DE102007012495B4

DE102007012495B4 - Verfahren zum herstellen eines diffusionsmediums

Info

Publication number: DE102007012495B4
Application number: DE102007012495.5A
Authority: DE
Inventors: Chunxin Ji; Gerald J. Fleming; Mark Mathias
Original assignee: SPECTRACORP; GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: Spectracorp Shelton Conn Us; Spectracorp Shelton Us; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-03-17
Filing date: 2007-03-15
Publication date: 2020-07-16
Anticipated expiration: 2027-03-16
Also published as: CN100550491C; DE102007012495A1; JP2007273464A; US20070218343A1; US9023556B2; CN101083330A; JP2011192653A

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Diffusionsmediums (34, 36, 38, 40), umfassend, dass:
eine wässrige Dispersion, die ein Pulverharz, ein Bindermaterial und ein Fasermaterial umfasst, das Kohlefasern, Graphitfasern und Kombinationen daraus umfasst, hergestellt wird (110),
eine Schicht der Dispersion auf einem Träger ausgebildet wird (120),
Wasser von der Schicht entfernt wird, um eine Faserschicht zu bilden,
die Faserschicht geformt wird, und
die geformte Schicht karbonisiert oder graphitisiert wird (140), wobei das Bindermaterial vollständig weggebrannt wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Brennstoffzellendiffusionsmedien.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen sind als eine Energiequelle für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen verwendbar. Eine beispielhafte Brennstoffzelle besitzt eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit katalytischen Elektroden und einer Protonenaustauschmembran (PEM), die zwischen den Elektroden ausgebildet ist. Wasser wird an der Kathodenelektrode auf Grundlage der elektrochemischen Reaktionen zwischen Wasserstoff und Sauerstoff, die in der MEA stattfinden, erzeugt. Die Gasdiffusionsmedien spielen eine wichtige Rolle in PEM-Brennstoffzellen. Allgemein zwischen katalytischen Elektroden und Reaktandengase in die Brennstoffzelle einführenden Strömungsfeldkanälen angeordnet sehen die Gasdiffusionsmedien Pfade für Reaktand zur Diffusion an die Elektrode und Pfade zur Entfernung des Produktwassers, eine elektronische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit wie auch eine mechanische Festigkeit vor, die für eine richtige Funktion der Brennstoffzelle erforderlich ist.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird Wasser an der Kathode auf Grundlage von elektrochemischen Reaktionen erzeugt, die Wasserstoff und Sauerstoff betreffen und in der MEA stattfinden. Ein effizienter Betrieb einer Brennstoffzelle hängt von der Fähigkeit ab, ein effektives Wassermanagement in dem System vorzusehen. Beispielsweise verhindern die Diffusionsmedien, dass die Elektroden geflutet werden (d.h. mit Wasser gefüllt werden und einen O₂-Zutritt ernstlich begrenzen), indem Produktwasser weg von der Katalysatorschicht entfernt wird, während eine Reaktandengasströmung von den Gasströmungskanälen der Bipolarplatte hindurch zu der Katalysatorschicht beibehalten wird.
Brennstoffzellenstapel können eine große Anzahl von Brennstoffzellen abhängig von der Leistungsanforderung der Anwendung enthalten. Beispielsweise besitzen typische Brennstoffzellenstapel bis zu 400 einzelne Brennstoffzellen und mehr. Da die Brennstoffzellen in den Stapeln in Reihe arbeiten, kann eine Schwäche oder schlechte Leistungsfähigkeit in einer Zelle sich in eine schlechte Leistungsfähigkeit des gesamten Stapels übertragen. Aus diesem Grund ist es erwünscht, dass jede Brennstoffzelle in dem Stapel mit hohem Wirkungsgrad arbeitet.
Typische Herstellschritte für Gasdiffusionsmedien umfassen, dass ein Kohlefaserpapier hergestellt wird, das Papier mit Harz oder einer Mischung aus Harz und Füllstoffen imprägniert wird, das imprägnierte Papier geformt wird und das harzimprägnierte Kohlefaserpapier karbonisiert oder graphitisiert wird. Die Schritte zur Herstellung von Papier und zur Imprägnierung sind kontinuierlich, während die Form-, Karbonisierungs- und Graphitisierungsschritte entweder chargenartig oder kontinuierlich sein können.
