于1的水蒸气自由扩散系数与水蒸气有效扩散系数 之比。气体可渗透的扩散结构26的详情和变体与如上所述的相同。
[0053] W下实施例描述了本发明的各个实施方案。本领域技术人员将认识到在本发明的 精神和权利要求的范围之内的多种变体。
[0054] 具有不同粘合剂含量的气体扩散层样品如下。使用Sigrafil C-30通过传统造纸 工艺制备密度约35g/m2的纤维垫。使用聚乙締醇作为临时粘合剂。将不同量的酪醒树脂 通过溶剂结合工艺浸溃到上述纤维垫中。然后将该经浸溃的碳纤维纸模制成相同的厚度， 并在约2350°C下碳化。图5图示了样品中的粘结剂含量和孔隙率之间的关系。通常来讲， 随着粘合剂含量升高，孔隙率降低。
[00巧]使用ASTM E-96和EN ISO 12572中描述的杯法的改进形式测定该样品的水蒸气 扩散系数。由于燃料电池扩散介质表现出较低的扩散阻力(薄的小的扩散阻力数D/Dpff)，标 准方法非常不准确。参照图6,提供了用于测定水蒸气扩散系数的该改进的干燥杯法的示意 图。图6显示了该干燥杯测试系统100,用校准的相对湿度传感器104、106测定横跨该样品 的相对湿度梯度，W测定样品102两侧上特定位置的局部相对湿度。该相对湿度梯度来自 于从潮湿隔室110到干燥隔室112的水蒸气流量108。潮湿隔室110和干燥隔室112由该 多孔样品隔开，由此推动整个扩散水蒸气流量通过该样品。垫圈114确保对环境的密封，W 避免水蒸气丧失到该系统之外，其将会产生测量误差。储罐116提供潮湿隔室110内的湿度 来源，而干燥剂118有助于保持干燥隔室112相对干燥。通过使用Fick第一扩散定律并测 定RH梯度化及测试后干燥隔室内的质量增加，对于给定的几何形状(横截面、传感器距离、 样品厚度)，可W计算该多孔样品内的水蒸气的有效扩散系数。图7提供了 D/Dpff比值作为 孔隙率的函数的曲线图。随着该粘结剂含量降低和孔隙率升高，该D/Dpff明显降低。
[0056] 下表描述了粘结剂树脂含量的升高和由此引起的孔隙率的降低和曲折率的升高 的关系。两种效应相结合提高了传质阻力，运表示为随着粘结剂树脂含量的升高，D/Dpff数 随之升高。因为在复杂如燃料电池扩散介质的结构中不能测量或测定到曲折率，所W使用 上述方程进行反推计算。此外，通过完全碳化该酪醒树脂已经得到了运些示例性的样品。通 过进一步添加未经碳化的树脂，伴随着可能的但不必需的进一步碳化，可W预期孔隙率、曲 折率和D/Dpff范围的升高。
[0057] 如下评价气体扩散层的性能。通过标准方法将该样品防湿，并在湿润操作条件和 干燥操作条件下在燃料电池中测试，如图8和9中所示。图8提供了在70%相对湿度下操 作的结合有不同粘结剂含量的气体扩散层的燃料电池的电流与电压的关系曲线图，而图9 提供了在25%相对湿度下操作的结合有不同粘结剂含量的气体扩散层的燃料电池的电流 与电压的关系曲线图。该燃料电池使用Gore 5510 MEA装配有5cm2直通道流场，并在80°C 和150kPa绝对压力下在高阳极和阴极化学计量下操作。具有运些操作条件的该设置称作 差动电池试验（differential cell test),其中可W假设测试区域内沿着通道的操作条件 巧口特别是反应物浓度和册)是常数。作为对照，使用常规Toray TGP060。在相对潮湿的条 件下（70% RH,图8)，没有可W归因于由于不同GDL而预期的水蒸气保持效应的性能差异。 然而，在干燥条件下（25% RH,图9)，存在极化曲线的非常不同的散开。该曲线图的散开直 接和GDL的扩散性质相关，具有最高D/Dwf比值的该GDL材料得到最好的干燥性能，反之亦 然。已经可W用Gore膜观察到运种性能益处。必须注意该湿度相关（GDL相关)的性能改变 和差异不仅由于膜性能的改变而且还由于在电极中的效应。在本发明的一种实施方案中， 该扩散层经构造和设置使得该粘合剂树脂提高了气体通过该扩散层的曲折率，其中该曲折 率为约1. 5~约20。
[0058]尽管已经举例说明和描述了本发明的实施方案，但并不旨在运些实施方案举例说 明和描述本发明的所有可能形式。而是在该说明书中所用的词语都是描述性而不是限制性 的词语，应当理解在不脱离本发明的精神和范围的情况下可W进行多种改变。
【主权项】
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，其中该气体扩散层包 括气体扩散结构，其包括包含粘合剂树脂和多个纤维的第一含树脂层，其中粘合剂树脂为 导电性的完全碳化的酚醛树脂，其以18wt%~60wt%的量存在， 其中该气体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，其具有以与第一含树脂层中的树脂量不同的第二量存在的树脂，并且 其中该气体扩散层具有大于1. 5的水蒸气自由扩散系数与水蒸气有效扩散系数之比。2. 权利要求1的扩散层，其中水蒸气自由扩散系数与水蒸气有效扩散系数之比小于或 等于20。3. 权利要求1的扩散层，其中水蒸气自由扩散系数与水蒸气有效扩散系数之比为3~ 15。4. 权利要求1的扩散层，其中水蒸气自由扩散系数与水蒸气有效扩散系数之比为10~ 12。5. 权利要求1的扩散层，具有25体积％~95体积％的孔隙率。6. 权利要求5的扩散层，具有60体积％~89体积％的孔隙率。7. 权利要求1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。8. 权利要求1的扩散层，其中该第一和第二含树脂层包含碳纤维织造或非织造织物或 纸或碳布。9. 权利要求1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。10. 权利要求1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。11. 权利要求10的扩散层，其中该微孔层包含碳粉末和碳氟聚合物粘合剂。12. 权利要求11的扩散层，其中该碳氟聚合物粘合剂包括包含PTFE、FEP或其组合至 少之一的组分。13. 燃料电池，包括： 具有一个或多个用于将第一气体引入该燃料电池的通道的阳极气体流场； 设置在该阳极气体流场上的阳极扩散层； 设置在该阳极扩散层上的阳极催化剂层； 设置在该阳极催化剂层上的聚合物离子传导膜； 设置在该聚合物离子传导膜上的阴极催化剂层； 设置在阴极催化剂层上的阴极扩散层； 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的阴极气体流场，该阴 极流场设置在该阴极扩散层之上，其中该阳极扩散层或阴极扩散层的至少之一包括权利要 求1的气体扩散层。
【专利摘要】本发明涉及具有较低气体扩散系数的气体扩散层，尤其涉及用于燃料电池中的气体扩散层，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℃和150kPa绝对气体压力下测得的水蒸气扩散传送阻力大于0.8s/cm。另一气体扩散层，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℃和150kPa绝对气体压力下测得的水蒸气扩散传送阻力小于0.4s/cm。还提供了结合有该气体扩散层的燃料电池。
【IPC分类】H01M8/0234, H01M8/0243, H01M8/0239
【公开号】CN105406093
【申请号】CN201510947754
【发明人】C.韦泽, C.纪, M.马蒂亚斯, D.R.巴克, P.D.尼科特拉
【申请人】通用汽车环球科技运作公司
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2009年8月4日
【公告号】CN101645511A, DE102009035311A1, DE102009035311B4, US20100028744