DE69938557T2

DE69938557T2 - Verbesserte membranelektrodenanordnung für pem-brennstoffzelle

Info

Publication number: DE69938557T2
Application number: DE69938557T
Authority: DE
Inventors: Myron Avon KRASIJ; Richard D. North Kingstown Breault
Original assignee: UTC Fuel Cells LLC
Current assignee: UTC Power Corp
Priority date: 1998-10-30
Filing date: 1999-10-27
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2019-10-28
Also published as: EP1129497A4; CN1167147C; EP1129497A1; KR100662681B1; JP4505144B2; US6020083A; WO2000026975A1; BR9914923A; EP1129497B1; CN1324500A; KR20010104645A; DE69938557D1; ID29422A; AU1318100A; JP2002529890A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen und Membranelektrodenanordnungen für Brennstoffzellen. Im Spezielleren betrifft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Konstruktion von Brennstoffzellen, um derartige Zellen zu vereinfachen sowie die Herstellungskosten für diese zu reduzieren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellenstromerzeuger sind im Stand der Technik bekannt, und Prototypen sind sogar von kommerziellen Quellen, wie z. B. Ballard Power Systems, Inc., Vancouver, Kanada erhältlich. Diese Systeme sind brauchbar, sind jedoch relativ komplex. Ein Beispiel eines Polymermembran-Stromerzeugers von Ballard Power Systems ist in dem US-Patent Nr. 5,360,679 gezeigt, das am 01. November 1994 erteilt wurde.
Darüber hinaus beinhalten bekannte Brennstoffzellenkonstruktionen üblicherweise eine Protonenaustauschmembran, die zwischen einer Kathodenplatte und einer Anodenplatte angeordnet ist. Die allgemeinen Konstruktionsprinzipien und Betriebsprinzipien von solchen Brennstoffzellen, sind so gut bekannt, dass sie hier nicht in großer Länge erläutert werden müssen. Im Allgemeinen beinhaltet der Betrieb einer Protonenaustauschmembran-(PEM-)Brennstoffzelle die Zufuhr eines gasförmigen Brennstoffs und eines Oxidationsgases zu der Anodenelektrodenplatte bzw. der Kathodenelektrodenplatte, und zwar möglichst gleichmäßig verteilt über die aktiven Oberflächen der jeweiligen Elektrodenplatten, oder im Spezielleren derart, dass die Elektrodenplattenoberflächen der Protonenaustauschmembran zugewandt sind, wobei dazwischen typischerweise jeweils eine Katalysatorschicht vorhanden ist. Eine elektrochemische Reaktion findet an und zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte statt, wobei dadurch ein Produkt der Reaktion zwischen dem Brennstoff und dem Sauerstoff entsteht, eine elektrische Potentialdifferenz zwischen den Elektrodenplatten erzeugt wird und eine Bewegung von elektrischen Ladungsträgern zwischen den Elektrodenplatten stattfindet, wobei der auf diese Weise erzeugte elektrische Strom üblicherweise die nutzbare Ausgangsleistung der Brennstoffzelle bildet.
Ein Problem, das bei Festpolymer-Brennstoffzellen auftritt, besteht hinsichtlich des Wasser-Managements, und zwar sowohl hinsichtlich Kühlwasser als auch hinsichtlich Produktwasser, innerhalb der Zellen in dem Stromerzeuger. Bei einem Festpolymermembran-Brennstoffzellenstromerzeuger wird Produktwasser durch eine elektrochemische Reaktion auf der Kathodenseite der Zellen gebildet, insbesondere durch die Kombination von Wasserstoffionen, Elektronen und Sauerstoffmolekülen. Das Produktwasser muss von der Kathodenseite der Zellen abgeführt werden, und Ausgleichs- bzw. Nachfüllwasser muss der Anodenseite der Zellen in Mengen zugeführt werden, mit denen sich ein Austrocknen der Protonenaustauschmembran verhindern lässt, während ein Überfluten der Kathodenseite der Elektrodenplatte vermieden wird.
