DE102012206227B4

DE102012206227B4 - Membranbefeuchter für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102012206227B4
Application number: DE102012206227.0A
Authority: DE
Inventors: Annette M. Brenner; Robert E. Evans
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2012-04-16
Publication date: 2020-06-04
Anticipated expiration: 2032-04-17
Also published as: CN102738490B; DE102012206227A1; US20120264026A1; CN102738490A; US8974977B2

Abstract

Membranbefeuchter für eine Brennstoffzelle, umfassend:(i) eine Membran;(ii) eine nassseitige Platte und eine trockenseitige Platte auf gegenüberliegenden Seiten der Membran, wobei die nassseitige Platte und die trockenseitige Platte Strömungskanäle darin aufweisen;(iii) ein trockenseitiges Diffusionsmedium zwischen der Membran und der trockenseitigen Platte; und(iv) ein nassseitiges, flexibles, harzgebundenes Glasfaserpapier-Diffusionsmedium zwischen der Membran und der nassseitigen Platte, wobei das Glasfaserpapier (a) Glasfasern, (b) eine Dicke von 100-110 µm und (c) eine Gurley-Durchlässigkeit von zumindest 47,2 l/s aufweist; wobei das Glasfaserpapier mit 26-55 % ausgehärtetem, flüssigen Phenolharz imprägniert ist.

