart zu einer Katalysatorschicht 182 ist. TmII repräsentiert die Temperatur eines mittleren Bereichs der GDL 180, wo das Gebiet I auf das Gebiet II trifft. Wie in 13 dargestellt wird, nimmt die Temperatur der GDL 180 in dem Gebiet I von der ersten Seite zu dem mittleren Bereich der GDL 180 ab, was durch den Plot ml dargestellt wird. Außerdem repräsentiert T0 die Temperatur einer zweiten Seite der GDL 180 (d. h. auch der zweiten Seite des Gebiets II), die benachbart zu einer Strömungsfeldplatte 184 ist, und wobei T0 im allgemeinen die Temperatur eines Kühlmittels ist, das in der Strömungsfeldplatte 184 fließt, um die PEM-Brennstoffzelle abzukühlen. Wie in 13 gezeigt wird, nimmt die Temperatur der GDL 180 in dem Gebiet II von dem mittleren Bereich zur zweiten Seite der GDL 180 ab, was durch den Plot mll dargestellt wird. Der Plot 1 aus 3 wurde zum Vergleich in die 13 aufgenommen. In dieser Ausführungsform werden die erste Wärmeleitfähigkeit in dem Gebiet I und der Gradient der Wärmeleitfähigkeit in dem Gebiet II so ausgewählt, dass Pmll in beiden Plots ml und mll konsistent ist.
Die PEM-Brennstoffzelle in 13 kann unter einer ähnlichen Bedingung wie diejenige in 3 betrieben werden. In diesem Fall repräsentiert die gestrichelte Linie die Wasserkondensationstemperatur Zc in der GDL 180 wie diejenige in der GDL 80 in 3. Die Kühlmitteltemperatur T0 kann auch die gleiche sein wie diejenige in 3. In diesem Fall kann der Schnittpunkt des Plots mll und der gestrichelten Linie, Pm, den Ort anzeigen, an dem in der GDL 180 im allgemeinen Wasser kondensiert wird. Wenn, in Anbetracht der 3 und 13, ein Gebiet einer GDL, das benachbart zu einer Katalysatorschicht ist, eine gleichförmige Wärmeleitfähigkeit aufweist und das andere Gebiet der GDL, das benachbart zu einer Strömungsfeldplatte ist, einen Gradienten einer Wärmeleitfähigkeit aufweist, kann ein Wasserkondensationsort in der GDL in Richtung auf die Strömungsfeldplatte (d. h. weg von der Katalysatorschicht) verschoben werden. Ein derartiger Wasserkondensationsort kann daher einen potenziellen nachteiligen Effekt verringern, den das kondensierte Wasser auf die Katalysatoren in der Katalysatorschicht ausüben kann, und kann letztlich die Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit einer PEM-Brennstoffzelle verbessern.
14 stellt ein schematisches Diagramm einer sechsten Ausführungsform einer GDL gemäß der vorliegenden Offenbarung dar. Wie in 14 gezeigt wird, enthält die GDL 190 entlang ihrer Dickenrichtung drei Gebiete, ein Gebiet I, ein Gebiet II und ein Gebiet III. Insbesondere weist das Gebiet I eine gleichförmige Wärmeleitfähigkeit, zum Beispiel Ru, auf und das Gebiet II weist einen Gradienten einer Wärmeleitfähigkeit von einer ersten Seite des Gebiets II (d. h., wo das Gebiet II auf das Gebiet I trifft) zu einer zweiten Seite des Gebiets II (d. h., wo das Gebiet II auf das Gebiet III trifft) auf. Die erste Seite des Gebiets II kann eine erste Wärmeleitfähigkeit, zum Beispiel RI, aufweisen, wobei RI gleich oder im Wesentlichen gleich wie Ru sein kann. Die zweite Seite des Gebiets II kann eine zweite Wärmeleitfähigkeit, zum Beispiel RII, aufweisen, wobei RI > RII ist. Das Gebiet III ist benachbart zu einer Strömungsfeldplatte 194 der PEM-Brennstoffzelle angebracht. Bei dieser Ausführungsform ist das Gebiet III anisotrop, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Gebiets III in unterschiedlichen Richtungen unterschiedlich sein kann. Zum Beispiel kann die Wärmeleitfähigkeit des Gebiets III in einer quer zur Ebene liegenden Richtung graduell von dem Wert RII abnehmen, wohingegen die Wärmeleitfähigkeit des Gebiets III in einer in der Ebene liegenden Richtung größer als RII sein kann. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Gebiet III ein Endgebiet des Gebiets II sein. Bei einigen weiteren Ausführungsformen kann das Gebiet III getrennt an einem Endgebiet des Gebiets II anliegen und zwischen dem Gebiet II und der Strömungsfeldplatte 194 angebracht sein. Das Aufnehmen eines Gebiets III in die GDL 190 kann außerdem dabei helfen, die GDL-Leistungsfähigkeit zu vergrößern und folglich die Haltbarkeit der PEM-Brennstoffzelle zu verbessern.
