CN101057353A - 具有微孔双层的气体扩散介质 - Google Patents

具有微孔双层的气体扩散介质 Download PDF

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Abstract

公开了具有微孔双层的气体扩散介质。气体扩散介质包括扩散介质基材和双层，所述双层包括由不同颗粒尺寸组成的第一层和由具有均匀颗粒尺寸的一种材料组成的第二层。具有微孔双层的气体扩散介质增强了缓冲和水管理性能。

Description

具有微孔双层的气体扩散介质
技术领域
本发明涉及产生电的燃料电池，以给车辆或其它电力驱动的装置供给动力。更具体地，本发明涉及具有微孔双层的新型气体扩散介质，所述微孔双层包括底层和底层上的MPL(微孔层)涂层，以增强气体扩散介质的缓冲和水管理性能。
背景技术
燃料电池技术在汽车产业中是相对较新的进步。已经发现燃料电池发电厂能实现高达55％的效率。而且燃料电池发电厂仅仅排放热和水作为副产品。
燃料电池包括三个部件：阴极、阳极和夹在阴极和阳极之间并传导质子的聚合物电解质。设置在膜的两侧的催化剂层充当电极。运行时，阳极上的催化剂将氢分离成电子和质子。电子从阳极以电流形式分布，穿过驱动电机，然后到阴极，而质子从阳极迁移，穿过电解质到阴极。阴极上的催化剂将质子和从驱动电机返回的电子以及空气中的氧结合以产生水。单个燃料电池可串联堆积起来以产生不断增长的电量。
在聚合物-电解质-膜(PEM)燃料电池中，全氟磺酸(PFSA)膜充当阴极和阳极之间的电解质；质子导电膜的其它类型也已经被评价，并在少量的例子中使用。目前燃料电池应用中使用的聚合物膜需要某一湿度水平以促进膜的导电率。因而，通过湿度/水管理，维持膜中湿度的适当水平，对于燃料电池正确行使功能是很重要的。如果膜被干透，燃料电池可发生不可逆转的损害。
为了防止供应给电极的氢燃料气体和氧气的泄漏和防止气体的混合，在电极的周围设置气体密封材料和垫圈，聚合物电解质膜夹在其中。密封材料和垫圈连同电极和聚合物电介质膜一起可装配成单一部件，以形成膜电极组件(MEA)。设置在MEA的外面的是用于机械固定MEA并将相邻的MEA串联电连接的导电分隔板(也称为双极板)。经设置朝向MEA的分隔板的部分，具有气体通道或流场用于将氢和空气供给到电极表面并除去产生的水。
在燃料电池中，典型地由非织造碳纤维纸或织造碳布制成的气体扩散介质放入双极板的流场和MEA之间。气体扩散介质在PEM燃料电池中起多种重要作用。首先，气体扩散介质用作管道，用于将反应物氢和空气气流分别扩散到阳极和阴极，以及用于从阴极除去副产品水的管道。另外，气体扩散介质必须具有充分的导电性，以将电子传导到双极板。
最近，已经注意到设置在电极和气体扩散介质(GDM)之间的微孔层(MPL)的重要性。这种微孔层主要提高PEM的燃料电池的水管理性能，从而减少由差的GDM结构引起的质量输送损失。典型地，这层是聚四氟乙烯/碳混合物，并取决于GDM期望的特定属性，具有不同厚度。微孔层的又一重要功能是保护膜不被GDM基材中脆的碳纤维穿透，从而防止电短路。
已经发现，将MPL形成双层结构，既增强MPL的缓冲性能又增强燃料电池的水管理能力。在MPL中孔的尺寸一般在z方向上从电极到GDM增大。根据本发明，在GDM上设置底层，在底层上设置MPL涂层。底层具有新型堆积结构(packing structure)和减少由碳纤维刺穿MEA同时也提高电池的水管理的孔尺寸分布。底层由导电颗粒(优选石墨或其它炭黑)和粘合剂(优选PTFE或其它全氟化和部分氟化的聚合物)组成。底层的平均孔尺寸通过底层中导电颗粒的平均聚集体尺寸确定。底层中导电颗粒的平均聚集体尺寸可从0.1-0.3微米(对应于MPL中平均颗粒聚集体尺寸)变动到直至大约20-40微米。底层中导电颗粒可由两种不同颗粒尺寸范围，例如平均一次聚集体尺寸为0.1至0.3微米的炭黑和平均颗粒尺寸为1至10微米的石墨颗粒的混合物构成。然而，底层中较大颗粒的平均颗粒聚集体尺寸的优选范围是0.5至30微米，最优选范围是1至10微米。一般地，底层的期望的耐穿刺性和缓冲效果随着厚度的增长而增长。因而，底层的厚度范围可为10至100微米，优选厚度范围为30至60微米。
发明内容
