DE112006001846B4

DE112006001846B4 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112006001846B4
Application number: DE112006001846.9T
Authority: DE
Inventors: Chunxin Ji; Mark Mathias; Jeanette E. O'Hara; Yeh-Hung Lai
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-07-13
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2023-05-04
Anticipated expiration: 2026-06-28
Also published as: US20070015042A1; US8354199B2; WO2007008402A3; WO2007008402A2; JP2009501423A; JP5121709B2; CN101501904A; CN101501904B; DE112006001846T5

Abstract

Brennstoffzelle (22), umfassend:
- eine Protonenaustauschmembran (30) zwischen einer Kathoden-Katalysatorschicht (26) und einer Anoden-Katalysatorschicht (28);
- eine erste Bipolarplatte (32) mit mehreren Strömungsfeld-Kanälen (34) an der Kathodenseite der Brennstoffzelle (22);
- eine zweite Bipolarplatte (32a) mit mehreren Strömungsfeld-Kanälen (34a) an der Anodenseite der Brennstoffzelle (22);
- ein mehrschichtiges Gasdiffusionsmedium (10) zwischen der Kathoden-Katalysatorschicht (26) und der ersten Bipolarplatte (32);
- ein mehrschichtiges Gasdiffusionsmedium (10a) zwischen der Anoden-Katalysatorschicht (28) und der zweiten Bipolarplatte (32a); wobei jedes Gasdiffusionsmedium (10, 10a) eine steifere Schicht (12, 12a), die mit den entsprechenden Strömungsfeld-Kanälen (34, 34a) in Kontakt steht, und eine komprimierbarere Schicht (14, 14a) aufweist, die auf der einen steiferen Schicht (12, 12a) vorgesehen ist und mit der entsprechenden Katalysatorschicht (26, 28) in Kontakt steht;
wobei die eine steifere Schicht (12, 12a) einen Elastizitätsmodul aufweist, welcher höher ist als jener der einen komprimierbareren Schicht (14, 14a); und
wobei die eine steifere Schicht (12, 12a) eine Dicke von nicht größer als 70 % einer Gesamtdicke des jeweiligen Gasdiffusionsmediums (10, 10a) aufweist; dadurch gekennzeichnet , dass
die eine steifere Schicht (12, 12a) ein Elastizitätsmodul aufweist, der zumindest das Dreifache, mehr bevorzugt zumindest das Sechsfache, von jenem der einen komprimierbareren Schicht (14, 14a) beträgt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie der Art nach im Wesentlichen aus der DE 31 32 596 A1 bekannt ist.
Bezüglich des weitergehenden Standes der Technik sei an dieser Stelle auf die DE 198 40 517 A1 verwiesen.
Hintergrund der Erfindung
Bei der Brennstoffzellentechnologie handelt es sich um eine noch relativ junge Entwicklung in der Kraftfahrzeugindustrie. Es wurde herausgefunden, dass Brennstoffzellen-Antriebsaggregate in der Lage sind, einen Wirkungsgrad von sogar bis zu 55 % zu erreichen. Darüber hinaus stoßen Brennstoffzellen-Antriebsaggregate als Nebenprodukte nur Wärme und Wasser aus.
Eine Brennstoffzelle umfasst in ihrem Inneren drei Komponenten: eine Kathoden-Katalysatorschicht, eine Anoden-Katalysatorschicht, und einen Elektrolyten, der zwischen der Kathodenschicht und der Anodenschicht angeordnet ist und Protonen leitet. Diese Dreischichtenanordnung, wie sie in einer Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran (PEM) verwendet wird, wird hier als eine Membranelektrodenanordnung (MEA) bezeichnet und wird manchmal auch als katalysatorbeschichtete Membran (CCM) bezeichnet. Im Betrieb spaltet der Katalysator in der Anodenschicht Wasserstoff in Elektronen und Protonen auf. In einer Anordnung mit einzelner Brennstoffzelle werden die Elektronen als elektrischer Strom von der Anode durch eine externe Schaltung geleitet, wo sie elektrische Energie bereitstellen können, und gelangen dann zu der Kathode. Die Protonen wandern von der Anode durch den Elektrolyten zu der Kathode. Der Katalysator in der Kathodenschicht erleichtert das Aufspalten von Sauerstoffmolekülen und die anschließende Reaktion mit den (durch die Membran hindurchgehenden) Protonen und den (von der Bereitstellung elektrischer Energie zurückkehrenden) Elektronen, um Wasser zu bilden. Einzelne Brennstoffzellen können in Reihe geschaltet und zu Stapeln zusammengefasst werden, um zunehmend größere Spannungen und Elektrizitätsmengen zu erzeugen.