Außer einem Variieren der Wärmeleitfähigkeit einer GDL entlang einer Dickenrichtung einer PEM-Brennstoffzelle kann die Wärmeleitfähigkeit der GDL auch entlang einer Längenrichtung der PEM-Brennstoffzelle modifiziert werden. 15 stellt eine schematische perspektivische Ansicht einer siebten Ausführungsform einer GDL gemäß der vorliegenden Offenbarung dar. Wie in 15 gezeigt wird, weist eine PEM-Brennstoffzelle einen Reaktionsmitteleinlass 202 und einen Reaktionsmittelauslass 204 auf. Außerdem enthält die GDL 200 entlang einer Längenrichtung der PEM-Brennstoffzelle zwei Gebiete, ein Gebiet I' und ein Gebiet II'. Insbesondere befindet sich das Gebiet I' näher an dem Reaktionsmitteleinlass 202. Während des Normalbetriebs der PEM-Brennstoffzelle kann eine größere Menge eines Reaktionsmittels (z. B. Luft oder O₂) durch das Gebiet I' strömen. Dementsprechend kann die Reaktivität in dem Gebiet I' relativ höher sein als in dem Gebiet II' und das Gebiet I' kann eine relativ höhere Temperatur als das Gebiet II' aufweisen. In dieser Ausführungsform kann das Gebiet I' zum Verbessern der Wärme- und Wasserverwaltung in der GDL 200 eine höhere Wärmeleitfähigkeit, zum Beispiel RI', aufweisen und das Gebiet II' kann eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit, zum Beispiel RII', aufweisen, wobei RI' > RII' ist. Von daher weist die GDL 200 zwei unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten entlang einer Längenrichtung einer PEM-Brennstoffzelle auf.
16 stellt eine schematische perspektivische Ansicht einer achten Ausführungsform einer GDL gemäß der vorliegenden Offenbarung dar. In 16 weist eine PEM-Brennstoffzelle einen Reaktionsmitteleinlass 212 und einen Reaktionsmittelauslass 214 auf. Wie in 15 erörtert wurde, kann der Bereich der GDL, der benachbart zu dem Reaktionsmitteleinlass 212 liegt, eine höhere Reaktivität und dementsprechend eine höhere Temperatur als der Bereich der GDL 210 aufweisen, der benachbart zu dem Reaktionsmittelauslass 214 liegt. In dieser Ausführungsform kann die GDL 210, zum Verbessern der Wärme- und Wasserverwaltung in der GDL 210, einen Gradienten einer Wärmeleitfähigkeit entlang der Längenrichtung der PEM-Brennstoffzelle aufweisen.
