DE69836109T2 - Gasdiffusionsschicht für Brennstoffzelle mit festen Polymerelektrolyten - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gasdiffusionsschichtmaterial zur Benutzung in einer Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyten, die eine Membranelektrodeneinheit benutzt, bei der eine Katalysatorschicht auf der Oberfläche einer festen Polymerelektrolytmembran gebildet wird.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • In der Vergangenheit sind als Elektroden für elektrochemische Geräte, bei denen ein fester Polymerelektrolyt benutzt wird, Elektroden vorgeschlagen worden, die durch folgende Verfahren hergestellt wurden:
    Eine aus einer Mischung aus Polytetrafluorethylen (PTFE) oder etwas anderem wie einem hydrophoben Bindemittel und Kohleschwarz zusammengesetzte Schicht wird auf der Oberfläche oder inneren Hohlräumen von Kohlepapier oder etwas ähnlichem gebildet, das einer Wasserabstoßbehandlung mit PTFE oder etwas ähnlichem unterzogen wurde, hergestellt und es wird eine Katalysatorschicht auf der Oberfläche der ersten Schicht gebildet und danach wird dieses Produkt mit einer festen Polymerelektrolytmembran durch Heißpressen oder etwas ähnlichem verbunden.
  • Eine pastöse oder tintenähnliche Flüssigkeit, die durch Mischen einer PTFE-Dispersion mit einer Katalysatorsubstanz, oder durch Mischen einer festen Polymerelektxolytharz-Lösung, oder einer Harzlösung oder einer Vorläufersubstanz davon mit einer Katalysatorsubstanz erhalten wurde, wird direkt auf einer festen Polymerelektrolytmembran aufgetragen und dieser Belag wird getrocknet, erhitzt und geformt oder außerdem durch Heißpressen geformt.
  • Eine pastöse oder tintenähnliche Flüssigkeit, die durch Mischen einer PTFE-Dispersion mit einer Katalysatorsubstanz, oder durch Mischen einer festen Polymerelektrolytharz-Lösung, oder einer Harzlösung oder einer Vorläufersubstanz davon mit einer Katalysatorsubstanz erhalten wurde, wird auf einer Ablösefolie, wie einer PTFE-Folie aufgetragen und dieser Belag wird getrocknet und erhitzt und die so erzeugte Katalysatorschicht wird durch Heißpressen oder etwas ähnlichem mit der festen Polymerelektrolytmembran verbunden und die Ablösefolie wird anschließend abgepellt.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gasdiffusionsschicht/Kollektor, die/der für eine, nach den obigen Verfahren 2 oder 3 oder ähnliche Verfahren gebildeten Membran-Elektrodeneinheit mit einem festen Polymerelektrolyten benutzt wird.
  • Aus der Vergangenheit bekannte Materialien zur Benutzung in einer Gasdiffusionsschicht/Kollektor, umfassen Kohlepapier oder einer Wasserabstoßbehandlung unterzogenes Kohlepapier oder eine aus mit Fluorharz (als Binder/Wasser abweisend) gemischtes Kohlenschwarz bestehende und auf der Oberfläche dieses Kohlepapiers gebildete Schicht oder diese in den Poren des Kohlepapiers komprimierte Mischung.
  • Die Benutzung von Kohlenstofffasergewebe anstatt dieses Kohlepapiers ist ebenfalls vorgeschlagen worden (z.B. US-Patent 4647539 und die offen gelegte japanische Patentanmeldung 58-165254).
  • Es war jedoch ein Nachteil der oben beschriebenen bekannten Gasdiffusionsschichten/Kollektoren, obwohl die Leitfähigkeit in Oberflächenrichtung gut war, da das Kohlepapier ein Struktur aufweist, bei der die Kohlenstofffasern durch den Kohlenstoff miteinander verbunden waren, dass die Leitfähigkeit in Richtung der Dicke geringer als in der Oberflächenrichtung war. Was die mechanischen Eigenschaften angeht, war die Steifigkeit hoch, das Material war jedoch verhältnismäßig spröde und wies ein eine schwache Elastizität auf, und wenn eine gewisse Druckhöhe beim Versuch, einen guten elektrischen Kontakt zu erreichen, überschritten wurde, wurde die Struktur leicht zerbrochen und die Leitfähigkeit und Luftdurchlässigkeit wurden schwächer. Außerdem war die Luftdurchlässigkeit in Oberflächenrichtung nicht gut, obgleich die Struktur des Kohlepapiers in der Richtung der Dicke eine gute Luftdurchlässigkeit aufwies und aus diesem Grunde konnte keine gute Gasdiffusion in Oberflächenrichtung erwartet werden. Folglich war die Gasdiffusion durch die rippenförmigen, die Gaskanäle im Brennstoffzellen-Separator gebildeten bildenden Vorsprünge blockiert und die Zellenleistungsfähigkeit wurde folglich geschwächt.
