DE69707814T2

DE69707814T2 - Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE69707814T2
Application number: DE69707814T
Authority: DE
Inventors: Stephen Andreas Grot
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1996-12-09
Filing date: 1997-07-25
Publication date: 2002-04-25
Anticipated expiration: 2017-07-26
Also published as: EP0847097A1; EP0847097B1; DE69707814D1; US5707755A

Description

Diese Erfindung betrifft eine PEM-/SPE-Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die Regierung der Vereinigten Staaten von Amerika besitzt Rechte an dieser Erfindung gemäß dem Vertrag Nr. DE-AC 02-90CH10435 mit dem US-Energieministerium.
Brennstoffzellen sind als eine Energiequelle für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Eine derartige Brennstoffzelle ist die PEM-Brennstoffzelle (d.h. Protonenaustauschmembran- Brennstoffzelle), die auch als eine Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle (SPE-Brennstoffzelle) bekannt ist. PEM-/SPE-Brennstoffzellen sind in der Technik gut bekannt und umfassen eine sogenannte "Membranelektrodenanordnung" (MEA), die einen dünnen Festpolymermembran- Elektrolyten umfasst, der ein Paar Elektroden (d.h. eine Anode und eine Kathode) auf gegenüberliegenden Seiten des Membran-Elektrolyten aufweist. Die MEA ist zwischen einem Paar elektrisch leitfähiger Elemente (d.h. Elektrodenplatten) schichtartig angeordnet, die als Stromkollektoren für die Elektroden dienen, und umfasst ein sogenanntes "Strömungsfeld", das ein Feld von Stegen und Nuten ist, die in der Oberfläche der mit der MEA in Kontakt stehenden Platte ausgebildet sind. Die Stege leiten Strom von den Elektroden, während die Nuten zwischen den Stegen dazu dienen, die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle (beispielsweise H&sub2; & O&sub2;/ Luft) gleichmäßig über die Seiten der Elektroden zu verteilen. Ein dünner Bogen aus porösem (d.h. etwa 80% Poren) Graphit-/Kohlenstoffpapier ist zwischen jeder der Elektrodenplatten und den Elektrodenseiten der MEA positioniert, um die MEA zu tragen/stützen, wo sie den Nuten in dem Strömungsfeld gegenüberliegt, und um Strom davon an die benachbarten Stege zu leiten.
Ein Beispiel einer Brennstoffzelle dieses Typs kann in der internationalen Patentveröffentlichung WO-A-95/22179 gefunden werden.
SPE- oder PEM-Membrane sind in der Technik gut bekannt. Typische SPE-Membrane sind in den U.S.-Patenten 4,272,353 und 3, 134,697 wie auch in dem Journal of Power Sources, Band 29 (1990) Seiten 367-387 und folgende beschrieben.
SPE-/PEM-Membrane sind im Wesentlichen Ionentauscherharze, die Ionengruppen in ihrer Polymerstruktur umfassen, von denen eine Ionenkomponente durch die Polymermatrix fixiert oder gehalten ist, und zumindest eine andere Ionenkomponente ein mobiles austauschbares Ion darstellt, das elektrostatisch mit der fixierten Komponente in Verbindung steht.
Die Fähigkeit des mobilen Ions, unter bestimmten Bedingungen gegen andere Ionen ausgetauscht zu werden, verleiht diesen Materialien Ionentauschereigenschaften. Eine breite Klasse von kationentauschenden, protonenleitenden Harzen ist das sogenannte Sulfonsäure- Kationentauscherharz (stark saures Kationenaustauscherharz). Bei den Sulfonsäuremembranen sind die Kation-Ionentauschergruppen hydratisierte Sulfonsäureradikale, die durch Sulfonierung an der Polymerhauptkette befestigt sind. Der bevorzugte Harz ist ein perfluorierter Sulfonsäurepolymer-Elektrolyt, bei dem die gesamte Membranstruktur Ionentauschereigenschaften aufweist. Derartige protonenleitende Membrane können durch Monomere der Strukturen gekennzeichnet sein:
CF&sub2; = CFOCF&sub2;CF&sub2;SO&sub3;H und
Eine kommerzielle protonenleitfähige sulfonierte Perfluorkohlenstoffmembran, die für PEM-/SPE-Brennstoffzellen geeignet ist, wird von E.I. DuPont de Nemours & Co. mit der Handelsbezeichnung NAFION® vertrieben. Eine andere wird von der Gore Company unter der Handelsbezeichnung Gore SelectTM vertrieben.