17 stellt eine schematische perspektivische Ansicht einer neunten Ausführungsform einer GDL gemäß der vorliegenden Offenbarung dar. In 17 weist eine PEM-Brennstoffzelle einen Reaktionsmitteleinlass 222 und einen Reaktionsmittelauslass 224 auf. Die GDL 220 enthält entlang einer Längenrichtung der PEM-Brennstoffzelle zwei Gebiete, ein Gebiet I' und ein Gebiet II'. Da das Gebiet I', das benachbart zu dem Reaktionsmitteleinlass 222 liegt, wie in den 15 und 16 erörtert wurde, eine höhere Reaktivität und eine höhere Temperatur als das Gebiet II' unter Verwendung der Logik der fünften Ausführungsform der GDL 170 aufweist, die in 12 veranschaulicht wird, um die Wärme- und Wasserverwaltung in der GDL 220 weiter zu verbessern, kann das Gebiet I' eine gleichförmige Wärmeleitfähigkeit aufweisen und das Gebiet II' kann einen Gradienten einer Wärmeleitfähigkeit entlang der Längenrichtung der PEM-Brennstoffzelle aufweisen.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich auf Szenarien, bei denen die Wärmeleitfähigkeit einer GDL entweder in einer Dickenrichtung oder in einer Längenrichtung einer PEM-Brennstoffzelle variiert wird. In anderen Ausführungsformen variiert die GDL die Wärmeleitfähigkeit jedoch nicht nur entlang der Dickenrichtung einer PEM-Brennstoffzelle, sondern sie variiert die Wärmeleitfähigkeit auch entlang der Längenrichtung der PEM-Brennstoffzelle.
Obwohl oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurden, sind diese nicht so zu verstehen, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen eingeschlossen werden. Die Begriffe, die in dieser Beschreibung verwendet werden, sind Begriffe für eine Beschreibung, aber nicht als Einschränkungen zu verstehen, und es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Erfindungsgedanken und dem Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie oben beschrieben wurde, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu bilden, die nicht ausdrücklich beschrieben oder veranschaulicht werden. Obwohl zahlreiche Ausführungsformen als ein Bereitstellen von Vorteilen oder als bevorzugt über weitere Ausführungsformen oder Implementierungen des Stands der Technik in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften beschrieben worden sein könnten, wird der Fachmann erkennen, dass eine oder mehrere Merkmale oder eine oder mehrere Eigenschaften enthalten sein können, um die gewünschten Gesamtsystemmerkmale zu erreichen, die jeweils von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängig sind. Zu diesen Merkmalen können gehören, ohne auf diese beschränkt zu sein, Kosten, Widerstandskraft, Lebenszykluskosten, Marktgängigkeit, Erscheinung, Verpackung, Größe, Zweckdienlichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Zusammenbaufreundlichkeit usw. Insofern wie irgendwelche Ausführungsformen in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften in einem gewissen Grad, als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen aus dem Stand der Technik beschrieben wurden, liegen diese Ausführungsformen nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für spezielle Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Brennstoffzelle, umfassend: eine Gasdiffusionsschicht (Gas Diffusion Layer, GDL), die zwischen einer Katalysatorschicht der Brennstoffzelle und einer Strömungsfeldplatte der Brennstoffzelle angebracht ist, wobei die GDL ein erstes Gebiet und ein zweites Gebiet entlang einer Dickenrichtung der Brennstoffzelle aufweist, wobei das erste Gebiet benachbart zur Katalysatorschicht liegt und eine erste Wärmeleitfähigkeit aufweist, wobei das zweite Gebiet benachbart zur Strömungsfeldplatte liegt und eine zweite Wärmeleitfähigkeit aufweist, die niedriger als die erste Wärmeleitfähigkeit ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das erste Gebiet der GDL Grafit, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren oder eine Kombination davon enthält.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das zweite Gebiet der GDL Kohlenstofffasern enthält.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die erste Wärmeleitfähigkeit in einem Bereich von 0,1 bis 20 W/mK liegt und die zweite Wärmeleitfähigkeit in einem Bereich von 0,1 bis 20 W/m K liegt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das zweite Gebiet außerdem ein drittes Gebiet umfasst, das benachbart zur Strömungsfeldplatte liegt, und wobei das dritte Gebiet anisotrope Wärmeleitfähigkeiten aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei ein drittes Gebiet zwischen dem zweiten Gebiet und der Strömungsfeldplatte angebracht ist und wobei das dritte Gebiet anisotrope Wärmeleitfähigkeiten aufweist.
