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TECHNISCHES GEBIET
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Das
technische Gebiet betrifft Elektroden zur Verwendung in elektrochemischen
Zellen. Insbesondere betrifft das Gebiet Elektroden und Membranelektrodenanordnungen
zur Verwendung in Brennstoffzellen.
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HINTERGRUND
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Elektrochemische
Zellen sind für verschiedene Anwendungen, insbesondere,
wenn sie als Brennstoffzellen betrieben werden, erwünscht. Brennstoffzellen
sind für viele Anwendungen einschließlich elektrischer
Fahrzeugantriebsanlagen als Ersatz für Brennkraftmaschinen
vorgeschlagen worden. Eine Brennstoffzellenkonstruktion verwendet eine
Festpolymerelektrolyt-(SPE)-Membran oder Protonenaustauschmembran
(PEM), um einen Protonenaustausch zwischen der Kathode und der Anode
bereitzustellen. In den Brennstoffzellen sind gasförmige
und flüssige Brennstoffe verwendbar. Beispiele umfassen
Wasserstoff und Methanol, wobei Wasserstoff bevorzugt ist. Wasserstoff
wird an die Anode der Brennstoffzelle geliefert. Sauerstoff (als Luft)
ist das Brennstoffzellenoxidationsmittel und wird an die Kathode
der Brennstoffzelle geliefert. Die Elektroden sind auf Gasdiffusionsmediumschichten geformt
worden, die aus porösen leitenden Materialien hergestellt
sein können, wie verwobenes Graphit, graphitisierte Lagen
oder Kohlepapier, um zu ermöglichen, dass sich der Brennstoff über
die Oberfläche der zu der Brennstofflieferelektrode weisenden Membran
verteilen kann. Brennstoffzellenelektroden haben typischerweise
einen Katalysator enthalten, der auf Kohlenstoffpartikeln mit einem
Ionomer binder geträgert ist. Beispiele von Brennstoffzellen
sind in den
U.S. Patenten Nr.
5,272,017 und
5,316,871 von Swathirajan
et al. beschrieben.
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ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Eine
beispielhafte Ausführungsform kann eine Elektrode zur Verwendung
in einer Brennstoffzelle aufweisen, die ein hydrophobes Material
aufweist.
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Andere
beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus
der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es
sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch spezifische
Beispiele, während sie beispielhafte Ausführungsformen
der Erfindung offenbaren, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und
nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Beispielhafte
Ausführungsformen der Erfindung werden aus der detaillierten
Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in
welchen:
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1 einen
Abschnitt eines Brennstoffzellenstapels zeigt, der eine mit einer
hydrophoben Schicht beschichtete Elektrode gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform aufweist;
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2 eine
Nahansicht eines Abschnitts des Brennstoffzellenstapels von 1 ist;
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3 eine
graphische Darstellung ist, die die Spannung bei 1,2 Ampere pro
Quadratzentimeter einer Elektrode unter feuchten Bedingungen mit
und ohne eine hydrophobe Schicht gemäß einer beispielhaften
Ausführungsform vergleicht; und
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4 eine
graphische Darstellung ist, die die Spannung bei 1,2 Ampere pro
Quadratzentimeter einer Elektrode unter trockenen Bedingungen mit
und ohne eine hydrophobe Schicht gemäß einer beispielhaften
Ausführungsform vergleicht.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
folgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich
beispielhafter (illustrativer) Natur und nicht dazu bestimmt, die
Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
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Nun
Bezug nehmend auf 1 umfasst eine beispielhafte
Ausführungsform ein Produkt 100, wie einen Brennstoffzellenstapel,
der hier ein PEM-(Protonenaustauschmembran-)Brennstoffzellenstapel
ist, der einen Soft-Goods- bzw. Weichwarenabschnitt 44 aufweist,
der eine Membran 46 mit einer ersten Seite 48 und
einer zweiten Seite 50 aufweisen kann, wobei eine Kathodenelektrode 52 über
der ersten Seite 48 der Membran 46 vorgesehen
sein kann und eine Anodenelektrode 58 über der
zweiten Seite 50 der Membran 46 vorgesehen sein
kann. Der Brennstoffzellenstapel 100 weist eine bipolare
Platte 10 auf, die einen oder mehrere Stege 20 und
Kanäle 22 aufweisen kann. Die bipolare Platte 10 kann
derart ausgebildet sein, um einen oder mehrere Kühlmittelströmungskanäle 32 zum
Strömen von Kühlfluid durch das Zentrum der bipolaren
Platte 10 zur Kühlung derselben zu definieren. Über
den Seiten der bipolaren Platte 10 können hydrophile,
hydrophobe und/oder einen niedrigen Kontaktwiderstand aufweisende
Beschichtungen 21 vorgesehen sein.
