DE102007012718A1

DE102007012718A1 - Acrylfasergebundenes Kohlefaserpapier als Gasdiffusionsmedium für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102007012718A1
Application number: DE102007012718A
Authority: DE
Inventors: Chunxin Ji; Gerald J. Fleming; Mark Mathias
Original assignee: SPECTRACORP; Spectracorp Shelton; GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: SPECTRACORP, SHELTON, US; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2027-03-17
Also published as: US8343452B2; CN101047253A; US20070218346A1; DE102007012718B4; JP2007273466A; JP4963995B2; CN101047253B

Abstract

Es ist ein Gasdiffusionsmedium für eine Brennstoffzelle, wie eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle vorgesehen. Das Gasdiffusionsmedium umfasst karbonisierbare Acrylpulpefasern anstelle eines herkömmlichen Phenolharzes als ein Bindermaterial. Die Acrylfasern werden mit der Kohlefaserdispersion während des Papierherstellschrittes gemischt, wodurch der Phenolharzimpränierungsschritt, der den herkömmlichen Prozessen zum Herstellen von Gasdiffusionsmedien typischerweise zugeordnet ist, beseitigt wird. Die Matte wird dann gehärtet und karbonisiert, um ein Gasdiffusionsmedium herzustellen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Brennstoffzellensysteme und insbesondere neue und verbesserte Gasdiffusionsmedien zur Verwendung in Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzellensystemen.
2. Beschreibung der verwandten Technik
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 Protonenaustauschmembran-(PEM)-Typ wie auch bei anderen Brennstoffzellentypen wird Wasserstoff an die Anode der Brennstoffzelle geliefert und Sauerstoff als das Oxidationsmittel an die Kathode geliefert. Eine typische PEM-Brennstoffzelle und ihre Membranelektrodenanordnung (MEA) sind in den gemeinsam übertragenen U.S. Patenten Nr. 5,272,017 und 5,316,871 beschrieben, deren gesamten Beschreibungen hier durch Bezugnahme eingeschlossen sind.
PEM-Brennstoffzellen weisen eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer dünnen, protonendurchlässigen, nicht elektrisch leitenden Festpolymerelektrolytmembran auf, die an einer ihrer Seiten den Anoden katalysator und an der entgegengesetzten Seite den Kathodenkatalysator aufweist. Gewöhnlich verwenden PEM-Brennstoffzellen Bipolarplatten mit Kanälen auf jeder Seite für die Verteilung von Reaktanden über die Elektroden-(d.h. Anoden- und Kathoden-)Katalysatorschichtflächen. Gasdiffusionsmedien (auch als Gasdiffusoren oder Gasdiffusionsverstärkungen bekannt) sind zwischen jeder Seite der katalysatorbeschichteten Protonenaustauschmembran und den Bipolarplatten vorgesehen. Das Gebiet zwischen Reaktandenkanälen besteht aus Stegen, die auch als Rippen bekannt sind. Demgemäß befindet sich bei diesem Konstruktionstyp grob die Hälfte der Elektrodenfläche benachbart der Rippen und eine Hälfte benachbart der Stege. Die Rolle der Gasdiffusionsmedien besteht darin, die Anoden- und Kathodengase von der Kanal-Rippen-Struktur des Strömungsfeldes an den aktiven Bereich der Elektrode mit minimalem Spannungsverlust zu übertragen. Obwohl der gesamte Strom durch die Stege gelangt, unterstützt ein effektives Diffusionsmedium eine gleichförmige Stromverteilung an den benachbarten Katalysatorschichten.
