高彎曲度的擴散介質的製作方法

2023-12-05 08:37:26

專利名稱：高彎曲度的擴散介質的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池，尤其涉及一種適合於優化燃料電池中水管理的燃料電池的擴散介質，該擴散介質包括多孔隔離層、多個具有尺寸、出現率和布置可變的穿孔的穿孔層、多個微孔層，其中微孔層和穿孔層布置在多孔隔離層上。
背景技術：
燃料電池越來越多地被用來作為電動汽車和其他應用的動力源。在質子交換膜 (PEM)燃料電池中，氫氣供給到燃料電池的陽極催化電極，帶氧空氣作為氧化劑供給到燃料電池的陰極催化電極。在燃料電池中的反應氣體之間發生的電化學反應在陽極側消耗氫氣並在陰極側消耗氧氣，並在陰極側產生液態相和蒸汽相的產物水。質子交換膜燃料電池包括膜電極組件(MEA)，其中薄的、能傳送質子的、非導電的固體高分子電解質膜在一面與陽極催化電極連接且在相反的一面與陰極催化電極連接。氣體擴散介質在質子交換膜燃料電池中起到重要的作用。在燃料電池中通常布置在催化電極與雙極板的流場通道之間，多孔氣體擴散介質提供反應物和產物的可滲透性、 導電性和導熱性，以及對軟的MEA的機械支撐。燃料電池的高效運行依賴於能夠在系統中提供有效的水管理。在質子交換膜燃料電池中，水管理必須被謹慎平衡以向質子交換膜提供足夠的水以便充分地傳導質子，同時有效地移除產物水以便保證氣體反應物可以到達催化電極而不被液態水的薄膜或積聚體堵塞。在乾燥的運行條件下，其中非加溼反應氣體輸送到燃料電池，這是優選的以簡化燃料電池系統，產物水主要以蒸汽相存在，也就是說，不會出現液態水或只有少量。在這種情況下，水蒸汽必須提供用於膜加溼的來源以便提供質子傳導性。在膜和催化電極位置處溼度的程度與氣體擴散介質的氣體傳輸阻力密切相關，因為蒸汽穿過擴散介質擴散到流場通道內。因此，需要高傳輸阻力來保持乾燥情況下通過利用產物水蒸汽對膜加溼。相比之下，潮溼的運行條件(其中反應氣體是蒸汽飽和的且可發生凝結)下大量地提供用於膜加溼的水，並且需要用於反應物達到以及移除水的低傳輸阻力。通常，由於在擴散介質中的孔的結構、尺寸和出現率是一致的，所以在質子交換膜燃料電池中使用的擴散介質具有在介質的整個面積上相對恆定的傳輸阻力。此外，現有技術中的材料的傳輸阻力通常很低。使用現有擴散介質的汽車燃料電池的性能是有限的，因為反應物流通常在電池進口處是水蒸汽不飽和的但是沿著流動方向在出口處逐漸變得水蒸汽飽和直到凝結點。因此，在從流入口到流出口的電池工作區域上存在溼度和水流(即水的產生)的大的變化。因此，在接近電池出口處的潮溼運行區域中產物水的去除速率必須與在接近電池進口處的保持水的需要平衡以便保持膜吸水。因此，未解決的問題是向燃料電池提供在工作區域上具有不同傳輸阻力的擴散介質，從而在電池進口處表現為用於在薄膜上保持水蒸汽的高傳輸阻力和在水必須被有效地移除的出口處表現為低傳輸阻力。氣體傳輸阻力定義為「/· AZDtf 」，其中如果在燃料電池結構中進行氣體傳輸阻力的測量，那麼「/ 」是說明平臺-通道(land-channel)幾何形狀的幾何形狀因子，「 A 」 是層厚，以及「 D欲」是有效擴散係數。有效擴散係數描述了在存在多孔材料的情況下氣
體混合物(例如空氣)中的所考慮的氣體種類(例如水蒸汽)的擴散係數。因為一方面多孔材料中的固體部分填補了擴散和擴散通量通常能夠到達的空間的一部分(多孔效應)，並在另一方面孔通常不是筆直地而是傾斜地或卷繞地穿過多孔材料，從而延長路徑長度(彎曲度效應)，所以有效擴散係數自然比自由擴散係數小。多孔材料的有效擴散通常定義為
=￡)· f/τ,其中D是不存在多孔材料的混合物中各種類的自由擴散係數，是多孔材
料的孔隙率(即孔體積與整體材料體積的比)和τ是多孔材料的孔中傳輸路徑的彎曲度。通
常情況下，自由擴散係數與有效擴散係數的比是用於多孔介質構成擴散和擴散通
