在活性区上带有受控扩散率的气体扩散层的制作方法
专利名称：在活性区上带有受控扩散率的气体扩散层的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，且更特定地涉及适合于改进燃料电池内的 水管理的扩散介质及其准备方法，扩散介质包括多孔基底层、具有可 变尺寸和可变穿孔图案频率的薄穿孔层和至少微孔层，其中微孔层和 薄穿孔层施加到多孔基底层上。
背景技术：
燃料电池日益用作电动车辆和其他应用的电源。在质子交换膜(PEM)燃料电池中，氬气供给到燃料电池的阳极侧且氧气作为氧化 剂供给到燃料电池的阴极侧。在燃料电池内在反应物气体之间发生的 反应在阳极侧处消耗了氲且在阴极侧处产生了产物水。PEM燃料电池 包括膜电极组件(MEA),膜电极组件包括薄的非导电的质子传送固体 聚合物电解质膜，布置为使得阳极侧在一 面上且阴极侧在相对的面上。气体扩散介质在PEM燃料电池中起到了重要的作用。气体扩散介 质一般地在燃料电池内布置在催化电极和双极板的流场通道之间，气 体扩散介质提供了反应物和产物渗透性、导电性和导热性，以及燃料 电池正常工作所需的机械强度。燃料电池的有效运行取决于在系统内 提供有效的水管理的能力。扩散介质通过从催化电极去除产物水同时 维持/人双极纟反的气体流动通道到催化电才及的反应物气体流动而防止水 填充电极且限制了氧流动(已知为溢流)。典型地，在PEM燃料电池中使用的扩散介质在介质的整个区上具 有相对恒定的扩散阻力，因为孔在扩散介质中的结构和尺寸是均匀的。 使用当前扩散介质的汽车燃料电池的性能是受限的，因为反应物流经 常是不完全饱和，且电池的活性区上存在湿度和流(即水的生成)的 大的变化。因此，在湿运行区域内产物水的去除速度必须与在干运行 区域内维持一定程度的膜水合的需要平衡，以在燃料电池内获得满意 的质子传导率。因此，本发明是适合于提供变化的局部水管理能力的扩散介质， 以实现最高的燃料电池性能。在此处所述的扩散介质中，在干区域内的改进的运行通过这样实现，即通过限制水蒸气在活动区的干区域内 离开膜的流量以维持可接受的膜质子传导率，同时也维持可接受的反 应物气体流动，且在燃料电池的湿区域内施加更少的限制以不因过度 地保持水和反应物气体阻塞而降低燃料电池的性能。发明内容已发现了与本发明协调且一致的适合于改进水管理同时也改进燃 料电池性能的扩散介质。在另 一个实施例中，使用在PEM燃料电池内的扩散介质包括具有 第一侧和第二侧的多孔基底层，其中所述的基底层是导电的；具有多 个穿孔的薄穿孔层；第一微孔层，其中所述的第一微孔层布置在所述 的多孔基底层的第 一侧和所述的薄穿孔层之间，所述的第 一微孔层合 并到所述的多孔基底层的第 一侧内，且薄穿孔层合并到所述的第 一微 孔层内；和布置在所述的薄穿孔层上且与所述的薄穿孔层合并的第二 微孔层。在一个实施例中，使用在PEM燃料电池内的扩散介质包括具有第 一侧和第二侧的多孔基底层，其中所述的多孔基底层是导电的；第一 微孔层；和具有多个穿孔、第一侧和第二侧的薄穿孔层，其中所述的 笫 一 微孔层布置在所述的多孔基底层的第 一 侧和所述的薄穿孔层的第 一侧之间且合并到所述的多孔基底层的第 一 侧和所述的薄穿孔层的第 一侧中。在另 一个实施例中，用于制成使用在PEM燃料电池内的扩散介质 的方法包括如下步骤提供多孔基底层，其中所述的多孔基底层是导 电的；提供带有可变的穿孔图案尺寸和频率之一的薄穿孔层；以含氟 聚合物处理多孔基底层；将以含氟聚合物处理的多孔基底层涂敷以糊 剂以形成微孔层；将薄穿孔层压在湿的微孔层上；将微孔层和多孔基 底层干燥；和将多孔基底层、薄穿孔层和微孔层烧结在一起。
从如下对优选实施例的详细描述中当才艮据附图考虑时，本发明的 以上的以及其他的优点将对于本领域一般技术人员容易地显见，其中 图1是根据本发明的实施例的气体扩散介质的截面视图；图2是根据本发明的另 一 个实施例的气体扩散介质的截面视图； 图3是根据本发明的另 一个实施例的气体扩散介质的截面视图； 图4是燃料电池堆的分解视图，示出了包括图1中示出的气体扩散介质的两个燃料电池；图5是包括图1中示出的气体扩散介质的单一的PEM燃料电池的截面视图；图6是示出了无薄穿孔层的气体扩散介质、具有25%开口面积的 薄穿孔层的气体扩散介质和具有5 %开口面积的薄穿孔层的气体扩散 介质的总扩散阻力的表；图7是示出了在以高相对湿度运行的燃料电池中的无薄穿孔层的 气体扩散介质、具有25%开口面积的薄穿孔层的气体扩散介质和具有 5 %开口面积的薄穿孔层的气体扩散介质的电流电压性能的图；和气体扩散介质、具有25%开口面^的薄穿孔层的气体扩散:;和具有 5 %开口面积的薄穿孔层的气体扩散介质的电流电压性能的图。
具体实施方式
如下的详细描述和附图描述且图示了本发明的多种典型实施例。 描述和附图用于使得本领域一般技术人员能制成和使用本发明，且不 意图于以任何方式限制本发明的范围。关于所披露的方法，提出的步 骤在本质上是典型的，且因此步骤的次序不是必需的或关键的。图1图示了根据本发明的实施例的扩散介质10。扩散介质10包括 多孔基底层12、第一微孔层14、薄穿孔层16和第二微孔层18。应理 解的是，扩散介质10和其层12、 14、 16、 18的厚度可以基于其内使 用了扩散介质10的燃料电池的希望的性能变化。多孔基底层12是具有第一侧20和第二侧22的碳纤维纸(CFP)。 在示出的实施例中，多孔基底层12以例如聚四氟乙烯(PTFE)(未示 出)的石友氟化合物聚合物处理。可以4吏用任何传统的CFP,例如由 Mitsubishi Rayon Company生产的MRC U-105纸。应理解的是，多孑L 基底层12也可以是碳布或其他适合于导电和导热的常规材料。此外， 多孔基底层12可以如希望地不处理或以不同于碳氟化合物聚合物的材 料处理。第一微孔层14和第二微孔层18由碳粉和碳氟化合物聚合物的混 合物形成。应理解的是，第一微孔层14或第二微孔层18可以不要求， 且可以使用第一微孔层14或第二微孔层18的仅一个。薄穿孔层16具有多个选择地分布的穿孔43。薄穿孔层16也具有 不穿孔的外周部分45,如在图5中示出。应理解的是，薄穿孔层16可 以如希望地不具有不穿孔的外周部分45。在示出的实施例中，薄穿孔 层16是石墨箔。然而，薄穿孔层16可以例如由例如金属片、聚合物 材料、复合物材料、浸渍聚合物材料的其他常规材料或任何常规非传 导材料形成。薄穿孔层16的穿孔43可以变化以产生局部特性的变化。 例如，在薄穿孔层16内的穿孔43的尺寸和频率可以变化以提供不同 的开口面积(即孔量)。降低薄穿孔层16内的穿孔43的频率导致扩散 介质10的更高的曲折性(即有效孔长度)。可以使用均匀的石墨箔块 以形成薄穿孔层16,或薄穿孔层16可以由多个具有相互相邻布置的不 同尺寸和频率的穿孔的石墨箔片16a、 16b形成，如在图2中图示。为形成扩散介质10,多孔基底层12以PTFE处理，以形成已处理 的多孔基底层12。