专利名称：高弯曲度的扩散介质的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池，尤其涉及一种适合于优化燃料电池中水管理的燃料电池的扩散介质，该扩散介质包括多孔隔离层、多个具有尺寸、出现率和布置可变的穿孔的穿孔层、多个微孔层，其中微孔层和穿孔层布置在多孔隔离层上。
背景技术：
燃料电池越来越多地被用来作为电动汽车和其他应用的动力源。在质子交换膜 (PEM)燃料电池中，氢气供给到燃料电池的阳极催化电极，带氧空气作为氧化剂供给到燃料电池的阴极催化电极。在燃料电池中的反应气体之间发生的电化学反应在阳极侧消耗氢气并在阴极侧消耗氧气，并在阴极侧产生液态相和蒸汽相的产物水。质子交换膜燃料电池包括膜电极组件(MEA)，其中薄的、能传送质子的、非导电的固体高分子电解质膜在一面与阳极催化电极连接且在相反的一面与阴极催化电极连接。气体扩散介质在质子交换膜燃料电池中起到重要的作用。在燃料电池中通常布置在催化电极与双极板的流场通道之间，多孔气体扩散介质提供反应物和产物的可渗透性、 导电性和导热性，以及对软的MEA的机械支撑。燃料电池的高效运行依赖于能够在系统中提供有效的水管理。在质子交换膜燃料电池中，水管理必须被谨慎平衡以向质子交换膜提供足够的水以便充分地传导质子，同时有效地移除产物水以便保证气体反应物可以到达催化电极而不被液态水的薄膜或积聚体堵塞。在干燥的运行条件下，其中非加湿反应气体输送到燃料电池，这是优选的以简化燃料电池系统，产物水主要以蒸汽相存在，也就是说，不会出现液态水或只有少量。在这种情况下，水蒸汽必须提供用于膜加湿的来源以便提供质子传导性。在膜和催化电极位置处湿度的程度与气体扩散介质的气体传输阻力密切相关，因为蒸汽穿过扩散介质扩散到流场通道内。因此，需要高传输阻力来保持干燥情况下通过利用产物水蒸汽对膜加湿。相比之下，潮湿的运行条件(其中反应气体是蒸汽饱和的且可发生凝结)下大量地提供用于膜加湿的水，并且需要用于反应物达到以及移除水的低传输阻力。通常，由于在扩散介质中的孔的结构、尺寸和出现率是一致的，所以在质子交换膜燃料电池中使用的扩散介质具有在介质的整个面积上相对恒定的传输阻力。此外，现有技术中的材料的传输阻力通常很低。使用现有扩散介质的汽车燃料电池的性能是有限的，因为反应物流通常在电池进口处是水蒸汽不饱和的但是沿着流动方向在出口处逐渐变得水蒸汽饱和直到凝结点。因此，在从流入口到流出口的电池工作区域上存在湿度和水流(即水的产生)的大的变化。因此，在接近电池出口处的潮湿运行区域中产物水的去除速率必须与在接近电池进口处的保持水的需要平衡以便保持膜吸水。因此，未解决的问题是向燃料电池提供在工作区域上具有不同传输阻力的扩散介质，从而在电池进口处表现为用于在薄膜上保持水蒸汽的高传输阻力和在水必须被有效地移除的出口处表现为低传输阻力。气体传输阻力定义为“/· AZDtf ”，其中如果在燃料电池结构中进行气体传输阻力的测量，那么“/ ”是说明平台-通道(land-channel)几何形状的几何形状因子，“ A ” 是层厚，以及“ D欲”是有效扩散系数。有效扩散系数描述了在存在多孔材料的情况下气
体混合物(例如空气)中的所考虑的气体种类(例如水蒸汽)的扩散系数。因为一方面多孔材料中的固体部分填补了扩散和扩散通量通常能够到达的空间的一部分(多孔效应)，并在另一方面孔通常不是笔直地而是倾斜地或卷绕地穿过多孔材料，从而延长路径长度(弯曲度效应)，所以有效扩散系数自然比自由扩散系数小。多孔材料的有效扩散通常定义为
=￡)· f/τ,其中D是不存在多孔材料的混合物中各种类的自由扩散系数，是多孔材
料的孔隙率(即孔体积与整体材料体积的比)和τ是多孔材料的孔中传输路径的弯曲度。通
常情况下，自由扩散系数与有效扩散系数的比是用于多孔介质构成扩散和扩散通
量的障碍的程度的定量测量。气体传输阻力术语的起源在电化学协会汇刊(2006)第3卷第 989-999 页 D. Baker, C. Wieser, K. C. Nyerlin，和 Μ. W. Murphy 的“极限水流在质子交换膜燃料电池中确定传输阻力的使用”中有所描述，在此通过参考并入。因为在燃料电池应用中由于技术上的限制，层的厚度是有限的，通过增加层的厚度来增加传输阻力通常是不可能的。因此，减少有效扩散率是必需的。这可以通过减少孔隙率S、增加弯曲度T、或同时进行这两者来完成。分析研究表明，孔隙率必须大大减少才能显示出效果，而且在目前的材料(其为基于具有由碳黑形成的微粒涂覆的碳纤维纸的随机多孔介质)中孔隙率所能减少的程度是有限的。因此，试图以受控制的方式增加气体扩散介质的弯曲度。因此，本发明是一种扩散介质，其适合于提供不同的局部水管理能力以优化燃料电池性能。在这里所述的扩散介质中，通过改变孔的结构、大小、出现率和布置最大化扩散介质的扩散气体传输阻力，尤其是以增加弯曲度为目标，从而最大化保留在质子交换膜中的用于吸水的水蒸汽量。同时，通过改变孔的结构、大小、出现率和布置来在扩散介质上对扩散介质的传输阻力进行局部化并进行控制，其中特别是以控制弯曲度为目标，从而选择性地改变扩散介质的传输阻力和弯曲度。