Beispielsweise beschreibt die DE 103 42 199 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionsschicht, bei dem auf einem kohlenstoffhaltigen Grundkörper eine Schicht aus einem Gemisch aus Harzpulver und Kohlenstoff durch ein elektrostatisches Pulversprühverfahren abgeschieden wird.
Ferner beschreibt die US 6,171,720 B1 eine Bipolarplatte mit integrierter Diffusionsschicht. Die Bipolarplatte wird aus einer Faserplatte hergestellt, welche aus einer wässrigen Aufschlämmung aus einem pulverförmigen Phenolharzbinder und Fasern gefertigt wird und die nach der Fertigung mit Kohlenwasserstoff getränkt wird, um eine Bipolarplattenschicht zu bilden, die in die Faserplatte integriert ist.
Ausgehend von der US 6,171,720 B1 liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, Verbesserungen im Herstellprozess, die die Kosten reduzieren, den Prozess vereinfachen und die Leistungsfähigkeit der Medien steigern, zu erzielen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird durch die ein Verfahren gemäß Anspruch 1 zum Herstellen eines Diffusionsmediums gelöst.
Die Erfindung sieht einen Prozess zum Herstellen eines Gasdiffusionsmediums vor, bei dem (a) eine wässrige Dispersion, die ein Fasermaterial, ein Harzpulver und ein Bindermaterial umfasst, hergestellt wird, (b) die Faser- und Harzpulverdispersion in einer Schicht oder Matte auf einem Träger ausgebildet wird, (c) Wasser von der Schicht entfernt wird, um eine Faserschicht zu bilden, die das Harzpulver enthält, (d) die harzpulverhaltige Faserschicht geformt wird und dann (e) die geformte Schicht karbonisiert oder graphitisiert wird, wobei das Bindermaterial vollständig weggebrannt wird. Dieses Verfahren vermeidet einen Schritt zum Imprägnieren der Fasermatte mit einem Harz.
Bei einer Ausführungsform ist der Träger ein Sieb mit einer gewünschten Maschenweite. Faserstränge und Harzpulverpartikel mit einer Größe, die größer als die Löcher der Maschen sind, werden zurückgehalten, um die Faserschicht herzustellen, und es können auch kleinere Partikel in der Fasermatte zurückgehalten werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen besitzt das Sieb eine Maschengröße, die kleiner als die durchschnittliche Partikelgröße des Harzpulvers ist. Bei einer bestimmten Ausführungsform wird ein Harzpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße zwischen etwa 40 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer verwendet.
Bei einer Ausführungsform des Prozesses ist das Harzpulver ein Phenolharz oder weist ein Phenolharz auf.
Bei bestimmten Ausführungsformen besitzt das Harzpulver eine durchschnittliche Partikelgröße zwischen etwa 40 Mikrometer und etwa 100 Mikrometer.
Die Erfindung sieht ferner ein Diffusionsmedium vor, das gemäß dem Verfahren der Erfindung hergestellt ist. Das Diffusionsmedium besitzt eine erhöhte Gaspermeabilität im Vergleich zu einem Diffusionsmedium, das denselben Harzgehalt aufweist, jedoch durch Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellt wurde. Ohne sich an eine Theorie binden zu wollen, wird angenommen, dass dies so ist, da die Kohle- oder Graphitfasern durch die gut verteilten Harzpartikel, die bei der Kohlepapierherstellung vorhanden sind, miteinander punktverschweißt werden, im Vergleich zu einem Lösungsimprägnierungsverfahren, das sich darauf verlässt, dass Harz beim Härten fließt, um die einzelnen Fasern zusammen zu halten. Der herkömmliche Imprägnierungsschritt resultiert in einer dünnen harzreichen Oberflächenschicht nach der Harzimprägnierung und dem Härten, von der angenommen wird, dass sie in eine amorphe Kohlenstoffoberflächenschicht an der einzelnen Faser nach einer Karbonisierung/ Graphitisierung umgewandelt wird, die die freie Oberflächenenergie und die Haltbarkeit des Gasdiffusionsmediums beeinträchtigen kann. Diese Oberflächenschicht auf den Kohlefasern wird durch die vorliegende Erfindung vermieden.