量的障礙的程度的定量測量。氣體傳輸阻力術語的起源在電化學協會彙刊(2006)第3卷第 989-999 頁 D. Baker, C. Wieser, K. C. Nyerlin，和 Μ. W. Murphy 的「極限水流在質子交換膜燃料電池中確定傳輸阻力的使用」中有所描述，在此通過參考併入。因為在燃料電池應用中由於技術上的限制，層的厚度是有限的，通過增加層的厚度來增加傳輸阻力通常是不可能的。因此，減少有效擴散率是必需的。這可以通過減少孔隙率S、增加彎曲度T、或同時進行這兩者來完成。分析研究表明，孔隙率必須大大減少才能顯示出效果，而且在目前的材料(其為基於具有由碳黑形成的微粒塗覆的碳纖維紙的隨機多孔介質)中孔隙率所能減少的程度是有限的。因此，試圖以受控制的方式增加氣體擴散介質的彎曲度。因此，本發明是一種擴散介質，其適合於提供不同的局部水管理能力以優化燃料電池性能。在這裡所述的擴散介質中，通過改變孔的結構、大小、出現率和布置最大化擴散介質的擴散氣體傳輸阻力，尤其是以增加彎曲度為目標，從而最大化保留在質子交換膜中的用於吸水的水蒸汽量。同時，通過改變孔的結構、大小、出現率和布置來在擴散介質上對擴散介質的傳輸阻力進行局部化並進行控制，其中特別是以控制彎曲度為目標，從而選擇性地改變擴散介質的傳輸阻力和彎曲度。

發明內容
本發明的擴散介質適應於優化水管理同時還改善燃料電池的性能和運行穩健性已經被發現。在一個實施例中，在質子交換膜燃料電池中使用的擴散介質包括第一穿孔層，其具有形成在其內的多個穿孔；第二穿孔層，其具有形成在其內的多個穿孔；作為隔離物布置在第一穿孔層和第二穿孔層之間的導電多孔層；第一微孔層，其布置在第一穿孔層上； 第二微孔層，其布置在第二穿孔層上；微孔層可以進入到第一和第二穿孔層的孔內並進入多孔隔離物內。在一個實施例中，在質子交換膜燃料電池中使用的擴散介質包括第一穿孔層，其具有形成在其內的多個穿孔；第二穿孔層，其具有形成在其內的多個穿孔；布置在所述第一穿孔層和所述第二穿孔層之間的導電多孔隔離層；第一微孔層，其布置在所述第一穿孔層上；和第二微孔層，其布置在所述第二穿孔層上。在另一個實施例中，在質子交換膜燃料電池中使用的擴散介質包括第一穿孔層，其具有形成在其內的多個穿孔，其中所述第一穿孔層的穿孔間隔分開以產生穿孔密度梯度；第二穿孔層，其具有形成在其內的多個穿孔；布置在所述第一穿孔層和所述第二穿孔層之間的導電多孔隔離層；第一微孔層，其布置在所述第一穿孔層上；和第二微孔層，其布置在所述第二穿孔層上。在另一個實施例中，在質子交換膜燃料電池中使用的擴散介質包括第一穿孔層， 其具有形成在其內的多個穿孔；第二穿孔層，其具有形成在其內的多個穿孔，其中所述第一穿孔層的穿孔之間的距離大於所述第二穿孔層的穿孔之間的距離；布置在所述第一穿孔層和所述第二穿孔層之間的導電多孔隔離層；第一微孔層，其布置在所述第一穿孔層上；和第二微孔層，其布置在所述第二穿孔層上。本發明還提供了以下方案
方案1. 一種使用在質子交換膜燃料電池中的擴散介質，包括 第一穿孔層，其具有多個形成在其中的穿孔； 第二穿孔層，其具有多個形成在其中的穿孔； 導電多孔間隔層，其布置在所述第一穿孔層和所述第二穿孔層之間； 第一微孔層，其布置在所述第一穿孔層上；和第二微孔層，其布置在所述第二穿孔層上。方案2.如方案1的擴散介質，其中所述多孔間隔層是碳纖維紙、泡沫、所述第一微孔層、和所述第二微孔層的其中之一。方案3.如方案1的擴散介質，其中所述第一穿孔層和所述第二穿孔層由石墨箔片形成。方案4.如方案1的擴散介質，其中所述第一微孔層和所述第二微孔層是碳粉末、 碳氟聚合物、和碳粉末與碳氟聚合物的混合物的其中之一。方案5.如方案4的擴散介質，其中碳氟聚合物是聚四氟乙烯。方案6.如方案1的擴散介質，其中所述第一穿孔層的穿孔大致與所述第二穿孔層的穿孔對齊。方案7.如方案1的擴散介質，其中所述第一薄穿孔層的穿孔大致偏離所述第二穿孔層的穿孔。方案8.如方案1的擴散介質，其中在一些區域中所述第一薄穿孔層的穿孔與所述第二穿孔層的穿孔對齊且在其他區域中大致偏離所述第二穿孔層的穿孔。方案9.如方案1的擴散介質，其中所述第一穿孔層的穿孔選擇性地間隔分開以產生所需的穿孔密度梯度、所需的穿孔分布、和隨機的穿孔分布的其中一個。方案10.如方案9的擴散介質，其中所述第二穿孔層的穿孔選擇性地間隔分開以產生穿孔密度梯度和穿孔密度分布的其中一個。方案11.如方案1的擴散介質，其中所述第一穿孔層的穿孔之間的距離大於所述第二穿孔層的穿孔之間的距離。方案12.如方案11的擴散介質，其中在所述第一穿孔層的第一端的穿孔與在所述第二穿孔層的第一端的穿孔對齊，且在所述第一穿孔層的第二端的穿孔偏離於在所述第二穿孔層的第二端的穿孔。方案13.如方案12的擴散介質，其中在它們的第一端和第二端之間所述第一穿
5孔層的穿孔逐漸與所述第二穿孔層的穿孔不對齊。方案14.如方案1的擴散介質，其中所述第一穿孔層由多個穿孔層組成。方案15.如方案1的擴散介質，其中所述第一和所述第二微孔層、所述多孔間隔層、和所述第一和所述第二穿孔層燒結在一起。方案16. —種使用在質子交換膜燃料電池的擴散介質，包括
第一穿孔層，其具有多個形成在其中的穿孔，其中所述第一穿孔層的穿孔間隔分開以形成穿孔密度梯度；