  • Ein Kohlenstofffasergewebe kann jedoch anderseits gefaltet werden ohne die oben erwähnte mechanische Zerbrechlichkeit aufzuweisen und es ist in Abhängigkeit von der Faserstruktur und der Art wie das Material gefaltet worden ist, möglich, Elastizität in Richtung der Dicke zu erreichen. Ein Kohlenstofffasergewebe weist jedoch einen unstabilen elektrischen Kontakt d.h. Widerstand auf da die Fasern nicht befestigt sind und es besteht außerdem die Gefahr, dass eine zu starke Faltung einen Verlust der Kontaktform mit dem Elektrolyten und der Katalysatorelektrode zur Folge hat. Angesichts dieser Tatsache ist vorgeschlagen worden, dass die aus Fluorharz und Kohleschwarz bestehende Mischung vollständig in den Hohlräumen des Kohlenstofffasergewebes, wenn ein herkömmliches Kohlenstofffasergewebe benutzt wird, komprimiert wird, wie es in dem US-Patent 4647539 und der offen gelegten japanischen Patentanmeldung 58-165254 beschrieben wird. Dieses Verfahren erlaubt in der Tat einen gewissen Steifigkeitsgrad und eine stabile Leitfähigkeit, aber da die Hohlräume mit Fluorharz und Kohleschwarz, die eine geringe Gasdurchlässigkeit aufweisen, komprimiert gefüllt sind, ist die Gasdiffusion in Oberflächenrichtung besonders schlecht und so geht der durch die Benutzung eines Kohlenstofffasergewebes erlangte Vorteil wieder verloren.
  • Diese Gasdiffusionsschichten/Kollektoren sind zusammen mit Brennstoffzellen, die eine elektrolytische Lösung benutzen, und insbesondere Phosphorsäure-Brennstoffzellen untersucht worden. Die Materialien müssen deshalb nicht nur als Gasdiffusionsschicht sondern auch als Elektrode funktionieren, und es sind deshalb Materialien vorgeschlagen worden die einen Katalysator in ihrer Struktur aufweisen. Deshalb sind diese Materialien nicht für eine Benutzung in festen Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen die keine elektrolytische Lösung benutzen, und so nicht notwendigerweise eine optimale Struktur für Gasdiffusionsschichten/Kollektoren aufweisen, studiert worden.
  • Die Erfinder erhielten bei der vorliegenden Erfindung als Ergebnis der Untersuchung eine/einen Gasdiffusionsschicht/Kollektor die/der leicht in großer Menge hergestellt und die/der optimal in einer unkonventionellen Brennstoffzelle benutzt werden kann, bei der ein fester Polymerelektrolyt benutzt wird, und bei der eine Katalysatorschicht vorzeitig mit einer festen Elektrolytmembran verbunden wird, das heißt bei der die oben erwähnte Membranelektrodenverbindung (2) oder (3) benutzt wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyten bereitgestellt, umfassend eine Gasdiffusionsschicht, einem festen Polymerelektrolyten und eine an den festen Polymerelektrolyten angrenzende Katalysatorschicht wobei die Gasdiffusionsschicht ein Kohlenstofffasergewebe umfasst, das eine Oberfläche und eine Beschichtung aus Fluorharz enthaltendem Kohlenschwarz auf besagter Oberfläche aufweist, worin das besagte Kohlenstofffasergewebe in der Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyten angeordnet ist so dass besagte Beschichtung an die besagte Katalysatorschicht in der Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyten angrenzt.