发明内容
本发明的扩散介质适应于优化水管理同时还改善燃料电池的性能和运行稳健性已经被发现。在一个实施例中，在质子交换膜燃料电池中使用的扩散介质包括第一穿孔层，其具有形成在其内的多个穿孔；第二穿孔层，其具有形成在其内的多个穿孔；作为隔离物布置在第一穿孔层和第二穿孔层之间的导电多孔层；第一微孔层，其布置在第一穿孔层上； 第二微孔层，其布置在第二穿孔层上；微孔层可以进入到第一和第二穿孔层的孔内并进入多孔隔离物内。在一个实施例中，在质子交换膜燃料电池中使用的扩散介质包括第一穿孔层，其具有形成在其内的多个穿孔；第二穿孔层，其具有形成在其内的多个穿孔；布置在所述第一穿孔层和所述第二穿孔层之间的导电多孔隔离层；第一微孔层，其布置在所述第一穿孔层上；和第二微孔层，其布置在所述第二穿孔层上。在另一个实施例中，在质子交换膜燃料电池中使用的扩散介质包括第一穿孔层，其具有形成在其内的多个穿孔，其中所述第一穿孔层的穿孔间隔分开以产生穿孔密度梯度；第二穿孔层，其具有形成在其内的多个穿孔；布置在所述第一穿孔层和所述第二穿孔层之间的导电多孔隔离层；第一微孔层，其布置在所述第一穿孔层上；和第二微孔层，其布置在所述第二穿孔层上。在另一个实施例中，在质子交换膜燃料电池中使用的扩散介质包括第一穿孔层， 其具有形成在其内的多个穿孔；第二穿孔层，其具有形成在其内的多个穿孔，其中所述第一穿孔层的穿孔之间的距离大于所述第二穿孔层的穿孔之间的距离；布置在所述第一穿孔层和所述第二穿孔层之间的导电多孔隔离层；第一微孔层，其布置在所述第一穿孔层上；和第二微孔层，其布置在所述第二穿孔层上。本发明还提供了以下方案
方案1. 一种使用在质子交换膜燃料电池中的扩散介质，包括 第一穿孔层，其具有多个形成在其中的穿孔； 第二穿孔层，其具有多个形成在其中的穿孔； 导电多孔间隔层，其布置在所述第一穿孔层和所述第二穿孔层之间； 第一微孔层，其布置在所述第一穿孔层上；和第二微孔层，其布置在所述第二穿孔层上。方案2.如方案1的扩散介质，其中所述多孔间隔层是碳纤维纸、泡沫、所述第一微孔层、和所述第二微孔层的其中之一。方案3.如方案1的扩散介质，其中所述第一穿孔层和所述第二穿孔层由石墨箔片形成。方案4.如方案1的扩散介质，其中所述第一微孔层和所述第二微孔层是碳粉末、 碳氟聚合物、和碳粉末与碳氟聚合物的混合物的其中之一。方案5.如方案4的扩散介质，其中碳氟聚合物是聚四氟乙烯。方案6.如方案1的扩散介质，其中所述第一穿孔层的穿孔大致与所述第二穿孔层的穿孔对齐。方案7.如方案1的扩散介质，其中所述第一薄穿孔层的穿孔大致偏离所述第二穿孔层的穿孔。方案8.如方案1的扩散介质，其中在一些区域中所述第一薄穿孔层的穿孔与所述第二穿孔层的穿孔对齐且在其他区域中大致偏离所述第二穿孔层的穿孔。方案9.如方案1的扩散介质，其中所述第一穿孔层的穿孔选择性地间隔分开以产生所需的穿孔密度梯度、所需的穿孔分布、和随机的穿孔分布的其中一个。方案10.如方案9的扩散介质，其中所述第二穿孔层的穿孔选择性地间隔分开以产生穿孔密度梯度和穿孔密度分布的其中一个。方案11.如方案1的扩散介质，其中所述第一穿孔层的穿孔之间的距离大于所述第二穿孔层的穿孔之间的距离。方案12.如方案11的扩散介质，其中在所述第一穿孔层的第一端的穿孔与在所述第二穿孔层的第一端的穿孔对齐，且在所述第一穿孔层的第二端的穿孔偏离于在所述第二穿孔层的第二端的穿孔。方案13.如方案12的扩散介质，其中在它们的第一端和第二端之间所述第一穿
5孔层的穿孔逐渐与所述第二穿孔层的穿孔不对齐。方案14.如方案1的扩散介质，其中所述第一穿孔层由多个穿孔层组成。方案15.如方案1的扩散介质，其中所述第一和所述第二微孔层、所述多孔间隔层、和所述第一和所述第二穿孔层烧结在一起。方案16. —种使用在质子交换膜燃料电池的扩散介质，包括
第一穿孔层，其具有多个形成在其中的穿孔，其中所述第一穿孔层的穿孔间隔分开以形成穿孔密度梯度；