Description

GEBIET
Diese Erfindung betrifft einen Membranbefeuchter für eine Brennstoffzelle. Im Spezielleren betrifft diese Erfindung Diffusionsmedien zur Verwendung in einem Membranbefeuchter für eine Brennstoffzelle.
HINTERGRUND
Elektrochemische Umwandlungszellen, die üblicherweise als Brennstoffzellen bezeichnet werden, erzeugen elektrische Energie durch Verarbeiten eines ersten und eines zweiten Reaktanden, beispielsweise durch Oxidation und Reduktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Zum Zweck der Veranschaulichung und nicht als Einschränkung umfasst eine typische Polymerelektrolytbrennstoffzelle eine Polymermembran (z. B. eine Protonenaustauschmembran), die zwischen einem Paar von Katalysatorschichten mit einem Paar Gasdiffusionsmediumschichten außerhalb der Katalysatorschichten positioniert ist. Eine Kathodenplatte und eine Anodenplatte sind an den äußersten Seiten benachbart zu den Gasdiffusionsmediumschichten angeordnet und die vorstehenden Komponenten sind stark komprimiert, um die Zelleneinheit zu bilden.
Die von einer einzelnen Zelleneinheit bereitgestellte Spannung ist typischerweise zu gering für Nutzanwendungen. Es sind daher eine Vielzahl von Zellen in einem „Stapel“ angeordnet und in Reihe verbunden, um die elektrische Leistung der elektrochemischen Umwandlungsanordnung oder Brennstoffzelle zu erhöhen. Der Brennstoffzellenstapel verwendet typischerweise Bipolarplatten zwischen benachbarten Membranelektrodenanordnungen (MEA).
Um mit der gewünschten Effizienz zu arbeiten, muss die Polymermembran feucht sein. Demzufolge ist es manchmal notwendig, eine Befeuchtung vorzusehen, um das erforderliche Feuchtigkeitsniveau aufrechtzuerhalten. Dies hilft dabei, Schäden an der Membran und die daraus resultierende verkürzte Haltbarkeit zu verhindern sowie die gewünschte Betriebseffizienz aufrechtzuerhalten. Ein geringerer Wassergehalt in der Membran führt z. B. zu einem höheren Protonenleitwiderstand, was einen höheren ohmschen Spannungsverlust zur Folge hat. Die Befeuchtung der Einsatzgase, insbesondere des Kathodeneinlasses, ist wünschenswert, um eine ausreichende Feuchte in der Membran, insbesondere im Einlassbereich, aufrechtzuerhalten. Die Befeuchtung in Brennstoffzellen ist in den in Gemeinschaftsbesitz befindlichen US-Patenten US 7 036 466 B2 und US 7 572 531 B2 und der U.S.-Patentanmeldung US 2006 / 0 029 837 A1 erläutert.
Es werden oft Luftbefeuchter verwendet, um den in der Brennstoffzelle verwendeten Luftstrom zu befeuchten, um das gewünschte Feuchtigkeitsniveau aufrechtzuerhalten, wie in den U.S.-Patenten US 6 471 195 B2 und US 7 156 379 B2 beschrieben.
Bezüglich des weitergehenden Standes der Technik sei an dieser Stelle auf die Druckschriften US 2008 / 0 001 313 A1 , US 2011 / 0 053 007 A1 und DE 10 2008 050 507 A1 verwiesen.
Es wurden auch Membranbefeuchter verwendet, um die erforderlichen Feuchtigkeitsniveaus aufrechtzuerhalten. Für die Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug-Befeuchtungsanwendungen muss ein Membranbefeuchter kompakt sein, eine geringe Druckabnahme zeigen und Hochleistungseigenschaften aufweisen. 1 veranschaulicht ein Beispiel einer herkömmlichen Membranbefeuchteranordnung 10 für eine Brennstoffzelle (nicht gezeigt). Die Membranbefeuchteranordnung 10 umfasst eine nasse Platte 12 und eine trockene Platte 14. Es wird die Membranbefeuchteranordnung 10 für eine Kathodenseite der Brennstoffzelle beschrieben. Es ist jedoch einzusehen, dass die Membranbefeuchteranordnung 10, falls erwünscht, für die Anodenseite der Brennstoffzelle oder anderweitig verwendet werden kann.
Die nasse Platte 12 umfasst eine Vielzahl von darin gebildeten Strömungskanälen 16. Die Kanäle 16 sind geeignet, ein nasses Gas von der Kathode der Brennstoffzelle zu einem Auslass (nicht gezeigt) zu transportieren. Wie hierin verwendet, bedeutet nasses Gas ein Gas wie z. B. Luft und Gasgemische aus O₂, N₂, H₂O und H₂, die darin Wasserdampf und/oder flüssiges Wasser bei einem Niveau über dem des trockenen Gases umfassen. Es ist jedoch einzusehen, dass je nach Wunsch andere Gase oder Gemische von Gasen verwendet werden können. Ein Steg 18 ist zwischen benachbarten Kanälen 16 in der nassen Platte 12 gebildet. Es kann jedes beliebige herkömmliche Material wie z. B. Stahl, Polymere und Verbundmaterialen verwendet werden, um die nasse Platte 12 zu bilden.
Die trockene Platte 14 umfasst eine Vielzahl von darin gebildeten Strömungskanälen 20. Die Kanäle 20 sind geeignet, ein trockenes Gas von einer Gasquelle (nicht gezeigt) zu der Kathode der Brennstoffzelle zu transportieren. Trockenes Gas bedeutet ein Gas wie z. B. Luft und Gasgemische aus O₂, N₂, H₂O und H₂, ohne Wasserdampf oder mit Wasserdampf und/oder flüssigem Wasser bei einem Niveau unter jenem des nassen Gases darin. Es ist jedoch einzusehen, dass je nach Wunsch andere Gase oder Gemische von Gasen verwendet werden können. Ein Steg 22 ist zwischen benachbarten Kanälen 20 in der trockenen Platte 14 gebildet. Es kann jedes beliebige herkömmliche Material wie z. B. Stahl, Polymere und Verbundmaterialen verwendet werden, um die trockene Platte 14 zu bilden.
Zwischen der nassen Platte 12 und der trockenen Platte 14 (und zwischen zugehörigen Diffusionsmedien 24, 26) ist eine Membran 28 angeordnet. Die Membran 28 kann jede beliebige herkömmliche Membran wie z. B. Perfluorsulfonsäure (PFSA) (z. B. Nafion®, erhältlich von DuPont), hydrophile Polymermembranen und Polymerverbundmembranen sein. Für eine Anwendung mit einem kompakten Brennstoffzellenbefeuchter wird die Membran 28 allgemein eine Durchlässigkeit von mehr als 8 000 GPU und typischerweise im Bereich von 10 000-12 000 GPU aufweisen. Eine Gaspermeationseinheit (GPU) ist ein partialdrucknormalisierter Fluss, wobei 1 GPU= 7,5005 × 10^-16 m × s^-1 × Pa^-1.
Ein nassseitiges Diffusionsmedium (oder Diffusionsschicht) 24 ist zwischen einer Seite der Membran 28 und der nassseitigen Platte 12 angeordnet (liegt an den Stegen 18 derselben an). In ähnlicher Weise ist ein trockenseitiges Diffusionsmedium (oder Diffusionsschicht) 26 zwischen der anderen Seite der Membran 28 und der trockenseitigen Platte 14 angeordnet (liegt an den Stegen 22 derselben an). Die Diffusionsmedien 24, 26 sind aus einem elastischen und gasdurchlässigen Material wie z. B. Kohlefasern gebildet.
Das nassseitige Diffusionsmedium 24 muss die Festigkeit besitzen, um der Druckdifferenz standzuhalten, welche das nassseitige Papier innerhalb der Vorrichtungsausgestaltung, die auf einer Kanalgeometrie und Brennstoffzellen-Systemdrücken basiert, tragen muss [Differenz von etwa 20 - 120 kPa zwischen dem Verdichterauslass, welcher der Einlass in die Wasserdampftransfervorrichtung (WVTD, von water vapor transfer device) und der WVTD-Auslass zu dem Systemausausgang ist]. Auf Grund seiner Festigkeit und Transporteigenschaften wird typischerweise Kohlefaserpapier (z. B. TGP-H-030™-Papier; Toray Industries, Inc.) für das nassseitige Diffusionsmedium verwendet. Wegen ihrer Fähigkeit, Reaktandengase gleichmäßig zu diffundieren und erzeugte Elektrizität zu übertragen, werden TGP-H™-Papiere (Toray) und andere Kohlefaserpapiere weitgehend als Industriestandard für Brennstoffzellen-Gasdiffusionsmedien akzeptiert. Darüber hinaus sind solche Papiere zu Standard-Diffusionsmedien für Membranbefeuchteranordnungen geworden.
Solche Kohlefaserpapiere werden typischerweise mithilfe eines nass gelegten Kohlefaserpapiers hergestellt, das normalerweise ein Polyvinylalkohol (PVA)-Faserbindemittel (z. B. Kuralon® VP-Fasern; Kuraray) enthält. Das Papier ist mit einem Phenolharz, das in einem Lösungsmittel, wie z. B. Alkohol, gelöst ist, imprägniert. Das imprägnierte Papier weist normalerweise etwa 35 % Kohlefasern und 65 % Phenolharz auf. Das imprägnierte Papier wird pressgeformt und bei 180°C ausgehärtet, um das Phenolharz zu vernetzen und die/das entsprechende Dicke und spezifische Gewicht zu beschaffen. Die Bögen werden dann bei Temperaturen über 2000 °C graphitiert. In dem Graphitierungsschritt verliert das Phenolharz etwa die Hälfte seines Gewichts, was bedeutet, dass der endgültige graphitierte Bogen zu etwa 50 % aus Faser und 50 % aus Bindemittel besteht. Die PVA-Faser, die sich in dem ursprünglichen Kohlepapier befunden hat, wird bei diesem Prozess ausgebrannt.
Wenn Kohlepapier als die Gasdiffusionsmedien in einer Brennstoffzelle verwendet wird, ist eine elektrische Leitfähigkeit erforderlich, was den kostspieligen Graphitisierungsschritt notwendig macht. Allerdings ist elektrische Leitfähigkeit zur Verwendung in einer Membranbefeuchteranordnung nicht erforderlich. Somit ist die Verwendung von herkömmlichen Kohlefaserpapieren mit unerwünschten Kosten verbunden. Überdies ist das herkömmlicherweise verwendete Kohlefaserpapier steif und spröde, was erhöhte Material- und Herstellungskosten und Schwierigkeiten zur Folge hat.
Während alternative Papiere wünschenswert sein können, würde die Verwendung anderer Arten von Papieren, die unterschiedliche Dicken und/oder Festigkeiten aufweisen, kostspielige Designänderungen in den Kanälen und der Oberfläche oder dem Volumen einer herkömmlichen Membranbefeuchteranordnung erfordern. Überdies müssen geeignete alternative Papiere ein Gleichgewicht zwischen Tansportwiderstand und Druckabnahme aufweisen, das die Anforderungsprofile von herkömmlicherweise verwendetem Kohlefaserpapier und herkömmlichen Membranbefeuchteranordnungen erfüllt. Allerdings können alternative Papiere, die alle diese Anforderungen erfüllen, von Fachleuten jedoch nicht ohne weiteres vorhergesagt werden. Unter anderem liegt das daran, dass, damit ein effektiver Wassertransport (d. h. der Transport von Wassermolekülen von der nassseitigen Platte durch die nassseitigen Diffusionsmedien, die Membran und die trockenseitige Diffusionsmedien hindurch zu der trockenseitigen Platte) stattfinden kann, Wassermoleküle eine Kombination aus (i) einem konvektionellen Stofftransportwiderstand in den nassen und trockenen Strömungskanälen, (ii) einem Diffusionstransportwiderstand durch die Membran hindurch, und (iii) einem Diffusionstransportwiderstand durch die Diffusionsmedien hindurch überwinden müssen und es gibt keine bekannte Möglichkeit, ein spezifisches Material vorherzusagen, das eine geeignete Kombination solcher Faktoren aufweist. In ähnlicher Weise gibt es, da eine Druckabnahme unter anderem von der Fasergröße, der Faserdichte, der Papierflexibilität/steifigkeit und einer Tendenz von Fasern, in die Kanäle der Befeuchteranordnung einzudringen, beeinflusst wird, auch keine bekannte Möglichkeit, ein bestimmtes Material mit wünschenswerten Druckabnahmeeigenschaften vorherzusagen. Darüber hinaus gibt es keine bekannte Möglichkeit voherzusagen, welches spezifische Material ein geeignetes Gleichgewicht zwischen Tansportwiderstand und Druckabnahme aufweisen wird, während es auch die Materialfestigkeits- und -dicke-Designanforderungen für herkömmliche Membranbefeuchteranordnungen erfüllt. Demzufolge besteht ein unerfüllter Bedarf an einem unvorhersehbaren Gebiet für Materialien, die herkömmliche Diffusionsmedien (insbesondere nassseitige Diffusionsmedien auf Kohlefaserpapier-Basis) in einer herkömmlichen Membranbefeuchteranordnung ersetzen können, ohne Effizienz zu opfern, Kosten zu erhöhen, oder dass eine wesentliche Neugestaltung solch einer Anordnung erforderlich ist.
ZUSAMMENFASSUNG
In verschiedenen Ausführungsformen sind ein neuartiges Papierdiffusionsmedium auf Glasfaserbasis sowie ein Membranbefeuchter für eine Brennstoffzelle und ein Verfahren zum Befeuchten einer Brennstoffzelle unter Verwendung des vorgesehenen Papierdiffusionsmediums auf Glasfaserbasis vorgesehen.
In einigen der verschiedenen Ausführungsformen ist das vorgesehene Diffusionsmedium ein flexibles, harzgebundenes Glasfaserpapier, das mit 26-55 % ausgehärtetem flüssigen Phenolharz imprägniert ist und eine Dicke von 100-110 µm und eine Gurley-Durchlässigkeit von zumindest 47,2 l/s aufweist.
In einigen der verschiedenen Ausführungsformen umfasst der vorgesehene Membranbefeuchter (i) ein trockenseitiges Diffusionsmedium zwischen einer Membran und einer trockenseitigen Platte; und (ii) ein nassseitiges Diffusionsmedium zwischen der Membran und einer nassseitigen Platte; wobei zumindest das nassseitige Diffusionsmedium das vorgesehene Papierdiffusionsmedium auf Glasfaserbasis ist.
In einigen der verschiedenen Ausführungsformen umfasst das vorgesehene Verfahren zum Befeuchten einer Brennstoffzelle, dass (i) ein trockenseitiges Diffusionsmedium zwischen einer Membran und einer trockenseitigen Platte vorgesehen wird; und (ii) ein nassseitiges Diffusionsmedium zwischen der Membran und einer nassseitigen Platte vorgesehen wird; wobei zumindest das nassseitige Diffusionsmedium das vorgesehene Papierdiffusionsmedium auf Glasfaserbasis ist.
Figurenliste
Eine vollständigere Einsicht in die Erfindung und die vielen Ausführungsformen derselben erhält man ohne weiteres, während diese durch Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung bei Betrachtung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich wird, wobei:

