[发明专利]使用变频微波控制气体扩散介质的聚四氟乙烯轮廓

说明书

技术领域

[0001]本发明总体涉及用于燃料电池的扩散介质，更具体地涉及用于燃料电池的扩散介质，其中，在制备介质期间使用变频微波加热过程以在扩散介质上干燥含有碳氟化合物微粒的溶剂，从而对碳氟化合物微粒在扩散介质上的分布提供更广泛的控制并增加扩散介质的疏水性。

背景技术

[0002]氢是非常有吸引力的燃料，因为它清洁并且能够用于有效地产生燃料电池中的电。在作为车辆动力源的氢燃料电池开发中，汽车工业消耗大量的资源。这些车辆比当前使用内燃机的车辆更有效率并且产生更少的排放。

[0003]氢燃料电池是包括阳极和阴极并在阳极和阴极之间带有电解质的电化学设备。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极中离解从而产生自由的质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子在阴极中与氧和电子发生反应产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，并因此在被送到阴极之前被引导通过负荷做功。该功用于操作车辆。

[0004]质子交换膜燃料电池(PEMFC)是流行的用于车辆的燃料电池。PEMFC大体包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括精细分开的支撑在碳微粒上并与离聚物混合的催化剂微粒(通常为铂(Pt))。催化剂混合物沉积在膜的相对侧。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合限定膜电极组件(MEA)。MEA制造起来相对昂贵并且为了有效地操作需要一定的条件。这些条件包括适当的水管理和增湿，以及对催化剂中毒组分(例如，一氧化碳(CO))的控制。

[0005]通常在燃料电池堆中组合几个燃料电池以产生希望的功率。燃料电池堆接收阴极输入气体，通常为通过压缩机施加压力通过堆的空气流。并非所有的氧由堆消耗，而且一些空气作为阴极废气输出，所述阴极废气可能包含作为堆的副产物的水。燃料电池堆也接收流进堆的阳极侧的阳极氢输入气体。

[0006]燃料电池堆包括一系列位于堆中几个MEA之间的流场或双极板。双极板包括用于堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧上以允许阳极气体流动到每个MEA的阳极侧。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧上以允许阴极气体流动到每个MEA的阴极侧。双极板由导电材料(例如不锈钢)制成，从而将由燃料电池产生的电从一电池传导到下一电池和从堆导出。双极板也包括冷却流体流动通过的流动通道。

[0007]图1是上述讨论类型的燃料电池10的截面图。燃料电池10包括由电解质膜16分隔的阴极侧12和阳极侧14。阴极侧扩散介质层20设置在阴极侧12上，阴极侧催化剂层22设置在膜16和扩散介质层20之间。类似地，阳极侧扩散介质层24设置在阳极侧14上，阳极侧催化剂层26设置在膜16和扩散介质层24之间。催化剂层22和26和膜16限定MEA。扩散介质层20和24是提供将输入气体运送到MEA和将水从MEA运送出的多孔层。在现有技术中用于将催化剂层22和26分别沉积在扩散介质层20和24上或沉积在膜16上的各种技术是公知的。

[0008]阴极侧流场板或双极板18设置在阴极侧12上和阳极侧流场板或双极板30设置在阳极侧14上。双极板18和30位于燃料电池堆中的燃料电池之间。来自双极板30中的流动通道28的氢气流与催化剂层26发生反应以离解氢离子和电子。来自双极板18中的流动通道36的空气流与催化剂层22发生反应。氢离子能够传播通过膜16，在通过膜16的地方氢离子在催化剂层22中与空气流和返回的电子发生电化学反应从而产生作为副产物的水。

[0009]如在现有技术中正确理解的，膜16需要具有一定的相对湿度以使穿过膜16的离子阻力足够小从而有效地传导质子。在燃料电池10的操作期间，副产物水、液态水和/或水蒸气可从MEA和外部增湿进入阳极流动通道28和阴极流动通道36。特别是在反应气体的流率低的低负荷下，水可在流动通道28和36中聚集。已经表明在电池电流密度低于0.2-0.4A/cm²和电池化学计量在2和4之间时水聚集是一问题。

[0010]气体扩散介质层20和24为正确的燃料电池操作提供反应剂和产物渗透、电传导、热传导和机械强度。扩散介质层20和24的一个重要的功能是提供水管理。具体地，扩散介质层20和24借助于将产物水通过毛细作用从催化剂层22和26带出同时保持反应气体从双极板18和30向催化剂层22和26流动从而阻止电池积水(flooding)。