CN101068953A - 用在pem燃料电池中的扩散介质 - Google Patents

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Abstract

提供一种用在PEM燃料电池上的扩散介质。该扩散介质为可渗透性的片，其沿横轴是刚性的，沿侧轴是柔性的，且具有基本上不可压缩的厚度。为了运输和存储，可将该扩散介质大量生产为大的片并沿着侧轴辊压。通过夹杂在横向排列的大的纤维或者金属条来提供横轴的刚性，同时阻止扩散介质隆起进入到PEM燃料电池的流动通道中。该扩散介质可渗透水和气，且可导电。

Description

用在PEM燃料电池中的扩散介质
                     发明领域
[0001]本发明涉及PEM燃料电池，更特别地，涉及一种用在PEM燃料电池中的改性扩散介质。
                     发明背景
[0002]在许多应用中，已将燃料电池用作电源。例如，已提议将燃料电池用在电动车辆发电装置中，以替代内燃机。在质子交换膜(PEM)型燃料电池中，将氢提供给燃料电池的阳极，将氧提供给阴极作为氧化剂。PEM燃料电池包括一种膜电极组件(MEA)，该组件包括薄的、可传送质子的、非导电的、固体聚合物电解质膜，该膜在一面具有阳极催化剂，在另一面具有阴极催化剂。该MEA夹在一对无孔、导电的元件或板之间，该元件或板(1)用作阳极和阴极的集流器，以及(2)包括适宜的、在其中形成的通道和/或开口，以用于在各个阳极和阴极催化剂的表面上分布该燃料电池的气体反应剂。
[0003]取决于上下文，术语“燃料电池”通常用来指单个电池或多个电池(堆(stack))。通常将多个单个电池束在一起，从而形成燃料电池堆，且通常以电力串联的方式排列。该堆中的每一个电池包括前述的膜电极组件(MEA)，且每一这样的MEA提供其电压的增量。将该堆中的一组邻近的电池称之为电池组。
[0004]在PEM燃料电池中，氢(H2)为阳极反应剂(即燃料)，氧为阴极反应剂(即氧化剂)。该氧或者可为纯净形式(O2)，或者为空气(主要是O2和N2的混合物)。该固体聚合物电解质通常由离子交换树脂如全氟化磺酸制成。该阳极/阴极通常包括磨碎的催化剂颗粒，其通常支撑在碳颗粒上，且同质子导电树脂混合。该催化剂颗粒通常为成本很高的贵金属颗粒。因而这些MEA对于制造而言相对昂贵且为进行有效的操作需要一些条件，该条件包括适宜的水管理和增湿以及催化剂结垢成分如一氧化碳(CO)的控制。
[0005]夹在该MEA中的导电板，在其表面可包括一系列平台，其限定了用于在各个阴极和阳极表面上分布该燃料电池气体反应剂(即空气形式的氢和氧)的反应剂流场。这些反应剂流场通常包括多个槽脊，该槽脊在其间限定了多个流动通道，气体反应剂通过该通道从位于该流动通道一端的供应集管流向位于该流动通道相对端的排出集管。
[0006]覆盖该反应剂流场的是起若干功能的扩散介质。这些功能中的一种为反应气体通过这里扩散，从而在各个催化剂层内反应，另一种功能为使反应产物(即水)扩散通过该燃料电池。此外，该扩散介质必须在催化剂层及双极板之间传导电子和热。为了适当地执行这些功能，该扩散介质在维持足够强度的同时，必须充分多孔。需要强度是为了阻止扩散介质在燃料电池内明显压缩，以及还阻止将扩散介质冲入该流场的通道中。该扩散介质的明显压缩导致扩散容量的降低。该扩散介质冲入通道内导致通过该通道的流量降低和其中形成高压，以及可能损失该扩散介质和邻近该通道的催化剂层之间的电接触。
[0007]传统的扩散介质已尝试通过在该扩散介质的平面内引入坚硬的材料如金属网来提供需要的强度特征。这样的解决办法限制了燃料电池在装运和制造中的灵活性，以及引入腐蚀和接触电阻问题。
                     发明内容
[0008]本发明提供一种用于PEM燃料电池的扩散介质，其包括可渗透的片，该片沿横轴是刚性的，沿侧轴(lateral axis)是柔性的，且具有基本上不可压缩的厚度。此外，将该扩散介质成卷连续生产，且该相对刚性(横向)轴在横跨机器方向，该柔性(侧向)轴沿着该机器方向。该可渗透性片是导电的。