Brennstoffzelle, umfassend: eine Gasdiffusionsschicht (Gas Diffusion Layer, GDL), die zwischen einer Katalysatorschicht der Brennstoffzelle und einer Strömungsfeldplatte der Brennstoffzelle angebracht ist, wobei die GDL einen Gradienten einer Wärmeleitfähigkeit zwischen einem ersten Gebiet der GDL und einem zweiten Gebiet der GDL entlang einer Dickenrichtung der Brennstoffzelle aufweist, wobei das erste Gebiet benachbart zur Katalysatorschicht liegt und eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist, wobei das zweite Gebiet benachbart zur Strömungsfeldplatte liegt und eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als die höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 7, wobei die GDL eine Mischung aus einem ersten Material und einem zweiten Material enthält, wobei das erste Material eine erste Wärmeleitfähigkeit aufweist, wobei das zweite Material eine zweite Wärmeleitfähigkeit aufweist, die niedriger als die erste Wärmeleitfähigkeit ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei das erste Material Grafit, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren oder eine Kombination davon enthält.
Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei das zweite Material Kohlenstofffasern enthält.
Brennstoffzelle nach Anspruch 7, wobei der Gradient der Wärmeleitfähigkeit in einem Bereich von 0,1 bis 20 W/mK liegt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 7, wobei das zweite Gebiet außerdem ein drittes Gebiet umfasst, das benachbart zur Strömungsfeldplatte liegt, und wobei das dritte Gebiet anisotrope Wärmeleitfähigkeiten aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 7, wobei ein drittes Gebiet zwischen dem zweiten Gebiet und der Strömungsfeldplatte angebracht ist und wobei das dritte Gebiet anisotrope Wärmeleitfähigkeiten aufweist.
Brennstoffzelle, umfassend: eine Gasdiffusionsschicht (Gas Diffusion Layer, GDL), die zwischen einer Katalysatorschicht der Brennstoffzelle und einer Strömungsfeldplatte der Brennstoffzelle angebracht ist, wobei die GDL ein erstes Gebiet und ein zweites Gebiet entlang einer Dickenrichtung der Brennstoffzelle aufweist, wobei das erste Gebiet benachbart zur Katalysatorschicht liegt und eine gleichförmige Wärmeleitfähigkeit aufweist, wobei das zweite Gebiet benachbart zur Strömungsfeldplatte liegt und einen Gradienten einer Wärmeleitfähigkeit entlang der Dickenrichtung der Brennstoffzelle aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei das erste Gebiet der GDL Grafit, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren oder eine Kombination davon enthält.
Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei das zweite Gebiet der GDL eine Mischung aus einem ersten Material und einem zweiten Material enthält.
Brennstoffzelle nach Anspruch 16, wobei das erste Material Grafit, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren oder eine Kombination davon enthält und wobei das zweite Material Kohlenstofffasern enthält.
Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei die gleichförmige Wärmeleitfähigkeit in einem Bereich von 0,1 bis 20 W/mK liegt und der Gradient der Wärmeleitfähigkeit in einem Bereich von 0,1 bis 20 W/mK liegt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei das zweite Gebiet außerdem ein drittes Gebiet umfasst, das benachbart zur Strömungsfeldplatte liegt, und wobei das dritte Gebiet anisotrope Wärmeleitfähigkeiten aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei ein drittes Gebiet zwischen dem zweiten Gebiet und der Strömungsfeldplatte angebracht ist und wobei das dritte Gebiet anisotrope Wärmeleitfähigkeiten aufweist.