Beispiele der Technologie in Verbindung mit PEM- und anderen verwandten Typen von Brennstoffzellensystemen können unter Bezugnahme auf die gemeinsam übertragenen U.S. Patente Nrn. 3,985,578 von Witherspoon et al.; 5,624,769 von Li et al.; 5,776,624 von Neutzler; 6,277,513 von Swathirajan et al.; 6,350,539 von Wood, III et al.; 6,372,376 von Fronk et al.; 6,376,111 von Mathias et al.; 6,521,381 von Vyas et al.; 6,542,736 von Sompalli et al.; 6,566,004 von Fly et al.; 6,663,994 von Fly et al.; 6,793,544 von Brady et al.; 6,794,068 von Rapaport et al.; 6,811,918 von Blunk et al.; 6,824,909 von Mathias et al.; U.S. Patentanmeldung Veröffentlichungs-Nr. 2004/0009384 von Mathias et al.; 2004/0096709 von Darling et al.; 2004/0137311 von Mathias et al.; 2005/0026012 von O'Hara; 2005/0026018 von O'Hara et al.; 2005/026523 von O'Hara et al.; 2005/0042500 von Mathias et al.; 2005/0084742 von Angelopoulos et al.; 2005/0100774 von Abd Elhamid et al.; und 2005/0112449 von Mathias et al., wobei die gesamten Beschreibungen von allen hier ausdrücklich durch Bezugnahme eingeschlossen sind.
Die Gasdiffusionsmedien sehen einen Reaktandengaszugang von dem Strömungsfeldkanal zu den Katalysatorschichten vor, sehen einen Durchgang zur Entfernung von Produktwasser von dem Katalysatorschichtbereich zu den Strömungsfeldkanälen vor, sehen eine elektronische Leitfähigkeit von den Katalysatorschichten zu den Bipolarplatten vor, sehen eine effiziente Wärmeentfernung von der MEA an die Bipolarplatten vor, an denen Kühlmittelkanäle angeordnet sind, und sehen eine mechanische Abstützung für die MEA im Fall großer Reaktandendruckdifferenzen zwischen den Anoden- und Kathodengaskanälen vor. Durch die obigen Funktionen werden den Diffusionsmedien elektrische und thermische Leitfähigkeitsanforderungen auferlegt, einschließlich sowohl der Masseneigenschaften als auch der Schnittstellenleitfähigkeiten mit den Bipolarplatten und den Katalysatorschichten. Aufgrund der Kanal-Rippen-Struktur der Bipolarplatten erlauben die Gasdiffusionsmedien auch einen Gaszugang seitlich von den Kanälen zu dem Katalysatorbereich benachbart der Stege, um dort eine elektrochemische Reaktion zuzulassen. Die Gasdiffusionsmedien unterstützen auch eine Wasserentfernung seitlich von dem Katalysatorbereich benachbart des Steges hinaus zu dem Kanal. Die Gasdiffusionsmedien sehen auch eine elektronische Leitfähigkeit seitlich zwischen dem Bipolarplattensteg und der Katalysatorschicht benachbart zu dem Kanal vor und behalten einen guten Kontakt mit der Katalysatorschicht für eine elektrische und thermische Leitfähigkeit bei und dürfen nicht in die Kanäle gepresst werden, was in einer blockierten Strömung und hohen Kanaldruckabfällen resultieren würde.
