DE112004002294T5

DE112004002294T5 - Verbesserte Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112004002294T5
Application number: DE112004002294T
Authority: DE
Inventors: Mark Mathias; Robert South Windsor Darling; David L. Santa Fe Wood III
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-11-24
Filing date: 2004-10-07
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2024-10-08
Also published as: US20050112449A1; CA2542383A1; WO2005057684A3; US7157178B2; CN1883070A; DE112004002294B4; CN100505397C; WO2005057684A2; JP2007511888A

Abstract

Brennstoffzellensystem, mit:
einer Protonenaustauschmembran mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite;
einer Kathodenkatalysatorschicht, die die erste Seite der Protonenaustauschmembran überlagert;
einer Kathodendiffusionsschicht, die die Kathodenkatalysatorschicht überlagert;
einer Anodenkatalysatorschicht, die die zweite Seite der Protonenaustauschmembran überlagert;
einer Anodendiffusionsschicht, die die Anodenkatalysatorschicht überlagert;
wobei die Kathodendiffusionsschicht eine Wasserdampfdurchlässigkeit von weniger als etwa 3 × 10^–4g/(Pa s m²) bei 80°C und 1 Atmosphäre besitzt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein Brennstoffzellen und insbesondere Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen, die verbesserte Gasdiffusionsschichten besitzen.

In der Vergangenheit betrafen die meisten Entwicklungen in der Brennstoffzellentechnologie Anwendungen, die von der Regierung, wie der United States National Aeronautics and Space Administration (NASA) unterstützt wurden, oder Anwendungen, die mit elektrischen Nutzanlagen in Verbindung stehen. Jedoch haben die jüngsten Entwicklungen hinsichtlich der Materialien zum Aufbau und Verarbeitungstechniken Brennstoffzellenentwicklungen einer größeren kommerziellen Anwendung näher gebracht.

Ein wichtiger Vorteil von Brennstoffzellen ist ihr Wirkungsgrad von 60–70 % bei der Umwandlung von gespeicherter chemischer Energie in Elektrizität, wobei theoretisch sogar noch höhere Wirkungsgrade möglich sind. Zudem erzeugen Brennstoffzellen keinerlei Verschmutzung. Diese Vorteile machen Brennstoffzellen besonders für Fahrzeugvortriebsanwendungen und als Ersatz für Verbrennungsmotoren, die bei einem Wirkungsgrad von weniger als 30 % arbeiten und unerwünschte Emissionen erzeugen können, besonders geeignet.

Allgemein arbeiten Brennstoffzellen durch Oxidation einer Verbindung oder eines Moleküls (d.h. chemische Kombination mit Sauerstoff), um Elektrizität und Wärmeenergie freizusetzen. Gegenwärtig existiert eine Vielzahl von Brennstoffzellenbetriebskonstruktionen, die viele verschiedene Brennstoff- und Oxidationsmittelkombinationen verwenden. Die üblichste Brennstoff-/Oxidationsmittelkombination ist Wasserstoff und Sauerstoff. In einer typischen Brennstoffzelle wird Wasserstoff durch Reaktion des Wasserstoffs mit Sauerstoff (gewöhnlich aus Luft) verbraucht, um Wasser, elektrische Energie und Wärme zu erzeugen. Dies wird dadurch erreicht, dass der Wasserstoff über eine erste Elektrode (Anode) zugeführt wird und der Sauerstoff über eine zweite Elektrode (Kathode) zugeführt wird. Die beiden Elektroden sind durch einen Elektrolyt getrennt, der ein Material darstellt, das ermöglicht, dass geladene Moleküle oder "Ionen" sich hindurchbewegen können. Es können mehrere verschiedene Typen von Elektrolyten verwendet werden, die den Säuretyp, den Alkalityp, den Schmelzcarbonattyp und den Festoxidtyp umfassen. Protonenaustauschmembran-(PEM)-Elektrolyte (auch bekannt als Festpolymerelektrolyte) sind vom Säuretyp und besitzen potenziell eine hohe Leistung und hohe Spannung, was diese für Brennstoffzellenfahrzeuganwendungen geeignet macht.

Damit Brennstoffzellen effizient arbeiten, ist es oftmals wichtig, dass das System befeuchtet wird. Das Wasser, das erforderlich ist, um das System zu befeuchten, kann in den Anoden- und/oder den Kathodengasströmen mitgeführt werden. Wasser ist oftmals aus der elektrochemischen Reaktion, die in der Brennstoffzelle stattfindet, verfügbar und kann zur Verwendung in externen Befeuchtungssystemen (d.h. außerhalb des Brennstoffzellenstapels) gesammelt werden, um die Anoden- und Kathodenströme zu befeuchten. Jedoch sind diese externen Befeuchtungssysteme oftmals komplex und reduzieren den Gesamtsystemwirkungsgrad.

Daher besteht ein Bedarf nach einem weniger komplexen Brennstoffzellensystem, das verhindert, dass die Protonenaustauschmembran während des Betriebs austrocknet.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung löst diesen Bedarf, indem ein Brennstoffzellensystem mit einer verbesserten Kathodendiffusionsschicht vorgesehen wird. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Protonenaustauschmembran mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite; eine Kathodenkatalysatorschicht, die die erste Seite der Protonenaustauschmembran überlagert; eine Kathodendiffusionsschicht, die die Kathodenkatalysatorschicht überlagert; und eine Anodenkatalysatorschicht, die die zweite Seite der Protonenaustauschmembran überlagert; eine Anodendiffusionsschicht, die die Anodenkatalysatorschicht überlagert; wobei die Kathodendiffusionsschicht eine Wasserdampfdurchlässigkeit von weniger als etwa 3 × 10^–4 g/(Pa s m²) bei 80°C und 1 Atmosphäre besitzt.

Die Dicke der Kathodendiffusionsschicht ist allgemein geringer als etwa 1000 Mikrometer und liegt typischerweise im Bereich von etwa 150 bis 600 Mikrometer.

Die Massendichte der Kathodendiffusionsschicht ist allgemein kleiner als etwa 2,0 g/cc und liegt typischerweise im Bereich von 0,4 bis etwa 0,8 g/cc.

Die Porosität der Kathodendiffusionsschicht ist allgemein größer als 25 % und liegt typischerweise im Bereich von etwa 50 % bis etwa 80 %.

Die Kathodendiffusionsschicht kann zumindest etwa 0,25 Gew.-% Polytetrafluorethylen und ggf. typischerweise zwischen etwa 5 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% Polytetrafluorethylen umfassen.

Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft eine Kathodendiffusionsschicht für ein Brennstoffzellensystem, das eine Kathodendiffusionsschicht umfasst, die weniger als etwa 15 Gew.-% Polytetrafluorethylen enthält und eine Wasserdampfdurchlässigkeit von weniger als etwa 3 × 10^–4 g/(Pa s m²) bei 80°C und 1 Atmosphäre aufweist. Gegebenenfalls kann sie eine Dicke von weniger als etwa 1000 Mikrometer besitzen. Gegebenenfalls kann die Kathodendiffusionsschicht eine Massendichte von weniger als 2,0 g/cc umfassen. Die Kathodendiffusionsschicht kann ggf. eine Porosität von größer als etwa 25 % aufweisen. Gegebenenfalls kann die Kathodendiffusionsschicht mehr als eine dieser Beschränkungen umfassen.

Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft eine Kathodendiffusionsschicht für ein Brennstoffzellensystem, das eine Kathodendiffusionsschicht aufweist, die eine Wasserdampfdurchlässigkeit von weniger etwa 3 × 10^–4 g/(Pa s m²) bei 80°C und 1 Atmosphäre aufweist, und wobei die Kathodendiffusionsschicht eine Dicke von weniger als 1000 Mikrometer besitzt, und wobei eine Massendichte der Kathodendiffusionsschicht kleiner als etwa 2,0 g/cc ist, und wobei die Kathodendiffusionsschicht eine Porosität von größer als 25 % besitzt.

