一种带有质子交换膜的燃料电池系统。阴极催化剂层叠置在质子交换膜的第一面。阴极扩散层重叠在阴极催化剂层上。阳极催化剂层叠置在质子交换膜的第二面。阳极扩散层重叠在阳极催化剂层上。阴极扩散层具有８０℃和１个大气压条件下小于大约３×１０↑［－４］克（Ｐａｓｍ↑［２］）的水蒸气渗透。本发明专利技术还涉及燃料电池系统的阴极扩散层。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术大体上涉及一种燃料电池，具体涉及一种质子交换膜燃料电池，其带有改进的气体扩散层。
技术介绍
历史上，燃料电池技术的大部分进步涉及到受政府部门，如美国国家航空和航天管理局(NASA)，资助的应用，或涉及电气共用厂的应用。但是最近在结构材料和工艺技术上的进步已经使燃料电池的进步接近重大商业性应用。燃料电池的重要优点是其储存的化学能转换为电能的效率达60到70％，理论上可具有更高的效率。此外，燃料电池的生产实际上没有污染。这些优点使得燃料电池非常适合于车辆推进的应用，用来代替内燃机，内燃机的工作效率低于30％，并产生不希望的排放。一般地，燃料电池通过氧化化合物或分子(即与氧化学结合)释放电和化学能。目前，存在各种燃料电池的设计，利用各种不同的燃料和氧气剂结合。最普通的燃料/氧化剂结合是氢气和氧气结合。在典型的燃料电池中，氢气通过与氧气(通常来自空气)反应而消耗，产生水，电能和热量。这可通过提供氢气到第一电极(阳极)，提供氧气到第二电极(阴极)来实现。两个电极通过电解液分隔开，电解液是一种允许带电分子或离子通过的材料。可使用多种不同类型的电解液，包括酸型，碱型，熔融-碳酸盐型，和固体-氧化物型。质子交换膜(PEM)电解质(还称为固体聚合物电解质)属于酸型，可产生高功率和高电压，使其非常有希望用于燃料车辆的应用。为了使燃料电池高效工作，对于系统很重要的是进行水化。用来水化系统的水可携带于阳极和/或阴极气流中。水通常从燃料电池发生的电化学反应得到，收集起来用于外部潮湿系统(如在燃料电池组的外部)水化阳极和阴极气流。但是，这些外部潮湿系统通常很复杂，并降低了整个系统的效率。因此，需要一种不复杂的燃料电池系统，防止操作期间质子交换膜干燥。
技术实现思路
本专利技术满足了这个需要，其提出了一种燃料电池系统，带有改进的阴极扩散层。该燃料电池系统包括质子交换膜，膜具有第一面和第二面；阴极催化剂层，叠置在质子交换膜的第一面；阴极扩散层，重叠在所述阴极催化剂层上；阳极催化剂层，叠置在质子交换膜的第二面；阳极扩散层，重叠在所述阳极催化剂层上；其中，所述阴极扩散层具有80℃和1个大气压条件下小于大约3×10-4克(Pa sm2)的水蒸气渗透。阴极扩散层的厚度一般小于大约1000微米，一般在大约150到大约600微米的范围。阴极扩散层的单位体积重量一般小于大约2.0克/立方厘米，通常在大约0.4到大约0.8克/立方厘米的范围。阴极扩散层的孔隙度一般大于约25％，通常在大约50％到大约80％的范围。阴极扩散层可包含至少大约0.25％重量的聚四氟乙烯，如果需要，聚四氟乙烯一般在大约5％重量到大约15％重量的范围。本专利技术的另一方面涉及一种燃料电池系统的阴极扩散层，包括阴极扩散层，含有小于约15％重量的聚四氟乙烯，具有80℃和1个大气压条件下小于大约3×10-4克(Pa s m2)的水蒸气渗透。所述阴极扩散层的厚度小于大约1000微米，如果需要的话。阴极扩散层的单位体积重量小于大约2.0克/立方厘米，如果需要的话。阴极扩散层的孔隙度大于约25％，如果需要的话。阴极扩散层可结合不止一个这些限制。本专利技术的另一方面涉及一种燃料电池系统的阴极扩散层，包括阴极扩散层，具有80℃和1个大气压条件下小于大约3×10-4克(Pa s m2)的水蒸气渗透；其中，阴极扩散层的厚度小于大约1000微米，阴极扩散层的单位体积重量小于大约2.0克/立方厘米，阴极扩散层的孔隙度大于约25％。如上面所提到的，扩散层的性质指的是未压缩的扩散层，即扩散层本身，的性质，而不是组装好的燃料电池组。如已公知的，扩散介质通常受到某种方式的压缩，当置于燃料电池组中，所受压力的范围在大约50到500psig，从大约5％压缩到大约50％。