In einer Brennstoffzelle mit PEM dient eine Polymermembran als Elektrolyt zwischen einer Kathode und einer Anode. Die derzeit in Brennstoffzellenanwendungen in Gebrauch stehende Polymermembran erfordert einen gewissen Grad an Feuchtigkeit, um die Protonenleitfähigkeit der Membran zu fördern. Daher ist die Aufrechterhaltung des richtigen Feuchtigkeitsgrads in der Membran durch Feuchtigkeits-/Wasser-Management für die ordnungsgemäße Funktion der Brennstoffzelle sehr wichtig. Die Polymerelektrolytmembran schwillt an, wenn sie Wasser absorbiert und zieht sich zusammen bzw. schrumpft, wenn sie austrocknet, was es erforderlich macht, dass der Brennstoffzellenstapel von seinem Entwurf her so angelegt ist, dass er in der Lage ist, mit der Auswirkung des veränderlichen Membranvolumens auf die Stapelgröße und die interne Kompression zurecht zu kommen.
Außerhalb der MEA angeordnet ist ein (weiter unten noch zu beschreibendes) Gasdiffusionsmedienpaar und leitende Trennplatten (auch als Bipolarplatten bezeichnet), um die MEA mechanisch in Position zu halten und die in einem Brennstoffzellenstapel aneinander angrenzend angeordneten MEAs miteinander elektrisch in Reihe zu schalten. Beide Seiten der Trennplatten, von denen eine zu der MEA und dem Gasdiffusionsmedium einer Zelle hin und die andere zu der MEA und dem Gasdiffusionsmedium der nächsten Zelle in dem Stapel hin angeordnet ist, sind mit Gasdurchgängen, die auch als Strömungsfelder bezeichnet werden, versehen, um Reaktandengase bereitzustellen, und zwar Wasserstoff an die Anodenseite einer MEA und Luft/Sauerstoff an die Kathodenseite der benachbarten MEA. Die Strömungsfelder schaffen auch ein Mittel, durch welches Produktwasser aus der Zelle entfernt werden kann, indem es gemeinsam mit unumgesetzten Gasen abgeleitet wird. Die Bipolarplatte enthält normalerweise auch Kühlmittelkanäle in ihrem Inneren und ist so konstruiert, dass das Kühlmittel von den Gasen isoliert ist, die gleichermaßen der Anode und der Kathode zugeführt bzw. von dieser abgeleitet werden.
In der Brennstoffzelle ist ein Gasdiffusionsmedium, welches typischerweise aus Kohlenstofffaserpapier oder Kohlenstofffaserstoff gefertigt ist, zwischen dem Strömungsfeld der Bipolarplatte und der MEA angeordnet, um eine optimale Diffusion der Reaktionsgase zu den Elektroden zu fördern, eine optimale Leitung der Elektronen zu schaffen, an der MEA erzeugte Wärme zu dem Kühlmittel innerhalb der Kühlmittelkanäle der Bipolarplatte zu übertragen und die Übertragung von Produktwasser von der Kathode zu dem Strömungsfeld zu erleichtern. Das Diffusionsmedium hat auch die Funktion einer mechanischen Pufferschicht zwischen der weichen MEA und den steifen Bipolarplatten, indem Dickenabweichungen sowohl der Bipolarplatten als auch des Diffusionsmediums ausgeglichen werden und die MEA außerdem bei einer Kompression vor einer Beschädigung durch die Bipolarplatte geschützt wird. Diffusionsmedien sind typischerweise von blattartiger Geometrie, ungefähr 100 bis 400 Mikrometer dick und decken die gesamte wirksame Fläche der Zelle (gewöhnlich 50 - 1000 cm²) ab. In der nachfolgenden Erörterung wird die „Dickenrichtung“ des Diffusionsmediums (100 - 400 Mikrometer dick, normal 150 - 300 Mikrometer dick) als die z-Richtung bezeichnet. Dies unterscheidet sie von den beiden „Ebenenrichtungen“ des Blatts, die weiter unten als x-y-Richtungen bezeichnet werden.
Einerseits ist es wünschenswert, dass das Diffusionsmedium in den x-y-Richtungen steif ist, so dass bei einer Komprimierung das Diffusionsmedium nicht in die Strömungsfeld-Kanäle der Bipolarplatte eindringt. Ein solches Eindringen erhöht den Druckverlust von dem Gaseinlass des jeweiligen Strömungsfeldes zu dem Auslass des Strömungsfeldes, was die Anforderung hinsichtlich der Kompressorkapazität und somit des Stromverbrauchs erhöht. Außerdem kann dies einen großen Druckunterschied zwischen dem Anodenabteil und dem Kathodenabteil verursachen und somit die MEA beschädigen. Darüber hinaus ist eine Steifheit des Diffusionsmediums in der x-y-Richtung erwünscht, um den Kontaktdruck zwischen der MEA und dem Diffusionsmedium über den Strömungsfeld-Kanalbereich hinweg zu erhöhen und dadurch den elektrischen und thermischen Kontaktwiderstand zwischen MEA und Diffusionsmedium zu reduzieren. Die Steifigkeit des Diffusionsmediums ist als die Kraft definiert, die erforderlich ist, um eine definierte Verformung in der x- oder y-Richtung zu erzeugen. Sie ist von dem Elastizitätsmodul (einer immanenten Materialeigenschaft) und der Materialdicke abhängig.