  • Da der Elektrolyt in einer festen Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle fest ist, braucht die Elektrode entlang dem elektrischen Kontakt nicht steif zu sein so lange der elektrische Kontakt aufrechterhalten bleibt, wenn die Brennstoffzelle eine Membranelektrodenverbindung der oben beschriebenen Art (2) oder (3) aufweist, und es ist im Augenblick wichtiger, dass die Gasdiffusionsschicht rippenförmige Vorsprünge und eine gute Drainage des Produktwassers und Befeuchtungswassers, das dazu dient, eine gute Gasdiffusion und Ionenleitfähigkeit auf der ganzen Oberfläche sicherzustellen, aufweist. Angesichts dieser Tatsachen konzentriert sich die vorliegende Erfindung auf Kohlenstofffasergewebe, das als wesentliches Merkmal eine gute Gasdiffusion in Oberflächenrichtung aufweist, mechanisch faltbar und widerstandsfähig gegenüber Kompression ist, wodurch ein guter elektrischer Kontakt bei der benutzten Brennstoffzelle sichergestellt wird und das führte die Erfinder dazu, die vorliegende Erfindung zu vervollkommnen. Die vorliegende Erfindung stellt insbesondere Folgendes zur Verfügung:
    eine Gasdiffusionsschicht für eine Brennstoffzelle mit einem festen Polymerelektrolyt und eine an den festen Polymerelektrolyten angrenzende Katalysatorschicht, wobei die Gasdiffusionsschicht ein Kohlenstofffasergewebe umfasst, das eine Oberfläche und eine Beschichtung aus Fluorharz (wie Polytetrafluorethylen) enthaltendem Kohlenschwarz auf besagter Oberfläche aufweist, worin das besagte Kohlenstofffasergewebe in der Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyten angeordnet ist so dass besagte Beschichtung an die besagte Katalysatorschicht in der Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyten angrenzt. Bevorzugt durchdringt die besagte Beschichtung das Kohlenstofffasergewebe um nicht mehr als die halbe Dicke. Bevorzugter durchdringt die besagte Beschichtung das Kohlenstofffasergewebe um nicht mehr als ein Drittel der Dicke. Das Kohlenstofffasergewebe kann mit einem Wasser abweisenden Fluorharz (wie Polytetrafluorethylen) oder einer Mischung aus Fluorharz und Kohlenschwarz vorbehandelt werden, um den Wasserabstoßeffekt zu verbessern.
  • In einem anderen Aspekt, stellt die Erfindung eine Brennstoffzelle mit einem festen Polymerelektrolyt umfassend einen festen Polymerelektrolyten mit ersten und zweiten Oberflächen, eine Katalysatorschicht, die auf jeder der ersten und zweiten Oberflächen angeordnet ist und die Gasdiffusionsschicht der Erfindung, die an die besagte Katalysatorschicht angrenzend auf jeder der ersten und zweiten Oberflächen angeordnet ist, bereit.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die 1 ist ein Schema, das auf einem Querschnittsschliffbild basiert, das die Struktur eines Kohlenstofffasergewebes darstellt, das eine Oberflächenschicht aufweist, die die Gasdiffusionsschicht des praktischen Beispiels ist;
  • die 2 stellt eine aus einer einzigen Zelle bestehende Brennstoffzelle mit einem festen Polymerelektrolyten dar, die eine Gasdiffusionsschicht enthält;
  • die 3 zeigt die Ergebnisse der Leistungstests für die aus einer einzigen Zelle bestehende Brennstoffzelle mit einem festen Polymerelektrolyten in den praktischen Beispielen 1 bis 4; und
  • die 4 zeigt die Ergebnisse der Leistungstests für die aus einer einzigen Zelle bestehende Brennstoffzelle mit einem festen Polymerelektrolyten in dem praktischen Beispiel 2 und dem Vergleichsbeispiel 5.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Der Ausdruck „Kohlenstofffasergewebe„ bezeichnet ein Produkt, bei dem Kohlenstoffgarn gewoben ist. Die Kohlenstofffasergarne können lange Fasern sein, bei denen das Produkt in Form von Garnen oder etwas ähnlichem gebündelt ist, aber die Benutzung so genannter gesponnener Garne, bei denen diese Fasern verdrillt sind, ist ideal. Dieses Material muss nicht notwendigerweise ein Produkt gewobener Kohlenstofffasern sein, und kann auch Vorläuferfasern umfassen, die karbonisiert sein können oder können die [Vorläuferfasern] sein, die gewoben und dann karbonisiert worden sind. Ein Beispiel für Kunststofffasergewebe ist „AvCarb®„ von der US-Firma Textron Speciality Materials, es können jedoch auch andere Materialien benutzt werden. Es gibt keine besonderen Einschränkungen, wie dieses Gewebe gewoben oder gestrickt wird, oder bezüglich die Struktur des Garns und so weiter. Vom Standpunkt der oben erwähnten Gasdiffusion, der Leitfähigkeit und ähnlichem gesehen, sollte die Dicke des Gewebes zwischen 0,1 und 1 mm betragen .