Die Eigenschaften der Diffusionsschicht, wie hier verwendet ist, betrifft die Eigenschaften der nicht komprimierten Diffusionsschicht, d.h. der Diffusionsschicht selbst, nicht die in einem zusammengebauten Brennstoffzellenstapel. Wie gut bekannt ist, werden Diffusionsmedien typischerweise zwischen etwa 5 % bis etwa 50 % komprimiert, wenn sie an einem Brennstoffzellenstapel angeordnet sind, und zwar bei Kompressionsdrücken im Bereich von etwa 50 bis 500 psig. Somit betreffen die Wasserdampfdurchlässigkeit, die Dicke, Massendichte und Porosität die Eigenschaften der nicht komprimierten Diffusionsschicht, entweder der Kathode oder der Anode (der prozentuale Gehalt von Polytetrafluorethylen würde sich von komprimierten zu nicht komprimierten Diffusionsschichten nicht ändern).

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine teilweise perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine teilweise Explosionsansicht im Schnitt eines Teils eines Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine Aufzeichnung der Stromdichte gegenüber der Dicke der Kathodendiffusionsschicht bei einem Zellenpotential von 0,6 Volt für zwei verschiedene Niveaus an externer Befeuchtung;
4 zeigt einen Vergleich der durchschnittlichen Zellenspannung eines Stapels aus 10 Zellen mit Kathodendiffusionsschichten, von denen jede 840 μm dick ist, mit der durchschnittlichen Zellenspannung eines Stapels aus 15 Zellen, der Gasdiffusionsschichten enthält, von denen jede 195 μm dick ist, bei verschiedenen Befeuchtungsniveaus;
5 zeigt die Abnahme des durchschnittlichen Zellenpotentials bei fixierten Stromdichten über längere Zeitperioden bei drei Betriebsbedingungen;
6 zeigt den Effekt der Durchlässigkeit der Kathodendiffusionsschicht auf die Wasserdampfkonzentration an der Schnittstelle zwischen Kathodenkatalysatorschicht und Diffusionsschicht;
7 ist ein Schema des Probenbehälters für einen Durchlässigkeitstest;
8 ist eine Draufsicht der Probenbehälter, die in dem Trocknungsofen für einen Durchlässigkeitstest angeordnet sind;
9 ist eine Seitenansicht der Schalenanordnung in dem Trocknungsofen für einen Durchlässigkeitstest; und
10 ist ein Ausdruck von S/WVT (das Reziproke der Durchlässigkeit) gegenüber der Dicke einer Diffusionsschicht gemäß der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 ist eine teilweise Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Protonenaustauschmembran 12. Typischerweise ist die Protonenaustauschmembran 12 im Wesentlichen flach. Eine Anodenkatalysatorschicht 14 liegt über einer Seite der Protonenaustauschmembran 12, und eine Ka thodenkatalysatorschicht 16 liegt über der anderen Seite. Die Protonenaustauschmembran 12 und die Katalysatorschichten 14 und 16 können als Membranelektrodenanordnung (MEA) bezeichnet werden. Eine Anodendiffusionsschicht 18 liegt über der Anodenkatalysatorschicht 14, und eine Kathodendiffusionsschicht 20 liegt über der Kathodenkatalysatorschicht 16. Es sind bipolare Platten 22 vorgesehen, wobei eine Platte mit der Anodendiffusionsschicht 18 in Eingriff steht und eine zweite Platte mit der Kathodendiffusionsschicht 20 in Eingriff steht. Ein erster Satz von Reaktandengasströmungskanälen 24 ist in der bipolaren Platte 22 entlang einer Seite, die mit der Anodendiffusionsschicht 18 in Eingriff steht, vorgesehen. Ein zweiter Satz von Reaktandengasströmungskanälen 26 ist in der bipolaren Platte 22 entlang einer Seite, die mit der Kathodendiffusionsschicht 20 in Eingriff steht, vorgesehen. Wasserstoffgas wird an die Anodenseite der MEA durch den ersten Satz von Reaktandengasströmungskanälen 24 geliefert, und Sauerstoff (allgemein in der Form von Luft) wird an den zweiten Satz von Reaktandengasströmungskanälen 26 an die Kathodenseite der MEA geliefert. Der Wasserstoff und Sauerstoff kann in einer Vielzahl von Formen geliefert werden, wie in der Technik gut bekannt ist. An jeder bipolaren Platte 22 trennen Stege 25 benachbarte Abschnitte der Reaktandengasströmungskanäle 24 oder 26. Die Stege 25 an jeder Seite der bipolaren Platte 22 bilden einen direkten Kontakt mit der jeweiligen Diffusionsschicht 18 oder 20 für diese Seite der bipolaren Platte 22.
Die Anodenkatalysatorschicht 14 und die Kathodenkatalysatorschicht 16 können in der Membranelektrodenanordnung durch eine beliebige, Fachleuten bekannte Art und Weise vorgesehen werden. Diese Elektroden 14 und 16 können separate getrennte Schichten sein oder können zumindest teilweise in Diffusionsschichten 18 bzw. 20 eingebettet sein oder teilweise in entgegengesetzten Seiten der Protonenaustauschmembran 12 eingebet tet sein. Eine kombinierte einheitliche Membran- und Elektrodenanordnung mit einer Festpolymerelektrolytmembran und ersten und zweiten Elektroden, die zumindest teilweise in entgegengesetzten Flächen der Membran eingebettet sind, ist in Swathirajan et al., U.S. Patent Nr. 5,272,017 gezeigt, das am 21. Dezember 1993 erteilt wurde und dessen Offenbarung hier vollständig durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Auf diese baulichen Kombinationen ist Bezug genommen und sie werden als beschrieben und abgedeckt betrachtet, sobald die Elektroden oder die Katalysatorschicht 14 und 16 hier als die Protonenaustauschmembran überlagernd beschrieben sind.
Die Diffusionsschichten 18 und 20 dienen verschiedenen Funktionen, die allen Diffusionsschichten gemeinsam sind, nämlich: 1) Bereitstellung eines elektrischen Kontaktes (und Pfades für elektrischen Fluss) zwischen den Elektrodenkatalysatorschichten 14 bzw. 16 und dem elektrochemischen Stromkollektor (bipolare Platte 22); 2) effektive Verteilung und effektiver Transport von Zufuhrgasen über die gesamte Oberflächen der Katalysatorelektroden 14 bzw. 16 und über die Protonenaustauschmembran 12, die die Stege 25 umfasst; und 3) Bereitstellung einer Leitung für den schnellen Transport von Produkten, die an den Katalysatorschichten 14 oder 16 erzeugt werden oder dort verbleiben. Die Diffusionsschichten der vorliegenden Erfindung dienen einer zusätzlichen Funktion: der Erzeugung einer hohen Konzentration von Wasserdampf in der Kathodendiffusionsschicht, die ausreichend ist, um die Protonenaustauschmembran zu befeuchten. In einigen Fällen wird dies ohne die Verwendung eines Befeuchtungssystems ausgeführt, das sich außerhalb der Membranelektroden-Diffusionsschichtanordnung befindet.
Für den Betrieb mit trockenen Brennstoffzellenströmen ist eine Kathodendiffusionsschicht erforderlich, die eine Wasserdampfübertragungsbarriere (d.h. geringe Durchlässigkeit) für das in der Brennstoffzelle erzeugte Wasser vorsieht. Der Grund hierfür ist, dass der Großteil des Wassertransports unter trockenen Betriebsbedingungen mit Wasser in der Dampfphase erfolgt. Es existiert sehr wenig Wasser, das in der flüssigen Phase vorhanden ist.
Der Effekt der Durchlässigkeit der Kathodendiffusionsschicht ist in 6 für den Fall gezeigt, bei dem der Großteil des erzeugten Wassers auf der Kathodenseite austritt. Dies wäre der Fall, wenn der Anodenzufuhrstrom mit Wasser gesättigt wäre, und der Kathodenzufuhrstrom unbefeuchtet wäre. Der Wasserfluss, der die Kathodenseite verlässt, wird ungefähr durch die Betriebsstromdichte der Zelle bestimmt. 6 zeigt, dass ein Material mit geringer Durchlässigkeit für die Kathodendiffusionsschicht zu einer hohen Wasserkonzentration an der Katalysatorschicht führt. Das Wasser "häuft" sich an der Schnittstelle der Kathodenkatalysatorschicht und der Kathodendiffusionsschicht an, um eine ausreichende Wasserkonzentrationstreibkraft über die Kathodendiffusionsschicht zu erzeugen und damit das Wasser bei dem durch die Stromdichte bestimmten Fluss hinaus zu drängen. Bei trockenen Betriebsbedingungen ist dies ein erwünschtes Szenario, da das Ionomer in der Katalyatorschicht und die Membran feucht und leitend bleiben. In dem Fall hoher Durchlässigkeit wird ein kleinerer Wasserdampfkonzentrationsgrad über die Kathodendiffusionsschicht hergestellt. Somit ist es wahrscheinlicher, dass das Ionomer austrocknet, wodurch die Brennstoffzellenleistungsfähigkeit verschlechtert wird.