Die Erfindung sieht auch eine Brennstoffzelle vor, die eine Membranelektrodenanordnung (MEA), die eine Anode, eine Kathode und eine Protonenaustauschmembran (PEM) umfasst, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist; ein impermeables elektrisch leitendes Element an zumindest einer der Kathoden- und der Anodenseiten der MEA, das zusammen mit der jeweiligen Kathode und/oder Anode eine Fluidverteilungskammer jeweils zwischen dem impermeablen elektrisch leitenden Element und der Kathode und/oder Anode definiert; und ein Diffusionsmedium gemäß der Erfindung umfasst, das in einer oder beiden der Fluidverteilungskammern angeordnet ist. Das Diffusionsmedium überspannt bevorzugt die Fluidverteilungskammer von der Seite des impermeablen elektrisch leitenden Elements zu der Elektrodenseite.
Die neuen Kohlefaserpapierherstellschritte des Prozesses reduzieren die Kosten der Herstellung des Kohlefaserpapier-Gasdiffusionsmediums und folglich die Kosten der Brennstoffzelle, die unter Verwendung des Gasdiffusionsmediums der Erfindung hergestellt ist. Zusätzlich weist das Diffusionsmedium, das durch den Prozess der Erfindung hergestellt ist, eine offenere Porenstruktur und verbesserte Brennstoffzellenleistungsfähigkeit auf.
In der Beschreibung der Erfindung weist „Harz“ sowohl oligomere als auch polymere Materialien auf, die für die bestimmte Anwendung geeignet sind. „Pulver“ betreffen zerriebenes, gemahlenes oder granuliertes Material. „Etwa“ besitzt seine übliche Bedeutung von „nahezu“ oder dass eine gewisse geringfügige Ungenauigkeit im Wert (etwa oder vernünftig nahe an dem Wert) vorhanden sein kann. Numerische Bereiche sind dahingehend zu verstehen, dass sie die Endpunktwerte und jeden Wert in dem Bereich wie auch alle enthaltenen Bereiche offenbaren, die dadurch gebildet werden, dass beliebige zwei offenbarte Werte als Endpunkte genommen werden. Unter den Begriffen „Pulverharz“ und „Harzpulver“ sind Harze zu verstehen, die in Pulverform vorliegen.
Figurenliste

1 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses der Erfindung;
2a und 2b sind Reproduktionen von REM-Bildern von Kohlefaserpapier, das durch ein herkömmliches Lösungsharzimprägnierungsverfahren (2a) und durch den Pulverharzdotierprozess der Erfindung (2b) hergestellt ist;
3 ist ein schematisches Schaubild eines Brennstoffzellenstapels, der Gasdiffusionsmedien enthält; und
4 zeigt vergleichende Strom-Spannungs-Kurven behandelter Diffusionsmedien.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ein Gasdiffusionsmedium wird mit Fasern und einem Pulverharz hergestellt. Das Pulverharz ist nicht solvatisiert, wenn es in den Gasdiffusionsmediumvorläufer integriert wird. Das Pulverharz wird in seiner Pulverform integriert und kann geschmolzen werden und kann vor dem Karbonisieren oder Graphitisieren zumindest teilweise gehärtet werden, um das Gasdiffusionsmedium aus dem Gasdiffusionsmediumvorläufer herzustellen.
1 zeigt einen Prozess 100 der Erfindung zum Herstellen eines Gasdiffusionsmediums. Bei Schritt 110 wird eine Dispersion aus Kohle- und/oder Graphitfaser, Pulverharz und einem Bindermaterial gebildet. Bei bestimmten Ausführungsformen weist die Dispersion Kohlefasern auf, die durch Karbonisieren von Polyacrylnitrilfasern erhalten werden, die dann in gewünschte Längen zerhackt werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen besitzen die Kohlefasern einen Durchmesser von etwa 5 bis etwa 10 Mikrometer und eine Länge von etwa 5 mm bis etwa 10 mm. Es können auch Graphitfasern verwendet werden.
Geeignete Beispiele von Kohle- oder Graphitfasern umfassen beispielsweise karbonisierte oder graphitisierte Fasern aus Polyacrylnitril, Copolymere aus Acrylnitril (insbesondere diejenigen, die zumindest 90 Gew.-% des Acrylnitril-Monomers enthalten), Zellulose, Rayon, Pech und Phenole.