  • Die aus Fluorharz und Kohlenstoffschwarz bestehende Schicht, die auf der Oberfläche des Kohlenstofffasergewebes gebildet ist, verhindert die Überflutung der Katalysatorschicht durch das Produktwasser oder das Feuchtigkeitswasser während des Betriebs der Brennstoffzelle, liefert und entfernt schnell das Reaktionsgas, überträgt wirksam die erzeugte Elektrizität zum Kohlenstofffasergewebe (das auch als Kollektor wirkt), und dient als Pufferschicht, die verhindert dass die Kohlenstofffasern des Kohlenstofffasergewebes die Katalysatorschicht oder die feste Polymerelektrolytmembran durchstechen oder durchbrechen, und deshalb eine poröse Schicht sein muss die Wasser abstoßend und elektrisch leitend ist und eine ziemlich glatte Oberfläche aufweist.
  • Ein wichtiger Punkt in der vorliegenden Erfindung ist, dass diese Schicht nicht mehr als die Hälfte und bevorzugt nicht mehr als ein Drittel der Dicke des Kohlenstofffasergewebes durchdringt. Wenn sie weiter eindringt, blockiert es die Hohlräume, die als Gaskanal in der Oberflächenrichtung des Kohlenstofffasergewebes dienen und dort wird eine entsprechende Abnahme der Gasdiffusionsleistung stattfinden. Dort wird natürlich auch eine Abnahme der Gasdiffusionsleistung stattfinden, wenn diese Schicht selber zu dick ist. Vom Standpunkt der Gasdiffusion und der Leitfähigkeit her gesehen, wird es für diese Schicht vorgezogen, dass sie so dünn wie möglich ist, aber was die Sicherstellung des elektrischen Kontakts mit der Katalysatorschicht und die Sicherstellung dass die Schicht als Pufferschicht funktioniert, angeht, ist ein Bereich zwischen 5 und 100 μm vorgezogen, wobei ein Bereich zwischen 10 und 40 μm besser wäre.
  • Die Schicht kann wie folgt gebildet werden. Eine Mischung aus Kohleschwarz und einem Fluorharz (ein Wasser abstoßendes Bindemittel) wird in Form einer Paste unter Benutzung von Wasser als Dispersionsmittel hergestellt, und danach wird diese Paste benutzt, eine Ablösefolie zu beschichten (wie ein Fluorharz), und das oben erwähnte Kohlenstofffasergewebe wird auf dessen Oberfläche angeordnet und erhitzt, wodurch das Aggregat vollständig geformt wird und danach wird der Film abgepellt. Alternativ kann ein Kohlenstofffasergewebe, das eine Wasserabstoßbehandlung erfahren hat, so dass die oben erwähnte Paste nicht in das Kohlenstofffasergewebe eindringt, direkt aufgetragen und getrocknet wird, und das Material wird danach hitzebearbeitet, wodurch die gewünschte Schicht auf der Oberfläche des besagten Gewebes gebildet wird. Die Wasserabstoßbehandlung kann hier unter Benutzung von Fluorharz oder etwas anderem durchgeführt werden, wie z.B. einem Wasser abstoßenden Harz, oder einem gewöhnlichen Wasserabstoßmittel, oder einer Mischung davon mit Kohlenschwarz (als leitendes Material benutzt), oder etwas ähnlichem, aber die aufgetragene Menge muss gering genug gehalten werden, damit die Hohlräume zwischen den Kohlenstofffasern nicht blockiert werden, Da diese Behandlung die Knoten zwischen den Fasern in dem Gewebe in einem gewissen Ausmaß fixieren, darf die Steifigkeit des Gewebes erhöht werden. Es ist auch möglich, eine Folie aus Fluorharz und Kohleschwarz zu formen und dann mit einem Kohlenstofffasergewebe zu verbinden.
