专利名称：扩散层和燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及扩散介质，使用根据本发明的扩散介质的燃料电池，和使用这种燃料电池的燃料电池动力系统。更具体地，本发明涉及扩散介质在解决燃料电池和其它类型装置湿操作条件下水传递困难中的应用。
提供一种多孔扩散介质，包括带有水传递颗粒分布的多孔基质，水传递颗粒在构成上适于解决湿操作条件下的水传递困难。
根据本发明的一个实施方案，提供一种多孔扩散介质，包括带有水传递颗粒分布的多孔基质。该水传递颗粒分布规定了以水传递颗粒密度相对高为特征的多个高颗粒密度区域和以水传递颗粒密度相对低为特征的多个低颗粒密度区域。相对高和相对低的颗粒密度区域沿多孔扩散介质的主平面尺寸交替，例如，扩散介质的面可包括高和低颗粒密度区域的棋盘形排列图案，或高和低密度区域以交替相连方式彼此相邻的任何其它区域排列方式。
根据本发明的另一实施方案，提供一种装置，其中根据本发明的多孔扩散介质挨着催化剂层。
根据本发明的又一实施方案，提供一种装置，包括插在燃料电池阳极流场和阴极流场之间的薄膜电极组件。根据本发明的多孔扩散介质挨着薄膜电极组件的催化剂层。
根据本发明的又一实施方案，根据本发明的多孔扩散介质挨着薄膜电极组件的催化剂层，多孔基质包括复写纸，水传递颗粒包括碳纤维或粉末。相对高和相对低水传递颗粒密度区域沿多孔扩散介质的主平面尺寸交替。相对高和相对低颗粒密度区域的各自性质沿多孔扩散介质横截面在扩散介质第一和第二主面之间变化，从而第一主面比第二主面总体更亲水，第二主面比第一主面总体更疏水。扩散介质沿扩散介质的第一主面挨着催化剂层，沿扩散介质的第二主面挨着燃料电池的流场。多孔扩散介质包括沿扩散介质第二主面布置的疏水材料。
当结合后文的附图阅读时，能更好地理解对本发明具体实施方案的以下详细描述，其中相同的结构用相同的参照数字表示，其中
图1为结合了根据本发明的多孔扩散介质的燃料电池的剖视示意图；图2表示根据本发明一种实施方案的扩散介质局部中水传递颗粒的适宜分布情况；图3表示根据本发明一种实施方案的扩散介质挨着催化剂层的情况；图4为沿根据本发明一种实施方案的扩散介质面的高和低颗粒密度区域的适宜分布的示意图；和图5为结合了使用根据本发明的多孔扩散介质的燃料电池的车辆的图。
先参考图1，图示了结合根据本发明的多孔扩散介质20的燃料电池10。具体地说，燃料电池10包括插在燃料电池10阳极流场40和阴极流场50之间的薄膜电极组件30。预期流场40、50和薄膜电极组件30在不脱离本发明范围内可采取各种常规形式或有待开发的形式。尽管薄膜电极组件30的具体形式不包括在本发明的范围之内，但在图示的实施方案中，薄膜电极组件30包括各个催化电极层32和离子交换膜34。
参考图2，根据本发明的多孔扩散介质20包括带有水传递颗粒24的分布的多孔基质22。水传递颗粒分布规定了以水传递颗粒24密度相对高为特征的多个高颗粒密度区域26和以水传递颗粒24密度相对低为特征的多个低颗粒密度区域28。相对高和相对低颗粒密度区域26、28沿多孔扩散介质主平面尺寸平行于扩散介质20的第一和第二主面21、23交替排列。
如在下面更详细地描述，可按照众多方式产生水传递颗粒24并使其分布在整个基质22内。例如，根据本发明的一种实施方案，通过研磨扩散介质20的第一主面21形成粉屑并用真空抽吸将粉屑抽吸通过基质22而产生颗粒24。可设计真空抽吸以形成交替的相对高和相对低颗粒密度区域26、28。粉屑可为结合的或未结合的。合适的粘合剂例如氟聚物将被用于至少部分将水传递颗粒固结到多孔基质上。
