DE112004001393B4

DE112004001393B4 - Brennstoffzelle enthaltend ein räumlich variierendes Diffusionsmedium und Verwendung einer solchen Brennstoffzelle in einem Fahrzeug

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Publication number: DE112004001393B4
Application number: DE112004001393T
Authority: DE
Inventors: Jeanette E. O'Hara; Thomas A. Trabold; Michael R. Schoeneweiss; Jörg Roth
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-07-28
Filing date: 2004-06-07
Publication date: 2013-08-22
Anticipated expiration: 2024-06-08
Also published as: US7332240B2; CN1830111A; WO2005018015A2; US20050026018A1; WO2005018015A3; DE112004001393T5; CN100585926C; JP2007500423A; JP4695079B2

Abstract

Brennstoffzelle, die derart ausgebildet ist, dass ein wasserstoffhaltiger Brennstoff in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei die Brennstoffzelle umfasst: – eine Anordnung für elektrochemische Umwandlung, die derart ausgebildet ist, dass die Brennstoffzelle in ein erstes und zweites Strömungsfeldgebiet unterteilt wird; – einen Eingang für einen ersten Reaktanden und einen Ausgang für ein erstes Produkt in Verbindung mit dem ersten Strömungsfeldgebiet; – ein erstes Diffusionsmedium, das ein poröses Diffusionsmediumsubstrat umfasst, das derart ausgebildet ist, dass mehrphasige Reaktanden zwischen dem ersten Strömungsfeldgebiet und der Anordnung für elektrochemische Umwandlung durchgelassen werden; – einen Eingang für einen zweiten Reaktanden und einen Ausgang für ein zweites Produkt in Verbindung mit dem zweiten Strömungsfeldgebiet; und ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Konstruktion und Herstellung von Diffusionsmedien und insbesondere Diffusionsmedien zur Verwendung in Brennstoffzellen, in denen ein Wassermanagement einen wichtigen Konstruktionssachverhalt darstellt.
Die vorliegende Erfindung betrifft gemäß Patentanspruch 1 eine Brennstoffzelle, die derart ausgebildet ist, dass eine wasserstoffhaltige Brennstoffquelle in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei die Brennstoffzelle umfasst:

– eine Anordnung für elektrochemische Umwandlung, die derart ausgebildet ist, dass die Brennstoffzelle in ein erstes und zweites Strömungsfeldgebiet unterteilt wird;
– einen Eingang für einen ersten Reaktanden und einen Ausgang für ein erstes Produkt in Verbindung mit dem ersten Strömungsfeldgebiet;
– ein erstes Diffusionsmedium, das ein poröses Diffusionsmediumsubstrat umfasst, das derart ausgebildet ist, dass mehrphasige Reaktanden zwischen dem ersten Strömungsfeldgebiet und der Anordnung für elektrochemische Umwandlung durchgelassen werden;
– einen Eingang für einen zweiten Reaktanden und einen Ausgang für ein zweites Produkt in Verbindung mit dem zweiten Strömungsfeldgebiet; und
– ein zweites Diffusionsmedium, das ein poröses Diffusionsmediumsubstrat umfasst, das derart ausgebildet ist, dass mehrphasige Reaktanden zwischen dem zweiten Strömungsfeldgebiet und der Anordnung für elektrochemische Umwandlung durchgelassen werden, wobei:
– die Brennstoffzelle derart ausgebildet ist, dass zumindest eines der ersten und zweiten Diffusionsmedien ein Gebiet, das einer hohen H₂O-Konzentration ausgesetzt ist, und ein Gebiet, das einer niedrigen H₂O-Konzentration ausgesetzt ist, umfasst,
– eine mesoporöse Schicht entlang zumindest eines Teilstücks einer Hauptseite des ersten und/oder zweiten Diffusionsmediumsubstrats aufgetragen ist und die mesoporöse Schicht eine hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente und eine hydrophobe Komponente umfasst,
– die mesoporöse Schicht ein größeres Teilstück des Gebietes mit hoher H₂O-Konzentration relativ zu dem Teilstück des Gebietes mit niedriger H₂O-Konzentration besetzt oder die mesoporöse Schicht ein größeres Teilstück des Gebietes mit niedriger H₂O-Konzentration relativ zu dem Teilstück des Gebietes mit hoher H₂O-Konzentration besetzt, und
– die hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente der mesoporösen Schicht einen Kohlenstoff mit einer spezifischen Oberfläche zwischen 60 m²/g und 300 m²/g umfasst, der durch eine mittlere Partikelgröße zwischen 15 nm und 70 nm in dem Gebiet mit hoher H₂O-Konzentration gekennzeichnet ist, und wobei
(1) zumindest eines der ersten und zweiten Diffusionsmediumsubstrate ein Teilstück mit verringerter Dicke aufweist, wobei die mesoporöse Schicht entlang lediglich des Teilstücks mit verringerter Dicke des ersten Diffusionsmediumsubstrats und/oder des zweiten Diffusionsmediumsubstrats aufgetragen ist, und/oder
(2) die mesoporöse Schicht zumindest teilweise in das erste Diffusionsmediumsubstrat und/oder das zweite Diffusionsmediumsubstrat eindringt, und zwar bis zu einer Tiefe von mehr als 0 μm und weniger als 25 μm in dem Gebiet mit niedriger H₂O-Konzentration und bis zu einer Tiefe von mehr als 0 μm und weniger als 10 μm in dem Gebiet mit hoher H₂O-Konzentration.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle, die derart ausgebildet ist, dass ein wasserstoffhaltiger Brennstoff in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei die Brennstoffzelle umfasst:

– eine Anordnung für elektrochemische Umwandlung, die derart ausgebildet ist, dass die Brennstoffzelle in ein erstes und zweites Strömungsfeldgebiet unterteilt wird;
– einen Eingang für einen ersten Reaktanden und einen Ausgang für ein erstes Produkt in Verbindung mit dem ersten Strömungsfeldgebiet;
– ein erstes Diffusionsmedium, das ein poröses Diffusionsmediumsubstrat umfasst, das derart ausgebildet ist, dass mehrphasige Reaktanden zwischen dem ersten Strömungsfeldgebiet und der Anordnung für elektrochemische Umwandlung durchgelassen werden;
– einen Eingang für einen zweiten Reaktanden und einen Ausgang für ein zweites Produkt in Verbindung mit dem zweiten Strömungsfeldgebiet; und
– ein zweites Diffusionsmedium, das ein poröses Diffusionsmediumsubstrat umfasst, das derart ausgebildet ist, dass mehrphasige Reaktanden zwischen dem zweiten Strömungsfeldgebiet und der Anordnung für elektrochemische Umwandlung durchgelassen werden, wobei:
– die Brennstoffzelle derart ausgebildet ist, dass zumindest eines der ersten und zweiten Diffusionsmedien ein Gebiet, das einer hohen H₂O-Konzentration ausgesetzt ist, und ein Gebiet, das einer niedrigen H₂O-Konzentration ausgesetzt ist, umfasst,
– eine mesoporöse Schicht entlang zumindest eines Teilstücks einer Hauptseite des ersten und/oder zweiten Diffusionsmediumsubstrats aufgetragen ist und die mesoporöse Schicht eine hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente und eine hydrophobe Komponente umfasst,
– die hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente der mesoporösen Schicht einen Kohlenstoff mit einer spezifischen Oberfläche zwischen 60 m²/g und 300 m²/g umfasst, der durch eine mittlere Partikelgröße zwischen 15 nm und 70 nm in dem Gebiet mit hoher H₂O-Konzentration gekennzeichnet ist, und
– das erste und/oder zweite Diffusionsmediumsubstrat ein Gebiet mit hoher Porosität und ein Gebiet mit niedriger Porosität umfasst, wobei das Gebiet mit hoher Porosität des Substrates in dem Gebiet mit hoher H₂O-Konzentration des Diffusionsmediums und das Gebiet mit niedriger Porosität des Substrates in dem Gebiet mit niedriger H₂O-Konzentration des Diffusionsmediums vorgesehen ist, wobei
(1) zumindest eines der ersten und zweiten Diffusionsmediumsubstrate ein Teilstück mit verringerter Dicke aufweist, wobei die mesoporöse Schicht entlang lediglich des Teilstücks mit verringerter Dicke des ersten Diffusionsmediumsubstrats und/oder des zweiten Diffusionsmediumsubstrats aufgetragen ist, und/oder
(2) die mesoporöse Schicht zumindest teilweise in das erste Diffusionsmediumsubstrat und/oder das zweite Diffusionsmediumsubstrat eindringt, und zwar bis zu einer Tiefe von mehr als 0 μm und weniger als 25 μm in dem Gebiet mit niedriger H₂O-Konzentration und bis zu einer Tiefe von mehr als 0 μm und weniger als 10 μm in dem Gebiet mit hoher H₂O-Konzentration.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind ein Diffusionsmedium und ein Schema zum räumlichen Variieren der Parameter des Diffusionsmediums vorgesehen, um Sachverhalte in Verbindung mit einem Wassermanagement in Brennstoffzellen, die das Diffusionsmedium verwenden, zu berücksichtigen. Eine Brennstoffzelle ist derart ausgebildet, dass ein wasserstoffhaltiger Brennstoff in elektrischer Energie umgewandelt wird. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anordnung für elektrochemische Umwandlung, Eingänge für einen ersten und zweiten Reaktanden, Ausgänge für ein erstes und zweites Produkt, wie auch ein erstes und zweites Diffusionsmedium.
Die Anordnung für elektrochemische Umwandlung ist derart ausgebildet, dass die Brennstoffzelle in ein erstes und zweites Strömungsfeldgebiet unterteilt wird. Der Eingang für den ersten Reaktanden und der Ausgang für das erste Produkt stehen in Verbindung mit dem ersten Strömungsfeldgebiet. Das erste Diffusionsmedium umfasst ein poröses Diffusionsmediumsubstrat, das derart ausgebildet ist, mehrphasige Reaktanden zwischen dem ersten Strömungsfeldgebiet und der Anordnung für elektrochemische Umwandlung durchzulassen. Der Eingang für den zweiten Reaktanden und der Ausgang für das zweite Produkt stehen in Verbindung mit dem zweiten Strömungsfeldgebiet. Das zweite Diffusionsmedium umfasst ein poröses Diffusionsmediumsubstrat, das derart ausgebildet, mehrphasige Reaktanden zwischen dem zweiten Strömungsfeldgebiet und der Anordnung für elektrochemische Umwandlung durchzulassen.
Die Brennstoffzelle ist derart ausgebildet, dass zumindest eines des ersten und zweiten Diffusionsmediums ein Gebiet mit (relativ) hoher H₂O-Konzentration und ein Gebiet mit (relativ) niedriger H₂O-Konzentration umfasst. Eine mesoporöse Schicht ist entlang zumindest eines Teilstücks (Anteils) einer Hauptseite von einem des ersten und zweiten Diffusionsmediumsubstrates getragen und umfasst eine hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente und eine hydrophobe Komponente. Die mesoporöse Schicht besetzt einen (wesentlich) größeren Anteil von einem des Gebietes mit viel H₂O und des Gebietes mit wenig H₂O relativ zu dem anderen des Gebietes mit viel H₂O und des Gebietes mit wenig H₂O.