Diffusionsmedien nach dem Stand der Technik in Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzellen bestehen aus Kohlefasermatten, die oftmals als Kohlefaserpapier bezeichnet werden. Diese Papiere verwenden Vorläuferfasern, die typischerweise aus Polyacrylnitril, Zellulose und anderen Polymermaterialien hergestellt sind. Die Verarbeitung besteht aus einer Ausbildung der Matte, einem Zusatz eines Harzbinders, einem Härten des Harzes mit dem Material (manchmal unter Druck ausgeführt und als Formen bezeichnet) und einem zunehmenden Erhitzen des Materials unter Inertatmosphäre oder Vakuum, um nicht kohlenstoffhaltiges Material zu entfernen. Der letzte Schritt bei der Herstellung des Materials ist ein Hochtemperaturwärmebehandlungsschritt, der sich 1.600°C annähert oder überschreitet und in einigen Fällen die Höhe von 2.800°C erreicht. Dieser Schritt wird in einem Inertgas (beispielsweise Stickstoff oder Argon) oder einer Vakuumumgebung ausgeführt, und der Zweck besteht darin, nicht kohlenstoffhaltiges Material zu entfernen und, wenn die Temperatur etwa 2.000°C oder darüber angenommen hat, den Kohlenstoff in Graphit umzuwandeln. Dieser Schritt kann kontinuierlich oder in Kammer- oder Chargenöfen unter Verwendung von Stapeln quadratischer Lagen aus Kohlefaserpapier, gewöhnlich ein Quadratmeter, durchgeführt werden. Das Umwandeln des Kohlenstoffs in Graphit resultiert in einer überlegenen elektrischen Leitfähigkeit, die typischerweise so verstanden worden ist, dass sie zur Verwendung in PEM-Brennstoffzellen ideal ist. Kohlefaserpapiere werden auch als Gasdiffusionselektroden in Phosphorsäure-Brennstoffzellen-(PAFC)-Anwendungen verwendet. Bei dieser Anwendung muss das Material graphitisiert sein, so dass es eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit besitzt, um den heißen Phosphorsäureelektrolyt auszuhalten.
Zusammenfassend umfassen die Herstellschritte für ein typisches kohlefaserpapierbasiertes Gasdiffusionsmedium typischerweise: (1) einen Koh lefaserpapierherstellschritt; (2) einen Imprägnierungsschritt unter Verwendung von Harz und Füllstoffen; (3) einen Harzhärteschritt, der manchmal mit einem aufgebrachten Druck ausgeführt wird; und (4) einen Karbonisierungs/Graphitisierungsschritt. Die Kohlefaserpapierherstell- und Imprägnierungsschritte sind typischerweise kontinuierlich, während die Form-, Karbonisierungs- und Graphitisierungsschritte entweder chargenartig oder kontinuierlich sein können. Beispielsweise weist ein spezifischer Prozess die folgenden Schritte auf: (1) einen Schritt zum Bereitstellen von Polyacrylnitril-(PAN)-Fasern; (2) einen Schritt zum Karbonisieren und Zerhacken der Fasern; (3) einen Papierherstellschritt, mit einem Zusatz von 5–15 % Binder; (4) einen Harzimprägnierungsschritt unter Verwendung von Phenolharz; (5) einen Formungsschritt; und (6) einen Karbonisierungs/Graphitisierungsschritt.
Das Harz, typischerweise Phenolharz, das dazu verwendet wird, die Struktur aneinander zu binden, wird herkömmlich während des separaten Imprägnierungsschrittes über eine Lösung aufgebracht, wobei das Lösemittel in Hochgeschwindigkeitsöfen abgetrieben wird. Jedoch sind all diese separaten Herstell- und Bearbeitungsschritte zeitaufwendig und teuer.
Demgemäß besteht ein Bedarf nach neuen und verbesserten Gasdiffusionsmedien für PEM-Brennstoffzellensysteme.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung sind neue und verbesserte Gasdiffusionsmedien für PEM-Brennstoffzellensysteme vorgesehen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Gasdiffusionsschicht zur Verwendung in Brennstoffzellen vorgesehen, die umfasst: (1) eine Matte, die aus einer Vielzahl von Kohlefasern besteht; und (2) eine Vielzahl von Acrylpulpefasern, die in die Kohlefasermatte integriert sind, wobei die Acrylpulpefasern nach Integration in die Kohlefasermatte gehärtet und karbonisiert werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Kohlefasern in einem Bereich von etwa 25 bis etwa 50 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht vor dem Härten und Karbonisieren vorhanden. Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Kohlefasern in einer Menge von etwa 35 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht vor dem Härten und Karbonisieren vorhanden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Acrylpulpefasern in einem Bereich von etwa 50 bis etwa 75 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht vor dem Härten und Karbonisieren vorhanden. Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Acrylpulpefasern in einer Menge von etwa 65 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht vor dem Härten und Karbonisieren vorhanden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Kohlefasern, die der vorkarbonisierten Matte hinzugesetzt werden, in einem Bereich von etwa 40 bis etwa 70 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht nach dem Härte- und Karbonisierungsschritt vorhanden. Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die karbonisierten Acrylfasern in einem Bereich von etwa 30 bis etwa 60 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht nach dem Härte- und Karbonisierungsschritt vorhanden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Gasdiffusionsschicht graphitisiert (beispielsweise mehr als 90 % Kohlenstoff). Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Gasdiffusionsmedium in eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle integriert.
