[發明專利]具有較低氣體擴散系數的氣體擴散層

在審

• 申請號: 201510947754.2
• 申請日: 2009-08-04
• 公開（公告）號: CN105406093A
• 公開（公告）日: 2016-03-16
• 發明（設計）人: C.韋澤;C.紀;M.馬蒂亞斯;D.R.巴克;P.D.尼科特拉
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作公司
• 主分類號: H01M8/0234
• 分類號: H01M8/0234;H01M8/0239;H01M8/0243
• 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2009年08月04日、申請號為200910160294.3，名稱為“具有較低氣體擴散系數的氣體擴散層”。

技術領域

在至少一種實施方案中，本發明涉及用于燃料電池中的具有降低的氣體擴散系數的氣體擴散層。

背景技術

燃料電池在很多應用中用作電能來源。特別地，燃料電池計劃用于汽車中代替內燃機。在質子交換膜（“PEM”）型燃料電池中，將氫氣供給燃料電池的陽極作為燃料，將氧氣供給陰極作為氧化劑。該氧氣可以是純態形式（O₂）或空氣（O₂和N₂的混合物）。PEM燃料電池通常具有膜電極組件（“MEA”），其中固體聚合物膜的一側具有陽極催化劑，另一側具有陰極催化劑。MEA夾在一對多孔氣體擴散層（“GDL”）之間，該氣體擴散層又夾在一對非多孔電導性元件或板之間。這些板用作陽極和陰極的集流器，包含適當的形成在其中的通道和開口，用于將該燃料電池的氣態反應物分布在陽極和陰極催化劑各自的表面上。在一些情況下，該GDL可以在與催化劑層相鄰的一側涂覆有微孔層（MPL）。為了有效發電，PEM燃料電池的聚合物電解質膜必須是薄的、化學穩定的、可傳送質子的、非電導性的和不透氣體的。在典型應用中，燃料電池串聯堆積以提供高水平的電能。

氣體擴散層在PEM燃料電池中扮演了多種功能的角色。例如，GDL作為用于使反應物氣體運動到陽極和陰極催化劑層的擴散體，同時將產物水運送到流場。GDL還傳導電子，并將MEA處產生的熱量傳送給冷卻劑，并且作為軟MEA和硬雙極板之間的緩沖層。在這些功能中，GDL的水管理能力對于實現最高燃料電池性能是至關重要的。換言之，理想的GDL在濕操作條件中或在高電流密度下將能夠從電極中除去過量的產物水以避免溢流，而且還能夠保持一定程度的膜電解質水合以在干操作條件過程中得到合適的離子傳導性。用于PEM燃料電池中的固體電解質膜（例如DuPont的Nafion）需要潤濕以保持一定程度的水合以提供良好的質子傳導性。作為用于燃料電池應用的替代性固體電解質出現的基于烴的PEM具有與基于含氟聚合物的固體電解質膜（例如Nafion）相比更為廉價和更為有利（無氟釋放）的潛力。目前開發的基于烴的固體電解質膜需要較高程度的水合以實現適當的質子傳導性。

對于目標為汽車應用的PEM燃料電池，更干燥的穩態操作條件是有利的，其需要GDL良好的水保持能力以保持一定程度的膜水合。目前的研究支持以下假設：電極處的產物水以氣相形式跨過微孔層（MPL）離開，然后在GDL中冷凝，然后釋放到氣流通道中。對于目標為汽車應用的PEM燃料電池，需要GDL良好的水保持能力的更干燥的穩態操作條件是有利的。汽車應用中的燃料電池還將在啟動、停車過程中和低于冰點環境中也經歷濕操作條件。

因此，存在對能夠在干燥操作條件下保持一些產物水以及在濕潤操作條件下除去過量產物水用于使燃料電池功能最優化的GDL的需求。

發明內容

依照本發明的實施方案，提供了可位于PEM燃料電池中的電極和流場之間的氣體擴散層。該氣體擴散層包括纖維和非纖維材料，其比例使得當氣體擴散層具有小于或等于300微米的厚度時在80℃和150kPa絕對氣體壓力下測得的水蒸氣擴散傳送阻力大于0.8s/cm。

依照本發明的另一實施方案，提供了可位于PEM燃料電池中的電極和流場之間的氣體擴散層。該氣體擴散層包括纖維和非纖維材料，其比例使得當氣體擴散層具有大于或等于100微米的厚度時在80℃和150kPa絕對氣體壓力下測得的水蒸氣擴散傳送阻力低于0.4s/cm。

依照本發明的實施方案，提供了包括陽極氣體流場的燃料電池，該流場具有一個或多個用于將第一氣體引入該燃料電池的通道。該燃料電池進一步包括設置在該陽極氣體流場上的陽極擴散層。該燃料電池進一步包括設置在該陽極擴散層上的陽極催化劑層。該燃料電池進一步包括設置在該陽極催化劑層上的聚合物離子傳導膜。該燃料電池進一步包括設置在該聚合物離子傳導膜上的陰極催化劑層。該燃料電池進一步包括設置在陰極催化劑層上的陰極擴散層。該燃料電池進一步包括陰極氣體流場，該流場具有一個或多個用于將第二氣體引入該燃料電池的陰極板通道。該陰極流場設置在該陰極擴散層之上。該陽極擴散層或陰極擴散層的至少之一包含上述的氣體擴散層。