[0009]根据第一种优选实施方案，该扩散介质还包括基本沿着该横轴排列的多个第一纤维和基本沿着该侧轴排列的多个第二纤维，其中该多个第一纤维的每一个比多个第二纤维的每一个要大(例如在长度或在直径上)。根据第二种优选实施方案该扩散材料还包括基本上沿所述横轴排列的多个条。优选该多个条中的每一个由刚性(即高弹性拉伸模量)抗腐蚀材料(例如不锈钢)制成。在这些实施方案中，该横轴都是该扩散介质的横跨机器方向。
[00010]由下面提供的详细说明，本发明可适用的其它方面将变得明显。应该理解的是该详细说明书和具体实施例，虽然描述的是本发明优选实施方案，但仅是用来解释说明的目的，而非用来限制本发明的范围。
                     附图说明
[00011]由详细说明和所述附图将更充分理解本发明，其中：
[00012]图1为根据本发明原理的PEM燃料电池堆(stack)的分解透视图；
[00013]图2为图1的PEM燃料电池堆的一部分的部分透视剖面图，其显示含有扩散介质的层；
[00014]图3为在图2中详细示出的部分的更集中的平面图；
[00015]图4为该扩散介质的纤维构造的详细视图；以及
[00016]图5为该PEM燃料电池堆的示例性流场的平面图。
                优选实施方案的详细说明
[00017]下面优选实施方案的说明实际上仅仅是说明性的，绝不是用来限制本发明、其应用或用途的。
[00018]参考图1，显示单电池PEM燃料电池10具有夹在一对导电电极板14之间的MEA 12，但是如下所述，应该意识到本发明同样也适用于PEM燃料电池堆，该电池堆包括多个串联排列而且通过本领域公知的双极性电极板彼此分开的单电池，该板14可由导电材料和聚合物粘合剂、碳、石墨或抗腐蚀金属的复合材料形成。在不锈钢端板16之间，将MEA 12和电极板14夹在一起。每一个电极板14包括多个平台18，该平台18限定多个流动通道20，该流动通道20形成用来将反应气体(即H2和O2)分布到MEA 12另一面的流场22。在多电池PEM燃料电池堆的情况下，该流场形成在双极板的每一侧，一侧用于氢气，一侧用于氧气。不导电衬垫24在燃料电池10的几个部件之间提供密封和电绝缘，绝缘螺栓(未显示)通过位于该几个部件角落里的孔延伸，以将PEM燃料电池10夹在一起。
[00019]特别参考图2和图3，该MEA 12包括夹在阳极催化剂层28、阴极催化剂层30、阳极扩散介质32a和阴极扩散介质32b之间的膜26，如图所示，形成阳极侧H2流场的H2流动通道20a，紧邻阳极扩散介质32a，并与之直接流体连通。同样的，形成阴极侧O2流场的O2流动通道20b，紧邻阴极扩散介质32b，并与之直接流体连通。
[00020]在操作中，富H2流流进该阳极侧流场的入口侧，同时该O2流(例如空气)流进该阴极侧流场的入口侧。H2流动通过该MEA 12，阳极催化剂28的存在导致H2离解为氢离子(H+)，每一个放出一个电子。该电子从该阳极侧行进到电路(未显示)以使工作能够执行(例如电动机的旋转)。该膜层26使质子流动通过，同时阻止电子从此流动通过。因而该H+离子直接流动通过该膜，从而到达阴极催化剂28。在阴极侧该H+离子同O2结合，电子从电路返回，从而形成水。因为当反应剂流动通过它们各自的流场时，发生上述反应，所以大部分产物水通常聚集在阴极的出口侧附近。
[00021]相对于在图2中标识的x、y和z轴，讨论扩散介质32的性质。该x方向(或横轴)在平面内并与流动通道20垂直。该y方向(或侧轴)也在平面内但与流动通道20平行。最后，z方向通过x-y平面。
[00022]扩散介质32允许反应剂(即H2和O2)扩散，以及反应产物(即水)从此通过。以这种方式，该反应剂能够从流动通道20流动通过该扩散介质32并同它们各自的催化剂接触，从而使所需要的反应发生。如前所述，该反应的一种产物为水。对于该PEM燃料电池10的性能而言，H2O横跨该PEM燃料电池10的重新分布相当重要。该扩散介质32使得H2O从此流动通过，从更水化的区域流到较干燥的区域，从而均匀水化该PEM燃料电池10。此外，在该PEM燃料电池10的性能方面，电子的流动也是一个重要的因素。抑制的电子流动导致差的性能和低效率。
