专利名称：一种燃料电池的扩散层结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种小型燃料电池膜电极的具有自增湿功 能的扩散层结构。
背景技术：
燃料电池采用氢气为燃料，氧气为氧化物，其化学反应的副产品是水，无 其它有害物质，是一种安全、可靠、清洁、环境友好的发电装置。随着燃料电 池技术的完善，已在大到潜艇、汽车，小到手提电脑、手机上得到应用。
随着燃料电池应用面的扩大，人们也越来越关心其的实际应用和可操作 性。对于一些小型的燃料电池，不可能配置气体加湿装置、配置冷却风机、冷 却水箱，应尽量依靠电池本身的合理配置，解决增湿等问题，避免零件多，其 系统应力求简单。这样可操作方便，重量轻，体积小，成本低、市场广。因此， 不断设计出新颖的具有自增湿的扩散层非常重要的工作。
目前，在市场上可得到的氢燃料电池，其在氢侧或氧侧的扩散层只有一层。 为保证质子以水合离子能传输，应在氢气或氧气进气时需要对该扩散层进行加 湿，为此在燃料电池中必须设计气体通道、水道和电子通道，达到传质、输送 和分配，以及设计排水、排水阀以排除过多的水分以使电极中达到水平衡，结 果造成其结构复杂、安装不便、使用寿命低和成本昂贵等一系列缺陷。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电 池的扩散层结构。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现 一种燃料电池的扩散层结 构，其特征在于，该扩散层结构包括至少两层扩散层，该至少两层扩散层包括 扩散层1、扩散层2。
所述的至少两层扩散层包括扩散层1、扩散层2、扩散层3。
所述的至少两层扩散层包括扩散层1、扩散层2、扩散层3、扩散层4。
所述的扩散层由两层致密性不同的扩散层组成，与质子交换膜结合的扩散 层1的致密性大于扩散层2。
所述的扩散层1的材料密度为0.6 2g/cm3,孔隙率为10% 40%，所述的 扩散层2的材料密度为0.1 0.6 g /cm3，孔隙率为40%~95%。
所述的扩散层由三层致密性不同的扩散片组成，与质子交换膜结合的为扩 散层3，其致密性小于扩散层l，大于扩散层2，且扩散层1的致密性大于扩散 层2、大于扩散层3。
所述的扩散层3的材料密度为0.4 1.3g/cm3，孔隙率为20%~60%;所述 的扩散层1的材料密度为0.6 2 g /cm3，孔隙率为10% 40%;所述的扩散层 2的材料密度为0.1 0.6 g/cm3，孔隙率为40%~95%。
所述的扩散层1、 2、 3、 4的材料选自于包括金属网、碳纸、碳布或导电 透气复合材料。
所述的导电透气复合材料含有至少20 65%wt塑料填充导电材料，0 40%wt碳纤维、35 80%wt碳粉。
所述的塑料填充导电材料可选自PTFE (聚四氟乙烯)、PP (聚丙烯)、 PVDF (聚偏氟乙烯)或它们的组合。
所述的扩散层1和质子交换膜上的催化剂层直接接触，中间无其它中间层。 所述的扩散层3和质子交换膜上的催化剂层直接接触，中间无其它中间层。 与现有技术相比，本发明提供了一种新的具有自增湿功能的扩散层，其特 点是应用在不同需要的燃料电池中，能保住水分，使膜始终处于湿润的状态， 使电池中的质子以水合离子的形式得以传输。不需外加气体增湿器，不需排水、 排气阀等复杂的系统，能保证发电装置正常工作。本发明燃料电池结构简单、 安装方便、成本较低，同时对提高燃料电池的发电性能和延长寿命等有积极的 影响。
图1为本发明实施例1的结构示意图2为本发明实施例2的结构示意图3为本发明实施例3的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。
一种燃料电池的扩散层结构，该扩散层结构包括至少两层扩散层，该至少 两层扩散层包括扩散层l、扩散层2。