1 veranschaulicht eine herkömmliche Membranbefeuchteranordnung für eine Brennstoffzelle;
2 ist ein Graph, der die Wassertransfereffizienz und die Gurley-Effizienz von verschiedenen Papierformulierungen auf Glasfaserbasis vergleicht;
3 ist ein Graph, der die Wassertransfereffizienz und die Gurley-Effizienz von verschiedenen Papierformulierungen auf Glasfaserbasis vergleicht;
4 ist ein Graph, der die Wassertransfereffizienz und die Gurley-Effizienz von verschiedenen Papierformulierungen auf Glasfaserbasis vergleicht;
5 ist ein Graph, der die Wassertransfereffizienz und die Gurley-Effizienz von Papierformulierungen auf Glasfaserbasis unter Verwendung verschiedener Glasfasern vergleicht;
6 ist ein Graph, der die Wassertransfereffizienz und die Gurley-Effizienz von Papierformulierungen auf Glasfaserbasis unter verschiedenen Formbedingungen vergleicht;
7 ist ein Graph, der die Wassertransfereffizienz und die Druckabnahme von Papierformulierungen auf Glasfaserbasis mit unterschiedlichen/m Basis- bzw. Flächengewichten und Harzgehalt vergleicht;
8 ist ein Graph, der die Wassertransfereffizienz und die Druckabnahme von Papierformulierungen auf Glasfaserbasis mit unterschiedlichem Harzgehalt bei einem Flächengewicht von 42 g/m² vergleicht;
9 ist ein Graph, der die Wassertransfereffizienz und die Druckabnahme von Papierformulierungen auf Glasfaserbasis mit unterschiedlichen Flächengewichten bei einem Harzgehalt von 35 % vergleicht;
10 ist ein Graph, der die Wassertransfereffizienz und die Druckabnahme von Papierformulierungen auf Glasfaserbasis mit unterschiedlichem Harzgehalt bei einem Flächengewicht von 22 g/m² vergleicht;
11 ist ein Graph, der die Effizienz eines Glasfaserpapiers mit einem Flächengewicht von 22 g/m² und einem Phenolharzgehalt von 44 % mit herkömmlichem Kohlefaserpapier vergleicht;
12 ist ein Graph, der die Effizienz eines Glasfaserpapiers mit einem Flächengewicht von 42 g/m² und einem Phenolharzgehalt von 35 % mit herkömmlichem Kohlefaserpapier vergleicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es werden nun spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Erfindung kann allerdings in verschiedenen Formen ausgeführt werden. Vielmehr sind diese Ausführungsformen so bereitgestellt, dass diese Offenlegung gründlich und vollständig sein wird.
Sofern nicht anders definiert, besitzen alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie für einen Fachmann auf dem Gebiet, dem die Erfindung zugehörig ist, allgemein verständlich. Die hierin in der Beschreibung verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung spezieller Ausführungsformen und soll die Erfindung nicht einschränken. Wie in der Patentbeschreibung und den beiliegenden Ansprüchen verwendet, sollen die Einzahlformen „ein/e/s“ und „der/die/das“ auch die Mehrzahlformen umfassen, es sei denn, der Zusammenhang drückt offensichtlich etwas anderes aus.
Sofern nicht anders angegeben, sind alle Zahlen, die Mengen von Inhaltsstoffen oder Eigenschaften, Bedingungen usw. ausdrücken, welche in der Patentbeschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Ausdruck „etwa“ modifiziert sind. Überdies ist die Offenlegung jeglicher Bereiche in der Patentbeschreibung und den Ansprüchen als den Bereich selbst wie auch alles, was darin zusammengefasst ist, wie auch die Endpunkte umfassend zu verstehen. Sofern nicht anders angegeben, sind die in der Patentbeschreibung und den Ansprüchen dargestellten numerischen Eigenschaften Annäherungen, die abhängig von den gewünschten Eigenschaften, die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschafft werden sollen, variieren können. Dessen ungeachtet, sind die in den spezifischen Beispielen dargelegten numerischen Werte so genau wie möglich angeführt. Jegliche numerischen Werte beinhalten jedoch naturgemäß gewisse Fehler, welche zwangsläufig aus dem Fehler resultieren, der sich in ihren jeweiligen Messungen findet.
In verschiedenen Ausführungsformen sind ein neuartiges Papierdiffusionsmedium auf Glasfaserbasis sowie ein Membranbefeuchter für eine Brennstoffzelle und ein Verfahren zum Befeuchten einer Brennstoffzelle unter Verwendung des vorgesehenen Papierdiffusionsmediums auf Glasfaserbasis vorgesehen.
Diffusionsmedien
Die vorgesehenen Diffusionsmedien umfassen neuartige Papiere auf Glasfaserbasis, die Papiere auf Kohlefaserbasis ersetzen, welche herkömmlicherweise als Diffusionsmedien in einer Membranbefeuchteranordnung verwendet wurden. Die erfindungsgemäßen Papiere weisen eine Festigkeit, Dicke, Porosität, Druckabnahmeeffizienz und Wassertransfereffizienz auf, die mit herkömmlichen Papieren auf Kohlefaserbasis vergleichbar sind und somit in herkömmlichen Membranbefeuchteranordnungen verwendet werden können, ohne kostspielige Designänderungen erforderlich zu machen. Darüber hinaus sind die vorgesehenen Papiere auf Glasfaserbasis flexibler als herkömmliche Papiere auf Kohlefaserbasis, was sie in Rollenform einfacher zu verarbeiten macht. Außerdem sind die Materialkosten für die vorgesehenen Papiere auf Glasfaserbasis im Vergleich mit herkömmlicherweise verwendeten Papieren auf Kohlefaserbasis reduziert. Während die vorgesehenen Glasfaserpapiere bevorzugt als nassseitige Diffusionsmedien in einer Membranbefeuchteranordnung verwendet werden, wird auch ihre Verwendung als trockenseitige Diffusionsmedien in Erwägung gezogen.
Herkömmliche Papiere auf Glasfaserbasis (z. B. Craneglas®-Papier; Crane Nonwovens) wurden getestet und auf Grund der dreimal höheren nassseitigen Druckabnahme im Vergleich mit Referenzmaterialien zur Verwendung als Diffusionsmedien in herkömmlichen Membranbefeuchteranordnungen als ungeeignet befunden. Es war daher notwendig, neuartige Papiere mit zahlreichen Kombinationen von Faserarten, Bindemittel-Faserarten, Harzarten und -gehalt und Verarbeitungsbedingungen zu entwerfen und zu bewerten, um ein geeignetes Papier auf Glasfaserbasis zu entwickeln, welches dem Anforderungsprofil herkömmlicherweise verwendeter Papiere auf Kohlefaserbasis entspricht (als ein nicht einschränkendes Beispiel TGP-H030™-Papier; Toray Industries, Inc.).
In Anbetracht des zuvor Gesagten wurden flexible, mit Harz imprägnierte Glasfaserpapiere entwickelt. In einigen Ausführungsformen weisen solche Papiere eine Dicke von 100-110 µm auf. Demzufolge sind insbesondere Papiere mit einer Dicke von 100 µm, 101 µm, 102 µm, 103 µm, 104 µm, 105 µm, 106 µm, 107 µm, 108 µm, 109 µm und 110 µm vorgesehen. In einigen Ausführungsformen weisen die vorgesehenen Glasfaserpapiere eine Gurley-Durchlässigkeit von zumindest 47,2 l/s auf. Demzufolge werden speziell Papiere mit einer Gurley-Durchlässigkeit von 47,2-70,8 l/s, 70,8-94,4 l/s, 94,4-118 l/s, 118-141,6 l/s und mehr vorgesehen. In einigen Ausführungsformen weisen die Papiere auch eine Porosität von mehr als 70 % auf.
In verschiedenen Ausführungsformen wird ein vorgesehenes Papier auf Glasfaserbasis hergestellt, indem ein Glasfaserpapier mit einem Flächengewicht (d. h. einem Gewicht vor der Harzimprägnierung und dem Aushärten) von 20-50 g/m² mit einem Harz imprägniert wird. Demzufolge werden speziell Papiere mit einem Flächengewicht von 20-25 g/m², 25-30 g/m², 30-35 g/m², 35-40 g/m², 40-45 g/m², 45-50 g/m² vorgesehen. Gute Ergebnisse wurden bei Verwendung von Papieren mit einem Flächengewicht von 22 g/m² und 42 g/m² erzielt. In einigen Ausführungsformen weist das verwendete Glasfaserpapier 70-90 Gew.-% Glasfasern auf. Die Glasfasern weisen in einigen Ausführungsformen eine durchschnittliche Länge von 3-6 mm und einen durchschnittlichen Durchmesser von 7-11 µm oder beides auf.
Wie angegeben, wird das Glasfaserpapier mit zumindest einem Harz imprägniert. Das verwendete Harz kann ein Phenolharz, ein Acrylharz oder ein anderes geeignetes thermoplastisches Harz sein. Ein geeignetes Harz kann in einigen Ausführungsformen eines mit einer guten Heiß/nass-Effizienz sein. In einigen Ausführungsformen ist das Harz ein Phenolharz. Das Phenolharz liegt bevorzugt in flüssiger Form vor. Es kann auch ein pulverförmiges Phenolharz verwendet werden, aber das flüssige Harz scheint eine bessere Effizienz bereitzustellen und leichter verarbeitbar zu sein (das pulverförmige Harz war z. B. schwieriger zu verteilen und es ist bei der Verarbeitung geschmolzen und bedeckte die trocknenden Rollen). Im Allgemeinen beinhaltet der Imprägnierungsprozess das Tauchen des Glasfaserpapiers in ein Bad, welches das Harz und ein Lösungsmittel enthält, und das anschließende Entfernen des Lösungsmittels. Methanol ist ein Bespiel für ein geeignetes Lösungsmittel, es sind aber auch andere Lösungsmittel vorstellbar. Das Entfernen des Lösungsmittels kann durch Verdampfen oder durch Veränderung der/s Umgebungstemperatur oder -Druckes erfolgen. Falls erwünscht, kann das Papier in diesem Stadium in einer kontrollierten Umgebung gelagert werden, um ein Fortschreiten des Harzes zu verhindern, und zu einem späteren Zeitpunkt weiter verarbeitet werden. In einigen Ausführungsformen werden die vorgesehenen Glasfaserpapiere mit 26-55 % ausgehärtetem, flüssigen Phenolharz imprägniert. Demzufolge werden speziell mit 26-30 %, 30-35 %, 35-40 %, 40-45 % und 45-50 % Harz imprägnierte Papiere vorgesehen. In einigen Ausführungsformen hat der geringe Harzgehalt einen unterbrochenen Film aus ausgehärtetem Harz zur Folge, wodurch eine gute Luft- und Wasserdurchlässigkeit zugelassen wird.
