CN101116204B - 有利于消除mea边缘破损的吸收热塑性聚合物的扩散介质 - Google Patents

有利于消除mea边缘破损的吸收热塑性聚合物的扩散介质 Download PDF

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Abstract

一种燃料电池(40)，其包括用于防止氢和空气与裸膜(16)接触的阻挡剂(42)。这从而防止空气和氢气在催化剂层(22，26)的外边缘反应。阻挡剂沉积在燃料电池的阳极(14)和阴极侧(12)之一或两者的扩散介质层(20，24)中。阻挡剂在扩散介质层中延伸到足够远使其进入催化剂层的外侧边缘中。在一个实施方案中，阻挡剂是热塑性聚合物，例如PVDF，它以熔融状态流入扩散介质层，在那硬化。

Description

有利于消除MEA边缘破损的吸收热塑性聚合物的扩散介质
技术领域
本发明一般涉及燃料电池，尤其涉及包括扩散介质层的燃料电池，该扩散介质层具有防止氢气和氧气在催化剂层的外边缘结合并反应由.此产生膜破损而选择性定位的阻挡剂。
背景技术
由于氢清洁并且能用于燃料电池中有效地产生电能，因此它是非常有吸引力的燃料。在氢燃料电池作为交通工具能源的发展中，汽车工业消耗大量能源。这种车辆会比现在的使用内燃机的车辆更有效并且产生更少的排放物。
氢燃料电池是包括其间具有电解质的阳极和阴极的电化学装置。阳极接受氢气，阴极接受氧气或空气。氢气在催化剂的作用下在阳极分解，生成自由氢质子和电子。氢质子通过电解质到达阴极。氢质子在催化剂的作用下在阴极与氧和电子反应，生成水。阳极的电子不能通过电解质，因此在到达阴极之前直接通过负载来工作。其工作是驱动车辆。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是车辆的普遍燃料电池。PEMFC一般包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟酸膜。阳极和阴极通常包括细小的催化颗粒，一般是铂(Pt)，其负载在碳颗粒上并与离子聚合物混合。阳极、阴极和膜组合限定了膜电极组件(MEA)。制造MEA相对昂贵并要求一定条件才能有效运行。这些条件包括适度的水控制和湿度，对使催化剂中毒的组分，例如一氧化碳(CO)的控制。
许多燃料电池通常组合成燃料电池堆来产生所需的电能。例如，用于车辆的典型的燃料电池堆可以具有两百个堆叠的燃料电池。燃料电池堆接受阴极输入气体，例如空气，通常通过压缩机迫使其通过堆。并不是空气中所有氧都被堆消耗，一些空气作为包括堆副产物水的阴极排放气体输出。燃料电池堆还接受流入到堆阳极侧的阳极氢输入气体。
图1是上述讨论类型的燃料电池10的横截面图。燃料电池10包括通过电解质膜16分开的阴极侧12和阳极侧14。阴极扩散介质层20设置在阴极侧12，阴极催化剂层22设置在膜16和扩散介质层20之间。与此类似，阳极扩散介质层24设置在阳极侧14，阳极催化剂层26设置在扩散介质层24和膜16之间。催化剂层22和26以及膜16限定MEA。扩散介质层20和24是多孔层，提供该多孔层用来使输入气体传输到MEA和从MEA传输水。本领域已知用于分别在扩散介质层22和24上，或在膜16的适当侧上沉积催化剂层22和26的各种技术。