Polyacrylnitril-(PAN-)Fasern werden gewöhnlich aus dem PAN-Polymer unter Verwendung eines Lösemittelspinnprozesses hergestellt. Filamente mit einem Durchmesser von 12 bis 14 Mikrometer werden typischerweise dazu verwendet, die Kohle- oder Graphitfasern für Brennstoffzellendiffusionsmedien herzustellen. Die PAN-Faser kann in Luft bei etwa 230°C stabilisiert werden, dann karbonisiert und in gewünschte Längen zerhackt werden. Die Karbonisierung kann bei etwa 1200 bis 1350°C in Stickstoff ausgeführt werden, um eine Kohlefaser mit zumindest 95 Gew.-% Kohlenstoffgehalt zu erzielen. Die karbonisierten Kabel können in Längen von etwa 3 bis etwa 12 mm zerhackt werden.
Bei einem Verfahren wird die zerhackte Kohle- und/oder Graphitfaser dann mit Wasser, dem Pulverharz und einem Bindermaterial gemischt, um eine wässrige Dispersion zu bilden. Ein Bindermaterial wird bevorzugt verwendet, um dem Kohlefaserpapier eine bauliche Integrität zu verleihen, das aus der Dispersion hergestellt wird, so dass das Papier ohne Schaden weiterverarbeitet werden kann. Geeignete Beispiele von Bindermaterialien umfassen beispielsweise Polyvinylalkohol (PVA), Polyvinylpyrrolidon (PVP) und andere derartige wasserdispergierbare Polymere.
Das Pulverharz kann ein kohlenstoffhaltiges Harz oder Pulver sein. Geeignete Beispiele umfassen beispielsweise Phenolharze, Aminoharze wie Melaminharze und Harnstoffharze, Epoxidharze, Furanharze, Acrylpolymere, Phenoxyharze, epoxidmodifizierte Polyimidharze, ungesättigte Polyesterharze, Polyimidharze, Polyurethane, Diallylphthalatharze, Maleimidharze, Fluorkohlenwasserstoffpolymere, wie Teflon, Cyanatharze und Kombinationen dieser und/oder andere Polymere oder Harze. Bei bestimmten Ausführungsformen ist das Pulverharz wärmeaushärtbar, entweder selbst vernetzend, mit einem Vernetzer formuliert oder oxidativ härtend. Bei einer bestimmten Ausführungsform umfasst das Pulverharz ein Phenolharz. Phenolharze sind aufgrund ihrer hohen Kohlenstoffausbeute (50 % des Ausgangsgewichtes) und aufgrund geringer Kosten bevorzugt, obwohl andere Harze möglich sind. Das gewählte Harz sollte bei der Temperatur, bei der die Dispersion gebildet wird, ein Feststoff sein, in Wasser nicht löslich sein und in pulverisierter Form verwendet werden. Bei bestimmten Ausführungsformen ist es erwünscht, ein Pulverharz mit einer durchschnittlichen Partikelgröße zwischen etwa 40 Mikrometer und etwa 100 Mikrometer zu verwenden. Wenn die Dispersion in eine Schicht auf einem Maschensieb geformt wird, gelangen Wasser und einige Pulverharzpartikel, die eine kleinere Größe als die Maschenweite des Siebes aufweisen, durch den Sieb hindurch. Fasern und Harzpulverpartikel mit einer Größe, die größer als die der Maschenlöcher ist, werden zurückgehalten, um die Faserschicht zu bilden. Partikel, die kleiner als die Siebmaschen sind, können ebenfalls in der Faserschicht abgefangen werden. Das Sieb besitzt eine Maschengröße, die kleiner als die durchschnittliche Partikelgröße des Harzpulvers ist. Beispielsweise kann ein Sieb mit 300 Maschen zu 100 Maschen gewählt werden.
Die Dispersion kann etwa 40 bis 80 Gewichtsprozent Harzpulver und bevorzugt etwa 60 bis etwa 75 Gewichtsprozent Harzpulver auf Grundlage der kombinierten Gewichte des Harzpulvers und der Kohlefaser und/oder Graphitfaser enthalten.