Zusätzlich zu Glasfasern und Harz können die vorgesehenen (nicht ausgehärteten) Papiere auch eine oder mehrere Arten von Faserbindemitteln umfassen, die beim Aushärten zumindest teilweise entfernt werden und zumindest eine teilweise Phasenänderung erfahren (z. B. „ausgebrannt“ werden). In einigen Ausführungsformen können bis zu 10 Gew.-% (vor dem Härten) des Rohpapiers ein Faserbindemittel umfassen. Demzufolge werden speziell Papiere mit 0-2 %, 2-4 %, 4-6 %, 6-8 % und 8-10 % Faserbindemittel in Erwägung gezogen. Faserbindemittel auf Polyvinylalkohol- (PVA)-Basis (z. B. Kuralon®-Fasern) sind geeignet, es können aber auch andere Faserbindemittel verwendet werden. Die Wahl alternativer Faserbindemittel kann z. B. wünschenswert sein, um das Rollenverarbeitungsvermögen zu verbessern. PVA-Fasern enthalten typischerweise Natrium oder ein anderes Salz, welches einen negativen Effekt auf die Wassertransfereffizienz haben kann. Überdies kann Salz durch das fertige Papier sickern und Schaden an der Membran des Befeuchters verursachen. Aus diesem Grund sollte Wasser bei er Verarbeitung während des Papierherstellungsprozesses ausgewaschen werden. Falls erforderlich, könnte ein Reinigungsschritt des Zwischenprodukts oder des fertigen Papiers dem Prozess hinzugefügt werden, um jegliches Restnatrium zu entfernen.
In einigen Ausführungsformen können zusätzlich zu Glasfasern auch andere Faserarten in dem Rohpapier verwendet werden, um die Verwendung von Faserbindemittel und Harz zu reduzieren. In einigen Ausführungsformen können bis zu 20 Gew.-% des Papiers solche anderen Fasern enthalten. Demzufolge werden speziell Papiere mit 0-5 %, 5-10 %, 10-15 % und 15-20 % solcher Fasern vorgesehen. Beispiele für geeignete Fasern umfassen Acryl, Polyester, Nylon, Keramik, Polyetherketon (PEK), Polyetheretherketon (PEEK), Flüssigkristallpolymer (z. B. Vectran ®-Faser; Kuraray Co.) oder andere hydrophobe Fasern, die wasserdispergierbar sind oder gemacht werden können, mit einem entsprechenden Finish. In einigen Ausführungsformen können Acrylfasern zusätzlich zu Glasfasern verwendet werden, um die Verwendung von PVA-Bindemitteln und Harz zu reduzieren. Beispiele für geeignete Acrylfasern umfassen Polyacrylnitril (PAN)-Fasern, fibrillierte Acrylfasern (z. B. CFF®-Faser; Sterling Fibers) und nanofibrillierte Acrylfasern (z. B. EFTec™-Faser; Engineered Fibers Technology). Gute Ergebnisse wurden mit Bögen aus bis zu 10 % fibrillierter CFF®-Faser oder nanofibrillierter EFTec™-Faser erzielt.
Unter Bedingungen, die versierten Fachleuten gut bekannt sind, wird das resultierende mit Harz imprägnierte Glasfaserpapier mithilfe von Wärme und Druck ausgehärtet. Papiere können z. B. formgepresst und bei einem Druck von 137,895 - 1.378,95 KPa und einer Temperatur von 180°C ausgehärtet werden. Darüber hinaus kann das Formen kontinuierlich oder diskontinuierlich sein.
In einigen der verschiedenen Ausführungsformen umfasst ein ausgehärtetes und geformtes harzgebundenes Glasfaserpapier, das zur Verwendung als nassseitiges Diffusionsmedium geeignet ist, 70-90 Gew.-% Glasfaser, weist eine Dicke von 100-110 µm auf, besitzt eine Gurley-Durchlässigkeit von zumindest 47,2 l/s (alternativ zumindest 94,4 l/s) und ist mit 25-55 % ausgehärtetem flüssigen Phenolharz imprägniert. Solch ein Papier kann vor der Imprägnierung mit dem und dem Aushärten des flüssigen Phenolharz/es ein Flächengewicht von 20-50 g/m² aufweisen. Ein geeignetes Glasfaserpapier kann z. B. ein Flächengewicht von 40-44 g/m² und einen Gehalt von 26-40 % an ausgehärtetem Harz aufweisen. Als ein weiteres Beispiel kann ein geeignetes Glasfaserpapier ein Flächengewicht von 20-24 g/m² und einen Gehalt von 35-55 % an ausgehärtetem Harz aufweisen.
Membranbefeuchter
In einigen der verschiedenen Ausführungsformen ist ein Membranbefeuchter vorgesehen, der die vorgesehenen Papierdiffusionsmedien auf Glasfaserbasis verwendet. Solch ein Membranbefeuchter umfasst (i) ein trockenseitiges Diffusionsmedium zwischen einer Membran und einer trockenseitigen Platte; und (ii) ein nassseitiges Diffusionsmedium zwischen der Membran und einer nassseitigen Platte; wobei zumindest das nassseitige Diffusionsmedium das bereitgestellte Papierdiffusionsmedium auf Glasfaserbasis ist. Im Spezielleren umfasst ein vorgesehener Membranbefeuchter (i) eine Membran; (ii) eine nassseitige Platte und eine trockenseitige Platte auf gegenüberliegenden Seiten der Membran, wobei die nassseitige Platte und die trockenseitige Platte Strömungskanäle darin aufweisen; (iii) ein trockenseitiges Diffusionsmedium zwischen der Membran und der trockenseitigen Platte; und (iv) ein nassseitiges, flexibles, harzgebundenes Glasfaserpapier-Diffusionsmedium zwischen der Membran und der nassseitigen Platte, wobei das Glasfaserpapier (a) Glasfasern, (b) eine Dicke von 100-110 µm und (c) eine Gurley-Durchlässigkeit von zumindest 47,2 l/s aufweist; wobei das Papier mit 26-55 % ausgehärtetem flüssigen Phenolharz imprägniert ist. In einigen Ausführungsformen kann auch das trockenseitige Diffusionsmedium die vorgesehenen Papierdiffusionsmedien auf Glasfaserbasis darstellen. In einigen Ausführungsformen ist der vorgesehene Membranbefeuchter ein herkömmlicherweise verwendeter Membranbefeuchter, mit der Ausnahme, dass die herkömmlichen nassseitigen Diffusionsmedien, trockenseitigen Diffusionsmedien oder beide durch die vorgesehenen Papierdiffusionsmedien auf Glasfaserbasis ersetzt wurden.
Verfahren zum Befeuchten einer Brennstoffzelle
In einigen der verschiedenen Ausführungsformen ist ein Verfahren zum Befeuchten einer Brennstoffzelle unter Verwendung der vorgesehenen Papierdiffusionsmedien auf Glasfaserbasis vorgesehen. Solch ein Verfahren umfasst, dass (i) ein trockenseitiges Diffusionsmedium zwischen einer Membran und einer trockenseitigen Platte vorgesehen wird; und (ii) ein nassseitiges Diffusionsmedium zwischen der Membran und einer nassseitigen Platte vorgesehen wird; wobei zumindest das nassseitige Diffusionsmedium das bereitgestellte Papierdiffusionsmedium auf Glasfaserbasis ist. Im Spezielleren umfasst ein vorgesehenes Verfahren zum Befeuchten einer Brennstoffzelle, dass: (i) ein Membranbefeuchter, der eine Membran umfasst; und eine nassseitige Platte und eine trockenseitige Platte auf gegenüberliegenden Seiten der Membran vorgesehen werden, wobei die nassseitige Platte und die trockenseitige Platte Strömungskanäle darin aufweisen; (ii) ein trockenseitiges Diffusionsmedium zwischen der Membran und der trockenseitigen Platte vorgesehen wird; und (iii) ein nassseitiges, flexibles, harzgebundenes Glasfaserpapier-Diffusionsmedium zwischen der Membran und der nassseitigen Platte vorgesehen wird, wobei das Glasfaserpapier (a) Glasfasern, (b) eine Dicke von 100-110 µm und (c) eine Gurley-Durchlässigkeit von zumindest 47,2 l/s aufweist; wobei das Papier mit 26-55 % ausgehärtetem flüssigen Phenolharz imprägniert ist; (iv) ein nasses Gas in die Strömungskanäle auf der nassen Seite der Platte eingeleitet wird; (v) ein trockenes Gas in die Strömungskanäle der trockenen Seite der Platte eingeleitet wird, wobei Wasserdampf von dem nassseitigen Gas durch die Membran hindurch in das trockenseitige Gas strömt; und (vi) das trockenseitige Gas mit dem Wasserdampf an einen Eintrag für die Brennstoffzelle bereitgestellt wird. In einigen Ausführungsformen umfasst das vorgesehen Verfahren ferner, dass ein trockenseitiges Diffusionsmedium vorgesehen wird, das die vorgesehenen Papierdiffusionsmedien auf Glasfaserbasis umfasst.
BEISPIELE
Die beschriebenen Ausführungsformen werden durch Bezugnahme auf die nachfolgenden Beispiele besser verständlich, die zu Illustrationszwecken angeführt sind und die, wie ein Fachmann erkennen wird, nicht einschränkend zu verstehen sind.
Beispiel 1