Gemäß einer ersten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Gasdiffusionsschicht zur Verwendung in Brennstoffzellen vorgesehen, umfassend: (1) eine Matte, die aus einer Vielzahl von Kohlefasern besteht; und (2) eine Vielzahl von Acrylpulpefasern, die in die Kohlefasermatte integriert sind, wobei die Acrylpulpefasern nach Integration in die Kohlefasermatte gehärtet und karbonisiert werden, wobei die Kohlefasern in einem Bereich von etwa 25 bis etwa 50 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht vor dem Härten und Karbonisieren vorhanden sind, und wobei die Acrylpulpefasern in einem Bereich von etwa 50 bis etwa 75 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht vor dem Härten und Karbonisieren vorhanden sind.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Kohlefasern in einer Menge von etwa 35 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht vor dem Härten und Karbonisieren vorhanden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Acrylpulpefasern in einer Menge von etwa 65 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht vor dem Härten und Karbonisieren vorhanden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Kohlefasern, die der vorkarbonisierten Matte hinzugesetzt werden, in einem Bereich von etwa 40 bis etwa 70 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht nach dem Härte- und Karbonisierungsschritt vorhanden. Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die karbonisierten Acrylfasern in einem Bereich von etwa 30 bis etwa 60 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht nach dem Härte- und Karbonisierungsschritt vorhanden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Gasdiffusionsschicht graphitisiert (beispielsweise mehr als 90 % Kohlenstoff). Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Gasdiffusionsmedium in eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle integriert.
Gemäß einer zweiten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Ausbilden einer Gasdiffusionsschicht zur Verwendung in Brennstoffzellen, dass: (1) eine Vielzahl von Kohlefasern vorgesehen wird; (2) eine Vielzahl von Acrylpulpefasern vorgesehen wird; (3) die Acrylpulpefasern und die Kohlefasern kombiniert werden, um eine Matte zu bilden; und (4) die Acrylfasern gehärtet und karbonisiert werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Kohlefasern in einem Bereich von etwa 25 bis etwa 50 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht vor dem Härten und Karbonisieren vorhanden. Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Kohlefasern in einer Menge von etwa 35 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht vor dem Härten und Karbonisieren vorhanden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Acrylpulpefasern in einem Bereich von etwa 50 bis etwa 75 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht vor dem Härten und Karbonisieren vorhanden. Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Acrylpulpefasern in einer Menge von etwa 65 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht vor dem Härten und Karbonisieren vorhanden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Kohlefasern, die der vorkarbonisierten Matte hinzugefügt werden, in einem Bereich von etwa 40 bis etwa 70 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht nach dem Härte- und Karbonisierungsschritt vorhanden. Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die karbonisierten Acrylfasern in einem Bereich von etwa 30 bis etwa 60 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht nach dem Härte- und Karbonisierungsschritt vorhanden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Gasdiffusionsschicht graphitisiert (beispielsweise größer als 90 % Kohlenstoff). Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Gasdiffusionsmedium in eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle integriert.