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Der
Brennstoffzellenstapel 100 kann auch eine kathodenseitige
Gasdiffusionsmediumschicht 54 aufweisen, die eine mikroporöse
Schicht 56 daran besitzen kann und zwischen der Kathodenelektrode 52 und
der bipolaren Platte 10 angeordnet sein kann. Gleichermaßen
kann eine anodenseitige Gasdiffusionsmediumschicht 60,
die eine mikroporöse Schicht 62 daran aufweisen
kann, zwischen der Anodenkatalysatorschicht 58 und einer
zweiten bipolaren Platte 10 angeordnet sein.
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Wie
am besten in 2 gezeigt ist, kann eine elektrisch
leitende hydrophobe Schicht 70 über einer ersten
Fläche 51 der Kathodenelektrode 52 vorgesehen
sein und kann eine zweite elektrisch leitende hydrophobe Schicht 72 über
einer ersten Fläche 53 der Anodenelektrode 58 vorgesehen
sein. Die hydrophobe Schicht 70, 72 kann in einer über
der Kathoden- bzw. Anodenelektrode 52, 58 liegenden
Position vorgesehen sein und durch eine beliebige Anzahl von Prozessen
oder Aufbringungsverfahren aufgebracht werden.
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Die
Elektroden (die Kathodenelektrode 52 und die Anodenelektrode 58)
können Katalysatorschichten sein, die Katalysatorpartikel
sowie ein ionenleitendes Material, wie ein protonenleitendes Ionomer
aufweisen können, das mit den Partikeln vermischt ist.
Das protonenleitende Material kann ein Ionomer sein, wie ein perfluoriertes
Sulfonsäurepolymer. Die Katalysatormaterialien können
umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Metalle,
wie Platin, Palladium, und Mischungen von Metallen, wie Platin und
Molybdän, Platin und Kobalt, Platin und Ruthenium, Platin
und Nickel, Platin und Zinn, andere Platin-Übergangsmetall-Legierungen
und andere Brennstoffzellen-Elektrokatalysatoren, wie es in der Technik
bekannt ist. Die Katalysatormaterialien können gegebenenfalls
fein geteilt sein. Die Katalysatormaterialien können nicht
geträgert oder auf eine Vielzahl von Materialien geträgert
sein, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt,
auf fein geteilten Kohlenstoffpartikeln. Somit können die
Katalysatorschichten der Elektrode mit einem Ionomer/Kohlenstoff-(I/C)-Massenverhältnis
formuliert werden.
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Die
Elektrode (die Kathodenelektrode 52 oder die Anodenelektrode 58)
kann gemäß einer Ausführungsform zunächst
durch Mischen der Katalysatorpartikel, typischerweise Platin, das
auf Kohlenstoff dispergiert ist, mit einem Ionomer und einem Lösemittel
geformt werden. Abhängig von der Aufbringung kann die Mischung
mit einem besonders geeigneten I/C-Verhältnis formuliert
werden. Anschließend kann die Mischung so lange gemahlen oder
vermengt werden, bis die Katalysatorpartikel gut verteilt sind.
Die Mischung kann dann direkt auf die Oberfläche der Elektrode
aufgetragen und getrocknet werden, um das Lösemittel zu
entfernen.