具有希望的开口面积和穿孔图案的薄穿孔层16由石 墨箔片(未示出)通过将石墨箔片巻绕在滚子(未示出)之间而形成， 滚子具有适合于在箔中产生希望的图案、形状和尺寸的穿孔43的突起 元件。可以使用类似于在授予Mercuri等人的美国专利No 6,521,369中 所描述的连续过程或使用多步过程来如希望地形成薄穿孔层16。突起 元件的尺寸和放置将基于穿孔43的希望的图案、形状和尺寸而变化， 以获得通过扩散介质10的希望的扩散阻力。然后，形成包括碳粉和碳氟化合物聚合物的混合物的糊剂(未示 出)，且糊剂施加到多孔基底层12的第一侧20以形成第一微孔层14， 使得第一微孔层14渗透到多孔基底层12的第一侧20上的孔内。当第 一微孔层14是湿的时，薄穿孔层16压靠在多孔基底层12的第一侧20 上的第一微孔层14上，使得第一微孔层14压入薄穿孔层16的穿孔43 内，以将薄穿孔层16与第一微孔层14和多孔基底层12合并，如在图 1中示出。然后允许第一微孔层14干燥。如在此所使用，合并理解为 意味着扩散介质IO的一层附着、穿透、渗漏或另外地渗透到邻近层的 空隙空间内，以促进层的整合。碳粉糊剂施加到薄穿孔层16以形成第二微孔层18,使得第二微孔层18渗透到薄穿孔层的穿孔内。已处理的多孔基底层12、第一微孔层14、薄穿孔层16和第二微孔层18然后在380。C或380。C附近烧结以形 成扩散介质10。烧结过程导致第一微孔层14、薄穿孔层16、第二微孔 层18和多孔基底层12附着在一起。"DIFFUSION MEDIA WITH A MICROPOROUS LAYER"的共同拥有的美国专利No 7,063,913在此通 过参考合并，以进一步描述用于准备糊剂和其他材料的方法和在准备 扩散介质10中使用的过程。应理解的是，如果薄穿孔层16是聚合物 材料或类似的材料，则多孔基底层12、第一微孔层14、薄穿孔层16 和第二微孔层18可以热压而导致层12、 14、 16、 18附着到一起。图4是示出了包括两个燃料电池的多电池燃料电池堆24的分解视 图。应理解的是，在燃料电池堆24中的燃料电池的个数可以改变。如 所示出，燃料电池堆24具有一对相互由导电的燃料分配元件30分开 的膜电极组件(MEA) 26和28,燃料分配元件在后文中称为双极板。 MEA26、 28和双极板30在不锈钢夹板或端板32、 34和端部接触元件 36、 38之间堆叠在一起。端部接触元件36是阴极，而端部接触元件 38是阳极。端部接触元件36、 38以及双才及板30的两个工作面包含多 个沟槽或通道40,以将燃料和氧化剂气体(即氲和氧)分配到MEA26、 28。双核j反30和端部接触元件36和38可以由金属制成，^旦如果希望 也可以由其他材津十制造。例如，双招j反和端部接触元件可以由石墨制 造，石墨重量轻、耐腐蚀且在PEM燃料电池堆24的环境中导电的。在图4中示出的实施例中，扩散介质10、 10'、 10"、 10'"邻近密封 件42。邻近扩散介质10、 10'、 10"、 10'"的密封件42是提供了燃料电 池堆24的部件之间的密封和绝缘的垫圈。扩散介质10、 10'、 10"、 10'" 的薄穿孔层16的未穿孔的外周部分45的部分布置为紧邻密封件42, 以作为燃津+电池堆的部件之间的次级垫圏。未穿孔的部分45或次级垫 圈也可以限定阳^ l和阴极的活性区，例如在"CATALYST LAYER EDGE PROTECTION FOR ENHANCED MEA DURABILITY IN PEM FUEL CELLS"的美国专利No 6，861,173中所教示的次级垫圈，在此通过参 考将其合并。外周部分45也可以提供对板30、 36、 38的边缘的保护 且防止酸性的且潜在地腐蚀性的膜接触板30、 36、 38和密封件42。未 穿孔的外周部分45也可以作为MEA 26的才几械支承。扩散介质10布置 在端部接触元件36和MEA 26之间。扩散介质10'布置在MEA 26和双极板30的阳极侧之间，且扩散介质IO"布置在双极板30的阴极侧和 MEA28之间。扩散介质10'"布置在MEA28和端部接触元件38之间。图5示出了图4的组装后的燃料电池堆24的燃料电池的部分的截 面视图。如所示出，MEA26包括夹在阳极催化剂26c和阴极催化剂26b 之间的质子交换膜26a。 MEA 26布置在端部接触元件36和双极板30 的阳极侧之间。扩散介质10布置在端部接触元件36和MEA26之间， 使得扩散介质10的多孔基底层12的第二侧22邻近端部接触元件36 的通道40布置。扩散介质10的第二微孔层18邻近阴极催化剂26b布 置。扩散介质10'布置在双极板30的阳极侧和MEA 26之间，使得扩散 介质10'的多孔基底层12的笫二侧22邻近双极板30的通道40。扩散 介质10'的第二微孔层18邻近阳极催化剂26c布置。在使用中，氢从氢源48供给到燃料电池堆24的端部接触元件38 和双极板30的阳极侧50。氧作为氧化剂从氧源44供给到端部接触元 件36和双才及板30的阴极侧。替代地，可以将环境空气作为氧化剂供 给到阴极侧且氪可以从曱醇或汽油转化器供给到阳极。在阳极侧50处，氢^f皮催化分裂为质子和电子。所形成的质子通过 膜26a渗透到阴极侧52。电子沿外部负荷电路(未示出)行进到MEA 26的阴极侧52,因此造成了燃料电池堆24的电流输出。同时，氧流 输送到MEA 26的阴极侧52。在阴极侧52处，氧分子与通过膜26渗 透的质子和通过外部电路到达的电子反应，以形成水分子(未示出)。 扩散介质10、 10'在燃料电池组件24的燃料电池的湿运行条件期间或 湿区域处去除过多的产物水，以避免溢流电极26c和26b且也维持膜 26的水合程度，以在燃料电池组件24的燃料电池的干运行条件期间或 干区域处获得适当的质子传导率。在扩散介质10、 10'内的过多的水通 过歧管(未示出)由邻近和通过扩散介质10、 10'的氬和氧气的流动从 燃料电池堆24去除。燃料电池堆24内的水管理整合到成功的长期燃料电池堆24运行。 扩散介质10、 10'帮助了燃料电池堆24内的水管理。扩散介质10、 10' 具有数个特定的功能。扩散介质10、 10'提供了从流动通道40到催化 剂层26b、 26c的反应物气体进入。另外，扩散介质10、 10'是导电的和 导热的，以提供电子路径和对燃料电池堆24运行的除热。扩散介质10、 10'也便于/人燃料电池堆24的阴极侧52去除产物水且然后将水释放到流动通道40内以/人燃料电池堆24去除。对于适合于汽车应用的PEM燃料电池堆24,更干的稳态运行条件 是有利的，从而要求扩散介质IO具有良好的水保持能力，以维持膜26质量:输，所以才P散介质I!的扩散特性应合适地选择。在带有高局部 相对湿度和低反应物浓度的燃料电池活性区的区域内，例如在板30、 36、 38的通道出口附近，可以通过使用带有低扩散阻力的扩散介质10 优化性能。在带有低的局部相对湿度和高反应物浓度的燃料电池活性 区的区域内，例如在板30、 36、 38的气体通道入口附近，可以通过4吏 用带有高扩散阻力的扩散介质IO优化性能。