第二穿孔層，其具有多個形成在其中的穿孔； 導電多孔間隔層，其布置在所述第一穿孔層和所述第二穿孔層之間； 第一微孔層，其布置在所述第一穿孔層上；和第二微孔層，其布置在所述第二穿孔層上。方案17.如方案16的擴散介質，其中所述第二穿孔層的穿孔間隔分開以形成穿孔密度梯度。方案18.如方案17的擴散介質，其中所述第一薄穿孔層的穿孔大致偏離於所述
第二穿孔層的穿孔。方案19.如方案16的擴散介質，其中所述多孔間隔層是所述第一微孔層和所述第二微孔層中的至少一個。方案20. —種使用在質子交換膜燃料電池中的擴散介質，包括 第一穿孔層，其具有多個形成在其中的穿孔；
第二穿孔層，其具有多個形成在其中的穿孔，其中在所述第一穿孔層的穿孔之間的距離大於在所述第二穿孔層的穿孔之間的距離；
導電多孔間隔層，其布置在所述第一穿孔層和所述第二穿孔層之間； 第一微孔層，其布置在所述第一穿孔層上；和第二微孔層，其布置在所述第二穿孔層上。


當結合參考附圖，對於本領域技術人員而言，本發明的上述和其它優點將從以下優選實施例的詳細描述中變得顯而易見。圖Ia為根據本發明實施例的氣體擴散介質的不完整的橫截面正視圖。圖Ib為圖Ia中氣體擴散介質的頂視平面圖，其中移除了第一微孔層。圖2為根據本發明另一個實施例的氣體擴散介質的不完整的橫截面正視圖。圖3為根據本發明另一個實施例的氣體擴散介質的不完整的橫截面正視圖。圖如為根據本發明另一個實施例的氣體擴散介質的不完整的橫截面正視圖。圖4b為圖如中氣體擴散介質的頂視平面圖，其中移除了第一微孔層。圖5為燃料電池組的分解圖，示出了兩個燃料電池並包括有圖如和圖4b所示的氣體擴散介質；和
圖6為包括有圖如和圖4b所示的氣體擴散介質的單個質子交換膜燃料電池的不完整的橫截面正視圖。
具體實施例方式以下詳細說明書和附圖描述和說明了本發明的不同的具體實施例。說明書和附圖用來使得本領域技術人員能夠製作和使用本發明，且不以任何方式限制本發明的範圍。圖Ia和Ib說明了根據本發明實施例的擴散介質10。擴散介質10包括多孔間隔層12、第一穿孔層14、第二穿孔層16、第一微孔層18和第二微孔層20。可以理解，擴散介質10及其層12、14、16、18、20的厚度可以基於使用了擴散介質10的燃料電池的理想性能而變化。基於彎曲度概念的上述描述，多孔隔離層12的厚度應最小化以最大化擴散介質10 的彎曲度(和最小化通過平面的電阻)。當然，多孔間隔層12必須有一定的有限厚度以使氣體能在層14、16中的穿孔沒有對齊的的情況下傳輸。然而，為了增加氣體傳輸阻力，具有最小厚度的多孔間隔層12可通過減少平面內可用於氣體傳輸的橫截面來提高增加彎曲度的影響。如圖所示，多孔間隔層12是布置在穿孔層14、16之間的碳纖維紙(CFP)。多孔間隔層12由氟碳聚合物如聚四氟乙烯(PTFF)(未示出)處理。可使用任何傳統的CFPJn Toray TGPH-60。應理解的是，多孔間隔層12還可以是碳布、泡沫或其他適應於導電和導熱的傳統材料。此外，根據需要，多孔間隔層12可以未經處理或由除了氟碳聚合物之外的其他材料處理。第一穿孔層14和第二穿孔層16中的每個包括多個選擇性分布的穿孔22。第一穿孔層14布置在第一微孔層18和多孔間隔層12之間。第二穿孔層16布置在第二微孔層20和多孔間隔層12之間。在所示實施例中，穿孔層14、16由石墨箔形成。然而，穿孔層 14、16可以由其他傳統材料形成，如金屬薄板、高分子材料、複合材料、浸漬的高分子材料或任何傳統的導電材料。應理解，穿孔層14、16可以由非傳導材料形成。在圖Ia和Ib所示的實施例中，單位面積的穿孔22的大小和出現率統稱為第一穿孔層14的穿孔密度，其基本等於第二穿孔層16的穿孔密度。然而，第一穿孔層14的穿孔 22偏離第二穿孔層16的穿孔22以避免與其對齊。在穿孔層14、16中的穿孔22的大小和出現率可進一步變化以提供不同的開放區域(即孔體積)。減小穿孔層14、16中的穿孔22的出現率導致擴散介質10的更高的彎曲度(T)(即有效的孔長度)。一致的石墨箔片可用於形成穿孔層14、16或穿孔層14、16均可由多個彼此相鄰布置的具有不同的穿孔尺寸和出現率的石墨箔片形成。穿孔層14、16還可由貴金屬或導電氧化物組成，其與氫燃料電池電化學地兼容。如果形成微孔層18、20的一種或多種材料是足夠導電的，並且穿孔層14、16機械強度足夠強，則多孔間隔層12可以由微孔層材料(由傳導性和親水性顆粒組成的混合物) 組成和/或穿孔層14、16可以由非傳導固體如聚合物薄膜或半傳導固體組成。