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Dokumentenidentifikation DE112005002777T5 30.08.2007
Titel Gasdiffusionsmedium mit mikroporöser Doppelschicht
Anmelder General Motors Corp., Detroit, Mich., US
Erfinder O'Hara, Jeanette E., Honeoye, N.Y., US;
Gasteiger, Hubert A., Rochester, N.Y., US
Vertreter Manitz, Finsterwald & Partner GbR, 80336 München
DE-Aktenzeichen 112005002777
Vertragsstaaten AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KM, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, LY, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NA, NG, NI, NO, NZ, OM, PG, PH, PL, PT, RO, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SM, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VC, VN, YU, ZA, ZM, ZW, EP, AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LT, LU, LV, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR, OA, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG, AP, BW, GH, GM, KE, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZM, ZW, EA, AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM
WO-Anmeldetag 18.10.2005
PCT-Aktenzeichen PCT/US2005/037140
WO-Veröffentlichungsnummer 2006055144
WO-Veröffentlichungsdatum 26.05.2006
Date of publication of WO application in German translation 30.08.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.08.2007
IPC-Hauptklasse B32B 3/26(2006.01)A, F, I, 20051018, B, H, DE

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen, die Elektrizität zum Antrieb von Fahrzeugen oder anderen elektrisch betriebenen Vorrichtungen erzeugen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein neuartiges Gasdiffusionsmedium mit einer mikroporösen Doppelschicht, die eine Unterschicht und eine MPL-Beschichtung (Beschichtung mit mikroporöser Schicht) auf der Unterschicht aufweist, um Dämpfungs- und Wassermanagementfähigkeiten der Gasdiffusionsmedien zu steigern.

Hintergrund der Erfindung

Die Brennstoffzellentechnologie stellt eine relativ junge Entwicklung in der Kraftfahrzeugindustrie dar. Es ist herausgefunden worden, dass Brennstoffzellenenergieanlagen in der Lage sind, Wirkungsgrade in der Höhe von 55 % zu erreichen. Ferner emittieren Brennstoffzellenenergieanlagen nur Wärme und Wasser als Nebenprodukte.

Brennstoffzellen umfassen drei Komponenten: eine Kathode, eine Anode und einen Polymerelektrolyt, der schichtartig zwischen der Kathode und der Anode angeordnet ist und Protonen leitet. Katalysatorschichten, die an beiden Seiten der Membran angeordnet sind, dienen als Elektroden. Im Betrieb trennt der Katalysator an der Anode Wasserstoff in Elektronen und Protonen. Die Elektronen werden als elektrischer Strom von der Anode durch einen Antriebsmotor und dann an die Kathode verteilt, während die Protonen von der Anode durch den Elektrolyt an die Kathode wandern. Der Katalysator an der Kathode kombiniert die Protonen mit Elektronen, die von dem Antriebsmotor zurückkehren, und Sauerstoff aus der Luft, um Wasser zu bilden. Einzelne Brennstoffzellen können in Reihe aneinander gestapelt werden, um zunehmend größere Mengen an Elektrizität zu erzeugen.

In einer Polymerelektrolytmembran-(PEM)-Brennstoffzelle dient eine Perfluorsulfonsäure-(PFSA)-Membran als der Elektrolyt zwischen einer Kathode und einer Anode; andere Typen von protonenleitenden Membranen sind ebenfalls bewertet worden und werden in einigen wenigen Fällen verwendet. Die Polymermembran, die gegenwärtig in Brennstoffzellenanwendungen verwendet wird, erfordert ein bestimmtes Niveau an Feuchte, um eine Leitfähigkeit der Membran zu erleichtern. Daher ist die Beibehaltung des richtigen Niveaus an Feuchte in der Membran durch ein Feuchte/Wasser-Management für die richtige Funktion der Brennstoffzelle sehr wichtig. Wenn die Membran austrocknet, kann ein irreversibler Schaden an der Brennstoffzelle auftreten.