Die Anoden- und Kathodenelektroden auf den gegenüberliegenden Seiten der PEM-/SPE-Membran umfassen typischerweise fein unterteilte Kohlenstoffpartikel, die einen Katalysator auf ihren Oberflächen aufweisen, und ein protonenleitfähiges Harz, das mit diesen vermischt ist und eine Matrix/einen Binder für die Partikel bildet. Das protonenleitfähige Material umfasst typischerweise das selbe Polymer, das auch den Elektrolyten bildet (beispielsweise NAFION®). Eine derartige Membranelektrodenanordnung und Brennstoffzelle ist in dem U.S.-Patent 5,272,017 beschrieben, das am 21. Dezember 1993 veröffentlicht wurde und dem Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen ist.
Eine weitere Brennstoffzelle ist in der JP-A-08-106915 beschrieben und weist eine Elektrode auf, die poröses Kohlenstoffpapier umfasst, das mit Polymerelektrolytmaterial, PTFE und einem Katalysator imprägniert ist. Eine ähnliche Brennstoffzellenelektrode ist in der U.S.-A-5,292,600 beschrieben.
Die DE-A-42 06 490 beschreibt eine weitere Brennstoffzellenanordnung, die eine Gasverteilungsstruktur umfasst, die zwischen einem Stromverteilungselement und einer Elektrode angeordnet ist, die mit einem Membranelektrolyten verbunden ist. Die Gasverteilungsstruktur umfasst Fasern aus elektrochemisch stabilem Metall mit einer aufgerauten Oberfläche und einer hydrophoben Beschichtung.
Es ist auch bekannt, eine Vielzahl einzelner PEM-Brennstoffzellen in einem Mehrzellenstapel anzuordnen, wobei eine Vielzahl der Membranelektrodenanordnungen Seite an Seite in elektrischer Reihe ausgerichtet ist, während sie voneinander durch eine impermeable, elektrisch leitfähige Elektrodenplatte getrennt sind, die als eine bipolare Elektrode/Platte bekannt ist. Die bipolare Platte leitet elektrisch Strom zwischen der Anode einer Zelle und der Kathode der nächsten benachbarten Zelle in dem Stapel. Eine Seite der bipolaren Platte weist ein Strömungsfeld zur Verteilung des H&sub2;-Gases über die Oberfläche einer Elektrode auf, während die andere Seite ein Strömungsfeld zur Verteilung von O&sub2;-Gas über die Oberfläche der anderen Elektrode umfasst.
Die Graphit-/Kohlenstoffpapiere, die bisher zwischen den Elektroden und ihren zugeordneten Elektrodenplatten angeordnet waren, (1) umfassen eine Matte zufällig orientierter Fasern, (2) sind typischerweise etwa 10 mil dick, (3) sind ziemlich teuer, (4) behindern eine Diffusion des H&sub2; und O&sub2; durch ihre jeweiligen Elektroden, (5) behindern den Ausfluss von H&sub2;O von der MEA, und (6) erfordern, dass ein erheblicher Druck an die Enden der Zelle/des Stapels angelegt werden muss, um eine gut leitfähige Schnittstelle mit den Elektroden zu bilden und durch die Zellenimpedanz zu verringern.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine herkömmliche PEM-/SPE- Brennstoffzelle, die wie nachfolgend beschrieben modifiziert ist, um den Gebrauch von Kohlenstoff-/Graphitpapier und daher die damit in Verbindung stehenden Nachteile zu beseitigen. Während die Erfindung hier in Verbindung mit einer PEM-/SPE-Brennstoffzelle bestehend aus einer Zelle (Monozelle) beschrieben ist, sei zu verstehen, dass sie gleichermaßen auf Brennstoffzellenstapel mit mehreren Zellen anwendbar ist.