如在此所使用，活性区限于燃料电池的适合于容纳冷却机构、反应物分配机构和密封机构的总 面积、而变4b。扩散特性的装i。通过将薄穿孔层16合并到扩散介质、10内且^变; 孔43的尺寸、空间频率和几何图案而提供了不同的特性。改变薄穿孔 层16的尺寸、空间频率和几何图案影响了通过扩散介质10的总体气 体扩散特性。通过降低穿孔43的尺寸和频率降低了多孔性(s ),而 穿孔43的频率的降低导致扩散介质10的更高的曲折性(t )。通过气 体扩散层的自由扩散系数(D)和有效扩散系数(Deff)的比取决于扩 散介质IO的多孔性和曲折性。关系表示为D/Deff=t/5 。因此，在扩 散介质10的薄穿孔层16内的穿孔43的尺寸和空间频率的降低导致D/Deff的增加。图3图示了根据本发明的另一个实施例的扩散介质11。扩散介质 11包括第一多孔基底层12、第一微孔层14、第一薄穿孔层16、第二 微孔层18、第三微孔层14'、第二薄穿孔层16'和第四微孔层18'。应理 解的是，扩散介质11和其层12、 14、 16、 18、 14'、 16'、 18'的厚度可 以基于其中使用了扩散介质11的燃料电池的希望的性能而变化。多孔基底层12是具有第一侧20和第二侧22的碳纤维纸(CFP )。 在示出的实施例中，多孔基底层12以聚四氟乙烯(PTFE)(未示出) 处理。可以<吏用寸壬<可传统的CFP,例如由Mitsubishi Rayon Company 生产的MRC U-105纸。应理解的是，多孔基底层12也可以是碳布或其他适合于导电和导热的常规材料。此外，多孔基底层12可以如希望 地不处理或以不同于碳氟化合物聚合物的材料处理。第一微孔层14、第二微孔层18、第三微孔层14'和第四微孔层18' 由碳粉和碳氟化合物聚合物的混合物形成。应理解的是，并非所有四 个微孔层14、 14'、 18、 18'都是希望的，且扩散介质11可以如希望地 包括微孔层14、 14'、 18、 18'的任何组合。薄穿孔层16、 16'具有多个选择地分布的穿孔，该穿孔类似于在图 1和图2中示出的扩散介质10的穿孔43。在示出的实施例中，薄穿孔 层16、 16'是石墨箔。然而，薄穿孔层16、 16'可以例如由例如金属片、 聚合物或复合物材料的其他常规材料形成。薄穿孔层16、 16'的穿孔可 以变化以产生局部特性的变化。例如，在薄穿孔层16、 16'内的穿孔43 的尺寸和频率可以变化以提供不同的气体扩散阻力。降低薄穿孔层16、 16'内的穿孔的频率导致扩散介质11的更高的曲折性(即有效孔长度)。 应理解的是，薄穿孔层16、 16'可以具有类似的穿孔图案的尺寸和频率， 或薄穿孔层16、 16'可以如希望地具有不同的穿孔图案的尺寸和频率。为形成扩散介质11,多孔基底层12以PTFE处理，以形成处理的 多孔基底层12。具有希望的穿孔图案的尺寸和频率的薄穿孔层16、 16' 由石墨箔片(未示出)通过将石墨箔片巻绕在滚子(未示出)之间而 形成，滚子具有适合于在箔中产生希望的图案、形状和尺寸的穿孔43 的突起元件。可以使用类似于在4受予Mercun等人的美国专利No 6,521,369中所描述的连续过程或使用多步过程来如希望地形成薄穿孔 层16、 16'。突起元件的尺寸和放置将基于穿孔的希望的图案、形状和 尺寸而变化，以获得希望的气体扩散阻力。然后，形成包括碳粉和碳氟化合物聚合物的混合物的糊剂(未示 出)，且糊剂施加到多孔基底层12的第一侧20和第二侧22以形成笫 一微孔层14和第三微孔层14'。当第一微孔层14和第三微孔层14'是湿 的时，第一薄穿孔层16与多孔基底层12和第一微孔层14结合，使得 第一微孔层14压入第一薄穿孔层16的穿孔43内，以将第一薄穿孔层 16与第一微孔层14合并，如在图3中示出。糊剂然后施加到第一薄穿 孔层16的暴露侧以形成第二微孔层18。当第二微孔层18是湿的时， 第二微孔层18合并。碳粉糊剂然后施加到第二薄穿孔层16'的暴露侧以形成第四微孔层18'。然后允许微孔层14、 14'、 18、 18'干燥然后将已处理的多孔基底层12、第一微孔层14、第一薄穿孔层16、 第二微孔层18、第三微孔层14'、第二薄穿孔层16'和第四微孔层18' 在38CTC或38(TC附近烧结。烧结过程导致微孔层14、 14'、 18、 18'、 薄穿孔层16、 16'和多孔基底层12附着在一起。池的阳才及侧50上或阴才及侧52和阳才及侧50两者上，以优化燃:扦电池组 件24的水管理特性。在此描述的扩散介质10的定位将取决于流动通 道40的设计和燃料电池组件24的运行情况。本发明已参考优选实施例在上文中描述。进一步的非限制性例子 在如下的例子中给出。例子将200微米厚的Mitsubishi MRC-U-105碳纤维纸浸入到PTFE分 散液中以实现吸收大致10%重量百分比的PTFE。在纸干燥后，将由乙 炔碳黑和PTFE混合物形成的糊剂涂敷在碳纤维纸的一侧上以形成微 孔层。糊剂包括在水和乙醇溶液中散布的4.8%重量百分比的固体，且 固体是重量比为3比1的乙炔碳黑和PTFE。在微孔层是湿的时，将来 自Gmftech International Ltd.的穿孔膨胀石墨荡压靠在微孔层和碳纤维 纸上。在微孔层干燥后，另一个微孔层涂敷在薄穿孔石墨箔上。每涂 层微孔层的大致加载为lmg/cm2，这导致大约20微米的干涂层厚度。 最后，碳纸与微孔层和薄穿孔层在380。C下通过加热烧结。通过以上所述的方法准备第一样本，扩散介质A,而省略薄穿孔 层的合并。因此，扩散介质A具有两个糊剂涂层，以实现与包括薄穿 孔层的样本大致相同的总微孔加载。根据以上的方法使用来自Gmftech International Ltd.的石墨箔准备第二样本，扩散介质B,石墨箔具有157 微米的平均厚度，每平方英寸10000个穿孔，且穿孔尺寸使得薄穿孔 层具有25 %的平均开口面积。第三样本，扩散介质C，使用来自Graftech International Ltd.的石墨箔准备，石墨箔具有190微米的平均厚度，每 平方英寸10000个穿孔，且穿孔尺寸使得薄穿孔层具有5Q/。的平均开口 面积。因此，名义上，样本A与样本B和样本C之间的差异仅是总扩散介质厚度和薄穿孔层的存在。图6示出了三个样本的为扩散阻力测量值的质量运输阻力值的表，其由在5 cm"舌性区的燃料电池中的极限电流测量计算出。极限电流测 量和随后的有效扩散系数计算在如下文献中描述D. Baker, C. Wieser, K.C. Neyerlin, M.W. Murphy, "The Use of Limiting Current to Determine Transport Resistance in PEM Fuel Cells" . ECS Transactions, 3 (1) 989-999 (2006),和U. Beuscher. "Experimental Method to Determine the Mass Transport Resistance of a Polymer Electrolyte Fuel Cell". J. Elec.Soc., 153 (9)A1788-A1793 (2006)。