Um eine Leckage des Wasserstoffbrennstoffgases und Sauerstoffgases, die an die Elektroden geliefert werden, zu verhindern und ein Mischen der Gase zu verhindern, sind ein Gas abdichtendes Material und Dichtungselemente an der Peripherie der Elektroden angeordnet, wobei die Polymerelektrolytmembran schichtartig dazwischen angeordnet ist. Das Dichtungsmaterial und die Dichtungselemente können gemeinsam mit den Elektroden und der Polymerelektrolytmembran in ein einzelnes Teil zusammengebaut werden, um eine Membranelektrodenanordnung (MEA) zu bilden. Außerhalb der MEA sind leitende Separatorplatten (auch als Bipolarplatten bekannt) angeordnet, um die MEA mechanisch zu sichern und benachbarte MEAs elektrisch in Reihe zu verschalten. Ein Abschnitt der Separatorplatte, der in Richtung der MEA angeordnet ist, ist mit einem Gasdurchgang oder einem Strömungsfeld zur Lieferung von Wasserstoff und Luft an die Elektrodenoberflächen und zur Entfernung von erzeugtem Wasser versehen.

In der Brennstoffzelle ist ein Gasdiffusionsmedium, das typischerweise aus nicht gewebtem Kohlefaserpapier oder verwobenem Kohlenstoffgewebe hergestellt ist, zwischen dem Strömungsfeld der Bipolarplatte und der MEA angeordnet. Gasdiffusionsmedien spielen verschiedene wichtige Rollen in einer PEM-Brennstoffzelle. Hauptsächlich dienen Gasdiffusionsmedien als eine Leitung für die Diffusion von Reaktandenwasserstoff- und Luftgasströmen an die Anode bzw. Kathode wie auch als eine Leitung für die Entfernung von Nebenproduktwasser von der Kathode. Zusätzlich müssen Gasdiffusionsmedien ausreichend elektrisch leitend sein, um Elektronen zu der Bipolarplatte durchzulassen.

Kürzlich ist die Wichtigkeit einer mikroporösen Schicht (MPL), die zwischen der Elektrode und dem Gasdiffusionsmedium (GDM) angeordnet ist, erkannt worden. Diese mikroporöse Schicht steigert hauptsächlich die Wassermanagementfähigkeiten einer PEM-Brennstoffzelle, wodurch Massentransportverluste verringert werden, die durch eine schlechte GDM-Struktur bewirkt werden. Typischerweise ist diese Schicht eine Polytetrafluorethylen/Kohlenstoffmischung und besitzt eine variable Dicke abhängig von den jeweiligen Eigenschaften, die für das GDM gewünscht sind. Eine andere wichtige Funktion der mikroporösen Schicht ist der Schutz der Membran vor einem Durchdringen des GDM-Substrats durch die spröden Kohlefasern, wodurch ein elektrischer Kurzschluss verhindert wird.