合适的水传递颗粒24包括能促使水从扩散介质20的一侧传递到另一侧的任何材料。例如，合适的水传递颗粒24包括但不限于碳(如碳纤维或粉末)、石墨(如石墨纤维或粉末)、非全氟化聚合物、金属氧化物和它们的组合。合适的非全氟化聚合物为聚偏二氟乙烯(PVDF)。合适的金属氧化物为二氧化硅。当然，当水传递颗粒24由形成多孔基质22的材料产生并且多孔基质22包括复写纸时，水传递颗粒24将包括碳纤维、粉末或二者的组合。当多孔基质包括涂有疏水材料如PTFE层的复写纸时，水传递颗粒可由复写纸和疏水层得到。就此而言，注意到水传递颗粒24在一种物理形式下可由疏水性材料形成，但在另一物理形态下可作为亲水性水传递颗粒。
多孔基质22可包括导电材料、复写纸、石墨纸、布、毡、泡沫、碳或石墨织造物、碳或石墨无纺布、金属网或泡沫、和它们的组合。尽管基质22的尺寸很大程度上依赖于与使用多孔扩散介质20的具体应用有关的设计要求，但注意到厚度在约20μm至约1000μm，或更特别地，约200μm可能更有用。同样，例如但非限定性地，多孔基质可规定以织物透气性测试仪值(用Gurley Permeometer，型号NO.4301测量)在约0.5英寸水时为约50ft3/min./ft2为特征的孔隙率，或更一般地，Gurley织物透气性测试仪值在约0.5英寸水时在约20ft3/min./ft2和约100ft3/min./ft2之间。关于这一点，注意孔隙率是空气如何容易地通过材料样品的度量。Gurley试验测量给定体积空气通过样品需要的时间。
注意可选择水传递颗粒24使得它们充分小至足以允许颗粒24穿过多孔基质22的厚度尺寸d迁移。按照这种方式，可通过将介质20和介质20携带的颗粒24放在真空抽吸下使颗粒24分布在整个扩散介质20内，这在下文进一步描述。另外，存在与水传递颗粒24在基质22内自由迁移性而带来的操作益处。例如，当扩散介质20挨着燃料电池的催化电极层以解决催化剂层处的水传递需求时，颗粒24的自由迁移性将允许部分颗粒转移到催化剂层的表面。当本文基于颗粒24在扩散介质20的基质22内的迁移能力规定颗粒24的尺寸时，应注意的是这种基准与扩散介质中是否存在粘合剂(以使颗粒结合在基质内)无关。换句话说，当通过基于颗粒在扩散介质20内的迁移特性规定颗粒尺寸时，应理解的是取扩散介质20中不存在粘合剂时的迁移特性。
共同参考图2和4，水传递颗粒24沿多孔扩散介质20的横截面分布在扩散介质的第一和第二主面21、23之间，并沿第一和第二主面21、23交替。为了说明目的，而不是用来限制，注意到根据本发明的一种实施方案，交替的高和低密度区域26、28以约0.5cm的周期性为特征。当然，高和低密度区域26、28的周期性和相对大小很大程度上取决于与使用多孔扩散介质20的具体应用有关的设计要求。
本发明人已认识到确保燃料电池的阳极和阴极侧上的水传递由沿扩散介质20的气体转移来补足所产生的益处。本发明高和低密度区域26、28的交替构造，如图2和4所示，通过将扩散介质20分割成水传递为重点的区域26和气体转移为重点的区域28来限制水传递和气体传递之间的干扰。
如图2所示，某些应用可从这种构造中受益，即相对高和相对低颗粒密度区域26、28各自的横截面尺寸沿多孔扩散介质20的横截面在扩散介质20的第一和第二主面21、23之间相逆地变化。例如，可形成一个主面21主要为相对高颗粒密度区域26而另一个主面23主要为相对低颗粒密度区域28的扩散介质。因此，第一主面将总体比第二主面更亲水，第二主面将总体比第一主面更疏水。这将在下文中参考图3进一步详细说明，这些相异的性质对燃料电池本身可能是有用的。