另外，穿孔層14、16可使用噴塗技術或光化學處理被塗覆在或直接形成在多孔間隔層12上，以在膜形成期間或之後在這些層中形成所需的穿孔模式。第一微孔層18和第二微孔層20示出為由碳黑顆粒形成。微孔層18、20也可由碳黑顆粒和氟碳聚合物的混合物形成。微孔層18、20的厚度和有效擴散率可改變以按要求調整微孔層18、20的傳輸阻力。應理解的是，第一微孔層18或第二微孔層20可根據需要形成為間隔層12並起到間隔層12的作用。為了形成擴散介質10，多孔間隔層12做疏水處理，例如使用聚四氟乙烯，以形成處理過的多孔間隔層12。穿孔層14、16均具有所需的開放面積和穿孔模式，其通過在滾筒(未示出)之間滾動石墨薄片而由一薄片的石墨箔片形成，滾筒具有適合於在箔片內產生穿孔22以形成所需的穿孔密度的突起元件。一個連續過程與在Mercuri等的美國專利號 6，521，369中描述的相似，其整體通過引用納入本文，或者根據需要可用多步驟的過程形成穿孔層14、16。滾筒上的突起元件的尺寸和布置將基於穿孔22的所需模式、形狀和尺寸改變以獲得所需的穿孔密度和通過擴散介質10的擴散阻力。其他產生穿孔和穿孔模式的的機械方法可例如包括雷射鑽孔或水噴射鑽孔。化學方法也可用於在固態獨立的層內產生穿孔，通過添加「短暫的」顆粒或孔成形器，其可在熱處理或洗滌步驟之後分解並留下空隙。 當應用到間隔層的PTFE分散仍然是溼的時，穿孔層14、16可壓在多孔間隔層12上，或穿孔層14、16可根據需要使用傳統的粘合劑或熱壓方法粘附到多孔間隔層12。接下來，粘貼劑(未示出)形成為含有碳黑顆粒。粘貼劑應用於第一穿孔層14的第一側M以形成第一微孔層18，其中第一微孔層18滲入第一穿孔層14的穿孔22。粘貼劑還應用於第二穿孔層16的第一側沈以形成第二微孔層20，其中第二微孔層20滲入第二穿孔層16的穿孔22。然後允許微孔層18、20乾燥。經處理後的多孔間隔層12、穿孔層14、16和微孔層18、20在380°C處或附近燒結以形成擴散介質10。燒結過程使得多孔間隔層12、穿孔層14、16和微孔層18、20粘結在一起。共同擁有的專利號為7，063，913的美國專利「具有微孔層的擴散介質」在這裡通過參考整體併入以進一步描述用於準備粘貼劑和其他材料的方法和用來準備擴散介質10的過程。可以理解，如果穿孔層14、16由高分子材料形成，多孔間隔層12、穿孔層14、16和微孔層18、20可熱壓以使得層12、14、16、18、20粘結在一起，可使用其他形成擴散介質10的方法。圖2根據本發明的實施例示出了擴散介質210。圖2中的實施例與圖IA和圖IB 中的擴散介質10相似，除了以下所描述的。和圖IA和圖IB中的結構一樣，圖2包括200 以上的參考數字而不是10以上的參考數字，剩餘的兩位數字是相同的。擴散介質210包括多孔間隔層212、第一穿孔層214、第二穿孔層216、第一微孔層218和第二微孔層220。可以理解，擴散介質210及其層212、214、216、218、220的厚度可基於使用擴散介質210的燃料電池的所需性能變化。如圖所示，多孔間隔層212是布置在穿孔層214、216之間的碳纖維紙(CFP)。多孔間隔層212使用氟碳聚合物處理，如聚四氟乙烯(PTFE)(未示出)。可使用任何傳統的CFP 如由三菱麗陽公司生產的MRC U-105紙。可以理解，多孔間隔層212也可以是碳布、泡沫或其他適用於導電和導熱的傳統材料。此外，多孔間隔層212可按要求未經處理或使用除了氟碳聚合物之外的材料處理。此外，多孔間隔層212可按要求未經處理或使用除了氟碳聚合物之外的材料處理。第一穿孔層214和第二穿孔層216均包括多個選擇性分布的穿孔222。第一穿孔層214布置在第一微孔218和多孔間隔層212之間。第二穿孔層216布置在第二微孔220 和多孔間隔層212之間。在實施例中所示，穿孔層214、216均由石墨箔片形成。然而，穿孔層214、216可由其他傳統材料如金屬片、高分子材料、複合材料、浸漬的高分子材料或任何傳統導電材料形成。穿孔層214、216也可由非傳導材料形成，但是這種配置的預期歐姆損耗將很大，所以優選穿孔導電層。在圖2所示的實施例中，第一穿孔層214的穿孔密度不同於第二穿孔層216的穿孔密度。第二穿孔層216的穿孔密度基本上是一致的，而第一穿孔層214的穿孔密度沿著其長度變化。沿著第一穿孔層214的第一端56的穿孔密度大於沿著第一穿孔層214的第二端58的穿孔密度。在穿孔222之間的距離從第一端56到第二端58逐漸增大，從而導致穿孔密度梯度。