Es hat sich herausgestellt, dass die Ausbildung der MPL als eine Doppelschichtstruktur sowohl die Dämpfungs- bzw. Polsterungseigenschaft der MPL als auch die Wassermanagementfähigkeiten der Brennstoffzelle steigert. Die Größe der Poren in der MPL nimmt allgemein in der z-Richtung von der Elektrode zu dem GDM zu. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Unterschicht auf einem GDM vorgesehen und eine MPL-Beschichtung ist auf der Unterschicht vorgesehen. Die Unterschicht besitzt eine neuartige Packungsstruktur und Porengrößenverteilung, die ein Durchstechen der MEA durch Kohlefasern reduziert, während auch das Wassermanagement der Zelle gesteigert wird. Die Unterschicht besteht aus elektrisch leitenden Partikeln (bevorzugt Graphit oder andere Ruße) und einem Binder (bevorzugt PTFE oder andere perfluorierte und teilweise fluorierte Polymere). Die durchschnittliche Porengröße der Unterschicht ist durch die durchschnittliche Aggregatgröße der leitenden Partikel in der Unterschicht bestimmt. Die durchschnittliche Aggregatgröße von leitenden Partikeln in der Unterschicht kann im Bereich von 0,1 bis 0,3 Mikrometer (entsprechend der durchschnittlichen Partikelaggregatgröße in der MPL) bis zu ca. 20 bis 40 Mikrometer liegen. Die leitenden Partikel in der Unterschicht können aus zwei verschiedenen Partikelgrößenbereichen zusammengesetzt sein, beispielsweise einer Mischung von Rußen mit einer durchschnittlichen primären Aggregatgröße von 0,1 bis 0,3 Mikrometer und Graphitpartikeln mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 1 bis 10 Mikrometer. Der bevorzugte Bereich der durchschnittlichen Partikelaggregatgröße der größeren Partikel in der Unterschicht beträgt jedoch 0,5 bis 30 Mikrometer mit einem bevorzugtesten Bereich von 1 bis 10 Mikrometer. Die gewünschte Durchstechungsbeständigkeit und die gewünschte Dämpfungswirkung der Unterschicht nehmen allgemein mit zunehmender Dicke zu. Daher kann die Dicke der Unterschicht im Bereich von 10 bis 100 Mikrometer liegen, wobei eine bevorzugte Dicke im Bereich von 30 bis 60 Mikrometer liegt.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist allgemein auf ein Gasdiffusionsmedium gerichtet, das ein GDM-(Gasdiffusionsmedium)-Substrat umfasst, das eine mikroporöse Doppelschicht aufweist, die an dem Substrat vorgesehen ist. Das Gasdiffusionsmedium mit der mikroporösen Doppelschicht weist gesteigerte Dämpfungs- und Wassermanagementeigenschaften in einer Brennstoffzelle auf. Die mikroporöse Doppelschicht umfasst eine Unterschicht, die an dem GDM-Substrat vorgesehen ist, und eine Beschichtung mit mikroporöser Schicht (MPL), die an der Unterschicht vorgesehen ist. Die Unterschicht ist ein Kompositmaterial, das Graphitpulver, Kohlenstoffpulver und ein fluoriertes Polymer aufweist, und besitzt eine neuartige Packungsstruktur und Porengrößenverteilung aufgrund des breiten Bereichs von Partikelgrößen, die in der Schicht vorhanden sind. Die MPL-Beschichtung umfasst herkömmlich Ruße mit durchschnittlichen primären Aggregatgrößen von 0,1 bis 0,3 Mikrometer und ein fluoriertes Polymer, wie Polytetrafluorethylen. Die Unterschicht kann aus leitenden Partikeln (beispielsweise Graphit) mit einer durchschnittlichen Partikelgröße bestehen, die im Bereich von 0,1 bis 40 Mikrometer liegt; ein bevorzugter Partikelgrößenbereich ist jedoch 0,5 bis 30 Mikrometer oder am bevorzugtesten 1 bis 10 Mikrometer. In allen Fällen ist es bevorzugt, dass die Partikelgrößenverteilung des Graphitpulvers (oder anderer leitender Partikel) vernünftig schmal und monomodal ist. Um optimale Dämpfungs- und Durchstechungsschutzeigenschaften der Unterschicht zu erreichen, kann ihre Dicke im Bereich von 10 bis 100 Mikrometer und vorzugsweise zwischen 30 und 60 Mikrometer liegen. Neben den großen leitenden Partikeln in der Unterschicht, die oben beschrieben sind (d.h. bis zu 40 Mikrometer), können Ruße oder andere leitende Partikel mit durchschnittlichen Aggregatgrößen im Bereich von 0,1 bis 1 Mikrometer oder vorzugsweise zwischen 0,1 bis 0,3 Mikrometer ebenfalls in die Unterschicht gemischt sein. Daher kann die Unterschicht aus zwei oder mehr verschiedenen Arten von leitenden Partikeln, die deutlich verschiedene durchschnittliche Partikelgrößen aufweisen, und einem perfluorierten oder teilweise fluorierten Polymerbinder bestehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nun nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:

1 eine Schnittansicht eines Gasdiffusionsmediums mit einer mikroporösen Doppelschicht der vorliegenden Erfindung ist;

2 eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels ist, der ein Gasdiffusionsmedium mit der mikroporösen Doppelschicht der vorliegenden Erfindung auf der Kathodenseite bzw. der Anodenseite einer Membranelektrodenanordnung (MEA) aufweist; und

3 ein Flussdiagramm ist, das aufeinander folgende Prozessschritte zeigt, die gemäß einem typischen Verfahren zum Herstellen eines Gasdiffusionsmediums mit einer mikroporösen Doppelschicht der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Zu Beginn Bezug nehmend auf 1 ist eine veranschaulichende Ausführungsform des Gasdiffusionsmediums mit einer mikroporösen Doppelschicht, nachfolgend Gasdiffusionsmedium, allgemein mit Bezugszeichen 10 gezeigt. Das Gasdiffusionsmedium 10 umfasst ein GDM-(Gasdiffusionsmedium)-Substrat 12, das ein herkömmliches Brennstoffzellengasdiffusionsmaterial sein kann, wie z.B. nicht gewebtes Kohlefaserpapier oder verwobenes Kohlenstoffgewebe. Ein Beispiel eines Materials, das für das GDM-Substrat 12 geeignet ist, ist das Toray 060 Substrat, das von der Toray Corp., New York, NY erhältlich ist. Alternative Materialien, die zur Verwendung als das GDM-Substrat 12 geeignet sind, umfassen Kohlenstoffpapier- oder Gewebesubstrate, die beispielsweise von Spectracorp und SGL erhältlich sind.

Eine Unterschicht 14 ist an dem GDM-Substrat 12 vorgesehen und eine MPL-Beschichtung 16 ist an der Unterschicht 14 vorgesehen. Die Unterschicht 14 ist ein Kompositmaterial, das eine Mischung aus Graphitpulver (oder anderen leitenden Partikeln), Rußen und einem fluorierten Polymer (beispielsweise Polytetrafluorethylen) oder anderen teilweise fluorierten Polymeren (beispielsweise PVDF) umfasst. Bevorzugt besitzen die Graphitpulverpartikel in der Unterschicht 14 eine mittlere Partikelgröße im Bereich von 0,1 bis 40 Mikrometer mit einem bevorzugten Bereich von 0,5 bis 30 Mikrometer und einem bevorzugtesten Bereich von 1 bis 10 Mikrometer. Es ist bevorzugt, dass die Partikelgrößenverteilung des Graphitpulvers vernünftig schmal und monomodal ist. Ruße, die der Unterschicht zugesetzt werden können, jedoch nicht müssen, besitzen eine durchschnittliche primäre Aggregatgröße von 0,1 bis 1 Mikrometer oder vorzugsweise 0,1 bis 0,3 Mikrometer (ähnlich den Kohlenstoffpartikeln oder Rußen, die in der MPL verwendet sind). Folglich besitzt die Unterschicht 14 eine neuartige Packungsstruktur und somit eine neuartige Porengrößenverteilung, die die Ausbildung relativ dicker Unterschichten erlaubt, ohne ihre Wassermanagementeigenschaften zu gefährden. Die Dicke der Unterschicht liegt im Bereich von 10 bis 100 Mikrometer und vorzugsweise zwischen 30 und 60 Mikrometer. Diese Charakteristiken der Unterschicht 14 in Kombination mit der MPL-Beschichtung 16 steigern die Dämpfungs- bzw. Pufferfunktion und die Wassermanagementfähigkeit des GDM-Substrats 12 in einer Brennstoffzelle.