表中的值是总质量运输阻力,Deff其中"f，是考虑到燃料电池的通道几何形状的几何因数，且"h"是总 气体扩散层的厚度。质量运输阻力的单位是秒/厘米(s/cm)。总质量运 输阻力在200 kPa的绝对气体压力下示出。图6示出了质量运输阻力从 第一样本A到第二样本B到第三样本C的增加。因此，样本B、 C的 气体运输阻力随穿孔面积的降低而增加。扩散介质样本A、 B、 C在燃料电池中在不同的运行条件下测试。 图7和图8示出了样本A、 B和C的关于电流和电压曲线的结果。在 每个样本A、 B和C上进4亍重复测试以产生六个曲线Al、 A2、 Bl、 B2、 Cl、 C2。样本作为阴极扩散介质组装在带有Gore 5510膜电极组 件的燃料电池内。Johnson Matthey扩散介质使用在阳极侧上。燃料电 池包括带有5cit^的活性区的直通道。燃料电池在高的阳极化学计量关 系和高的阴极化学定量关系下运行，除四个高电流密度的设定点外化 学定量关系大多数大于10,四个高电流密度的设定点处化学定量关系 在3至6之间。在以上的运4亍条件下在样本A、 B、 C上进行的测试已 知为差异电池测试。在差异电池测试中，可以Wi定包:fe反应物浓度和 相对湿度的运行条件沿测量区内的通道是恒定的。图7示出了在80。C、 150 kPa绝对压力和71%相对湿度下进4亍的 样本A、 B、 C的电流与电压的曲线。第二样本B1、 B2的曲线和第三 样本C1、 C2的曲线示出与第一样本Al、 A2的曲线相比，在相对低的 电流(1.0 A/cn^和1.0 A/cn^以下)下无明显性能差异，而第三样本 Cl、 C2的电压在高电流密度(1.5 A/cm2)下示出了明显的下降。第一 样本A1、 A2和第二样本B1、 B2已示出在此运行条件下扩散介质具有稳定的水管理能力。图8示出了在8CTC、 150kPa和22 %相对湿度下进行的样本A、 B、 C的电流与电压的曲线。在此相对干的条件下，曲线具有明显的扩散。 与第一样本A1、 A2相比，第三样本C1、 C2的曲线示出了燃料电池的 性能改进。与第一样本A1、 A2相比，第二样本B1、 B2的曲线示出了 燃料电池的更大的性能改进。与第一样本Al、 A2相比，带有薄的穿 孔箔的第二样本B1、 B2和第三样本C1、 C2示出了在相对干的条件下 的更好的水管理能力。因此，在相对湿和干的运行条件下，不同的气体扩散介质样本A、 B、 C的益处已在以上的例子中图示。将薄穿孔层16合并到多孔基底 层12内示出了在燃料电池堆内取决于薄穿孔层16的特定的穿孔特征 的扩散阻力的增加和水管理能力增加。从前述描述中，本领域一般技术人员可以容易地确定本发明的基 本特征，且可以对本发明进行不偏离本发明的精神和范围的多种改变 和修改以使其适合于多种使用和条件。
权利要求
1.一种使用在PEM燃料电池中的扩散介质，包括具有第一侧和第二侧的多孔基底层，其中所述的多孔基底层是导电的；第一微孔层；和具有多个穿孔、第一侧和第二侧的薄穿孔层，其中所述的第一微孔层布置在所述的多孔基底层的第一侧和所述的薄穿孔层的第一侧之间且合并到所述的多孔基底层的第一侧和所述的薄穿孔层的第一例中。
2. 根据权利要求1所述的扩散介质，进一步包括布置在所述的薄 穿孔层的第二侧上且合并到所述的薄穿孔层的第二侧f的笫二微孔层。
3. 根据权利要求1所述的扩散介质，其中所述的多孔基底层是碳 纤维纸。
4. 根据权利要求1所述的扩散介质，其中所述的薄穿孔层是膨胀石墨荡o
5. 根据权利要求2所述的扩散介质，其中所述的第一微孔层和所 述的第二微孔层是碳粉、碳氟化合物聚合物以及碳粉和碳氟化合物聚 合物的混合物中的 一个。
6. 根据权利要求5所述的扩散介质，其中碳氟化合物聚合物是聚 四氟乙烯。
7. 根据权利要求1所述的扩散介质，其中所述的薄穿孔层在扩散 介质的活性区上具有变化的穿孔图案尺寸和频率，以便于变化的水管 理能力。
8. 根据权利要求1所述的扩散介质，其中变化的穿孔图案尺寸和 频率可以在单一的薄穿孔片上准备或通过将多个穿孔片组合而准备， 多个穿孔片的每个具有均匀的穿孔图案尺寸和频率。
9. 根据权利要求1所述的扩散介质，其中所述的薄穿孔层包括适 合于在燃料电池的部件之间形成次级垫圈的未穿孔的外周。
10. 根据权利要求1所述的扩散介质，其中所述的第一微孔层、所 述的多孔基底层和所述的薄穿孔层烧结在一起。
11. 一种使用在PEM燃料电池内的扩散介质，包括具有第 一侧和第二侧的多孔基底层，其中所述的基底层是导电的； 具有多个穿孔的薄穿孔层；第 一微孔层，其中所述的第 一微孔层布置在所述的多孔基底层的 第 一 侧和所述的薄穿孔层之间，所述的第 一 微孔层合并到所述的多孔 基底层的第一侧内，且薄穿孔层合并到所述的第一微孔层内；和布置在所述的薄穿孔层上且与所述的薄穿孔层合并的第二微孔层。
12. 根据权利要求11所述的扩散介质，其中所述的第一微孔层和 所述的第二微孔层是碳粉、碳氟化合物聚合物以及碳粉和碳氟化合物 聚合物的混合物中的 一个。
13. 根据权利要求12所述的扩散介质，其中碳氟化合物聚合物是 聚四氟乙烯。
14. 根据权利要求11所述的扩散介质，其中所述的薄穿孔层在扩 散介质的活性区上具有变化的穿孔图案尺寸和频率，以便于变化的水 管理能力。
15. 根据权利要求11所述的扩散介质，其中变化的穿孔图案尺寸 和频率可以在单一的薄穿孔片上准备或通过将多个穿孔片组合而准 备，多个穿孔片的每个具有均匀的穿孔图案尺寸和频率。
16. 根据权利要求11所述的扩散介质，其中所述的薄穿孔层包括 适合于在燃料电池的部件之间形成次级垫圏的未穿孔的外周。
17. 根据权利要求11所述的扩散介质，其中所述的第一微孔层、 所述的多孔基底层和所述的薄穿孔层烧结在一起。
18. —种用于制成4吏用在PEM燃料电池内的扩散介质的方法，包 括如下步骤提供多孔基底层，其中所述的多孔基底层是导电的； 提供带有可变的穿孔图案尺寸和频率之一的薄穿孔层； 以含氟聚合物处理多孔基底层；将以含氟聚合物处理的多孔基底层涂敷以糊剂以形成微孔层； 将薄穿孔层压在湿的微孔层上；将微孔层和多孔基底层干燥；和将多孔基底层、薄穿孔层和微孔层烧结在一起。
19. 根据权利要求18所述的方法，进一步包括使用滚子形成薄穿 孔层的步骤，该滚子具有希望的图案的突起，以获得希望的穿孔图案 尺寸和频率。
20. 根据权利要求18所述的方法，进一步包括提供多个在微孔层 上布置为相互邻近的薄穿孔层的步骤，以获得希望的变化的气体扩散 阻力。
全文摘要
一种使用在PEM燃料电池内的扩散介质，包括具有合并到多孔基底层的第一侧上的微孔层的可变的穿孔图案尺寸和频率的薄穿孔层，其中扩散介质适合于改进燃料电池的水管理和性能。
文档编号H01M4/88GK101252196SQ20081008145
公开日2008年8月27日 申请日期2008年2月22日 优先权日2007年2月22日
发明者M·马蒂亚斯, P·尼科特拉, S·G·格贝尔, 纪纯新 申请人:通用汽车环球科技运作公司