Andererseits ist eine komprimierbare und elastische Eigenschaft in der z-Richtung des Diffusionsmediums ebenfalls vorteilhaft. Dadurch wird während der Kompression des Stapels das Auftreten von lokalen Stellen mit hoher Beanspruchung reduziert. Darüber hinaus wird dadurch der Kontakt zwischen der MEA und dem Diffusionsmedium während der Zyklen des Anschwellens und des Schrumpfens der Membran aufrecht erhalten. Weiterhin ist ein Diffusionsmedium mit einer hohen Kompressibilität in der z-Richtung in der Lage, Dickenvariationen in den Diffusionsmedien und in den Bipolarplatten auszugleichen. Die Kompressibilität ist definiert als die Stauchung bei einer definierten Druckbeanspruchung, die in der z-Richtung angewendet wird, wobei die Stauchung definiert ist als das Verhältnis zwischen Druckverformung und Originaldicke. Ein Diffusionsmedium muss typischerweise Stauchungen in dem Bereich von 10 bis 50% aufweisen, wenn der Stapel unter Druckbeanspruchungen in einem Bereich von 344,74 bis 2757,9 kPa steht. Somit ist klar, dass die mechanischen Eigenschaften des Diffusionsmediums optimiert werden müssen, um den verschiedenen Anforderungen in dem Brennstoffzellenstapel gerecht zu werden. Alle erwünschten Eigenschaften gleichzeitig zu erzielen, ist schwierig. Beispielsweise stellt es eine Herausforderung für die Werkstofftechnik dar, in ein und demselben Material äußerst hohe, anisotrope mechanische Eigenschaften, Steifigkeit (in den x-y-Richtungen) und eine ausreichend hohe Kompressibilität (in der z-Richtung) zu erzielen.
Tests, die allgemein eingesetzt werden, um die mechanischen Eigenschaften eines Gasdiffusionsmediums zu bestimmen, umfassen Biegetests und Druckspannungs-/Stauchungstests. In einem Biegetest eines blattartigen Materials werden der Elastizitätsmodul und der Bruchmodul des Materials in den x-y-Richtungen gemessen. Ein hoher Wert bei der Biegesteifigkeit infolge eines hohen Elastizitätsmoduls und/oder einer großen Dicke erhöht die Kompression des Diffusionsmediums zwischen der MEA und der Bipolarplatte über die Strömungsfeldkanäle der Platte hinweg, wodurch dort der Kontaktwiderstand minimiert wird. Die Minimierung des Kontaktwiderstands über die Kanäle hinweg ist wichtig, um Spannungsverluste zu minimieren und so eine maximale Effizienz der Brennstoffzelle zu erreichen. In dem Druckspannungs-/Stauchungstest wird das Material in der z-Richtung komprimiert und die Stauchung als eine Funktion der Druckbeanspruchung überwacht.
Bei der Herstellung eines Materials für ein Gasdiffusionsmedium für Brennstoffzellen tritt das Problem auf, dass es schwierig ist, ein Material herzustellen, das eine relativ hohe Kompressibilität in der z-Richtung in Kombination mit einer Steifigkeit in den x-y-Richtungen aufweist. So sind beispielsweise die nassgelegten Kohlenstofffaserpapiere bedingt durch die Eigenschaften von Kohlenstofffasern und die Harz-Bindemittelimprägnierung während des Fertigungsprozesses relativ steif in den x-y-Richtungen. Diese Art von nassgelegtem Kohlenstofffaserpapier weist jedoch eine geringere Kompressibilität auf als zahlreiche gemeinhin verwendete Diffusionsmedien, wie etwa im Luftstrom aufgebrachtes, hydrodynamisch verwirbeltes Kohlenstofffaserpapier und Kohlenstoff-Webstoffe. Diese Materialien weisen zwar eine höhere Kompressibilität in der z-Richtung auf, verfügen jedoch nicht über die gewünschte Steifigkeit in der x-y-Richtung, was einen höheren Kontaktwiderstand über den Kanal hinweg und ein stärkeres Eindringen in den Kanal zur Folge hat.
Demgemäß wird ein Mehrschicht-Diffusionsmediumsubstrat benötigt, welches die Eigenschaften eines komprimierbaren Substrats mit jenen eines steifen Substrats kombiniert, um daraus das optimale Material für ein Diffusionsmedium in einer Brennstoffzelle zu erhalten.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, die sich durch die Merkmale des Anspruchs 1 auszeichnet.