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Alternativ
dazu kann die Mischung auf eine Abziehlage beschichtet werden, um
eine elektrodenbeschichtete Abziehlage zu bilden, und kann dann getrocknet
werden, um das Lösemittel zu entfernen. Eine Abziehlage,
wie hier beschrieben ist, kann ein dünner Polymerfilm sein,
wie Ethylentetrafluorethylen (ETFE), Polytetrafluorethylen (PTFE)
oder Polyethylen (PE). Schließlich kann die anodenelektrodenbeschichtete
Abziehlage und die kathodenelektrodenbeschichtete Abziehlage auf
entgegengesetzte jeweilige Seiten 48, 50 der Membran 46 über
einen Laminierungs- oder anderen Aufbringungsprozess übertragen
werden. Alternativ dazu kann die Mischung auf eine ionenleitende
Membran aufgetragen werden, die durch ein Substrat, eine Abziehlage
oder ein katalysatorbeschichtetes Diffusionsmedium geträgert
sein kann, jedoch nicht muss.
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Die
elektrisch leitende hydrophobe Schicht 70, 72 kann
durch Mischen elektrisch leitender Partikel, wie beispielsweise,
jedoch nicht darauf beschränkt, Kohlenstoff, mit einem
hydrophoben Material geformt werden, um eine Mischung zu bilden.
Die Mischung kann auch Lösemittel und oberflächenaktive
Stoffe aufweisen. Bevorzugt kann die Mischung gemahlen oder vermengt
werden, um sicherzustellen, dass die Kohlenstoffpartikel und das
hydrophobe Material gut verteilt sind. Diese Mischung kann dann direkt
auf die Außenfläche der Elektrode oder alternativ
auf ein Substratmaterial unter Verwendung einer beliebigen Anzahl
von Aufbringungsverfahren aufgebracht werden. Einige nicht beschränkende Beispiele
von Aufbringungsverfahren zum Aufbringen der Mischung umfassen,
sind jedoch nicht darauf beschränkt, Schlitzdüsenbeschichten,
Rakelbeschichten, Sprühen und Stangenbeschichten. Bei einer
beispielhaften Ausführungsform kann das Substrat Ethylentetrafluorethylen
(ETFE), ein Kapton®-Polyimidfilm
(von E. I. du Pont de Nemours erhältlich) oder Polytetrafluorethylen-(PTFE)-Filme
sein.