本发明人认识到，应满足燃料电池催化剂层处的水传递需求以避免与催化剂淹水(flooding)有关的问题。具体地说，在阴极层产生水，并可能从阴极反向扩散到阳极，导致燃料电池阴极和/或阳极侧淹水。如图3所示，主要为相对高颗粒密度区域26的第一主面21挨着催化电极层32以满足燃料电池催化剂层32处的水传递需求。
相对高颗粒密度区域的密度可以从一个高颗粒密度区域到下一个区域沿扩散介质的第一和第二主面之一基本保持一致。或者，相对高颗粒密度区域的密度或构造可从一个高颗粒密度区域到下一个区域沿扩散介质的第一和第二主面之一发生变化。这种沿扩散介质面的密度变化可有助于燃料电池，因为可有利于提供从扩散介质流场入口区域向流场的流场出口区域增加的特征密度值分布型，因为与流场入口区域相比，水传递需求在流场出口区域附近更显著。
在本发明的一些实施方案中，可规定高颗粒密度区域26为充分亲水，以规定沿扩散介质20的第一和第二主面21、23之一的前进接触角在约135°和约180°之间，或更尤其在约160°和约168°之间。对于后退接触角，可规定高颗粒密度区域为充分亲水，以规定沿扩散介质20的第一和第二主面21、23之一的后退接触角在约95°和约135°之间，或更尤其在约95°和约105°之间。
还是如图2和3所示，多孔扩散介质20可包括沿扩散介质20第二主面23布置的疏水材料25，例如以疏水层的形式。疏水材料25一般形成相对薄的层，例如厚度最高约125μm，并以最高约5mg/cm2扩散介质表面积的负载量浸渍在多孔基质22中。疏水材料25防止液态水滴在扩散介质20的第二主面23上聚集。预期有利的是确保疏水材料25比多孔扩散介质20的相对高和相对低颗粒密度区域26、28都更斥水滴，即更疏水。
疏水材料25可包括碳、石墨、含氟聚合物、聚合物和它们的组合。举例而非限定性地，合适的含氟聚合物可由聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯(TFE)、乙烯四氟乙烯(ETFE)、氟化乙烯丙烯(FEP)、全氟烷氧基化合物和它们的组合产生，合适的聚合物可选自聚亚苯基、聚偏二氟乙烯(PVDF)和它们的组合。
参考图5，注意到根据本发明的装置可包括与根据本发明的燃料电池10和燃料贮存机构15结合而规定燃料电池动力汽车100的附加结构。
参考制造根据本发明的扩散介质的合适方法，该方法中的第一步骤可为在相对疏水的物质中浸渍基材。典型的基材为100-400微米厚的碳纤维纸，例如Toray(日本)生产的Toray TGPH-060。溶液一般为包含悬浮在溶剂中的疏水物质如聚四氟乙烯(PTFE)的分散液。典型的分散液为duPont生产的T-30液。基材在分散液中浸渍足够的时间以实现基材接近完全被材料饱和。更具体地说，基材在液体中停留约3分钟。缓慢取出基材，以便防止破损，并小角度取出使多余液体流下基材。然后使纸在架上滴干约5-约10分钟。然后将支承基材的架放到炉内进行热循环。
热循环可分成三个阶段，其中炉的温度可以10℃/min增加。在第一阶段，热循环可从约40℃增加到约96℃，并保持此温度约45分钟。在第二阶段，热循环的温度可从96℃增加到约300℃，并保持此温度约30分钟。在第三阶段，热循环的温度随后可从约300℃升高到约390℃，并保持此温度约20分钟以烧结PTFE。然后使炉冷却至40℃，并从炉中取出基材。
典型地，扩散介质质量的约0.1％-约25％，或更具体地，扩散介质质量的约7％包括烧结的PTFE。烧结后，PTFE大致均匀地分布在基材的第一和第二侧上，形成相对疏水的材料层。希望附带量的相对疏水材料保留在基材本体内。相对疏水层可包括连续层或非连续层。