Um die obige Aufgabe zu lösen, ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine PEM-/SPE-Brennstoffzelle mit zumindest einer Zelle vorgesehen, die umfasst: ein Paar von Elektroden mit entgegengesetzter Polarität, von denen jede eine erste Seite, die einem gasförmigen Reaktanden ausgesetzt ist, einen Membranelektrolyt, der mit den Elektroden verbunden und zwischen diesen angeordnet ist, um bei Entladung der Zelle Protonen zwischen den Elektroden zu leiten, und ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement, das eine zweite Seite aufweist, die mit der ersten Seite in Eingriff steht, um elektrischen Strom von der Elektrode durch die erste Seite zu leiten, wobei die zweite Seite eine Vielzahl von Stegen umfasst, die mit der ersten Seite in Eingriff stehen und eine Vielzahl von Nuten dazwischen definieren, um einen gasförmigen Reaktanden im wesentlichen gleichförmig über die erste Seite zu verteilen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl elektrisch leitfähiger Filamente in Längsrichtung in der ersten Seite eingebettet ist, wobei die Filamente nur teilweise in der ersten Seite eingebettet sind, um so Längsabschnitte der Filamente nach oben freiliegend zu belassen, und von der ersten Seite hervorstehen, wobei sich die Filamente über eine Vielzahl der Stege in einer Richtung quer zu den Stegen und Nuten erstrecken, und dass die Filamente im wesentlichen unidirektional orientiert sind.
Die Brennstoffzelle weist zumindest eine Zelle auf, die eine Membran- Elektroden-Anordnung (MEA) aufweist, die ein Paar Elektroden mit entgegengesetzter Polarität umfasst, die mit gegenüberliegenden Seiten eines PEM-/SPE-Membran-Elektrolyten verbunden sind, der die Elektroden jeweils voneinander trennt und dazu dient, bei Entladung der Zelle Protonen dazwischen zu leiten. Jede Elektrode weist eine erste Seite auf, die einem gasförmigen Reaktanden in der Zelle ausgesetzt ist. Ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement (d.h. Elektrodenplatte) weist eine zweite Seite auf, die mit der ersten Seite der Elektrode in Eingriff steht, um elektrischen Strom von der Elektrode zu leiten. Die zweite Seite umfasst eine Vielzahl von Stegen, die mit der ersten Seite in Eingriff stehen und dazwischen eine Vielzahl von Nuten definieren, um einen gasförmigen Reaktanden (beispielsweise H&sub2; oder O&sub2;) im wesentlichen gleichförmig über die erste Seite zu verteilen, im Gegensatz dazu, wo die Stege mit der ersten Seite in Eingriff stehen. Die Stege besitzen vorzugsweise eine Breite zwischen etwa 0,05 mm (2 mil) und etwa 0,25 mm (10 mil), wo die Stege mit der MEA in Kontakt stehen, während die Nuten etwa 0,5 mm (20 mil) bis etwa 1,25 mm (50 mil) tief sind und eine Breite von etwa 0,5 mm (20 mil) bis etwa 2,5 mm (100 mil) aufweisen. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Kohlenstoff- oder Graphitpapiere, die normalerweise zwischen der MEA und den Kontaktelementen verwendet würden, beseitigt, und an deren Stelle ist eine Vielzahl langer, orientierter, elektrisch leitfähiger Filamente in Längsrichtung in der ersten Seite der Elektrode eingebettet. Wie oben erwähnt ist, sind die Filamente nur teilweise in der Seite eingebettet, um so Längsabschnitte der Filamente nach oben freiliegend zu belassen, die als Relief (Unebenheiten) von der ersten Seite hervorstehen. Die Filamente sind in der Seite der Elektrode bis zu einer Filamentdicke gemessen über ihren Durchmesser zwischen etwa 10% bis etwa 90% eingebettet. Die