Das Mehrschicht-Diffusionsmediumsubstrat umfasst zumindest eine steife Schicht in Kombination mit einer komprimierbaren Schicht. Die steife Schicht ist entlang der x- und der y-Richtung verformungsbeständiger als die im Vergleich dazu komprimierbare Schicht. In einem fertig zusammengebauten Brennstoffzellenstapel sind die Mehrschicht-Diffusionsmediumsubstrate so angeordnet, dass die komprimierbareren Schichten in größerer Nähe zu den Membranelektrodenanordnungen (MEAs) einer jeden Zelle positioniert sind als die steifen Schichten, wohingegen die steifen Schichten in größerer Nähe zu den Bipolarplatten einer jeden Zelle positioniert sind als die komprimierbaren Schichten. Bei einer Kompression des Substrats zwischen der MEA und den Bipolarplatten übt die steife Schicht einen hohen Kontaktdruck gegen die relativ komprimierbare Schicht aus, wodurch ein Eindringen des Diffusionsmediums in die Strömungsfeld-Kanäle der Platte verhindert wird. Darüber hinaus bewirkt die steife Schicht einen hohen Kontaktdruck zwischen der MEA und dem Diffusionsmedium in dem Kanalbereich, welcher wünschenswert ist, um den elektrischen und thermischen Widerstand an dieser Grenzfläche zu minimieren. Die relativ komprimierbare Eigenschaft der an die MEA angrenzenden Schicht trägt dazu bei, dass auch bei schwankender Dicke der Platte und des Diffusionsmediums der Kontakt zwischen der MEA und dem Diffusionsmedium aufrechterhalten bleibt.
Figurenliste
Die Erfindung wird nun in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine Querschnittsansicht eines Mehrschicht-Diffusionsmediumsubstrats ist;
2 eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle ist, die ein Paar der in 1 dargestellten Mehrschicht-Diffusionsmediumsubstrats umfasst;
3 ein Ablaufdiagramm ist, das die aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte veranschaulicht, die bei der Herstellung eines Mehrschicht-Diffusionsmediumsubstrats ausgeführt werden;
4 ein Beispiel eines verbesserten Kanal-Eindringverhaltens unter Verwendung der aktuellen Erfindung zeigt;
5 ein Beispiel eines verbesserten Drucks über den Kanal hinweg unter Verwendung der aktuellen Erfindung zeigt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
In 1, auf welche zu Beginn Bezug genommen wird, ist ein beispielhaftes Mehrschicht-Diffusionsmediumsubstrat allgemein mit der Bezugszahl 10 angegeben. Das Substrat 10 umfasst eine steife Schicht 12 und eine komprimierbare Schicht 14, die auf der steifen Schicht 12 vorgesehen ist. Das Mehrschicht-Substrat kann weiterhin mit einer Beschichtung behandelt werden, die MEA-seitig auf die komprimierbare Schicht 14 aufgebracht wird, welche das Wassermanagement verbessert und oft aus Kohlenstoffpartikeln besteht, die durch ein hydrophobes, fluorhaltiges Polymer gebunden werden. Solche Schichten sind für den Fachmann allgemein bekannt und werden oft als mikroporöse Schichten (MPLs) bezeichnet. Eine solche Schicht ist in 1 angrenzend an die relativ komprimierbare Schicht 14 als Beschichtung 16 gezeigt. Weiterhin kann eine Katalysatorschicht auf die mikroporöse Schicht aufgebracht oder ohne Verwendung einer mikroporösen Schicht direkt auf das Substrat aufgebracht werden. Eine solche Schicht ist in 1 nicht gezeigt, ist jedoch dem Fachmann allgemein bekannt. Darüber hinaus kann die gesamte Struktur mit einem hydrophoben Polymer (wie etwa Polytetrafluorethylen) behandelt werden, was ebenfalls eine dem Fachmann allgemein bekannte Praxis darstellt. Die mikroporöse Schicht und die Behandlung mit hydrophobem Polymer haben einen relativ geringen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Diffusionsmediums. Beim Einbau in eine Brennstoffzelle wird die steife Schicht 12, wie in weiterer Folge eingehender beschrieben, angrenzend an die Bipolarplatte bzw. das Strömungsfeld angeordnet, während die komprimierbare Schicht 14 angrenzend an die MEA der Brennstoffzelle angeordnet wird. Das Mehrschicht-Substrat 10 kombiniert die Eigenschaften der steifen Schicht 12 und der komprimierbaren Schicht 14, um die Leistungsmerkmale des Mehrschicht-Substrats 10 als ein Gasdiffusionsmedium in der Brennstoffzelle zu optimieren, wie im Folgenden noch eingehender beschrieben wird.