Das Material mit niedriger Durchlässigkeit für die Kathodendiffusionsschicht sollte auch so ausgebildet sein, um zu ermöglichen, dass flüssiges Wasser leicht hindurch gelangen kann, wenn eine Kondensation auftritt, wie beispielsweise bei Kraftfahrzeugstarts von niedrigen (einschließlich Gefrier-)Temperaturen, wie es im wirklichen Gebrauch auftritt, oder bei der Erzeugung sehr hoher Stromdichten (d.h. hoher Wassererzeugungsraten). Ansonsten baut sich das flüssige Wasser auf und blockiert den Sauerstoffzugang zu der Kathodenkatalysatorschicht und verschlechtert die Leistungsfähigkeit (d.h. Fluten).
Die Kathodendiffusionsschicht der vorliegenden Erfindung ist so ausgewählt und aufgebaut, dass sie eine Wasserdampfdurchlässigkeit besitzt, die kleiner als etwa 3 × 10^–4 g/(Pa s m²) bei 80°C und 1 Atmosphäre und typischerweise kleiner als etwa 2 × 10^–4 g/(Pa s m²) oder kleiner als etwa 1,5 × 10^–4 g/(Pa s m²) ist. Die Wasserdampfdurchlässigkeit kann unter Verwendung des nachfolgend beschriebenen Testverfahrens bestimmt werden.
Wenn die Wasserdampfdurchlässigkeit der Kathodendiffusionsschicht auf diesem Niveau ist, wird ein Wasserdampfkonzentrationsgradient beim Betrieb der Brennstoffzelle erzeugt. Die Wasserdampfkonzentration ist an der Seite der Kathodendiffusionsschicht, die der Protonenaustauschmembran am nächsten ist, am größten, und die Wasserdampfkonzentration ist an der Seite der Kathodendiffusionsschicht, die der bipolaren Platte am nächsten ist, am geringsten. Wenn die Wasserdampfkonzentration an der Seite der Kathodendiffusionsschicht, die der Protonenaustauschmembran am nächsten ist, nahe der Sättigung ist, kann die Protonenaustauschmembran in einem vollständig befeuchteten Zustand gehalten werden, wodurch der Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels verbessert wird.
In einigen Situationen kann es erwünscht sein, die Eigenschaften der Anodendiffusionsschicht so zu wählen, dass sie sich von den Eigenschaften der Kathodendiffusionsschicht unterscheiden, anstatt der Verwendung der gleichen Materialien, die die gleichen Eigenschaften für beide Schich ten aufweisen. Ein Weg, um diesen Unterschied zu erreichen, besteht darin, das gleiche Basismaterial für sowohl die Kathoden- als auch Anodendiffusionsschichten zu verwenden, jedoch die Eigenschaften des Basismaterials zu ändern. Auch kann das Basismaterial so behandelt werden, dass die Kathoden- und Anodendiffusionsschichten verschiedene Eigenschaften besitzen. Alternativ dazu können die Kathoden- und Anodendiffusionsschichten aus verschiedenen Basismaterialien hergestellt sein, so dass die Eigenschaften verschieden sind.
Die Wasserdampfdurchlässigkeit der Anodendiffusionsschicht kann größer als etwa 3 × 10^–4g/(Pa s m²) bei 80°C und 1 Atmosphäre sein, und kann ggf. größer als etwa 4,5 × 10^–4g/(Pa s m²) bei 80°C und 1 Atmosphäre, sein. Die Diffusionsschichten können so gewählt sein, dass die Wasserdampfdurchlässigkeit der Kathodendiffusionsschicht gegebenenfalls etwa 10 bis etwa 50 % der Wasserdampfdurchlässigkeit der Anodendiffusionsschicht beträgt.
Die Bereitstellung einer Kathodendiffusionsschicht mit einer Wasserdampfdurchlässigkeit von weniger als etwa 3 × 10^–4g/(Pa s m²) bei 80°C und 1 Atmosphäre kann auf eine Vielzahl von Wegen erreicht werden, wie beispielsweise einer Änderung der Dicke der Kathodendiffusionsschicht, einer Einstellung der Massendichte der Kathodendiffusionsschicht, einer Einstellung der Porosität der Kathodendiffusionsschicht, die Polytetrafluorethylen in der Kathodendiffusionsschicht enthält, ein Zusatz einer mikroporösen Schicht für eine oder beide Flächen der Diffusionsschicht und/oder ein Füllen der Diffusionsschicht mit Kohlenstoff/Graphitpartikeln, um die Struktur zu verdichten.
Ein Weg, um die Wasserdampfdurchlässigkeit der Kathodendiffusionsschicht zu ändern, besteht darin, eine dickere Schicht zu verwenden. 2 ist eine Explosionsansicht im Schnitt eines Teils einer Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Anodenkatalysatorschicht 14 und die Kathodenkatalysatorschicht 16 liegen über der Protonenaustauschmembran 12. Es ist eine Anodendiffusionsschicht 18 vorgesehen, die über der Anodenkatalysatorschicht 14 liegt, und eine Kathodendiffusionsschicht 20 vorgesehen, die über der Kathodenkatalysatorschicht 16 liegt. Es sind bipolare Platten 22 vorgesehen, die mit der Anodendiffusionsschicht 18 und der Kathodendiffusionsschicht 20 in Eingriff stehen. An den bipolaren Platten 22 trennen Stege 25 benachbarte Abschnitte der Reaktandengasströmungskanäle 24, 26. Bei dieser Ausführungsform ist die Kathodendiffusionsschicht 20 dicker als die Anodendiffusionsschicht 18. Die dickere Kathodendiffusionsschicht macht es schwieriger, dass Wasserdampf schnell durch die Dicke der Schicht gelangen kann, wodurch ein Wasserdampfkonzentrationsgradient innerhalb der Schicht erzeugt wird, um die Protonenaustauschmembran in einem ausreichend befeuchteten Zustand zu halten.
Wenn jedoch die Kathodendiffusionsschicht zu dick ist, wird die Verweilzeit des Wasserdampfs in der Schicht zu lang, was in einem Fluten der Brennstoffzelleneinheit an der Kathodenseite resultiert. Wenn zusätzlich die Kathodendiffusionsschicht zu dick ist, können die Brennstoffzellenstapel ein nicht akzeptables hohes Volumen aufweisen.
Die Kathodendiffusionsschicht besitzt allgemein eine Dicke von weniger als etwa 1000 Mikrometer und liegt typischerweise im Bereich von etwa 150 bis 600 Mikrometer oder im Bereich von etwa 200 bis etwa 500 Mikrometer.
Gegebenenfalls kann die Anodendiffusionsschicht dünner als die Kathodendiffusionsschicht ausgebildet werden. Die Anodendiffusionsschicht ist allgemein mehr als 50 Mikrometer dick, und kann ggf. eine Dicke im Bereich von etwa 75 bis etwa 200 Mikrometer besitzen. Das Verhältnis der Dicke der Kathodendiffusionsschicht zu der Dicke der Anodendiffusionsschicht kann zwischen etwa 20 : 1 bis 3 : 1 liegen und kann ggf. zumindest etwa 4 : 1 sein.
Eine andere Weise, um die gewünschte Wasserdampfdurchlässigkeit zu erreichen, besteht darin, die Massendichte der Kathodendiffusionsschicht zu steuern. Die Massendichte der Kathodendiffusionsschicht ist allgemein kleiner als 2,0 g/cc und liegt typischerweise im Bereich zwischen etwa 0,4 g/cc und etwa 0,8 g/cc.
Die Massendichte der Anodendiffusionsschicht kann ggf. auch gesteuert werden. Sie kann größer als etwa 0,1 g/cc sein und kann ggf. im Bereich zwischen etwa 0,15 g/cc und etwa 0,5 g/cc liegen. Das Verhältnis der Massendichte der Kathodendiffusionsschicht zu der Anodendiffusionsschicht kann ggf. so gewählt sein, dass sie zwischen 20 : 1 und etwa 1,5 : 1 liegt.
Die Porosität der Kathodendiffusionsschicht kann auch so gesteuert werden, um die gewünschte Wasserdampfdurchlässigkeit zu erreichen. Die Porosität der Kathodendiffusionsschicht ist allgemein größer als etwa 25 % und liegt typischerweise im Bereich von zwischen etwa 50 % und etwa 80 %.