[00023]就性能需要而言，该扩散介质32足够导电且可渗透流体。为了在设置在流动通道20之间的平台18下输送反应气体和/或H2O，在x-和z-方向，该扩散介质32的流体可渗透性很高。电导率很高，从而在流动通道20上，从平台18将电子输送到MEA 12。在y-方向上的流体可渗透性和电导率不太重要。
[00024]本发明的扩散介质32是各向异性的，因此在x-、y-和z-方向上其性能不相同。结果，该扩散介质的性能与可容易辊压或者辊压良好的扩散介质，以及用于燃料电池的扩散介质的需要相匹配，该燃料电池具有大量的平行通道。该扩散介质32的特征在于两个重要的机械性能：拉伸弹性模量(MOE)和拉伸断裂模量(MOR)，当将力施加给扩散介质32时，该MOE基于压力和挠度测量。将该MOE定义为弹性应力除以弹性应变，其为固有的材料性能。作为所施加的弯曲力的结果，该MOR基于材料破坏的开始。对于脆性材料如碳纤维扩散介质而言，通常通过3或4点弯曲试验(例如分别通过ASTM D790或D6272)测量该拉伸MOE和MOR。
[00025]该扩散介质32的原始形式必须容易运输和易于大量生产。该扩散介质32的一种理想原始形式为经过辊压的、长的连续的片。卷可容易和高效地被运输到适当的组装地点。为易于辊压，该扩散介质32必须为柔性的。对于扩散介质的制造而言，使该扩散介质材料环绕一个大约6到12英寸的轴辊压是足够的。与这种柔性需要相反，该扩散介质32必须足够坚硬或刚性，以至于其不能冲到或隆起进入到流动通道20中。隆起进入导致在该流动通道20内的不期望的压降以及导致同催化剂层的电接触下降，从而降低了燃料电池的性能。
[00026]传统的、最通常使用的扩散介质材料为如由日本Toray(产品命名为TGPH-060)和美国马萨诸塞州的Spectracorp(2050A)制备的碳纤维纸。新近，将德国的SGL和日本的Mitsubishi Rayon生产的连续碳纤维纸用作扩散介质。在所有这些产品的加工顺序中，起初使用“湿法成网”(wet-laid)工艺形成碳纤维纸的连续卷，该工艺使用传统的造纸设备。在这种工艺中，将切短的碳纤维(例如7微米的直径，3到15毫米的长度)分散在水中并将之进料给网前箱，该网前箱使该分散体滴到旋转多孔鼓上或者具有真空干燥器的金属丝网筛上，从而去除水。将该仍然潮湿的网拖出远离该鼓或网筛的远侧，并在炉内或在热的大直径(例如1到2米)旋转鼓上充分干燥。在干燥工序的结尾，将该材料连续卷起。由于该制造工艺，这些材料中极大部分的纤维布置在机器方向，在该制造工艺中纤维在沉积成纤维层时被沿着机器方向拉伸。即使在网前箱中具有搅拌，如通过平面内电阻或者机械法测量显示的一样，机器方向与横跨机器方向比通常为1.5比1，而没有网前箱搅拌时，其可达到4或5比1。
[0027]在准备将如上所述制备的纸用于燃料电池之前，使之历经额外的加工。具体地，添加粘合剂和填料，将该产物成型为期望的厚度，并将之加热到碳化温度或石墨化温度，从而获得需要的导电率和导热率。
[00028]由于纤维优选排列在机器方向上，所以上述加工顺序自然地导致材料在机器方向比在横跨机器方向上柔性要低。不幸地是，这不是令人期望的，因为由于造纸工艺的这个特征，该材料变得更难辊压。
[0029]该扩散介质32的机械性能在x-和y-方向是不同的(即各向异性)，从而达到柔性(对于辊压)和刚性(为避免隆起)的需要。该在x-方向的拉伸MOE性能很高，从而阻止隆起，还阻止扩散介质32自其各个催化剂层脱出。该在y-方向的拉伸MOE性能很低，从而使得该扩散介质32可在y-方向辊压。在扩散介质的制备期间，优选通过连续制备机器将该材料加工成卷。这样，将该y-方向与机器方向对齐，将该x-方向与横跨机器方向对齐。就z-方向而言，优选可压缩弹性模量和强度很高，从而阻止在PEM燃料电池10内的扩散介质32过度压缩。该扩散介质32的过度压缩导致流体渗透率的降低。
