[发明专利]在活性区上带有受控扩散率的气体扩散层

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池，且更特定地涉及适合于改进燃料电池内的水管理的扩散介质及其准备方法，扩散介质包括多孔基底层、具有可变尺寸和可变穿孔图案频率的薄穿孔层和至少微孔层，其中微孔层和薄穿孔层施加到多孔基底层上。

背景技术

燃料电池日益用作电动车辆和其他应用的电源。在质子交换膜(PEM)燃料电池中，氢气供给到燃料电池的阳极侧且氧气作为氧化剂供给到燃料电池的阴极侧。在燃料电池内在反应物气体之间发生的反应在阳极侧处消耗了氢且在阴极侧处产生了产物水。PEM燃料电池包括膜电极组件(MEA)，膜电极组件包括薄的非导电的质子传送固体聚合物电解质膜，布置为使得阳极侧在一面上且阴极侧在相对的面上。

气体扩散介质在PEM燃料电池中起到了重要的作用。气体扩散介质一般地在燃料电池内布置在催化电极和双极板的流场通道之间，气体扩散介质提供了反应物和产物渗透性、导电性和导热性，以及燃料电池正常工作所需的机械强度。燃料电池的有效运行取决于在系统内提供有效的水管理的能力。扩散介质通过从催化电极去除产物水同时维持从双极板的气体流动通道到催化电极的反应物气体流动而防止水填充电极且限制了氧流动(已知为溢流)。

典型地，在PEM燃料电池中使用的扩散介质在介质的整个区上具有相对恒定的扩散阻力，因为孔在扩散介质中的结构和尺寸是均匀的。使用当前扩散介质的汽车燃料电池的性能是受限的，因为反应物流经常是不完全饱和，且电池的活性区上存在湿度和流(即水的生成)的大的变化。因此，在湿运行区域内产物水的去除速度必须与在干运行区域内维持一定程度的膜水合的需要平衡，以在燃料电池内获得满意的质子传导率。

因此，本发明是适合于提供变化的局部水管理能力的扩散介质，以实现最高的燃料电池性能。在此处所述的扩散介质中，在干区域内的改进的运行通过这样实现，即通过限制水蒸气在活动区的干区域内离开膜的流量以维持可接受的膜质子传导率，同时也维持可接受的反应物气体流动，且在燃料电池的湿区域内施加更少的限制以不因过度地保持水和反应物气体阻塞而降低燃料电池的性能。

发明内容

已发现了与本发明协调且一致的适合于改进水管理同时也改进燃料电池性能的扩散介质。

在另一个实施例中，使用在PEM燃料电池内的扩散介质包括具有第一侧和第二侧的多孔基底层，其中所述的基底层是导电的；具有多个穿孔的薄穿孔层；第一微孔层，其中所述的第一微孔层布置在所述的多孔基底层的第一侧和所述的薄穿孔层之间，所述的第一微孔层合并到所述的多孔基底层的第一侧内，且薄穿孔层合并到所述的第一微孔层内；和布置在所述的薄穿孔层上且与所述的薄穿孔层合并的第二微孔层。

在一个实施例中，使用在PEM燃料电池内的扩散介质包括具有第一侧和第二侧的多孔基底层，其中所述的多孔基底层是导电的；第一微孔层；和具有多个穿孔、第一侧和第二侧的薄穿孔层，其中所述的第一微孔层布置在所述的多孔基底层的第一侧和所述的薄穿孔层的第一侧之间且合并到所述的多孔基底层的第一侧和所述的薄穿孔层的第一侧中。

在另一个实施例中，用于制成使用在PEM燃料电池内的扩散介质的方法包括如下步骤：提供多孔基底层，其中所述的多孔基底层是导电的；提供带有可变的穿孔图案尺寸和频率之一的薄穿孔层；以含氟聚合物处理多孔基底层；将以含氟聚合物处理的多孔基底层涂敷以糊剂以形成微孔层；将薄穿孔层压在湿的微孔层上；将微孔层和多孔基底层干燥；和将多孔基底层、薄穿孔层和微孔层烧结在一起。

附图说明

从如下对优选实施例的详细描述中当根据附图考虑时，本发明的以上的以及其他的优点将对于本领域一般技术人员容易地显见，其中：

图1是根据本发明的实施例的气体扩散介质的截面视图；

图2是根据本发明的另一个实施例的气体扩散介质的截面视图；

图3是根据本发明的另一个实施例的气体扩散介质的截面视图；

图4是燃料电池堆的分解视图，示出了包括图1中示出的气体扩散介质的两个燃料电池；

图5是包括图1中示出的气体扩散介质的单一的PEM燃料电池的截面视图；

图6是示出了无薄穿孔层的气体扩散介质、具有25％开口面积的薄穿孔层的气体扩散介质和具有5％开口面积的薄穿孔层的气体扩散介质的总扩散阻力的表；

图7是示出了在以高相对湿度运行的燃料电池中的无薄穿孔层的气体扩散介质、具有25％开口面积的薄穿孔层的气体扩散介质和具有5％开口面积的薄穿孔层的气体扩散介质的电流电压性能的图；和