[发明专利]具有微孔层的扩散介质

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池及用于在燃料电池运行期间改进水处理的方法。本发明进一步涉及用于制备在燃料电池中使用的扩散介质的方法。

背景技术

燃料电池正越来越多地用作电动车辆和其它应用的电源。一种示例性的燃料电池具有带催化电极的膜电极组件(MEA)和在电极之间形成的质子交换膜。气体扩散介质在PEM燃料电池中起到重要的作用。一般将其放置在燃料电池中的催化电极和流场通道之间。它们为反应物和产物提供渗透性。导电性和导热性以及燃料电池正常工作所需的机械强度。

在燃料电池运行期间，基于在MEA内出现的涉及氢和氧的电化学反应在阴极电极产生水。燃料电池的有效运行取决于系统中提供有效水处理的能力。例如，通过将产物水从催化剂层利用毛细作用带走(wick)，同时保持来自两极板的反应物气流通过催化剂层，扩散介质防止了电极溢满(即被水充满并严格限制O₂进入)。

气体扩散介质通常由含碳纤维的材料构成。虽然碳纤维本身是相对疏水的，但是常常需要提高其疏水性或者至少用更加稳定的疏水涂层来处理所述碳纤维。向碳纤维扩散介质加入疏水剂如聚四氟乙烯(PTFE)是用来提高疏水性的常用方法。该方法通常通过将碳纤维纸浸入包含PTFE颗粒和其它润湿剂(例如非离子表面活性剂)的溶液。

尽管使用PTFE涂覆扩散介质一般能够改善电池性能，但是仍然希望能够进一步的改善，特别是关于燃料电池排出产物水并在高的相对湿度下运行的能力。

发明内容

燃料电池的性能可以通过为其提供使用特别制备的气体扩散介质的水处理而改进。简化的方法降低了生产成本并显示出对于PEM燃料电池中的高电流密度和水处理的有前途的性能。将导电多孔材料如碳纤维纸首先浸入包含非离子表面活性剂作为润湿剂的疏水聚合物的悬浮液中，并随后对其干燥以在衬底上产生所需的疏水聚合物分布。然后，将含有第二氟碳聚合物和碳颗粒的糊状物(被称作微孔层(MPL))施加到衬底的所需一侧，并随后将糊状物和第一疏水聚合物在高温下一起在纸上烧结。特别地，在施加第一氟碳聚合物之后，非离子表面活性剂保留在碳纤维纸上。当所述糊状物被涂覆在干燥的纸上时，该糊状物与亲水表面接触。这被认为改善了糊状物的碳颗粒和氟碳化合物颗粒与碳纤维纸之间的整合性。

除了使用仅仅单一的烧结步骤来完成气体扩散介质的生产之外扩散介质的性能还可以通过第一疏水聚合物的分散体中溶剂的红外干燥得到改进。由于所述溶剂通过相对较低的温度蒸发并且由红外干燥期间引发均匀的热量，因此在碳纤维和多孔衬底材料的热固性粘合区域上产生疏水聚合物的有利分布。此外，跨越碳纤维纸主体的疏水聚合物分布可以进一步由干燥温度和干燥配置进行控制。

本发明提供包含扩散介质的燃料电池，其中所述扩散介质安装在燃料电池中邻近阳极和阴极。气体扩散介质安装在燃料电池中，而其涂覆有糊状物的侧面邻近电极表面。

附图说明

通过详细描述并结合附图，本发明将能够被更为完整地理解，其中：

图1-3描述了多孔衬底中氟碳聚合物通过板的分布；

图4是在多孔衬底上的微孔层涂层的横截面图示；

图5是典型多电池组(multi-cell stack)的结构的展开图示，为了清晰起见，仅显示了两个电池。

图6显示了图5的两个电池在装配后的横截面图。

图7和8是显示本发明实施方案的电流电压性能的图表。

具体实施方式

在一个实施方案中，本发明提供用于制备在PEM燃料电池中使用的扩散介质的方法。该方法包括将包含第一氟碳聚合物、表面活性剂和溶剂的聚合物组合物施加于导电多孔衬底上以形成涂覆片材形式的涂覆的衬底，以及从涂覆的衬底除去溶剂并且不除去表面活性剂。此后，将包含碳颗粒和第二氟碳聚合物的微孔层施加于所述涂覆的衬底。然后，对所述衬底在足以除去表面活性剂并烧结第一和第二氟碳聚合物的温度下加热。在除去溶剂和施加微孔层之间没有进行烧结或烧结步骤。所述微孔层作为包含碳颗粒、氟碳聚合物颗粒和足以使该微孔层形成糊状物的一种或多种水性或非水性溶剂的糊状物进行施加。