Verglichen mit der komprimierbaren Schicht 14 weist die steife Schicht 12 einen größeren Elastizitätsmodul auf, was eine größere Festigkeit gegenüber Ausdehnung oder Verformung entlang der x-y-Richtung 18 zur Folge hat. Die Kompressibilität der Schicht 12 ist vorzugsweise geringer als jene der Schicht 14. Erfindungsgemäß weist die steife Schicht 12 einen Elastizitätsmodul auf, der zumindest das Dreifache von jenem der komprimierbaren Schicht 14 beträgt. Die Dicke der steifen Schicht 12 beträgt mindestens 8 % und höchstens 70 % der Gesamtdicke des Gasdiffusionsmediums. Mehr bevorzugt, weist die steife Schicht 12 einen Elastizitätsmodul auf, der mindestens das Sechsfache von jenem der komprimierbaren Schicht 14 beträgt. Mehr bevorzugt, beträgt die Dicke der steifen Schicht 12 mindestens 15 % und höchstens 50 % der Gesamtdicke des Gasdiffusionsmediums. Die dem Fachmann bekannten, nassgelegten Kohlenstofffaserpapiere mit Harzimprägnierung sind für die Verwendung als steife Schicht 12 geeignet, da sie in der x-y-Richtung 18 sehr steif sind. Bevorzugt wird eine Schichtdicke von weniger als 200 Mikrometer, jedoch mehr als 20 Mikrometer.
Verglichen mit der steifen Schicht 12 muss die relativ komprimierbare Schicht 14 eine größere Kompressibilität entlang der z-Richtung 20 aufweisen. Im Luftstrom aufgebrachte, hydrodynamisch verwirbelte Kohlenstofffaserpapiere, die dem Fachmann bekannt sind, eignen sich besonders gut für eine Verwendung als komprimierbare Schicht 14. Kohlenstoff-Webstoffe (z.B. Zoltek, USA) sind ebenfalls geeignete, jedoch weniger bevorzugte Materialien für eine Verwendung als komprimierbare Schicht 14. Bevorzugt wird eine Schichtdicke von mehr als 70 Mikrometer, jedoch weniger als 400 Mikrometer.
In 2, auf welche als nächstes Bezug genommen wird, ist eine Brennstoffzelle 22 gezeigt, bei welcher das Mehrschicht-Diffusionsmediumsubstrat 10 realisiert ist. Die Brennstoffzelle 22 umfasst eine Protonenaustauschmembran (PEM) 30, welche zwischen einer Kathode 26 (manchmal als Kathoden-Katalysatorschicht bezeichnet) und einer Anode 28 (manchmal als Anoden-Katalysatorschicht bezeichnet) angeordnet ist. Eine Bipolarplatte 32 an der Kathodenseite der Brennstoffzelle 22 umfasst mehrere Strömungsfeld-Kanäle 34, und eine Bipolarplatte 32a an der Anodenseite der Brennstoffzelle 22 umfasst mehrere Strömungsfeld-Kanäle 34a.
Ein Mehrschicht-Diffusionsmediumsubstrat 10 ist zwischen der Kathoden-Katalysatorschicht 26 und der entsprechenden Bipolarplatte 32 angeordnet. Die optionale, aus einer mikroporösen Schicht bestehende Beschichtung 16 an der Oberfläche der komprimierbaren Schicht 14 steht mit der Kathoden-Katalysatorschicht 26 in Kontakt, während die steife Schicht 12 des Substrats 10 mit der Bipolarplatte 32 in Kontakt ist. Ein zweites Mehrschicht-Diffusionsmediumsubstrat 10a ist zwischen der Anoden-Katalysatorschicht 28 und der entsprechenden Bipolarplatte 32a angeordnet. Eine aus einer mikroporösen Schicht bestehende Beschichtung 16a kann optional auf die Oberfläche der komprimierbaren Schicht 14a des Substrats 10a aufgebracht sein. Die mikroporöse Schicht 16a steht, falls eine solche vorhanden ist, mit der Anoden-Katalysatorschicht 28 in Kontakt, während die steife Schicht 12a des Substrats 10a von der Bipolarplatte 32a in Kontakt genommen wird.
Während des Betriebs der Brennstoffzelle 22 strömt Wasserstoffgas 36 durch die Strömungskanäle 34a der Bipolarplatte 32a und diffundiert durch das Substrat 10a zu der Anoden-Katalysatorschicht 28. In derselben Weise strömt Sauerstoff bzw. Luft 38 durch die Strömungskanäle 34 der Bipolarplatte 32 und diffundiert durch das Substrat 10 zu der Kathoden-Katalysatorschicht 26. An der Anode 28 wird der Wasserstoff 36 in Elektronen und Protonen aufgespalten. In einer einzelnen Brennstoffzelle werden die Elektronen als elektrischer Strom von der Anode 28 durch eine elektrische Last geführt (nicht gezeigt) und dann zu der Kathoden-Katalysatorschicht 26 geleitet. Die Protonen wandern von der Anoden-Katalysatorschicht 28 durch die Membran 30 zu der Kathode 26. An der Kathode 26 werden die Protonen mit den von ihrer Arbeit in der elektrischen Last zurückkehrenden Elektronen und dem Sauerstoff 38 kombiniert, um Wasser 40 zu bilden. Das Produktwasser muss dann von der Kathode 26 durch das Substrat 10 in die Strömungskanäle 34 der Bipolarplatte 32 gelangen, von wo aus es in weiterer Folge aus der Brennstoffzelle 22 abgeleitet wird.