Erfindungsgemäß umfasst die hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente der mesoporösen Schicht einen Kohlenstoff mit einer spezifischen Oberfläche zwischen 60 m²/g und 300 m²/g, der durch eine mittlere Partikelgröße zwischen 15 nm und 70 nm in dem Gebiet mit hoher H₂O-Konzentration gekennzeichnet ist, wobei

(1) zumindest eines der ersten und zweiten Diffusionsmediumsubstrate ein Teilstück mit verringerter Dicke aufweist, wobei die mesoporöse Schicht entlang lediglich des Teilstücks mit verringerter Dicke des ersten Diffusionsmediumsubstrats und/oder des zweiten Diffusionsmediumsubstrats aufgetragen ist, und/oder
(2) die mesoporöse Schicht zumindest teilweise in das erste Diffusionsmediumsubstrat und/oder das zweite Diffusionsmediumsubstrat eindringt, und zwar bis zu einer Tiefe von mehr als 0 μm und weniger als 25 μm in dem Gebiet mit niedriger H₂O-Konzentration und bis zu einer Tiefe von mehr als 0 μm und weniger als 10 μm in dem Gebiet mit hoher H₂O-Konzentration.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die mesoporöse Schicht eine hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente und eine hydrophobe Komponente. Zumindest eines des ersten und zweiten Diffusionsmediumsubstrates umfasst ein Gebiet mit relativ hoher Porosität und ein Gebiet mit relativ niedriger Porosität. Das Gebiet mit relativ hoher Porosität des Substrates besetzt einen wesentlich größeren Anteil des Gebietes mit relativ hoher H₂O-Konzentration, und das Gebiet mit relativ niedriger Porosität des Substrates besetzt einen wesentlich größeren Anteil des Gebietes mit relativ niedriger H₂O-Konzentration.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mittel vorzusehen, um Wassermanagementprobleme in Diffusionsmedien und Brennstoffzellen, die derartige Diffusionsmedien verwenden, zu lösen. Andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden angesichts der Beschreibung der Erfindung hier offensichtlich.
Die folgende detaillierte Beschreibung der spezifischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird am besten in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Anordnungen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, und wobei:
1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle ist, die ein poröses Diffusionsmedium gemäß der vorliegenden Erfindung enthält;
2 bis 9 schematische Darstellungen eines porösen Diffusionsmediums gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind; und
10 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs ist, das eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst.
Unter anfänglicher Bezugnahme auf 1 ist eine Brennstoffzelle 10 gezeigt, die ein poröses Diffusionsmedium 20 gemäß der vorliegenden Erfindung enthält. Insbesondere umfasst die Brennstoffzelle 10 eine Anordnung für elektrochemische Umwandlung in der Form einer Membranelektrodenanordnung 30, die zwischen einem Anodenströmungsfeldgebiet 40 und einem Kathodenströmungsfeldgebiet 50 der Brennstoffzelle 10 angeordnet ist. Es sei angemerkt, dass die Strömungsfelder 40, 50 und die Anordnung für elektrochemische Umwandlung eine Vielzahl herkömmlicher oder noch zu entwickelnder Formen annehmen können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Obwohl die spezielle Form der Anordnung für elektrochemische Umwandlung jenseits des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegt, umfasst bei der gezeigten Ausführungsform die Anordnung für elektrochemische Umwandlung eine Membranelektrodenanordnung 30, die jeweilige katalytische Elektrodenschichten 32 und eine Ionentauschermembran 34 umfasst.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf spezifische Mechanismen gerichtet, über die die Brennstoffzelle 10 eine wasserstoffhaltige Brennstoffquelle in elektrische Energie umwandeln kann. Demgemäß ist es bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung ausreichend anzumerken, dass die Brennstoffzelle 10 unter anderem eine Anordnung für elektrochemische Umwandlung, die derart ausgebildet ist, dass sie die Brennstoffzelle in das erste und zweite Strömungsfeldgebiet 40, 50 unterteilt, und einen Eingang R_EIN1 eines ersten Reaktanden und einen Ausgang R_AUS1 eines ersten Produkts in Verbindung mit dem ersten Strömungsfeldgebiet 40 umfasst. Das erste Diffusionsmedium 20 umfasst ein poröses Diffusionsmediumsubstrat 22, das mehrphasige Reaktanden zwischen dem ersten Strömungsfeldgebiet 40 und der Membranelektrodenanordnung 30 durchlässt. Ähnlicherweise stehen ein Eingang R_EIN1 eines zweiten Reaktanden und ein Ausgang R_AUS2 eines zweiten Produkts in Verbindung mit dem zweiten Strömungsfeldgebiet 50, und ein zweites Diffusionsmedium 20 lässt Reaktanden zwischen dem zweiten Strömungsfeldgebiet 50 und der Membranelektrodenanordnung 30 durch. Beispielsweise nur zur Darstellung und nicht zur Beschränkung kann der Eingang R₁ des ersten Reaktanden eine befeuchtete wasserstoffhaltige Brennstoffmischung an eine Anodenseite der Brennstoffzelle 10 führen, der Eingang R₂ des zweiten Reaktanden kann eine befeuchtete Oxidationsmittelmischung an die Kathodenseite der Brennstoffzelle 10 führen und die Rektandenausgänge R_AUS können Produkte der Reaktionen auf jeder Seite der Brennstoffzelle 10 führen.