第二穿孔层，其具有多个形成在其中的穿孔； 导电多孔间隔层，其布置在所述第一穿孔层和所述第二穿孔层之间； 第一微孔层，其布置在所述第一穿孔层上；和第二微孔层，其布置在所述第二穿孔层上。方案17.如方案16的扩散介质，其中所述第二穿孔层的穿孔间隔分开以形成穿孔密度梯度。方案18.如方案17的扩散介质，其中所述第一薄穿孔层的穿孔大致偏离于所述
第二穿孔层的穿孔。方案19.如方案16的扩散介质，其中所述多孔间隔层是所述第一微孔层和所述第二微孔层中的至少一个。方案20. —种使用在质子交换膜燃料电池中的扩散介质，包括 第一穿孔层，其具有多个形成在其中的穿孔；
第二穿孔层，其具有多个形成在其中的穿孔，其中在所述第一穿孔层的穿孔之间的距离大于在所述第二穿孔层的穿孔之间的距离；
导电多孔间隔层，其布置在所述第一穿孔层和所述第二穿孔层之间； 第一微孔层，其布置在所述第一穿孔层上；和第二微孔层，其布置在所述第二穿孔层上。
当结合参考附图，对于本领域技术人员而言，本发明的上述和其它优点将从以下优选实施例的详细描述中变得显而易见。图Ia为根据本发明实施例的气体扩散介质的不完整的横截面正视图。图Ib为图Ia中气体扩散介质的顶视平面图，其中移除了第一微孔层。图2为根据本发明另一个实施例的气体扩散介质的不完整的横截面正视图。图3为根据本发明另一个实施例的气体扩散介质的不完整的横截面正视图。图如为根据本发明另一个实施例的气体扩散介质的不完整的横截面正视图。图4b为图如中气体扩散介质的顶视平面图，其中移除了第一微孔层。图5为燃料电池组的分解图，示出了两个燃料电池并包括有图如和图4b所示的气体扩散介质；和
图6为包括有图如和图4b所示的气体扩散介质的单个质子交换膜燃料电池的不完整的横截面正视图。
具体实施例方式以下详细说明书和附图描述和说明了本发明的不同的具体实施例。说明书和附图用来使得本领域技术人员能够制作和使用本发明，且不以任何方式限制本发明的范围。图Ia和Ib说明了根据本发明实施例的扩散介质10。扩散介质10包括多孔间隔层12、第一穿孔层14、第二穿孔层16、第一微孔层18和第二微孔层20。可以理解，扩散介质10及其层12、14、16、18、20的厚度可以基于使用了扩散介质10的燃料电池的理想性能而变化。基于弯曲度概念的上述描述，多孔隔离层12的厚度应最小化以最大化扩散介质10 的弯曲度(和最小化通过平面的电阻)。当然，多孔间隔层12必须有一定的有限厚度以使气体能在层14、16中的穿孔没有对齐的的情况下传输。然而，为了增加气体传输阻力，具有最小厚度的多孔间隔层12可通过减少平面内可用于气体传输的横截面来提高增加弯曲度的影响。如图所示，多孔间隔层12是布置在穿孔层14、16之间的碳纤维纸(CFP)。多孔间隔层12由氟碳聚合物如聚四氟乙烯(PTFF)(未示出)处理。可使用任何传统的CFPJn Toray TGPH-60。应理解的是，多孔间隔层12还可以是碳布、泡沫或其他适应于导电和导热的传统材料。此外，根据需要，多孔间隔层12可以未经处理或由除了氟碳聚合物之外的其他材料处理。第一穿孔层14和第二穿孔层16中的每个包括多个选择性分布的穿孔22。第一穿孔层14布置在第一微孔层18和多孔间隔层12之间。第二穿孔层16布置在第二微孔层20和多孔间隔层12之间。在所示实施例中，穿孔层14、16由石墨箔形成。然而，穿孔层 14、16可以由其他传统材料形成，如金属薄板、高分子材料、复合材料、浸渍的高分子材料或任何传统的导电材料。应理解，穿孔层14、16可以由非传导材料形成。在图Ia和Ib所示的实施例中，单位面积的穿孔22的大小和出现率统称为第一穿孔层14的穿孔密度，其基本等于第二穿孔层16的穿孔密度。然而，第一穿孔层14的穿孔 22偏离第二穿孔层16的穿孔22以避免与其对齐。在穿孔层14、16中的穿孔22的大小和出现率可进一步变化以提供不同的开放区域(即孔体积)。减小穿孔层14、16中的穿孔22的出现率导致扩散介质10的更高的弯曲度(T)(即有效的孔长度)。一致的石墨箔片可用于形成穿孔层14、16或穿孔层14、16均可由多个彼此相邻布置的具有不同的穿孔尺寸和出现率的石墨箔片形成。穿孔层14、16还可由贵金属或导电氧化物组成，其与氢燃料电池电化学地兼容。如果形成微孔层18、20的一种或多种材料是足够导电的，并且穿孔层14、16机械强度足够强，则多孔间隔层12可以由微孔层材料(由传导性和亲水性颗粒组成的混合物) 组成和/或穿孔层14、16可以由非传导固体如聚合物薄膜或半传导固体组成。