Die Porosität der Anodendiffusionsschicht kann ggf. auch gesteuert werden. Die Porosität ist allgemein kleiner als etwa 95 % und liegt typischerweise zwischen etwa 70 % und etwa 90 %. Das Verhältnis der Porosität der Kathodendiffusionsschicht zu der Anodendiffusionsschicht kann ggf. zwischen etwa 1 : 3,8 und etwa 1 : 1,25 liegen.
Gegebenenfalls kann die Wasserdampfdurchlässigkeit der Kathodendiffusionsschicht auch dadurch erhalten werden, dass verschiedene Mengen Polytetrafluorethylen eingeschlossen werden. Die Kathodendiffusionsschicht kann zwischen etwa 0,25 Gew.-% und etwa 25 Gew.-% Polytetrafluorethylen enthalten und kann ggf. zwischen etwa 5 Gew.-% und etwa 15 Gew.-% Polytetrafluorethylen enthalten.
Die Menge an Polytetrafluorethylen in der Anodendiffusionsschicht kann ggf. auch gesteuert werden. Die Anodendiffusionsschicht kann weniger als etwa 15 Gew.-% Polytetrafluorethylen enthalten, und sie kann ggf. zwischen 3 Gew.-% und etwa 10 Gew.-% Polytetrafluorethylen enthalten.
Wenn jedoch das Niveau von Polytetrafluorethylen in entweder der Kathoden- oder der Anodendiffusionsschicht zu hoch ist, kann dies die Leitfähigkeit der Diffusionsschicht auf ein nicht akzeptables Niveau verringern.
Eine Optimierung der Wasserdampfübertragungsrate der Kathodendiffusionsschicht kann ebenfalls unter Verwendung einer speziellen Form einer herkömmlichen mikroporösen Schicht (MPL) erreicht werden. MPLs sind seit über 10 Jahren bei bestimmten Typen von PEM-Brennstoffzellen in Gebrauch und können als eine diskrete Schicht einer oder beiden Seiten des Diffussionschichtsubstrates (der Kohlenstoff/Graphitfasermatrix) zugefügt werden. Eine MPL wird allgemein in Dispersionsform aus verschiedenen Mischungen aus Kohlenstoff/Graphitpartikeln, hydrophoben Fluorpolymeren und einem Lösemittel hergestellt. Eine Hauptfunktion der MPL besteht darin, überschüssiges flüssiges Wasser weg von den Kathodenkatalysator und der Diffusionsschichtschnittstelle zu saugen, und sie ist so ausgebildet, um eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit unter feuchten Betriebsbedingungen vorzusehen.
Der spezielle Typ von MPL, der für diese Erfindung nützlich ist, kann aus ähnlichen oder verschiedenen Materialien hergestellt sein, wobei die Partikelgröße, die Partikeldichte, die Binderbeladung, die Porosität, die Porengrößenverteilung wie auch die Dicke die Eigenschaften sind, die zugeschnitten und gesteuert werden. Vorgeschlagene Materialien sind Kohlenstoff, Graphit oder beliebige andere elektrisch leitende korrosionsbeständige Materialien, die mit einem bindenden Fluorpolymer, beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder einem anderen geeigneten chemisch inerten Polymer zusammengemischt sind. Bevorzugte Herstelltechniken zum Aufbringen der Schicht sind Folienguss, Zugstangenbeschichtung, Gieß- oder Florbeschichtung oder Sprühen. Es kann auch eine dünne Tafel oder Rolle aus Material mit den gewünschten Eigenschaften gekauft oder separat hergestellt und dann physikalisch dem Diffusionsschichtsubstrat als eine "Nebenschicht" anstatt einer Beschichtung zugesetzt werden.
Ungeachtet des Herstell- oder Zusammenbauverfahrens kann das Hinzufügen der Schicht zu einer Seite oder der anderen (d.h. abhängig davon, ob die MPL an dem Kathodenkatalysator oder den Kathodenströmungsfeldstegen sein soll) einen zusätzlichen Leistungsvorteil vorsehen. Es kann auch ein dreischichtiger Aufbau, bei dem eine MPL beiden Substratseiten hinzugefügt wird, eine noch bessere Verwendbarkeit vorsehen. Beispielsweise kann eine MPL-Beschichtung an jeder Seite bei übermäßig trockenen Bedingungen (wie beispielsweise einer sehr geringen Einlasskathodenfeuchte und hohen Betriebstemperaturen) verwendet werden, während in anderen Fällen (dem einen oder anderen aus sehr niedriger Einlassfeuchte oder hoher Betriebstemperatur) nur eine MPL erforderlich sein muss. Ein Aufbau mit einer oder mehreren MPLs kann so ausgebildet und aufgebaut sein, dass er die gewünschte Wasserdampfdurchlässigkeit besitzt.
Eine andere Alternative, um die gewünschten Wassertransporteigenschaften zu erreichen, besteht darin, das poröse Volumen des Diffusionsschichtsubstrates (d.h. der Kohlefasermatrix) mit denselben Kohlenstoff/Graphit- und Fluorpolymermaterialien zu füllen, was diesem eine "verdichtete" Beschaffenheit verleiht. Das Endergebnis wäre ein Verbundaufbau mit einer Einzelschicht (anstatt einer Doppelschicht oder Dreifachschicht) mit einer erheblich geringeren Porosität, kleineren Porengröße und einer höheren Massendichte.
Diese alternativen Techniken und ihre zugeordneten Herstellschritte sind für Fachleute auf dem Gebiet der Entwicklung von Komponenten für PEM-Brennstoffzellen gut bekannt und verständlich.
Bei einer Ausführungsform enthält die Kathodendiffusionsschicht weniger als etwa 15 Gew.-% Polytetrafluorethylen und besitzt eine Wasserdampfdurchlässigkeit von weniger als 3 × 10^–4g/(Pa s m²) bei 80°C und 1 Atmosphäre. Sie enthält typischerweise zwischen etwa 5 Gew.-% und etwa 15 Gew.-% Polytetrafluorethylen. Die Dicke der Kathodendiffusionsschicht ist allgemein kleiner als etwa 1000 Mikrometer und liegt typischerweise im Bereich zwischen etwa 150 und etwa 600 Mikrometer. Die Massendichte der Kathodendiffusionsschicht ist allgemein kleiner als etwa 2,0 g/cc und liegt typischerweise zwischen etwa 0,4 g/cc und etwa 0,8 g/cc. Die Kathodendiffusionsschicht besitzt eine Porosität von allgemein größer als etwa 25 % und liegt typischerweise im Bereich zwischen etwa 50 % und etwa 80 %.
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst die Kathodendiffusionsschicht eine Kathodendiffusionsschicht mit einer Wasserdampfdurchlässigkeit von weniger als etwa 3 × 10^–4g/(Pa s m²) bei 80°C und 1 Atmosphäre, wobei die Kathodendiffusionsschicht eine Dicke von weniger als etwa 1000 Mikrometer besitzt, und wobei eine Massendichte der Kathodendiffusionsschicht kleiner als etwa 2,0 g/cc ist und wobei die Kathodendiffusionsschicht eine Porosität von größer als etwa 25 % besitzt.
Gegebenenfalls können eine oder mehrere der verschiedenen Vorgehensweisen zur Herstellung einer Kathodendiffusionsschicht mit der gewünschten Wasserdampfdurchlässigkeit kombiniert werden.
Geeignete Materialien zur Verwendung als die Diffusionsschichten umfassen beispielsweise poröses Graphit, Kohlenstoffpapiere, -filze, -gewebe oder andere gewobene bzw. nicht gewobene Materialien. Zusätzlich können auch metallische Schäume, Siebe, Gewebe oder Matrizen verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung wird typischerweise für Protonenaustauschmembrane verwendet, die bei einer Temperatur im Bereich von etwa 75°C bis etwa 175°C und bei einem Druck im Bereich von etwa 100 kPa bis etwa 200 kPa absolut arbeiten.
Beispiel 1
3 zeigt einen Ausdruck der Stromdichte gegenüber der Dicke der Kathodendiffusionsschicht bei einem Zellenpotential von 0,6 V für zwei verschiedene Niveaus von externer Befeuchtung. Jeder Punkt ist hinsichtlich der Zeit über 3 Stunden gemittelt. Tabelle 1 sieht die experimentellen Bedingungen vor. 3 zeigt, dass die Stromdichte monoton mit der Dicke für den Bereich dargebotener Dicken ansteigt. Die Kurve sollte schließlich ein Maximum erreichen und dann bei größeren Dicken aufgrund von entweder einem Fluten der Kathodendiffusionsschicht an der Schnittstelle zwischen der Kathodenkatalysatorschicht und der Kathodendiffusionsschicht oder beschränkten Raten einer Sauerstoffmassenübertragung an die Kathode abnehmen. Zusätzliche Arbeit bei höheren Stromdichten (> 1 A/cm²), die hier nicht dargestellt sind, unterstützt die Flutungshypothese. Die Stromdichtezunahme beträgt für die Serie A (mit geringerer Feuchte) etwa 30 % und für die Serie B (mit höherer Feuchte) 20 %. Somit sind die Vorteile der dickeren Diffusionsschicht bei trockeneren Bedingungen größer.