因此，水蒸气渗透，厚度，单位体积重量和孔隙度等指的是未压缩的扩散层的性质，可以在阴极也可以在阳极(压缩的和未压缩的扩散层的聚四氟乙烯百分比不改变)。附图说明图1是根据本专利技术的燃料电池组的部分透视图；图2是根据本专利技术的部分燃料电池组的部分分解截面图；图3显示了两个不同外部润湿水平的电池电压为0.6伏的阴极扩散层的电流密度与厚度的曲线；图4显示了各种润湿水平下的10单元电池组的平均电池电压与15单元电池组的平均电池电压的比较，前一电池组带有840微米厚的阴极扩散层，后一电池组带有195微米厚的阴极扩散层；图5显示了三种操作条件下固定电流密度和长时间的平均电池电压的下降；图6显示了阴极扩散层的渗透对阴极催化剂层与扩散层界面处的水蒸气浓度的作用；图7是渗透实验的样品容器的示意图； 图8是设置在进行渗透实验的干燥炉的样品容器的顶视图；图9是进行渗透实验的干燥炉的圆盘机构的侧视图；图10是根据本专利技术的扩散层的S/WVT(渗透率的倒数)与厚度的曲线。具体实施例方式图1是根据本专利技术的燃料电池组的部分截面图。燃料电池组包括质子交换膜12。一般质子交换膜12基本上是平的。阳极催化剂层14重叠在质子交换膜12的一个表面，阴极催化剂层16重叠在另一表面。质子交换膜12和催化剂层14，16可称为膜电极组件(MEA)。阳极扩散层18重叠在阳极催化剂层14，阴极扩散层20重叠在阴极催化剂层16。设置了双极板22，一个板接合阳极扩散层18，第二板接合阴极扩散层20。第一组反应气体流道24设置在双极板22，沿表面接合阳极扩散层18。第二组反应气体流道26设置在双极板22，沿表面接合阴极扩散层20。氢气通过第一组反应气体流道24输送到MEA的阳极侧，氧气(一般具有空气的形式)输送到第二组反应气体流道26，再输送到MEA的阴极侧。氢气和氧气可具有不同的形式，如所属领域都知道的。在各双极板22，突部25分隔反应气体流道24或26的相邻部分。双极板22的各侧面上的突部25直接接触双极板22该侧面的各扩散层18或20。阳极催化剂层14和阴极催化剂层16可通过所属领域技术人员已知的任何方式设置在膜电极组件。这些电极14和16可以是单独层，或至少部分嵌入扩散层18，20，或部分嵌入质子交换膜12的相对表面。组合为一体的膜和电极组件，带有固体聚合物电解质膜及至少部分嵌入膜的相对表面的第一和第二电极，可参考1993年12月21日授予Swathirajan等人的美国专利No.5,272,017，其公开的内容在本文中参考引用。当本说明中介绍电极或催化剂层14，16重叠在质子交换膜上时，希望可参考，介绍和包括这些结构组合。扩散层18，20具有扩散层通常具有的多种功能，包括1)提供各电极催化剂层14或16和电化学集电器(双电极板22)之间的电接触(和电流通道)；2)分别分配和传送供应气体有效地越过催化剂电极14，16的整个表面，和越过质子交换膜12，包括通过突部25；3)为催化剂层14或16产生或保留的产物的快速输送提供通道。本专利技术的扩散层还具有另外的功能在阴极扩散层形成高浓度的水蒸气，足以水化质子交换膜。在某些情况下，这不必使用水化系统来实现，水化系统位于膜电极扩散层组件的外面。为了使干燥的燃料电池流体工作，需要阴极扩散层向燃料电池中产生的水提供水蒸气传输障碍(即低渗透)。其原因是在干燥条件下水的传输大部分是通过水蒸气形式。以液体形式存在的水非常少。阴极扩散层渗透的作用在图6中显示，其中产生的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种燃料电池系统，包括：质子交换膜，具有第一面和第二面；阴极催化剂层，叠置在质子交换膜的第一面；阴极扩散层，重叠在所述阴极催化剂层上；阳极催化剂层，叠置在质子交换膜的第二面；阳极扩散层，重叠在所述阳极 催化剂层上；其中，所述阴极扩散层具有８０℃和１个大气压条件下小于大约３×１０↑［－４］克（Ｐａｓｍ↑［２］）的水蒸气渗透。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：M马赛厄斯，R达林，DL伍德三世，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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