另外，穿孔层14、16可使用喷涂技术或光化学处理被涂覆在或直接形成在多孔间隔层12上，以在膜形成期间或之后在这些层中形成所需的穿孔模式。第一微孔层18和第二微孔层20示出为由碳黑颗粒形成。微孔层18、20也可由碳黑颗粒和氟碳聚合物的混合物形成。微孔层18、20的厚度和有效扩散率可改变以按要求调整微孔层18、20的传输阻力。应理解的是，第一微孔层18或第二微孔层20可根据需要形成为间隔层12并起到间隔层12的作用。为了形成扩散介质10，多孔间隔层12做疏水处理，例如使用聚四氟乙烯，以形成处理过的多孔间隔层12。穿孔层14、16均具有所需的开放面积和穿孔模式，其通过在滚筒(未示出)之间滚动石墨薄片而由一薄片的石墨箔片形成，滚筒具有适合于在箔片内产生穿孔22以形成所需的穿孔密度的突起元件。一个连续过程与在Mercuri等的美国专利号 6，521，369中描述的相似，其整体通过引用纳入本文，或者根据需要可用多步骤的过程形成穿孔层14、16。滚筒上的突起元件的尺寸和布置将基于穿孔22的所需模式、形状和尺寸改变以获得所需的穿孔密度和通过扩散介质10的扩散阻力。其他产生穿孔和穿孔模式的的机械方法可例如包括激光钻孔或水喷射钻孔。化学方法也可用于在固态独立的层内产生穿孔，通过添加“短暂的”颗粒或孔成形器，其可在热处理或洗涤步骤之后分解并留下空隙。 当应用到间隔层的PTFE分散仍然是湿的时，穿孔层14、16可压在多孔间隔层12上，或穿孔层14、16可根据需要使用传统的粘合剂或热压方法粘附到多孔间隔层12。接下来，粘贴剂(未示出)形成为含有碳黑颗粒。粘贴剂应用于第一穿孔层14的第一侧M以形成第一微孔层18，其中第一微孔层18渗入第一穿孔层14的穿孔22。粘贴剂还应用于第二穿孔层16的第一侧沈以形成第二微孔层20，其中第二微孔层20渗入第二穿孔层16的穿孔22。然后允许微孔层18、20干燥。经处理后的多孔间隔层12、穿孔层14、16和微孔层18、20在380°C处或附近烧结以形成扩散介质10。烧结过程使得多孔间隔层12、穿孔层14、16和微孔层18、20粘结在一起。共同拥有的专利号为7，063，913的美国专利“具有微孔层的扩散介质”在这里通过参考整体并入以进一步描述用于准备粘贴剂和其他材料的方法和用来准备扩散介质10的过程。可以理解，如果穿孔层14、16由高分子材料形成，多孔间隔层12、穿孔层14、16和微孔层18、20可热压以使得层12、14、16、18、20粘结在一起，可使用其他形成扩散介质10的方法。图2根据本发明的实施例示出了扩散介质210。图2中的实施例与图IA和图IB 中的扩散介质10相似，除了以下所描述的。和图IA和图IB中的结构一样，图2包括200 以上的参考数字而不是10以上的参考数字，剩余的两位数字是相同的。扩散介质210包括多孔间隔层212、第一穿孔层214、第二穿孔层216、第一微孔层218和第二微孔层220。可以理解，扩散介质210及其层212、214、216、218、220的厚度可基于使用扩散介质210的燃料电池的所需性能变化。如图所示，多孔间隔层212是布置在穿孔层214、216之间的碳纤维纸(CFP)。多孔间隔层212使用氟碳聚合物处理，如聚四氟乙烯(PTFE)(未示出)。可使用任何传统的CFP 如由三菱丽阳公司生产的MRC U-105纸。可以理解，多孔间隔层212也可以是碳布、泡沫或其他适用于导电和导热的传统材料。此外，多孔间隔层212可按要求未经处理或使用除了氟碳聚合物之外的材料处理。此外，多孔间隔层212可按要求未经处理或使用除了氟碳聚合物之外的材料处理。第一穿孔层214和第二穿孔层216均包括多个选择性分布的穿孔222。第一穿孔层214布置在第一微孔218和多孔间隔层212之间。第二穿孔层216布置在第二微孔220 和多孔间隔层212之间。在实施例中所示，穿孔层214、216均由石墨箔片形成。然而，穿孔层214、216可由其他传统材料如金属片、高分子材料、复合材料、浸渍的高分子材料或任何传统导电材料形成。穿孔层214、216也可由非传导材料形成，但是这种配置的预期欧姆损耗将很大，所以优选穿孔导电层。在图2所示的实施例中，第一穿孔层214的穿孔密度不同于第二穿孔层216的穿孔密度。第二穿孔层216的穿孔密度基本上是一致的，而第一穿孔层214的穿孔密度沿着其长度变化。沿着第一穿孔层214的第一端56的穿孔密度大于沿着第一穿孔层214的第二端58的穿孔密度。在穿孔222之间的距离从第一端56到第二端58逐渐增大，从而导致穿孔密度梯度。