[0030]扩散介质32可以绕其卷绕而不出现破裂的辊直径(r)基于该MOE和MOR性能。可根据下面的方程式估计该辊的直径(r)，该方程式基于Euler曲梁理论：
             r＝[(MOE)(t)]/[(2)(MOR)]
其中，t为该扩散介质32的厚度。因为该辊直径的预测还没经过试验数据的验证，所以将其称之为可辊压性指数(RI)，而不是最小辊直径的数量示值。r的值越小，该材料越可辊压。参考图2中的x和y方向，r在x和y方向上可不同。
[0031]参考下面的表1，在薄和厚的传统扩散介质(现有技术)和根据本发明的、薄和厚的示例性扩散介质32(受控取向)之间进行比较。在碳纤维加工顺序中，通过调节造纸步骤的工艺参数来制备取向受控材料。
                                  表1
MOR(psi) MOE(psi)   可辊压性指数(in)
材料   厚度(in) 机器   横跨机器 机器   横跨机器 机器   横跨机器
  薄扩散介质实施例
  现有技术   0.0072   6750   3450   1070000   493000   0.57   0.50
  受控取向   0.0083   4130   5770   457000   842000   0.46   0.60
  厚扩散介质实施例
  现有技术   0.0119   3410   2050   803000   249000   1.40   0.73
  受控取向   0.0120   1320   2950   196000   666000   0.89   1.35
应该意识到的是，该扩散介质32的性能仅仅是示例性的并可变化。如表所示，在为厚和薄的材料情况下，同传统的扩散介质(现有技术)相比，在机器方向(y-方向)，该扩散介质32(受控取向)显著降低了MOE和MOR性能，而在横跨机器(cross machine)方向(x-方向)，都显著增加了MOE和MOR性能。该改性工艺在机器方向降低了MOR，但因为该MOE减少因子更大，所以该改性材料的可辊压性指数(RI)相对于现有技术的指数下降。该材料最期望的改性为在机器方向降低MOE，而将MOR保持为常数。
[0032]使用不同尺寸的纤维来改变材料在机器方向和横跨机器方向上的性能。在该扩散介质32包括碳或石墨纤维40的情况下，同在y-方向上的纤维相比，在x-方向的纤维可更长和/或直径更大(参见图4)。作为选择，可引入一系列通常在x-方向排列的金属线42。该扩散介质32优选的机械要求包括在x-方向的MOE比在y-方向的MOE的两倍还要大。
[0033]现在参考图5，显示了一种示例性流场。该流场包括流动通道20和平台18。将该扩散介质32使用在燃料电池10中，从而该扩散介质32的具有最大MOE的平面内方向(即x-方向)排列为横跨流动通道20的主方向。该主通道方向是在x-y平面内的角方向，其具有最大的累积通道长度。
[0034]该流场的直通道部分具有0-180°之间的角度。也就是说，该直通道部分将位于与y方向垂直(即90°)，与x-方向垂直(即0或者180°)，或者在此之间的某角度。可测定该累积通道长度和主方向的角度的关系。例如，在图5中定义了一个单元长度。可基于该单元长度，确定该流动通道20沿着x-轴和y-轴的累积长度。下面的表2为示例性累积长度分析，其用于图5的示例性流场。
                     表2
  累积长度
  轴   阴极   阳极   总计
  X(0°±0.5°)   63   63   126
  Y(90°±0.5°)   16.6   16.6   33.2
[0035]表2显示用于图5流场的主方向沿着x-轴。应该意识到的是，在表2中提供的数值仅仅是示例性的，且表明采用定义的单元长度确定的用于图5的示例性流场的累积通道长度。
[0036]尽管优选将该扩散介质32的x-方向排列得与主流场方向相垂直，应该预料到的是该扩散介质的x方向可自垂直方向倾斜达大约+/-45°。