所述的至少两层扩散层包括扩散层1、扩散层2、扩散层3;所述的至少两 层扩散层包括扩散层l、扩散层2、扩散层3、扩散层4;所述的扩散层由两层 致密性不同的扩散片组成，与质子交换膜5结合的扩散层1的致密性大于扩散 层2;所述的扩散层1的材料密度为0.6 2 g /cm3，孔隙率为10% 40%。所 述的扩散层2的材料密度为0.1 0.6g/cm、孔隙率为40% 95%。所述的扩散 层由三层致密性不同的扩散片组成，与质子交换膜5结合的为扩散层3，其致 密性小于扩散层l,大于扩散层2，且扩散层1的致密性大于扩散层2、大于扩 散层3;所述的扩散层3的材料密度为0.4 1.3g/cm3，孔隙率为20% 60%。 所述的扩散层1的材料密度为0.6 2 g /cm3,孔隙率为10% 40%。所述的扩 散层2的材料密度为0.1 0.6g/cm、孔隙率为40% 95%。所述的扩散层1、 2、 3、 4的材料选自于包括金属网、碳纸、碳布或导电透气复合材料。所述的 导电透气复合材料含有至少20 65。/。wt塑料填充导电材料，0 40n/。wt碳纤维、 35 80。/。wt碳粉。所述的塑料填充导电材料可选自PTFE (聚四氟乙烯)、PP (聚丙烯)、PVDF (聚偏氟乙烯)或它们的组合。所述的扩散层1和质子交 换膜上的催化剂直接接触，中间无其它中间层。所述的扩散层3和质子交换膜 直接接触，中间无其它中间层。
实施例1
请参阅图1，图中示出了本发明实施例之一的具有两个扩散层的电池膜电 极结构。它包括涂有催化剂的质子交换膜5、 一材料密度为1.7g/cr^的扩散层 1， 一材料密度为0.35g/ci^的扩散层2。在安装或制造时，它是先将经处理过 的质子交换膜5上预先涂覆一层催化剂，接着把扩散层1放置在质子交换膜5 上并使它的下表面直接与催化剂接触，再将扩散层2叠放在扩散层1上而形成
的。扩散层1是由金属网、碳纸制成的，扩散层2是由30。/。wt聚四氟乙烯，20Wwt 碳纤维、50wt。/。碳粉制成的。该膜电极结构的扩散层1具有良好的水分保持作 用，扩散层2则可较大地促进反应气体的扩散和输送，达到气体分配均匀并具 有较好的导电性能，在温度5(TC下，可达到400mA/cm2，单电池电压0.6V。 此外，因扩散层1是直接可与催化剂接触而起支撑作用，所以在电池膜电极结 构中不需要另外设置支撑层。 实施例2
请参阅图2，图中示出了本发明实施例之一的具有三个扩散层的电池膜电 极结构。它包括涂有催化剂的质子交换膜5、 一材料密度为1.4g/cr^的第一扩 散层1 ， 一材料密度为0.1 g/cm3的第二扩散层2和一材料密度为0.7 g/cm3的第 三扩散层3。在安装或制造时，它是先将经处理过的质子交换膜5上预先涂覆 一层催化剂，接着把扩散层3放置在质子交换膜5上并使它的下表面直接与催 化剂接触，再依次将扩散层1叠放在第三扩散层3和第二扩散层2叠放在第一 扩散层l上而形成的。扩散层l是由金属网、碳布制成的，扩散层2是由碳纸 制成的，扩散层3是由20^wt聚丙烯，10。/。wt碳纤维、70Mwt碳粉制成的。该 膜电极结构的第一扩散层1具有良好的水分保持作用，扩散层2则可较大地促 进反应气体的扩散和输送，达到气体或湿气润分配均匀并具有较好的导电性 能，在温度52。C下，可达到450mA/cm2，单电池电压0.6V。此外，因扩散层
1是直接可与催化剂接触而起支撑作用，所以在电池膜电极结构中不需要另外 设置支撑层。 实施例3
请参阅图3，图中示出了本发明实施例之一的具有四个扩散层的电池膜电 极结构。它包括涂有催化剂的质子交换膜5、 一材料密度为2g/cmS第一扩散层 1, 一材料密度为0.6g/cn^的第二扩散层2、 一材料密度为1.3/cn^的第三扩散 层3和一材料密度为0.4g/cmS的第四扩散层4。在安装或制造时，它是先将经 处理过的质子交换膜5上预先涂覆一层催化剂，接着把扩散层4放置在质子交 换膜5上并使它的下表面直接与催化剂接触，再将扩散层1叠放在扩散层4上， 然后再依次将扩散层3叠放在扩散层1和扩散层2叠放在扩散层3上形成的。 扩散层1是由65。/。wt聚偏氟乙烯，35n/。wt碳粉制成的，扩散层2是由碳纸制成