本发明一般涉及气体扩散介质，所述气体扩散介质包括具有在基材上提供的微孔双层的GDM(气体扩散介质)基材。具有微孔双层的气体扩散介质在燃料电池中呈现增强的缓冲和水管理性能。微孔双层包括设置在GDM基材上的底层和设置在底层上的微孔(MPL)涂层。底层是具有石墨粉、碳粉和氟化物的复合材料，并由于所述层中出现的很大范围的颗粒尺寸，底层具有新型堆积结构和孔尺寸分布。MPL涂层传统地包括具有0.1至0.3微米的平均一次聚集体尺寸的炭黑和氟化聚合物，如聚四氟乙烯。底层可由具有平均颗粒尺寸范围为0.1至40微米的导电颗粒(例如，石墨)组成；然而优选颗粒尺寸范围是0.5至30微米，或者最优选是1至10微米。就一切情况而论，优选石墨粉(或其它导电颗粒)的颗粒尺寸分布适度地窄并且是单模态的。为了实现底层的最佳缓冲和刺穿保护性能，其厚度可在10至100微米之间，优选在30至60微米之间。除了如上所描述的底层中的大导电颗粒(即，大至40微米)，具有平均聚集体尺寸在0.1至1微米之间，或优选在0.1至0.3微米之间的炭黑或其它导电颗粒也可以混合到底层。因此，底层可由两种或更多种具有显著不同平均颗粒尺寸的导电颗粒和全氟化或部分氟化的聚合物粘合剂组成。
附图说明
现在用举例的方法、参照附图描述本发明，其中：
图1是具有本发明的微孔双层的气体扩散解介质的剖面图；
图2是燃料电池堆的示意图，其在膜电极组件(MEA)的阴极侧和阳极侧上分别有具有本发明的微孔双层的气体扩散介质；
图3是说明根据生产具有本发明的微孔双层的气体扩散介质的典型方法执行的连续工艺步骤的流程图。
发明详述
首先参照图1，具有微孔双层的气体扩散介质(下文中称作气体扩散介质)的说明性实施方案一般由附图标记10指示。气体扩散介质10包括GDM(气体扩散介质)基材12，所述GDM基材可以是例如常规燃料电池气体扩散材料如非织造碳纤维纸或织造碳布。适用于GDM基材12的材料的例子是从Toray公司，New York，NY得到的Toray 060基材。适用作GDM基材12的替换材料包括例如可从Spectracorp和SGL得到的碳纸或布基材。
底层14设置在GDM基材12上，MPL涂层16设置在底层14上。底层14是包括石墨粉(或其它导电颗粒)、炭黑和氟化聚合物(如聚四氟乙烯)或其它部分氟化的聚合物(例如，PVDF)的混合物的复合材料。优选地，底层14中的石墨粉颗粒具有在0.1至40微米范围内，优选在0.5至30微米范围内，最优选在1至10微米范围内的平均颗粒尺寸。优选石墨粉的颗粒尺寸分布适当窄并为单一模态。可以加入到或不加入到底层的炭黑具有的平均一次聚集体尺寸为0.1至1微米，或优选0.1至0.3微米(类似于在MPL中使用的碳颗粒或炭黑)。从而，底层14具有新型堆积结构，并因而具有新型孔尺寸分布，该分布使得可以在没有对其水管理性能打折扣的情况下形成较厚的底层。底层的厚度在10至100微米范围内变化，并优选在30至60微米范围内。底层14的这些性质与MPL涂层16结合，增强了燃料电池中GDM基材12的缓冲功能和水管理能力。
接着参照图2，示出了采用了本发明的双层气体扩散介质10的燃料电池堆22。燃料电池堆22包括具有夹在阴极26和阳极28之间的聚合物电介质膜(PEM)30的膜电极组件(MEA)24。MEA24的阴极侧上的双极板32包括多个流场通道34，MEA24的阳极侧上的双极板32a包括多个流场通道34a。
燃料电池22运行期间，氢气流经双极板32a的流场通道34a并经气体扩散介质10a扩散到阳极28。以同样的方式，氧或空气流经双极板32的流场通道34并通过气体扩散介质10扩散到阴极26。双层微孔结构包括MPL涂层16、16a和分别位于下面的底层14、14a，使MEA24相对于气体扩散介质10，特别地相对于使用了碳纤维的GDM基材12/12a，提高了缓冲性，并提高了燃料电池22的水管理能力。
图3的流程图说明了通常在制备具有本发明的微孔双层的气体扩散介质中执行的连续工艺步骤。步骤1中，提供气体扩散介质(GDM)基材。GDM基材可以是常规的碳纤维纸或布原料，例如，其适于在燃料电池中用作气体扩散介质，如从Toray Corp.，New York，NY得到的Toray 060基材。