具有最高穿孔密度的第一端56邻近燃料电池板的反应物出口孔布置，电池板邻近扩散介质210布置，而具有最低穿孔密度的第二端58邻近燃料电池板的反应物进口孔布置。第一穿孔层214的穿孔222偏离第二穿孔层216的穿孔222以避免与其对齐。在穿孔层214、216中的穿孔222的尺寸和出现率可进一步变化以提供所需的穿孔 222的不同体积。减少在穿孔层214、216中的穿孔222的出现率导致扩散介质210的更高的弯曲度(1)(即有效孔长度)。一致的石墨箔片、金属薄片、聚合物薄片、复合材料薄片、或浸渍的聚合薄片可用来形成穿孔214、216或穿孔层214、216均由多个彼此邻近布置的具有不同的穿孔的尺寸和出现率的上述薄片形成。此外，多个薄片可由相同的材料形成或薄片可以是叠放在一起的不同材料的组合。第一微孔层218和第二微孔层220示出为由碳黑颗粒形成。微孔层218、220也可由碳黑颗粒和氟碳聚合物的混合物形成。可选择微孔层218、220的厚度和有效扩散率以按要求选择性地改变微孔层218、220的传输阻力。可以理解，第一微孔层218或第二微孔层 220也可按要求形成为间隔层212和起到间隔层212的功能。通过改变穿孔222的尺寸，穿孔层214、216的穿孔222的穿孔密度和穿孔的几何样式，穿过多孔间隔层212的整个气体扩散性被改变。通过减少穿孔222的尺寸和出现率， 孔隙车〔)降低，而减少穿孔222的出现率导致扩散介质210的更高的弯曲度("Ο。因为第一穿孔层214的穿孔222偏离第二穿孔层216的穿孔222，扩散介质210的弯曲度最大化，从而最小化反应气体流过多孔间隔层212所行进的路径长度。因为弯曲度可以选择性地增加或减少，穿过多孔间隔层212的气体传输及其传输阻力可被控制。因为第一穿孔层 214具有从第一端56到第二端58减少的穿孔密度梯度，穿孔层的弯曲度从第一端56到第
二端58逐渐增加。穿过气体扩散层的自由扩散系数(D )和有效扩散系数(Afff )之间的比
值依赖于扩散介质210的孔隙率和弯曲度。该关系可表示为F =卩。因此，在扩散介质
210的穿孔层214、216中的穿孔222的尺寸和空间出现率的减少将导致f的增加，从第
一端56到第二端58的第一穿孔层214的穿孔密度的减少导致从第一端56到第二端58的 D
f的增加。图3根据本发明的另一个实施例示出了扩散介质310。图3中的实施例与图IA和图IB中的扩散介质10相似，除了以下所描述的。和图IA和图IB中的结构一样，图3包括 300以上的参考数字而不是10以上的参考数字，其他剩下的两位数字相同。扩散介质310 包括多孔间隔层312、第一穿孔层314、第二穿孔层316、第一微孔层318和第二微孔层320。 可以理解，扩散介质310及其层312、314、316、318、320的厚度可基于使用扩散介质310的燃料电池的所需性能变化。如图所示，多孔间隔层312是布置在穿孔层314、316之间的碳纤维纸(CFP)。多孔间隔层312使用氟碳聚合物处理，如聚四氟乙烯(PTFE)(未示出)。可使用任何传统的CFP 如由三菱丽阳公司生产的MRC U-105纸。可以理解，多孔间隔层312也可以是碳布、泡沫或其他适用于导电和导热的传统材料。此外，多孔间隔层312可按要求未经处理或使用除了氟碳聚合物之外的材料处理。第一穿孔层314和第二穿孔层316均包括多个选择性分布的穿孔322。第一穿孔层314布置在第一微孔318和多孔间隔层312之间。第二穿孔层316布置在第二微孔320 和多孔间隔层312之间。在实施例中所示，穿孔层314、316均由石墨箔片形成。然而，穿孔层314、316可由其他传统材料如金属薄片、高分子材料、复合材料、浸渍的高分子材料或任何传统导电材料形成。穿孔层314、316也可由非传导材料形成，但是这种配置的预期欧姆损耗将很大，所以优选穿孔导电层。在图3所示的实施例中，穿孔层314、316的穿孔密度基本上不一致。穿孔层314、 316的穿孔322具有基本相同的尺寸，而穿孔322的出现率在各自的长度上变化。穿孔层 314,316的第一端356处的穿孔密度大于穿孔层314、316的第二端358处的穿孔密度。在穿孔层314、316的穿孔322之间的距离从各自的第一端356到第二端358逐渐增大，从而导致穿孔密度梯度。具有最高穿孔密度的第一端356邻近燃料电池板的反应物出口孔布置， 电池板邻近扩散介质310布置，而具有最低穿孔密度的第二端358邻近燃料电池板的反应物进口孔布置。第一穿孔层314的穿孔322偏离第二穿孔层316的穿孔322以避免与其对齐。