Die vorliegenden Erfinder haben erkannt, dass die Wassermanagementeigenschaften des Diffusionsmediums 20 räumlich über das Diffusionsmedium optimiert werden sollten, da die Wasseranforderungen über das Diffusionsmedium als eine Funktion der Menge an Wasser, die durch bestimmte Anteile des Diffusionsmediums 20 gehandhabt werden müssen, variiert. Insbesondere kann eine bestimmte Bernnstoffzelle für elektrochemische Umwandlung derart ausgebildet sein, dass ein oder beide der Diffusionsmedien ein Gebiet, das relativ hohen Betriebs-H₂O-Konzentrationen ausgesetzt ist, und ein Gebiet umfassen, das relativ niedrigen Betriebs-H₂O-Konzentrationen ausgesetzt ist. Beispielsweise kann es für das Gebiet eines kathodenseitigen Diffusionsmediums benachbart dem Ausgang R_AUS2 des zweiten Produkts, beispielsweise dem Kathodenausgang, erforderlich werden, ein größeres Wasservolumen zu übertragen, als das Gebiet benachbart dem Eingang R_EIN2 des zweiten Reaktanden, beispielsweise dem Kathodeneingang. Ähnlicherweise kann das Gebiet eines anodenseitigen Diffusionsmediums benachbart dem Ausgang R_AUS1 des ersten Produkts, beispielsweise dem Anodenausgang, unter trockeneren Bedingungen als das Gebiet benachbart dem Eingang REIM des ersten Reaktanden, beispielsweise dem Anodeneingang, betrieben werden.
Das in den 2 bis 9 gezeigte Diffusionsmedium 20 weist ein Mittel auf, um derartige Wassermanagementsachverhalte zu berücksichtigen. Insbesondere ist unter Bezugnahme auf die 2 und 3 eine mesoporöse Schicht 24, die entlang einer der Hauptseiten 21, 23 der Diffusionsmediensubstrate 20 getragen sein kann, so positioniert, dass sie einen wesentlich größeren Anteil entweder des Gebietes mit relativ hoher H₂O-Konzentration (siehe 2) oder des Gebietes mit relativ niedriger H₂O-Konzentration (siehe 3) besetzt. Unter Bezugnahme auf die Ausführungsform von 2, bei der die mesoporöse Schicht 24 einen wesentlich größeren Anteil des Gebietes mit relativ hoher H₂O-Konzentration besetzt bzw. auf das Gebiet mit relativ hoher H₂O-Konzentration begrenzt ist, sollte dann die mesoporöse Schicht derart ausgebildet sein, H₂O-Übertragungseigenschaften des Diffusionsmediumsubstrates 22 zu steigern. Umgekehrt sollte unter Bezugnahme auf die Ausführungsform von 3, bei der die mesoporöse Schicht 24 einen wesentlich größeren Anteil des Gebietes mit relativ niedriger H₂O-Konzentration besetzt oder auf das Gebiet mit relativ niedriger H₂O-Konzentration begrenzt ist, dann die mesoporöse Schicht derart ausgebildet sein, dass sie die H₂O-Übertragungseigenschaften des Diffusionsmediumsubstrates 22 vermindert.
Es kann eine Vielzahl von Parametern der mesoporösen Schicht, einschließlich Porosität, Dicke, Grad an Substrateindringung, etc., entweder zur Steigerung oder Verminderung der Wasserübertragungseigenschaften der Schicht optimiert werden. Beispielsweise kann die Porosität der mesoporösen Schicht 24 allgemein höher sein, wenn die Schicht in dem Gebiet mit relativ hoher H₂O-Konzentration verwendet wird, in welchem ein erhöhtes Aufsaugen erforderlich ist. In dem Fall, wenn die mesoporöse Schicht 24 eine hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente und eine hydrophobe Komponente umfasst, kann die Porosität der Schicht 24 dadurch erhöht werden, dass bei Verwendung in dem Gebiet mit relativ hoher H₂O-Konzentration etwa 80 Gew.-% der kohlenstoffhaltigen Komponente vorgesehen werden, im Vergleich zu zwischen etwa 90 Gew.-% und etwa 95 Gew.-% der kohlenstoffhaltigen Komponente in dem Gebiet mit relativ niedrigem H₂O-Konzentration.
Geeignete Kohlenstoffpartikel für die mesoporöse Schicht 24 umfassen beispielsweise Ruß, Graphit, Kohlefasern, Fullerene und Nanotubes. Zusätzlich zu dem Kohlenstoff mit hoher Oberfläche kann die hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente der mesoporösen Schicht 24 einen kleinen Anteil an Kohlenstoffgraphit umfassen, um die elektrische Leitfähigkeit zu steigern. Die hydrophobe Komponente kann ein fluoriertes Polymer, beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylfluorid (PVF), eine Kombination aus fluorierten Polymeren oder ein beliebiges anderes geeignetes hydrophobes Material oder eine Kombination aus Materialien umfassen.
Bei spezifischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente in der mesoporösen Schicht 24 in den Gebieten mit relativ hoher H₂O-Konzentration einen Kohlenstoff mit moderater Oberfläche umfassen, der durch eine Oberfläche zwischen etwa 60 m²/g und etwa 300 m²/g und eine mittlere Partikelgröße zwischen etwa 15 nm und etwa 70 nm gekennzeichnet ist. Umgekehrt kann in den Gebieten mit relativ niedriger H₂O-Konzentration die hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente einen Kohlenstoff mit hoher Oberfläche umfassen, der durch eine Oberfläche von über etwa 750 m²/g und eine mittlere Partikelgröße von weniger als etwa 20 nm gekennzeichnet ist. Bei anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dringt die mesoporöse Schicht in das Diffusionsmediumsubstrat bis zu einer Tiefe von weniger als 10 μm bei Verwendung in den Gebieten mit relativ hoher H₂O-Konzentration und bis zu einer Tiefe von weniger als 25 μm bei Verwendung in den Gebieten mit relativ niedriger H₂O-Konzentration ein.