基材的第二侧被放在真空抽吸机之上。真空抽吸机包含空气孔，其吸住基材并把基材保持在真空台上。空气孔直径一般约1/16”，彼此相隔约1/4”。空气孔成排地彼此相隔约1/4”。空气孔排一般是交错排布的。
然后针对基材的第一侧对基材进行研磨步骤，同时暴露于真空抽吸。研磨形成粉屑，受真空抽吸机70拉引穿过基材的某些区域-形成上述的高和低颗粒密度区域。对于面积大约为1000cm2的基材，真空抽吸泵使空气以大约210立方英尺/分钟抽吸通过空气孔。
在第一侧上对基材进行研磨，其中约10微米和约500微米之间的基材被磨掉。研磨后的最终厚度可为约185微米-约200微米，起始材料大约为300微米厚；因此，一般约100微米的基材被磨掉。在本发明的一种实施方案中，疏水材料(例如PTFE)最为显著集中在研磨前基材的外表面上，真空抽吸在整个研磨过程中都进行，并在研磨后继续一段足够的时间，以抽吸大部分(如果不是全部的话)相对疏水粉屑，使其穿过基材进入与真空连接的废物容器内。这样，原本最接近第一侧21的相对亲水粉末最后被抽吸穿过基材。当关闭真空后，使粉屑沉积在基材中和基材上。更具体地说，拉引穿过基材但没有最终进入废物容器的相对亲水粉屑保留在基材的孔内。还没有到达基材孔的残余相对亲水粉屑沉积在基材的第一侧上，从而形成亲水层。或者，为形成相对亲水层，除了作为代替依赖沉积在基材研磨侧上的已磨落相对亲水性粉屑的选择外，可在基材上喷撒或涂敷相对亲水物质。具有精确控制厚度的研磨步骤的应用可提高扩散介质的厚度均匀性，产生提高的片材间和片材内厚度均匀性；已知现有技术扩散介质存在厚度变差，这是令人烦恼的问题，因为目前的生产方法无法实现精确的厚度控制。
如上所述，真空抽吸机可包含根据预定图案隔开一定距离的成排空气孔。可使用该图案规定扩散介质的各个不同有效区域。如上所述，燃料电池的进口区域与燃料电池的出口区域具有不同的要求。可调整空气孔图案实现这些差异。
注意到，术语象“优选”、“通常”和“一般”在本文中并不用于限制要求保护的发明范围或表明某些特征对要求保护的结构或功能而言是关键的、必要的或重要的。相反，这些术语仅仅用于强调在本发明的具体实施方案中可任选使用的替代性或附加特征。
为了描述和详细说明本发明的目的，注意到，术语“基本上”在本文中用于代表为任何数量比较、数值、测量量或其它表示所属的固有不确定性程度。术语“基本上”在本文中还用于代表某一定量表示可从指定基准值变化而不导致受关注主题基本功能发生变化的程度。
已经详细描述了本发明并参考了其具体实施方案，显然，在不脱离附属权利要求中限定的本发明范围的情况下，各种变更和变化是可能的。更具体地说，尽管本文在此指出某些方面为优选或尤其有利，但可以预期的是，本发明当然不限于本发明这些优选的方面。
权利要求
1.一种多孔扩散介质，包括带有水传递颗粒分布的多孔基质，其中所述水传递颗粒分布规定了以所述水传递颗粒密度相对高为特征的多个高颗粒密度区域和以所述水传递颗粒密度相对低为特征的多个低颗粒密度区域；所述相对高和相对低颗粒密度区域沿所述多孔扩散介质的主平面尺寸平行于所述扩散介质的第一和第二主面交替存在；并且所述水传递颗粒的特征在于，尺寸充分小至足以允许所述水传递颗粒穿过在所述扩散介质的所述第一和第二主面之间规定的所述多孔基质的厚度尺寸迁移。
2.如权利要求1所述的多孔扩散介质，其中所述水传递颗粒选自碳、石墨、非全氟化聚合物、金属氧化物和它们的组合。
3.如权利要求2所述的多孔扩散介质，其中所述非全氟化聚合物包括聚偏二氟乙烯(PVDF)，所述金属氧化物包括二氧化硅。
