[发明专利]用于电化学装置的扩散层以及制造此扩散层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学系统或装置的领域，它包含如碳的导电材料制成的扩散层。本发明特别地涉及燃料电池及PEM(质子交换薄膜)式电解器、磷酸燃料电池(PAFC)、电池等等的领域。

背景技术

PEMFC式(聚合物电解质薄膜燃料电池)电化学电池10概略地呈现于图1。此电池10包含具有薄膜12的薄膜电极组件(AME)，它形成包含聚合物的电解液，且设置于两个电极：阳极14a及阴极14b间。阳极14a及阴极14b皆包含主动层16a、16b及扩散层18a及18b。

制造此薄膜电极组件特别地包含利用如涂布、转移、溅镀、网印等等沉积主动层16a、16b的步骤。它可能沉积主动层16a、16b于扩散层18a、18b上，其中以此方式制造的阳极14a及阴极14b接着装配于薄膜12的兩侧，或沉积主动层16a、16b于薄膜12的兩侧，其中扩散层18a、18b接着于后经装配于主动层16a、16b上。

两个密封装置可设置于所述薄膜电极组件的兩侧。

薄膜12相对面的阳极14a及阴极14b的区域不必相同，但需小于或等于它们位于的薄膜12相对面的区域。

在电池10中，当它使用于燃料电池时，薄膜电极组件使自气态的氢(H₂)及氧(O₂)形成水的反应产生的化学能可转换为电能，其中氢气及氧气分别作为燃料及此反应的氧化剂。这些气体通过阳极单极板20a及阴极单极板20b分别散布于薄膜电极组件间的阳极14a(接收氢)及阴极14b(接收氧)。这些单极板20a、20b也用于收集通过转换化学能至电能的反应所产生的电能以及用于疏散此反应的热能。于呈现于图1的单极板20a、20b中，气体(氢及氧)通过形成于沿着平行于y轴方向延伸的这些板中的通道22a、22b散布(通路22a、22b的长平行于y轴)。或者，单极板20a、20b可具有渗透结构，以此方式散布气体不需通道。

PEM式电化学装置50概略地呈现于图2中。举例而言，此电化学装置是燃料电池。此燃料电池50通过许多例如与前述图1所描述的相似的电化学电池10相似的电化学电池10a、10b、10c彼此相邻设置而形成。

在此电化学装置中，称为双极板的两个相邻的单极板可通过相同的元件而形成，一个用于散布燃料(第一电池的阳极的单极板18a)，另一个用于散布氧化剂(相邻于所述第一电池的第二电池的阴极单极板18b)。因此，呈现于图2中的燃料电池50，电池10a、10b、10c的薄膜电极组件通过双极板52a、52b而彼此分离。燃料电池50的每个末端包含单极板54a、54b。

每个双极板52a、52b可具有通路，其中载热流体于其中流动以冷却燃料电池50的电化学电池10a、10b、10c。

呈现于图2中的电化学装置50也可为PEM式电解器，其中此电解器包含类似于PEM燃料电池的结构。然而，因为是转换电能为化学能，自水形成气态的氢及氧，此电解器的操作为燃料电池的反向操作。

于燃料电池50的电化学电池10a-10c中，每个流体分布线路(燃料、氧化剂及如可适用，载热流体)具有这些流体的进口及出口。而且为避免流体互相混合，以及流体自其中的一电池的内部漏出于燃料电池的外部，确保密封燃料电池50是很重要的。因此，密封是设计燃料电池时应考虑的重点。此密封是通过位于单极或双极板以及薄膜电极组件间的密封装置而提供于阳极及阴极侧。这些密封装置的形状及功能是根据电化学电池的架构而决定，更具体而言是根据燃料电池的架构而决定。

因此，于电化学电池中，因為介于阳极以及阴极区间间的密封是通过薄膜电极组件的聚合物薄膜而提供，密封装置仅用于预防燃料及氧化剂漏出于燃料电池外部。

于PEM式燃料电池中，流体通常通过横越整个电池的堆叠的通路传输至每个电化学电池，从而穿越每个双极板。密封装置的功能是预防流体自燃料电池内部漏出于外部，以及预防流体的混合。

于PEM式燃料电池或电解器中，每个扩散层由扩散载体以及微孔层组成。

PEM式燃料电池中的扩散层扮演许多角色，且它们的特性需经选择，以达成许多准则间的妥协。

首先，扩散层必须为良好的导电体，且必须具有充足地微孔，使空气中的活性气体(H₂及O₂)穿越且使产生的水排出。为了有效地散热以及不增加电池的操作温度，于相反的例子中可能损坏燃料电池的薄膜，因此它们也必须为良好的热导体。最后，由于燃料电池的单极板及双极板的齿/通道架构，它们必须具有足够地硬度，以作为用于薄膜电极组件的机械强化材料。