在穿孔层314、316中的穿孔322的尺寸和出现率可进一步变化以提供所需的穿孔 322的不同体积。减少在穿孔层314、316中的穿孔322的出现率导致扩散介质310的更高的弯曲度(即有效孔长度)。可用一致的石墨箔片来形成穿孔层314、316或穿孔层314、316 均由多个彼此邻近布置的具有不同的穿孔的尺寸和出现率的石墨箔片形成。所示第一微孔层318和第二微孔层320示出为由碳黑颗粒形成。微孔层318、320 也可由碳黑颗粒和氟碳聚合物的混合物形成。微孔层318、320的厚度和有效扩散率可改变以按要求选择微孔层318、320的传输阻力。通过改变穿孔层314、316的尺寸、空间出现率和几何样式，穿过多孔间隔层312的整个气体扩散性被改变。通过减少穿孔322的尺寸和出现率，孔隙率(￡)降低，而减少穿孔 322的出现率导致扩散介质310的更高弯曲度("O。因为第一穿孔层314的穿孔322偏离第二穿孔层316的穿孔322，扩散介质310的弯曲度最大化。由于最大化弯曲度，反应气体流过多孔间隔层312所行进的路径长度也可最大化，从而阻碍穿过该介质的气体传输，且因此最大化其传输阻力。因为第一穿孔层314具有从第一端356到第二端358减少的穿孔密度梯度，穿孔层的弯曲度从第一端356到第二端358逐渐增加。穿过气体扩散层的自由
扩散系数(T )和有效扩散系数( )之间的比值依赖于扩散介质310的孔隙率和弯曲度。
￡) χ
该关系可表示为F = I。因此，在扩散介质310的穿孔层314、316中的穿孔322的尺寸
D
和空间出现率的减少将导致F的增加，从第一端356到第二端358的第一穿孔层314的
W
10穿孔密度的减少导致从第一端356到第二端358的f的增加。图如和4b根据本发明的另一个实施例示出了扩散介质410。图如和仙中的实施例与图Ia和图Ib中的扩散介质10相似，除了以下所描述的。和图Ia和图Ib中的结构一样，图4a和4b包括400以上的参考数字而非10以上的参考数字，其他剩下的两位数字相同。扩散介质410包括多孔间隔层412、第一穿孔层414、第二穿孔层416、第一微孔层 418和第二微孔层420。可以理解，扩散介质410及其层412、414、416、418、420的厚度可基于使用扩散介质410的燃料电池的所需性能变化。如图所示，多孔间隔层412是布置在穿孔层414、416之间的碳纤维纸(CFP)。多孔间隔层412使用氟碳聚合物处理，如聚四氟乙烯(PTFE)(未示出)。可使用任何传统的CFP 如由三菱丽阳公司生产的MRC U-105纸。可以理解，多孔间隔层412也可以是碳布、泡沫或其他适用于导电和导热的传统材料。此外，多孔间隔层412可按要求未经处理或使用除了氟碳聚合物之外的材料处理。此外，多孔间隔层412可按要求未经处理或使用除了氟碳聚合物之外的材料处理。第一穿孔层414和第二穿孔层416均包括多个选择性分布的穿孔422。第一穿孔层414布置在第一微孔418和多孔间隔层412之间。第二穿孔层416布置在第二微孔420 和多孔间隔层412之间。在实施例中所示，穿孔层414、416均由石墨箔片形成。然而，穿孔层414、416可由其他传统材料如金属薄片、高分子材料、复合材料、浸渍的高分子材料或任何传统导电材料形成。穿孔层414、416也可由非传导材料形成，但是这种配置的预期欧姆损耗将很大，所以优选穿孔导电层。在图如和4b所示的实施例中，穿孔层414、416的穿孔密度基本是一致的。穿孔层414、416的穿孔422具有基本相同的尺寸，而穿孔层414、416的穿孔422之间距离不同。 在第一穿孔层414的穿孔422之间的距离大于第二穿孔层416的穿孔422之间的距离。在他们的第二端458处第一穿孔层414的穿孔422基本与第二穿孔层416的穿孔422对齐， 而在穿孔层414、416的第一端456处第一穿孔层414的穿孔422完全偏离第二穿孔层416 的穿孔422以避免与其对齐。当在端456、458之间的穿孔422更接近第一端456时，第一穿孔层414的穿孔422变得逐渐与第二穿孔层416的穿孔422不对齐。在穿孔层414、416中的穿孔422的尺寸和出现率可进一步变化以提供所需的穿孔 422的不同体积。减少在穿孔层414、416中的穿孔422的出现率导致扩散介质410的更高的弯曲度(即有效孔长度)。可用一致的石墨箔片来形成穿孔414、416或穿孔层414、416均由多个彼此邻近布置的具有不同的穿孔的尺寸和出现率的石墨箔片形成。所示第一微孔层418和第二微孔层420由碳黑颗粒形成。