Es wurde ein Rohpapier aus 7 Mikrometer Glasfaser und einem PVA-Bindemittel (salzfreier Typ) mit einem Flächengewicht von etwa 50 g/m² hergestellt. Das Glasfaserpapier wurde unter Verwendung von sowohl flüssigem als auch pulverförmigen Phenolharz imprägniert, um einen Harzgehalt von etwa 35 % zu erhalten. Es wurden Handmusterpapiere formgepresst und unter einem Druck von 1.378,95 KPa oder weniger bei 180°C ausgehärtet. Die Formulierungen und Eigenschaften der resultierenden Glasfaser-Handmusterpapiere sind in Tabelle 1 gezeigt. Das pulverförmige Phenolharz der Probe -11B war nicht so effektiv wie das flüssige Harz der Probe -38B. Das pulverförmige Phenolharz verhält sich am besten in Verbindung mit fibrillierten Fasern und bei der Herstellung ist die Verwendung von Durchluft- oder anderen kontaktlosen Trocknern erforderlich. Die Verwendung von pulverförmigem Harz eliminiert jedoch die Notwendigkeit eines separaten Harzimprägnierungsschritts. Tabelle 1.

Probe	Dicke (µm)	Harzart	Harzaufnahme (%)	Faserlänge (mm)	Glas (%)	CFF 114-3 (%)	PVA (%)	Endgewicht (g)	Spez. Gew. (g/cm³)
11B	111,4	PSR-122
16C	110
16B	104
16G	84,6
17A	122
17B	106
17C	135
38B	136
T030	110,4				n/a