具有最高穿孔密度的第一端56鄰近燃料電池板的反應物出口孔布置，電池板鄰近擴散介質210布置，而具有最低穿孔密度的第二端58鄰近燃料電池板的反應物進口孔布置。第一穿孔層214的穿孔222偏離第二穿孔層216的穿孔222以避免與其對齊。在穿孔層214、216中的穿孔222的尺寸和出現率可進一步變化以提供所需的穿孔 222的不同體積。減少在穿孔層214、216中的穿孔222的出現率導致擴散介質210的更高的彎曲度(1)(即有效孔長度)。一致的石墨箔片、金屬薄片、聚合物薄片、複合材料薄片、或浸漬的聚合薄片可用來形成穿孔214、216或穿孔層214、216均由多個彼此鄰近布置的具有不同的穿孔的尺寸和出現率的上述薄片形成。此外，多個薄片可由相同的材料形成或薄片可以是疊放在一起的不同材料的組合。第一微孔層218和第二微孔層220示出為由碳黑顆粒形成。微孔層218、220也可由碳黑顆粒和氟碳聚合物的混合物形成。可選擇微孔層218、220的厚度和有效擴散率以按要求選擇性地改變微孔層218、220的傳輸阻力。可以理解，第一微孔層218或第二微孔層 220也可按要求形成為間隔層212和起到間隔層212的功能。通過改變穿孔222的尺寸，穿孔層214、216的穿孔222的穿孔密度和穿孔的幾何樣式，穿過多孔間隔層212的整個氣體擴散性被改變。通過減少穿孔222的尺寸和出現率， 孔隙車〔)降低，而減少穿孔222的出現率導致擴散介質210的更高的彎曲度("Ο。因為第一穿孔層214的穿孔222偏離第二穿孔層216的穿孔222，擴散介質210的彎曲度最大化，從而最小化反應氣體流過多孔間隔層212所行進的路徑長度。因為彎曲度可以選擇性地增加或減少，穿過多孔間隔層212的氣體傳輸及其傳輸阻力可被控制。因為第一穿孔層 214具有從第一端56到第二端58減少的穿孔密度梯度，穿孔層的彎曲度從第一端56到第
二端58逐漸增加。穿過氣體擴散層的自由擴散係數(D )和有效擴散係數(Afff )之間的比
值依賴於擴散介質210的孔隙率和彎曲度。該關係可表示為F =卩。因此，在擴散介質
210的穿孔層214、216中的穿孔222的尺寸和空間出現率的減少將導致f的增加，從第
一端56到第二端58的第一穿孔層214的穿孔密度的減少導致從第一端56到第二端58的 D
f的增加。圖3根據本發明的另一個實施例示出了擴散介質310。圖3中的實施例與圖IA和圖IB中的擴散介質10相似，除了以下所描述的。和圖IA和圖IB中的結構一樣，圖3包括 300以上的參考數字而不是10以上的參考數字，其他剩下的兩位數字相同。擴散介質310 包括多孔間隔層312、第一穿孔層314、第二穿孔層316、第一微孔層318和第二微孔層320。 可以理解，擴散介質310及其層312、314、316、318、320的厚度可基於使用擴散介質310的燃料電池的所需性能變化。如圖所示，多孔間隔層312是布置在穿孔層314、316之間的碳纖維紙(CFP)。多孔間隔層312使用氟碳聚合物處理，如聚四氟乙烯(PTFE)(未示出)。可使用任何傳統的CFP 如由三菱麗陽公司生產的MRC U-105紙。可以理解，多孔間隔層312也可以是碳布、泡沫或其他適用於導電和導熱的傳統材料。此外，多孔間隔層312可按要求未經處理或使用除了氟碳聚合物之外的材料處理。第一穿孔層314和第二穿孔層316均包括多個選擇性分布的穿孔322。第一穿孔層314布置在第一微孔318和多孔間隔層312之間。第二穿孔層316布置在第二微孔320 和多孔間隔層312之間。在實施例中所示，穿孔層314、316均由石墨箔片形成。然而，穿孔層314、316可由其他傳統材料如金屬薄片、高分子材料、複合材料、浸漬的高分子材料或任何傳統導電材料形成。穿孔層314、316也可由非傳導材料形成，但是這種配置的預期歐姆損耗將很大，所以優選穿孔導電層。在圖3所示的實施例中，穿孔層314、316的穿孔密度基本上不一致。穿孔層314、 316的穿孔322具有基本相同的尺寸，而穿孔322的出現率在各自的長度上變化。穿孔層 314,316的第一端356處的穿孔密度大於穿孔層314、316的第二端358處的穿孔密度。在穿孔層314、316的穿孔322之間的距離從各自的第一端356到第二端358逐漸增大，從而導致穿孔密度梯度。具有最高穿孔密度的第一端356鄰近燃料電池板的反應物出口孔布置， 電池板鄰近擴散介質310布置，而具有最低穿孔密度的第二端358鄰近燃料電池板的反應物進口孔布置。第一穿孔層314的穿孔322偏離第二穿孔層316的穿孔322以避免與其對齊。