[发明专利]垂直于聚合物电解质膜燃料电池膜的气体扩散结构

说明书

本发明涉及到垂直于聚合物电解质膜(PEM)燃料电池的膜的气体扩散结构，该电池的运行借助于反应气体氢气和氧气或空气，以及制备该气体扩散结构的方法。

一种PEM燃料电池由从外向内排列的两个集电板(Stromableiterplatte)，两个气体扩散层，两个含有催化剂的电极和位于电极之间的一个离子交换膜组成，该离子交换膜与电极形成膜-电极-单元(下文中称为MEA-膜电极组件)。典型的集电板包括沿平行于MEA方向延伸的装置，以在整个电池表面供给和分配反应物。因为对于任何实际应用来说，每一单个电池的电压太低，必须将多个这种电池串联排列。在所得到的燃料电池堆或燃料电池组中，相互交替出现的集电板被所谓的双电极板所取代，其功能包括使电流流过电池堆和隔离反应气体。

通过向燃料电池阳极侧供给常用的反应气氢气，在阳极催化剂层上产生阳离子，而且阳离子扩散通过离子交换膜，该阳极侧位于与外界密封的气室中。同时，产生的电子直接通过带有负载电阻器的外电路，从阳极到阴极。使用的氧化剂是氧气，并且优选的周围空气中的氧气浓度已经足够；现在这种氧气由于接受氢离子和电子而在阴极还原。水是反应产物。反应焓以电能和热损耗的形式释放。

在该过程中，基本的问题是燃料电池的水的调配(Wasserhaushalt)。只有膜含有足量的水分时，膜才可以在最佳条件下运行，即它才能最优化地传导氢离子。如果含水量下降到非常低，电池的内阻由于膜电阻的增加而大幅增加，从而使性能降低。因此，在给定温度下的电池最佳运行条件要求在膜的所有位置处空气的湿度接近于100％。如果阴极气体空气流过集电板的扩散沟槽并扩散通过气体扩散层，则当进入气室时，则它具有低的水蒸汽分压，而当它出来时，由于在阴极氧气反应生成了水，因而水蒸汽分压高。在膜表面和扩散沟槽间的扩散流(由氢气的分压压差造成)，在阴极气体入口处干燥膜，另一方面，在出口处，在扩散层上可能有水沉积。在给定的运行温度下，为了补偿膜中水平衡之差，所以需要在整个膜表面阴极气体组成尽可能的恒定；这对于阳极气体同样适用。

在常规方法中，该问题通过使用外部增湿体系仅得到部分解决，有时还要与冷却体系相结合，该体系至少以一定的时间间隔方式通过测定膜的湿度来调整电池的水平衡。这些增湿体系的缺点是，从能源消耗和重量增加的角度考虑，它们给燃料电池体系带来额外的负载，这对于将其应用于小规模体系，如便携体系来说，是特别不希望的，而且从成本的角度考虑，与常规能源体系相比，燃料电池的竞争性降低。此外，上述解决办法未能解决如何获得在电池膜表面上的气体均匀分布的问题。目的是在不加湿反应气体情况下运行燃料电池。

US-PS 5,641,586公开了一个如何使反应气体均匀分布的解决办法。其中，在电极催化剂层和集电板之间设置两层；邻近MEA的是微孔疏水气体扩散层，而邻近集电板的是大孔亲水流场(Flow Field)。该流场具有两个相互介入的沟槽结构，一方面，为了使反应气体在气体扩散层分布，另一方面，为了移去反应产物。虽然该装置能使反应物在膜表面上均匀分布，并且通过疏水化的方法避免水的沉积，但是由于即使在膜水分供应不足时，气体扩散层也不能阻止反应产物排放，从而有干燥的危险。

保持燃料电池水的调配的恒定和最佳水平的一个方法公开在DE-OS14 96 172中，其中利用由钯/金合金制成的氢扩散电极，它允许氢气透过但是阻止流体浸渍。然而，这种方法不适宜用于阴极，其问题主要是补偿水的不平衡，原因是该电极不能浸渍氧气。

因此，本发明的目的是用气体扩散结构代替PEM燃料电池的常规气体扩散层，这样设计该结构的扩散性能以使得保持MEA中的水平衡。

本发明的另一个目的是提供简单、便宜的方法来生产这种气体扩散结构。

根据本发明，这些目的是通过根据权利要求1的气体扩散结构，其特征在于具有在垂直于膜方向上的气体渗透率梯度，和根据权利要求11的制备气体扩散结构的方法实现的。

附图所示为与实施例一致的本发明气体扩散结构的优选实施方案。

通常气体扩散结构(3和4)由多孔的导电材料组成，为了达到一定的气体渗透率梯度必须调节其孔隙体积。这可以以成层的方式或连续的方式实现。如果将大量很薄的各自具有稍稍不同渗透性的层层压起来，就可以实现基本上连续的变化；至少，也是优选的，需要具有不同气体渗透率性质的两层(3)，(4)。