[0037]本发明说明书实际上仅仅是说明性的，因此，不违背本发明本质的改变应在本发明范围内。不认为这样的改变违背本发明实质和范围。

Claims (25)

1.一种PEM燃料电池，包括：
具有在其中形成的流场的电极板；以及
膜-电极组件，其包括邻近所述电极板设置的、可渗透性扩散介质，所述可渗透性扩散介质沿着横轴是刚性的，沿着侧轴是柔性的，且具有基本上不可压缩的厚度，其中所述横轴横跨所述流场的第一通道，所述第一通道限定主流向。
2.权利要求1的PEM燃料电池，其中所述可渗透性扩散介质是导电的。
3.权利要求1的PEM燃料电池，其中所述可渗透性扩散介质包括多个第一纤维，该纤维基本上沿所述横轴排列，多个第二纤维，该纤维基本上沿所述侧轴排列，以及其中所述多个第一纤维中的每一个比所述多个第二纤维中的每一个要大。
4.权利要求3的PEM燃料电池，其中同所述多个第二纤维中的每一个相比，所述多个第一纤维中的每一个具有更大的直径。
5.权利要求3的PEM燃料电池，其中同所述多个第二纤维中的每一个相比，所述多个第一纤维中的每一个具有更大的长度。
6.权利要求3的PEM燃料电池，其中所述多个第一和第二纤维中的每一个包括碳。
7.权利要求3的PEM燃料电池，其中所述多个第一和第二纤维中的每一个包括石墨。
8.权利要求3的PEM燃料电池，其中所述多个第一纤维中的每一个包括碳和石墨中的一种，以及所述多个第二纤维中的每一个包括碳和石墨中的一种。
9.权利要求1的PEM燃料电池，其中所述可渗透性扩散介质还包括多个基本上沿着所述横轴排列的条。
10.权利要求9的PEM燃料电池，其中所述多个条中的每一个由不锈钢制造。
11.用在PEM燃料电池中的扩散介质，包括：
沿着侧轴排列的多个第一纤维，以使该扩散介质沿着所述侧轴变形；
沿着横轴排列的多个第二纤维，以阻止该扩散介质沿着所述横轴变形；以及
其中所述多个第一和第二纤维为网状的，以使流体可渗透通过该扩散介质。
12.权利要求11的扩散介质，其中所述多个第一和第二纤维可导电。
13.权利要求11的扩散介质，其中所述多个第二纤维具有足够的尺寸，以在该扩散介质的厚度中提供高的拉伸和抗压强度。
14.权利要求13的扩散介质，其中预先确定所述多个第二纤维的长度，从而提供所述高拉伸和抗压强度。
15.权利要求14的扩散介质，其中预先确定所述多个第二纤维的直径，从而提供所述高拉伸和抗压强度。
16.一种用于质子交换膜(PEM)燃料电池的可渗透性扩散介质，包括：
限定机器方向和横跨机器方向的可渗透性主体，所述主体具有弹性模量，该模量在所述横跨机器的方向要比在所述机器方向大，且具有基本上不可压缩的厚度。
17.权利要求16的可渗透性扩散介质，其中所述可渗透性主体是导电的。
18.权利要求16的可渗透性扩散介质，还包括：
多个第一纤维，该纤维基本上在所述横跨机器方向上排列；
多个第二纤维，该纤维基本上在所述机器方向上排列；
其中所述多个第一纤维中的每一个要比所述多个第二纤维中的每一个大。
19.权利要求18的可渗透性扩散介质，其中同所述多个第二纤维中的每一个相比，所述多个第一纤维中的每一个具有更大的直径。
20.权利要求18的可渗透性扩散介质，其中同所述多个第二纤维中的每一个相比，所述多个第一纤维中的每一个具有更大的长度。
21.权利要求18的可渗透性扩散介质，其中所述多个第一和第二纤维中的每一个包括碳。
22.权利要求19的可渗透性扩散介质，其中所述多个第一和第二纤维中的每一个包括石墨。
23.权利要求18的可渗透性扩散介质，其中所述多个第一纤维中的每一个包括碳和石墨中的一种，以及所述多个第二纤维中的每一个包括碳和石墨中的一种。
24.权利要求16的可渗透性扩散介质，还包括多个基本上沿着所述横跨机器方向排列的条。
25.权利要求24的可渗透性扩散介质，其中所述多个条中的每一个由不锈钢制造。
CN2004800237613A 2003-08-18 2004-08-04 用在pem燃料电池中的扩散介质 Active CN101068953B (zh)

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