在穿孔層314、316中的穿孔322的尺寸和出現率可進一步變化以提供所需的穿孔 322的不同體積。減少在穿孔層314、316中的穿孔322的出現率導致擴散介質310的更高的彎曲度(即有效孔長度)。可用一致的石墨箔片來形成穿孔層314、316或穿孔層314、316 均由多個彼此鄰近布置的具有不同的穿孔的尺寸和出現率的石墨箔片形成。所示第一微孔層318和第二微孔層320示出為由碳黑顆粒形成。微孔層318、320 也可由碳黑顆粒和氟碳聚合物的混合物形成。微孔層318、320的厚度和有效擴散率可改變以按要求選擇微孔層318、320的傳輸阻力。通過改變穿孔層314、316的尺寸、空間出現率和幾何樣式，穿過多孔間隔層312的整個氣體擴散性被改變。通過減少穿孔322的尺寸和出現率，孔隙率(￡)降低，而減少穿孔 322的出現率導致擴散介質310的更高彎曲度("O。因為第一穿孔層314的穿孔322偏離第二穿孔層316的穿孔322，擴散介質310的彎曲度最大化。由於最大化彎曲度，反應氣體流過多孔間隔層312所行進的路徑長度也可最大化，從而阻礙穿過該介質的氣體傳輸，且因此最大化其傳輸阻力。因為第一穿孔層314具有從第一端356到第二端358減少的穿孔密度梯度，穿孔層的彎曲度從第一端356到第二端358逐漸增加。穿過氣體擴散層的自由
擴散係數(T )和有效擴散係數( )之間的比值依賴於擴散介質310的孔隙率和彎曲度。
￡) χ
該關係可表示為F = I。因此，在擴散介質310的穿孔層314、316中的穿孔322的尺寸
D
和空間出現率的減少將導致F的增加，從第一端356到第二端358的第一穿孔層314的
W
10穿孔密度的減少導致從第一端356到第二端358的f的增加。圖如和4b根據本發明的另一個實施例示出了擴散介質410。圖如和仙中的實施例與圖Ia和圖Ib中的擴散介質10相似，除了以下所描述的。和圖Ia和圖Ib中的結構一樣，圖4a和4b包括400以上的參考數字而非10以上的參考數字，其他剩下的兩位數字相同。擴散介質410包括多孔間隔層412、第一穿孔層414、第二穿孔層416、第一微孔層 418和第二微孔層420。可以理解，擴散介質410及其層412、414、416、418、420的厚度可基於使用擴散介質410的燃料電池的所需性能變化。如圖所示，多孔間隔層412是布置在穿孔層414、416之間的碳纖維紙(CFP)。多孔間隔層412使用氟碳聚合物處理，如聚四氟乙烯(PTFE)(未示出)。可使用任何傳統的CFP 如由三菱麗陽公司生產的MRC U-105紙。可以理解，多孔間隔層412也可以是碳布、泡沫或其他適用於導電和導熱的傳統材料。此外，多孔間隔層412可按要求未經處理或使用除了氟碳聚合物之外的材料處理。此外，多孔間隔層412可按要求未經處理或使用除了氟碳聚合物之外的材料處理。第一穿孔層414和第二穿孔層416均包括多個選擇性分布的穿孔422。第一穿孔層414布置在第一微孔418和多孔間隔層412之間。第二穿孔層416布置在第二微孔420 和多孔間隔層412之間。在實施例中所示，穿孔層414、416均由石墨箔片形成。然而，穿孔層414、416可由其他傳統材料如金屬薄片、高分子材料、複合材料、浸漬的高分子材料或任何傳統導電材料形成。穿孔層414、416也可由非傳導材料形成，但是這種配置的預期歐姆損耗將很大，所以優選穿孔導電層。在圖如和4b所示的實施例中，穿孔層414、416的穿孔密度基本是一致的。穿孔層414、416的穿孔422具有基本相同的尺寸，而穿孔層414、416的穿孔422之間距離不同。 在第一穿孔層414的穿孔422之間的距離大於第二穿孔層416的穿孔422之間的距離。在他們的第二端458處第一穿孔層414的穿孔422基本與第二穿孔層416的穿孔422對齊， 而在穿孔層414、416的第一端456處第一穿孔層414的穿孔422完全偏離第二穿孔層416 的穿孔422以避免與其對齊。當在端456、458之間的穿孔422更接近第一端456時，第一穿孔層414的穿孔422變得逐漸與第二穿孔層416的穿孔422不對齊。在穿孔層414、416中的穿孔422的尺寸和出現率可進一步變化以提供所需的穿孔 422的不同體積。減少在穿孔層414、416中的穿孔422的出現率導致擴散介質410的更高的彎曲度(即有效孔長度)。可用一致的石墨箔片來形成穿孔414、416或穿孔層414、416均由多個彼此鄰近布置的具有不同的穿孔的尺寸和出現率的石墨箔片形成。所示第一微孔層418和第二微孔層420由碳黑顆粒形成。