Das österreichische Patent Nr. 389,020 beschreibt einen Wasserstoffionenaustauschmembran-Brennstoffzellenstapel, der eine feinporige Wasserkühlplattenanordnung verwendet, um eine passive Kühlmittel- und Wassermanagement-Steuerung zu schaffen. Das österreichische System verwendet eine mit Wasser gesättigte feinporige Plattenanordnung zwischen der Kathodenseite von einer Zelle und der Anodenseite der benachbarten Zelle, um die Zellen sowohl zu kühlen als auch ein einen Übergang von Reaktionsmittel zwischen benachbarten Zellen zu verhindern. Die feinporige Plattenanordnung wird auch zum Abführen von Produktwasser von der Kathodenseite der Ionenaustauschmembran weg sowie in den Kühlwasserstrom hinein verwendet; ferner wird sie zum Leiten von Kühlwasser in Richtung auf die Anodenseite der Ionenaustauschmembran verwendet, um ein Austrocknen der Anode zu verhindern. Die bevorzugte richtungsmäßige Bewegung des Produktwassers und des Kühlwassers wird durch Ausbilden der Wasserkühlplattenanordnungen in zwei Teilen erreicht, wobei der eine Teil eine Porengröße aufweist, die sicherstellt, dass auf der Kathodenseite gebildetes Produktwasser in die feinporige Platte hinein gesaugt wird und durch Kapillarwirkung in Richtung auf das Wasserkühlpassagennetz bewegt wird, das sich im Inneren der Kühlplattenanordnung befindet. Die Kühlplattenanordnung beinhaltet ferner eine zweite Platte, die eine feinporigere Struktur als die erste Platte aufweist und die betriebsmäßig dazu ausgebildet ist, Wasser aus den Wasserkühlpassagen heraus zu saugen und dieses Wasser durch Kapillarwirkung in Richtung zur Anode zu bewegen. Die feinporigen und die feinporigeren Platten jeder Anordnung sind mit Nuten versehen, um das Netz für die Passage des Kühlmittels und das Netz für die Passage des Reaktionsmittels zu bilden, und sind in einander flächig gegenüberliegender Ausrichtung zwischen einander benachbarten Zellen angeordnet. Die feinporigere Platte ist dünner als die feinporige Platte, so dass die Wasserkühlpassagen näher bei den Anoden als bei den Kathoden angeordnet sind. Die vorstehend geschilderte Lösung hinsichtlich des Wassermanagements und der Zellenkühlung bei Ionenaustauschmembran-Brennstoffzellenstromerzeugern ist aufgrund der Erfordernisse der Qualitätskontrolle der feinporigen und der feinporigeren Platten schwer zu erreichen und ist auch teuer, da die Plattenkomponenten nicht einheitlich hergestellt werden.
Bei der Brennstoffzellentechnologie handelt es sich bei der Wassertransportplatte um ein poröses Gebilde, das mit Wasser gefüllt ist. Während des Brennstoffzellenbetriebs führt die Wassertransportplatte Wasser lokal zu, um die Befeuchtung einer Protonenaustauschmembran (PEM) aufrechtzuerhalten, sie entfernt an der Kathode gebildetes Produktwasser, führt als Nebenprodukt erzeugte Wärme über einen zirkulierenden Kühlwasserstrom ab, leitet Elektrizität von Zelle zu Zelle, bildet einen Gasseparator zwischen einander benachbarten Zellen und bildet Passagen zum Leiten der Reaktionsmittel durch die Zelle. Die Wassertransportplatte führt der Brennstoffzelle Wasser zu, um das Wasser wieder aufzufüllen, das durch Verdunstung von dieser verloren gegangen ist. Dieses System sowie die Arbeitsweise davon sind in dem US-Patent Nr. 5,30,944 von Meyer, dem US-Patent Nr. 5,700,595 von Reiser und dem US-Patent Nr. 4,769,297 von Reiser beschrieben, wobei diese Schriften jeweils durch Bezugnahme zu einem bestimmten Teil der vorliegenden Beschreibung gemacht werden.
Damit eine Brennstoffzelle wirtschaftlich sinnvoll ist, muss sie nicht nur eine bessere Ausbildung und die gewünschten Leistungseigenschaften aufweisen, sondern sie muss sich auch in Massen herstellen lassen. Die Massenherstellung von Brennstoffzellenkomponenten wirft mehrere Fragen auf, die von großer Bedeutung sind. Die Herstellungskosten müssen ohne Opfer bei der Qualität und der Effizienz der Zelle möglichst gering sein. In dem Ausmaß, in dem Brennstoffzellenkomponenten komplexer werde und eine größere Anzahl von Komponenten in einer bestimmten Brennstoffzelle erforderlich ist, steigen die Kosten für diese Zelle in signifikanter Weise.