Die Wasserdampftransfer- und Gurley-Effizienz dieser Papiere ist in 2 gezeigt. Die Wasserdampftransfereffizienz wird mithilfe einer Membranoberfläche von 50 cm² und geraden Strömungsfeldern mit einer ähnlichen Geometrie wie der in dem US-Patent US 7 875 396 B2 gezeigten, Gegenstrom, mit einer trockenseitigen Strömung von 11,5 slpm, 80C, 186 kPa und einer nassseitigen Strömung von 10 slpm, 80C, 85 % relative Feuchtigkeit und 160 kPa gemessen.
Wie ersichtlich, verhielten sich verschiedene Papiere (einschließlich -11B, -17A und 38B) vergleichbar mit dem herkömmlichen Papier auf Kohlefaserbasis (TGP-H-030™-Papier; Toray Industries, Inc.)
Beispiel 2

Es wurde eine Reihe von Papieren mithilfe der in Beispiel 1 beschriebenen allgemeinen Prozeduren hergestellt, wobei die Faserart, der Anteil an Glasfasern und der Anteil an PVA variiert wurde. Es wurden verschiedene Proben, die 10 % CFF-Fasern, verschiedene Arten von Glas und eine Gurley-Effizienz von ca. 47,2 l/s aufwiesen, für die Wassertransfer-Durchlässigkeitstests gewählt. Diese Proben sind in Tabelle 2 gezeigt. Die verwendeten Glasfasern wurden von Owens Corning, Nippon und Lauscha besorgt. Die Wassertransfereffizienz ist in 3 gezeigt, wobei verschiedene (einschließlich -128B, -106B und -113A) in der Wassertransfereffizienz innerhalb von 10% der Referenzlinie (TGP-H-030™-Papier; Toray Industries, Inc.) liegen. Tabelle 2.

Probe	Harzart	Harzaufnahme (%)	Faserlänge (mm)	Glasfaser-Durchmesser (µm)	Glas (%)	CFF 114-3 (%)	PVA (%)	Endgewicht (g)	Dicke (µm)	Spez. Gew. (g/ cm³)	Gurley (l/s)
130D	PSR-133	38	6	11	85	10	5	4,76	6,1 * 25,4	0,5	73,63
128B	PSR-133	37,8	6	11	90	10	0	4,92	6,5 * 25,4	0,485	95,82
106B	13637	32,8	3	7	90	10	0	4,67	6,5 * 25,4	0,461	48,14
126C	PSR-133	36,6	6		80	10	10	4,98	6,4 * 25,4	0,499	47,67
128A	PSR-133	37,6	3	11	90	10	0	4,97	6,8* 25,4	0,468	44,37
131A	PSR-133	18,4	3	11	85	10	5	3,95	6,1 * 25,4	0,415	48,62

Beispiel 3
Es wurden Rollen mit einem (1) Meter Breite und 100 Metern Länge eines handelsüblichen Glasfaserpapiers mit 50 g/m2, 90 Gew.-% Glasfasern mit 11 µm Durchmesser und 12 mm Länge und 10 % PVA-Faserbindemittel (Typ Kurolon® VPB 105-2) von Technical Fibre Products (TFP) besorgt. Dieses Papier wurde mit Phenolharz (PSR 133, erhältlich von Lewcott Corp., Millbury, MA) bei Harzgehalten von 35 % und 44 % imprägniert. Danach wurde das Glasfaserpapier in ein Methanol/Phenolharzbad getaucht und das Methanol wurde anschließend abgedampft. Die imprägnierten/nicht ausgehärteten Papiere waren nicht klebrig und wurden zu Bögen geschnitten oder zur weiteren Verarbeitung auf drei 1,24 cm große Kerne gerollt.
Aus dem imprägnierten Glasfaserpapier wurden Bögen geformt. Die Bögen hatten ein sehr einheitliches Aussehen. Die Glasfaserbögen waren auf Grund des geringen Harzgehaltes flexibler als die Kohlefaserpapier-Referenz/Kontrollbögen (100 µm TGP-H-030™-Papier; Toray Industries, Inc). Die Flexibilität erhöhte sich sowohl mit einem geringeren Harzgehalt als auch einem geringeren Flächengewicht.

Die Luftdurchlässigkeiten und Papiereigenschaften sind in Tabelle 4 und 4 gezeigt. Wie daraus ersichtlich, ist die Gurley-Luftdurchlässigkeit verschiedener Proben gleich oder größer als jene des Referenz/Kontrollbogens Tabelle 4. Physikalische Eigenschaften von Glaspapieren

Probe	Harzgehalt (%)	Flächengewicht (g/m2)	Dicke (µm)	Spez. Gew. (g/cm³)	Gurley-Durchlässigkeit (s)
153-1	32,9	76	6,3 * 25,4	0,474	262
153-2	34,3	79	6,5 * 25,4	0,477	276
153-3	34,1	78	4,8 * 25,4	0,641	240
153-4	33,7	78	4,8 * 25,4	0,641	233
153-5	34,0	81	5,0 * 25,4	0,641	233
Kontrolle	37,8	80	6,5 * 25,4	0,485	203

Eine Rolle von 100 Fuß mit einer Breite von einem (1) Meter Glaspapier mit 50 g/m² (oben beschrieben) wurde in mit Isopropanol verdünntem Phenolharz durchtränkt. Die imprägnierte, getrocknete Rolle wurde zum Formen auf einer Produktionspressform in Bögen von 45,72 cm mal einem Meter geschnitten. Es wurden Probeblätter (24,765 × 24,765 cm) unter verschiedenen Bedingungen geformt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 und 4 gezeigt. Das B-Staging für 30 Minuten produzierte Bögen mit einer Gurley-Luftdurchlässigkeit nahe der gleichen wie in Beispiel 2, aber bei einer größeren Dicke. Ein kürzeres B-Staging führte zu Bögen mit Luftströmungen mit einer Gurley-Durchlässigkeit (in Sekunden) von weniger als einhundert, was einen geringeren Wasserdampftransfer zur Folge hat. Die Durchlässigkeitswerte waren deutlich niedriger als bei den im Labor durchtränkten Papieren von Tabelle 4. Tabelle 5. Anfangsproduktion, durchtränkte Sorte

Probe	B-Stage Zeit (Min)	B-Stage Temp. (°C)	Harzaufnahme (%)	Gewicht, endgültig (9)	Flächengewicht, endgültig (g/m2)	Dicke endgültig (µm)	Spez. Gew. endgültig (g/ cm³)	Gurley-Durchlässigkeit endgültig (s)
165-1	10	80	47	4,31	70	5,6 * 25,4	0,493	89,1
165-2	10	80	47	4,19	68	5,2 * 25,4	0,516	85,5
165-3	10	100	47	4,20	68	5,9 * 25,4	0,456	91,3
165-4	10	100	47	4,28	70	6,0 * 25,4	0,457	93,1
165-5	30	100	47	4,35	71	7,7 * 25,4	0,362	171,1
165-6	30	100	47	4,31	70	7,0 * 25,4	0,395	139,9
166-1	50	100	47	4,20	68	6,4 * 25,4	0,421	80,0
166-2	50	100	47	4,14	67	6,1 * 25,4	0,435	82,4
166-3	0	0	47	4,34	71	5,3 * 25,4	0,525	98,4
166-4	0	0	47	4,14	67	5,1 * 25,4	0,520	98,4

Beispiel 4

Es wurde der Effekt der Verwendung verschiedener Bindemittelfasern in einem Glasfaserpapier bewertet. Die Proben wurden mithilfe des in Beispiel 3 beschriebenen Verfahrens hergestellt. Die resultierenden Formulierungen sind in Tabelle 6 gezeigt und die Ergebnisse der Wassertransfer- und Gurley-Effizienz sind in 5 gezeigt. Tabelle 6. Verschiedene Bindemittelfasern