Wenn die Dispersion ein Bindermaterial enthält, kann die Dispersion in eine Schicht oder Matte oder ein Papier unter Verwendung von Papierherstelltechniken geformt werden. Die Dispersion kann in ein Kohlefaserpapier, das mit dem Pulverharz gefüllt ist, unter Verwendung eines Nassverfahrens und herkömmlicher Papierherstellausstattung geformt werden. Bei einem derartigen Prozess wird die Dispersion in einen „Stoffauflauf“ zugeführt, der die Dispersion in eine rotierende, poröse Trommel oder Drahtsieb mit einem Vakuumtrockner tropft, um das Wasser zu entfernen. Die Bahn, die geformt wird, wird von der Trommel oder dem Sieb abgezogen und gewöhnlich in einem Ofen oder auf heißen Rotationstrommeln mit großem Durchmesser vollständig getrocknet.
Bei herkömmlichen Prozessen zum Herstellen von Diffusionsmedien muss dem Papierherstell- oder Mattenherstellprozess ein Imprägnierungsschritt folgen, bei dem ein Harz in organischem Lösemittel in die Kohlefasermatrix eingeführt wird. Die vorliegende Erfindung erfordert diesen Schritt nicht, da das Kohlefaserpapier oder die Kohlefasermatte mit dem bereits über dieses bzw. diese dispergierten Pulverharz ausgebildet wird. Dies vermeidet wesentlichen Zeitaufwand, wesentliche Kosten, Emissionen und Ausstattungen im Vergleich zu den herkömmlichen Prozessen.
Das Kohlefaserpapier oder die Kohlefasermatte, die Pulverharz enthält, wird dann in einer Sauerstoffatmosphäre erhitzt, um das Harz zumindest teilweise zu härten (genannt B-Staging). Der Grad an Polymerisierung nach dem B-Staging ist ausreichend, so dass während eines Formschrittes, der folgt, sehr wenig Harzfluss vorhanden ist. Da die Dispersion das Pulverharz enthält, können der Trocknungsschritt und der B-Staging-Schritt in einen einzelnen Prozessschritt kombiniert werden.
Nach dem B-Staging kann das partikelharzpräparierte Papier oder die partikelharzpräparierte Matte kontinuierlich geformt oder in diskrete Lagen bis zu etwa einem Quadratmeter für den folgenden Formungsschritt gestanzt werden. Das partikelharzpräparierte Papier oder die partikelharzpräparierte Matte wird bei Schritt 130 in eine gewünschte Dicke und Gestaltung geformt und dann bei Schritt 140 karbonisiert oder graphitisiert, um das Gasdiffusionsmedium vorzusehen. Allgemein wird das Bindermaterial während des Karbonisierungs- und Graphitisierungsschrittes vollständig weggebrannt.
Der B-Staging-Schritt kann auch in den Formschritt integriert sein. Bei dieser Ausführungsform wird das Kohlefaserpapier oder die Kohlefasermatte, die Pulverharz enthält, mit einem gesteuerten rampenartigen Temperaturprofil geformt, um das Harz vollständig zu härten.
Bei Schritt 130 des in 1 gezeigten Prozesses wird das partikelharzpräparierte Kohlefaserpapier oder die partikelharzpräparierte Matte formgepresst und durch Heizen unter Druck vollständig gehärtet. Die optimale Temperatur und der optimale Druck hängen beispielsweise von dem gewählten bestimmten Pulverharz ab. Beispielsweise kann ein typisches Phenolharz bei oder oberhalb etwa 175°C unter einem Druck von etwa 400-550 kPa vollständig gehärtet werden. Für Chargenprozesse werden die Papiere oder Matten (wie vorher geschnitten) mit silikonbeschichteten Trennpapieren zwischen diesen in gewünschten Intervallen aufeinander gestapelt, um die gewünschten Lagen in dem geformten Produkt bzw. den geformten Produkten vorzusehen. Der Stapel kann mit einem gegebenen Druck oder einer gegebenen Dicke geformt werden, um die gewünschte Dicke oder Dichte für die geformten Papiere zu erreichen. Nach dem Formen kann ein Nachhärten (das „C-Staging“) bei einer erhöhten Temperatur (beispielsweise bei oder höher als 200°C) in Luft ausgeführt werden, um ein vollständiges Härten oder Vernetzen des Harzes vor dem nächsten Karbonisierungsschritt sicherzustellen.