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.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
1 ein mikrofotografisches Bild von fibrillierten Acrylpulpefasern gemäß dem Stand der Technik ist;
2 ein mikrofotografisches Bild mit geringer Vergrößerung (50X) eines Gasdiffusionsmediums gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung ist;
3 ein mikrofotografisches Bild mit großer Vergrößerung (2500X) eines Gasdiffusionsmediums gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung ist;
4 eine graphische Darstellung der Charakteristiken des Potentials in Abhängigkeit der Stromdichte einer Serie von Brennstoffzellenproben, die ein Gasdiffusionsmedium enthalten, das gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, unter feuchten Betriebsbedingungen ist; und
5 eine graphische Darstellung der Charakteristiken des Potentials in Abhängigkeit der Stromdichte derselben Serie von Brennstoffzellenproben von 4 unter trockenen Betriebsbedingungen ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung wirkt eine karbonisierbare Acrylpulpe, die den Phenolharzbinder in einem herkömmlichen Imprägnierungsschritt ersetzt, als das Bindermaterial und wird mit einer Kohlefaserdispersion während des Papierherstellschrittes gemischt. Dies beseitigt die zusätzlichen Kosten eines Phenolharzimprägnierungsschrittes (einschließlich Lösemittelentfernung und Wegbrennen). Durch vorsichtiges Nachhärten und Karbonisieren ist eine neuartige Gasdiffusionsschicht hergestellt worden.
Die Durchführbarkeit dieser Vorgehensweise ist bis heute sowohl hinsichtlich der Herstellung als auch der Brennstoffzellenleistungsfähigkeit demonstriert worden. Die fibrillierte Acrylpulpe der vorliegenden Erfindung wird allgemein als "Partikelfänger" in der Papierindustrie verwendet und ist leicht kommerziell aus zahlreichen Quellen erhältlich. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht die Acrylpulpe der vorliegenden Erfindung aus Bündeln sehr feiner Acrylfasern (beispielsweise siehe 1), wie denen, die leicht von Sterling Fibers (Pace, Florida) erhältlich sind. Wenn diese Pulpen in Wasser gegeben werden, "blühen" diese auf, wodurch ein Netzwerk sehr feiner Fasern (beispielsweise Durchmesser von 100–200 Nanometer) erzeugt wird.
Das Gasdiffusionsmedium der vorliegenden Erfindung wird gemäß dem folgenden allgemeinen Prozess hergestellt.
Anfänglich werden vor der Papierausbildung Kohlefasern (beispielsweise SGL Carbon Group (Wiesbaden, Deutschland) SIGRAFIL C^® C30), die Faserdurchmesser von etwa 7 Mikrometer aufweisen, in vorbestimmte Längen zerhackt, wie beispielsweise Längen von etwa 5 bis etwa 7 Millimeter oder eine beliebige Länge, die für einen Papierherstellprozess geeignet ist.
Der Papierherstellprozess wird unter Verwendung der zerhackten Kohlefasern mit vorbestimmter Länge, die in Wasser dispergiert sind, mit der Acrylfaserpulpe (beispielsweise Acordis BV, Arnhem, Niederlande), Hochspannungs-(HT)-Acrylfasern, geschlagen auf Canadian Standard Freeness (CSF) 240, 6 mm × 1,2 d) ausgeführt, wobei die Dispersion der Fasern so niedrig wie etwa 1 bis etwa 5 Gewichtsprozent ist. Obwohl die Acrylfasern dazu bestimmt sind, als ein Binder zu dienen, sei angemerkt, dass andere Materialien, wie zusätzliche Binder, ebenfalls der Dispersion hinzugesetzt werden können, beispielsweise 5 bis 15 Gewichtsprozent Polyvinylalkohol (PVA) bezüglich des Festmaterialgehalts in der Dispersion. Zusätzlich kann, um eine gleichförmige Dispersion zu bilden, eine kleine Menge an nichtionischem oberflächenaktivem Stoff, wie TRITON X-100, der Dispersion hinzugesetzt werden. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Acrylfasern karbonisierbar, so dass zumindest 30 Gewichtsprozent der Acrylfasern nach einem Karbonisierungsschritt verbleiben.