In der Brennstoffzelle 22 wird das Substrat 10 zwischen der Katalysatorschicht und der Bipolarplatte 32 komprimiert. Demgemäß bewirkt die Robustheit der steifen Schicht 12 in der x-y-Richtung, dass die steife Schicht 12 ein hohes Maß an Kontaktdruck zwischen der Kathoden-Katalysatorschicht und dem Diffusionsmediumsubstrat 10 über die Strömungskanäle 34 hinweg ausübt, und verhindert dadurch auch ein Eindringen von Diffusionsmedium in den Strömungskanal 34 der Bipolarplatte 32. Dadurch wird verhindert, dass es zu einem übermäßigen Druckverlust in der Brennstoffzelle 22 kommt, und es wird die Funktion der Strömungsfeld-Kanäle 34 optimiert. Die steife Schicht 12 und die komprimierbare Schicht 14 tragen dazu bei, den Kontakt zwischen der Katalysatorschicht 26 und dem Diffusionsmedium 10 aufrecht zu erhalten, und sie reduzieren den elektrischen und thermischen Widerstand während des Anschwellens und Schrumpfens der Membran 30 über die Dauer des Betriebs der Brennstoffzelle 22 hinweg. Dieselben Vorteile treffen auch in Bezug auf das Substrat 10a zu, welches zwischen der Anoden-Katalysatorschicht 28 und der Bipolarplatte 32a angeordnet ist.
In 1, auf welche nun erneut Bezug genommen wird, können die steife Schicht 12 und die komprimierbare Schicht 14 des Substrats 10 getrennt hergestellt werden und anschließend gemäß dem Fachmann bekannten Verfahren zu dem Mehrschicht-Substrat 10 aneinandergeklebt werden. In der vorliegenden Erfindung ist jedoch die Herstellung des Substrats 10 als ein einziges Substrat mit mehreren Lagen oder Schichten erwogen, welche die steife Schicht 12 und die komprimierbare Schicht 14 umfassen, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. In beiden Fällen weist die steife Schicht 12 im Vergleich mit der komprimierbaren Schicht 14 robustere bzw. verformungsbeständigere Eigenschaften auf, die entlang der x-y-Richtung 18 wirken. Andererseits ist die Schicht 14 im Vergleich mit der steifen Schicht 12 vorzugsweise in der z-Richtung 20 mehr komprimierbar, und sie stellt somit das Mittel dar, durch welches eine Schwankung in der Dicke der Platten und der Diffusionsmedien, aber auch Änderungen in der Druckbeanspruchung während des Betriebs der Brennstoffzelle, in erster Linie ausgeglichen werden.
Es folgt nun eine allgemeine Beschreibung der Fertigungsmaterialien des Mehrschicht-Diffusionsmediums. Beide Schichten können aus einer Vielzahl von leitfähigen, porösen Materialien, wie beispielsweise Schäumen, Netzen, Geweben und Vliesmatten gefertigt sein. Die komprimierbare Schicht wird im Allgemeinen aus Geweben oder Vliesmatten gebildet, die aus Kohlenstoff- und/oder Metallfasern gefertigt sind. Die Vliesmatten können flexible Bindemittel, wie etwa karbonisierte Akrylfasermasse bzw. -pulpe oder eine geringe Menge von karbonisiertem Phenolharz enthalten. Die komprimierbare Schicht könnte auch aus flexiblem Metall- oder Kohlenstoff-Schäumen bestehen. Die steife Schicht wird im Allgemeinen aus Geweben oder Vliesmatten gebildet, die ebenfalls aus Kohlenstoff- und/oder Metallfasern gefertigt sind. Steife Schichten auf Basis von Gewebestoffen und Vliesmatten weisen auch ein relativ starres Bindemittel auf, wie beispielsweise eine große Menge von karbonisiertem Phenolharz. Die steife Schicht könnte auch aus relativ starren Metall- oder Kohlenstoffschäumen bestehen.