Tabelle 1:
Beispiel 2
4 vergleicht die durchschnittlichte Zellenleistungsfähigkeit eines Stapels aus 10 Zellen mit dicken Kathodendiffusionsschichten (800 μm) mit der eines Stapels aus 15 Zellen mit dünnen Kathodendiffusionsschichten (195 μm) bei verschiedenen Befeuchtungsniveaus. Die Tabellen 2 und 3 sehen die Betriebsbedingungen vor.
Tabelle 2:
Tabelle 3:
Das maximale Zellenpotential, das von dem Stapel mit den dicken Diffusionsschichten erreicht wird, war erheblich besser als das des Stapels mit den dünnen Diffusionsschichten. Zusätzlich ist die Leistungsfähigkeit des Stapels mit dicken Diffusionsschichten verbessert, da die Menge an zuge setztem Befeuchtungswasser abnimmt. Die optimale Leistungsfähigkeit des Stapels mit dicken Diffusionsschichten tritt bei niedrigeren Befeuchtungsniveaus als denen des Stapels mit den dünnen Diffusionsschichten auf (RF_austritt = 0,92 im Gegensatz zu RF_austritt = 1,11, wobei RF_austritt die im Gleichgewicht befindliche durchschnittliche relative Feuchte beider Produktgasströme ist, die die Membranelektrodenanordnung verlassen). Somit ist die Konstruktion für niedrige Befeuchtungsniveaus optimiert, wie erwartet. Bei hohen Befeuchtungsniveaus wird der Stapel mit dicken Diffusionsschichten geflutet und arbeitet schlechter als der Stapel mit dünnen Diffusionsschichten.
Beispiel 5
5 zeigt die Abnahme des durchschnittlichen Zellenpotentials bei fixierten Stromdichten über längere Zeitperioden bei drei Betriebsbedingungen für einen Stapel aus 10 Zellen mit 840 μm dicken Kathodendiffusionsschichten. Tabelle 4 sieht die Betriebsbedingungen vor.
Tabelle 4
Das Potential nimmt an den Testpunkten mit 150 kPa mit einer Rate von etwa 1 mV/h ab. Dies zeigt, dass die Membranelektrodenanordnungen bei diesem Befeuchtungsniveau langsam austrocknen. Bei 200 kPa ist die Rate der potenziellen Abnahme um mehr als einen Faktor 10 niedriger. Somit erlaubt mit einer richtigen Optimierung des Gaseinlassdruckes die dicke Kathodendiffusionsschicht eine stabile Langzeitleistungsfähigkeit ohne externe Befeuchtung des Kathodenstromes bei niedrigem Druck (≤ 200 kPa (abs)).
Wasserdampfdurchlässigkeitstest
Es besteht keine Einigkeit hinsichtlich eines Testverfahrens für die Wasserdampfdurchlässigkeit unter Bedingungen, die in Brennstoffzellen auftreten. Das folgende Testverfahren ist aus ASTM Method E96 (Standardtest für Wasserdampfübertragung von Materialien) und dem Canadian Turl Dish Method, BS 7209 (T. Woodbridge, "Breathability-Fact and Fiction", The New Nonwovens Word, Herbst 1993) abgeleitet, die hier durch Bezugnahme eingeschlossen sind und so abgewandelt sind, um Brennstoffzellenbedigungen zu repräsentieren.
Das Verfahren basiert auf der Vorgehensweise B und D von ASTM E96, bei dem eine Tasse mit Wasser gefüllt und unter Verwendung des Probenmaterials abgedeckt wird. Die Wasserdampfübertragungsrate (WVT-Rate) wird aus dem Gewichtsverlust des Wassers gemessen über die Zeit abgeleitet. Die Durchlässigkeit kann dann aus den WVT-Daten bestimmt werden.
Der Widerstand gegenüber einer Wasserübertragung (dem Inversen der Durchlässigkeit) der Probe muss zumindest 10 % der anderen Widerstände in der Testanordnung betragen, oder das Verfahren ist nicht genau. Es hat sich herausgestellt, dass die Verwendung einer Schicht von Diffusionsmedium keinen angemessenen Widerstand vorsah, jedoch die Verwendung von fünf Schichten aus Diffusionsmedium einen ausreichenden Widerstand vorsah.
Probenherstellung
Es wurde ein Kunststoffbehälter 50 mit 9 oz. (266 ml) mit einem Schnappdeckel 52 verwendet. In das Zentrum des Schnappdeckels wurde eine Öffnung mit einer Größe von 4,5 cm × 4,5 cm geschnitten. Es wurden fünf Proben mit einer Größe von 5,5 cm × 5,5 cm des zu prüfenden Gasdiffusionsmaterials ausgeschnitten. Die erste Schicht aus Diffusionsmaterial wurde über der Öffnung in dem Deckel angeordnet. Eine 3 mm große Wulst aus Silikondichtmittel wurde um die Ränder von einer Fläche der Diffusionsschicht herum aufgebracht, wodurch die Diffusionsschicht über der Öffnung in dem Deckel abgedichtet wurde. Die verbleibenden vier Schichten aus Diffusionsmedium wurden durch Aufbringen einer dünnen Wulst aus Silikondichtmittel um die Ränder herum zwischen jeder Lage aufgebracht, wobei die fünf Schichten gleichmäßig aneinandergestapelt wurden. Der äußere Rand der fünf Schichten aus Diffusionsmedium 54 wurde mit Silikondichtmittel 56 abgedichtet, um sicherzustellen, dass die Wasserdampfübertragung vollständig in der Richtung durch die Ebene der Proben hindurch stattfand. Das Silikondichtmittel konnte sich dann vollständig aushärten. Der Schnappdeckel mit den Proben ist in 7 gezeigt.
Der Kunststoffbehälter wurde dann mit deionisiertem Wasser auf einen Pegel von 1 cm von oben angefüllt. Dann wurde der Deckel mit den Proben angebracht. Der mit Wasser gefüllte und den Schnappdeckel mit den Proben enthaltende Behälter wurde dann gewogen.
Probenerhitzung
Es wurde ein Standardlabortrocknungsofen verwendet. Der Ofen wurde vor dem Beginn des Tests auf 80°C vorgeheizt.
Es wurde ein etwa 1 Meter langes Kupferrohr mit ¼ Zoll aufgewickelt und in dem Ofen angeordnet. Eine Länge von 6 Zoll des gewickelten Kupferrohres wurde durch ein Entlüftungsloch an dem oberen Bereich des Ofens angeordnet und abgestützt. Das gewickelte Kupferrohr wurde mit einem Druckluftregler mit Tygon^®-Rohr angebracht. Die Verwendung des gewundenen Kupferrohres erlaubt, dass die Luft Ofentemperatur erreicht, bevor sie das Rohr in den Ofen verlässt. Der Auslass des Rohres ist nachfolgend beschrieben.
Es wurden sechs Behälter 60, jeweils mit fünf Schichten aus Diffusionsmedium, auf einmal getestet. 8 zeigt die Proben in dem Ofen. Die sechs Behälter wurden in einem Kreis an dem oberen Fachboden des Ofens angeordnet. Es wurde ein leerer Kunststoffbehälter 62 in dem Zentrum des Kreises der Proben angeordnet. Eine Glasschale 64 mit flachem Boden wurde umgedreht auf dem leeren Behälter 62 angeordnet. Der Auslass des Kupferrohres 66 wurde 2 Zoll oberhalb des Zentrums der Glasschale mit flachem Boden positioniert, wie in 9 gezeigt ist (die Windung des Rohres ist nicht gezeigt). Die Schale mit flachem Boden dient dazu, die Luftströmung gleichmäßig über den oberen Bereich der sechs Proben zu verteilen.
Die Lufströmung wurde dann auf eine konstante Rate eingestellt, so dass die Geschwindigkeit der trockenen Luft über die Proben zumindest 0,25 Meter pro Sekunde betrug. Die Ofentür wurde geschlossen und die Zeit aufgezeichnet. Der Test wurde für 24 Stunden ohne Störung betrieben. (Ein Öffnen der Tür während des Tests kann die Ergebnisse aufgrund von Temperaturänderungen ändern.) Nach 24 Stunden wurde die Luftströmung abgeschaltet und die Probenbehälter entfernt und gewogen.
Die WVT wird durch Division des Gewichtsverlustes (g) aufgrund der Wasserverdunstung durch die Zeitdauer (24 Stunden oder 86.400 Sekunden) und die freiliegende Oberfläche (2,03 × 10^–3 m²) bestimmt. Tabelle 5 zeigt die Ergebnisse für fünf Proben.
Tabelle 5
Die ersten vier Proben waren kommerzielle Produkte von Toray Industries, Inc., Otsu Shiga, Japan. Sie besaßen verschiedene Dicken desselben Grundmaterials. Die letzte Probe war eine entwickelte Probe von SGL Carbon Group, SGL Technologies, GmbH, Meitingen, Deutschland.
Datenanalyse
Die Durchlässigkeit der Diffusionsschicht kann aus den WVT-Daten bestimmt werden. WVT = S(RF1 – RF2) × ΠTot (1)wobei