Die Dispersion wird dann auf eine poröse Trommel oder einen Drahtsieb mit einem Vakuumtrockner getropft, um das Wasser zu entfernen. Die Bahn wird dann in einem Ofen oder auf erhitzten Trommeln getrocknet. Die Bahn wird dann in Rollen aufgerollt. Die Bahn besitzt typischerweise ein Flächengewicht von etwa 100 bis etwa 130 gm/m².
Das Kohlefaserpapier wird dann formgepresst und vollständig gehärtet, indem das Kohlefaserpapier unter Druck von etwa 150 bis etwa 300 psi zunächst einer niedrigeren Temperatur, beispielsweise 120 bis 175°C, um die Acrylfasern zu verschmelzen, für 1 bis 2 Minuten und dann einer höheren Temperatur bis zu 250°C für etwa 1 bis 2 Minuten ausgesetzt wird, um die Acrylfasern zu härten. Das Faserpapier wird somit in eine gewünschte Dicke und Dichte geformt.
Schließlich wird ein Wärmebehandlungsschritt zur Karbonisierung des geformten Papiers durch Erhitzen des Papiers auf eine Karbonisierungstemperatur ausgeführt. Typischerweise liegt diese Temperatur im Bereich zwischen 1300°C und 2400°C. Da die Acrylfasern karbonisierbar sind, verbleiben zumindest 30 Gewichtsprozent der Acrylfasern nach dem Karbonisierungsschritt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Kohlefasern in einem Bereich von etwa 25 bis etwa 50 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht vor dem Härten und Karbonisieren vorhanden. Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Kohlefasern in einer Menge von etwa 35 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht vor dem Härten und Karbonisieren vorhanden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Acrylpulpefasern in einem Bereich von etwa 50 bis etwa 75 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht vor dem Härten und Karbonisieren vorhanden. Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Acrylpulpefasern in einer Menge von etwa 65 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht vor dem Härten und Karbonisieren vorhanden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Kohlefasern, die der vorkarbonisierten Matte hinzugesetzt werden, in einem Bereich von etwa 40 bis etwa 70 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht nach dem Härte- und Karbonisierungsschritt vorhanden. Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die karbonisierten Acrylfasern in einem Bereich von etwa 30 bis etwa 60 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht nach dem Härte- und Karbonisierungsschritt vorhanden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Gasdiffusionsmedium in eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle eingebaut.
Die 2 und 3 zeigen REM-Bilder des Gasdiffusionsmediums, das gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Das REM-Bild mit niedriger Vergrößerung (d.h. 2) zeigt, dass die Oberfläche der GDL mit den karbonisierten Acrylfasern bedeckt ist, während das REM-Bild mit höherer Vergrößerung (d.h. 3) die karbonisierte fibrillierte Acrylstruktur zeigt. Die Probe wurde unter Verwendung von 65 Gewichtsprozent Acrylfaser (beispielsweise Acordis BV, Arnhem, Niederlande), Hochspannungs-(HT)-Acrylfasern, geschlagen auf Canadian Standard Freeness (CSF) 240, 6 mm × 1,2 d) und 35 Gewichtsprozent Kohlefasern (beispielsweise SGL Carbon Group (Wiesbaden, Deutschland) SIGRAFIL C^® C30) hergestellt. Anhand eines nicht beschränkenden Beispiels können die Acrylfasern der vorliegenden Erfindung aus Fasern mit einem CSF im Bereich von etwa 100 bis etwa 450 bestehen.