Filamente sind lang genug, um sich über eine Vielzahl der Stege in einer Richtung quer zu der Richtung der Stege und Nuten zu erstrecken. Vorzugsweise sind die Filamente lang genug, um die Breite der Zelle zu überspannen (d.h. quer zu der Richtung der Stege). Die Filamente (a) stehen mit den Stegen in Kontakt, um Strom zu den Stegen von den Bereichen der Elektrode zu leiten, die gegenüber angeordnet sind und den Nuten gegenüberliegen, und (b) zu verhindern, dass die MEA in die Nuten gedrückt wird oder anderweitig in die Nuten eindringt. Die Filamente umfassen vorzugsweise Kohlenstoff und Graphit, so dass sie zusätzlich zu ihrer elektrischen Leitfähigkeit auch ein niedriges Gewicht aufweisen, stark sind und in einer korrosiven Umgebung der Zelle beständig sind. Jedoch könnten andere, weniger praktische Materialien, beispielsweise Edelmetalle, auch verwendet werden. Abhängig von der Dicke der Elektrode, auf die die Kohlenstoff-/Graphitfilamente aufgetragen werden, kann deren Durchmesser von etwa 2 um (d.h. Mikrometer) bis etwa 20 um variieren und beträgt vorzugsweise etwa 5 um bis etwa 10 um. Die Filamente besitzen vorzugsweise einen Beladungsfaktor oder eine Dichte von zumindest etwa 250 Filamenten/laufendem Inch (d.h. in der Richtung normal zu der Länge des Filamentes) bis etwa 1000 Filamenten/laufendem Inch und am bevorzugtesten etwa 300 bis etwa 500 Filamente/laufendem Inch. Während Monofilamente bevorzugt sind, kann eine Vielzahl von Filamenten in Stränge gepaart oder geflochten werden, bevor sie in die Elektrodenseite eingebettet werden.

Zeichnungskurzbeschreibung:

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben, in welcher:
Fig. 1 eine isometrische Explosionsansicht einer PEM- Brennstoffzelle mit einer Einzelzelle gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 eine vergrößerte isometrische Schnittansicht der Zelle von Fig. 1 ist;
Fig. 3 eine vergrößerte Schnittansicht der Zelle in der Richtung 3- 3 von Fig. 2 ist; und
Fig. 4 eine stark vergrößerte Ansicht der Stelle 4 von Fig. 3 ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Fig. 1 zeigt eine PEM-/SPE-Brennstoffzelle 2 mit einer einzelnen Zelle (Monozelle), die eine Membranelektrodenanordnung 4 (MEA) zwischen ein Paar elektrisch leitfähiger Elektrodenelemente/-platten 6 und 8 geschichtet aufweist. Die Platten 6 und 8 können Kohlenstoff, Graphit oder korrosionsbeständige Metalle umfassen. Die Erfindung ist jedoch gleichermaßen auf Brennstoffzellenstapel anwendbar, die eine Vielzahl von einzelnen Zellen umfassen, die in Serie angeordnet und voneinander durch bipolare Elektrodenplatten getrennt sind, die in der Technik gut bekannt sind. Die MEA 4 und die Elektrodenplatten 6 und 8 sind zwischen Endplatten 10 und 12 aus rostfreiem Stahl zusammengeklemmt. Die Elektrodenplatten 6 und 8 umfassen jeweils eine Vielzahl von Stegen 13, die eine Vielzahl von Nuten 14 definieren, die ein sogenanntes "Strömungsfeld" aufspannen, um Reaktionsgase (d.h. H&sub2; und O&sub2;) auf gegenüberliegenden Seiten der MEA 4 zu verteilen. Mit den bipolaren Elektrodenplatten wird ein Strömungsfeld auf beiden Seiten der Platte gebildet, eines für den H&sub2; und das andere für den O&sub2;. Nichtleitende Dichtungen 16 und 18 sehen Abdichtungen und eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten der Brennstoffzelle 2 vor. Isolierte Schrauben, die nicht gezeigt sind, erstrecken sich durch die Löcher an den Ecken der verschiedenen Komponenten, um die Anordnung zusammenzuklammern.