技术领域：
本发明涉及燃料电池，且更特定地涉及适合于改进燃料电池内的 水管理的扩散介质及其准备方法，扩散介质包括多孔基底层、具有可 变尺寸和可变穿孔图案频率的薄穿孔层和至少微孔层，其中微孔层和 薄穿孔层施加到多孔基底层上。
背景技术：
燃料电池日益用作电动车辆和其他应用的电源。在质子交换膜(PEM)燃料电池中，氬气供给到燃料电池的阳极侧且氧气作为氧化 剂供给到燃料电池的阴极侧。在燃料电池内在反应物气体之间发生的 反应在阳极侧处消耗了氲且在阴极侧处产生了产物水。PEM燃料电池 包括膜电极组件(MEA),膜电极组件包括薄的非导电的质子传送固体 聚合物电解质膜，布置为使得阳极侧在一 面上且阴极侧在相对的面上。气体扩散介质在PEM燃料电池中起到了重要的作用。气体扩散介 质一般地在燃料电池内布置在催化电极和双极板的流场通道之间，气 体扩散介质提供了反应物和产物渗透性、导电性和导热性，以及燃料 电池正常工作所需的机械强度。燃料电池的有效运行取决于在系统内 提供有效的水管理的能力。扩散介质通过从催化电极去除产物水同时 维持/人双极纟反的气体流动通道到催化电才及的反应物气体流动而防止水 填充电极且限制了氧流动(已知为溢流)。典型地，在PEM燃料电池中使用的扩散介质在介质的整个区上具 有相对恒定的扩散阻力，因为孔在扩散介质中的结构和尺寸是均匀的。 使用当前扩散介质的汽车燃料电池的性能是受限的，因为反应物流经 常是不完全饱和，且电池的活性区上存在湿度和流(即水的生成)的 大的变化。因此，在湿运行区域内产物水的去除速度必须与在干运行 区域内维持一定程度的膜水合的需要平衡，以在燃料电池内获得满意 的质子传导率。因此，本发明是适合于提供变化的局部水管理能力的扩散介质， 以实现最高的燃料电池性能。在此处所述的扩散介质中，在干区域内的改进的运行通过这样实现，即通过限制水蒸气在活动区的干区域内 离开膜的流量以维持可接受的膜质子传导率，同时也维持可接受的反 应物气体流动，且在燃料电池的湿区域内施加更少的限制以不因过度 地保持水和反应物气体阻塞而降低燃料电池的性能。发明内容已发现了与本发明协调且一致的适合于改进水管理同时也改进燃 料电池性能的扩散介质。在另 一个实施例中，使用在PEM燃料电池内的扩散介质包括具有 第一侧和第二侧的多孔基底层，其中所述的基底层是导电的；具有多 个穿孔的薄穿孔层；第一微孔层，其中所述的第一微孔层布置在所述 的多孔基底层的第 一侧和所述的薄穿孔层之间，所述的第 一微孔层合 并到所述的多孔基底层的第 一侧内，且薄穿孔层合并到所述的第 一微 孔层内；和布置在所述的薄穿孔层上且与所述的薄穿孔层合并的第二 微孔层。在一个实施例中，使用在PEM燃料电池内的扩散介质包括具有第 一侧和第二侧的多孔基底层，其中所述的多孔基底层是导电的；第一 微孔层；和具有多个穿孔、第一侧和第二侧的薄穿孔层，其中所述的 笫 一 微孔层布置在所述的多孔基底层的第 一 侧和所述的薄穿孔层的第 一侧之间且合并到所述的多孔基底层的第 一 侧和所述的薄穿孔层的第 一侧中。在另 一个实施例中，用于制成使用在PEM燃料电池内的扩散介质 的方法包括如下步骤提供多孔基底层，其中所述的多孔基底层是导 电的；提供带有可变的穿孔图案尺寸和频率之一的薄穿孔层；以含氟 聚合物处理多孔基底层；将以含氟聚合物处理的多孔基底层涂敷以糊 剂以形成微孔层；将薄穿孔层压在湿的微孔层上；将微孔层和多孔基 底层干燥；和将多孔基底层、薄穿孔层和微孔层烧结在一起。
从如下对优选实施例的详细描述中当才艮据附图考虑时，本发明的 以上的以及其他的优点将对于本领域一般技术人员容易地显见，其中 图1是根据本发明的实施例的气体扩散介质的截面视图；图2是根据本发明的另 一 个实施例的气体扩散介质的截面视图； 图3是根据本发明的另 一个实施例的气体扩散介质的截面视图； 图4是燃料电池堆的分解视图，示出了包括图1中示出的气体扩散介质的两个燃料电池；图5是包括图1中示出的气体扩散介质的单一的PEM燃料电池的截面视图；图6是示出了无薄穿孔层的气体扩散介质、具有25%开口面积的 薄穿孔层的气体扩散介质和具有5 %开口面积的薄穿孔层的气体扩散 介质的总扩散阻力的表；图7是示出了在以高相对湿度运行的燃料电池中的无薄穿孔层的 气体扩散介质、具有25%开口面积的薄穿孔层的气体扩散介质和具有 5 %开口面积的薄穿孔层的气体扩散介质的电流电压性能的图；和气体扩散介质、具有25%开口面^的薄穿孔层的气体扩散:;和具有 5 %开口面积的薄穿孔层的气体扩散介质的电流电压性能的图。
具体实施方式
如下的详细描述和附图描述且图示了本发明的多种典型实施例。 描述和附图用于使得本领域一般技术人员能制成和使用本发明，且不 意图于以任何方式限制本发明的范围。关于所披露的方法，提出的步 骤在本质上是典型的，且因此步骤的次序不是必需的或关键的。图1图示了根据本发明的实施例的扩散介质10。扩散介质10包括 多孔基底层12、第一微孔层14、薄穿孔层16和第二微孔层18。应理 解的是，扩散介质10和其层12、 14、 16、 18的厚度可以基于其内使 用了扩散介质10的燃料电池的希望的性能变化。多孔基底层12是具有第一侧20和第二侧22的碳纤维纸(CFP)。 在示出的实施例中，多孔基底层12以例如聚四氟乙烯(PTFE)(未示 出)的石友氟化合物聚合物处理。可以4吏用任何传统的CFP,例如由 Mitsubishi Rayon Company生产的MRC U-105纸。应理解的是，多孑L 基底层12也可以是碳布或其他适合于导电和导热的常规材料。此外， 多孔基底层12可以如希望地不处理或以不同于碳氟化合物聚合物的材 料处理。第一微孔层14和第二微孔层18由碳粉和碳氟化合物聚合物的混 合物形成。应理解的是，第一微孔层14或第二微孔层18可以不要求， 且可以使用第一微孔层14或第二微孔层18的仅一个。薄穿孔层16具有多个选择地分布的穿孔43。薄穿孔层16也具有 不穿孔的外周部分45,如在图5中示出。应理解的是，薄穿孔层16可 以如希望地不具有不穿孔的外周部分45。在示出的实施例中，薄穿孔 层16是石墨箔。然而，薄穿孔层16可以例如由例如金属片、聚合物 材料、复合物材料、浸渍聚合物材料的其他常规材料或任何常规非传 导材料形成。薄穿孔层16的穿孔43可以变化以产生局部特性的变化。 例如，在薄穿孔层16内的穿孔43的尺寸和频率可以变化以提供不同 的开口面积(即孔量)。降低薄穿孔层16内的穿孔43的频率导致扩散 介质10的更高的曲折性(即有效孔长度)。可以使用均匀的石墨箔块 以形成薄穿孔层16,或薄穿孔层16可以由多个具有相互相邻布置的不 同尺寸和频率的穿孔的石墨箔片16a、 16b形成，如在图2中图示。为形成扩散介质10,多孔基底层12以PTFE处理，以形成已处理 的多孔基底层12。具有希望的开口面积和穿孔图案的薄穿孔层16由石 墨箔片(未示出)通过将石墨箔片巻绕在滚子(未示出)之间而形成， 滚子具有适合于在箔中产生希望的图案、形状和尺寸的穿孔43的突起 元件。