Brennstoffzellenkomponenten, wie z. B. Doppelschichten, Katalysatorschichten, Substrate und Wassertransportplatte, werden zunehmend komplexer und erfordern eine Dimensionierung mit hoher Genauigkeit. Im Spezielleren verwenden Brennstoffzellenkomponenten des Standes der Technik üblicherweise Randdichtungen, die in Kombination mit den vorstehend geschilderten Komponenten enge Toleranzen bei dem Herstellunsvorgang erforderlich machen, um zu vermeiden, dass die Komponente zu Ausschuss wird, und um eine wirksame Dichtung zu schaffen. Das Erfordernis zum Aufrechterhalten von engen Toleranzen ist aufgrund der inhärenten Stufendiskontinuitäten bedingt, die in Verbindung mit der Verwendung von Randdichtungen innerhalb bekannter Brennstoffzellenanordnungen bestehen.
Ferner besteht ein wesentliches Problem bei PEM-Brennstoffzellen hinsichtlich der Verteilung des Reaktionsmittels und dem Halten von diesem innerhalb der Zellen. Dies ist besonders wichtig bei der Verwendung von porösen Elementen, wie z. B. Elektronensubstraten. Diese Porosität ist notwendig für die Zufuhr und die im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung des jeweiligen gasförmigen Mediums über die jeweilige aktive Oberfläche, wobei das gasförmige Medium durch jeweilige Kanäle in der Anodenwassertransportplatte und der Kathodenwassertransportplatte zu den Bereichen der jeweiligen Elektrodenplatte zugeführt wird, die katalytisch aktiv sind und von der Protonenaustauschmembran beabstandet sind. Ferner werden diese porösen Gebilde dafür verwendet, Reaktionswasser von einer der aktiven Oberflächen abzuleiten und der anderen aktiven Oberfläche Wasser zuzuführen, um ein Austrocknen der Protonenaustauschmembran zu vermeiden.
Wenn poröse Wassertransportplatten und poröse Elektrodensubstrate in einer PEM-Brennstoffzelle verwendet werden, muss sichergestellt werden, dass keinerlei Flüssigkeit, wie z. B. Produktwasser oder Kühlwasser in einer PEM-Brennstoffzelle, noch irgendein gasförmiges Medium, der Brennstoff oder das Oxidationsmittel, in der Lage sind an der Peripherie oder dem Rand der jeweiligen porösen Wassertransportplatte oder des jeweiligen Elektrodensubstrats nach innen oder nach außen zu strömen. Das Entweichen von Reaktionsmittelgasen durch die Peripherie oder den Rand der Wassertransportplatten oder des Elektrodensubstrats führt zu dem Verlust des betreffenden Mediums, so dass es zu einer Verringerung bei der Effizienz der Brennstoffzelle kommt. Am Wichtigsten ist das Verhindern des Entweichens von Medien durch die Peripherie oder durch den Rand der Wassertransportplatte oder des Elektrodensubstrats von kritischer Bedeutung, um eine Mischung des gasförmigen Brennstoffs mit dem Oxidationsgas oder der Umgebungsluft zu vermeiden, was katastrophale Folgen haben könnte. Aus diesem Grund müssen die Herstellungstoleranzen auf einem Minimum gehalten werden und Stufendiskontinuitäten müssen eliminiert werden, um eine wirksame Dichtung zu gewährleisten und einen korrekten Brennstoffzellenbetrieb zu realisieren. Zum Vermeiden von Korrosion bei den Komponenten muss ferner verhindert werden, dass Sauerstoff den Katho denkatalysator in seinem entsprechenden Dichtungsbereich und die zugeordneten hohen Potentiale auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle erreicht.
Es sind bereits verschiedene Versuche im Stand der Technik unternommen worden, um eine Dichtungsausbildung für eine PEM-Brennstoffzelle zu schaffen, um den Effekt von schlechten Herstellungstoleranzen und Stufendiskontinuitäten zu minimieren. Ein solcher Versuch ist in dem US-Patent Nr. 5,176,966 von Epp et al. beschrieben, das durch Bezugnahme zu einem Bestandteil der vorliegenden Beschreibung gemacht wird. Dieses Patent offenbart z. B. eine Festpolyme-Ionenaustauschmembran, die zwischen zwei Kohlenstofffaserpapierträgerschichten angeordnet ist. Zwischen den Trägerschichten und der Austauschmembran sind Katalysatorschichten angeordnet. Die Trägerschichten tragen im Wesentlichen die gesamte Oberfläche der Austauschmembran. Diese Konstruktion ist jedoch anfällig für Korrosion aufgrund der schlechten peripheren Abdichtung, um Sauerstoff am Erreichen des Kathodenkatalysators zu hindern. Beispielsweise lehrt auch das US-Patent Nr. 5,264,299 eine solche Konstruktion, wobei diese Veröffentlichung durch Bezugnahme zu einem Bestandteil der vorliegenden Beschreibung gemacht wird.