Wie in 4 gezeigt ist, wird eine Vielzahl von mesoporösen Schichten 24A, 24B entlang jeweiliger Anteile einer Hauptseite 21 der Diffusionsmediumsubstrate 22 getragen. Die mesoporöse Schicht 24A ist derart ausgebildet, die H₂O-Übertragungseigenschaften des Diffusionsmediumsubstrates 22 zu steigern, und besetzt damit das Gebiet mit relativ hoher H₂O-Konzentration. Ferner ist die mesoporöse Schicht 24B derart ausgebildet, die H₂O-Übertragungseigenschaften des Diffusionsmediumsubstrates 22 zu vermindern, und besetzt damit einen wesentlich größeren Anteil des Gebietes mit relativ niedriger H₂O-Konzentration. Infolgedessen besteht die Tendenz, dass Wasser von dem Gebiet mit relativ hoher H₂O-Konzentration weg gesaugt und in dem Gebiet mit relativ niedriger H₂O-Konzentration gehalten wird – wodurch die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle verbessert wird.
Die 5–7 zeigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen die mesoporöse Schicht 24 entlang eines Anteiles mit verringerter Dicke des Substrates 22 getragen ist. In dem Diffusionsmedium kann ein im Wesentlichen planares Oberflächenprofil gehalten werden, indem sichergestellt wird, dass die Differenz der Dicke des Substrates 22, die von dem in der Dicke verringerten Anteil des Substrates 22 eingeführt wird, ausreichend ist, um die Erhöhung der Diffusionsmediumdicke, die von der mesoporösen Schicht 22 eingeführt wird, aufzunehmen.
Ein alternatives Mittel, um Wassermanagementsachverhalte über ein Diffusionsmedium gemäß der vorliegenden Erfindung zu berücksichtigen, ist in 8 gezeigt. In 8 ist eine im Wesentlichen gleichförmige mesoporöse Schicht entlang der Hauptseite 21 des Diffusionsmediumsubstrates 22 getragen, und das Diffusionsmediumsubstrat 22 ist mit einem Gebiet 22A mit relativ hoher Porosität in dem Gebiet mit relativ hoher H₂O-Konzentration des Diffusionsmediums und einem Gebiet 22B mit relativ geringer Porosität in dem Gebiet mit relativ niedriger H₂O-Konzentration des Diffusionsmediums vorgesehen.
Das Diffusionsmediumsubstrat kann eine kohlenstoffhaltige faserige Matrix umfassen, beispielsweise Kohlefaserpapier, und kann durch eine Porosität von über etwa 70% in Gebieten mit relativ hoher H₂O-Konzentration und zwischen etwa 70% und etwa 75% in Gebieten mit relativ niedriger H₂O-Konzentration gekennzeichnet sein. Das Substrat kann eine Dicke zwischen etwa 100 μm und etwa 300 μm in den Gebieten mit relativ hoher H₂O-Konzentration und eine Dicke zwischen etwa 190 μm und etwa 300 μm in den Gebieten mit relativ niedriger H₂O-Konzentration definieren. Ferner kann das Substrat durch eine mittlere Porengröße von über etwa 20 μm in den Gebieten mit relativ hoher H₂O-Konzentration und weniger als etwa 25 μm in den Gebieten mit relativ niedriger H₂O-Konzentration gekennzeichnet sein.
Wie schließlich in 9 gezeigt ist, kann die mesoporöse Schicht 24 derart ausgebildet sein, dass sie wesentliche Anteile sowohl des Gebietes mit relativ hoher H₂O-Konzentration als auch des Gebietes mit relativ niedriger H₂O-Konzentration besetzt. Um Variationen in den Wassermanagementanforderungen über das Diffusionsmedium hinweg zu berücksichtigen, ist die mesoporöse Schicht 24 mit einem Gebiet mit erhöhter Porosität relativ zu einem verbleibenden Anteil der mesoporösen Schicht versehen. Insbesondere ist das Gebiet mit erhöhter Porosität der mesoporösen Schicht 24 durch eine Vielzahl von Megaporen 26 definiert, die in der Schicht 24 ausgebildet sind. Das Gebiet mit erhöhter Porosität besetzt das Gebiet mit relativ hoher H₂O-Konzentration des Diffusionsmediums, während der verbleibende Anteil der mesoporösen Schicht 24 das Gebiet mit relativ niedriger H₂O-Konzentration des Diffusionsmediums besetzt. Obwohl die jeweiligen Abmessungen in Verbindung mit den Megaporen 26 gemäß den spezifischen Anforderungen der betreffenden Anwendung variieren, sei angemerkt, dass geeignete Porengrößen im Bereich von etwa 100 μm bis etwa 500 μm liegen. Bei vielen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die mesoporöse Schicht 24 effektiver, Wassermanagementsachverhalte zu berücksichtigen, wenn sie an der Membranelektrodenanordnung 30 der Brennstoffzelle 10 positioniert ist, als wenn sie im Gegensatz dazu so positioniert ist, dass sie zu dem Strömungsfeld der Zelle 10 weist. Dennoch sei angemerkt, dass das Diffusionsmediumsubstrat 22 die mesoporöse Schicht 24 entlang jeder Hauptseite 21, 23 des Substrates 22 ungeachtet dessen tragen kann, welche Seite an der Membranelektrodenanordnung 30 positioniert ist. Ferner dringt die mesoporöse Schicht 24 zumindest teilweise in das Diffusionsmediumsubstrat 22 ein. Das Ausmaß der Tiefe an Eindringung in das Diffusionsmediumsubstrat 22 variiert breit abhängig von den Eigenschaften der mesoporösen Schicht 24 und des Diffusionsmediumsubstrats 22. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann es vorteilhaft sein, die mesoporöse Schicht derart auszugestalten, dass sie poröser als die faserige Matrix des Diffusionsmediumsubstrates ist.
Wie in 3 gezeigt ist, kann ein Brennstoffzellensystem, das ein Diffusionsmedium gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, derart ausgebildet sein, dass es als eine Energiequelle für ein Fahrzeug 100 dient. Insbesondere kann Brennstoff von einer Brennstoffspeichereinheit 120 an die Brennstoffzellenanordnung 110 geführt werden, die derart ausgebildet ist, Brennstoff, beispielsweise H₂, in Elektrizität umzuwandeln. Die erzeugte Elektrizität wird anschließend als eine Antriebsenergieversorgung für das Fahrzeug 100 verwendet, in dem die Elektrizität in Drehmoment und eine Fahrzeugtranslationsbewegung umgewandelt wird.