可以使用类似于在授予Mercuri等人的美国专利No 6,521,369中 所描述的连续过程或使用多步过程来如希望地形成薄穿孔层16。突起 元件的尺寸和放置将基于穿孔43的希望的图案、形状和尺寸而变化， 以获得通过扩散介质10的希望的扩散阻力。然后，形成包括碳粉和碳氟化合物聚合物的混合物的糊剂(未示 出)，且糊剂施加到多孔基底层12的第一侧20以形成第一微孔层14， 使得第一微孔层14渗透到多孔基底层12的第一侧20上的孔内。当第 一微孔层14是湿的时，薄穿孔层16压靠在多孔基底层12的第一侧20 上的第一微孔层14上，使得第一微孔层14压入薄穿孔层16的穿孔43 内，以将薄穿孔层16与第一微孔层14和多孔基底层12合并，如在图 1中示出。然后允许第一微孔层14干燥。如在此所使用，合并理解为 意味着扩散介质IO的一层附着、穿透、渗漏或另外地渗透到邻近层的 空隙空间内，以促进层的整合。碳粉糊剂施加到薄穿孔层16以形成第二微孔层18,使得第二微孔层18渗透到薄穿孔层的穿孔内。已处理的多孔基底层12、第一微孔层14、薄穿孔层16和第二微孔层18然后在380。C或380。C附近烧结以形 成扩散介质10。烧结过程导致第一微孔层14、薄穿孔层16、第二微孔 层18和多孔基底层12附着在一起。"DIFFUSION MEDIA WITH A MICROPOROUS LAYER"的共同拥有的美国专利No 7,063,913在此通 过参考合并，以进一步描述用于准备糊剂和其他材料的方法和在准备 扩散介质10中使用的过程。应理解的是，如果薄穿孔层16是聚合物 材料或类似的材料，则多孔基底层12、第一微孔层14、薄穿孔层16 和第二微孔层18可以热压而导致层12、 14、 16、 18附着到一起。图4是示出了包括两个燃料电池的多电池燃料电池堆24的分解视 图。应理解的是，在燃料电池堆24中的燃料电池的个数可以改变。如 所示出，燃料电池堆24具有一对相互由导电的燃料分配元件30分开 的膜电极组件(MEA) 26和28,燃料分配元件在后文中称为双极板。 MEA26、 28和双极板30在不锈钢夹板或端板32、 34和端部接触元件 36、 38之间堆叠在一起。端部接触元件36是阴极，而端部接触元件 38是阳极。端部接触元件36、 38以及双才及板30的两个工作面包含多 个沟槽或通道40,以将燃料和氧化剂气体(即氲和氧)分配到MEA26、 28。双核j反30和端部接触元件36和38可以由金属制成，^旦如果希望 也可以由其他材津十制造。例如，双招j反和端部接触元件可以由石墨制 造，石墨重量轻、耐腐蚀且在PEM燃料电池堆24的环境中导电的。在图4中示出的实施例中，扩散介质10、 10'、 10"、 10'"邻近密封 件42。邻近扩散介质10、 10'、 10"、 10'"的密封件42是提供了燃料电 池堆24的部件之间的密封和绝缘的垫圈。扩散介质10、 10'、 10"、 10'" 的薄穿孔层16的未穿孔的外周部分45的部分布置为紧邻密封件42, 以作为燃津+电池堆的部件之间的次级垫圏。未穿孔的部分45或次级垫 圈也可以限定阳^ l和阴极的活性区，例如在"CATALYST LAYER EDGE PROTECTION FOR ENHANCED MEA DURABILITY IN PEM FUEL CELLS"的美国专利No 6，861,173中所教示的次级垫圈，在此通过参 考将其合并。外周部分45也可以提供对板30、 36、 38的边缘的保护 且防止酸性的且潜在地腐蚀性的膜接触板30、 36、 38和密封件42。未 穿孔的外周部分45也可以作为MEA 26的才几械支承。扩散介质10布置 在端部接触元件36和MEA 26之间。扩散介质10'布置在MEA 26和双极板30的阳极侧之间，且扩散介质IO"布置在双极板30的阴极侧和 MEA28之间。扩散介质10'"布置在MEA28和端部接触元件38之间。图5示出了图4的组装后的燃料电池堆24的燃料电池的部分的截 面视图。如所示出，MEA26包括夹在阳极催化剂26c和阴极催化剂26b 之间的质子交换膜26a。 MEA 26布置在端部接触元件36和双极板30 的阳极侧之间。扩散介质10布置在端部接触元件36和MEA26之间， 使得扩散介质10的多孔基底层12的第二侧22邻近端部接触元件36 的通道40布置。扩散介质10的第二微孔层18邻近阴极催化剂26b布 置。扩散介质10'布置在双极板30的阳极侧和MEA 26之间，使得扩散 介质10'的多孔基底层12的笫二侧22邻近双极板30的通道40。扩散 介质10'的第二微孔层18邻近阳极催化剂26c布置。在使用中，氢从氢源48供给到燃料电池堆24的端部接触元件38 和双极板30的阳极侧50。氧作为氧化剂从氧源44供给到端部接触元 件36和双才及板30的阴极侧。替代地，可以将环境空气作为氧化剂供 给到阴极侧且氪可以从曱醇或汽油转化器供给到阳极。在阳极侧50处，氢^f皮催化分裂为质子和电子。所形成的质子通过 膜26a渗透到阴极侧52。电子沿外部负荷电路(未示出)行进到MEA 26的阴极侧52,因此造成了燃料电池堆24的电流输出。同时，氧流 输送到MEA 26的阴极侧52。在阴极侧52处，氧分子与通过膜26渗 透的质子和通过外部电路到达的电子反应，以形成水分子(未示出)。 扩散介质10、 10'在燃料电池组件24的燃料电池的湿运行条件期间或 湿区域处去除过多的产物水，以避免溢流电极26c和26b且也维持膜 26的水合程度，以在燃料电池组件24的燃料电池的干运行条件期间或 干区域处获得适当的质子传导率。在扩散介质10、 10'内的过多的水通 过歧管(未示出)由邻近和通过扩散介质10、 10'的氬和氧气的流动从 燃料电池堆24去除。燃料电池堆24内的水管理整合到成功的长期燃料电池堆24运行。 扩散介质10、 10'帮助了燃料电池堆24内的水管理。扩散介质10、 10' 具有数个特定的功能。扩散介质10、 10'提供了从流动通道40到催化 剂层26b、 26c的反应物气体进入。另外，扩散介质10、 10'是导电的和 导热的，以提供电子路径和对燃料电池堆24运行的除热。扩散介质10、 10'也便于/人燃料电池堆24的阴极侧52去除产物水且然后将水释放到流动通道40内以/人燃料电池堆24去除。对于适合于汽车应用的PEM燃料电池堆24,更干的稳态运行条件 是有利的，从而要求扩散介质IO具有良好的水保持能力，以维持膜26质量:输，所以才P散介质I!的扩散特性应合适地选择。在带有高局部 相对湿度和低反应物浓度的燃料电池活性区的区域内，例如在板30、 36、 38的通道出口附近，可以通过使用带有低扩散阻力的扩散介质10 优化性能。在带有低的局部相对湿度和高反应物浓度的燃料电池活性 区的区域内，例如在板30、 36、 38的气体通道入口附近，可以通过4吏 用带有高扩散阻力的扩散介质IO优化性能。如在此所使用，活性区限于燃料电池的适合于容纳冷却机构、反应物分配机构和密封机构的总 面积、而变4b。扩散特性的装i。通过将薄穿孔层16合并到扩散介质、10内且^变; 孔43的尺寸、空间频率和几何图案而提供了不同的特性。