[發明專利]具有陰離子交換樹脂的多孔擴散介質和雙極板組件以及結合它們的裝置

有效

• 申請號: 200580034014.4
• 申請日: 2005-06-09
• 公開（公告）號: CN101053102A
• 公開（公告）日: 2007-10-10
• 發明（設計）人: M·H·阿布德埃爾哈米德;Y·M·米克海爾;R·H·布倫克
• 申請（專利權）人: 通用汽車公司
• 主分類號: H01M8/00
• 分類號: H01M8/00;H01M4/86;H01M4/90;H01M4/96
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 呂彩霞;段曉玲

發明背景

本發明涉及多孔擴散介質、雙極板組件、使用根據本發明的多孔 擴散介質和雙極板組件的燃料電池，和結合這種燃料電池的燃料電池 驅動的系統。更具體地，本發明涉及具有陰離子交換樹脂的多孔擴散 介質和雙極板組件和結合它們的裝置。

發明概述

已知固體酸膜電極組件(MEA)材料在質子交換膜(PEM)燃 料電池內部會熱和化學降解，釋放氟化物離子，其又腐蝕金屬雙極板 材料(例如不銹合金)。氟化氫侵蝕金屬材料，盡管該酸被認為是弱 酸。板腐蝕副產物-金屬陽離子-于是與聚合物膜和催化劑離聚物層中 的交換位交換，造成：a)當酸基被釋放時MEA導電率下降，b)電 池陰極側上氧還原速率明顯降低，和c)燃料電池性能總體下降。降 低燃料電池環境中氟化物離子的濃度將提高帶有排出水的燃料電池系 統中雙極板和其它金屬部件的耐久性。因而，認識到對燃料電池設計 改進的需要。

本發明通過使用已知能在許多工業應用中除去陰離子的陰離子交 換樹脂來滿足這種需要。盡管本發明不限制于特定的優點或功能，但 注意到按本文描述的方式使用陰離子交換樹脂能有效地a)從燃料電 池環境中除去氟化物離子，b)減小雙極板材料(例如鈦、鋁、不銹 鋼)的腐蝕，c)降低金屬陽離子浸出速率，d)延長雙極板和MEA 的有效壽命，和d)提高燃料電池耐久性和性能。

根據本發明的一種實施方案，提供一種包括擴散介質襯底和陰離 子交換樹脂層的多孔擴散介質。擴散介質襯底包括限定相對的第一和 第二主面的纖維基體。襯底包括足以賦予襯底導電性的一定數量的碳 質材料。陰離子交換樹脂層接合擴散介質襯底的第一和第二主面中至 少一個的至少一部分。設計陰離子交換樹脂以通過與羥基交換或形成 季銨鹽來除去陰離子。

根據本發明的另一種實施方案，提供包括膜電極組件、多孔擴散 介質和至少一對雙極板組件的裝置。多孔擴散介質包括擴散介質襯底 和陰離子交換樹脂層。擴散介質襯底包括限定相對的第一和第二主面 的纖維基體。擴散介質襯底包括足以賦予襯底導電性的一定數量的碳 質材料。陰離子交換樹脂層接合擴散介質襯底的第一和第二主面中至 少一個的至少一部分。設計陰離子交換樹脂以通過與羥基交換或形成 季銨鹽來除去陰離子。膜電極組件插在一對擴散介質襯底之間。雙極 板組件接合陰離子交換樹脂層。

該裝置可包括燃料電池，該裝置還可包括限定由燃料電池驅動的 車輛的結構。典型地，陰離子交換樹脂層接合擴散介質襯底的第一主 面，雙極板組件接合陰離子交換樹脂層。任選地，陰離子交換樹脂層 還接合擴散介質襯底的第二主面，膜電極組件接合與擴散介質襯底第 二主面接合的陰離子交換樹脂層。

根據本發明的又一種實施方案，提供一種包括膜電極組件、多孔 擴散介質和至少一對雙極板組件的裝置。膜電極組件插在一對擴散介 質襯底之間。雙極板組件包括至少一個包含陰離子交換樹脂層的流場 通道。設計陰離子交換樹脂層以通過與羥基交換或形成季銨鹽來除去 陰離子。雙極板組件接合擴散介質襯底。

根據本發明的還一種實施方案，提供一種包括擴散介質襯底和陰 離子交換樹脂層的多孔擴散介質。擴散介質襯底包括限定相對的第一 和第二主面的纖維基體，其中襯底包括足以賦予襯底導電性的一定數 量的碳質材料。還限定襯底厚度為約0.17mm。陰離子交換樹脂層接 合擴散介質襯底的第一和第二主面中至少一個的至少一部分。設計陰 離子交換樹脂以通過與羥基交換或形成季銨鹽來除去陰離子，并且陰 離子交換樹脂包括強堿陰離子交換樹脂、弱堿陰離子交換樹脂和其組 合中的至少一種。陰離子交換樹脂層具有足以從溶液中除去游離的無 機和有機酸的厚度。陰離子交換樹脂層的厚度在約10和約30μm之 間。陰離子交換樹脂層滲透擴散介質襯底。陰離子交換樹脂層的特征 在于孔隙率大于擴散介質襯底的纖維基體的孔隙率。

從下面結合附加權利要求的發明詳細描述中將更充分地理解本發 明的這些和其它特征和優點。注意權利要求的范圍由其中的描述來限 定，而不是由本說明書中闡述的特征和優點的具體討論來限定。

附圖簡述

當結合下面的圖閱讀時可最好地理解本發明具體實施方案的以下 詳細描述，其中相同的結構用相同的引用數字來表示，其中：

圖1為結合了根據本發明原理的多孔擴散介質和一對流場板的燃 料電池的展開示意圖；

圖2為根據本發明一種實施方案的多孔擴散介質的示意圖；和