[发明专利]燃料电池的薄膜电极组件用的流场结构

说明书

本发明涉及电化学燃料电池，更确切地说，涉及燃料电池的薄膜电极组件及其邻接的流场结构。

电化学燃料电池通过燃料的氧化产生电流。一种类型的燃料电池采用某种薄膜电极组件(“MEA”)，其包括具有一根据其电流方向为阳极端和阴极端的一层薄膜。该薄膜本身用作电解质。用于电化学反应的适当催化剂施加于薄膜上，或加入制备该薄膜的聚合物组合物中。另一方案，此催化剂可施加于碳纤维纸上，然后将其叠压于该薄膜上以形成薄膜电极组件。

在MEA的两端为流场，一般由被加工成在其表面具有一系列通道的石墨板构成，例如美国专利US 5,300,370和US 5,230,966所示。这些通道输送燃料给阳极端并输送氧化剂给阴极端，以及主要从阴极端输送反应产物，并且通常由一薄层多孔碳材料(例如碳纤维纸)将其与薄膜电极组件隔开。

图1表示本发明第一方面燃料电池的薄膜电极组件和流场的一个实施例。图2表示可用于制备燃料电池堆的一重复单元的结构，该燃料电池堆含有多个串联设置的结合有图1所示薄膜电极组件和流场的燃料电池。图3、4和5表示实例1、2和3所指的燃料电池的性能。

图6表示在薄膜同一侧具有两层活性层的薄膜电极组件，。

图7表示如实例4中所述制备的薄膜电极组件的性能。

图8表示具有一多孔层和与之邻接的流场的薄膜电极组件。

图9、图10、图11和图12表示含有如该实例中所述制备的多孔层的燃料电池的性能。

图13表示实例9中所述薄膜/电极组件的性能。图14表示实例10中所述薄膜/电极组件的性能。

按照第一个方面，本发明为一种具有一薄膜电极组件和与之邻接的流场的电化学燃料电池，其中该流场包括一导电的多孔材料，具有至少为50％的孔隙率和至少为35微米的平均孔径。

已经发现，本发明第一方面的燃料电池能够以较低的气体流速在相当高的电流密度和相当高的电压下工作。

一般说来，在燃料电池中，其薄膜以及含有金属催化活性颗粒(“活性层”)的聚合物层必须加以水合，以便具有充分的离子传导能力。燃料电池工作时，在活性层的阴极端形成水，它凝结在邻近的流场内。由于一或全部两种反应气体的湿化，也可能提供水。然而，如果在邻近活性层或在活性层内凝结或积累过多的水分，那么由于气体在液态水中的扩散相对于其在水蒸气中的扩散比较慢，所以会降低该燃料电池的效率。

本发明第一方面的燃料电池中流场的孔隙率和孔径特性，相信能够提高其物质传输能力，从而在高电流密度下会产生较高的电压。无须刻意联系任何特殊理论，可以相信，比较高的孔隙率和大的孔径相结合，有助于维持在液态水存在时气体的有效传输。因为供给气流是在流场平面内并大致平行于活性层，所以气流会将该液体从活性层中吹走并清除出流场，从而使保持敞开以便有效地传输反应气体给活性催化颗粒。然而，当流场比较厚时(例如，对于空气供给化学计量在30磅/英寸²下等于2的情况下，大于20密耳)，其气体速率将不足以使孔去除水分。在这些情况下可以相信，增加流场吸温性能够促进其中产生一种可称为环流型的流动情况，其中液体在多孔结构的固体表面上扩散开，使大孔的中央保持畅通并能进行有效的气体传输。

按照第二方面，本发明为一种具有固态聚合物电解质的薄膜电极组件，和位于该薄膜同侧的至少两活性层；其中该活性层包括活性催化颗粒和离聚物；这些层中离聚物的平均当量相差至少50；并且位于最靠近薄膜的活性层(以下称为“第一”活性层)含有平均当量较低的离聚物。“第二”活性层(位于第一活性层与其朝向薄膜侧相反一侧的层)可以置于靠近并接触第一活性层，或者在第一和第二活性层之间设置一或多层附加活性层。

按照第三方面，本发明为一种具有固态聚合物电解质的薄膜电极组件，和位于该薄膜一侧的至少一活性层；其中该活性层包括(a)活性催化颗粒和(b)具有从650至950范围的当量并且在低于100℃的温度下基本上不溶于水的离聚物。

已经发现，本发明第二和第三方面的薄膜电极组件(“MEAs”)用于燃料电池中时，能够在给定的电流密度和气流速率下提供相当高的电压。