Claims

Brennstoffzelle, die derart ausgebildet ist, dass ein wasserstoffhaltiger Brennstoff in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei die Brennstoffzelle umfasst: – eine Anordnung für elektrochemische Umwandlung, die derart ausgebildet ist, dass die Brennstoffzelle in ein erstes und zweites Strömungsfeldgebiet unterteilt wird; – einen Eingang für einen ersten Reaktanden und einen Ausgang für ein erstes Produkt in Verbindung mit dem ersten Strömungsfeldgebiet; – ein erstes Diffusionsmedium, das ein poröses Diffusionsmediumsubstrat umfasst, das derart ausgebildet ist, dass mehrphasige Reaktanden zwischen dem ersten Strömungsfeldgebiet und der Anordnung für elektrochemische Umwandlung durchgelassen werden; – einen Eingang für einen zweiten Reaktanden und einen Ausgang für ein zweites Produkt in Verbindung mit dem zweiten Strömungsfeldgebiet; und – ein zweites Diffusionsmedium, das ein poröses Diffusionsmediumsubstrat umfasst, das derart ausgebildet ist, dass mehrphasige Reaktanden zwischen dem zweiten Strömungsfeldgebiet und der Anordnung für elektrochemische Umwandlung durchgelassen werden, wobei: – die Brennstoffzelle derart ausgebildet ist, dass zumindest eines der ersten und zweiten Diffusionsmedien ein Gebiet, das einer hohen H₂O-Konzentration ausgesetzt ist, und ein Gebiet, das einer niedrigen H₂O-Konzentration ausgesetzt ist, umfasst, – eine mesoporöse Schicht entlang zumindest eines Teilstücks einer Hauptseite des ersten und/oder zweiten Diffusionsmediumsubstrats aufgetragen ist und die mesoporöse Schicht eine hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente und eine hydrophobe Komponente umfasst, – die mesoporöse Schicht ein größeres Teilstück des Gebietes mit hoher H₂O-Konzentration relativ zu dem Teilstück des Gebietes mit niedriger H₂O-Konzentration besetzt oder die mesoporöse Schicht ein größeres Teilstück des Gebietes mit niedriger H₂O-Konzentration relativ zu dem Teilstück des Gebietes mit hoher H₂O-Konzentration besetzt, und – die hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente der mesoporösen Schicht einen Kohlenstoff mit einer spezifischen Oberfläche zwischen 60 m²/g und 300 m²/g umfasst, der durch eine mittlere Partikelgröße zwischen 15 nm und 70 nm in dem Gebiet mit hoher H₂O-Konzentration gekennzeichnet ist, und wobei (1) zumindest eines der ersten und zweiten Diffusionsmediumsubstrate ein Teilstück mit verringerter Dicke aufweist, wobei die mesoporöse Schicht entlang lediglich des Teilstücks mit verringerter Dicke des ersten Diffusionsmediumsubstrats und/oder des zweiten Diffusionsmediumsubstrats aufgetragen ist, und/oder (2) die mesoporöse Schicht zumindest teilweise in das erste Diffusionsmediumsubstrat und/oder das zweite Diffusionsmediumsubstrat eindringt, und zwar bis zu einer Tiefe von mehr als 0 μm und weniger als 25 μm in dem Gebiet mit niedriger H₂O-Konzentration und bis zu einer Tiefe von mehr als 0 μm und weniger als 10 μm in dem Gebiet mit hoher H₂O-Konzentration.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die mesoporöse Schicht auf das Gebiet mit hoher H₂O-Konzentration oder das Gebiet mit niedriger H₂O-Konzentration begrenzt ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die mesoporöse Schicht ausgebildet ist, um die H₂O-Übertragungseigenschaften des Diffusionsmediumsubstrates entlang des Teilstücks der von der mesoporösen Schicht besetzten Hauptseite zu steigern.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 3, wobei die mesoporöse Schicht ein größeres Teilstück des Gebietes mit hoher H₂O-Konzentration besetzt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die mesoporöse Schicht ausgebildet ist, um die H₂O-Übertragungseigenschaften des Diffusionsmediumsubstrates entlang des Teilstücks der von der mesoporösen Schicht besetzten Hauptseite zu vermindern.
