具有较低气体扩散率的气体扩散层制造技术

本发明专利技术涉及具有较低的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，其包括气体可渗透的扩散结构和微孔层。该微孔层包括多个各向异性形状的颗粒，同时降低了该微孔层的孔隙率并提高了用于传送通过该微孔层的气体传送的曲折率。所述各向异性的颗粒在该微孔层中以第一含量存在，使得该气体扩散层具有提高的气体传送阻力。

【技术实现步骤摘要】

在至少一种实施方案中，本专利技术涉及用于燃料电池中的具有升高的气体扩散阻力的气体扩散层。
技术介绍
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， 将氬气(H2)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。该氧气可以是纯态形式(02)或空气(02和N2的混合物)形式。PEM燃料电池通常具有膜电极組件("MEA")，其中固体聚合物膜 的一侧具有阳极催化剂，相对侧具有阴极催化剂。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。这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。为了有效发电，PEM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，燃料电池以许多单个电池堆的阵列提供以提供高水平的电 能。气体扩散层在PEM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和硬双极板之间的緩沖层。在这些功能中， 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 量的产物水以避免溢流，而且还能够保持一定程度的膜电解质水合以在 干操作条件过程中得到合适的离子传导性。用于PEM燃料电池中的固 体电解质膜(例如Nafion)需要水合以保持一定程度的水合以提供良好 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5烃的PEM具有与基于含氟聚合物的固体电解质膜(例如Nafion)相比 更为廉价和更为有利(无氟释放)的潜力。目前开发的基于烃的固体电 解质膜需要较高程度的水合以实现适当的质子传导性。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良好的水保持能力以保持特定程度的膜水合。 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经历 湿操作条件。因此，存在对能够在干燥操作条件下保持一些产物水以及在 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。
技术实现思路
本专利技术通过在至少一种实施方案中提供可用于燃料电池应用 的气体扩散层克服了现有技术的一个或多个问题。本实施方案的气体扩 散层能够位于燃料电池中的电极(阳极和/或阴极)和流场之间。本实施 方案的气体扩散层包括气体可渗透的扩散基体和设置在该气体可渗透 的扩散基体之上的微孔层。该微孔层包括细碳粉末和多个分散在该碳粉 末之内的颗粒。该多个颗粒影响横跨该气体扩散层的气体传送阻力。将 颗粒引入该微孔层内增加了用于气体(例如在其中移动的水蒸气)的气 体曲折率，由此提高了气体传送阻力。因此，在变体中，使用传统碳纤 维纸作为该气体可渗透的扩散基体，由此保持这类材料所需的机械性 质。在本专利技术的另 一 实施方案中，提供了结合有本专利技术的扩散层 的燃料电池。在这些燃料电池中，该扩散层位于阳极流场和阳极层之间 和/或位于阴极流场和阴极层之间。附图说明图1是结合了本专利技术的实施方案的扩散层的燃料电池的透视图；图2是本专利技术的气体扩散层的变体的横截面示意图； 图3是提供用于对照样和含石墨薄片的试样的配方的表格；流密度的关系曲线图；和图5提供了在干燥条件下结合了这些GDL的电池的电压与电 流的关系曲线图。具体实施例方式现在将详细涉及本专利技术目前优选的组合物、实施方案和方法， 其构成了本专利技术人目前已知的实施本专利技术的最佳模式。该附图无需按比 例绘制。然而，应当理解所公开的实施方案仅是本专利技术的实例，本专利技术 可以具体体现为多种可替代的形式。因此，此处公开的特别细节并不应当被解释为限制性的，而仅作为本专利技术的任意方面的代表性基础和/或作除了^实施例(或另外清i指出的情形以外，在;说明书中 表示材料量或反应和/或应用条件的所有数值量都应当理解为被词语 "约，，所修饰，描述本专利技术的最宽范围。在给出的数值限制中的实施通 常是优选的。而且，除非明确相反指出，百分比、"份数"和比值都以重量计；术语"聚合物，，包括"低聚物"、"共聚物，，、"三元共聚物，， 等；适合或优选用于与本专利技术相关的给定目的的一组或一类材料的描述 表示该组或类中的任意两种或多种成员的混合物同样是适合或优选的； 化学术语对組分的描述表示添加到说明书中给出的任意组合时的组分， 并不必排除一旦混合后混合物的組分之间的化学相互作用；首字母缩略 词或其他缩略语的第一次定义应用于相同缩略语的本文的所有随后的 使用，并对初次定义的缩略语的标准语法变体进行必要的修正使用；以 及除非明确相反指出，性质的测量值是由与针对该相同性质之前或之后 提到的相同技术测定的。还应当理解本专利技术并不限定于以下所述的特别实施方案和方 法，因为特定的组分和/或条件当然可能改变。而且，此处所用的术语仅 用于描述本专利技术的特别实施方案的目的，决不用于限制。也应当注意到说明书和后附权利要求中所用的单数形式"某 (a)"、"某个(an)，，和"该、所述(the)"包括复数个指示物， 除非上下文明确相反指出。例如，对单数形式的组分的提及意于包括多 个组分。在整个该申请中，其中引用了公开文本，这些公开文本的公开内容整体由此全文通过引用而结合到本申请中以更全面描述本专利技术 涉及的现有技术。在本专利技术的至少一种实施方案中，提供了能够位于PEM燃料 电池中电极和流场之间的扩散层。参照图1,提供了结合有本实施方案 的扩散层的燃料电池的透视图。PEM燃料电池10包括气体扩散层12、 14。气体扩散层12位于阳极流场16和阳极层18之间，而气体扩散层 14位于阴极流场20和阴极层22之间。参照图2,提供了本专利技术的气体扩散层的变体的橫截面示意 图。气体扩散层12、 14之一或两者包括气体可渗透的扩散基体28和设 置在该气体可渗透的扩散基体上的微孔层30。在本实施方案的变体中， 气体可渗透的扩散基体具有约50微米~ 500微米的厚度。该微孔层具有 10微米~ IOO微米的厚度，且可以在该基体上形成离散层或渗透到气体 可渗透的基体中。微孔层30包括细的碳粉末部分32和多个分布在其中 的颗粒34。多个颗粒34降低了可用的体积或橫截面积(即降低了孔隙 率)并提高了如方向d!、 d2和cb所示移动通过细粉末部分32的气体横 越的距离(即提高了曲折率)。由于气体必须使用非直线路径通过微孔 层30，因此这些距离提高了。在本实施方案的变体中，多个颗粒34的存在量使得在与现有 技术相比较时该气体传送阻力明显提高。颗粒的量和颗粒的形状或几何 形状都可以改变该气体传送阻力。在微孔层30中包括多个颗粒34降低 了气体扩散层的孔隙率(即孔体积)并提高了这些层的曲折率(即有效 孔长度)，这两种效应导致扩散传送阻力的提高。除多个颗粒34之外，该气体扩散层12典型地还包括通常现 有技术气体扩散层中所发现的气体扩散基体28和微孔层30。例如，气 体可渗透的扩散基体28可以包括导电非织造织物或纸或本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于燃料电池中的气体扩散层，包括流场、离子传导膜和电极，该气体扩散层包括：　　　　气体可渗透的扩散基体；和　　　　设置在该气体可渗透的扩散基体之上的微孔层，该微孔层包括碳粉末和多个分散在其中的颗粒，所述多个颗粒的存在改变横过该微孔层的气体传送阻力，该扩散层能够位于所述电极和所述流场之间。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：C纪，C韦泽，M马蒂亚斯，PD尼科特拉，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]