[發明專利]具有氣相沉積的碳氟聚合物的擴散介質

無效

• 申請號: 201210146900.8
• 申請日: 2007-03-20
• 公開（公告）號: CN102655238A
• 公開（公告）日: 2012-09-05
• 發明（設計）人: 紀純新;M·馬蒂亞斯
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作公司
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M8/04;H01M8/10
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 韋欣華;楊思捷

本申請是分案申請，其母案的申請日為2007年3月20日，申請號為200710105344.9，發明名稱為“具有氣相沉積的碳氟聚合物的擴散介質”。

技術領域

本發明涉及燃料電池以及用于改進在燃料電池工作過程中的水管理的方法。本發明還涉及制備燃料電池的擴散介質的方法。

背景技術

燃料電池作為電動車輛以及其它應用的電源正日益得到應用。典型的燃料電池具有膜電極組件(MEA)，該膜電極組件具有形成于電極之間的催化電極和質子交換膜(PEM)。在燃料電池工作過程中，基于MEA中發生的氫和氧之間的電極化學反應，在陰極產生水。燃料電池的有效運行取決于系統中提供有效的水管理的能力。

氣體擴散介質在PEM燃料電池中起重要作用。通常，擴散介質需要有益于從陰極催化劑層除去產物水同時保持反應氣體從氣體流通道穿過到達催化劑層。另外，電極間的質子交換膜在其被充分水合時處于最佳工作狀態。因此，氣體擴散介質的最重要的功能之一是在燃料電池工作過程中提供水管理。

為獲得最好的水管理，期望提供具有理想的親水性和疏水性平衡的氣體擴散介質。通過提供具有合適的親水性和疏水性平衡的氣體擴散介質，為反應氣體和產物水提供不同的傳輸路徑并因而防止由于氣體擴散介質的細孔中水的過度聚積引起的電池中的溢流是可能的。在保持質子交換膜合適水合的同時必須實現水的去除，尤其是在該膜的陽極側，該側傾向于成為由于在高電流密度時陽極向陰極的電滲力(electroosmotic?drag)(由質子攜帶的水)而導致的膜首先干燥的部分。另外，獲得合適的親水性和疏水性平衡使得通過在氣體擴散介質中保持合適量的液態水或通過電池中液態水的循環可以使用相當干燥的入口反應氣體，這減小了對外部加濕器的容量要求。

在燃料電池技術中通常在碳纖維擴散介質中添加聚四氟乙烯(PTFE)。該添加使得介質更疏水并提供優點。為改進涂覆PTFE的介質的水管理能力，已經進行了各種嘗試，包括涂覆另外的微孔層和/或在擴散介質中嵌入芯吸材料。

涂覆PTFE的擴散介質已經表現出缺陷，如例如在標準化的Wilhelmy測試中通過測量動態接觸角所證實的那樣，在一些情況下，經涂覆的介質的疏水性會隨時間降低。改進PTFE涂覆的擴散介質的疏水性保持的方法將代表顯著的進步。

發明內容

適合在PEM燃料電池中使用的擴散介質通過包括在導電的多孔基材上氣相沉積碳氟聚合物的方法來制備。示例性地，多孔基材是碳纖維基的紙。在一個實施方案中，通過將單體前體氣體暴露于溫度足以使單體前體氣體熱解并在基材表面附近產生反應性CF₂物種源的熱源來進行氣相沉積。氣相沉積的產物是在基材的表面和細孔中沉積的均勻的PTFE狀聚合物。在不同的實施方案中，氣相沉積完全覆蓋基材的至少一側的表面或覆蓋一側小于100％的區域。任何未被碳氟聚合物的氣相沉積所覆蓋的剩余區域都可以用各種親水性聚合物涂覆或覆蓋。另外，可以提供在一側具有微孔層和在另一側具有氣相沉積的碳氟聚合物的擴散介質。

提供包括這樣的擴散介質的PEM燃料電池，所述擴散介質放置在流體分配室中，流體分配室通過不滲透的導電構件例如雙極板限定在電池的陰極側和陽極側上。如果希望在燃料電池中提供期望的水管理水平，可以調節擴散介質上親水和疏水(氣相沉積的碳氟聚合物)的平衡。例如，在多個實施方案中，流體分配室具有反應氣體入口側和出口側。氧化劑氣體例如氧提供給陰極入口。氫燃料提供給陽極入口。氫在陽極氧化形成質子，質子通過質子交換膜從陽極到達陰極，以通過與氧氣反應形成水。從陰極除去產物水通過擴散介質的作用得到促進并通過氧化劑氣體的流動從電池中除去。在一個實施方案中，擴散介質上疏水聚合物的含量在鄰近出口側的擴散介質區域大于鄰近入口側的擴散介質區域。作為選擇，親水聚合物的含量在鄰近入口側的擴散介質區域，可以大于鄰近出口側的區域。

擴散介質和包含該擴散介質的燃料電池以及燃料電池堆顯示可以接受的燃料電池性能。一方面，由于觀察到的氣相沉積的擴散介質隨著老化還在很大程度上保持著它們的疏水性能的性質，燃料電池的性能得到提高。

具體地說，本發明涉及以下方面：

1、一種燃料電池堆，其包括多個串聯電連接的單個的PEM燃料電池，所述單個燃料電池包括：

陽極；

陰極；

設置在所述陽極和陰極之間的質子交換膜，和

鄰近所述陽極、陰極或這兩者的擴散介質，