Die US 5,523,175 und die US 4,664,988 offenbare beide Brennstoffzellenkomponenten, bei denen periphere Bereiche für Dichtungszwecke imprägniert sind.
Die DE 197 09 199 A1 offenbart eine Gasdiffusionselektrode, die aus zwei separaten Schichten und einer zusätzlichen Katalysatorschicht gebildet ist.
Die WO 98/24136 offenbart eine Elektrodenkonstruktion, die durch Zusammenlaminieren einer Mehrzahl von Metallflächenkörpern gebildet ist. Die Metallflächenkörper weisen gleichmäßig angeordnete Öffnungen durch die Flächenkörper hindurch auf. Die einzelnen Metallflächenkörper werden dadurch miteinander verbunden, dass periphere Bereich von diesen mit einem Verbindungsmittel beschichtet werden und die einzelnen Metallflächenkörper miteinander verbunden werden.
Die EP 1 078 408 B1 weist eine Membranelektrodenanordnung auf, die aus einer inneren Protonenaustauschmembran gebildet ist, die sich über die porösen Elektrodenschichten und Schutzschichten hinaus erstreckt, die beidseits von dieser gebildet sind.
In Anbetracht des Vorstehenden ist die Schaffung einer verbesserten Brennstoffzelle wünschenswert, die kostengünstig ist und für die Massenherstellung geeignet ist. Ferner ist es wünschenswert, dass eine PEM-Brennstoffzelle eine Membranelektrodenanordnung beinhaltet, die Stufenkonfigurationen eliminiert und damit Stufendiskontinuitäten vermeidet. Es ist eine verbesserte Brennstoffzelle erwünscht, bei der sich die Membranelektrodenanordnung kontinuierlich und in Massenproduktion herstellen lässt, wobei sich die Herstellungstoleranzen in einfacher Weise einhalten lassen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wart die Vorteile einer Protonenaustauschmembran für Brennstoffzellen gemäß dem Stand der Technik. Zusätzlich dazu schafft sie neue Vorteile, die bei derzeit verfügbaren Brennstoffzellen nicht vorhanden sind, und sie überwindet viele Nachteile von solchen derzeit verfügbaren Brennstoffzellen.
Die vorliegende Erfindung ist im Allgemeinen auf eine neuartige Brennstoffzelle mit einer verbesserten Membranelektrodenanordnung-(MEA-)Konstruktion gerichtet. Die verbessere MEA besteht aus einer Protonenaustauschmembran, deren Oberflächen über die gesamte Flächendraufsicht der Zelle mit Katalysator beschichtet sind. Angrenzend an beide Katalysatorschichten befinden sich sogenannte Gasdiffusions-Doppelschichten, die im Stand der Technik allgemein bekannt sind. Die Doppelschichten sind auf porösen Graphitsubstraten abgestützt, die im Stand der Technik ebenfalls allgemein bekannt sind. Sowohl die Doppelschichten als auch die Substrate sind miteinander erstreckungsgleich und auch erstreckungsgleich mit der Protonenaustauschmembran und der Katalysatorschicht. Die Peripherie der Substrate ist mit einem Elastomer imprägniert, um eine Reaktionsmitteldichtung zu erzeugen, und die frei liegende Oberfläche der Doppelschichten ist an der dem imprägnierten Bereich des Substrats gegenübeliegenden Peripherie mit einem Elastomer beschichtet, um ein Durchdringen von Reaktionsmittel zu dem Katalysator zu verhindern und auf diese Weise Korrosion zu verhindern.