微孔层418、420也可由碳黑颗粒和氟碳聚合物的混合物形成。微孔层418、420的厚度和有效扩散率可改变以按要求选择性地改变微孔层418、420的传输阻力。可以理解，第一微孔层418或第二微孔层420 也可按要求形成间隔层412和起到间隔层412的功能。通过改变穿孔层414、416的尺寸、空间出现率和几何样式，穿过多孔间隔层412的整个气体扩散性被改变。穿孔层414、416的孔隙率(F)基本一致，而穿孔层414、416的各自穿孔422之间的距离不同。在扩散介质410的第二端458，穿孔层414、416的各自穿孔422 完全对齐，从而导致最小弯曲度。在扩散介质410的第一端456，穿孔层414、416的各自穿孔422偏离，从而导致最大弯曲度。由于最大化弯曲度，反应气体流过多孔间隔层412所行进的路径长度也可最大化，从而阻碍穿过该间隔层的气体传输，且因此最大化其传输阻力。 因为穿孔层414、416的各自穿孔422之间的距离不同，扩散介质410的弯曲度从第一端456 到第二端458逐渐减少，从而导致弯曲度梯度。图5示出了多电池的燃料电池组观，其包括两个燃料电池。可以理解，燃料电池组观中的燃料电池的数量可以改变。如图所示，燃料电池组观具有一对通过导电燃料分配元件34 (下文中为双极板)彼此分离的膜电极组件(MEA)30、32。MEA 30、32和双极板34在不锈钢夹板或端板36、38以及端部接触元件40、42之间叠放在一起。端部接触元件40是阴极，而端部接触元件42是阳极。端部接触元件40、42以及双极板34的两个工作面包含多个用于分配燃料和氧化剂气体(即氢气和氧气)到MEA 30、32的槽或通道44。双极板34和端部接触元件40和42可由金属制造，但如果有需要，也可由其他材料制造。例如，双极板和端部接触元件可由石墨制造，其重量轻、耐腐蚀、且在PEM燃料电池组观的环境中导电。燃料电池组28包括多个如图如和4b中所示的扩散介质410 —样的扩散介质410、 410，、410，，、410，，，。扩散介质410、410，、410，，、410，，，邻近密封件46布置。邻近扩散介质410、410，、410，，、410，，，的密封件46是密封垫，其在燃料电池组28的部件之间提供密封和隔离。扩散介质410、410，、410，，,410'，，的穿孔层414,416的一部分可直接邻近密封件46地布置以作为在燃料电池组观的部件之间的子密封垫。扩散介质410布置在端部接触元件40和MEA 30之间，扩散介质410，布置在MEA 30和双极板34的阳极侧之间，扩散介质410，，布置在双极板34的阴极侧和MEA 32之间。扩散介质410，，，布置在MEA 32和端部接触元件42之间。当燃料电池观在使用中时，氢气从氢气源48经过管道50提供给端部接触元件 42和燃料电池组28的双极板34的阳极侧。氧气从氧气源52经过管道50提供给端部接触元件40和双极板34的阴极侧。作为替换，环境空气可提供给阴极侧作为氧化剂且氢气可从甲醇或汽油转化炉提供给阳极。图6示出了装配后的图5中的燃料电池组观的燃料电池的一部分。如图所示，MEA 30包括夹在阳极电极30b和阴极电极30c之间的质子交换膜30a。MEA 30布置在扩散介质 410和扩散介质410，之间。扩散介质410、410，和MEA 30布置在端部接触元件40和双极板；34的阳极侧之间。扩散介质410布置在端部接触元件40和MEA 30之间，扩散介质410 的第一微孔层418邻近端部接触元件40布置以及第二微孔层420邻近阴极电极30c布置。 扩散介质410’布置在双极板34的阳极侧和MEA 30之间，第二微孔层420’邻近阳极电极 30b布置以及第一微孔层418，邻近双极板34。扩散介质410，的穿孔层414，,416'与扩散介质410的穿孔层414、416大致相同。当扩散介质410、410’使用在燃料电池组观的燃料电池中时，在燃料电池的阳极侧，氢气催化分裂为质子和电子。质子穿过膜30a到阴极侧。电子沿外部载荷电路(未示出) 到达MEA 30的阴极侧，因此产生燃料电池组观的电流输出。同时，氧气传输到MEA 30的阴极侧。在阴极侧，氧分子与穿过薄膜30a的质子和经过外部电路达到的电子反应以形成水分子(未示出)。扩散介质410、410’在潮湿的运行条件下或在燃料电池组观的燃料电池的潮湿区域吸收和/或汲取过多的产物水以避免电极30c和30b被淹且保持薄膜30a的吸水程度以获得在干燥运行条件下或在燃料电池组观的燃料电池的干燥区域处的不错的质子传导性。