[发明专利]气体扩散介质和燃料电池

说明书

技术领域

本申请的披露内容涉及具有扩散介质的燃料电池。特别是，本申请的披露内容涉及一种用于制造燃料电池扩散介质的方法、采用该方法制造出的扩散介质，和包含这种扩散介质的燃料电池。

背景技术

本部分中的陈述内容目的仅在于提供与本申请的披露内容相关的背景信息，且本部分中的陈述内容可以不构成现有技术。

燃料电池在电动车辆和其它应用中被用作电源。典型的燃料电池具有膜电极组件(MEA)，所述膜电极组件包括催化电极和在所述电极之间形成的质子交换膜(PEM)。通过在膜电极组件内氢与氧之间发生的电化学反应在阴极生成水。气体扩散介质在质子交换膜燃料电池中起到重要作用。气体扩散介质通常被设置在催化电极与将反应气体引入燃料电池中的流场通道之间，所述气体扩散介质提供了反应物扩散至电极的通路和用于除去产物水的通路、燃料电池正常运行所需的电子传导率、热导率以及机械强度。

在燃料电池的工作过程中，通过在膜电极组件内氢与氧之间发生的电化学反应在阴极生成水。燃料电池的高效工作取决于在系统中提供有效的水管理的能力。例如，扩散介质通过从催化剂层中除去产物水同时保持来自双极板中的气体流动通道的反应物气体流通过到达催化剂层，从而防止电极产生溢流(即充满水且严重限制O₂进入)。

燃料电池堆中可根据应用的功率需求包含大量的燃料电池。例如，典型的燃料电池堆具有高达400个单个燃料电池或更多个单个燃料电池。由于燃料电池堆中的燃料电池串联进行工作，因此在一个电池中的较差或较弱的性能可导致整个燃料电池堆的性能变差。为此，所希望的是燃料电池堆中的每个燃料电池以较高的效率进行工作。

用于气体扩散介质的典型的生产步骤包括：生产碳纤维纸，用树脂或树脂与填料的混合物浸渍所述碳纤维纸，对经过浸渍的碳纤维纸进行模制，并且对所述经过树脂浸渍的碳纤维纸进行碳化或石墨化处理。所述生产碳纤维纸和进行浸渍处理的步骤是连续的，而所述进行模制、进行碳化和石墨化处理的步骤或是批量进行的，或是连续的。

由于典型的燃料电池堆中包含如此众多的单个燃料电池，因此重要的是使扩散介质的生产工艺具有高度的可靠性。因此所希望的是：对所述生产工艺的改进能够降低成本、使所述工艺得到简化，或者增强所述介质的性能。

发明内容

本发明提供了一种用于制造气体扩散介质的方法，所述方法包括以下步骤：(a)制备出包括纤维材料和树脂粉末的含水分散体系；(b)所述纤维和树脂粉末分散体系在支承体上形成层或毡；(c)从所述层中除去水从而形成包括树脂粉末的纤维层；(d)对包含树脂粉末的纤维层进行模制；(e)对所述经过模制的层进行碳化或石墨化处理。该方法避免了使用树脂浸渍纤维毡的步骤。

在本发明的一个实施例中，所述支承体是具有所需筛孔的筛网。尺寸大于筛孔尺寸的纤维束和树脂粉末颗粒得到保留从而形成纤维层，更小的颗粒还可被保留在纤维毡中。在多个不同的实施例中，所述筛网的筛目尺寸小于树脂粉末的平均粒度。在一些实施例中，使用平均粒度为约40微米-约100微米的树脂粉末。

在本发明的方法的一种实施方式中，所述树脂粉末是或者包括酚醛树脂。

在本发明的一些实施例中，所述树脂粉末的平均粒度为约40微米-约100微米。

本发明进一步提供了采用根据本发明的方法制备出的扩散介质。与具有相同的树脂含量但采用现有技术方法制造出的扩散介质相比，本发明的扩散介质的透气性得到增强。虽然不希望受到理论束缚，但是据认为：与溶解型树脂浸渍方法相比，这是由于碳纤维或石墨纤维通过在碳纸形成过程中存在的均匀分散的树脂颗粒被点焊焊接在一起所造成的，所述均匀分散的树脂颗粒依赖于在固化过程中的树脂流动从而将单根纤维保持在一起。传统的浸渍步骤导致在进行树脂浸渍和固化后产生较薄的富含树脂的表面层，据认为在进行碳化/石墨化处理后其将转变为单根纤维上的非晶质碳表面层，这样可能会不利地影响气体扩散介质的表面自由能和耐久性。本发明避免在所述碳纤维上出现这种表面层。

本发明还提供了一种包括膜电板组件(MEA)的燃料电池，所述膜电极组件包括阳极、阴极和设置在所述阳极与所述阴极之间的质子交换膜(PEM)；在膜电板组件的阳极侧和阴极侧中的至少一个侧面上，不可透过的导电构件与相应的阴极和/或阳极一起限定出位于不可透过的导电构件与阴极和/或阳极之间的流体分配室；和根据本发明的设置在多个流体分配室中的一个或两个中的扩散介质。所述扩散介质优选横跨流体分配室从不可透过的导电构件延伸至电极侧。