Die Membranelektrodenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung wird in einer kontinuierlichen Weise hergestellt, um die Probleme in Verbindung mit Membranelektrodenanordnungen des Standes der Technik zu vermeiden. Beispielsweise eliminiert die Anordnung der vorliegenden Erfindung eine Anzahl von Elementen von bekannten Membranelektrodenanordnungen, wie z. B. separate Dichtungen und Randdichtungen. Die kontinuierliche Herstellung der Protonenaustauschmembran, der Katalysatorschichten und der Doppelschichten, bei denen die jeweiligen Schichten miteinander erstreckungsgleich sind, führt zu einer starken Vereinfachen des Herstellungsvorgangs, so dass Stufendiskontinuitäten und strenge Toleranzanforderungen eliminiert sind, die in Ver bindung mit Anordnungen bestehen, die die vorstehend beschriebenen Dichtungen und Randdichtungen aufweisen. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind strikte Toleranzanforderungen während der Herstellung der Membranelektrodenanordnungen vermieden, so dass sich viel geringere Ausschussraten ergeben, als diese bei der Herstellung von Anordnungen des Standes der Technik realisiert werden können.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Schaffung einer PEM-Brennstoffzellenanordnung mit einer Membranelektrodenanordnung, die gute Dichtungseigenschaften aufweist und sich kostengünstig herstellen lässt.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer PEM-Brennstoffzellenanordnung, die eine Membranelektrodenanordnung beinhaltet, bei der Stufendiskontinuitäten eliminiert sind.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die neuartigen Merkmale, die für die vorliegende Erfindung charakteristisch sind, sind in den beigefügten Ansprüchen angegeben. Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung zusammen mit weiteren zielen und damit verbundenen Vorteilen sind jedoch am Besten unter Bezugnahme auf die nachfolgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den Begleitzeichnungen zu verstehen; darin zeigen:
1 eine Perspektivansicht der PEM-Brennstoffzelle mit der verbesserten Randdichtungsausbildung der vorliegenden Erfindung;
2 eine Schnittdarstellung entlang der Linie 2-2 der 1; und
3 eine Draufsicht auf eine Doppelschicht der vorliegenden Erfindung mit einer darauf vorhandenen peripheren Beschichtung aus Dichtungsmaterial.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Unter Bezugnahme sowohl auf die 1 als auch auf die 2 beinhaltet eine Protonenaustauschmembran-(PEM-)Brennstoffzelle 10 in der dargestellten Weise eine Kathodenwassertransportplatte 12 und eine Anodenwassertransportplatte 16, die gemäß verschiedenen, in der Technik bekannten Herstellungsverfahren gebildet werden können. Die Kathodenwassertransportplatte 12 beinhaltet Kathodenluftströmungskanäle 14, während die Anodenwassertransportplatte 16 Anodenbrennstoffströmungskanäle 18 beinhaltet. Die Kathodenwassertransportplatte 12 beinhaltet einen Kühlmittelströmungskanal 26.
In Verbindung mit den vorstehend erläuterten verbesserten Wassertransportplatten 12 und 16 schafft die PEM-Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Randdichtungsausbildung, die eine nasse Randdichtung 22 in der Wassertransportplatte verwendet, um das Eindringen von Reaktionsmittelgas in das Wassersystem und umgekehrt zu verhindern, wobei sie die gleiche nasse Randdichtung auch dafür verwendet, ein Entweichen von Kühlwasser und Produktwasser zu verhindern. Die Wassertransportplatten 12 und 16 sind vorzugsweise aus Graphitpulver, Zellulosefasern und Verstärkungsfasern gebildet, die alle unter Verwendung eines unter Wärme aushärtenden Harzes miteinander verbunden sind und einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um die organischen Materialien in Kohlenstoff umzuwandeln.
Alternativ hierzu kann die von der vorliegenden Erfindung geschaffene verbesserte Membranelektrodenanordnung mit nicht-porösen Reaktionsmittelströmungsfeldplatten anstelle des bevorzugten kombinierten Wassertransportplatten-/Reaktionsmittelströmungsfeldes verwendet werden.
Zwischen der Kathodenwassertransportplatte 12 und der Anodenwassertransportplatte 16 ist eine Membranelektrodenanordnung (MEA) angeordnet, die allgemein mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet ist. Innerhalb der Membranelektrodenanordnung 20 ist ein Kathodensubstrat 32 mit einer darauf befindlichen Kathodendoppelschicht (Kathodengasdiffusionsschicht) 50 und einer mit einem Elastomer imprägnierten Substratdichtung 52 vorgesehen. Die Kathodendop pelschicht 50 ist im Wesentlichen erstreckungsgleich mit dem Kathodensubstrat 32. Ferner ist ein Anodensubstrat 34 mit einer darauf befindlichen Anodendoppelschicht (Anodengasdiffusionsschicht) 38 sowie mit einer mit einem Elastomer imprägnierten Substratdichtung 36 vorhanden. Die Anodendoppelschicht 38 ist im Wesentlichen erstreckungsgleich mit dem Anodensubstrat 34. Bei dem Dichtungsimprägniervorgang verbleiben der kathodenseitige Dichtungsaufbau 62 und der anodenseitige Dichtungsaufbau 60, um als Grenzflächendichtung zwischen den Substraten 32 und 34 und den jeweils entsprechenden Wassertransportplatten 12 und 16 zu dienen.