微孔層418、420也可由碳黑顆粒和氟碳聚合物的混合物形成。微孔層418、420的厚度和有效擴散率可改變以按要求選擇性地改變微孔層418、420的傳輸阻力。可以理解，第一微孔層418或第二微孔層420 也可按要求形成間隔層412和起到間隔層412的功能。通過改變穿孔層414、416的尺寸、空間出現率和幾何樣式，穿過多孔間隔層412的整個氣體擴散性被改變。穿孔層414、416的孔隙率(F)基本一致，而穿孔層414、416的各自穿孔422之間的距離不同。在擴散介質410的第二端458，穿孔層414、416的各自穿孔422 完全對齊，從而導致最小彎曲度。在擴散介質410的第一端456，穿孔層414、416的各自穿孔422偏離，從而導致最大彎曲度。由於最大化彎曲度，反應氣體流過多孔間隔層412所行進的路徑長度也可最大化，從而阻礙穿過該間隔層的氣體傳輸，且因此最大化其傳輸阻力。 因為穿孔層414、416的各自穿孔422之間的距離不同，擴散介質410的彎曲度從第一端456 到第二端458逐漸減少，從而導致彎曲度梯度。圖5示出了多電池的燃料電池組觀，其包括兩個燃料電池。可以理解，燃料電池組觀中的燃料電池的數量可以改變。如圖所示，燃料電池組觀具有一對通過導電燃料分配元件34 (下文中為雙極板)彼此分離的膜電極組件(MEA)30、32。MEA 30、32和雙極板34在不鏽鋼夾板或端板36、38以及端部接觸元件40、42之間疊放在一起。端部接觸元件40是陰極，而端部接觸元件42是陽極。端部接觸元件40、42以及雙極板34的兩個工作面包含多個用於分配燃料和氧化劑氣體(即氫氣和氧氣)到MEA 30、32的槽或通道44。雙極板34和端部接觸元件40和42可由金屬製造，但如果有需要，也可由其他材料製造。例如，雙極板和端部接觸元件可由石墨製造，其重量輕、耐腐蝕、且在PEM燃料電池組觀的環境中導電。燃料電池組28包括多個如圖如和4b中所示的擴散介質410 —樣的擴散介質410、 410，、410，，、410，，，。擴散介質410、410，、410，，、410，，，鄰近密封件46布置。鄰近擴散介質410、410，、410，，、410，，，的密封件46是密封墊，其在燃料電池組28的部件之間提供密封和隔離。擴散介質410、410，、410，，,410'，，的穿孔層414,416的一部分可直接鄰近密封件46地布置以作為在燃料電池組觀的部件之間的子密封墊。擴散介質410布置在端部接觸元件40和MEA 30之間，擴散介質410，布置在MEA 30和雙極板34的陽極側之間，擴散介質410，，布置在雙極板34的陰極側和MEA 32之間。擴散介質410，，，布置在MEA 32和端部接觸元件42之間。當燃料電池觀在使用中時，氫氣從氫氣源48經過管道50提供給端部接觸元件 42和燃料電池組28的雙極板34的陽極側。氧氣從氧氣源52經過管道50提供給端部接觸元件40和雙極板34的陰極側。作為替換，環境空氣可提供給陰極側作為氧化劑且氫氣可從甲醇或汽油轉化爐提供給陽極。圖6示出了裝配後的圖5中的燃料電池組觀的燃料電池的一部分。如圖所示，MEA 30包括夾在陽極電極30b和陰極電極30c之間的質子交換膜30a。MEA 30布置在擴散介質 410和擴散介質410，之間。擴散介質410、410，和MEA 30布置在端部接觸元件40和雙極板；34的陽極側之間。擴散介質410布置在端部接觸元件40和MEA 30之間，擴散介質410 的第一微孔層418鄰近端部接觸元件40布置以及第二微孔層420鄰近陰極電極30c布置。 擴散介質410』布置在雙極板34的陽極側和MEA 30之間，第二微孔層420』鄰近陽極電極 30b布置以及第一微孔層418，鄰近雙極板34。擴散介質410，的穿孔層414，,416'與擴散介質410的穿孔層414、416大致相同。當擴散介質410、410』使用在燃料電池組觀的燃料電池中時，在燃料電池的陽極側，氫氣催化分裂為質子和電子。質子穿過膜30a到陰極側。電子沿外部載荷電路(未示出) 到達MEA 30的陰極側，因此產生燃料電池組觀的電流輸出。同時，氧氣傳輸到MEA 30的陰極側。在陰極側，氧分子與穿過薄膜30a的質子和經過外部電路達到的電子反應以形成水分子(未示出)。擴散介質410、410』在潮溼的運行條件下或在燃料電池組觀的燃料電池的潮溼區域吸收和/或汲取過多的產物水以避免電極30c和30b被淹且保持薄膜30a的吸水程度以獲得在乾燥運行條件下或在燃料電池組觀的燃料電池的乾燥區域處的不錯的質子傳導性。