Brennstoffzelle nach Anspruch 5, wobei die mesoporöse Schicht ein größeres Teilstück des Gebietes mit niedriger H₂O-Konzentration besetzt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei: die Anordnung für elektrochemische Umwandlung eine Anodenseite der Brennstoffzelle und eine Kathodenseite der Brennstoffzelle definiert; der Eingang für den ersten Reaktanden und der Ausgang für das erste Produkt in Verbindung mit der Anodenseite der Brennstoffzelle stehen und der Eingang für den zweiten Reaktanden und der Ausgang für das zweite Produkts in Verbindung mit der Kathodenseite der Brennstoffzelle stehen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 7, wobei: die mesoporöse Schicht ausgebildet ist, um die H₂O-Übertragungseigenschaften des Diffusionsmediumsubstrates entlang des Teilstücks der von der mesoporösen Schicht besetzten Hauptseite zu steigern; sich das Gebiet mit hoher H₂O-Kozentration benachbart zu dem Ausgang für das zweite Produkt in Verbindung mit der Kathodenseite der Brennstoffzelle befindet; und die mesoporöse Schicht ein größeres Teilstück des Gebietes mit hoher H₂O-Konzentration benachbart zu dem Ausgang für das zweite Produkt besetzt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 7, wobei: die mesoporöse Schicht ausgebildet ist, um die H₂O-Übertragungseigenschaften des Diffusionsmediumsubstrates entlang des Teilstücks der von der mesoporösen Schicht besetzten Hauptseite zu steigern; sich das Gebiet mit hoher H₂O-Konzentration benachbart zu dem Eingang für den ersten Reaktanden in Verbindung mit der Anodenseite der Brennstoffzelle befindet; und die mesoporöse Schicht ein größeres Teilstück des Gebietes mit hoher H₂O-Konzentration benachbart zu dem Eingang für den ersten Reaktanden besetzt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 7, wobei: die mesoporöse Schicht ausgebildet ist, um die H₂O-Übertragungseigenschaften des Diffusionsmediumsubstrates entlang des Teilstücks der von der mesoporösen Schicht besetzten Hauptseite zu vermindern; sich das Gebiet mit niedriger H₂O-Konzentration benachbart zu dem Eingang für den zweiten Reaktanden in Verbindung mit der Kathodenseite der Brennstoffzelle befindet; und die mesoporöse Schicht ein größeres Teilstück des Gebietes mit niedriger H₂O-Konzentration benachbart zu dem Eingang für den zweiten Reaktanden besetzt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 7, wobei: die mesoporöse Schicht derart ausgebildet ist, dass die H₂O-Übertragungseigenschaften des Diffusionsmediumsubstrates entlang des Teilstücks der von der mesoporösen Schicht besetzten Hauptseite vermindert werden; sich das Gebiet mit niedriger H₂O-Konzentration benachbart zu dem Ausgang für das erste Produkt in Verbindung mit der Anodenseite der Brennstoffzelle befindet; und die mesoporöse Schicht ein größeres Teilstück des Gebietes mit niedriger H₂O-Konzentration benachbart zu dem Ausgang für das erste Produkt besetzt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl der mesoporösen Schichten entlang jeweiliger Teilstücke einer Hauptseite des ersten oder zweiten Diffusionsmediumsubstrates aufgetragen sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Differenz der Dicke des Substrates, die von dem Teilstück mit verringerter Dicke des Substrates hervorgerufen wird, ausreichend ist, um die Zunahme der Diffusionsmediumdicke an dem Teilstück mit verringerter Dicke des Substrates, die von der mesoporösen Schicht hervorgerufen wird, zu kompensieren.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Diffusionsmediumsubstrat eine kohlenstoffhaltige faserige Matrix umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die hydrophobe Komponente der mesoporösen Schicht ein fluoriertes Polymer umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente der mesoporösen Schicht aus Ruß, Graphit, Kohlefasern, Kohlenstofffullerenen, Kohlenstoffnanotubes und deren Kombinationen ausgewählt ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente einen Kohlenstoff mit hoher spezifischer Oberfläche umfasst, der durch eine spezifische Oberfläche von über 750 m²/g und eine mittlere Partikelgröße von weniger als 20 nm in den Gebieten mit niedriger H₂O-Konzentration gekennzeichnet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die mesoporöse Schicht zwischen 75 Gew.-% und 85 Gew.-% der kohlenstoffhaltigen Komponente in dem Gebiet mit hoher H₂O-Konzentration umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 18, wobei die mesoporöse Schicht 80 Gew.-% der kohlenstoffhaltigen Komponente in dem Gebiet mit hoher H₂O-Konzentration umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die mesoporöse Schicht zwischen 90 Gew.-% und 95 Gew.-% der kohlenstoffhaltigen Komponente in dem Gebiet mit niedriger H₂O-Konzentration umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die mesoporöse Schicht eine Dicke von weniger als 20 μm in den Gebieten mit hoher H₂O-Konzentration aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die mesoporöse Schicht eine Dicke zwischen 10 μm und 40 μm in den Gebieten mit niedriger H₂O-Konzentration aufweist.
Verwendung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1 in einem Fahrzeug.
Brennstoffzelle, die derart ausgebildet ist, dass ein wasserstoffhaltiger Brennstoff in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei die Brennstoffzelle umfasst: – eine Anordnung für elektrochemische Umwandlung, die derart ausgebildet ist, dass die Brennstoffzelle in ein erstes und zweites Strömungsfeldgebiet unterteilt wird; – einen Eingang für einen ersten Reaktanden und einen Ausgang für ein erstes Produkt in Verbindung mit dem ersten Strömungsfeldgebiet; – ein erstes Diffusionsmedium, das ein poröses Diffusionsmediumsubstrat umfasst, das derart ausgebildet ist, dass mehrphasige Reaktanden zwischen dem ersten Strömungsfeldgebiet und der Anordnung für elektrochemische Umwandlung durchgelassen werden; – einen Eingang für einen zweiten Reaktanden und einen Ausgang für ein zweites Produkt in Verbindung mit dem zweiten Strömungsfeldgebiet; und – ein zweites Diffusionsmedium, das ein poröses Diffusionsmediumsubstrat umfasst, das derart ausgebildet ist, dass mehrphasige Reaktanden zwischen dem zweiten Strömungsfeldgebiet und der Anordnung für elektrochemische Umwandlung durchgelassen werden, wobei: – die Brennstoffzelle derart ausgebildet ist, dass zumindest eines der ersten und zweiten Diffusionsmedien ein Gebiet, das einer hohen H₂O-Konzentration ausgesetzt ist, und ein Gebiet, das einer niedrigen H₂O-Konzentration ausgesetzt ist, umfasst, – eine mesoporöse Schicht entlang zumindest eines Teilstücks einer Hauptseite des ersten und/oder zweiten Diffusionsmediumsubstrats aufgetragen ist und die mesoporöse Schicht eine hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente und eine hydrophobe Komponente umfasst, – die hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente der mesoporösen Schicht einen Kohlenstoff mit einer spezifischen Oberfläche zwischen 60 m²/g und 300 m²/g umfasst, der durch eine mittlere Partikelgröße zwischen 15 nm und 70 nm in dem Gebiet mit hoher H₂O-Konzentration gekennzeichnet ist, und – das erste und/oder zweite Diffusionsmediumsubstrat ein Gebiet mit hoher Porosität und ein Gebiet mit niedriger Porosität umfasst, wobei das Gebiet mit hoher Porosität des Substrates in dem Gebiet mit hoher H₂O-Konzentration des Diffusionsmediums und das Gebiet mit niedriger Porosität des Substrates in dem Gebiet mit niedriger H₂O-Konzentration des Diffusionsmediums vorgesehen ist, wobei (1) zumindest eines der ersten und zweiten Diffusionsmediumsubstrate ein Teilstück mit verringerter Dicke aufweist, wobei die mesoporöse Schicht entlang lediglich des Teilstücks mit verringerter Dicke des ersten Diffusionsmediumsubstrats und/oder des zweiten Diffusionsmediumsubstrats aufgetragen ist, und/oder (2) die mesoporöse Schicht zumindest teilweise in das erste Diffusionsmediumsubstrat und/oder das zweite Diffusionsmediumsubstrat eindringt, und zwar bis zu einer Tiefe von mehr als 0 μm und weniger als 25 μm in dem Gebiet mit niedriger H₂O-Konzentration und bis zu einer Tiefe von mehr als 0 μm und weniger als 10 μm in dem Gebiet mit hoher H₂O-Konzentration.