WVT: = Wasserdampfübertragungsrate (g/(s m²)),
S: = Wassersättigungsdampfdruck bei Testtemperatur (47322 Pa bei 80°C),
RF₁: = relative Feuchte an der Quelle, ausgedrückt als Bruch (1,0 in diesem Verfahren bei einer Flüssigwasseroberfläche),
RF₂: = relative Feuchte an der Senke, ausgedrückt als Bruch (0 in diesem Verfahren bei Strömung von trockenem Strom),
Π_Tot: = Gesamtdurchlässigkeit des Systems, die drei Beiträge umfasst: Wasser zu Papier, durch Papier, Papier zu trockenem Gas (g/(Pa s m²)).

Die Gesamtdurchlässigkeit des Systems umfasst Effekte von anderen Waserdampftransportwiderständen, die in dem Test vorhanden sind, so dass die Durchlässigkeit der Diffusionsschichten aus diesen Daten extrahiert werden muss. Die vier Proben mit demselben Grundmaterial, jedoch mit verschiedenen Dicken wurden dazu verwendet, das Testverfahren zu kalibrieren und Widerstände gegenüber dem Wasserdampftransport zu bestimmen, die nicht den Diffusionsschichten zugeordnet sind. Dies wird durch Extrapolation durchgeführt, um einen Fall mit einer Diffusionsschichtdicke von Null zu entwerfen, wie unten gezeigt ist. Unter Verwendung dieser Kalibrierungsinformation kann die Durchlässigkeit von jeder Diffusionsschichtprobe isoliert werden.
Der Gesamtwiderstand gegenüber Wassertransport (R_Tot) ist das Inverse der Gesamtdurchlässigkeit. Er umfasst die drei Widerstände in Reihe: RTot = 1/ΠTot = RW,DM + RDM + RDM,G (2)wobei

