[发明专利]具有较低气体扩散系数的气体扩散层

说明书

本申请是分案申请，其母案的申请日为2009年08月04日、申请号为200910160294.3，名称为“具有较低气体扩散系数的气体扩散层”。

技术领域

在至少一种实施方案中，本发明涉及用于燃料电池中的具有降低的气体扩散系数的气体扩散层。

背景技术

燃料电池在很多应用中用作电能来源。特别地，燃料电池计划用于汽车中代替内燃机。在质子交换膜（“PEM”）型燃料电池中，将氢气供给燃料电池的阳极作为燃料，将氧气供给阴极作为氧化剂。该氧气可以是纯态形式（O₂）或空气（O₂和N₂的混合物）。PEM燃料电池通常具有膜电极组件（“MEA”），其中固体聚合物膜的一侧具有阳极催化剂，另一侧具有阴极催化剂。MEA夹在一对多孔气体扩散层（“GDL”）之间，该气体扩散层又夹在一对非多孔电导性元件或板之间。这些板用作阳极和阴极的集流器，包含适当的形成在其中的通道和开口，用于将该燃料电池的气态反应物分布在阳极和阴极催化剂各自的表面上。在一些情况下，该GDL可以在与催化剂层相邻的一侧涂覆有微孔层（MPL）。为了有效发电，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须是薄的、化学稳定的、可传送质子的、非电导性的和不透气体的。在典型应用中，燃料电池串联堆积以提供高水平的电能。

气体扩散层在PEM燃料电池中扮演了多种功能的角色。例如，GDL作为用于使反应物气体运动到阳极和阴极催化剂层的扩散体，同时将产物水运送到流场。GDL还传导电子，并将MEA处产生的热量传送给冷却剂，并且作为软MEA和硬双极板之间的缓冲层。在这些功能中，GDL的水管理能力对于实现最高燃料电池性能是至关重要的。换言之，理想的GDL在湿操作条件中或在高电流密度下将能够从电极中除去过量的产物水以避免溢流，而且还能够保持一定程度的膜电解质水合以在干操作条件过程中得到合适的离子传导性。用于PEM燃料电池中的固体电解质膜（例如DuPont的Nafion）需要润湿以保持一定程度的水合以提供良好的质子传导性。作为用于燃料电池应用的替代性固体电解质出现的基于烃的PEM具有与基于含氟聚合物的固体电解质膜（例如Nafion）相比更为廉价和更为有利（无氟释放）的潜力。目前开发的基于烃的固体电解质膜需要较高程度的水合以实现适当的质子传导性。

对于目标为汽车应用的PEM燃料电池，更干燥的稳态操作条件是有利的，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设：电极处的产物水以气相形式跨过微孔层（MPL）离开，然后在GDL中冷凝，然后释放到气流通道中。对于目标为汽车应用的PEM燃料电池，需要GDL良好的水保持能力的更干燥的稳态操作条件是有利的。汽车应用中的燃料电池还将在启动、停车过程中和低于冰点环境中也经历湿操作条件。

因此，存在对能够在干燥操作条件下保持一些产物水以及在湿润操作条件下除去过量产物水用于使燃料电池功能最优化的GDL的需求。

发明内容

依照本发明的实施方案，提供了可位于PEM燃料电池中的电极和流场之间的气体扩散层。该气体扩散层包括纤维和非纤维材料，其比例使得当气体扩散层具有小于或等于300微米的厚度时在80℃和150kPa绝对气体压力下测得的水蒸气扩散传送阻力大于0.8s/cm。

依照本发明的另一实施方案，提供了可位于PEM燃料电池中的电极和流场之间的气体扩散层。该气体扩散层包括纤维和非纤维材料，其比例使得当气体扩散层具有大于或等于100微米的厚度时在80℃和150kPa绝对气体压力下测得的水蒸气扩散传送阻力低于0.4s/cm。

依照本发明的实施方案，提供了包括阳极气体流场的燃料电池，该流场具有一个或多个用于将第一气体引入该燃料电池的通道。该燃料电池进一步包括设置在该阳极气体流场上的阳极扩散层。该燃料电池进一步包括设置在该阳极扩散层上的阳极催化剂层。该燃料电池进一步包括设置在该阳极催化剂层上的聚合物离子传导膜。该燃料电池进一步包括设置在该聚合物离子传导膜上的阴极催化剂层。该燃料电池进一步包括设置在阴极催化剂层上的阴极扩散层。该燃料电池进一步包括阴极气体流场，该流场具有一个或多个用于将第二气体引入该燃料电池的阴极板通道。该阴极流场设置在该阴极扩散层之上。该阳极扩散层或阴极扩散层的至少之一包含上述的气体扩散层。