  • Ohne Rücksicht auf das eingesetzte Verfahren sind die Mischungsproportionen (Gewichtsverhältnis) von Fluorharz und Kohleschwarz, die die aus Fluorharz und Kohleschwarz zusammengesetzte Schicht ausmachen, auf zwischen 10:90 und 60:40, und bevorzugt auf zwischen 20:80 und 50:50 eingestellt. Wenn die Fluorharzmenge kleiner als das ist, wird der erforderliche Wasserabstoßeffekt nicht erreicht, die Hohlräume werden von dem Produktwasser und ähnlichem blockiert und die Gasdiffusion wird behindert. Wenn die Kohlenschwarzmenge kleiner als das ist, wird keine ausreichende Leitfähigkeit erreicht und der Hohlraumprozentsatz wird auch abnehmen, was in Wechselwirkung mit der Gasdiffusion steht.
  • Der Ausdruck „Fluorharz„ bezeichnet ein Harz wie PTFE, PFA, FEP und ETFE, das Wasser abstoßend ist und Fluor in seiner Struktur enthält. Unterdessen kann jedes beliebige Material, solange es aus Kohlenstoff besteht und leitfähig ist, wie Kohlenschwarz einschließlich Graphit benutzt werden. Kohlenschwarz kann aus Kohlenstoffstapelfasern bestehen oder eine Mischung davon sein.
  • Das Gasdiffusionsmaterial der vorliegenden Erfindung wird in Brennstoffzellen benutzt, die einen festen Polymerelektrolyten benutzen der eine einstückig hergestellte Katalysatorschicht aufweist, und im folgenden werden typische Beispiele dieses festen Polymerelektrolyten der eine einstückig hergestellte Katalysatorschicht aufweist aufgeführt, obwohl auch andere Arten möglich sind.
  • Eine pastöse oder tintenähnliche Flüssigkeit, die durch Mischen einer PTFE-Dispersion mit einer Katalysatorsubstanz, oder durch Mischen einer festen Polymerelektrolytharz-Lösung, oder einer Harzlösung oder einer Vorläufersubstanz davon mit einer Katalysatorsubstanz erhalten wurde, wird direkt auf einer festen Polymerelektrolytmembran aufgetragen und dieser Belag wird getrocknet, erhitzt und geformt oder wird außerdem durch Heißpressen geformt (2);
    eine pastöse oder tintenähnliche Flüssigkeit, die durch Mischen einer PTFE-Dispersion mit einer Katalysatorsubstanz, oder durch Mischen einer festen Polymerelektrolytharz-Lösung, oder einer Harzlösung oder einer Vorläufersubstanz davon mit einer Katalysatorsubstanz erhalten wurde, wird auf einer Ablösefolie, wie einer PTFE-Folie aufgetragen und dieser Belag wird getrocknet und erhitzt und die so erzeugte Katalysatorschicht wird durch Heißpressen oder etwas ähnlichem mit der festen Polymerelektrolytmembran verbunden und die Ablösefolie wird anschließend abgepellt (3); oder
    eine Membranelektrodenverbindung aus einem festen Polymerelektrolyten wird durch ein den oben verwandten Verfahren hergestellt.
  • Ein vorteilhaftes Beispiel wird in der japanischen offen gelegten Patentanmeldung 8-162132 beschrieben. Das ist insbesondere eine Membranelektrodenverbindung aus einem festen Polymerelektrolyten, die dadurch gekennzeichnet ist, das ein aus einem gezogenen porösen Polytetrafluorethylen und einem makromolekularen Elektrolytharz bestehender fester Polymerelektrolyt, der in den Poren davon enthalten ist, einstückig auf der Oberfläche einer Elektrode, oder einer Elektrode/festen Polymerelektrolyt/Elektrodenverbindung, bei welchen die Elektroden einstückig auf beiden Seiten eines festen Polymerelektrolyten gebildet sind, gebildet ist.
  • Die vorliegende Erfindung wird jetzt mit Hilfe von praktischen Beispielen beschrieben.