Probe	Papier-Flächengewicht (g/m²)	Bindemittel-Faser	Harzgehalt (%)	Gewicht, (g)*	Flächengewicht (g/m²)	Dicke (µm)	Dicke (µm)	Spez. Gew. (g/cm³)	Gurley-Porosität (l/s)
47-1	50	N720F Polyester	33,6	4,4	71,6	116	4,6 * 25,4	0,617	92,51
47-2	50	VPB 105-2 PVA	33,2	4,2	68,1	118	4,7 * 25,4	0,577	95,34
47-3	50	EFTec A-010-4	33,3	4,2	67,6	114	4,5 * 25,4	0,593	28,32
47-4	50	EFTec A-040-6	33,0	4,8	78,2	119	4,7 * 25,4	0,657	42,95
47-5	50	MFH 18-2 PVA	33,8	4,4	71,2	126	5,0 * 25,4	0,565	94,4
47-6	50	VPB 101 PVA	34,1	4,9	80,5	118	4,7 * 25,4	0,682	66,08

Beispiel 5

Es wurde der Effekt der Formbedingungen bewertet. Der Formdruck und die Aushärtungsbedingungen wurden variiert. Es stellte sich heraus, dass der Harzgehalt (36 % vs. 47 %) einen größeren Effekt hatte als die Formbedingungen. Die Handmusterdaten für Papier mit 50 g/m² sind in Tabelle 7 und 6A dargestellt. Tabelle 7. Handmusterergebnisse für Formbedingungen

Probe	HarzGehalt (%)	Bogen verdichtet @ Tonnen Kraft/KPa	Aushärten bei 350°F, Kontaktdruck	Gewicht (9)	Fächengewicht (g/m²)	Dicke (µm)	Dicke (µm)	Spez. Gew. (g/cm³)	Gurley-Porosität (l/s)
108-1	36	18/2620	Nein	4,82	78,6	138	5,5 * 25,4	0,569	140*0,47 2
108-2	36	18/2620	Nein	4,82	78,6	128	5,1 * 25,4	0,614	134*0,47 2
108-3	36	18/2620	Nein	4,83	78,7	125	5,0 * 25,4	0,630	129*0,47 2
108-4	36	25/3619,7	Nein	4,8	77,4	121	4,8 * 25,4	0,640	89*0,472
108-5	36	25/3619,7	Nein	4,7	75,8	117	4,6 * 25,4	0,648	90*0,472
108-6	36	25/3619,7	Nein	4,7	76,1	110	4,4 * 25,4	0,692	83*0,472
108-16	36	25/3619,7	Ja	4,69	76,4	128	5,1 * 25,4	0,597	96*0,472
108-17	36	25/3619,7	Ja	4,60	75,0	123	4,9 * 25,4	0,610	96*0,472
108-18	36	25/3619,7	Ja	4,64	75,6	114	4,5 * 25,4	0,663	94*0,472
108-7	47	25/3619,7	Nein	6,39	104,2	119	4,7 * 25,4	0,875	25*0,472
108-8	47	25/3619,7	Nein	6,45	105,1	128	5,1 * 25,4	0,821	36*0,472
108-9	47	25/3619,7	Nein	6,42	104,6	122	4,8 * 25,4	0,858	32*0,472
108-10	47	30/4343,7	Nein	6,5	106,1	122	4,8 * 25,4	0,870	18*0,472
108-11	47	30/4343,7	Nein	6,6	107,4	123	4,9 * 25,4	0,873	27*0,472
108-12	47	30/4343,7	Nein	6,4	104,8	118	4,7 * 25,4	0,888	24*0,472
108-13	47	30/4343,7	Ja	6,36	103,7	134	5,3 * 25,4	0,774	40*0,472
108-14	47	30/4343,7	Ja	6,45	105,1	139	5,5 * 25,4	0,756	31*0,472
108-15	47	30/4343,7	Ja	6,55	106,8	139	5,5 * 25,4	0,768	32*0,472

Es wurde eine Rolle von hundert Metern eines Glaspapiers mit 50 g/m² (oben beschrieben) in mit Methanol verdünntem Phenolharz durchtränkt. Es wurde der angestrebte Soll-Harzgehalt von 35 % und 47 % erreicht. Die Rolle wurde wie oben in Bögen von 45,72 cm mal einem Meter geschnitten.

Die Bögen wurden, getrennt durch Form-Trennpapier, gestapelt und in einer Produktionspressform unter Verwendung eines Formzyklus von 30 Minuten bei 350 °F (180 °C) geformt. Die Anzahl der Bögen pro Stapel wurde variiert, um die richtigen Bedingungen zum Beschaffen der angestrebten Dicke zu bestimmen. Die Ergebnisse für diese Bögen sind in Tabelle 8 gezeigt. Tabelle 8. Harzsättigung bei der Produktion/Formen von WVDT-Glasbögen

Bogen	Harzgehalt (%)	Bögen/ Stapel	Gewicht (g)	Flächengewicht (g/m²)	Dicke (mm)	Dicke (µm)	Spez. Gew. (g/cm³)	Gurley-Porosität (l/s)	Gurley-Ablesung
02R	36	31/29	6,20	79,4	0,143	5,7 * 25,4	0,556	224,3*0,472	1007
02M	36	31/29	6,05	77,4	0,139	5,5 * 25,4	0,556	230,9*0,472	1037
02L	36	31/29	6,14	78,6	0,147	5,8 * 25,4	0,536	255,2*0,472	1146
15R	36	31/29	5,92	75,8	0,148	5,8 * 25,4	0,514	223,6*0,472	1004
15M	36	31/29	5,98	76,5	0,148	5,8 * 25,4	0,519	233,4*0,472	1048
15L	36	31/29	5,75	73,6	0,148	5,9 * 25,4	0,496	255,9*0,472	1149
28R	36	31/29	6,07	77,7	0,147	5,8 * 25,4	0,529	197,3*0,472	886
28M	36	31/29	6,05	77,4	0,147	5,8 * 25,4	0,528	197,3*0,472	886
28L	36	31/29	6,17	79,0	0,149	5,9 * 25,4	0,529	264,3*0,472	1187
AVG				77,3	0,146	5,8* 25,4	0,529	231,4*0,472
02R	36	29/28	5,72	73,2	0,135	5,4 * 25,4	0,541	186,4*0,472	837
02M	36	29/28	5,92	75,8	0,125	5,0 * 25,4	0,605	141,6*0,472	636
02L	36	29/28	6,34	81,2	0,139	5,5 * 25,4	0,585	208,4*0,472	936
15R	36	29/28	6,06	77,6	0,135	5,4 * 25,4	0,574	191,7*0,472	861
15M	36	29/28	6,20	79,4	0,129	5,1 * 25,4	0,614	184,6*0,472	829
15L	36	29/28	5,89	75,4	0,143	5,6 * 25,4	0,529	253,0*0,472	1136
27R	36	29/28	5,86	75,0	0,130	5,2 * 25,4	0,577	174,4*0,472	783
27M	36	29/28	5,73	73,3	0,124	4,9 * 25,4	0,590	168,8*0,472	758
27L	36	29/28	5,84	74,8	0,133	5,3* 25,4	0,561	244,5*0,472	1098
AVG				76,2	0,133	5,3 * 25,4	0,575	194,8*0,472
02R	47	29/30	7,90	101,1	0,160	6,3 * 25,4	0,632	155,4*0,472	698
02M	47	29/30	7,89	101,0	0,165	6,6 * 25,4	0,611	162,3*0,4 72	729
02L	47	29/30	7,91	101,2	0,142	5,6 * 25,4	0,713	112,0*0,472	503
15R	47	29/30	7,96	101,9	0,159	6,3 * 25,4	0,641	151,0*0,472	678
15M	47	29/30	7,89	101,0	0,155	6,1 * 25,4	0,652	128,7*0,4 72	578
15L	47	29/30	8,16	104,4	0,151	6,0 * 25,4	0,693	114,0*0,472	512
28R	47	29/30	7,98	102,1	0,152	6,0 * 25,4	0,671	146,5*0,472	658
28M	47	29/30	8,08	103,4	0,145	5,7 * 25,4	0,713	115,6*0,472	519
28L	47	29/30	8,10	103,7	0,157	6,2 * 25,4	0,660	126,7*0,472	569
AVG				102,2	0,154	6,1 * 25,4	0,665	134,7*0,472