Die Fig. 2-4 sind vergrößerte Abschnitte der Zelle 2 und zeigen Anoden- und Kathodenelektroden 20 und 22 auf gegenüberliegenden Seiten der MEA 4, die voneinander durch einen Festpolymermembranelektrolyten 23 getrennt sind. Polymere, die für derartige Membranelektrolyten geeignet sind, sind in der Technik gut bekannt und in den U.S. Patenten 5,272,017 und 3,134,697, in dem Journal of Power Sources, Band 29 (1990), Seiten 367-387 und auch ansonsten in der Patent- und Nichtpatent-Literatur beschrieben. Die Zusammensetzung der SPE-/PEM-Membran 23 ist selbst nicht Teil der vorliegenden Erfindung und kann ein beliebiges der protonenleitfähigen Polymere umfassen, die herkömmlich bei dieser Anwendung verwendet werden, einschließlich der perfluorierten Sulfonsäurepolymere, wie beispielsweise NAFION®, wie auch anderer Membrane, wie beispielsweise Gore SelectTM von der Gore Company. Das Polymer kann der einzige Bestandteil der Membran sein oder kann in den Poren eines anderen Materials gehalten sein. Ähnlicherweise ist die Zusammensetzung der Elektroden 20 und 22 selbst rächt Teil der vorliegenden Erfindung, sondern kann vielmehr ein beliebiges der Elektrodenmaterialien sein, die herkömmlich dazu verwendet werden, um Katalysator beschichtete. Diesbezüglich kann das Elektrodenmaterial mit Katalysator beschichtete Kohlenstoff oder Graphitpartikel 38 umfassen, die in einem Polymerbinder 40 eingebettet sind, der ähnlich der Polymermembran 23 ein protonenleitfähiges Material ist. Vorzugsweise umfasst der Polymerbinder 40 das selbe Protonentauschermaterial wie die Membran 23, dies ist aber nicht erforderlich. Derartige Elektroden umfassen typischerweise eine Beladung mit mit Katalysator versehenem Kohlenstoff/Graphit 38 zwischen etwa 60 Gewichtsprozent bis etwa 80 Gewichtsprozent und als Rest Polymerbinder 40. Alternativ dazu kann das Elektrodenmaterial 95 Gewichtsprozent feines Platinpulver in einem Polytetraflourethylenbinder umfassen, der 5 Gewichtsprozent des Elektrodenmaterials ausmacht. Die Stege 13 an den Elektrodenplatten 6 und 8 pressen gegen die Elektroden 20 bzw. 22, um die MEA 4 dazwischen zu tragen und Strom von den Elektroden 20 und 22 zu sammeln. Sauerstoff (beispielsweise als Luft) wird an die Kathodenseite der MEA 4 über Nuten 24 geliefert, die durch die Stege 13 definiert sind, während Wasserstoff an die Anodenseite der MEA 4 von einem Speichertank oder Reformer über Nuten 26 geliefert wird. Wo ein Brennstoffzellenstapel betroffen ist, wird eine geeignete Verrohrung und Verteilung verwendet, um das H&sub2; und O&sub2; gleichzeitig an alle Zellen zu liefern. Jede der Elektroden 20 und 22 weist eine Seite 28 oder 30 auf, die durch die Stege 13 in Eingriff steht und den Nuten 24 und 26 gegenüberliegt, um den Reaktandengasen H&sub2; und O&sub2; ausgesetzt zu sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Vielzahl von im wesentlichen unidirektional orientierten, elektrisch leitfähigen Filamenten 32 und 34 in Längsrichtung (d.h. entlang der Länge) in jeder der Seiten 28 bzw. 30 eingebettet. Die Filamente 32 und 34 sind vorzugsweise nur mit etwa 10 % bis etwa 90% ihrer Dicke (d.h. Durchmesser) eingebettet, so dass zumindest ein Längsabschnitt 36 derselben an der Seite 28 und 30 der Elektroden 20 und 22 freiliegt und somit als Relief (Unebenheit) davon hervorsteht, um so direkt mit den Stegen 13 in Kontakt zu stehen. Wie am besten in Fig. 2 gezeigt ist, sind die Filamente 32 und 34 quer zu der Richtung der Stege 13 angeordnet, um so eine Brücke zwischen den Stegen 13 zu bilden, um die MEA 4 dazwischen zu tragen und zu verhindern, dass die MEA 4 in die Nuten 24 oder 26 eindringt, wenn ein AP zwischen den Drücken in den Nuten 24 und 26 vorherrscht. Gleichzeitig stehen die Filamente 32 in gutem elektrischen Kontakt mit sowohl dem mit Katalysator versehenen Material der Elektroden 20 und 22, die den Nuten 24 und 26 gegenüberliegt, als auch den Stegen 13, und dienen demgemäss als ein Mittel, um elektrischen Strom von den den Nuten gegenüberliegenden Bereichen der Elektrode zu den Stegen 13 und daher zu den Elektrodenplatten 6 und 8 zu leiten.
MEA's, die mit der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, besitzen eine Gesamtdicke (d.h. zwischen den Seiten 28 und 30) von etwa 2 mil bis etwa 6 mil. Von dieser Gesamtdicke variiert die Dicke der Membran 23 von etwa 1 mil bis etwa 5 mil, und die Dicke jeder Elektrode variiert von etwa 5 um bis etwa 30 um. Die stark orientierten (beispielsweise unidirektionalen), elektrisch leitfähigen Filamente 32 umfassen vorzugsweise Kohlenstoff oder Graphit, der leitfähig, leicht, korrosionsbeständig ist und eine hohe Zugfestigkeit aufweist. Die Filamente besitzen eine Dicke (d.h. Durchmesser) von etwa 2 um bis etwa 20 um und erstrecken sich bevorzugt im wesentlichen über die gesamte Breite der MEA, um so mit dem größten Teil, wenn nicht mit allen Stegen in ihrem zugeshörigen Strömungsfeld in Kontakt zu stehen. Alternativ dazu könnten kürzere Filamente verwendet werden, wenn sie mit anderen derartigen kürzeren Filamenten in einer sich in Längsrichtung überlappenden Art und Weise angeordnet sind, um die gesamte Breite der MEA zu überspannen (d.h. gemessen rechtwinklig zu der Richtung der Stege), solange jedes Filament lang genug ist, um eine Vielzahl von Stegen 13 auf jeder Seite einer gegebenen Nut 14 zu überspannen. Kohlenstoff-/Graphit-Filamente, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, sind kommerziell erhältlich von (1) Amoco Corporation mit der Handelsbezeichnung ThermalGraphTM DKD X, (2) der Cordec Corporation und (3) der RK Carbon Fibers Ltd. mit der Handelsbezeichnung RK 30 Continous FibreTM.