步骤2中，底层形成在基材上。底层是复合材料，包括石墨粉(或者，其它导电颗粒)、炭黑(或其它常规用在，例如，MPL制剂中的碳粉)和氟化聚合物如聚四氟乙烯或部分氟化聚合物如PVDF的混合物。例如，适用于形成底层的石墨粉是从Asbury Graphite Mills，Inc.可买到的M490石墨粉。石墨粉可具有0.1-40微米的颗粒尺寸。优选地，石墨粉具有大约0.5μm至30μm的颗粒尺寸。最优选地，石墨粉具有大约1至10μm的平均颗粒尺寸。在所有情况下，优选颗粒尺寸分布适当地窄并且是单一模态。其它适合的石墨粉包括具有大约＞1μm和＜20μm之间的颗粒尺寸，并且最优选地，平均颗粒尺寸在1μm至10um之间的人造石墨。
适用于形成底层的碳粉包括，例如，从Alfa Aesar可买到的乙炔黑碳粉。碳粉的合适替代物包括大多数炭黑，包括Vulcan XC-72和Black Pearls 2000。可提供例如，从Dupont corp.可以买到、包括60wt％PTFE的T-30溶液形式的聚四氟乙烯。其它适合的氟化聚合物包括HFP、PVDF和FEP。
通过在水和异丙醇溶液中首先剪切石墨粉和碳粉，底层可在基材上形成。接下来，加入T-30溶液。接着，手动摇晃得到的底层混合物大约1-2分钟。典型地，利用Meyer棒将底层混合物涂覆到GDM基材上，但也可通过其它方法涂覆，如刮刀涂布、凹版涂布、丝网印刷等。在图3的步骤3中，底层在GDM基材上干燥。
在步骤4中，MPL(微孔层)涂层形成在底层上。MPL涂层可以是常规的，并且是包括碳粉(典型的炭黑)和氟化或部分氟化的聚合物的复合材料。适用于形成底层的碳粉包括，例如，从Alfa Aesar买到的乙炔黑碳粉。碳粉的适合代替物包括大多数炭黑，包括，例如，Vulcan XC-72和Black Pearls 2000。可提供例如，从Dupont corp.可以买到的T-30溶液形式的聚四氟乙烯。可加入其它化学物质以控制，例如，混合物的pH。
通过首先在脱离子水和异丙醇中剪切碳粉，MPL涂层可在底层上形成。接下来加入T-30溶液。接着，手动摇晃得到的MPL涂层混合物大约1-2分钟。典型地，利用Meyer棒，将MPL涂层混合物涂覆到GDM基材上，然后风干。在图3的步骤5中，得到的具有微孔双层的GDM基材被干燥，并在380℃烧结20分钟。
通过参照下面的实施例，将进一步理解根据本发明制造具有微孔双层的GDM基材。
实施例I-形成底层
通过首先获得1.2g的乙炔黑碳(Alfa Aesar，100％压缩，表面积70m2/g)、1.2g具有＞1μm和＜20μm的颗粒尺寸的M490石墨粉(AsburyGraphite Mill)、1.33g的T-30溶液(Dupont，60wt.％PTFE)、25mL的IPA(异丙醇)和15mL的去离子水，在Toray 060基材上形成底层。乙炔黑碳颗粒和石墨粉在去离子水和异丙醇中以14500rpm剪切10分钟。T-30溶液加入到剪切过的炭黑粉和石墨粉，用手摇晃1-2分钟以形成底层混合物。接着，使用Meyer棒将底层混合物涂布在Toray 060基材上，然后干燥。
形成MPL涂层
通过首先获得2.4g的乙炔黑碳(Alfa Aesar，100％压缩，表面积70m2/g)、1.33g的T-30溶液(Dupont，60wt.％PTFE)、32mL的IPA和37mL的去离子水，MPL涂层形成在根据上述实施例(I)制备的底层上。以14500rpm剪切乙炔黑碳和石墨粉10分钟。随后，将T-30溶液加入到剪切过的炭黑中，用手摇晃1-2分钟以形成MPL涂层混合物。接着，使用Meyer棒将MPL涂层混合物涂布在底层上，然后干燥。接着，具有微孔双层的合成GDM基材被干燥，并在380℃烧结20分钟。
通过在放大的条件下测试50cm2的PEM的燃料电池和观察水管理能力，已经观察到具有本发明的微孔双层的GDM基材的水管理能力。通过在被夹在具有微孔双层的两个GDM基材之间的膜中进行压力短路(pressure-to-short)测试，观察本发明的缓冲性能。MEA被压缩直到测量到电短路。与不理想的样品比较，观察到这样的缓冲效果：在较大负荷时具有较大阻力。
虽然本发明的优选实施方案已经在上面进行了描述，但将会认识和理解，本发明中可以作出各种不同改进，附上的权利要求意在覆盖可落入本发明的精神和范围内的所有这样的改进。

