[发明专利]具有微孔双层的气体扩散介质

说明书

技术领域

本发明涉及产生电的燃料电池，以给车辆或其它电力驱动的装置供给动力。更具体地，本发明涉及具有微孔双层的新型气体扩散介质，所述微孔双层包括底层和底层上的MPL(微孔层)涂层，以增强气体扩散介质的缓冲和水管理性能。

背景技术

燃料电池技术在汽车产业中是相对较新的进步。已经发现燃料电池发电厂能实现高达55％的效率。而且燃料电池发电厂仅仅排放热和水作为副产品。

燃料电池包括三个部件：阴极、阳极和夹在阴极和阳极之间并传导质子的聚合物电解质。设置在膜的两侧的催化剂层充当电极。运行时，阳极上的催化剂将氢分离成电子和质子。电子从阳极以电流形式分布，穿过驱动电机，然后到阴极，而质子从阳极迁移，穿过电解质到阴极。阴极上的催化剂将质子和从驱动电机返回的电子以及空气中的氧结合以产生水。单个燃料电池可串联堆积起来以产生不断增长的电量。

在聚合物-电解质-膜(PEM)燃料电池中，全氟磺酸(PFSA)膜充当阴极和阳极之间的电解质；质子导电膜的其它类型也已经被评价，并在少量的例子中使用。目前燃料电池应用中使用的聚合物膜需要某一湿度水平以促进膜的导电率。因而，通过湿度/水管理，维持膜中湿度的适当水平，对于燃料电池正确行使功能是很重要的。如果膜被干透，燃料电池可发生不可逆转的损害。

为了防止供应给电极的氢燃料气体和氧气的泄漏和防止气体的混合，在电极的周围设置气体密封材料和垫圈，聚合物电解质膜夹在其中。密封材料和垫圈连同电极和聚合物电介质膜一起可装配成单一部件，以形成膜电极组件(MEA)。设置在MEA的外面的是用于机械固定MEA并将相邻的MEA串联电连接的导电分隔板(也称为双极板)。经设置朝向MEA的分隔板的部分，具有气体通道或流场用于将氢和空气供给到电极表面并除去产生的水。

在燃料电池中，典型地由非织造碳纤维纸或织造碳布制成的气体扩散介质放入双极板的流场和MEA之间。气体扩散介质在PEM燃料电池中起多种重要作用。首先，气体扩散介质用作管道，用于将反应物氢和空气气流分别扩散到阳极和阴极，以及用于从阴极除去副产品水的管道。另外，气体扩散介质必须具有充分的导电性，以将电子传导到双极板。

最近，已经注意到设置在电极和气体扩散介质(GDM)之间的微孔层(MPL)的重要性。这种微孔层主要提高PEM的燃料电池的水管理性能，从而减少由差的GDM结构引起的质量输送损失。典型地，这层是聚四氟乙烯/碳混合物，并取决于GDM期望的特定属性，具有不同厚度。微孔层的又一重要功能是保护膜不被GDM基材中脆的碳纤维穿透，从而防止电短路。

已经发现，将MPL形成双层结构，既增强MPL的缓冲性能又增强燃料电池的水管理能力。在MPL中孔的尺寸一般在z方向上从电极到GDM增大。根据本发明，在GDM上设置底层，在底层上设置MPL涂层。底层具有新型堆积结构(packing structure)和减少由碳纤维刺穿MEA同时也提高电池的水管理的孔尺寸分布。底层由导电颗粒(优选石墨或其它炭黑)和粘合剂(优选PTFE或其它全氟化和部分氟化的聚合物)组成。底层的平均孔尺寸通过底层中导电颗粒的平均聚集体尺寸确定。底层中导电颗粒的平均聚集体尺寸可从0.1-0.3微米(对应于MPL中平均颗粒聚集体尺寸)变动到直至大约20-40微米。底层中导电颗粒可由两种不同颗粒尺寸范围，例如平均一次聚集体尺寸为0.1至0.3微米的炭黑和平均颗粒尺寸为1至10微米的石墨颗粒的混合物构成。然而，底层中较大颗粒的平均颗粒聚集体尺寸的优选范围是0.5至30微米，最优选范围是1至10微米。一般地，底层的期望的耐穿刺性和缓冲效果随着厚度的增长而增长。因而，底层的厚度范围可为10至100微米，优选厚度范围为30至60微米。

发明内容