Brennstoffzelle nach Anspruch 24, wobei das Gebiet mit hoher Porosität durch eine Porosität von bis zu 90% gekennzeichnet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 24, wobei das Gebiet mit niedriger Porosität durch eine Porosität zwischen 70% und 75% gekennzeichnet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 24, wobei das Substrat durch eine Porosität von über 70% in den Gebieten mit hoher H₂O-Konzentration gekennzeichnet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 24, wobei das Substrat durch eine Porosität zwischen 70% und 75% in den Gebieten mit niedriger H₂O-Konzentration gekennzeichnet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 24, wobei das Substrat eine Dicke zwischen 100 μm und 300 μm in den Gebieten mit hoher H₂O-Konzentration aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 24, wobei das Substrat eine Dicke zwischen 190 μm und 300 μm in den Gebieten mit niedriger H₂O-Konzentration aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 24, wobei das Substrat durch eine mittlere Porengröße von über 20 μm in den Gebieten mit hoher H₂O-Konzentration gekennzeichnet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 24, wobei das Substrat durch eine mittlere Porengröße von weniger als 25 μm in den Gebieten mit niedriger H₂O-Konzentration gekennzeichnet ist.
Brennstoffzelle, die derart ausgebildet ist, dass ein wasserstoffhaltiger Brennstoff in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei die Brennstoffzelle umfasst: – eine Anordnung für elektrochemische Umwandlung, die derart ausgebildet ist, dass die Brennstoffzelle in ein erstes und zweites Strömungsfeldgebiet unterteilt wird; – einen Eingang für einen ersten Reaktanden und einen Ausgang für ein erstes Produkt in Verbindung mit dem ersten Strömungsfeldgebiet; – ein erstes Diffusionsmedium, das ein poröses Diffusionsmediumsubstrat umfasst, das derart ausgebildet ist, dass mehrphasige Reaktanden zwischen dem ersten Strömungsfeldgebiet und der Anordnung für elektrochemische Umwandlung durchgelassen werden; – einen Eingang für einen zweiten Reaktanden und einen Ausgang für ein zweites Produkt in Verbindung mit dem zweiten Strömungsfeldgebiet; und – ein zweites Diffusionsmedium, das ein poröses Diffusionsmediumsubstrat umfasst, das derart ausgebildet ist, dass mehrphasige Reaktanden zwischen dem zweiten Strömungsfeldgebiet und der Anordnung für elektrochemische Umwandlung durchgelassen werden, wobei: – die Brennstoffzelle derart ausgebildet ist, dass zumindest eines der ersten und zweiten Diffusionsmedien ein Gebiet, das einer hohen H₂O-Konzentration ausgesetzt ist, und ein Gebiet, dass einer niedrigen H₂O-Konzentration ausgesetzt ist, umfasst, – eine mesoporöse Schicht entlang zumindest eines Teilstücks einer Hauptseite des ersten und/oder zweiten Diffusionsmediumsubstrats aufgetragen ist und die mesoporöse Schicht eine hydrophile kohlenstoffhaltige Komponente und eine hydrophobe Komponente umfasst, – die mesoporöse Schicht Teilstücke des Gebietes mit hoher H₂O-Konzentration des Diffusionsmediumsubstrates und des Gebietes mit niedriger H₂O-Konzentration des Diffusionsmediumsubstrates besetzt, – die mesoporöse Schicht ein Gebiet mit erhöhter Porosität bezogen auf das verbleibende Teilstück der mesoporösen Schicht umfasst, – das Gebiet mit erhöhter Porosität der mesoporösen Schicht ein größeres Teilstück des Gebietes mit hoher H₂O-Konzentration des Diffusionsmediumsubstrates als des Gebiets mit niedriger H₂O-Konzentration des Diffusionsmediumsubstrates besetzt, und – das verbleibende Teilstück der mesoporösen Schicht ein größeres Teilstück des Gebietes mit niedriger H₂O-Konzentration des Diffusionsmediumsubstrates als des Gebiets mit hoher H₂O-Konzentration des Diffusionsmediumsubstrates besetzt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 33, wobei das Gebiet mit erhöhter Porosität der mesoporösen Schicht durch eine Vielzahl von Megaporen definiert ist, die durch eine Porengröße zwischen 100 μm und 500 μm gekennzeichnet sind.