改变薄穿孔 层16的尺寸、空间频率和几何图案影响了通过扩散介质10的总体气 体扩散特性。通过降低穿孔43的尺寸和频率降低了多孔性(s ),而 穿孔43的频率的降低导致扩散介质10的更高的曲折性(t )。通过气 体扩散层的自由扩散系数(D)和有效扩散系数(Deff)的比取决于扩 散介质IO的多孔性和曲折性。关系表示为D/Deff=t/5 。因此，在扩 散介质10的薄穿孔层16内的穿孔43的尺寸和空间频率的降低导致D/Deff的增加。图3图示了根据本发明的另一个实施例的扩散介质11。扩散介质 11包括第一多孔基底层12、第一微孔层14、第一薄穿孔层16、第二 微孔层18、第三微孔层14'、第二薄穿孔层16'和第四微孔层18'。应理 解的是，扩散介质11和其层12、 14、 16、 18、 14'、 16'、 18'的厚度可 以基于其中使用了扩散介质11的燃料电池的希望的性能而变化。多孔基底层12是具有第一侧20和第二侧22的碳纤维纸(CFP )。 在示出的实施例中，多孔基底层12以聚四氟乙烯(PTFE)(未示出) 处理。可以<吏用寸壬<可传统的CFP,例如由Mitsubishi Rayon Company 生产的MRC U-105纸。应理解的是，多孔基底层12也可以是碳布或其他适合于导电和导热的常规材料。此外，多孔基底层12可以如希望 地不处理或以不同于碳氟化合物聚合物的材料处理。第一微孔层14、第二微孔层18、第三微孔层14'和第四微孔层18' 由碳粉和碳氟化合物聚合物的混合物形成。应理解的是，并非所有四 个微孔层14、 14'、 18、 18'都是希望的，且扩散介质11可以如希望地 包括微孔层14、 14'、 18、 18'的任何组合。薄穿孔层16、 16'具有多个选择地分布的穿孔，该穿孔类似于在图 1和图2中示出的扩散介质10的穿孔43。在示出的实施例中，薄穿孔 层16、 16'是石墨箔。然而，薄穿孔层16、 16'可以例如由例如金属片、 聚合物或复合物材料的其他常规材料形成。薄穿孔层16、 16'的穿孔可 以变化以产生局部特性的变化。例如，在薄穿孔层16、 16'内的穿孔43 的尺寸和频率可以变化以提供不同的气体扩散阻力。降低薄穿孔层16、 16'内的穿孔的频率导致扩散介质11的更高的曲折性(即有效孔长度)。 应理解的是，薄穿孔层16、 16'可以具有类似的穿孔图案的尺寸和频率， 或薄穿孔层16、 16'可以如希望地具有不同的穿孔图案的尺寸和频率。为形成扩散介质11,多孔基底层12以PTFE处理，以形成处理的 多孔基底层12。具有希望的穿孔图案的尺寸和频率的薄穿孔层16、 16' 由石墨箔片(未示出)通过将石墨箔片巻绕在滚子(未示出)之间而 形成，滚子具有适合于在箔中产生希望的图案、形状和尺寸的穿孔43 的突起元件。可以使用类似于在4受予Mercun等人的美国专利No 6,521,369中所描述的连续过程或使用多步过程来如希望地形成薄穿孔 层16、 16'。突起元件的尺寸和放置将基于穿孔的希望的图案、形状和 尺寸而变化，以获得希望的气体扩散阻力。然后，形成包括碳粉和碳氟化合物聚合物的混合物的糊剂(未示 出)，且糊剂施加到多孔基底层12的第一侧20和第二侧22以形成笫 一微孔层14和第三微孔层14'。当第一微孔层14和第三微孔层14'是湿 的时，第一薄穿孔层16与多孔基底层12和第一微孔层14结合，使得 第一微孔层14压入第一薄穿孔层16的穿孔43内，以将第一薄穿孔层 16与第一微孔层14合并，如在图3中示出。糊剂然后施加到第一薄穿 孔层16的暴露侧以形成第二微孔层18。当第二微孔层18是湿的时， 第二微孔层18合并。碳粉糊剂然后施加到第二薄穿孔层16'的暴露侧以形成第四微孔层18'。然后允许微孔层14、 14'、 18、 18'干燥然后将已处理的多孔基底层12、第一微孔层14、第一薄穿孔层16、 第二微孔层18、第三微孔层14'、第二薄穿孔层16'和第四微孔层18' 在38CTC或38(TC附近烧结。烧结过程导致微孔层14、 14'、 18、 18'、 薄穿孔层16、 16'和多孔基底层12附着在一起。池的阳才及侧50上或阴才及侧52和阳才及侧50两者上，以优化燃:扦电池组 件24的水管理特性。在此描述的扩散介质10的定位将取决于流动通 道40的设计和燃料电池组件24的运行情况。本发明已参考优选实施例在上文中描述。进一步的非限制性例子 在如下的例子中给出。例子将200微米厚的Mitsubishi MRC-U-105碳纤维纸浸入到PTFE分 散液中以实现吸收大致10%重量百分比的PTFE。在纸干燥后，将由乙 炔碳黑和PTFE混合物形成的糊剂涂敷在碳纤维纸的一侧上以形成微 孔层。糊剂包括在水和乙醇溶液中散布的4.8%重量百分比的固体，且 固体是重量比为3比1的乙炔碳黑和PTFE。在微孔层是湿的时，将来 自Gmftech International Ltd.的穿孔膨胀石墨荡压靠在微孔层和碳纤维 纸上。在微孔层干燥后，另一个微孔层涂敷在薄穿孔石墨箔上。每涂 层微孔层的大致加载为lmg/cm2，这导致大约20微米的干涂层厚度。 最后，碳纸与微孔层和薄穿孔层在380。C下通过加热烧结。通过以上所述的方法准备第一样本，扩散介质A,而省略薄穿孔 层的合并。因此，扩散介质A具有两个糊剂涂层，以实现与包括薄穿 孔层的样本大致相同的总微孔加载。根据以上的方法使用来自Gmftech International Ltd.的石墨箔准备第二样本，扩散介质B,石墨箔具有157 微米的平均厚度，每平方英寸10000个穿孔，且穿孔尺寸使得薄穿孔 层具有25 %的平均开口面积。第三样本，扩散介质C，使用来自Graftech International Ltd.的石墨箔准备，石墨箔具有190微米的平均厚度，每 平方英寸10000个穿孔，且穿孔尺寸使得薄穿孔层具有5Q/。的平均开口 面积。因此，名义上，样本A与样本B和样本C之间的差异仅是总扩散介质厚度和薄穿孔层的存在。图6示出了三个样本的为扩散阻力测量值的质量运输阻力值的表，其由在5 cm"舌性区的燃料电池中的极限电流测量计算出。极限电流测 量和随后的有效扩散系数计算在如下文献中描述D. Baker, C. Wieser, K.C. Neyerlin, M.W. Murphy, "The Use of Limiting Current to Determine Transport Resistance in PEM Fuel Cells" . ECS Transactions, 3 (1) 989-999 (2006),和U. Beuscher. "Experimental Method to Determine the Mass Transport Resistance of a Polymer Electrolyte Fuel Cell". J. Elec.Soc., 153 (9)A1788-A1793 (2006)。表中的值是总质量运输阻力,Deff其中"f，是考虑到燃料电池的通道几何形状的几何因数，且"h"是总 气体扩散层的厚度。