Weiter bei Schritt 140 wird das geformte Papier oder die geformte Matte karbonisiert oder graphitisiert. Die Graphitisierung erfolgt, wenn die Matte bei über 2000°C in einer sauerstofffreien Umgebung erhitzt wird, was Änderungen der physikalischen Faserstruktur bewirkt. Amorpher Kohlenstoff wird in kristallines Lamellengraphit umgewandelt, was in einem höheren Zugmodul, einer erhöhten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit und einer höheren Dichte und chemischen Beständigkeit im Vergleich zu amorpher Kohlefaser resultiert. Der Harzabschnitt des Komposits graphitisiert nicht, sondern bleibt als amorpher Kohlenstoff zurück.
Die Karbonisierung und Graphitisierung kann kontinuierlich oder durch Stapeln von Lagen in einem horizontalen oder vertikalen Kammer- bzw. Chargenofen ausgeführt werden. Die Stapel werden in einer inerten Atmosphäre (beispielsweise Stickstoff oder Argon) erhitzt. Es ist bevorzugt, den Komposit in demselben Ofen in einem kontinuierlichen Zyklus zu karbonisieren (Temperatur 1200-2000°C) und dann zu graphitisieren (Temperatur >2000°C).
Die 2a und 2b sind Reproduktionen von REM-Bildern von Kohlefaserpapier, die durch ein herkömmliches Lösungsharzimprägnierungsverfahren (2a) und durch den Pulverharzpräparierprozess der Erfindung (2b) hergestellt ist. Wie zu sehen ist, sieht der Prozess der Erfindung eine offenere homogene Struktur vor. Ferner wird angenommen, dass der herkömmliche Harzlösungsimprägnierungsprozess eine dünne karbonisierte Harzfilmschicht auf der Oberfläche der einzelnen Faser zurücklässt. Diese amorphe Oberflächenschicht wird bei dem Prozess der Erfindung vermieden, und ein wesentlicher Anteil der ursprünglichen Kohlefaseroberfläche wird freiliegend belassen, während die Produkte nach dem Stand der Technik, die durch Lösungsimprägnierung von Faserpapier hergestellt werden, die Fasern vollständig oder nahezu vollständig mit amorphem Kohlenstofffilm beschichtet versehen. Ein Freilegen der Kohlefaseroberfläche verbessert die Leitfähigkeit, sowohl thermisch als auch elektrisch, als auch die Oberflächenenergie gegenüber mit amorphem Kohlenstofffilm beschichteten Produkten nach dem Stand der Technik.
Bei verschiedenen Ausführungsformen werden die Diffusionsmedien der Erfindung mit einer Oberflächenbeschichtung versehen, um einen Wassertransport durch das Diffusionsmedium zu steigern. Nicht beschränkende Beispiele von Diffusionsmediumbehandlungen umfassen eine Polytetrafluorethylen-(PTFE)-Behandlung und eine Beschichtung mit einer mikroporösen Schicht (MPL), die eine Mischung aus Kohlenstoffpulvern und Fluorpolymeren enthält. Bei einer Ausführungsform wird eine mikroporöse Schicht durch Beschichtung des Diffusionsmediums mit einer Paste, die Ruß (beispielsweise Acetylenruß) und PTFE-Dispersion enthält, geformt und das Diffusionsmedium mit der Paste gesintert.
Das Diffusionsmedium wird dazu verwendet, eine Brennstoffzelle herzustellen. Brennstoffzellenstapel enthalten eine Vielzahl von Brennstoffzellen, wobei die Anzahl einzelner Zellen von den Leistungs- und Spannungsanforderungen der Anwendung abhängt. Bei der Kraftfahrzeuganwendung enthalten typische Brennstoffzellenstapel 50 oder mehr einzelne Brennstoffzellen und können bis zu 400, 500 oder noch mehr enthalten. Leistungsanforderungen bei verschiedenen Anwendungen können auch dadurch erfüllt werden, dass eine Anzahl von Modulen vorgesehen wird, die einzelne Brennstoffzellenstapel umfassen. Die Module sind derart ausgebildet, um in einer Reihe zu arbeiten und damit eine angemessene Leistung vorzusehen, und sind so bemessen, dass sie in das verfügbare Gehäuse passen.