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Die
Mischung kann dann auf dem Substrat getrocknet werden, um Lösemittel
zu entfernen. Schließlich kann die Mischung bei einer erhöhten Temperatur,
bevorzugt zwischen etwa 200 und 600 Grad Celsius behandelt werden,
um den oberflächenaktiven Stoff zu entfernen und das hydrophobe Material
zur Bildung einer elektrisch leitenden hydrophoben Schicht 70, 72 zu
sintern. Die elektrisch leitende hydrophobe Schicht 70, 72 kann
bei einer beispielhaften Ausführungsform dann über
die erste Fläche 51 der Kathodenelektrode 52 oder über
die erste Fläche 53 der Anodenelektrode 58 oder
beide durch ein Laminierungs-, Heißpress- oder ähnliches
Aufbringungsverfahren aufgebracht werden, um die hydrophobe Schicht 70, 72 an
der ersten Fläche 51, 53 anzubinden oder
anderweitig anzuhaften, wobei das Substrat entfernt wird. Bei verschiedenen
Ausführungsformen kann die resultierende Schicht 70, 72 eine
Dicke von etwa 0,5 bis 50 Mikrometer, 1,0 bis 30 Mikrometer, 2 bis
15 Mikrometer, 8 bis 12 Mikrometer oder etwa 10 Mikrometer besitzen.
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Das
hydrophobe Material in der elektrisch leitenden hydrophoben Schicht 70, 72 ist
kein Ionentauschermaterial; d. h. das hydrophobe Material ist nicht aus
den Materialien gewählt, die dazu verwendet werden, Polymerelektrolyte
herzustellen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform
kann das hydrophobe Material aus fluorierten Polymeren (d. h. einem Polymermaterial
mit zumindest einem Fluoratom) gewählt sein. Nicht beschränkende
Beispiele der fluorierten Polymere, die verwendet werden können,
umfassen zumindest eines aus Polytetrafluorethylen (PTFE), fluoriertem
Ethylenpropylen (FEP), Perfluoralkoxypolymerharz (PFA), Methylfluoralkoxypolymerharz
(MFA), Polychlortrifluorethylen (PCTFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF),
Polyvinylfluorid (PVF) oder Ethylenchlortrifluorethylen (ETFE);
Copolymere aus fluorierten Polymeren können ebenfalls enthalten
sein, wie ein Copolymer aus Tetrafluorethylen, Hexafluorpropylen
und Vinylidenfluorid (THV). Die relative Menge an hydrophobem Material
zu elektrisch leitenden Partikeln in der elektrisch leitenden hydrophoben
Schicht 70, 72 kann abhängig von zahlreichen
Faktoren variieren, einschließlich der Dicke der beschichteten
Schicht sowie dem I/C-Verhältnis der darunter liegenden
Elektrode. Allgemein jedoch sollte die Menge an hydrophoben Partikeln
ausreichend sein, um die Oberfläche mit ausreichender Hydrophobie
zu versehen, wenn sie unter feuchten Bedingungen arbeitet, um eine
im Wesentlichen konstante und hohe Spannung bei einer gegebenen
Stromdichte im Vergleich zu Elektroden aufrechtzuerhalten, die die
hydrophobe Schicht 70, 72 nicht enthalten. Bei
einer beispielhaften Ausführungsform kann das Gewichtsverhältnis
der elektrisch leitenden Parti kel zu hydrophoben Partikeln in der
getrockneten elektrisch leitenden hydrophoben Schicht 70, 72 im
Bereich von etwa 2 bis 9 liegen.
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Wiederum
kann die elektrisch leitende hydrophobe Schicht 70, 72 durch
eine Anzahl von Aufbringverfahren die Elektroden 52 bzw. 58 überlagernd
vorgesehen werden. Bei einer Ausführungsform kann die elektrisch
leitende hydrophobe Schicht 70, 72 über
einer Abziehlage oder über einer Gasdiffusionsmediumschicht
oder über einer mikroporösen Schicht an einer
Gasdiffusionsmediumschicht abgeschieden werden. Die Elektrode 52, 58 kann über
der elektrisch leitenden hydrophoben Schicht 70, 72 abgeschieden
werden, nachdem die elektrisch leitende hydrophobe Schicht 70, 72 getrocknet
ist oder während die Schicht 70, 72 immer
noch feucht oder klebrig ist. Wenn eine Abziehlage verwendet wird,
können die Elektrode 52, 58 und die darüber
liegende hydrophobe Schicht 70, 72 an eine Membran
heißgepresst werden.
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Bei
einer anderen Ausführungsform kann die Elektrode 52, 58 auf
einer Abziehlage abgeschieden werden, um eine elektrodenbeschichtete
Abziehlage zu bilden, und die elektrisch leitende hydrophobe Schicht 70, 72 kann
anschließend auf der elektrodenbeschichteten Abziehlage
abgeschieden werden. Die resultierende Anordnung kann an eine Gasdiffusionsmediumschicht
oder eine mikroporöse Schicht daran heißgepresst
werden, so dass die elektrisch leitende hydrophobe Schicht 70, 72 zwischen
der Gasdiffusionsmediumschicht und der elektrodenbeschichteten Abziehlage
angeordnet ist.
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Bei
einer noch weiteren Ausführungsform kann die elektrisch
leitende hydrophobe Schicht 70, 72 über
jeder Elektrode einer Membranelektrodenanordnung (MEA) abgeschieden
oder darauf aufgebracht werden. Bei einer Ausführungsform
wird die elektrisch leitende hydrophobe Schicht 70, 72 an
eine der Elektroden 52, 58 angebunden.