包括流场的双极板18提供用于阴极侧12的空气流36，包括流场的相对的双极板30提供用于阳极侧14的氢气流28。如本领域所公知，双极板18和30分隔燃料电池堆中的燃料电池。如上所讨论，氢气流28在催化剂层26中与催化剂反应分解成氢离子和电子。氢离子能够通过膜16蔓延，在此它们与空气流36和催化剂层22中返回的电子电化学反应生成水。
燃料电池必须具有一定耐用性而使其在汽车应用或其他方面是可行的。已经观察到有时膜16在分别邻近催化剂层22和26的外边缘32和34处过早破损，因此缩短了燃料电池的耐用性和寿命。众所周知膜16对气体透过不具有无限的阻力。认为氢气流28和/或空气流36之一或两者通过催化剂层边缘32和34外部的膜16，在催化剂层边缘32和34与其他的氢气流28或空气流36反应。催化剂层22和26的外侧边缘32和34是气体混合物与催化剂相遇的第一位置。
这一总反应与发生在催化剂层22和26的半反应的总和相同；然而没有来自气体交叉反应的能量用于使电子通过外部电路。这种额外的能量以产生热的形式显现。换句话说，由于是空气和氢气而不是氧气和氢离子在催化层22和26的外侧边缘32和34自动反应，通过该反应产生的能量没有被外电路捕捉到。该气体反应产生的所有能量转化为热，这导致邻近催化剂层边缘32和34的膜16过早损坏。如果空气流35通过膜16，则形成H2O2，这也会使膜16化学退化。
发明内容
根据本发明的教导，公开的燃料电池包括用于防止氢和氧接触裸膜的阻挡剂。该阻挡剂从而防止空气和氢气在催化剂层外边缘反应。阻挡剂沉积在燃料电池阳极和阴极侧之一或两者的扩散介质层中。阻挡剂在扩散介质层中延伸足够远以使其延伸到催化剂层的外边缘中。在一个实施方案中，阻挡剂为热塑性聚合物，例如PVDF，它在熔融状态下流入扩散介质层，在那里硬化。
结合附图，从下面的描述和附加的权利要求中本发明其他的优点和特征将更加明显。
附图说明
图1是已知燃料电池横截面图；
图2是根据本发明一个实施方案的在扩散介质层中使用阻挡剂的燃料电池的横截面图；以及
图3是示出已知燃料电池和本发明的使用阻挡剂的燃料电池的电池电压和工作时间之间关系的曲线图，横轴是工作时间，纵轴是电池电压。
具体实施方式
涉及使用氢和空气阻挡剂的燃料电池的本发明实施方案的下面描述本质上仅是示例性的，并不旨在限定本发明或其应用或使用。
图2是与燃料电池10相似的燃料电池40的横截面图，其中相同的附图标记表示相同的元件。根据本发明的一个实施方案，扩散介质层20和24包括从扩散介质层20和24的端部分别延伸至催化剂层22和26的边缘32和34内适当距离位置的阻挡剂42。阻挡剂42可以是形成在扩散介质层20和24中作为阻挡或阻碍空气流36和氢气流28之一或两者在催化剂层22和26外部通过膜16蔓延的任何适当材料。换句话说，阻挡剂42迫使空气流36和氢气流28在进入膜16之前分别进入催化剂层22和26。因此，阻挡剂42防止空气流36和氢气流28不是首先通过催化剂层22和26而通过膜16。
由于到达催化剂层22和26的气体反应，没有气体到达膜16，也没有气体通过膜16。这防止了氢和氧在外侧边缘32和34的非控制反应，从而防止了膜16在邻近催化剂层22和26的外侧边缘32和34处损坏。
在这一实施方案中，提供阻挡剂42通过扩散介质层20和24的全部厚度。这是非限定性实例，因为阻挡剂42可以选择性地形成在扩散介质层20和24中以使阻挡剂42仅通过扩散介质层20和24的部分厚度，优选最接近膜16。
而且，在这一实施方案中，在扩散介质层20和24中都提供阻挡剂42。并不是特别清楚过早损坏是由通过膜16蔓延的空气流36或氢气流28之一还是两者引起。因此，阻挡剂42可以仅对扩散介质层20和24之一是必须的，例如阳极扩散介质层24。