R_W,DM: = Wasserdampftransportwiderstand zwischen Wasseroberfläche und unterer Diffusionsschichtfläche ((Pa s m²)/g)
R_DM: = Wasserdampftransportwiderstand aufgrund der Diffusionsschichtmasse ((Pa s m²)/g)
R_DM,G: = Wasserdampftransportwiderstand zwischen der oberen Diffusionsschichtfläche und strömendem trockenem Gas ((Pa s m²)/g)

Wenn der bewertete Satz von Diffusionsmediumproben aus einem Stapel aus mehreren Lagen desselben Diffusionsmediummaterials besteht, ist der Widerstand der Diffusionsmedien proportional zu der Diffusionsmediumstapeldicke und invers proportional zu der Materialpermeabilität.
wobei

n: = Anzahl von Schichten der im Test verwendeten Diffusionsmedien,
Π_DM: = Durchlässigkeit einer einzelnen Diffusionsschicht (g/(Pa s m²))
δ_DM: = Dicke einer einzelnen Diffusionsschicht (m)
π_DM: = Permeabiltät der Diffusionsschicht (g/(Pa s m))

Die Permeabilität ist eine intrinsische Eigenschaft eines Materials und ist unabhängig von der Dicke. Die Durchlässigkeit hängt von der Probendicke ab.
Die beiden Konstanten des Tests unabhängig der Diffusionsmediumprobe, die kalibriert werden müssen, können gemeinsam als ein einzelner Widerstand R₀ gruppiert werden: R0 = RW,DM + RDM,G (4)
Die Kombination der Gleichungen (1), (2), (3) und (4) ergibt:
Ein Ausdruck von S/WVT gegenüber der Gesamtdicke aller Schichten von Diffusionsmedien (n δ_DM) kann dazu verwendet werden, den Widerstand des Systems, der für die Ausstattung charakteristisch ist, aus dem Abschnitt R0 zu extrahieren. Die Steigung kann dazu verwendet werden, die Permeabilität π_DM zu bestimmen.
Die Daten für die ersten vier Proben (gleiches Material, verschiedene Dicken) sind in 10 gezeigt. Wie erwartet erzeugten die Daten eine gerade Linie mit der folgenden am besten passenden Linie bzw. Ausgleichsgeraden:
Daraus kann R₀ bestimmt werden: R0 = 54880 (Pa m2 s)/g (7)
Die Permeabilität der Toray-Diffusionsschichtproben beträgt: πDM = 1,39 × 10–7 g/(Pa m s) (8)
Unter Verwendung der Gleichung 3 kann der Widerstand aufgrund der fünf Schichten aus Diffusionsmedium berechnet und mit den anderen Widerständen in dem Testverfahren verglichen werden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 gezeigt.
Tabelle 6
Die Beiträge zu dem Gesamtwiderstand sind für die dünnste Diffusionsschicht 7 % und für die dickste 40 %.
Sobald der Wert für R₀ bestimmt worden ist, können die Gleichungen (3) und (5) dazu verwendet werden, die Durchlässigkeit für eine einzelne Schicht der getesteten Materialien zu berechnen:
die umgestellt werden kann zu:
Tabelle 7 zeigt die Ergebnisse für die fünf getesteten Proben.
Tabelle 7
Während bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Einzelheiten für die Zwecke der Veranschaulichung der Erfindung gezeigt worden sind, ist es für Fachleute offensichtlich, dass verschiedene Änderungen hinsichtlich der Zusammensetzungen und Verfahren, die hier offenbart sind, ohne Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung durchgeführt werden können, der in den angefügten Ansprüchen definiert ist.
Zusammenfassung
Es ist ein Brennstoffzellensystem mit Protonenaustauschmembran offenbart. Es sind eine Kathodenkatalysatorschicht, die die erste Seite der Protonenaustauschmembran überlagert, und eine Kathodendiffusionsschicht vorgesehen, die die Kathodenkatalysatorschicht überlagert. Es sind eine Anodenkatalysatorschicht, die die Seite der Protonenaustauschmembran überlagert, und eine Anodendiffusionsschicht vorgesehen, die die Anodenkatalysatorschicht überlagert. Die Kathodendiffusionsschicht besitzt eine Wasserdampfdurchlässigkeit von weniger als etwa 3 × 10^–4 g/(Pa s m²) bei 80°C und 1 Atmosphäre. Die Erfindung betrifft auch Kathodendiffusionsschichten für Brennstoffzellensysteme.

