具有较低气体扩散系数的气体扩散层的制作方法
【专利说明】
[0001] 本申请是分案申请，其母案的申请日为2009年08月04日、申请号为 200910160294. 3,名称为"具有较低气体扩散系数的气体扩散层"。
技术领域
[0002] 在至少一种实施方案中，本发明设及用于燃料电池中的具有降低的气体扩散系数 的气体扩散层。
【背景技术】
[0003] 燃料电池在很多应用中用作电能来源。特别地，燃料电池计划用于汽车中代替内 燃机。在质子交换膜("PEM")型燃料电池中，将氨气供给燃料电池的阳极作为燃料，将氧气 供给阴极作为氧化剂。该氧气可W是纯态形式（〇2)或空气（〇2和Nz的混合物)。PEM燃料 电池通常具有膜电极组件("MEA")，其中固体聚合物膜的一侧具有阳极催化剂，另一侧具有 阴极催化剂。MEA夹在一对多孔气体扩散层("GDL")之间，该气体扩散层又夹在一对非多 孔电导性元件或板之间。运些板用作阳极和阴极的集流器，包含适当的形成在其中的通道 和开口，用于将该燃料电池的气态反应物分布在阳极和阴极催化剂各自的表面上。在一些 情况下，该GDL可W在与催化剂层相邻的一侧涂覆有微孔层（MPL)。为了有效发电，阳M燃 料电池的聚合物电解质膜必须是薄的、化学稳定的、可传送质子的、非电导性的和不透气体 的。在典型应用中，燃料电池串联堆积W提供高水平的电能。
[0004] 气体扩散层在阳M燃料电池中扮演了多种功能的角色。例如，GDL作为用于使反 应物气体运动到阳极和阴极催化剂层的扩散体，同时将产物水运送到流场。GDL还传导电 子，并将MEA处产生的热量传送给冷却剂，并且作为软MEA和硬双极板之间的缓冲层。在 运些功能中，GDL的水管理能力对于实现最高燃料电池性能是至关重要的。换言之，理想的 GDL在湿操作条件中或在高电流密度下将能够从电极中除去过量的产物水W避免溢流，而 且还能够保持一定程度的膜电解质水合W在干操作条件过程中得到合适的离子传导性。用 于阳M燃料电池中的固体电解质膜(例如D证ont的化f ion)需要润湿W保持一定程度的水 合W提供良好的质子传导性。作为用于燃料电池应用的替代性固体电解质出现的基于控的 PEM具有与基于含氣聚合物的固体电解质膜(例如化fion)相比更为廉价和更为有利(无氣 释放）的潜力。目前开发的基于控的固体电解质膜需要较高程度的水合W实现适当的质子 传导性。
[0005] 对于目标为汽车应用的PEM燃料电池，更干燥的稳态操作条件是有利的，其需要 GDL良好的水保持能力W保持一定程度的膜水合。目前的研究支持W下假设：电极处的产 物水W气相形式跨过微孔层（MPL)离开，然后在GDL中冷凝，然后释放到气流通道中。对于 目标为汽车应用的阳M燃料电池，需要GDL良好的水保持能力的更干燥的稳态操作条件是 有利的。汽车应用中的燃料电池还将在启动、停车过程中和低于冰点环境中也经历湿操作 条件。
[0006] 因此，存在对能够在干燥操作条件下保持一些产物水W及在湿润操作条件下除去 过量产物水用于使燃料电池功能最优化的GDL的需求。
【发明内容】
[0007] 依照本发明的实施方案，提供了可位于PEM燃料电池中的电极和流场之间的气体 扩散层。该气体扩散层包括纤维和非纤维材料，其比例使得当气体扩散层具有小于或等于 300微米的厚度时在80°C和ISOkPa绝对气体压力下测得的水蒸气扩散传送阻力大于0. 8s/ cm O
[0008] 依照本发明的另一实施方案，提供了可位于PEM燃料电池中的电极和流场之间的 气体扩散层。该气体扩散层包括纤维和非纤维材料，其比例使得当气体扩散层具有大于或 等于100微米的厚度时在80°C和ISOkPa绝对气体压力下测得的水蒸气扩散传送阻力低于 0. 4s/cm。