Die MEA's 4 können die stark orientierten leitfähigen Filamente 32 auf eine Vielzahl von Wegen auf ihre Seiten angewendet aufweisen. Beispielsweise können die Filamente 32 an die Seiten 28 und 30 der Elektroden 20 und 22 unter Verwendung eines "Abziehbild"-Verfahrens aufgetragen werden. Diesbezüglich wird ein Band mit einer Vielzahl von nebeneinanderliegenden Filamenten auf einen temporären Träger gelegt, der aus KAPTON® oder dergleichen besteht. Auf die Filamente wird eine Maskierung gelegt, die eine Öffnung darin aufweist, die den Bereich der MEA 4 definiert. Eine Aufschlämmung oder Tinte des mit Katalysator versehenen Kohlenstoffes, Polymerbinders und einem geeigneten Lösungsmittel wird in der Öffnung in der Maskierung in einer gewünschten Dicke ausgebreitet, wie beispielsweise durch Auftragen mit einem Wischer, Aufstreichen mit einer Rakel, Sieben oder einer anderen gut bekannten Technik zum Aufbringen eines dünnen Filmes. Anschließend wird die Maskierung entfernt und der beschichtete Träger (d.h. das Abziehbild) in einen Ofen verbracht, um das Lösungsmittel zu verdampfen und den mit Katalysator versehenen Kohlenstoff vollständig in der Bindermatrix dispergiert zurückzulassen, wobei die leitfähigen Filament 32 in dessen Oberfläche eingebettet sind. Anschließend wird ein Abziehbild auf jeder Seite einer Separatormembran 23 positioniert, und die gesamte Anordnung wird heißgepresst, um die Elektroden 20 und 22 mit der Membran 23 zu verbinden. Für MEA's 4, die NAFION® als das protonenleitende Polymer verwenden, wird das Heißpressen typischerweise bei Temperaturen von etwa 150ºC bis etwa 200ºC und Drücken von ungefähr 200 bis etwa 1000 psi ausgeführt. Nach dem Pressen werden die KAPTON®-Trägerelemente einfach abgezogen, was die Filamente 32 an den Seiten 28 und 30 der Elektroden 20 und 22 freiliegend und als Relief (Unebenheit) davon hervorstehend zurücklässt. Bei einer anderen Variation kann das Elektrodenmaterial zuerst in die Öffnung in der Maskierung aufgetragen werden und die Filamente nachfolgend in die freiliegende Oberfläche des Elektrodenmaterials vor einem Aushärten/Trocknen des Filmes gepresst werden. Das KAPTON® wird anschließend entfernt und die Elektrode an die Membran heißgepresst, so dass die Filamente auf der Außenseite sind. Alternativ dazu können die MEA's 4, deren Seiten 28 und 30 stark orientierte Filamente 32 umfassen, dadurch ausgebildet werden, dass zunächst das Abziehbild, wie oben beschrieben ist, aber ohne die Filamente gebildet wird, und anschließend die Elektroden an die Membran 23 heißgepresst werden. Anschließend werden die orientierten Filamente auf die Seiten 28 und 30 der Elektroden gelegt und in diese Seiten heißgepresst. Die Temperatur und der Druck, die erforderlich sind, um die Filamente in die Elektroden heißzupressen, hängt von der Beschaffenheit des protonengleitfähigen Binders in den Elektroden ab, beträgt aber für NAFION® etwa 104ºC bis etwa 149ºC bei Drücken von etwa 50 psi bis etwa 500 psi. Die Eindringtiefe der Filamente in die Seiten der Elektroden kann durch Verwendung von geeigneten Anschlägen an der Presse gesteuert werden, die das Ausmaß begrenzen, bis zu dein sich die Heißpressplatten der MEA annähern. Alternativ dazu können kontinuierliche Streifen der MEA, in deren Oberflächen hochorientierte Filamente eingebettet sind, dadurch hergestellt werden, dass erste und zweite Bänder mit hochorientierten Filamenten in den Spalt (Annäherungsstelle) eines Paares von erhitzten zusammenwirkenden Walzen zugeführt werden, während gleichzeitig ein Streifen der MEA zwischen den Bändern zugeführt wird, um so einen kontinuierlichen Streifen der MEA mit befestigten Filamenten zu bilden. Eine Vorerhitzung der MEA und/oder der Filamente vor der Zuführung dieser zwischen die Walzen kann vorteilhaft sein, um sicherzustellen, dass das Binderpolymer ausreichend weich ist, um das Filament darin in der kurzen Periode einzubetten, in der sich die Filamente und die MEA zwischen den zusammenwirkenden Walzen befinden.