在擴散介質410、410』中過多的水從燃料電池組觀經由歧管(未示出)通過鄰近和穿過擴散介質410、410』的氫氣和氧氣流來移除。在燃料電池組28中的水管理對於成功的長期燃料電池組28運行是不可或缺的。 擴散介質410、410』通過從燃料電池的電極移除產物水來輔助在燃料電池組觀中的水管理，從而導致優化燃料電池性能。擴散介質410、410』具有若干特定的作用。擴散介質410、 410，為反應氣體提供從流動通道44到電極層30b、30c的通路。另外，擴散介質410、410， 導電並導熱以提供用於燃料電池組觀的運行的電子路徑和散熱。此外，擴散介質410、410』 促進產物水從燃料電池組觀的陰極側移除，然後將水釋放到流動通道44以從燃料電池組 28移除。對於適合用於汽車應用中的質子交換膜燃料電池組觀，越乾燥的穩態運行條件越是有利的，這就需要擴散介質410具有足夠的保水能力，以維持所需的膜30a的吸水。由於具有高擴散阻力的擴散介質也降低反應物傳輸，所以擴散介質410的擴散性應適當地選擇。在燃料電池工作區域的具有高的局部相對溼度和低的反應物濃度的區域，如靠近板34、 40,42的反應氣體出口，性能可通過使用具有低擴散阻力和低彎曲度的擴散介質410來優化。因此，擴散介質410的第二端458鄰近雙極板34的反應氣體出口布置。在燃料電池工作區域的具有低的局部相對溼度低和高的反應物濃度的區域，如靠近板34、40、42的反應氣體入口，性能可通過使用高擴散阻力和高彎曲度的擴散介質410優化。因此，擴散介質 410的第一端456鄰近雙極板34的反應氣體入口布置。如本文中所使用的，工作區域定義為化學反應可用的單獨的燃料電池的表面區域。工作區域的尺寸可基於適應於容納冷卻、 反應物分配、和密封機構的燃料電池總的區域而變化。從前面的描述中，本領域技術人員可以很容易地確定本發明的本質特徵，在不脫離本發明的精神和範圍下，可以改變和改進本發明以使其適用於不同的用途和條件。
權利要求
1.一種使用在質子交換膜燃料電池中的擴散介質，包括 第一穿孔層，其具有多個形成在其中的穿孔；第二穿孔層，其具有多個形成在其中的穿孔； 導電多孔間隔層，其布置在所述第一穿孔層和所述第二穿孔層之間； 第一微孔層，其布置在所述第一穿孔層上；和第二微孔層，其布置在所述第二穿孔層上。
2.如權利要求1的擴散介質，其中所述多孔間隔層是碳纖維紙、泡沫、所述第一微孔層、和所述第二微孔層的其中之一。
3.如權利要求1的擴散介質，其中所述第一穿孔層和所述第二穿孔層由石墨箔片形成。
4.如權利要求1的擴散介質，其中所述第一微孔層和所述第二微孔層是碳粉末、碳氟聚合物、和碳粉末與碳氟聚合物的混合物的其中之一。
5.如權利要求4的擴散介質，其中碳氟聚合物是聚四氟乙烯。
6.如權利要求1的擴散介質，其中所述第一穿孔層的穿孔大致與所述第二穿孔層的穿孔對齊。
7.如權利要求1的擴散介質，其中所述第一薄穿孔層的穿孔大致偏離所述第二穿孔層的穿孔。
8.如權利要求1的擴散介質，其中在一些區域中所述第一薄穿孔層的穿孔與所述第二穿孔層的穿孔對齊且在其他區域中大致偏離所述第二穿孔層的穿孔。
9.一種使用在質子交換膜燃料電池的擴散介質，包括第一穿孔層，其具有多個形成在其中的穿孔，其中所述第一穿孔層的穿孔間隔分開以形成穿孔密度梯度；第二穿孔層，其具有多個形成在其中的穿孔； 導電多孔間隔層，其布置在所述第一穿孔層和所述第二穿孔層之間； 第一微孔層，其布置在所述第一穿孔層上；和第二微孔層，其布置在所述第二穿孔層上。
10.一種使用在質子交換膜燃料電池中的擴散介質，包括 第一穿孔層，其具有多個形成在其中的穿孔；第二穿孔層，其具有多個形成在其中的穿孔，其中在所述第一穿孔層的穿孔之間的距離大於在所述第二穿孔層的穿孔之間的距離；導電多孔間隔層，其布置在所述第一穿孔層和所述第二穿孔層之間； 第一微孔層，其布置在所述第一穿孔層上；和第二微孔層，其布置在所述第二穿孔層上。
全文摘要
本發明涉及高彎曲度的擴散介質。一種使用在質子交換膜燃料電池中的擴散介質，包括布置在多個穿孔層之間的多孔間隔層，穿孔層具有穿孔樣式的可變尺寸和出現率，每個穿孔層具有在其上形成的微孔層，其中擴散介質適用於優化燃料電池中的水管理和燃料電池的性能。
文檔編號H01M8/02GK102163723SQ201110040510
公開日2011年8月24日 申請日期2011年2月18日 優先權日2010年2月19日
發明者C.韋澤, P.D.尼科特拉 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司