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Die
Gasdiffusionsmediumschichten 54, 60 können
ein beliebiges elektrisch leitendes poröses Material aufweisen.
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Gasdiffusionsmediumschicht 54, 60 nicht
gewobenes Kohlefaserpapier oder gewobenes Kohlenstoffgewebe aufweisen,
das mit einem hydrophoben Material behandelt sein kann, wie beispielsweise,
jedoch nicht darauf beschränkt, Polymere aus Polyvinylidenfluorid
(PVDF), Fluorethylenpropylen oder Polytetrafluorethylen (PTFE).
Die Gasdiffusionsmediumschicht kann eine durchschnittliche Porengröße
im Bereich von 5 bis 40 Mikrometer besitzen. Die Gasdiffusionsmediumschicht 54, 60 kann eine
Dicke im Bereich von etwa 100 bis etwa 500 Mikrometer besitzen.
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Die
mikroporöse Schicht 56, 62 kann aus Materialien
hergestellt sein, wie Rußen sowie hydrophoben Bestandteilen,
wie Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyvinylidenfluorid (PVDF),
und kann eine Dicke im Bereich von etwa 2 bis etwa 100 Mikrometer
aufweisen. Bei einer Ausführungsform kann die mikroporöse
Schicht 56, 62 eine Vielzahl von Partikeln, beispielsweise
einschließlich graphitisiertem Kohlenstoff, und einen Binder
aufweisen. Bei einer Ausführungsform kann der Binder ein
hydrophobes Polymer aufweisen, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf
beschränkt, Polyvinylidenfluorid (PVDF), Fluorethylenpropylen
(FEP), Polytetrafluorethylen (PTFE) oder andere organische oder
anorganische hydrophobe Materialien. Die Partikel und der Binder können
in einer flüssigen Phase enthalten sein, die beispielsweise
eine Mischung aus einem organischen Lösemittel und Wasser
sein kann, um eine Dispersion bereitzustellen. Bei verschiedenen
Ausführungsformen kann das Lösemittel zumindest
eines aus 2-Propanol, 1-Propanol oder Ethanol, etc. aufweisen. Die
Dispersion kann auf ein Brennstoffzellensubstrat, wie eine Gasdiffusionsmediumschicht
oder eine hydrophobe Beschichtung über der Gasdiffusionsmediumschicht
aufgebracht werden. Bei einer weiteren Ausführungsform
kann die Dispersion auf die hydrophobe Schicht aufgebracht werden.
Die Dispersion kann (durch Verdampfen des Lösemittels) getrocknet
werden, und die resultierende getrocknete mikroporöse Schicht
kann 60 bis 90 Gewichtsprozent Partikel und 10 bis 40 Gewichtsprozent
Binder aufweisen. Bei verschiedenen anderen Ausführungsformen
kann der Binder im Bereich von 10 bis 30 Gewichtsprozent der getrockneten
mikroporösen Schicht liegen.
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Es
kann eine Vielzahl verschiedener Typen von Membranen
46 bei
Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden. Die in
verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendbare
Festpolymerelektrolytmembran kann ein ionenleitendes Material sein.
Beispiele geeigneter Membranen sind in den
U.S. Patenten Nr. 4,272,353 und
3,134,689 sowie in dem
Journal
of Power Sources, Band 28 (1990), Seiten 367 bis 387 offenbart.
Derartige Membranen sind auch als Ionentauscherharzmembranen bekannt.
Die Harze umfassen Ionengruppen in ihrer polymeren Struktur; von
denen eine Ionenkomponente an der polymeren Matrix fixiert oder
von dieser gehalten ist und zumindest eine andere Ionenkomponente
ein mobiles austauschbares Ion darstellt, das der fixierten Komponente
elektrostatisch zugeordnet ist. Die Fähigkeit zum Austausch
des mobilen Ions unter geeigneten Bedingungen gegen andere Ionen verleiht
diesen Materialien Ionentauschercharakteristiken.