Zellen, die zum Gebrauch mit der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind, vermeiden vorzugsweise, dass ein Steg auf einer Elektrodenplatte gegenüber einer Nut an der nächsten benachbarten Elektrodenplatte liegt, um so zu verhindern, dass die MEA 4 durch einen derartigen gegenüberliegenden Steg in eine derartige Nut gedrückt wird. Daher ist die Zellenkonstruktion vorzugsweise so, dass die Stege 13 einer Elektrodenplatte den Stegen 13 der nächsten benachbarten Elektrodenplatte gegenüberliegen, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Alternativ dazu könnten die Stege 13 einer Elektrodenplatte unter einem Winkel (beispielsweise 45 Grad) zu den Stegen der nächsten benachbarten Elektrodenplatte orientiert sein, so dass die dazwischengeschichtete MEA an einer Vielzahl einzelner Stellen gehalten wird, wo die Stege einander direkt gegenüberliegen, anstatt entlang der gesamten Länge der Stege gehalten zu werden, die einander entlang ihrer gesamten Länge gegenüberliegen, wie in Fig. 2 gezeigt ist.

Claims

1. PEM/SPE-Brennstoffzelle mit zumindest einer Zelle, umfassend: ein Paar von Elektroden (20, 22) mit entgegengesetzter Polarität, von denen jede eine erste Seite (28, 30), die einem gasförmigen Reaktanden ausgesetzt ist, einen Membranelektrolyt (23), der mit den Elektroden verbunden und zwischen diesen angeordnet ist, um bei Entladung der Zelle Protonen zwischen den Elektroden zu leiten, und ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement (6, 8), das eine zweite Seite aufweist, die mit der ersten Seite in Eingriff steht, um elektrischen Strom von der Elektrode durch die erste Seite zu leiten, wobei die zweite Seite eine Vielzahl von Stegen (13) umfaßt, die mit der ersten Seite in Eingriff stehen und eine Vielzahl von Nuten (14) dazwischen definieren, um einen gasförmigen Reaktanden im wesentlichen gleichförmig über die erste Seite zu verteilen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl elektrisch leitfähiger Filamente (32, 34) in Längsrichtung in der ersten Seite eingebettet ist, wobei die Filamente (32, 34) nur teilweise in der ersten Seite eingebettet sind, um so Längsabschnitte der Filamente (32, 34) nach oben freiliegend zu belassen, und von der ersten Seite hervorstehen, wobei sich die Filamente (32, 34) über eine Vielzahl der Stege (13) in einer Richtung quer zu den Stegen (13) und Nuten (14) erstrecken, und daß die Filamente im wesentlichen unidirektional orientiert sind.

2. PEM/SPE-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei sich die Stege (13) in einer ersten Richtung erstrecken, die zweite Seite eine in einer zweiten Richtung gemessene Breite aufweist, welche in etwa rechtwinklig zu der ersten Richtung liegt, und die Filamente (32, 34) in etwa zumindest so lang wie die Breite sind.

3. PEM/SPE-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Filamente (32, 34) aus einr Gruppe ausgewählt sind, die aus Kohlenstoff und Graphit besteht.

4. PEM/SPE-Brennstoffzelle nach Anspruch 4, wobei die Filamente (32, 34) einen Durchmesser zwischen etwa 2 um und etwa 20 um aufweisen.

5. PEM/SPE-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl der Filamente (32, 34) verdrillt/verflochten ist.

6. PEM/SPE-Brennstoffzelle nach Anspruch 5, wobei die erste Seite zumindest etwa 250 Filamente (32, 34) pro 2,54 cm (d.h. pro linearem Inch) umfaßt.

7. PEM/SPE-Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei die Filamente (32, 34) in der ersten Seite mit Filamentdicken zwischen etwa 10% und etwa 90% eingebettet sind.

8. PEM/SPE-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Stege (13) eine Breite zwischen etwa 0,05 mm (2 mil) und etwa 0,25 mm (10 mil) aufweisen und die Nuten (14) eine Breite von etwa 0,5 mm (20 mil) bis etwa 2,5 mm (100 mil) aufweisen.