Als nächstes Bezug nehmend auf 2 ist ein mit dem doppelschichtigen Gasdiffusionsmedium 10 der vorliegenden Erfindung ausgestatteter Brennstoffzellenstapel 22 gezeigt. Der Brennstoffzellenstapel 22 umfasst eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 24 mit einer Polymerelektrolytmembran (PEM) 30, die schichtartig zwischen einer Kathode 26 und einer Anode 28 angeordnet ist. Eine Bipolarplatte 32 auf der Kathodenseite der MEA 24 umfasst mehrere Strömungskanäle 34, und eine Bipolarplatte 32a auf der Anodenseite der MEA 24 umfasst mehrere Strömungsfeldkanäle 34a.

Im Betrieb der Brennstoffzelle 22 strömt Wasserstoffgas durch die Strömungsfeldkanäle 34a der Bipolarplatte 32a und diffundiert durch das Gasdiffusionsmedium 10a an die Anode 28. Auf gleiche Weise strömt Sauerstoff oder Luft durch die Strömungsfeldkanäle 34 der Bipolarplatte 32 und diffundiert durch das Gasdiffusionsmedium 10 an die Kathode 26. Die doppelschichtige mikroporöse Struktur, die die MPL-Beschichtung 16, 16a bzw. die darunter liegende Unterschicht 14, 14a aufweist, erleichtert eine verbesserte Dämpfung bzw. Polsterung der MEA 24 in Bezug auf die Gasdiffusionsmedien 10, insbesondere in Bezug auf die Kohlefasern, die in GDM-Substraten 12, 12a verwendet sind, und steigert die Wassermanagementfähigkeit der Brennstoffzelle 22.

Das Flussdiagramm von 3 zeigt aufeinander folgende Prozessschritte, die bei einer typischen Herstellung des Gasdiffusionsmediums mit der mikroporösen Doppelschicht gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden. Bei Schritt 1 wird ein Gasdiffusionsmedium-(GDM)-Substrat vorgesehen. Das GDM-Substrat kann beispielsweise ein herkömmliches Kohlefaserpapier oder -gewebematerial sein, das zur Verwendung als ein Gasdiffusionsmedium in einer Brennstoffzelle geeignet ist, wie einem Toray 060 Substrat, das von der Toray Corp., New York, NY erhältlich ist.

Bei Schritt 2 wird eine Unterschicht an dem Substrat ausgebildet. Die Unterschicht ist ein Kompositmaterial, das eine Mischung aus Graphitpulver (oder anderen elektrisch leitenden Partikeln), Rußen (oder anderen Kohlenstoffpulvern, die herkömmlich beispielsweise in MPL-Formulierungen verwendet werden) und einem fluorierten Polymer, wie Polytetrafluorethylen, oder teilweise fluorierten Polymeren, wie PVDF, umfasst. Ein Graphitpulver, das für die Ausbildung der Unterschicht geeignet ist, ist ein M490 Graphitpulver, das beispielsweise von Asbury Graphite Mills, Inc. erhältlich ist. Das Graphitpulver kann eine Partikelgröße irgendwo zwischen 0,1 und 40 Mikrometer aufweisen. Bevorzugt besitzt das Graphitpulver eine Partikelgröße zwischen etwa 0,5 &mgr;m und 30 &mgr;m. Am bevorzugtesten besitzt das Graphitpulver eine mittlere Partikelgröße von etwa 1 bis 10 &mgr;m. In allen Fällen ist es bevorzugt, dass die Partikelgrößenverteilung vernünftig schmal und monomodal ist. Andere geeignete Graphitpulver umfassen künstliche Graphitpulver mit einer Partikelgröße zwischen etwa > 1 &mgr;m und < 20 &mgr;m und am bevorzugtesten eine mittlere Partikelgröße zwischen 1 &mgr;m und 10 &mgr;m.