阻挡剂42不需要必须阻挡流36和28的扩散。即使阻挡剂42的气体扩散不能忽略，扩散介质层20和24的厚度也应当足够大来迫使流36和28分别朝向邻近催化剂层22和26的扩散介质层20和24的区域。这是因为阻挡剂42仅需要填充扩散介质层20和24的空隙来增加流36和28的气体扩散长度。
阻挡剂42可以是任何适用于上述目的的阻挡剂。例如，阻挡剂42可以是热塑性聚合物，例如聚芳基(醚酮)或聚乙烯。在一个实施方案中，阻挡剂42是聚偏二氟乙烯(PVDF)。PVDF是良好的阻挡剂，因为它的熔融温度大约是170℃，该温度高于燃料电池40的操作温度，然而其又没有高到难于通过标准工艺熔融并迫使流入扩散介质层20和24。PVDF在酸环境，例如燃料电池中，也具有化学稳定性。
下面的描述提供用于将PVDF引入扩散介质层20和24的一种方式。在一个实施方案中，使用尺寸为73mm2的标准Toray 060扩散介质(添加7％的PTFE)。两片0.003英寸厚
Figure G2005800123744D00041
PVDF切成外尺寸为74mm2和内尺寸为66mm×67mm的框。框集中在扩散介质层20和24的两侧使得在PVDF框的所有侧有等重叠。将PVDF-DM-PVDF多层结构置于两片商标为的聚酰亚胺膜和两片商标为
Figure G2005800123744D00043
的PTFE之间。将整个层结构置于两个铝板之间并在350°F 0.1吨下热压10分钟，然后在350°F 0.5吨下热压10分钟。热压之后，除去材料并研究。PVDF被完全吸收，或连续遍及扩散介质层。
然后将用阻挡剂42改性的扩散介质层20和24置于50cm2的燃料电池中来测试它们的效力。图3为示出测试结果的曲线图，横轴表示工作时间，纵轴表示电池电压。包含含有阻挡剂42的改性扩散介质层20和24的燃料电池用曲线50和52表示。包括含相同类型MEA且不改性的标准扩散介质层的基准燃料电池用曲线54和56表示。曲线50和54表示没有电流从燃料电池放出得到的数据，曲线52和56表示从燃料电池放出0.8A/cm2的标准化电流得到的数据。燃料电池都在95℃、200kPa压力下、在阳极入口相对湿度为75％、在阴极入口相对湿度为50％的条件下运行。曲线54和56表示大约100小时之后基准燃料电池中发生的电压迅速下降并产生损坏。当拆卸燃料电池时，观察到显著的边缘损坏。
使用吸收PVDF的扩散介质层的燃料电池运行达约175小时伴随着非常不显著的电池电压损失。另外，测量外部短路电流和气体交叉电流(crossovercurrent)并示于下表1中。在燃料电池的工作期间交叉电流不显著增加。如果MEA严重退化，那么交叉电流会增加。当拆卸燃料电池时，没有催化剂层边缘损坏的迹象。损坏主要发生在MEA的活性区域。
表1
  工作时间(hr)   短路电流(A)   交叉电流(A)   具有3psiΔP(阳极-阴极)的交叉电流(A)
  0   0.011   0.018   0.024
  70   0.026   0.036   0.044
  112   0.022   0.031   0.046
  173   0.028   0.030   0.062
上述的讨论仅公开和描述了本发明的示例性实施方案。本领域技术人员容易从这些讨论和附图以及权利要求中得到启示，在不脱离下面的权利要求限定的本发明的精神和范围内，作出各种变化、改进和变动。