Um die Charakteristiken des Potentials in Abhängigkeit der Stromdichte einer Brennstoffzelle, die ein Gasdiffusionsmedium enthält, das gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, zu bestimmen, wurde eine 50 cm²-Prüfung an den drei Proben ausgeführt, wie in den 4 und 5 gezeigt ist. In beiden Fällen wurden die Diffusionsmedien der vorliegenden Erfindung auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle verwendet, an der die Wassermanagementanforderungen des Diffusionsmediums am strengsten sind. Es wurde ein herkömmliches Diffusionsmedium (TORAY TGPH-060), das mit 7 Gewichtsprozent Polytetrafluorethylen behandelt war, als das Anodendiffusionsmedium verwendet, und es wurde eine kommerzielle katalysatorbeschichtete Membran verwendet (25 Mikrometer Membran, 0,4 mg Pt/cm² an der Anode und 0,4 mg Pt/cm² an der Kathode, Gore 5510 von W.L. Gore, Elkton, Maryland). In 4 wurde der Test bei einem Absolutdruck von 270 Kilopascal (kPa), einer Temperatur von 60°C, wobei sowohl der Anoden- als auch der Kathodentaupunkt bei 60°C lag, was in einer relativen Feuchte (RF) von etwa 300 % an dem Gasauslass resultiert, durchgeführt. In 5 wurde ein Test bei einem Druck von 50 kPa, einer Temperatur von 80°C, wobei sowohl der Anoden- als auch der Kathodentaupunkt bei 70°C lag, was in einer relativen Feuchte (RF) von etwa 110 % an dem Gasauslass resultiert, durchgeführt. In beiden Fällen wurden die Wasserstoff- und Luftdurchflüsse bei dem Doppelten der stöchiometrischen Anforderung auf Grundlage der Brennstoffzellenstromdichte beibehalten.
Wie die 4 und 5 deutlich zeigen, waren die Charakteristiken des Potentials in Abhängigkeit der Stromdichte der Brennstoffzellenproben, die das Gasdiffusionsmedium aufwiesen, das gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, völlig zufrieden stellend und vergleichbar mit dem besten verfügbaren Diffusionsmedium. Wie auch gesehen werden kann, wurde eine exzellente Brennstoffzellenleistungsfähigkeit sogar ohne den Zusatz einer herkömmlich verwendeten mikroporösen Schicht (beispielsweise MPL, Kohlenstoffpulver, das durch ein hydrophobes Polymer gebunden ist) auf dem Substrat erreicht. Ohne sich an eine bestimmte Theorie des Betriebs der vorliegenden Erfindung zu binden, wird angenommen, dass die karbonisierten Acrylpulpefasern die Porenstruktur des endgültigen Kohlefaserpapiersubstrats beeinflussen und sich somit ähnlich einer MPL verhalten. Somit ist eine mit dem Gasdiffusionsmedium nach dem Stand der Technik vergleichbare Brennstoffzellenleistungsfähigkeit durch Verwendung eines Gasdiffusionsmediums erreicht worden, das gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur und somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung befindlich anzusehen. Somit werden derartige Abwandlungen nicht als eine Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung betrachtet.

Claims

Gasdiffusionsschicht zur Verwendung in Brennstoffzellen, mit: einer Matte, die aus einer Vielzahl von Kohlefasern besteht; und einer Vielzahl von Acrylpulpefasern, die in die Kohlefasermatte integriert sind; wobei die Acrylpulpefasern nach der Integration in die Kohlefasermatte gehärtet und karbonisiert werden.
Erfindung nach Anspruch 1, wobei die Kohlefasern in einem Bereich von etwa 25 bis etwa 50 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht vor dem Härten und Karbonisieren vorhanden sind.
Erfindung nach Anspruch 1, wobei die Kohlefasern in einer Menge von etwa 35 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht vor dem Härten und Karbonisieren vorhanden sind.
Erfindung nach Anspruch 1, wobei die Acrylpulpefasern in einem Bereich von etwa 50 bis etwa 75 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht vor dem Härten und Karbonisieren vorhanden sind.
Erfindung nach Anspruch 1, wobei die Acrylpulpefasern in einer Menge von etwa 65 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtge wichts der Gasdiffusionsschicht vor dem Härten und Karbonisieren vorhanden sind.
Erfindung nach Anspruch 1, wobei die Kohlefasern, die der vorkarbonisierten Matte hinzugefügt sind, in einem Bereich von etwa 40 bis etwa 70 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht nach dem Härte- und Karbonisierungsschritt vorhanden sind.