Es wird nun in beispielhafter Weise die Herstellung eines Mehrschicht-Diffusionsmediums beschrieben. Das Ablaufdiagramm aus 3 veranschaulicht die aufeinanderfolgenden Prozessschritte, die gemäß einem beispielhaften Verfahren zur Herstellung eines Mehrschicht-Diffusionsmediumsubstrats durchgeführt werden. In Schritt 1 wird eine erste Kohlenstofffaserschicht vorbereitet. Die erste Kohlenstofffaserschicht wird unter Verwendung eines herkömmlichen Nasslege-Papierherstellungsprozesses gefertigt. In Schritt 2 wird die erste Kohlenstofffaserschicht mit Harz-Bindemittel imprägniert, und zwar typischerweise auf herkömmlichem Weg durch Tauchstreichen. In Schritt 3 wird das imprägnierte Harz bei einer Temperatur von typischerweise ungefähr 100 - 300 Grad C ausgehärtet. In Schritt 4 wird eine zweite Kohlenstofffaserschicht auf die erste Kohlenstofffaserschicht aufgebracht. Die zweite Kohlenstofffaserschicht wird auf die erste Kohlenstofffaserschicht entweder im Luftstrom aufgebracht oder darauf nassgelegt. In Schritt 5 wird das Mehrschicht-Kohlenstofffasersubstrat einem hydrodynamischen Verwirbelungsverfahren bzw. einer Wasserstrahlbehandlung unterzogen, um die erste Kohlenstofffaserschicht an der zweiten Kohlenstofffaserschicht zu befestigen bzw. sie mit dieser zu verbinden. Falls eine Wasserstrahlbehandlung zum Einsatz kommt, wären die Strahleigenschaften so zu wählen, dass die Schichten miteinander verbunden werden, ohne dass dabei die steife Schicht beschädigt wird. Schließlich wird in Schritt 6 das Mehrschicht-Kohlenstofffasersubstrat bei einer Temperatur von typischerweise ungefähr mindestens 1300 Grad C, vorzugsweise 1700 Grad C, und optional über 2000 Grad C karbonisiert bzw. graphitiert. Die Mehrschicht-Struktur kann optional mit einem hydrophoben Polymer behandelt werden. Zusätzlich kann optional eine aus einer mikroporösen Schicht bestehende Beschichtung auf der Oberseite der zweiten Kohlenstofffaserschicht aufgebracht werden. Außerdem ist es nicht absolut notwendig, die steife Schicht und die komprimierbare Schicht miteinander zu verbinden, bevor sie in der Brennstoffzelle komprimiert werden. Die Kompression in der Brennstoffzelle kann einen ausreichenden Kontakt zwischen den Schichten bewirken, so dass diese wunschgemäß funktionieren würden. In dem Mehrschicht-Kohlenstofffasersubstrat weist die erste Kohlenstofffaserschicht eine im Vergleich mit der zweiten Kohlenstofffaserschicht größere Steifigkeit in der x-y-Richtung auf, während die zweite Kohlenstofffaserschicht vorzugsweise eine im Vergleich mit der ersten Kohlenstofffaserschicht größere Kompressibilität in der z-Richtung aufweist. Demgemäß hat in dem Mehrschicht-Diffusionsmediumsubstrat 10 aus 1 die erste Kohlenstofffaserschicht die Funktion der steifen Schicht 12 und hat die zweite Kohlenstofffaserschicht die Funktion der komprimierbaren Schicht 14.
BEISPIEL
In 4 und 5 wurde ein Vergleich durch Computermodellierung nach dem Prinzip der Finite-Elemente-Analysemethode angestellt, um das Eindringen und den Kontaktdruck im Kanalzentrum zwischen dem Stand der Technik und der aktuellen Erfindung zu bewerten. Der Stand der Technik wird durch ein typisches, handelsübliches Gasdiffusionsmedium dargestellt, dessen Elastizitätsmodul auf 1000 MPa geschätzt wurde. Die Dicke beträgt 260 Mikrometer. Das Verhalten von neun Mehrschicht-Gasdiffusionsmediensorten wurde modelliert, wobei eine jede dieselbe Gesamtdicke wie jenes nach dem Stand der Technik aufwies - 260 Mikrometer. Es wurde angenommen, dass die komprimierbare Schicht aus demselben Material besteht wie nach dem Stand der Technik. Die neun verschiedenen steifen Schichten waren aus der Kombination von drei Dicken: 108, 43 und 22 Mikrometer, und drei Elastizitätsmodulen gebildet, die das Drei-, Sechs- und Zwölffache der komprimierbaren Schicht betrugen. Für die beispielhafte Berechnung wurde angenommen, dass die Kompressibilität in der z-Richtung (d.h. die Druckspannungs-/Stauchungsergebnisse) dieselbe sei wie bei dem Stand der Technik. Diese Kompressibilitätswerte ergaben eine Stauchung von 1,03 bei 689,5 kPa, eine Stauchung von 1,45 bei 1379,0 kPa, eine Stauchung von 1,86 bei 2068,4 kPa, eine Stauchung von 2,28 bei 2757,9 kPa, eine Stauchung von 2,41 bei 3102,6 kPa, eine Stauchung von 2,55 bei 3447,4 kPa. Sowohl die Schicht nach dem Stand der Technik als auch die Schicht gemäß der aktuellen Erfindung wurden gegen eine starre, flache Ebene und ein starres Strömungsfeld mit einem 1 mm breiten Kanal und einem 2 mm breiten Steg komprimiert. Die Kompression über die Stege hinweg betrug 3102,6 kPa. Das Eindringen wurde durch den Abstand in der z-Richtung zwischen dem Punkt des maximalen Eindringens des