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Die
Ionentauscherharze können durch Polymerisieren einer Mischung
von Bestandteilen hergestellt werden, von denen eines einen Ionenbestandteil
enthält. Eine breite Klasse von protonenleitenden Kationentauscherharzen
ist das so genannte Sulfonsäure-Kationentauscherharz. Bei
den Sulfon säuremembranen sind die Kationentauschergruppen
Sulfonsäuregruppen, die an der Polymerhauptkette angebunden
sind.
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Die
Ausbildung dieser Ionentauscherharze in Membranen oder Rinnen ist
in der Technik gut bekannt. Der bevorzugte Typ ist ein Elektrolyt
aus perfluoriertem Sulfonsäurepolymer, bei dem die gesamte
Membranstruktur Ionentauschereigenschaften aufweist. Diese Membranen
sind kommerziell erhältlich und ein typisches Beispiel
einer kommerziell erhältlichen protonenleitenden Membran
aus perfluorierter Sulfonsäure wird von E. I. Du Pont de
Nemours & Company
mit der Handelsbezeichnung Nafion® vertrieben.
Andere derartige Membranen sind von Asahi Glass und Asahi Chemical
Company erhältlich. Die Verwendung anderer Typen von Membranen,
wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, perfluorierten
Kationentauschermembranen, kohlenwasserstoffbasierten Kationentauschermembranen
wie auch Anionentauschermembranen liegen ebenfalls innerhalb des
Schutzumfangs der Erfindung.
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Bei
einer Ausführungsform der Erfindung können die
bipolaren Platten 10 eine oder mehrere Schichten eines
Metalls für das elektrisch leitende Kompositmaterial aufweisen.
Bei einer Ausführungsform umfassen die bipolaren Platten 10 rostfreien Stahl.
Die Stege 20 und Kanäle 22 können
in der bipolaren Platte 10 durch spanabhebendes Bearbeiten, Ätzen,
Stanzen bzw. Prägen, Formen oder dergleichen ausgebildet
werden. Die Stege 20 und Kanäle 22 können
ein Reaktandengasströmungsfeld definieren, um einen Kraftstoff
an eine Seite der bipolaren Platte 10 und ein Oxidationsmittel
an die andere Seite der bipolaren Platte 10 zu liefern.
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Bei
verschiedenen Ausführungsformen kann der Zusatz einer hydrophoben
Schicht 70 bzw. 72 über die Oberfläche
entweder der Kathodenelektrode 52 oder der Anodenelektrode 58 oder
sowohl der Kathodenelektrode 52 als auch der Anodenelektrode 58 die
Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle dahingehend verbessern,
dass verhindert wird, dass Wasser an der Grenzfläche zwischen
der Elektrodenfläche und dem Diffusionsmedium verbleibt.
Die Entfernung von Wasser von dieser Grenzfläche steigert
den Gastransport, wovon angenommen wird, dass dies die Brennstoffzellenleistungsfähigkeit
sogar unter feuchten Bedingungen verbessert.
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Überdies
wird auch angenommen, dass der Zusatz einer hydrophoben Schicht 70, 72 jeglichen Ionomer-”Haut”-Aufbau
vermeidet oder verbessert, der an der Grenzfläche zwischen
Diffusionsmedium und Elektrode vorhanden sein kann, die als Ergebnis einer
Ionomermigration während des Elektrodentrocknungsprozesses
zur Bildung einer herkömmlichen Elektrode gebildet wird.
Von diesem Prozess wird angenommen, dass er bei hohen I/C-Verhältnissen
verschlimmert ist. Es wird angenommen, dass die Ionomerhaut mit
Wasser anschwillt und einen Gastransport verhindert. Somit scheint
der Zusatz einer hydrophoben Schicht 70 auf die Elektrodenoberfläche 51 oder 53 den
Gastransport zu verbessern.