3 ist eine auseinander gezogene Ansicht, die einige Details des Aufbaus eines typischen Mehrzellenstapels zeigt, wobei der Deutlichkeit halber nur zwei Zellen gezeigt sind. Der bipolare Brennstoffzellenstapel 2 besitzt ein Paar Membranelektrodenanordnungen (MEA) 4 und 6, die voneinander durch ein elektrisch leitendes Brennstoffverteilungselement 8, nachfolgend Bipolarplatte 8, getrennt sind. Die MEAs 4 und 6 und die Bipolarplatte 8 sind zwischen aus rostfreiem Stahl bestehenden Klemmplatten oder Endplatten 10 und 12 und Endkontaktelementen 14 und 16 aneinander gestapelt. Die Endkontaktelemente 14 und 16 wie auch beide Arbeitsseiten der Bipolarplatte 8 enthalten ein Strömungsfeld aus einer Vielzahl von Nuten oder Kanälen 18, 20, 22 bzw. 24 zur Verteilung von Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen (d.h. Wasserstoff und Sauerstoff) an die MEAs 4 und 6. Nichtleitende Dichtungselemente 26, 28, 30 und 32 sehen Dichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Die Gasdiffusionsmedien der Erfindung 34, 36, 38 und 40 pressen an die Elektrodenseiten der MEAs 4 und 6. Die Endkontaktelemente 14 und 16 pressen an Diffusionsmedien 34 bzw. 40, während die Bipolarplatte 8 an ein Diffusionsmedium 36 auf der Anodenseite der MEA 4 und an ein Diffusionsmedium 38 auf der Kathodenseite der MEA 6 presst. Sauerstoff wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels von einem Speichertank 46 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 42 geliefert, während Wasserstoff an die Anodenseite der Brennstoffzelle von einem Speichertank 48 durch eine geeignete Versorgungsverrohrung 44 geliefert wird. Alternativ dazu kann Umgebungsluft an die Kathodenseite als eine Sauerstoffquelle (beispielsweise von einem Kompressor oder Gebläse) geliefert werden, und Wasserstoff kann an die Anode von einem Methanol- oder Benzinreformer geliefert werden. Für sowohl die Wasserstoff- als auch Sauerstoffseiten der MEAs 4 und 6 ist auch eine Austragsverrohrung (nicht gezeigt) vorgesehen. Eine zusätzliche Verrohrung 50, 52 und 54 ist vorgesehen, um flüssiges Kühlmittel an die Bipolarplatte 8 und die Endplatten 14 und 16 zu liefern. Eine geeignete Verrohrung zum Austrag von Kühlmittel von der Kühlmittelbipolarplatte 8 und der Endplatte 14 und 16 ist ebenfalls vorgesehen, jedoch nicht gezeigt.
Einzelne Brennstoffzellen enthalten eine Protonenaustauschmembran, die zwischen Elektroden angeordnet ist. Die Elektroden sind eine Anode und eine Kathode zur Verwendung bei der Ausführung der Gesamtproduktion von Wasser aus Brennstoff, der Wasserstoff enthält, und einem Oxidationsmittelgas, das Sauerstoff enthält. Bei verschiedenen Ausführungsformen enthalten die Elektroden Kohlenstoffstützpartikel, an denen kleinere Katalysatorpartikel (wie Platin) angeordnet sind, wie auch einen Polymerelektrolyt, der dazu dient, Protonen in den Elektrodenschichten zu binden und zu leiten. Geeignete Elektroden sind kommerziell erhältlich und die Kathode und die Anode können aus denselben Materialien hergestellt sein. Die Elektroden stehen mit einem porösen und elektrisch leitenden Material in Kontakt, wie Kohlenstoffgewebe oder Kohlepapier, das als das Diffusionsmedium dient.