在扩散介质410、410’中过多的水从燃料电池组观经由歧管(未示出)通过邻近和穿过扩散介质410、410’的氢气和氧气流来移除。在燃料电池组28中的水管理对于成功的长期燃料电池组28运行是不可或缺的。 扩散介质410、410’通过从燃料电池的电极移除产物水来辅助在燃料电池组观中的水管理，从而导致优化燃料电池性能。扩散介质410、410’具有若干特定的作用。扩散介质410、 410，为反应气体提供从流动通道44到电极层30b、30c的通路。另外，扩散介质410、410， 导电并导热以提供用于燃料电池组观的运行的电子路径和散热。此外，扩散介质410、410’ 促进产物水从燃料电池组观的阴极侧移除，然后将水释放到流动通道44以从燃料电池组 28移除。对于适合用于汽车应用中的质子交换膜燃料电池组观，越干燥的稳态运行条件越是有利的，这就需要扩散介质410具有足够的保水能力，以维持所需的膜30a的吸水。由于具有高扩散阻力的扩散介质也降低反应物传输，所以扩散介质410的扩散性应适当地选择。在燃料电池工作区域的具有高的局部相对湿度和低的反应物浓度的区域，如靠近板34、 40,42的反应气体出口，性能可通过使用具有低扩散阻力和低弯曲度的扩散介质410来优化。因此，扩散介质410的第二端458邻近双极板34的反应气体出口布置。在燃料电池工作区域的具有低的局部相对湿度低和高的反应物浓度的区域，如靠近板34、40、42的反应气体入口，性能可通过使用高扩散阻力和高弯曲度的扩散介质410优化。因此，扩散介质 410的第一端456邻近双极板34的反应气体入口布置。如本文中所使用的，工作区域定义为化学反应可用的单独的燃料电池的表面区域。工作区域的尺寸可基于适应于容纳冷却、 反应物分配、和密封机构的燃料电池总的区域而变化。从前面的描述中，本领域技术人员可以很容易地确定本发明的本质特征，在不脱离本发明的精神和范围下，可以改变和改进本发明以使其适用于不同的用途和条件。
权利要求
1.一种使用在质子交换膜燃料电池中的扩散介质，包括 第一穿孔层，其具有多个形成在其中的穿孔；第二穿孔层，其具有多个形成在其中的穿孔； 导电多孔间隔层，其布置在所述第一穿孔层和所述第二穿孔层之间； 第一微孔层，其布置在所述第一穿孔层上；和第二微孔层，其布置在所述第二穿孔层上。
2.如权利要求1的扩散介质，其中所述多孔间隔层是碳纤维纸、泡沫、所述第一微孔层、和所述第二微孔层的其中之一。
3.如权利要求1的扩散介质，其中所述第一穿孔层和所述第二穿孔层由石墨箔片形成。
4.如权利要求1的扩散介质，其中所述第一微孔层和所述第二微孔层是碳粉末、碳氟聚合物、和碳粉末与碳氟聚合物的混合物的其中之一。
5.如权利要求4的扩散介质，其中碳氟聚合物是聚四氟乙烯。
6.如权利要求1的扩散介质，其中所述第一穿孔层的穿孔大致与所述第二穿孔层的穿孔对齐。
7.如权利要求1的扩散介质，其中所述第一薄穿孔层的穿孔大致偏离所述第二穿孔层的穿孔。
8.如权利要求1的扩散介质，其中在一些区域中所述第一薄穿孔层的穿孔与所述第二穿孔层的穿孔对齐且在其他区域中大致偏离所述第二穿孔层的穿孔。
9.一种使用在质子交换膜燃料电池的扩散介质，包括第一穿孔层，其具有多个形成在其中的穿孔，其中所述第一穿孔层的穿孔间隔分开以形成穿孔密度梯度；第二穿孔层，其具有多个形成在其中的穿孔； 导电多孔间隔层，其布置在所述第一穿孔层和所述第二穿孔层之间； 第一微孔层，其布置在所述第一穿孔层上；和第二微孔层，其布置在所述第二穿孔层上。
10.一种使用在质子交换膜燃料电池中的扩散介质，包括 第一穿孔层，其具有多个形成在其中的穿孔；第二穿孔层，其具有多个形成在其中的穿孔，其中在所述第一穿孔层的穿孔之间的距离大于在所述第二穿孔层的穿孔之间的距离；导电多孔间隔层，其布置在所述第一穿孔层和所述第二穿孔层之间； 第一微孔层，其布置在所述第一穿孔层上；和第二微孔层，其布置在所述第二穿孔层上。
全文摘要
本发明涉及高弯曲度的扩散介质。一种使用在质子交换膜燃料电池中的扩散介质，包括布置在多个穿孔层之间的多孔间隔层，穿孔层具有穿孔样式的可变尺寸和出现率，每个穿孔层具有在其上形成的微孔层，其中扩散介质适用于优化燃料电池中的水管理和燃料电池的性能。
文档编号H01M8/02GK102163723SQ201110040510
公开日2011年8月24日 申请日期2011年2月18日 优先权日2010年2月19日
发明者C.韦泽, P.D.尼科特拉 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司