Der Anodenkatalysator 40 und der Kathodenkatalysator 44 sind mit einer sandwichartig dazwischen angeordneten Protonenaustauschmembran 48 versehen. Die Katalysatorschichten 40 und 44 sind vorzugsweise erstreckungsgleich mit der Protonenaustauschmembran 48, wobei es sich um Platin oder um ein anderes geeignetes Katalysatormaterial handeln kann. Alternativ hierzu können die Katalysatorschichten 40 und 44 in der Flächendraufsicht auch kleiner sein als die Membran 48. Eine Anodendoppelschicht-Oberflächendichtung 42 ist auf der einen Anodendoppelschicht 38 vorgesehen, während eine Kathodendoppelschicht-Oberflächendichtung 46 auf der Kathodendoppelschicht 50 vorgesehen ist.
3 veranschaulicht eine Draufsicht auf die Kathodendoppelschicht-Oberflächendichtung 46 auf der Kathodendoppelschicht 50, wobei die Dichtung 46 vorzugsweise um den gesamten peripheren Randbereich 64 der Kathodendoppelschicht 60 herum angeordnet ist. Ein zentraler Bereich 66 ist frei von der Dichtung 46. Die Draufsicht der Anodendoppelschicht-Oberflächendichtung 42 ist aus Gründen der Vereinfachung nicht dargestellt, ist jedoch mit der Kathodendoppelschicht-Oberflächendichtung 46 in einer invertierten Position identisch. Die Ausbildungen der Oberflächendichtungen 42 und 46 sind derart, dass der Sauerstoff an einem Erreichen des Kathodenkatalysators 44 gehindert ist, wodurch hohe Potentiale auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle 10 verursacht werden und ungewollte Korrosion entsteht. Dies wird erreicht durch Aufbringen der Oberflächendichtungen 42 und 46 durch allgemein bekannte Verfahren, wie z. B. Siebdruck eines elastomeren Dichtungsmaterials, wie z. B. FLUOROLAST, Typ SB oder WB, hergestellt von Fluorolast, einer Abteilung von Laureen, mit einem inerten Füllstoff, wie z. B. Siliziumkarbit, auf den Doppelschichten 38 bzw. 50. Alternativ hierzu kann SYLGARD, hergestellt von de Dow Chemical Corporation, als elastomeres Dichtungsmaterial verwendet werden. Darüber hinaus kann auch eine Kombination aus FLUOROLAST und SYLGARD gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Alternativ hierzu kann der inerte Füllstoff eliminiert werden.
Im Spezielleren weisen die Anodendoppelschicht 38 und die Kathodendoppelschicht 50 keine Randdichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auf. Die Porengröße der Doppelschichten 38 und 50 ist mit einer sehr kleinen Querschnittsfläche sehr klein gewählt, um dadurch die Gasdurchlässigkeit in der Ebene zu minimieren und dadurch eine geringe Reaktionsmittel-Leckage selbst ohne das Vorhandensein einer mit einem Polymer imprägnierten Randdichtung zu gewährleisten. Bei den Doppelschichten 38 und 50 handelt es sich vorzugsweise um Rußmaterial mit einer geringen Dicke, um die Reaktionsmittel-Leckage weiter zu reduzieren.