Claims (20)

1.气体扩散介质，包括：
扩散介质基材；
底层；和
设置在所述底层上的微孔层涂层。
2.根据权利要求1所述的气体扩散介质，其中，所述底层包括导电颗粒和至少部分氟化的聚合物。
3.根据权利要求2所述的气体扩散介质，其中，所述导电颗粒包括具有大约0.1至大约40微米的平均颗粒尺寸的颗粒。
4.根据权利要求2所述的气体扩散介质，其中，所述底层具有大约10至大约100微米的厚度。
5.根据权利要求1所述的气体扩散介质，其中，所述微孔层涂层包括炭黑颗粒和至少部分氟化的聚合物。
6.根据权利要求5所述的气体扩散介质，还包括在所述微孔层涂层中的pH调节性化学品。
7.根据权利要求5所述的气体扩散介质，其中，所述底层包括炭黑、具有大约1μm至大约20μm的颗粒尺寸的石墨粉和聚四氟乙烯。
8.根据权利要求7所述的气体扩散介质，其中，所述石墨颗粒具有1μm和10μm之间的平均颗粒尺寸。
9.气体扩散介质，包括：
气体扩散介质基材；
在所述基材上包含石墨的底层；和
设置在所述底层上的、基本上没有石墨的微孔层涂层。
10.根据权利要求9所述的气体扩散介质，其中，所述底层还包括炭黑和聚四氟乙烯。
11.根据权利要求10所述的气体扩散介质，其中，所述石墨包括具有大约1μm和大约20μm之间的颗粒尺寸的石墨颗粒。
12.根据权利要求11所述的气体扩散介质，其中，所述石墨颗粒具有1至10μm之间的平均颗粒尺寸。
13.根据权利要求9所述的气体扩散介质，其中，所述微孔层涂层包括炭黑，聚四氟乙烯和pH调节性化合物。
14.根据权利要求13所述的气体扩散介质，其中所述pH调节性化合物包括碳酸铵。
15.根据权利要求13所述的气体扩散介质，其中所述石墨包括具有在大约1μm和大约20μm之间的颗粒尺寸的石墨颗粒。
16.根据权利要求15所述的气体扩散介质，其中，所述石墨颗粒具有1μm和10μm之间的平均颗粒尺寸。
17.制造气体扩散介质的方法，包括：
提供扩散介质基材；
提供在所述基材上的包括石墨的底层；和
在所述底层上提供微孔层涂层。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述石墨具有在大约1μm和大约20μm之间的颗粒尺寸。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述石墨具有1μm和10μm之间的平均颗粒尺寸。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述微孔层涂层包括炭黑、聚四氟乙烯和pH调节性化合物。
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