Claims

Brennstoffzellensystem, mit: einer Protonenaustauschmembran mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite; einer Kathodenkatalysatorschicht, die die erste Seite der Protonenaustauschmembran überlagert; einer Kathodendiffusionsschicht, die die Kathodenkatalysatorschicht überlagert; einer Anodenkatalysatorschicht, die die zweite Seite der Protonenaustauschmembran überlagert; einer Anodendiffusionsschicht, die die Anodenkatalysatorschicht überlagert; wobei die Kathodendiffusionsschicht eine Wasserdampfdurchlässigkeit von weniger als etwa 3 × 10^–4g/(Pa s m²) bei 80°C und 1 Atmosphäre besitzt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Wasserdampfdurchlässigkeit der Kathodendiffusionsschicht kleiner als etwa 2 × 10^–4g/(Pa s m²) bei 80°C und 1 Atmosphäre ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Wasserdampfdurchlässigkeit der Kathodendiffusionsschicht kleiner als etwa 1,5 × 10^–4g/(Pa s m²) bei 80°C und 1 Atmosphäre ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Wasserdampfdurchlässigkeit der Anodendiffusionsschicht größer als etwa 3 × 10^–4g/(Pa s m²) bei 80°C und 1 Atmosphäre ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Wasserdampfdurchlässigkeit der Kathodendiffusionsschicht zwischen etwa 10 und etwa 50 % der Wasserdampfdurchlässigkeit der Anodendiffusionsschicht beträgt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei eine Dicke der Kathodendiffusionsschicht kleiner als etwa 1000 Mikrometer ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei die Dicke der Kathodendiffusionsschicht im Bereich von etwa 150 bis etwa 600 Mikrometer liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei eine Dicke der Anodendiffusionsschicht im Bereich von etwa 75 bis 200 Mikrometer liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei eine Massendichte der Kathodendiffusionsschicht kleiner als etwa 2,0 g/cc ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, wobei die Massendichte der Kathodendiffusionsschicht im Bereich von etwa 0,4 bis etwa 0,8 g/cc liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei eine Porosität der Kathodendiffusionsschicht größer als etwa 25 % ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, wobei die Porosität der Kathodendiffusionsschicht im Bereich von etwa 50 % bis etwa 80 % liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei die Kathodendiffusionsschicht zwischen etwa 5 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% Polytetrafluorethylen enthält.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei ein Verhältnis einer Dicke der Kathodendiffusionsschicht zu einer Dicke der Anodendiffusionsschicht zwischen etwa 20 : 1 bis etwa 3 : 1 liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei eine Massendichte der Kathodendiffusionsschicht kleiner als etwa 2,0 g/cc ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 15, wobei die Massendichte der Kathodendiffusionsschicht im Bereich von etwa 0,4 g/cc bis etwa 0,8 g/cc liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 16, wobei eine Massendichte der Anodendiffusionsschicht im Bereich von etwa 0,15 g/cc bis etwa 0,5 g/cc liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 15, wobei eine Dicke der Kathodendiffusionsschicht kleiner als etwa 1000 Mikrometer ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 18, wobei die Dicke der Kathodendiffusionsschicht im Bereich von etwa 150 bis etwa 600 Mikrometer liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 15, wobei eine Porosität der Kathodendiffusionsschicht größer als etwa 25 % ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 20, wobei die Porosität der Kathodendiffusionsschicht im Bereich von etwa 50 % bis etwa 80 % liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 15, wobei die Kathodendiffusionsschicht zwischen etwa 5 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% Polytetrafluorethylen enthält.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei ein Verhältnis einer Massendichte der Kathodendiffusionsschicht zu einer Massendichte der Anodendiffusionsschicht zwischen etwa 20 : 1 und etwa 1,5 : 1 liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei eine Porosität der Kathodendiffusionsschicht größer als etwa 25 % ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 24, wobei die Porosität der Kathodendiffusionsschicht im Bereich von etwa 50 % bis etwa 80 % liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 25, wobei eine Porosität der Anodendiffusionsschicht im Bereich von etwa 70 % bis etwa 90 % liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 24, wobei eine Dicke der Kathodendiffusionsschicht kleiner als etwa 1000 Mikrometer ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 27, wobei die Dicke der Kathodendiffusionsschicht im Bereich von etwa 150 bis 600 Mikrometer liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 24, wobei eine Massendichte der Kathodendiffusionsschicht kleiner als etwa 2,0 g/cc ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 29, wobei die Massendichte der Kathodendiffusionsschicht im Bereich von etwa 0,4 bis etwa 0,8 g/cc liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 24, wobei die Kathodendiffusionsschicht zwischen etwa 5 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% Polytetrafluorethylen enthält.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei ein Verhältnis einer Porosität der Kathodendiffusionsschicht zu einer Porosität der Anodendiffusionsschicht zwischen etwa 1 : 3,8 und etwa 1 : 1,25 liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Kathodendiffusionsschicht zumindest etwa 0,25 Gew.-% Polytetrafluorethylen enthält.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 33, wobei die Kathodendiffusionsschicht Polytetrafluorethylen im Bereich von etwa 5 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% enthält.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 34, wobei die Anodendiffusionsschicht Polytetrafluorethylen im Bereich von etwa 3 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% enthält.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 33, wobei eine Dicke der Kathodendiffusionsschicht kleiner als etwa 1000 Mikrometer ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 36, wobei die Dicke der Kathodendiffusionsschicht im Bereich von etwa 150 bis 600 Mikrometer liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 33, wobei eine Massendichte der Kathodendiffusionsschicht kleiner als etwa 2,0 g/cc ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 38, wobei die Massendichte der Kathodendiffusionsschicht im Bereich von etwa 0,4 bis etwa 0,8 g/cc liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 33, wobei eine Porosität der Kathodendiffusionsschicht größer als etwa 25 % ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 40, wobei die Porosität der Kathodendiffusionsschicht im Bereich von etwa 50 % bis etwa 80 % liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Protonenaustauschmembran beim Betrieb des Brennstoffzellensystems ohne die Verwendung eines externen Kathodenbefeuchtungssystems vollständig befeuchtet bleibt.
Brennstoffzellensystem, mit: einer Protonenaustauschmembran mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite; einer Kathodenkatalysatorschicht, die die erste Seite der Protonenaustauschmembran überlagert; einer Kathodendiffusionsschicht, die die Kathodenkatalysatorschicht überlagert; einer Anodenkatalysatorschicht, die die zweite Seite der Protonenaustauschmembran überlagert; einer Anodendiffusionsschicht, die die Anodenkatalysatorschicht überlagert; wobei die Kathodendiffusionsschicht eine Wasserdampfdurchlässigkeit von weniger als etwa 3 × 10^–4g/(Pa s m²) bei 80°C und 1 Atmo sphäre besitzt, und wobei eine Dicke der Kathodendiffusionsschicht kleiner als etwa 1000 Mikrometer ist, und wobei eine Massendichte der Kathodendiffusionsschicht kleiner als etwa 2,0 g/cc ist, und wobei eine Porosität der Kathodendiffusionsschicht größer als etwa 25 % ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 43, wobei die Dicke der Kathodendiffusionsschicht im Bereich von etwa 150 bis etwa 600 Mikrometer liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 43, wobei die Massendichte der Kathodendiffusionsschicht im Bereich von etwa 0,4 bis etwa 0,8 g/cc liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 43, wobei die Porosität der Kathodendiffusionsschicht im Bereich von etwa 50 % bis etwa 80 % liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 43, wobei die Kathodendiffusionsschicht Polytetrafluorethylen im Bereich von etwa 5 bis etwa 15 Gew.-% enthält.
Kathodendiffusionsschicht für ein Brennstoffzellensystem, mit: einer Kathodendiffusionsschicht, die weniger als 15 Gew.-% Polytetrafluorethylen enthält und eine Wasserdampfdurchlässigkeit von weniger als etwa 3 × 10^–4g/(Pa s m²) bei 80°C und 1 Atmosphäre aufweist.
Kathodendiffusionsschicht nach Anspruch 48, wobei die Wasserdampfdurchlässigkeit der Kathodendiffusionsschicht kleiner als etwa 2 × 10^–4g/(Pa s m²) bei 80°C und 1 Atmosphäre ist.
Kathodendiffusionsschicht nach Anspruch 48, wobei die Wasserdampfdurchlässigkeit der Kathodendiffusionsschicht kleiner als etwa 1,5 × 10^–4g/(Pa s m²) bei 80°C und 1 Atmosphäre ist.
Kathodendiffusionsschicht nach Anspruch 48, wobei eine Dicke der Kathodendiffusionsschicht kleiner als etwa 1000 Mikrometer ist.
Kathodendiffusionsschicht nach Anspruch 51, wobei die Dicke der Kathodendiffusionsschicht im Bereich von 150 Mikrometer bis etwa 600 Mikrometer beträgt.
Kathodendiffusionsschicht nach Anspruch 48, wobei eine Massendichte der Kathodendiffusionsschicht kleiner als 2,0 g/cc ist.
Kathodendiffusionsschicht nach Anspruch 53, wobei die Massendichte der Kathodendiffusionsschicht im Bereich von etwa 0,4 bis etwa 0,8 g/cc liegt.
Kathodendiffusionsschicht nach Anspruch 48, wobei eine Porosität der Kathodendiffusionsschicht größer als etwa 25 % ist.
Kathodendiffusionsschicht nach Anspruch 55, wobei eine Porosität der Kathodendiffusionsschicht im Bereich von etwa 50 % bis etwa 80 % liegt.
Kathodendiffusionsschicht nach Anspruch 48, wobei die Kathodendiffusionsschicht Polytetrafluorethylen im Bereich von etwa 5 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% enthält.
Kathodendiffusionsschicht für ein Brennstoffzellensystem, mit: einer Kathodendiffusionsschicht mit einer Wasserdampfdurchlässigkeit von weniger als etwa 3 × 10^–4g/(Pa s m²) bei 80°C und 1 Atmosphäre, und wobei eine Dicke der Kathodendiffusionsschicht kleiner als etwa 1000 Mikrometer ist, und wobei eine Massendichte der Kathodendiffusionsschicht kleiner als etwa 2,0 g/cc ist, und wobei eine Porosität der Kathodendiffusionsschicht größer als etwa 25 % ist.
Kathodendiffusionsschicht nach Anspruch 58, wobei die Wasserdampfdurchlässigkeit der Kathodendiffusionsschicht kleiner als etwa 2 × 10^–4g/(Pa s m²) bei 80°C und 1 Atmosphäre ist.
Kathodendiffusionsschicht nach Anspruch 58, wobei die Wasserdampfdurchlässigkeit der Kathodendiffusionsschicht kleiner als etwa 1,5 × 10^–4g/(Pa s m²) bei 80°C und 1 Atmosphäre ist.
Kathodendiffusionsschicht nach Anspruch 58, wobei die Dicke der Kathodendiffusionsschicht im Bereich von etwa 150 Mikrometer bis etwa 600 Mikrometer liegt.
Kathodendiffusionsschicht nach Anspruch 58, wobei die Massendichte der Kathodendiffusionsschicht im Bereich von etwa 0,4 bis etwa 0,8 g/cc liegt.
Kathodendiffusionsschicht nach Anspruch 58, wobei eine Porosität der Kathodendiffusionsschicht im Bereich von etwa 50 % bis etwa 80 % liegt.
Kathodendiffusionsschicht nach Anspruch 58, wobei die Kathodendiffusionsschicht Polytetrafluorethylen im Bereich von etwa 5 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% enthält.