Ein Kohlenstoffpulver, das für die Ausbildung der Unterschicht geeignet ist, umfasst Acetylenruß-Kohlenstoffpulver, das beispielsweise von Alfa Aesar erhältlich ist. Geeignete Alternativen für das Kohlenstoffpulver umfassen meistens Ruße, einschließlich Vulcan XC-72 und Black Pearls 2000. Das Polytetrafluorethylen kann beispielsweise in der Form einer T-30 Lösung vorgesehen sein, die von der Dupont Corp. erhältlich ist und 60 Gew.-% PTFE umfasst. Andere fluorierte Polymere, die geeignet wären, umfassen HFP, PVDF und FEP.

Die Unterschicht kann an dem Substrat durch anfängliches Scheren des Graphitpulvers und Kohlenstoffpulvers in einer Wasser- und Isopropylalkohollösung ausgebildet werden. Diesem folgt ein Zusatz der T-30 Lösung. Die resultierende Unterschichtmischung wird dann manuell für etwa 1–2 Minuten geschüttelt. Die Unterschichtmischung wird auf das GDM-Substrat typischerweise unter Verwendung eines Meyer-Rod-Verfahrens beschichtet, kann jedoch auch durch andere Mittel beschichtet werden, wie Beschichten bzw. Aufstreichen mit Messer oder Rakel oder Spachtel, Gravurstreichbeschichten, Siebdrucken etc. Bei Schritt 3 von 3 wird die Unterschicht an dem GDM-Substrat getrocknet.

Bei Schritt 4 wird eine MPL-Beschichtung (Beschichtung mit mikroporöser Schicht) an der Unterschicht ausgebildet. Die MPL-Beschichtung kann herkömmlich sein und ist ein Kompositmaterial, das Kohlenstoffpulver (typischerweise Ruße) und ein fluoriertes oder teilweise fluoriertes Polymer umfasst. Ein Kohlenstoffpulver, das für die Ausbildung der Unterschicht geeignet ist, umfasst Acetylenruß-Kohlenstoffpulver, das beispielsweise von Alfa Aesar erhältlich ist. Geeignete Alternativen für das Kohlenstoffpulver umfassen meistens Ruße, einschließlich beispielsweise Vulcan XC-72 und Black Pearls 2000. Das Polytetrafluorethylen kann beispielsweise in der Form einer T-30 Lösung vorgesehen sein, die von der Dupont Corporation erhältlich ist. Es können andere chemische Substanzen, um beispielsweise den pH der Mischung zu steuern, hinzugesetzt werden.

Die MPL-Beschichtung kann an der Unterschicht durch anfängliches Scheren des Kohlenstoffpulvers in deionisiertem Wasser und Isopropylalkohol ausgebildet werden. Diesem folgt ein Zusatz der T-30 Lösung. Die resultierende MPL-Beschichtungsmischung wird dann manuell für etwa 1–2 Minuten geschüttelt. Die MPL-Beschichtungsmischung wird auf das GDM-Substrat typischerweise unter Verwendung eines Meyer-Rod-Verfahrens beschichtet und dann luftgetrocknet. Bei Schritt 5 von 3 wird das resultierende GDM-Substrat mit der mikroporösen Doppelschicht getrocknet und bei 380 Grad C für 20 Minuten gesintert.

Die Herstellung des GDM-Substrats mit der mikroporösen Doppelschicht gemäß der vorliegenden Erfindung wird ferner durch Bezugnahme auf die folgenden Beispiele verständlich.