4.如权利要求1所述的多孔扩散介质，其中所述水传递颗粒包括碳/聚合物复合材料。
5.如权利要求1所述的多孔扩散介质，其中所述水传递颗粒选自碳纤维或粉末、石墨纤维或粉末和它们的组合。
6.如权利要求1所述的多孔扩散介质，其中所述水传递颗粒包括形成所述多孔基质的材料。
7.如权利要求6所述的多孔扩散介质，其中所述多孔基质包括复写纸，所述水传递颗粒包括碳纤维或粉末。
8.如权利要求6所述的多孔扩散介质，其中所述多孔基质包括复写纸和疏水材料层，所述水传递颗粒包括碳纤维或粉末。
9.如权利要求1所述的多孔扩散介质，其中所述水传递颗粒包括未结合的粉屑。
10.如权利要求1所述的多孔扩散介质，其中所述水传递颗粒沿所述多孔扩散介质的横截面在所述扩散介质的所述第一和第二主面之间分布。
11.如权利要求1所述的多孔扩散介质，其中所述相对高和相对低颗粒密度区域沿所述扩散介质的所述第一和第二主面的至少一个交替。
12.如权利要求11所述的多孔扩散介质，其中所述交替性密度区域的特征在于周期性小于约1cm。
13.如权利要求1所述的多孔扩散介质，其中所述相对高和相对低颗粒密度区域沿所述扩散介质的所述第一和第二主面交替。
14.如权利要求1所述的多孔扩散介质，其中所述相对高和相对低颗粒密度区域各自的横截面尺寸沿所述多孔扩散介质的横截面在所述扩散介质的所述第一和第二主面之间相逆地变化。
15.如权利要求14所述的多孔扩散介质，其中所述相对高和相对低颗粒密度区域的所述各自横截面尺寸以这样的方式变化，即所述主面之一主要为所述相对高颗粒密度区域，而另一个所述主面主要为所述相对低颗粒密度区域。
16.如权利要求1所述的多孔扩散介质，其中所述相对高和相对低颗粒密度区域的各自性质沿所述多孔扩散介质的横截面在所述扩散介质的所述第一和第二主面之间变化，使得所述第一主面比所述第二主面总体更亲水，所述第二主面比所述第一主面总体更疏水。
17.如权利要求1所述的多孔扩散介质，其中所述相对高颗粒密度区域的特征密度值从一个高颗粒密度区域到下一个区域沿所述扩散介质的所述第一和第二主面之一基本保持一致。
18.如权利要求1所述的多孔扩散介质，其中所述相对高颗粒密度区域的特征密度值从一个高颗粒密度区域到下一个区域沿所述扩散介质的所述第一和第二主面之一变化。
19.如权利要求18所述的多孔扩散介质，其中所述特征密度值的所述变化规定了从所述扩散介质的流场入口区域向所述流场的流场出口区域增加的特征密度值分布。
20.如权利要求1所述的多孔扩散介质，其中所述高颗粒密度区域充分亲水，从而规定沿所述扩散介质的所述第一和第二主面之一的前进接触角在约135°至约180°之间。
21.如权利要求1所述的多孔扩散介质，其中所述高颗粒密度区域充分亲水，从而规定沿所述扩散介质的所述第一和第二主面之一的前进接触角在约160°至约168°之间。
22.如权利要求1所述的多孔扩散介质，其中所述高颗粒密度区域充分亲水，从而规定沿所述扩散介质的所述第一和第二主面之一的后退接触角在约95°至约135°之间。
23.如权利要求1所述的多孔扩散介质，其中所述高颗粒密度区域充分亲水，从而规定沿所述扩散介质的所述第一和第二主面之一的后退接触角在约95°至约105°之间。
24.如权利要求1所述的多孔扩散介质，其中所述多孔基质沿所述主平面尺寸规定基本均匀的孔隙率分布。
25.如权利要求1所述的多孔扩散介质，其中所述多孔基质包括选自复写纸、石墨纸、布、毡、泡沫、碳或石墨织造物、碳或石墨无纺布、金属网或泡沫和它们的组合的导电材料。
26.如权利要求1所述的多孔扩散介质，其中所述多孔基质限定厚度在约20μm和约1000μm之间。