[0009] 依照本发明的实施方案，提供了包括阳极气体流场的燃料电池，该流场具有一个 或多个用于将第一气体引入该燃料电池的通道。该燃料电池进一步包括设置在该阳极气体 流场上的阳极扩散层。该燃料电池进一步包括设置在该阳极扩散层上的阳极催化剂层。该 燃料电池进一步包括设置在该阳极催化剂层上的聚合物离子传导膜。该燃料电池进一步包 括设置在该聚合物离子传导膜上的阴极催化剂层。该燃料电池进一步包括设置在阴极催化 剂层上的阴极扩散层。该燃料电池进一步包括阴极气体流场，该流场具有一个或多个用于 将第二气体引入该燃料电池的阴极板通道。该阴极流场设置在该阴极扩散层之上。该阳极 扩散层或阴极扩散层的至少之一包含上述的气体扩散层。
[0010] 依照本发明的实施方案，提供了包括阳极气体流场的燃料电池，该流场具有一个 或多个用于将第一气体引入该燃料电池的通道。该燃料电池进一步包括设置在该阳极气体 流场上的阳极扩散层。该燃料电池进一步包括设置在该阳极扩散层上的阳极催化剂层。该 燃料电池进一步包括设置在该阳极催化剂层上的聚合物离子传导膜。该燃料电池进一步包 括设置在该聚合物离子传导膜上的阴极催化剂层。该燃料电池进一步包括设置在阴极催化 剂层上的阴极扩散层。该燃料电池进一步包括阴极气体流场，该流场具有一个或多个用于 将第二气体引入该燃料电池的阴极板通道。该阴极流场设置在该阴极扩散层之上。该阳极 扩散层和阴极扩散层各自独立地包含上述的气体扩散层。
[0011] 具体地说，本发明设及W下方面： 1.气体扩散层，其能够位于PEM燃料电池中的电极和流场之间，该气体扩散层包括纤 维和非纤维材料，其比例使得当该气体扩散层具有小于或等于300微米的厚度时在8(TC和 ISOkPa绝对气体压力下测得的水蒸气扩散传送阻力大于0. 8s/cm。
[0012] 2.第1项所述的扩散层，其中该扩散传送阻力大于1. Os/cm。
[0013] 3.第1项所述的扩散层，其中该扩散传送阻力大于1.2s/cm。
[0014] 4.第1项所述的扩散层，其中该扩散传送阻力小于3. Os/cm。
[0015] 5.第1项所述的扩散层，其中该粘合剂树脂经碳化W使其导电。
[0016] 6.第1项所述的扩散层，其中该粘合剂树脂不经碳化W用作固体填料。
[0017] 7.第1项所述的扩散层，其中该粘合剂树脂包括经碳化的树脂和未经碳化的树 脂的组合。
[001引 8.第5项所述的扩散层，其中该经碳化的粘合剂树脂W约18wt%~约60wt%的 量存在。
[0019] 9.第1项所述的扩散层，具有约25体积％~约95体积％的孔隙率。
[0020] 10.第9项所述的扩散层，具有约60体积％~约89体积％的孔隙率。
[0021] 11.第1项所述的扩散层，其中该气体可渗透的扩散结构的纤维包含织造或非织 造织物或纸。
[0022] 12.第1项所述的扩散层，其中该含树脂层包含碳纤维织造或非织造织物或纸或 碳布。
[0023] 13.第1项所述的扩散层，进一步包括第二含树脂层，该第二含树脂层包含多个 纤维和粘合剂树脂，其具有W与第一层中的树脂量不同的第二量存在的树脂。
[0024] 14.第1项所述的扩散层，进一步包括一个或多个另外的含树脂层，各单独的含 树脂层设置在下一个单独的含树脂层的邻近，各单独的层具有与该下一个临近的含树脂层 不同的树脂含量。
[00巧]15.第1项所述的扩散层，进一步包括在该第一含树脂层至少一侧上的微孔层。
[0026] 16.第15项所述的扩散层，其中该微孔层包含碳粉末和碳氣聚合物粘合剂。
[0027] 17.第16项所述的扩散层，其中该碳氣聚合物粘合剂包括包含PTFE、FEP或其组 合至少之一的组分。
[0028] 18.气体扩散层，其能够位于PEM燃料电池中的电极和流场之间，