BEISPIEL I – Ausbildung der Unterschicht

Eine Unterschicht wurde auf einem Toray 060 Substrat ausgebildet, indem zu Beginn 1,2 g Acetylenrußkohlenstoff (Alfa Aesar, 100 % komprimiert, Oberfläche 70 m2/g), 1,2 g M490 Graphitpulver (Asbury Graphite Mill) mit Partikelgrößen von > 1 &mgr;m und < 20 &mgr;m, 1,33 g einer T-30 Lösung (Dupont, 60 Gew.-% PTFE), 25 ml IPA (Isopropylalkohol) und 15 ml deionisiertes Wasser beschafft wurden. Die Acetylenruß-Kohlenstoffpartikel und das Graphitpulver wurden bei 14500 U/min für 10 Minuten in dem deionisiertem Wasser und dem Isopropylalkohol geschert. Dem gescherten Ruß-Kohlenstoffpulver und Graphitpulver wurde die T-30 Lösung zugesetzt, die dann per Hand für 1–2 Minuten geschüttelt wurden, um eine Unterschichtmischung zu bilden. Die Unterschichtmischung wurde dann auf das Toray 060 Substrat unter Verwendung eines Meyer-Rod-Verfahrens beschichtet und dann getrocknet.

Bildung der MPL-Beschichtung

Eine MPL-Beschichtung wurde auf der Unterschicht, die gemäß Beispiel (I) oben hergestellt wurde, dadurch ausgebildet, dass zu Beginn 2,4 g Acetylenruß-Kohlenstoff (Alfa Aesar, 100 % komprimiert, Oberfläche 70 m2/g), 1,33 g einer T-30 Lösung (Dupont, 60 Gew.-% PTFE), 32 ml IPA und 37 ml deionisiertes Wasser beschafft wurden. Das Acetylenruß-Kohlenstoff- und Graphitpulver wurden bei 14500 U/min für 10 Minuten geschert. Die T-30 Lösung wurde dann dem gescherten Ruß hinzugesetzt, die per Hand für 1–2 Minuten geschüttelt wurden, um eine MPL-Beschichtungsmischung zu bilden. Die MPL-Beschichtungsmischung wurde dann auf die Unterschicht unter Verwendung eines Meyer-Rod-Verfahrens beschichtet und dann getrocknet. Das resultierende GDM-Substrat mit der mikroporösen Doppelschicht wurde dann getrocknet und bei 380 Grad C für 20 Minuten gesintert.

Wassermanagementfähigkeiten des GDM-Substrats mit der mikroporösen Doppelschicht der vorliegenden Erfindung sind dadurch beobachtet worden, dass eine 50 cm2 PEM-Brennstoffzelle getestet wurde und Wassermanagementfähigkeiten unter übertriebenen Bedingungen beobachtet wurden. Die Dämpfungs- bzw. Pufferfähigkeit der Erfindung ist dadurch beobachtet worden, dass ein Druck-bis-Kurzschluss-Test ausgeführt wurde, bei dem eine Membran schichtartig zwischen zwei GDM-Substraten mit der mikroporösen Doppelschicht angeordnet wird. Die MEA wird komprimiert, bis ein elektrischer Kurzschluss gemessen wird. Dämpfungs- bzw. Puffereffekte wurden als größerer Widerstand bei höheren Lasten im Vergleich zu weniger erwünschten Proben beobachtet.

Während die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung oben beschrieben worden sind, sei zu erkennen und zu verstehen, dass verschiedene Abwandlungen in der Erfindung durchgeführt werden können, und die angefügten Ansprüche dazu bestimmt sind, alle derartigen Abwandlungen abzudecken, die in den Erfindungsgedanken und den Schutzumfang der Erfindung fallen können.

Zusammenfassung

Es ist ein Gasdiffusionsmedium mit einer mikroporösen Doppelschicht offenbart. Das Gasdiffusionsmedium umfasst ein Diffusionsmediumsubstrat mit einer Doppelschicht, die eine erste Unterschicht, die aus einer Variation in Partikelgrößen besteht, und eine zweite Schicht umfasst, die aus einem Material mit einer gleichförmigen Partikelgröße besteht. Das Gasdiffusionsmedium mit der mikroporösen Doppelschicht besitzt gesteigerte Dämpfungs- und Wassermanagementeigenschaften.