4 zeigt Testdaten von einzelnen 50 cm² Brennstoffzellen. In allen Fällen wurden die Diffusionsmedien der vorliegenden Erfindung und die Referenzdiffusionsmedien auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle verwendet, an der die Wassermanagementanforderungen des Diffusionsmediums am strengsten sind. Es wurde ein herkömmliches Diffusionsmedium (Toray TGP H-060), das mit 7 Gewichtsprozent Polytetrafluorethylen behandelt wurde, als das Anodendiffusionsmedium verwendet. Der Test der Brennstoffzellenleistungsfähigkeit wurde bei einem Absolutdruck von 270 Kilopascal (kPa), einer Zellentemperatur von 60°C, wobei sowohl der Anoden- als auch Kathodentaupunkt bei 60°C lagen, einer Anodenströmung von Wasserstoff bei einem Zweifachen der stöchiometrischen Anforderung auf Grundlage der Stromentnahme und einer Kathodenströmung von Luft bei dem Zweifachen der stöchiometrischen Anforderung durchgeführt, was in einer relativen Feuchte (RF) von etwa 307 % an dem Gasauslass resultiert. Dieser Test vergleicht die Wirksamkeit der Flüssigwassermanagementfähigkeit für das getestete Diffusionsmedium, das auf der Kathodenseite der Zelle verwendet wird. Die Vergleichskurve C1 trägt den Strom gegenüber der Zellenspannung für Toray 060 Kohlefaserpapier auf, das mit 7 Gew.-% PTFE behandelt wurde. Die Vergleichskurve C2 zeigt das Ergebnis für Toray 060 Kohlefaserpapier, jedoch mit einer Beschichtung einer mikroporösen Schicht (MPL) mit etwa 1,1 mg/cm² beschichtet, die an der Katalysatorschicht positioniert wurde. Die MPL-Beschichtung wurde durch Stabbeschichten einer Paste auf das Kohlefaserpapier hergestellt. Die Paste enthielt 2,4 g Acetylenruß, 1,33 Gramm einer 60 % PTFE-Dispersion, 31,5 ml Isopropanol und 37 ml deionisiertes Wasser. Dann wird das Kohlepapier mit der Paste durch Erhitzen bei 380°C für 20 Minuten gesintert. Die Erfindungskurven E1 und E2 zeigen einen Strom gegenüber der Zellenspannung für ein Kohlefaserpapier, das gemäß der Erfindung unter Verwendung von Sigrafil C-30 Kohlefasern und einem Rutger-Plenco 12114 Harzpulver mit einer Maschenweite von 120 hergestellt wurde. Dieses harzgebundene Kohlefaserpapier enthält etwa 66 Gew.-% Harz vor der Karbonisierung. Das Gewichtsverhältnis von Kohlefaser zu karbonisiertem Harz beträgt etwa 1:1 nach der Karbonisierung. Das Beispiel von E1 ist PTFE-behandelt (7 Gew.-%) und das Beispiel von E2 ist PTFE-behandelt (7 Gew.-%) mit einer zusätzlichen MPL-Beschichtung, die an der Katalysatorschicht positioniert wurde. Die MPL-Beschichtung wurde wie zuvor mit einer Beladung von 1,15 mg/cm² Feststoffen auf dem Substrat hergestellt.
Die Kurven von 4 zeigen, dass die Beispiele E1 und E2 der Diffusionsmedien der Erfindung eine signifikant verbesserte Wassermanagementwirksamkeit gegenüber dem Toraydiffusionsmedium unter Bedingungen mit hoher Feuchte vorsehen. Es wurden auch zusätzliche Tests unter ziemlich trockenen Betriebsbedingungen ausgeführt, ohne dass eine Leistungsdifferenz zwischen der Erfindungsprobe und der Referenzprobe beobachtet wurde.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Diffusionsmediums (34, 36, 38, 40), umfassend, dass: eine wässrige Dispersion, die ein Pulverharz, ein Bindermaterial und ein Fasermaterial umfasst, das Kohlefasern, Graphitfasern und Kombinationen daraus umfasst, hergestellt wird (110), eine Schicht der Dispersion auf einem Träger ausgebildet wird (120), Wasser von der Schicht entfernt wird, um eine Faserschicht zu bilden, die Faserschicht geformt wird, und die geformte Schicht karbonisiert oder graphitisiert wird (140), wobei das Bindermaterial vollständig weggebrannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Faserschicht vor dem Formen zumindest teilweise gehärtet wird (130).
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Entfernen von Wasser und das zumindest teilweise Härten gemeinsam ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Pulverharz ein Phenolharz umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Pulverharz eine durchschnittliche Partikelgröße zwischen 40 Mikrometer und 100 Mikrometer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Pulverharz ein Phenolharz umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Faserschicht vor dem Karbonisieren 40 bis 80 Gew.-% Pulverharz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Träger ein Sieb ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Sieb eine Maschengröße aufweist, die kleiner als die durchschnittliche Partikelgröße des Pulverharzes ist.