Bei dem Herstellungsvorgang handelt es sich bei dem Kathodensubstrat 32 und dem Anodensubstrat 34 um poröses Kohlenstoffpapier, Typ TGP-006, das von der Toray Marketing & Sales, Inc., Encino, Kalifornien erhältlich ist. Diese Substrate werden selektiv mit einem Fluorpolymer, wie z. B. Teflon vom Typ FEP-120, erhältlich von E. I. DuPont Co., Wilmington, Delaware, auf eine Fluorpolymerkonzentration von 10 bis 20 Gew.-% selektiv nassfest gemacht. Das Substrat wird derart selektiv nassfest gemacht, dass der zentrale Bereich 66 nassfest ist und der periphere Dichtungsbereich 46 nicht nassfest ist. Die nassfeste Ausführung kann mittels in der Technik allgemein bekannter Verfahren erfolgen, wie z. B. Siebdruck. Die Doppelschichten 50 und 38 werden auf die Substrate 32 bzw. 34 aufgebracht. Die sogenannten Gasdiffusions-Doppelschichten werden typischerweise gebildet aus einem HS-(High-Structure-)Rußmaterial, wie z. B. Vulcan XC-72, hergestellt von Cabot Co., Billrecia, Massachusetts, sowie 35 bis 65 Gew.-% Fluorpolymer, wie z. B. dem bereits genannten FEP-120 oder dem Typ TFE-30 oder einem Äquivalent. Die Doppelschicht wird durch in der Technik allgemein bekannte Verfahren aufgebracht, wie dies z. B. in dem US-Patent Nr. 4,233,181 der Anmelderin beschrieben ist. Die Doppelschichten weisen typischerweise eine Dicke von 0,051 mm (0,002 Inch) bis 0,127 mm (0,005 Inch) auf.
Die Herstellung der MEA, d. h. der Doppelschicht und der feinporigen Schichtkomponenten der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf das nachfolgende, der Erläuterung dienende Beispiel weiter erläutert. Dieses Beispiel soll den Vorgang zum Bilden der Doppelschicht und der feinporigen Schichten der MEA gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Es wurden Tests an den Komponenten ausgeführt, um die Dichtungseigenschaften der verbesserten Zelle zu ermitteln. Dies soll jedoch nicht den Umfang von dieser beschränken.
BEISPIEL
Ein Elektrodensubstrat aus porösem Graphit, vom Typ TGP-006 mit einer Dicke von 0,178 mm (0,007 Inch), das von Toray stammt, wurde mit einer Gasdiffusions-Doppelschicht beschichtet, die aus Vulcan XC-72 und 50 Gew.-% Teflon FEP-120 bestand, und zwar mittels des allgemeinen Verfahrens, das in dem US-Patent Nr. 4,233,181 beschrieben ist. Die Dicke der Doppelschicht betrug etwa 0,102 mm (0,004 Inch). Die Doppelschicht wurde 15 Minuten lang auf etwa 349°C (660°F) erwärmt. Ein Band mit einer Breite von 6,35 mm bis 9,53 mm (1/4 Inch bis 3/8 Inch) um die Ränder eines Teststücks der Doppelschicht-/Substratkombination mit einer Größe von 76,2 mm × 76,2 mm (3 Inch × 3 Inch) wurde mit FLUOROLAST Typ WB unter Verwendung einer Bürste beschichtet, um das Hohlraumvolumen des Substrats zu imprägnieren und die Oberfläche der Doppelschicht zu beschichten. Das Teststück ließ man an de Luft trocknen und wurde dann bei 66°C für eine Zeitdauer von 30 Minuten im Ofen getrocknet. Die mit FLUOROLAST behandelte Doppelschicht-/Substratkombination wurde mit einer Wassertransportplatte aus porösem Graphit mit einer Größe von 76,2 mm × 76,2 mm × 1,829 mm (3 Inch × 3 Inch × 0,072 Inch), hergestellt von International Fuel Cells, verbunden, wobei diese eine mittlere Porengröße von ca. 2,5 μm aufweist und eine Porosität von etwa 35 % besitzt. Die Verbindungsbedingungen beinhalteten eine Temperatur von etwa 177°C (350°F) bei einer Last von etwa 363 kg (800 Pounds) für eine Dauer von 10 Minuten. Eine Öffnung mit einem Durchmesser von 6,35 mm (0,25 Inch) wurde in das Zentrum der ver bundenen Anordnung geschnitten. Die verbundene Anordnung wurde in Vorbereitung für eine Leckagetest unter einem Vakuum mit Wasser gefüllt. Die mit Wasser gefüllte Anordnung wurde in einer Drucktestvorrichtung angebracht, und die Leckage wurde unter Verwendung eines Stickstoffgases gemessen. Leckage wurde bei einem Druck von 6,9 kPa Überdruck (1,0 psig) mit 0,2 cm³ pro linearem Inch der Dichtung gemessen, wobei dies die Anforderungen erfüllt.