Anspruch[de]
Gasdiffusionsmedium, mit:

einem Diffusionsmediumsubstrat;

einer Unterschicht; und

einer Beschichtung mit mikroporöser Schicht, die an der Unterschicht vorgesehen ist.
Gasdiffusionsmedium nach Anspruch 1, wobei die Unterschicht leitende Partikel und ein zumindest teilweise fluoriertes Polymer umfasst. Gasdiffusionsmedium nach Anspruch 2, wobei die leitenden Partikel Partikel mit einer durchschnittlichen Partikelgröße umfassen, die im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 40 Mikrometer liegt. Gasdiffusionsmedium nach Anspruch 2, wobei die Unterschicht eine Dicke zwischen etwa 10 bis etwa 100 Mikrometer besitzt. Gasdiffusionsmedium nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung mit mikroporöser Schicht Rußpartikel und ein zumindest teilweise fluoriertes Polymer umfasst. Gasdiffusionsmedium nach Anspruch 5, ferner mit pH-einstellenden Chemikalien in der Beschichtung mit mikroporöser Schicht. Gasdiffusionsmedium nach Anspruch 5, wobei die Unterschicht Ruß, Graphitpulver mit einer Partikelgröße zwischen etwa 1 &mgr;m und etwa 20 &mgr;m und Polytetrafluorethylen umfasst. Gasdiffusionsmedium nach Anspruch 7, wobei die Graphitpartikel eine mittlere Partikelgröße zwischen 1 &mgr;m und 10 &mgr;m aufweisen. Gasdiffusionsmedium, mit:

einem Diffusionsmediumsubstrat;

einer Unterschicht, die Graphit auf dem Substrat umfasst; und

einer Beschichtung mit mikroporöser Schicht, die im Wesentlichen frei von an der Unterschicht vorgesehenem Graphit ist.
Gasdiffusionsmedium nach Anspruch 9, wobei die Unterschicht ferner Ruß-Kohlenstoff und Polytetrafluorethylen umfasst. Gasdiffusionsmedium nach Anspruch 10, wobei das Graphit Graphitpartikel mit einer Partikelgröße zwischen etwa 1 &mgr;m und etwa 20 &mgr;m umfasst. Gasdiffusionsmedium nach Anspruch 11, wobei die Graphitpartikel eine mittlere Partikelgröße zwischen 1 und 10 &mgr;m aufweisen. Gasdiffusionsmedium nach Anspruch 9, wobei die Beschichtung mit mikroporöser Schicht Ruß-Kohlenstoff, Polytetrafluorethylen und eine pH-einstellende Verbindung umfasst. Gasdiffusionsmedium nach Anspruch 13, wobei die pH-einstellende Verbindung Ammoniumcarbonat umfasst. Gasdiffusionsmedium nach Anspruch 13, wobei das Graphit Graphitpartikel mit einer Partikelgröße zwischen etwa 1 &mgr;m und etwa 20 &mgr;m umfasst. Gasdiffusionsmedium nach Anspruch 15, wobei die Graphitpartikel eine mittlere Partikelgröße zwischen 1 &mgr;m und 10 &mgr;m aufweisen. Verfahren zum Herstellen eines Gasdiffusionsmediums, umfassend, dass:

ein Diffusionsmediumsubstrat vorgesehen wird;

eine Unterschicht vorgesehen wird, die Graphit auf dem Substrat umfasst; und

eine Beschichtung mit mikroporöser Schicht auf der Unterschicht vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Graphit eine Partikelgröße zwischen etwa 1 &mgr;m und etwa 20 &mgr;m aufweist. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Graphit eine mittlere Partikelgröße zwischen 1 &mgr;m und 10 &mgr;m aufweist. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Beschichtung mit mikroporöser Schicht Ruß-Kohlenstoff, Polytetrafluorethylen und eine pH-einstellende Verbindung umfasst.






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