[发明专利]水蒸气转移膜和纸集成的组件

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池，更特别涉及燃料电池的湿化。

背景技术

燃料电池在许多应用领域用作电源。特别建议在汽车中使用燃料电池代替内燃机。常用的燃料电池设计使用固体聚合物电解质(“SPE”)膜或质子交换膜(“PEM”)以提供阳极与阴极之间的离子传输。

在质子交换膜型燃料电池中，氢作为燃料供应给阳极，氧作为氧化剂供应给阴极。氧可以是纯氧(O₂)或空气形式(O₂和N₂的混合物)。PEM燃料电池典型地具有膜电极组件(“MEA”)，其中固体聚合物膜在一面上具有阳极催化剂，在相反面上具有阴极催化剂。典型的PEM燃料电池的阳极层和阴极层由多孔传导性材料，如编织石墨、石墨化片材或碳纸，形成以使燃料能够分散在朝向燃料供给电极的膜表面上。各电极具有负载在碳粒子上的细碎催化剂粒子(例如铂粒子)以促进氢在阳极处的氧化和氧在阴极处的还原。质子从阳极穿过离子传导聚合物膜流向阴极，在此它们与氧结合形成水，水从电池中排出。MEA夹在一对多孔气体扩散层(“GDL”)之间，这对GDL又夹在一对非多孔的导电元件或板之间。该板充当阳极和阴极的集流器，并含有在其中形成的用于将该燃料电池的气态反应物分配在各自的阳极和阴极催化剂表面上的适当的通道和开口。为了有效地产生电力，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须是薄的、化学稳定的、可传输质子的、不导电的和不透气的。在典型用途中，燃料电池以许多单个燃料电池堆的阵列形式提供以提供大量电力。

燃料电池中所用的内膜典型地保持在潮湿条件下。这有助于避免对该膜的损坏或缩短膜寿命，以及保持所需的工作效率。例如，较低的膜水含量造成较高的质子传导阻力，由此造成较高的欧姆电压损失。进料气的湿化，特别是在阴极入口，是合意的，以便保持该膜中，尤其入口区域中，的充足水含量。在授予Goebel等人的共同拥有的美国专利申请系列号10/797,671；授予Sennoun等人的共同拥有的美国专利申请系列号10/912,298；和授予Forte的共同拥有的美国专利申请系列号11/087,911中论述了燃料电池中的湿化，它们各自全文经此引用并入本文。

为保持所需的水分含量，常常使用空气湿化器以湿化燃料电池中使用的空气物流。空气湿化器通常由安装到空气湿化器外壳中的圆形或箱型空气湿化模件构成。这种类型的空气湿化器的实例显示并描述在授予Tanihara等人的美国专利申请系列号10/516,483和美国专利No.6,471,195中，它们各自全文经此引用并入本文。

也已经使用膜湿化器实现燃料电池湿化要求。对汽车燃料电池湿化用途而言，此类膜湿化器需要是紧凑的，表现出低压降并具有高的性能特性。

设计膜湿化器需要平衡传质阻力与压降。为了使水透过膜从湿侧传输到干侧，水分子必须克服下列阻力的某结合：湿和干流动通道中的对流传质阻力；透过膜的扩散传输阻力；以及透过膜载体材料的扩散传输阻力。紧凑且高性能的膜湿化器典型地需要具有高的水传输速率(即10,000-16,000的GPU)的膜材料。GPU或气体渗透单位是分压标准化通量，其中1GPU＝10^-6立方厘米(STP)/(平方厘米·秒·厘米.汞)。结果，尽量降低湿和干流动通道与膜载体材料中的传输阻力成为设计的焦点。

因此，需要用于湿化燃料电池的改进的材料和方法。

发明内容

本发明通过在至少一个实施方案中提供膜湿化器组件(membranehumidifier assembly)来解决现有技术的一个或多个问题。该膜湿化器组件包括适于促进第一气体流向其的第一流场板(flow field plate)和适于促进第二气体流向其的第二流场板。在所述第一和第二流场之间安置聚合物膜。第一扩散层设置在第一流场板和所述聚合物膜之间。第二扩散层设置在第二流场板和所述聚合物膜之间。该聚合物膜适于允许水在第一流场板和第二流场板之间转移。该聚合物膜包括聚合物基底和位于该聚合物基底上的聚合物层。所述聚合物层粘附到所述第一扩散层上。该聚合物层特有地包括位于该聚合物基底上的具有氟化环丁基的第一聚合物。

本发明进一步体现在如下方面：

1.燃料电池用膜湿化器，该膜湿化器包含：

适于促进第一气体流向其的第一流场板；

设置在所述第一流场板上的第一扩散层；

设置在所述第一扩散层上的聚合物膜，该聚合物膜适于允许水的转移，该聚合物膜包含聚合物基底和粘附到所述第一扩散层上的聚合物层，该聚合物层包含具有氟化环丁基的第一聚合物；