Durch die PEM-Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung werden zahlreiche Vorteile realisiert. Die Fähigkeit zum Herstellen der Membranelektrodenanordnung einschließlich der PEM in kontinuierlicher Weise sorgt für eine große Vereinfachung der Massenherstellung sowie zum Vermeiden von hohen und teuren Ausschussraten. Die Eliminierung von Stufendiskontinuitäten bei der PEM-Zellenkonstruktion vermeidet die Notwendigkeit von engen Toleranzen in der Zellenkonstruktion, wobei dies wiederum zu einer Reduzierung der Gesamtkosten bei der Herstellung der vorstehend erläuterten PEM-Zellenkomponenten führt.
Für die Fachleute versteht es sich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen an den dargestellten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne dass man den Umfang der vorliegenden Erfindung in der beanspruchten Form verlässt. Alle solchen Modifikationen und Änderungen sollen von den beigefügten Ansprüchen mit umfasst sein.

Claims

Protonenaustauschmembran-Elektrodenanodnung (20) aufweisend: eine vollflächige Protonenaustauschmembran (48) mit einem zentralen Bereich auf ihren beiden Seiten; Katalysatorschichten (40; 44), von denen jede mit einer der beiden Seiten der vollflächigen Protonenaustauschmembran (48) in Verbindung steht; Gasdiffusionsschichten (38; 50), die jeweils mit der Seite der Katalysatorschichten (40; 44) in Verbindung stehen, die nicht mit der vollflächigen Protonenaustauschmembran (48) in Verbindung steht; poröse Substrate (44; 32), die jeweils mit Seiten der Gasdiffusionsschichten (38; 50) in Verbindung stehen, die nicht mit den Katalysatorschichten (40; 44) in Verbindung stehen, wobei jedes der porösen Substrate (44; 32) an seiner Peripherie mit einem Dichtungsmaterial imprägniert ist; wobei die porösen Substrate (44; 32) und die Gasdiffusionsschichten (38; 50) während des Betriebs der Protonenaustauschmembran-Elektrodenanordnung (20) durch ihre Poren Reaktionsmittel auf die Seite der Anode bzw. die Seite der Kathode der vollflächigen Protonenaustauschmembran (48) zuführen; wobei die Gasdiffusionsschichten (38; 50) auf ihren jeweiligen Seiten in Bereichen gegenüber den mit Dichtungsmaterial imprägnierten Bereichen (36; 52) der porösen Substrate (44; 32) mit einem Dichtungsmaterial beschichtet sind, wobei die Dichtungsmaterial-Beschichtungen (42; 46) keine mit Dichtungsmaterial imprägnierten Randdichtungen der Gasdiffusionsschichten (38; 50) bilden; wobei die Gasdiffusionsschichten (38; 50) eine derart kleine Porengröße und eine derart geringe Querschnittsfläche aufweisen, dass die Gasdurchlässigkeit in der Ebene minimiert ist und dadurch eine geringe Reaktionsmittel-Leckage selbst ohne Randdichtung gewährleistet ist; wobei die Gasdiffusionsschichten (38; 50) und die porösen Substrate (44; 32) erstreckungsgleich mit der vollflächigen Protonenaustauschmembran (48) sind; und wobei die Katalysatorschichten (40; 44) entweder erstreckungsgleich oder kleiner in der Flächendraufsicht sind als die vollflächige Protonenaustauschmembran (48).
Protonenaustauschmembran-Elektrodenanordnung (20) nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Dichtungsmaterial um ein Elastomer handelt.
Protonenaustauschmembran-Elektrodenanordnung (20) nach Anspruch 1, wobei die vollflächige Protonenaustauschmembran (48), die Katalysatorschichten (40; 44), die Gasdiffusionsschichten (38; 50) und die porösen Substrate (44; 32) zur Bildung einer Membranelektrodenanordnung (20) miteinander verbunden sind.
Protonenaustauschmembran-Elektrodenanordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jedes der porösen Substrate (44; 32) einen zentralen Bereich und einen peripheren imprägnierten Bereich (36; 42) aufweist, wobei der periphere imprägnierte Bereich (36; 52) integral mit sowie den zentralen Bereich umfangsmäßig vollständig umgebend ausgebildet ist.
Brennstoffzelle (10), aufweisend: eine Protonenaustauschmembran-Elektrodenanordnung (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 5, mit einer Kathodenwassertransportplatte (12) und einer Anodenwassertransportplatte (16), wobei es sich bei den Transportplatten (12; 16) um poröse Gebilde handelt, die mit Wasser gefüllt sind.