[發(fā)明專利]具有微孔雙層的氣體擴(kuò)散介質(zhì)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200580038707.0
• 申請(qǐng)日: 2005-10-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101057353A
• 公開(kāi)（公告）日: 2007-10-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: J·E·奧哈拉;H·A·加斯泰格
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 通用汽車(chē)公司
• 主分類號(hào): H01M4/00
• 分類號(hào): H01M4/00;B32B5/22
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 段曉玲;鄒雪梅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及產(chǎn)生電的燃料電池，以給車(chē)輛或其它電力驅(qū)動(dòng)的裝置供給動(dòng)力。更具體地，本發(fā)明涉及具有微孔雙層的新型氣體擴(kuò)散介質(zhì)，所述微孔雙層包括底層和底層上的MPL(微孔層)涂層，以增強(qiáng)氣體擴(kuò)散介質(zhì)的緩沖和水管理性能。

背景技術(shù)

燃料電池技術(shù)在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中是相對(duì)較新的進(jìn)步。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)燃料電池發(fā)電廠能實(shí)現(xiàn)高達(dá)55％的效率。而且燃料電池發(fā)電廠僅僅排放熱和水作為副產(chǎn)品。

燃料電池包括三個(gè)部件：陰極、陽(yáng)極和夾在陰極和陽(yáng)極之間并傳導(dǎo)質(zhì)子的聚合物電解質(zhì)。設(shè)置在膜的兩側(cè)的催化劑層充當(dāng)電極。運(yùn)行時(shí)，陽(yáng)極上的催化劑將氫分離成電子和質(zhì)子。電子從陽(yáng)極以電流形式分布，穿過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，然后到陰極，而質(zhì)子從陽(yáng)極遷移，穿過(guò)電解質(zhì)到陰極。陰極上的催化劑將質(zhì)子和從驅(qū)動(dòng)電機(jī)返回的電子以及空氣中的氧結(jié)合以產(chǎn)生水。單個(gè)燃料電池可串聯(lián)堆積起來(lái)以產(chǎn)生不斷增長(zhǎng)的電量。

在聚合物-電解質(zhì)-膜(PEM)燃料電池中，全氟磺酸(PFSA)膜充當(dāng)陰極和陽(yáng)極之間的電解質(zhì)；質(zhì)子導(dǎo)電膜的其它類型也已經(jīng)被評(píng)價(jià)，并在少量的例子中使用。目前燃料電池應(yīng)用中使用的聚合物膜需要某一濕度水平以促進(jìn)膜的導(dǎo)電率。因而，通過(guò)濕度/水管理，維持膜中濕度的適當(dāng)水平，對(duì)于燃料電池正確行使功能是很重要的。如果膜被干透，燃料電池可發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的損害。

為了防止供應(yīng)給電極的氫燃料氣體和氧氣的泄漏和防止氣體的混合，在電極的周?chē)O(shè)置氣體密封材料和墊圈，聚合物電解質(zhì)膜夾在其中。密封材料和墊圈連同電極和聚合物電介質(zhì)膜一起可裝配成單一部件，以形成膜電極組件(MEA)。設(shè)置在MEA的外面的是用于機(jī)械固定MEA并將相鄰的MEA串聯(lián)電連接的導(dǎo)電分隔板(也稱為雙極板)。經(jīng)設(shè)置朝向MEA的分隔板的部分，具有氣體通道或流場(chǎng)用于將氫和空氣供給到電極表面并除去產(chǎn)生的水。

在燃料電池中，典型地由非織造碳纖維紙或織造碳布制成的氣體擴(kuò)散介質(zhì)放入雙極板的流場(chǎng)和MEA之間。氣體擴(kuò)散介質(zhì)在PEM燃料電池中起多種重要作用。首先，氣體擴(kuò)散介質(zhì)用作管道，用于將反應(yīng)物氫和空氣氣流分別擴(kuò)散到陽(yáng)極和陰極，以及用于從陰極除去副產(chǎn)品水的管道。另外，氣體擴(kuò)散介質(zhì)必須具有充分的導(dǎo)電性，以將電子傳導(dǎo)到雙極板。

最近，已經(jīng)注意到設(shè)置在電極和氣體擴(kuò)散介質(zhì)(GDM)之間的微孔層(MPL)的重要性。這種微孔層主要提高PEM的燃料電池的水管理性能，從而減少由差的GDM結(jié)構(gòu)引起的質(zhì)量輸送損失。典型地，這層是聚四氟乙烯/碳混合物，并取決于GDM期望的特定屬性，具有不同厚度。微孔層的又一重要功能是保護(hù)膜不被GDM基材中脆的碳纖維穿透，從而防止電短路。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，將MPL形成雙層結(jié)構(gòu)，既增強(qiáng)MPL的緩沖性能又增強(qiáng)燃料電池的水管理能力。在MPL中孔的尺寸一般在z方向上從電極到GDM增大。根據(jù)本發(fā)明，在GDM上設(shè)置底層，在底層上設(shè)置MPL涂層。底層具有新型堆積結(jié)構(gòu)(packing?structure)和減少由碳纖維刺穿MEA同時(shí)也提高電池的水管理的孔尺寸分布。底層由導(dǎo)電顆粒(優(yōu)選石墨或其它炭黑)和粘合劑(優(yōu)選PTFE或其它全氟化和部分氟化的聚合物)組成。底層的平均孔尺寸通過(guò)底層中導(dǎo)電顆粒的平均聚集體尺寸確定。底層中導(dǎo)電顆粒的平均聚集體尺寸可從0.1-0.3微米(對(duì)應(yīng)于MPL中平均顆粒聚集體尺寸)變動(dòng)到直至大約20-40微米。底層中導(dǎo)電顆粒可由兩種不同顆粒尺寸范圍，例如平均一次聚集體尺寸為0.1至0.3微米的炭黑和平均顆粒尺寸為1至10微米的石墨顆粒的混合物構(gòu)成。然而，底層中較大顆粒的平均顆粒聚集體尺寸的優(yōu)選范圍是0.5至30微米，最優(yōu)選范圍是1至10微米。一般地，底層的期望的耐穿刺性和緩沖效果隨著厚度的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。因而，底層的厚度范圍可為10至100微米，優(yōu)選厚度范圍為30至60微米。

發(fā)明內(nèi)容