27.如权利要求1所述的多孔扩散介质，其中所述多孔基质限定厚度为约200μm。
28.如权利要求1所述的多孔扩散介质，其中所述多孔基质规定特征在于织物透气性测试仪值在约0.5英寸水时为约50ft3/min./ft2的孔隙率。
29.如权利要求1所述的多孔扩散介质，其中所述多孔基质规定特征在于Gurley织物透气性测试仪值在约0.5英寸水时在约20ft3/min./ft2和约100ft3/min./ft2之间的孔隙率。
30.如权利要求1所述的多孔扩散介质，其中所述多孔扩散介质还包括用以至少部分固定所述水传递颗粒在所述多孔基质上的粘合剂。
31.如权利要求30所述的多孔扩散介质，其中所述粘合剂包括含氟聚合物。
32.如权利要求1所述的多孔扩散介质，其中所述多孔扩散介质还包括疏水材料。
33.如权利要求32所述的多孔扩散介质，其中所述疏水材料沿所述扩散介质的所述第一和第二主面之一设置。
34.如权利要求33所述的多孔扩散介质，其中所述疏水材料包括层。
35.如权利要求34所述的多孔扩散介质，其中所述疏水层具有最高约125μm的厚度。
36.如权利要求33所述的多孔扩散介质，其中沿所述第一和第二主面之一布置的所述疏水材料的特征在于负载量最高约5mg/cm2扩散介质表面积。
37.如权利要求32所述的多孔扩散介质，其中所述疏水材料被设计使得比所述多孔扩散介质的所述相对高和相对低颗粒密度区域更斥水滴。
38.如权利要求32所述的多孔扩散介质，其中所述疏水材料包括碳、石墨、含氟聚合物、聚合物和它们的组合中的一种。
39.如权利要求38所述的多孔扩散介质，其中所述疏水材料包括由聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯(TFE)、乙烯四氟乙烯(ETFE)、氟化乙烯丙烯(FEP)、全氟烷氧基化合物和它们的组合中的一种产生的含氟聚合物。
40.如权利要求38所述的多孔扩散介质，其中所述疏水材料包括选自聚亚苯基、聚偏二氟乙烯(PVDF)和它们的组合的聚合物。
41.如权利要求32所述的多孔扩散介质，其中所述疏水材料仅沿所述扩散介质的所述第一和第二主面中的一个设置。
42.如权利要求1所述的多孔扩散介质，其中所述多孔扩散介质挨着催化剂层。
43.如权利要求42所述的装置，其中所述扩散介质沿所述扩散介质的所述第一主面挨着所述催化剂层。
44.如权利要求42所述的装置，其中所述相对高和相对低颗粒密度区域的各自性质沿所述多孔扩散介质的横截面在所述扩散介质的所述第一和第二主面之间变化，从而所述第一主面比所述第二主面总体更亲水，所述第二主面比所述第一主面总体更疏水；并且所述扩散介质沿所述扩散介质的所述第一主面挨着所述催化剂层。
45.如权利要求42所述的装置，其中所述装置还包括与所述催化剂层和所述多孔扩散介质结合，规定薄膜电极组件的附加结构，其中该薄膜电极组件插在阳极流场和阴极流场之间。
全文摘要
根据本发明的多孔扩散介质挨着薄膜电极组件的催化剂层，多孔基质包括复写纸，水传递颗粒包括碳纤维或粉末。相对高和相对低水传递颗粒密度区域沿多孔扩散介质交替。介质的第一主面比第二主面总体上更亲水，第二主面比第一主面总体上更疏水。扩散介质沿扩散介质的第一主面挨着催化剂层，沿扩散介质的第二主面挨着燃料电池的流场。多孔扩散介质包括沿扩散介质第二主面设置的疏水材料。
文档编号H01M4/86GK1739215SQ200380108829
公开日2006年2月22日 申请日期2003年12月8日 优先权日2003年1月15日
发明者M·E·马蒂亚斯, B·索姆帕利, M·R·舍内维斯, D·沃德 申请人:通用汽车公司