  • PRAKTISCHE BEISPIELE
  • Bei allen folgenden praktischen Beispielen umfasst die Membranelektrode (Katalysatorschicht) Gore SelectTM (20 μm Dicke), das bei Japan Gore Tex zur Verfügung steht, mit Perfluorsulfonsäure-Harz imprägniert ist und als fester Polymerelektrolyt benutzt wird, und ein platinierter Kohlenstoff im Perfluorsulfonsäure-Harz (Pt:0,3 mg/cm2), der als Katalysatorschicht (Elektrode) benutzt wird. Die Gore Select-Membran wurde zwischen zwei Katalysatorschichten, angeordnet und heißgepreßt, wodurch die Katalysatorschichten mit beiden Seiten des Gore Selects verbunden wurden, und diese Seiten wurden als Kathode und Anode benutzt. Die Membran/Elektroden-Einheit steht bei Japan Gore-Tex unter der Marke PRIMEATM zur Verfügung.
  • PRAKTISCHES BEISPIEL 1
  • Das hier benutzte Kohlenstofffasergewebe hatte eine Dicke von ungefähr 40 Mikron (AvCarb®) und wurde in einer ebenen Webebindung unter Benutzung von 45 gebündelten Garnen mit einem Durchmesser von 7,5 Mikron gewoben. Eine Dispersion für die Wasserabstoßbehandlung des Gewebes wurde dadurch hergestellt dass 50g Kohlenschwarz gründlich gemischt werden (Acethylenschwarz, verfügbar bei Denkikagakukogyo Kabuskikikaisha unter der Marke „Denka Black") und 25g (Harzkomponente) einer PTFE-Dispersion (55% Feststoffe, verfügbar bei Daikin Industries, Ltd. unter der Marke „D-1") mit 1L Wasser, zu dem ungefähr 5 Gew. % nicht ionisches Netzmittel (verfügbar bei Union Carbid Corp. unter der Marke „Triton X-100„ hinzugefügt wurden, und das oben erwähnte Kohlenstofffasergewebe wurde in diese Dispersion eingetaucht. Die überschüssige Flüssigkeit wurde aus dem Kohlenstofffasergewebe ausgequetscht indem das Gewebe mit Gummirollen gewalzt wurde. Dann wurde das Gewebe luftgetrocknet und anschließend während 30 Minuten bei 370°C erhitzt, um das PTFE zu schmelzen, wodurch das Kohlenschwarz und die Kohlenstofffasern fixiert und gleichzeitig das Netzmittel zersetzt und entfernt wurde, und dadurch wurde ein wasserabstoßendes Kohlenstofffasergewebe erzeugt.
  • Anschließend wurden 15g desselben Kohlenschwarzes und 7g derselben (Harzkomponente) PTFE-Dispersion zu 100g Wasser, das wiederum dieselbe Menge nicht ionisches Netzmittel enthielt, hinzugefügt, und diese Komponente wurden gründlich dispergiert, um eine Dispersion zu erhalten. Diese Dispersion wurde auf die zuvor hergestellte wasserabstoßende Kohlenstofffaser geträufelt, und nachdem festgestellt wurde, dass die Dispersion nicht in das Gewebe sickert, wurde eine dünne Schicht auf die Oberfläche des wasserabstoßenden Kohlenstofffasergewebes aufgetragen. Das Produkt wurde 150°C warmer Luft ausgesetzt, um das Wasser zu entfernen, und dieses Produkt wurde während 40 Minuten bei 370°C wärmebehandelt und dadurch wurde eine aus PTFE und Kohlenschwarz bestehende wasserabstoßende poröse leitende Schicht auf der Oberfläche des Kohlenstofffasergewebes und das Gasdiffusionsschichtmaterial des praktischen Beispiels der vorliegenden Erfindung erzeugt.
  • Aus einem Querschnittsdünnschliff (× 100) der Gasdiffusionsschicht in diesem praktischen Beispiel der vorliegenden Erfindung wurde bestätigt, dass die aus PTFE und Kohlenschwarz bestehende Schicht 1 nur leicht in das aus den Kettengarnen 2a und den Schussgarnen 2b bestehende Kohlenstofffasergewebe eindrang, wobei es nicht in mehr als ein Drittel des Kohlenstofffasergewebes eindrang. Die 1 ist ein auf dem Querschnittsdünnschliff beruhendes Schema. Das Ausmaß mit dem die aus PTFE und Kohlenschwarz bestehende Schicht in das Kohlenstofffasergewebe eindringt kann durch die Auswahl der Bedingungen der Wasserabstoßbehandlung des Kohlenstofffasergewebes und so weiter eingestellt werden.