Erfindung nach Anspruch 1, wobei die karbonisierten Acrylfasern in einem Bereich von etwa 30 bis etwa 60 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht nach dem Härte- und Karbonisierungsschritt vorhanden sind.
Erfindung nach Anspruch 1, wobei die Gasdiffusionsschicht in eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle eingebaut ist.
Gasdiffusionsschicht zur Verwendung in Brennstoffzellen, mit: einer Matte, die aus einer Vielzahl von Kohlefasern besteht; und einer Vielzahl von Acrylpulpefasern, die in die Kohlefasermatte integriert sind; wobei die Acrylpulpefasern nach der Integration in die Kohlefasermatte gehärtet und karbonisiert werden; wobei die Kohlefasern in einem Bereich von etwa 25 bis etwa 50 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht vor dem Härten und Karbonisieren vorhanden sind; wobei die Acrylpulpefasern in einem Bereich von etwa 50 bis etwa 75 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht vor dem Härten und Karbonisieren vorhanden sind.
Erfindung nach Anspruch 9, wobei die Kohlefasern in einer Menge von etwa 35 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht vor dem Härten und Karbonisieren vorhanden sind.
Erfindung nach Anspruch 9, wobei die Acrylpulpefasern in einer Menge von etwa 65 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht vor dem Härten und Karbonisieren vorhanden sind.
Erfindung nach Anspruch 9, wobei die Kohlefasern, die der vorkarbonisierten Matte hinzugesetzt sind, in einem Bereich von etwa 40 bis etwa 70 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht nach dem Härte- und Karbonisierungsschritt vorhanden sind.
Erfindung nach Anspruch 9, wobei die karbonisierten Acrylfasern in einem Bereich von etwa 30 bis etwa 60 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht nach dem Härte- und Karbonisierungsschritt vorhanden sind.
Erfindung nach Anspruch 9, wobei die Gasdiffusionsschicht in eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle eingebaut ist.
Verfahren zum Ausbilden einer Gasdiffusionsschicht zur Verwendung in Brennstoffzellen, umfassend, dass: eine Vielzahl von Kohlefasern vorgesehen wird; eine Vielzahl von Acrylpulpefasern vorgesehen wird; die Acrylpulpefasern und die Kohlefasern kombiniert werden, um eine Matte zu bilden; und die Acrylfasern gehärtet und karbonisiert werden.
Erfindung nach Anspruch 15, ferner umfassend, dass die Gasdiffusionsschicht graphitisiert wird.
Erfindung nach Anspruch 15, wobei die Kohlefasern in einem Bereich von etwa 25 bis etwa 50 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht vor dem Härten und Karbonisieren vorhanden sind.
Erfindung nach Anspruch 15, wobei die Kohlefasern in einer Menge von etwa 35 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht vor dem Härten und Karbonisieren vorhanden sind.
Erfindung nach Anspruch 15, wobei die Acrylpulpefasern in einem Bereich von etwa 50 bis etwa 75 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht vor dem Härten und Karbonisieren vorhanden sind.
Erfindung nach Anspruch 15, wobei die Acrylpulpefasern in einer Menge von etwa 65 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht vor dem Härten und Karbonisieren vorhanden sind.
Erfindung nach Anspruch 15, wobei die Kohlefasern, die der vorkarbonisierten Matte hinzugesetzt werden, in einem Bereich von et wa 40 bis etwa 70 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht nach dem Härte- und Karbonisierungsschritt vorhanden sind.
Erfindung nach Anspruch 15, wobei die karbonisierten Acrylfasern in einem Bereich von etwa 30 bis etwa 60 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gesamtgewichts der Gasdiffusionsschicht nach dem Härte- und Karbonisierungsschritt vorhanden sind.
Erfindung nach Anspruch 15, wobei die Gasdiffusionsschicht in eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle eingebaut ist.