的。该膜电极结构的扩散层l具有良好的水分保持作用，扩散层2、 3、 4进气 体的扩散和输送，达到气体或湿气润分配均匀并具有较好的导电性能，在温度 50。C下，可达到390mA/cm2，单电池电压0.6V。
以上种扩散层应用在不同需要的燃料电池中，能保持水分，使膜始终处于 湿润状态。使电池中的质子可以水合离子的形式得以传输。解决了小型的燃料 电池一般不会在系统中配置气体加湿装置或排水、排水阀。
本发明的湿扩散层的结构包括扩散层、其上涂有催化剂的质子交换膜，其 中，扩散层可是两层或两层以上的层叠层，每一扩散层的气体扩散率是不同的， 气体扩散率最高的扩散层位于质子交换膜上面或当有二层以上的扩散层时，在 从质子交换膜向上数，诸扩散层的第二层。由于扩散层的气体扩散率的不同， 使得扩散层的材料密度和孔隙率分别以反比和正比方式变化。
权利要求
1.一种燃料电池的扩散层结构，其特征在于，该扩散层结构包括至少两层扩散层，该至少两层扩散层包括扩散层(1)、扩散层(2)。
2. 根据权利要求1所述的一种燃料电池的扩散层结构，其特征在于，所 述的至少两层扩散层包括扩散层(1)、扩散层(2)、扩散层(3)。
3. 根据权利要求1所述的一种燃料电池的扩散层结构，其特征在于，所 述的至少两层扩散层包括扩散层(1)、扩散层(2)、扩散层(3)、扩散层(4)。
4. 根据权利要求1所述的一种燃料电池的扩散层结构，其特征在于，所 述的扩散层由两层致密性不同的扩散层组成，与质子交换膜结合的扩散层(1) 的致密性大于扩散层(2)。
5. 根据权利要求4所述的一种燃料电池的扩散层结构，其特征在于，所 述的扩散层(1)的材料密度为0.6 2 g/cm3，孔隙率为10% 40%，所述的扩 散层(2)的材料密度为0.1 0.6g/cm3，孔隙率为40% 95%。
6. 根据权利要求2所述的一种燃料电池的扩散层结构，其特征在于，所 述的扩散层由三层致密性不同的扩散片组成，与质子交换膜结合的为扩散层(3)，其致密性小于扩散层(1)，大于扩散层(2)，且扩散层(1)的致密 性大于扩散层(2)、大于扩散层(3)。
7. 根据权利要求6所述的一种燃料电池的扩散层结构，其特征在于，所 述的扩散层(3)的材料密度为0.4 1.3 g/cm3，孔隙率为20% 60%;所述的 扩散层(1)的材料密度为0.6 2g/cm3，孔隙率为10% 40%;所述的扩散层(2)的材料密度为0.1 0.6g/cm3，孔隙率为40%~95%。
8. 根据权利要求1或2或3所述的一种燃料电池的扩散层结构，其特征 在于，所述的扩散层(1) 、 (2) 、 (3) 、 (4)的材料选自于包括金属网、 碳纸、碳布或导电透气复合材料。
9. 根据权利要求8所述的一种燃料电池的扩散层结构，其特征在于，所 述的导电透气复合材料含有至少20 65%wt塑料填充导电材料，0 40%wt碳 纤维、35 80y。wt碳粉。
10. 根据权利要求9所述的一种燃料电池的扩散层结构，其特征在于，所 述的塑料填充导电材料可选自PTFE(聚四氟乙烯)、PP (聚丙烯)、PVDF (聚 偏氟乙烯)或它们的组合。
11. 根据权利要求4所述的一种燃料电池的扩散层结构，其特征在于，所 述的扩散层(1)和质子交换膜上的催化剂层直接接触，中间无其它中间层。
12. 根据权利要求6所述的一种燃料电池的扩散层结构，其特征在于，所 述的扩散层(3)和质子交换膜上的催化剂层直接接触，中间无其它中间层。
全文摘要
本发明涉及一种燃料电池的扩散层结构，该扩散层结构包括至少两层扩散层，该至少两层扩散层包括扩散层1、扩散层2。本发明应用在不同需要的燃料电池中，能保住水分，使膜始终处于湿润的状态，使燃料电池中的质子以水合离子的形式得以传输。解决小型的燃料电池一般不会在系统中配置气体加湿装置或排水、排气阀的问题。因此，使燃料电池结构简单、安装方便、成本较低，同时对提高燃料电池的发电性能和延长寿命等有积极的影响。
文档编号H01M8/02GK101106198SQ20061002897
公开日2008年1月16日 申请日期2006年7月14日 优先权日2006年7月14日
发明者吴德勇, 顾一雄, 顾志军 申请人:上海清能燃料电池技术有限公司