Claims (23)

1.一种燃料电池，其包括：
包括阳极扩散介质层和阳极催化剂层的阳极侧；
包括阴极扩散介质层和阴极催化剂层的阴极侧；以及
位于阳极催化剂层和阴极催化剂层之间并与它们接触的膜，其中扩散介质层之一或两者包括阻挡剂，该阻挡剂防止或阻碍流过扩散介质层的气体不是首先流过催化剂层而流到膜，其中阻挡剂形成在扩散介质层之一或两者的侧边缘内的一定距离，该距离是使该阻挡剂从所述扩散介质层之一或两者的端部延伸至催化剂层的外边缘内适当距离位置的距离。
2.根据权利要求1的燃料电池，其中提供阻挡剂通过扩散介质层之一或两者的全部厚度。
3.根据权利要求1的燃料电池，其中提供阻挡剂仅通过扩散介质层之一或两者的部分厚度。
4.根据权利要求1的燃料电池，其中阻挡剂均匀遍布于扩散介质层之一或两者。
5.根据权利要求1的燃料电池，其中阻挡剂是热塑性聚合物。
6.根据权利要求5的燃料电池，其中阻挡剂选自聚偏二氟乙烯、聚芳基醚酮和聚乙烯。
7.根据权利要求1的燃料电池，其中燃料电池是燃料电池堆的一部分。
8.根据权利要求7的燃料电池，其中燃料电池堆用在交通工具上。
9.一种燃料电池，其包括：
包括阳极扩散介质层和阳极催化剂层的阳极侧，其中阳极扩散介质层包括阻挡剂，该阻挡剂防止或阻碍流过扩散介质层的气体不是首先流过催化剂层而流到膜，其中阻挡剂形成在阳极扩散介质层的侧边缘内一定距离，该距离是使该阻挡剂从所述阳极扩散介质层的端部延伸至该阳极催化剂层的外边缘内适当距离位置的距离；
包括阴极扩散介质层和阴极催化剂层的阴极侧，其中阴极扩散介质层包括阻挡剂，该阻挡剂防止或阻碍流过扩散介质层的气体不是首先流过催化剂层而流到膜，其中阻挡剂形成在阴极扩散介质层的侧边缘内一定距离，该距离是使该阻挡剂从所述阴极扩散介质层的端部延伸至该阴极催化剂层的外边缘内适当距离位置的距离；以及
位于阳极催化剂层和阴极催化剂层之间并与它们接触的膜。
10.根据权利要求9的燃料电池，其中提供形成在阳极扩散介质层中的阻挡剂使其通过阳极扩散介质层的全部厚度，并且提供形成在阴极扩散介质层中的阻挡剂使其通过阴极扩散介质层全部厚度。
11.根据权利要求9的燃料电池，其中提供形成在阳极扩散介质层中的阻挡剂使其通过阳极扩散介质层的仅部分厚度，并且提供形成在阴极扩散介质层中的阻挡剂使其通过阴极扩散介质层的仅部分厚度。
12.根据权利要求9的燃料电池，其中阻挡剂均匀遍布于阳极和阴极扩散介质层。
13.根据权利要求9的燃料电池，其中阻挡剂是热塑性聚合物。
14.根据权利要求13的燃料电池，其中阻挡剂选自聚偏二氟乙烯、聚芳基醚酮和聚乙烯。
15.根据权利要求9的燃料电池，其中燃料电池是燃料电池堆的一部分。
16.根据权利要求15的燃料电池，其中燃料电池堆用在交通工具上。
17.一种制造燃料电池的方法，该方法包括：
提供阳极扩散介质层；
提供阳极催化剂层；
提供阴极扩散介质层；
提供阴极催化剂层；
在阳极扩散介质层或阴极扩散介质层之一或两者中沉积阻挡剂，使阻挡剂形成在所述阳极扩散介质层或阴极扩散介质层之一或两者的侧边缘内的一定距离，该距离是使该阻挡剂从所述扩散介质层之一或两者的端部延伸至催化剂层的外边缘内适当距离位置的距离，其中阻挡剂防止或阻碍流过扩散介质层的气体不是首先流到催化剂层而流到膜；以及
提供位于阳极催化剂层和阴极催化剂层之间并与它们接触的膜。
18.根据权利要求17的方法，其中沉积阻挡剂包括沉积阻挡剂使其均匀遍布于阳极和/或阴极扩散介质层。
19.根据权利要求17的方法，其中沉积阻挡剂包括在阳极扩散介质层中沉积阻挡剂使其通过阳极扩散介质层的全部厚度和/或在阴极扩散介质层中沉积阻挡剂使其通过阴极扩散介质层的全部厚度。
20.根据权利要求17的方法，其中沉积阻挡剂包括在阳极扩散介质层中沉积阻挡剂使其通过阳极扩散介质层的仅部分厚度和/或在阴极扩散介质层中沉积阻挡剂使其通过阴极扩散介质层的仅部分厚度。
21.根据权利要求17的方法，其中沉积阻挡剂包括使阻挡剂熔融、使阻挡剂流入阳极和/或阴极扩散介质层，以及在阳极和/或阴极扩散介质层中硬化阻挡剂。
22.根据权利要求17的方法，其中沉积阻挡剂包括沉积热塑性聚合物。
23.根据权利要求22的方法，其中沉积阻挡剂包括沉积选自聚偏二氟乙烯、聚芳基醚酮和聚乙烯的阻挡剂。
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