质量运输阻力的单位是秒/厘米(s/cm)。总质量运 输阻力在200 kPa的绝对气体压力下示出。图6示出了质量运输阻力从 第一样本A到第二样本B到第三样本C的增加。因此，样本B、 C的 气体运输阻力随穿孔面积的降低而增加。扩散介质样本A、 B、 C在燃料电池中在不同的运行条件下测试。 图7和图8示出了样本A、 B和C的关于电流和电压曲线的结果。在 每个样本A、 B和C上进4亍重复测试以产生六个曲线Al、 A2、 Bl、 B2、 Cl、 C2。样本作为阴极扩散介质组装在带有Gore 5510膜电极组 件的燃料电池内。Johnson Matthey扩散介质使用在阳极侧上。燃料电 池包括带有5cit^的活性区的直通道。燃料电池在高的阳极化学计量关 系和高的阴极化学定量关系下运行，除四个高电流密度的设定点外化 学定量关系大多数大于10,四个高电流密度的设定点处化学定量关系 在3至6之间。在以上的运4亍条件下在样本A、 B、 C上进行的测试已 知为差异电池测试。在差异电池测试中，可以Wi定包:fe反应物浓度和 相对湿度的运行条件沿测量区内的通道是恒定的。图7示出了在80。C、 150 kPa绝对压力和71%相对湿度下进4亍的 样本A、 B、 C的电流与电压的曲线。第二样本B1、 B2的曲线和第三 样本C1、 C2的曲线示出与第一样本Al、 A2的曲线相比，在相对低的 电流(1.0 A/cn^和1.0 A/cn^以下)下无明显性能差异，而第三样本 Cl、 C2的电压在高电流密度(1.5 A/cm2)下示出了明显的下降。第一 样本A1、 A2和第二样本B1、 B2已示出在此运行条件下扩散介质具有稳定的水管理能力。图8示出了在8CTC、 150kPa和22 %相对湿度下进行的样本A、 B、 C的电流与电压的曲线。在此相对干的条件下，曲线具有明显的扩散。 与第一样本A1、 A2相比，第三样本C1、 C2的曲线示出了燃料电池的 性能改进。与第一样本A1、 A2相比，第二样本B1、 B2的曲线示出了 燃料电池的更大的性能改进。与第一样本Al、 A2相比，带有薄的穿 孔箔的第二样本B1、 B2和第三样本C1、 C2示出了在相对干的条件下 的更好的水管理能力。因此，在相对湿和干的运行条件下，不同的气体扩散介质样本A、 B、 C的益处已在以上的例子中图示。将薄穿孔层16合并到多孔基底 层12内示出了在燃料电池堆内取决于薄穿孔层16的特定的穿孔特征 的扩散阻力的增加和水管理能力增加。从前述描述中，本领域一般技术人员可以容易地确定本发明的基 本特征，且可以对本发明进行不偏离本发明的精神和范围的多种改变 和修改以使其适合于多种使用和条件。
权利要求
1.一种使用在PEM燃料电池中的扩散介质，包括具有第一侧和第二侧的多孔基底层，其中所述的多孔基底层是导电的；第一微孔层；和具有多个穿孔、第一侧和第二侧的薄穿孔层，其中所述的第一微孔层布置在所述的多孔基底层的第一侧和所述的薄穿孔层的第一侧之间且合并到所述的多孔基底层的第一侧和所述的薄穿孔层的第一例中。
2. 根据权利要求1所述的扩散介质，进一步包括布置在所述的薄 穿孔层的第二侧上且合并到所述的薄穿孔层的第二侧f的笫二微孔层。
3. 根据权利要求1所述的扩散介质，其中所述的多孔基底层是碳 纤维纸。
4. 根据权利要求1所述的扩散介质，其中所述的薄穿孔层是膨胀石墨荡o
5. 根据权利要求2所述的扩散介质，其中所述的第一微孔层和所 述的第二微孔层是碳粉、碳氟化合物聚合物以及碳粉和碳氟化合物聚 合物的混合物中的 一个。
6. 根据权利要求5所述的扩散介质，其中碳氟化合物聚合物是聚 四氟乙烯。
7. 根据权利要求1所述的扩散介质，其中所述的薄穿孔层在扩散 介质的活性区上具有变化的穿孔图案尺寸和频率，以便于变化的水管 理能力。
8. 根据权利要求1所述的扩散介质，其中变化的穿孔图案尺寸和 频率可以在单一的薄穿孔片上准备或通过将多个穿孔片组合而准备， 多个穿孔片的每个具有均匀的穿孔图案尺寸和频率。
9. 根据权利要求1所述的扩散介质，其中所述的薄穿孔层包括适 合于在燃料电池的部件之间形成次级垫圈的未穿孔的外周。
10. 根据权利要求1所述的扩散介质，其中所述的第一微孔层、所 述的多孔基底层和所述的薄穿孔层烧结在一起。
11. 一种使用在PEM燃料电池内的扩散介质，包括具有第 一侧和第二侧的多孔基底层，其中所述的基底层是导电的； 具有多个穿孔的薄穿孔层；第 一微孔层，其中所述的第 一微孔层布置在所述的多孔基底层的 第 一 侧和所述的薄穿孔层之间，所述的第 一 微孔层合并到所述的多孔 基底层的第一侧内，且薄穿孔层合并到所述的第一微孔层内；和布置在所述的薄穿孔层上且与所述的薄穿孔层合并的第二微孔层。
12. 根据权利要求11所述的扩散介质，其中所述的第一微孔层和 所述的第二微孔层是碳粉、碳氟化合物聚合物以及碳粉和碳氟化合物 聚合物的混合物中的 一个。
13. 根据权利要求12所述的扩散介质，其中碳氟化合物聚合物是 聚四氟乙烯。
14. 根据权利要求11所述的扩散介质，其中所述的薄穿孔层在扩 散介质的活性区上具有变化的穿孔图案尺寸和频率，以便于变化的水 管理能力。
15. 根据权利要求11所述的扩散介质，其中变化的穿孔图案尺寸 和频率可以在单一的薄穿孔片上准备或通过将多个穿孔片组合而准 备，多个穿孔片的每个具有均匀的穿孔图案尺寸和频率。
16. 根据权利要求11所述的扩散介质，其中所述的薄穿孔层包括 适合于在燃料电池的部件之间形成次级垫圏的未穿孔的外周。
17. 根据权利要求11所述的扩散介质，其中所述的第一微孔层、 所述的多孔基底层和所述的薄穿孔层烧结在一起。
18. —种用于制成4吏用在PEM燃料电池内的扩散介质的方法，包 括如下步骤提供多孔基底层，其中所述的多孔基底层是导电的； 提供带有可变的穿孔图案尺寸和频率之一的薄穿孔层； 以含氟聚合物处理多孔基底层；将以含氟聚合物处理的多孔基底层涂敷以糊剂以形成微孔层； 将薄穿孔层压在湿的微孔层上；将微孔层和多孔基底层干燥；和将多孔基底层、薄穿孔层和微孔层烧结在一起。
19. 根据权利要求18所述的方法，进一步包括使用滚子形成薄穿 孔层的步骤，该滚子具有希望的图案的突起，以获得希望的穿孔图案 尺寸和频率。
20. 根据权利要求18所述的方法，进一步包括提供多个在微孔层 上布置为相互邻近的薄穿孔层的步骤，以获得希望的变化的气体扩散 阻力。
全文摘要
一种使用在PEM燃料电池内的扩散介质，包括具有合并到多孔基底层的第一侧上的微孔层的可变的穿孔图案尺寸和频率的薄穿孔层，其中扩散介质适合于改进燃料电池的水管理和性能。
文档编号H01M4/88GK101252196SQ20081008145
公开日2008年8月27日 申请日期2008年2月22日 优先权日2007年2月22日
发明者M·马蒂亚斯, P·尼科特拉, S·G·格贝尔, 纪纯新 申请人:通用汽车环球科技运作公司
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