Gasdiffusionsmediums (im Zentrum des Kanals) und der Ebene der Stege des Strömungsfelds bestimmt. Der Kontaktdruck wurde durch den Reaktionsdruck an der der flachen Platte im Zentrum des Kanals gegenüberliegenden Oberfläche bestimmt. Gemäß den herkömmlichen Finite-Elemente-Analysetechniken bestand der erste Schritt der Analyse darin, eine geometrische Darstellung des Strömungsfelds und des Diffusionsmediums einschließlich aller Schichten zu erzeugen. Ein geometrisches Modell des Diffusionsmediums wurde geschaffen, indem das gesamte Material in diskrete Elemente (auch Netz genannt) aufgeteilt wurde. Das Strömungsfeld und die flache Platte wurden als starre Oberflächen modelliert, da typische Strömungsfelder aus einem Material gefertigt sind, das viel steifer ist als das Diffusionsmedium. 4 und 5 veranschaulichen jeweils das Eindringen und den Kontaktdruck (beide normalisiert in Bezug auf den Fall gemäß dem Stand der Technik) der neun Testfälle verglichen mit dem Fall nach dem Stand der Technik. Es geht daraus deutlich hervor, dass für alle Fälle, bei denen die aktuelle Erfindung zum Einsatz kommt, das Eindringverhalten um zwischen 5 % und 30 % verbessert worden ist und der Kontaktdruck um zwischen 28 % und 240 % verbessert worden ist. Die Vorteile der aktuellen Erfindung sind in diesem Beispiel klar demonstriert, in welchem die Auswirkung der Verwendung einer steifen Schicht im Sinne einer Verminderung des Eindringens des Diffusionsmediums in den Kanal und einer Erhöhung des Kontaktdrucks über den Kanal hinweg ersichtlich werden. In dem bevorzugten Fall, in welchem die Kompressibilität der steifen Schicht geringer wäre als jene des Materials nach dem Stand der Technik, wäre der Nutzen sogar noch bedeutender.

Claims

Brennstoffzelle (22), umfassend: - eine Protonenaustauschmembran (30) zwischen einer Kathoden-Katalysatorschicht (26) und einer Anoden-Katalysatorschicht (28); - eine erste Bipolarplatte (32) mit mehreren Strömungsfeld-Kanälen (34) an der Kathodenseite der Brennstoffzelle (22); - eine zweite Bipolarplatte (32a) mit mehreren Strömungsfeld-Kanälen (34a) an der Anodenseite der Brennstoffzelle (22); - ein mehrschichtiges Gasdiffusionsmedium (10) zwischen der Kathoden-Katalysatorschicht (26) und der ersten Bipolarplatte (32); - ein mehrschichtiges Gasdiffusionsmedium (10a) zwischen der Anoden-Katalysatorschicht (28) und der zweiten Bipolarplatte (32a); wobei jedes Gasdiffusionsmedium (10, 10a) eine steifere Schicht (12, 12a), die mit den entsprechenden Strömungsfeld-Kanälen (34, 34a) in Kontakt steht, und eine komprimierbarere Schicht (14, 14a) aufweist, die auf der einen steiferen Schicht (12, 12a) vorgesehen ist und mit der entsprechenden Katalysatorschicht (26, 28) in Kontakt steht; wobei die eine steifere Schicht (12, 12a) einen Elastizitätsmodul aufweist, welcher höher ist als jener der einen komprimierbareren Schicht (14, 14a); und wobei die eine steifere Schicht (12, 12a) eine Dicke von nicht größer als 70 % einer Gesamtdicke des jeweiligen Gasdiffusionsmediums (10, 10a) aufweist; dadurch gekennzeichnet , dass die eine steifere Schicht (12, 12a) ein Elastizitätsmodul aufweist, der zumindest das Dreifache, mehr bevorzugt zumindest das Sechsfache, von jenem der einen komprimierbareren Schicht (14, 14a) beträgt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Gasdiffusionsmedium (10, 10a) weiterhin eine mikroporöse Schicht (16, 16a) auf der einen komprimierbareren Schicht (14, 14a) umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die eine steifere Schicht (12, 12a) eine Kohlenstofffaserpapierschicht umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei es sich bei der Kohlenstofffaserpapierschicht um eine nassgelegte Kohlenstofffaserschicht handelt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die eine komprimierbarere Schicht (14, 14a) eine Kohlenstofffaserschicht umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 5, wobei es sich bei der Kohlenstofffaserschicht um eine trockengelegte Kohlenstofffaserschicht handelt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die eine steifere Schicht (12, 12a) eine Dicke von mindestens 15 % und nicht mehr als 50 % der Gesamtdicke des Gasdiffusionsmediums (10, 10a) aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die steifere Schicht (12, 12a) eine Dicke von weniger als 200 Mikrometer und mehr als 20 Mikrometer aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die eine komprimierbarere Schicht (14, 14a) eine Dicke von mehr als 70 Mikrometer und weniger als 400 Mikrometer aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die eine komprimierbarere Schicht (14, 14a) einen Elastizitätsmodul von weniger als 3000 MPa aufweist.