Beispiel 6
Es wurde der Effekt des Papier-Flächengewichts an Handmustern mit einem Flächengewicht von 42-50 g/m² und einem Harzgehalt von 36-47 Gew.-% untersucht, wobei die Papiere wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt wurden. Die Ergebnisse sind in 7 gezeigt. Es zeigte sich, dass die Effizienz mit einer Abnahme des Harzgehaltes zunimmt. Die Effizienz nimmt auch mit einer Abnahme des Flächengewichts des Papiers zu. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Druckabnahme für alle Proben im Vergleich mit dem Referenzmaterial geringer war, was den Schluss zulässt, dass die Probepapiere genauso fest, wenn nicht stärker waren, wie/als das Referenzmaterial.
Beispiel 7
Es wurde der Effekt des Harzgehalts unter Verwendung eines Papiers mit einem Flächengewicht 42 g/m² mit einem Harzgehalt von 16-36 Gew.-% bewertet, wobei die Papiere wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt wurden. Die Ergebnisse sind in 8 gezeigt. Es zeigte sich, dass die Effizienz mit einer Verringerung des Harzgehalts zunimmt. Allerdings nimmt auch die Festigkeit ab, wenn der Harzgehalt abnimmt. Die zwei Proben mit dem geringsten Harzgehalt (16 % und 21 %) zeigten z. B. einen Anstieg der Druckabnahme, was den Schluss auf eine Herabsetzung der Festigkeit zulässt. Es zeigte sich auch, dass das Verringern der Dicke des Papiers, während der gleiche Harzgehalt beibehalten wird, die Effizienz abnimmt, wie in den Proben ganz rechts in 8 veranschaulicht.
Beispiel 8
Es wurde der Effekt des Glaspapier-Flächengewichts an Handmustern untersucht, die wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt wurden, wobei die Bögen ein Flächengewicht von 10-42 g/m² und einen Harzgehalt von 35 Gew.-% (+/- 3) aufwiesen. 9 zeigt die Ergebnisse. Es zeigte sich, dass die Effizienz mit einer Abnahme des Flächengewichts des Papiers zunimmt. Es zeigte sich jedoch, dass, wenngleich die Druckabnahme für jeden Bogen innerhalb von 10 % des Referenzmaterials lag, auch die Festigkeit abnimmt, wenn das Flächengewicht reduziert wird.
Beispiel 9
Es wurde der Effekt des Harzgehalts an Handmustern untersucht, die wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt wurden, wobei die Bögen ein Flächengewicht von 22 g/m² und einen Harzgehalt von 33-62 Gew.-% aufwiesen. Die Ergebnisse sind in 10 gezeigt. Es zeigte sich, dass die Effizienz allgemein mit einer Reduktion des Harzgehalts zunimmt. Es zeigte sich aber, dass die Festigkeit allgemein abnimmt, wenn der Harzgehalt reduziert wird.
Beispiel 10
Es wurde festgestellt, dass von allen hergestellten und hierin beschriebenen Papieren insbesondere zwei speziell dazu geeignet sind, Papier auf Kohlefaserbasis als nassseitige Diffusionsmedien in einer Membranbefeuchteranordnung zu ersetzen. Eines der beispielhaften Papiere ist ein Glasfaserpapier mit einem Flächengewicht von 22 g/m² und einem Phenolharzgehalt von 44 %. Dieses Papier ist in Beispiel 9 und 10 beschrieben. Ein Vergleich der Effizienz dieses Papiers mit dem eines herkömmlichen Kohlefaserpapiers (TGP-H-030™-Papier; Toray Industries, Inc.) ist in 11 gezeigt. Das andere beispielhafte Papier ist ein Glasfaserpapier mit einem Flächengewicht von 42 g/m² und einem Phenolharzgehalt von 35 %. Dieses Papier ist in Beispiel 8 und 9 beschrieben. Ein Vergleich der Effizienz dieses Papiers mit einem herkömmlichen Kohlefaserpapier (TGP-H-030™-Papier; Toray Industries, Inc.) ist in 12 gezeigt.

Claims

Membranbefeuchter für eine Brennstoffzelle, umfassend: (i) eine Membran; (ii) eine nassseitige Platte und eine trockenseitige Platte auf gegenüberliegenden Seiten der Membran, wobei die nassseitige Platte und die trockenseitige Platte Strömungskanäle darin aufweisen; (iii) ein trockenseitiges Diffusionsmedium zwischen der Membran und der trockenseitigen Platte; und (iv) ein nassseitiges, flexibles, harzgebundenes Glasfaserpapier-Diffusionsmedium zwischen der Membran und der nassseitigen Platte, wobei das Glasfaserpapier (a) Glasfasern, (b) eine Dicke von 100-110 µm und (c) eine Gurley-Durchlässigkeit von zumindest 47,2 l/s aufweist; wobei das Glasfaserpapier mit 26-55 % ausgehärtetem, flüssigen Phenolharz imprägniert ist.
Membranbefeuchter nach Anspruch 1, wobei das Glasfaserpapier 70-90 Gew.-% Glasfasern umfasst.
Membranbefeuchter nach Anspruch 2, wobei das Glasfaserpapier bis zu 20 Gew.-% fibrillierte oder nicht fibrillierte Acrylfasern umfasst.
Membranbefeuchter nach Anspruch 1, wobei das trockenseitige Diffusionsmedium ein flexibles, harzgebundenes Glasfaserpapier ist, das (a) Glasfasern, (b) eine Dicke von 100-110 µm und (c) eine Gurley-Durchlässigkeit von zumindest 47,2 l/s aufweist; wobei das Glasfaserpapier mit 26-55 % ausgehärtetem flüssigen Phenolharz imprägniert ist.
Membranbefeuchter nach Anspruch 1, wobei das Glasfaserpapier vor dem Imprägnieren mit dem und Aushärten des flüssigen Phenolharz/es ein Flächengewicht von 20-50 g/m² aufweist.
Membranbefeuchter nach Anspruch 5, wobei das Glasfaserpapier vor dem Aushärten des flüssigen Phenolharz/es bis zu 10 Gew.-% PVA-Faserbindemittel umfasst.
Membranbefeuchter nach Anspruch 5, wobei das Glasfaserpapier ein Flächengewicht von 40-44 g/m² und einen Gehalt an ausgehärtetem Harz von 26-40 % aufweist.
Membranbefeuchter nach Anspruch 7, wobei das Glasfaserpapier ein spezifisches Gewicht von zumindest 0,5 g/cc und eine Gurley-Luftdurchlässigkeit von zumindest 94,4 l/s aufweist.
Membranbefeuchter nach Anspruch 6, wobei das Glasfaserpapier ein Flächengewicht von 20-24 g/m² und einen Gehalt an ausgehärtetem Harz von 35-55 % aufweist.
Membranbefeuchter nach Anspruch 9, wobei das Glasfaserpapier ein spezifisches Gewicht von zumindest 0,5 g/cc und eine Gurley-Luftdurchlässigkeit von zumindest 94,4 l/s aufweist.