  • Als nächstes wurde eine einzellige Brennstoffzelle mit einem festen Polymerelektrolyten, die die Gasdiffusionsschicht der vorliegenden Erfindung enthält, wie es auf der 2 gezeigt wird, unter Benutzung der oben erwähnten Verbindung (Gasdiffusionsschicht/Kollektor) zusammengebaut, umfassend eine Katalysatorschicht, die mit beiden Seiten des Gore Select verbunden wurde, und es wurde der folgende Leistungstest ausgeführt, von denen die Ergebnisse auf der 3 (1) angegeben sind.
  • Auf der 2 wurde die/der oben erwähnte Gasdiffusionsschicht/Kollektor 14 auf beiden Seiten einer Membran-/Elektrodenverbindung 11 angeordnet, in die die Katalysatorschichten 11a und 11b integriert waren, und das wurde zwischen den Separatoren 12 angeordnet und eine einzellige Brennstoffzelle mit einem festen Polymerelektrolyten wurde entsprechend den konventionellen Montagetechniken zusammengebaut. Die/der Gasdiffusionsschicht/Kollektor 14 verfügte über die Wasser abstoßende leitende Schicht 14b auf der Innenseite und das Kohlenstofffasergewebe 4a auf der Außenseite. In den Separatoren 12 bildeten sich Gaskanäle. Nummer 13 stellt eine Dichtung dar.
  • Es wurde ein Leistungstest unter Benutzung dieser Zelle ausgeführt, was mit einer Zelltemperatur von 70°C, einer Anoden-/Kathodengasbefeuchtungstemperatur von 70°C und einem Gasdruck mit Atmosphärendruck und unter Benutzung von Wasserstoff und Luft als Gas durchgeführt wurde.
  • VERGLEICHSBEISPIEL 1
  • Dieses Beispiel war das gleiche wie das praktische Beispiel 1, außer dass das Kohlepapier, das eine Dicke von 180 Mikron aufweist und das einer Wasserabstoßbehandlung ausgesetzt wurde, als Gasdiffusionsschicht benutzt wurde. Die so erhaltene Einzelzelle wurde untersucht und die Ergebnisse werden auf der 3 (2) angegeben.
  • VERGLEICHSBEISPIEL 2
  • Dieses Beispiel war das gleiche wie das praktische Beispiel 1, außer dass das im praktischen Beispiel 1 Wasser abstoßende Kohlenstofffasergewebe als Gasdiffusionsschicht benutzt wurde, ohne dass man zuerst über eine Schicht verfügte, die aus Fluorharz und Kohlenschwarz zusammengesetzt war, die auf ihrer Oberfläche gebildet waren. Die so erhaltene Einzelzelle wurde untersucht und die Ergebnisse werden auf der 3 (3) angegeben.
  • VERGLEICHSBEISPIEL 3
  • Im Unterschied zur Benutzung von wasserabstoßbehandeltem Kohlenpapier anstatt von Kohlenstofffasergewebe, wurde eine Gasdiffusionsschicht auf die gleiche Weise wie im praktischen Beispiel 1 hergestellt. Die so erhaltene Einzelzelle wurde untersucht und die Ergebnisse werden auf der 3 (4) angegeben.
  • VERGLEICHSBEISPIEL 4
  • Ein im Handel verfügbares Gasdiffusionsschichtmaterial (ELAT®, von der US-Firma E-TEK hergestellt), das eine Struktur mit einem Wasser abstoßenden leitenden Material aufweist, in der ein Kohlenstofffasergewebe in der Richtung seiner Dicke gepackt war, wurde als Gasdiffusionsschicht im praktischen Beispiel 1 benutzt. Die so erhaltene Einzelzelle wurde untersucht und die Ergebnisse werden auf der 3 (5) angegeben.