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Bei
einer beispielhaften Ausführungsform kann die hydrophobe
Schicht 70, 72 über der Oberfläche
der Kathodenelektroden 52 bzw. der Anodenelektroden 58 vorgesehen
sein, und die Elektroden können mit höheren I/C-Verhältnissen
formuliert sein, als herkömmliche Elektroden ohne eine
hydrophobe Kohlenstoffschicht. Beispielsweise kann bei einer beispielhaften
Ausführungsform, wie in den 3 und 4 unten
bestätigt ist, das Gewichtsverhältnis von Ionomer
zu Kohlenstoff (I/C-Verhältnis) im Bereich von 0,9 bis
1,24 oder höher liegen, solange die Spannung unter feuchten
Bedingungen sogar bei immer steigenden I/C-Verhältnissen
im Wesentlichen konstant bleibt. Die verschiedenen Ausführungsformen
des höheren I/C-Verhältnisses können
die Zellenleistungsfähigkeit unter sowohl feuchten als
auch trockenen Bedingungen verbessern.
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Um
eine verbesserte Brennstoffzellenleistungsfähigkeit bei
sowohl feuchten als auch trockenen Bedingungen mit dem Zusatz der
hydrophoben Schicht 70, die über die Oberfläche
der Kathodenelektrode 52 eingeführt ist, bei verschiedenen
I/C-Verhältnissen zu bestätigen, wurde eine Reihe
von Experimenten durchgeführt. Diese sind unten in den 3 und 4 zusammengefasst.
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3 vergleicht
eine Leistungsfähigkeit unter feuchten Bedingungen für
die Kathodenelektroden 52 bei drei verschiedenen I/C-Verhältnissen (0,90,
1,10 und 1,24) mit und ohne eine hydrophobe Schicht 70.
Die für die Studie verwendeten feuchten Bedingungen waren
etwa 60 Prozent relative Feuchte bei etwa 60 Grad Celsius unter
wasserstoffhaltiger Luft und mit einer Anoden/Kathoden-Stöchiometrie von
1,5/2. Das Experiment bestätigt, dass für die
drei getesteten I/C-Verhältnisse die Feucht-Spannung bei 1,2
A/cm2 für Kathodenelektroden mit
der hydrophoben Schicht (als hydrophobe Behandlung bezeichnet) höher
ist, als ohne die hydrophobe Schicht. Die Verbesserungsdifferenz,
wie durch den Grad der Spannungsdifferenz bestätigt ist,
wie gezeigt ist, ist für höhere I/C-Verhältnisse
größer als für geringere I/C-Verhältnisse.
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4 vergleicht
die Leistungsfähigkeit unter trockenen Bedingungen für
die in 3 aufgelisteten Kathodenelektroden 52.
Die für die Studie verwendeten trockenen Bedingungen waren
derart, dass die Kanäle für die Brennstoffzelle
kein Wasser enthielten und wobei die relative Feuchte etwa 32 Prozent
relative Feuchte bei etwa 80 Grad Celsius unter wasserstoffhaltiger
Luft und mit einer Anoden/Kathoden-Stöchiometrie von 1,5/2
betrug. Das Experiment bestätigte, dass für die
drei getesteten I/C-Verhältnisse die Trocken-Spannung bei
0,8 A/cm2 für Kathodenelektroden
mit der hydrophoben Schicht (als hydrophobe Behandlung bezeichnet) höher
ist, als ohne die hydrophobe Schicht. Die Verbesserungsdifferenz,
wie gezeigt ist, wie durch den Grad der Spannungsdifferenz bestätigt
ist, ist für höhere I/C-Verhältnisse
größer als für geringere I/C-Verhältnisse.
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Die
obige Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung
ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen
derselben nicht als Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang
der Erfindung zu betrachten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
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-
Zitierte Patentliteratur
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- - US 5272017 [0002]
- - US 5316871 [0002]
- - US 4272353 [0025]
- - US 3134689 [0025]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Journal of
Power Sources, Band 28 (1990), Seiten 367 bis 387 [0025]