  • PRAKTISCHES BEISPIEL 2 UND VERGLEICHSBEISPIEL 5
  • Die im praktischen Beispiel 1 und dem Vergleichsbeispiel 4 ausgeführten Einzelzellenuntersuchungen wurden ausgewertet, indem die Benutzungsrate des Reaktionsgases (Bedingungen A: 50% Wasserstoffbenutzungsrate, 30% Luftbenutzungsrate, Bedingungen B: 80% Wasserstoffbenutzungsrate, 50% Luftbenutzungsrate) und die so erhaltenen Ergebnisse (praktisches Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel 5) werden auf der 4 jeweils als (1)-a, (1)-b, (2)-a und (2)-b gezeigt.
  • Aus diesen Ergebnissen kann abgeleitet werden, dass, wenn das Zellpotential 0,6 V war, die Leistung nur um ungefähr um 10% für das Produkt der vorliegenden Erfindung sogar bei hoher Gasbenutzungsrate abgenommen hat, während die Leistung auf fast 50% für das Gasdiffusionsschichtmaterial des Vergleichsbeispiels 4 abgenommen hat. In anderen Worten wurde die gute Gasdiffusionsfähigkeit des Produkts der vorliegenden Erfindung bestätigt.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Gasdiffusionsschichtmaterial bereit für eine Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyten bereit, das eine gute Gasdiffusion in Oberflächenrichtung aufweist, mechanisch faltbar ist, und widerstandsfähig gegenüber Druck ist, die also aus diesen Gründen einen guten elektrischen Kontakt gewährleistet.

Claims (8)

  1. Eine Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyten umfassend eine Gasdiffusionsschicht (14), einen festen Polymerelektrolyten (11) und eine an den festen Polymerelektrolyten (11) angrenzend angeordnete Katalysatorschicht (11a, 11b), wobei die Gasdiffusionsschicht (14) ein Kohlenstofffasergewebe (2) umfasst, das eine Oberfläche und eine Beschichtung aus Fluorharz enthaltendem Kohlenschwarz auf besagter Oberfläche aufweist, worin das besagte Kohlenstofffasergewebe (2) so in der Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyten angeordnet ist, dass besagte Beschichtung an die besagte Katalysatorschicht (11a, 11b) in der Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyten angrenzt.
  2. Eine Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyten nach Patentanspruch 1, worin die besagte Beschichtung nicht um mehr als eine halbe Dicke in das Kohlenstofffasergewebe (2) eindringt.
  3. Eine Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyten nach Patentanspruch 1, worin die besagte Beschichtung nicht um mehr als ein Drittel der Dicke in das Kohlenstofffasergewebe (2) eindringt.
  4. Eine Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyten nach Patentanspruch 1, worin das Kohlenstofffasergewebe (2) mit einem Wasser abweisenden Fluorharz vorbehandelt ist.
  5. Eine Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyten nach Patentanspruch 1, worin das Kohlenstofffasergewebe (2) mit einer Mischung aus einem Fluorharz und Kohlenschwarz vorbehandelt ist, um den Wasserabstoßeffekt zu verbessern.
  6. Eine Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyten nach Patentanspruch 1, worin besagter Fluorharz Polytetrafluorethylen ist.
  7. Eine Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyten nach Patentanspruch 4, worin besagter Wasser abweisender Fluorharz Polytetrafluorethylen ist.
  8. Eine Brennstoffzelle mit festem Polymerelektrolyten nach Patentanspruch 1, worin der besagte feste Polymerelektrolyt (11) erste und zweite Oberflächen aufweist und die besagte Katalysatorschicht (11a, 11b) auf jeder der besagten ersten und zweiten Oberflächen angeordnet ist, und die besagte Gasdiffusionsschicht (14) angrenzend an besagte, auf jeder der besagten ersten und zweiten Oberflächen angeordneten Katalysatorschicht (11a, 11b) angeordnet ist.
DE69836109T 1997-03-17 1998-03-17 Gasdiffusionsschicht für Brennstoffzelle mit festen Polymerelektrolyten Expired - Lifetime DE69836109T2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP06302097A JP3773325B2 (ja) 1997-03-17 1997-03-17 高分子固体電解質燃料電池用ガス拡散層材料及びその接合体
JP6302097 1997-03-17

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DE69836109D1 DE69836109D1 (de) 2006-11-23
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