CN101252196B - 在活性区上带有受控扩散率的气体扩散层 - Google Patents

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Abstract

一种使用在PEM燃料电池内的扩散介质，包括具有合并到多孔基底层的第一侧上的微孔层的可变的穿孔图案尺寸和频率的薄穿孔层，其中扩散介质适合于改进燃料电池的水管理和性能。

Description

在活性区上带有受控扩散率的气体扩散层
技术领域
本发明涉及燃料电池，且更特定地涉及适合于改进燃料电池内的水管理的扩散介质及其准备方法，扩散介质包括多孔基底层、具有可变尺寸和可变穿孔图案频率的薄穿孔层和至少微孔层，其中微孔层和薄穿孔层施加到多孔基底层上。
背景技术
燃料电池日益用作电动车辆和其他应用的电源。在质子交换膜(PEM)燃料电池中，氢气供给到燃料电池的阳极侧且氧气作为氧化剂供给到燃料电池的阴极侧。在燃料电池内在反应物气体之间发生的反应在阳极侧处消耗了氢且在阴极侧处产生了产物水。PEM燃料电池包括膜电极组件(MEA)，膜电极组件包括薄的非导电的质子传送固体聚合物电解质膜，布置为使得阳极侧在一面上且阴极侧在相对的面上。
气体扩散介质在PEM燃料电池中起到了重要的作用。气体扩散介质一般地在燃料电池内布置在催化电极和双极板的流场通道之间，气体扩散介质提供了反应物和产物渗透性、导电性和导热性，以及燃料电池正常工作所需的机械强度。燃料电池的有效运行取决于在系统内提供有效的水管理的能力。扩散介质通过从催化电极去除产物水同时维持从双极板的气体流动通道到催化电极的反应物气体流动而防止水填充电极且限制了氧流动(已知为溢流)。
典型地，在PEM燃料电池中使用的扩散介质在介质的整个区上具有相对恒定的扩散阻力，因为孔在扩散介质中的结构和尺寸是均匀的。使用当前扩散介质的汽车燃料电池的性能是受限的，因为反应物流经常是不完全饱和，且电池的活性区上存在湿度和流(即水的生成)的大的变化。因此，在湿运行区域内产物水的去除速度必须与在干运行区域内维持一定程度的膜水合的需要平衡，以在燃料电池内获得满意的质子传导率。
因此，本发明是适合于提供变化的局部水管理能力的扩散介质，以实现最高的燃料电池性能。在此处所述的扩散介质中，在干区域内的改进的运行通过这样实现，即通过限制水蒸气在活动区的干区域内离开膜的流量以维持可接受的膜质子传导率，同时也维持可接受的反应物气体流动，且在燃料电池的湿区域内施加更少的限制以不因过度地保持水和反应物气体阻塞而降低燃料电池的性能。
发明内容
已发现了与本发明协调且一致的适合于改进水管理同时也改进燃料电池性能的扩散介质。
在另一个实施例中，使用在PEM燃料电池内的扩散介质包括具有第一侧和第二侧的多孔基底层，其中所述的基底层是导电的；具有多个穿孔的薄穿孔层；第一微孔层，其中所述的第一微孔层布置在所述的多孔基底层的第一侧和所述的薄穿孔层之间，所述的第一微孔层合并到所述的多孔基底层的第一侧内，且薄穿孔层合并到所述的第一微孔层内；和布置在所述的薄穿孔层上且与所述的薄穿孔层合并的第二微孔层。
在一个实施例中，使用在PEM燃料电池内的扩散介质包括具有第一侧和第二侧的多孔基底层，其中所述的多孔基底层是导电的；第一微孔层；和具有多个穿孔、第一侧和第二侧的薄穿孔层，其中所述的第一微孔层布置在所述的多孔基底层的第一侧和所述的薄穿孔层的第一侧之间且合并到所述的多孔基底层的第一侧和所述的薄穿孔层的第一侧中。
在另一个实施例中，用于制成使用在PEM燃料电池内的扩散介质的方法包括如下步骤：提供多孔基底层，其中所述的多孔基底层是导电的；提供带有可变的穿孔图案尺寸和频率之一的薄穿孔层；以含氟聚合物处理多孔基底层；将以含氟聚合物处理的多孔基底层涂敷以糊剂以形成微孔层；将薄穿孔层压在湿的微孔层上；将微孔层和多孔基底层干燥；和将多孔基底层、薄穿孔层和微孔层烧结在一起。
附图说明
从如下对优选实施例的详细描述中当根据附图考虑时，本发明的以上的以及其他的优点将对于本领域一般技术人员容易地显见，其中：
图1是根据本发明的实施例的气体扩散介质的截面视图；
图2是根据本发明的另一个实施例的气体扩散介质的截面视图；
图3是根据本发明的另一个实施例的气体扩散介质的截面视图；
图4是燃料电池堆的分解视图，示出了包括图1中示出的气体扩散介质的两个燃料电池；
图5是包括图1中示出的气体扩散介质的单一的PEM燃料电池的截面视图；
图6是示出了无薄穿孔层的气体扩散介质、具有25％开口面积的薄穿孔层的气体扩散介质和具有5％开口面积的薄穿孔层的气体扩散介质的总扩散阻力的表；
图7是示出了在以高相对湿度运行的燃料电池中的无薄穿孔层的气体扩散介质、具有25％开口面积的薄穿孔层的气体扩散介质和具有5％开口面积的薄穿孔层的气体扩散介质的电流电压性能的图；和
图8是示出了在以低相对湿度运行的燃料电池中的无薄穿孔层的气体扩散介质、具有25％开口面积的薄穿孔层的气体扩散介质和具有5％开口面积的薄穿孔层的气体扩散介质的电流电压性能的图。
具体实施方式
如下的详细描述和附图描述且图示了本发明的多种典型实施例。描述和附图用于使得本领域一般技术人员能制成和使用本发明，且不意图于以任何方式限制本发明的范围。关于所披露的方法，提出的步骤在本质上是典型的，且因此步骤的次序不是必需的或关键的。
图1图示了根据本发明的实施例的扩散介质10。扩散介质10包括多孔基底层12、第一微孔层14、薄穿孔层16和第二微孔层18。应理解的是，扩散介质10和其层12、14、16、18的厚度可以基于其内使用了扩散介质10的燃料电池的希望的性能变化。
多孔基底层12是具有第一侧20和第二侧22的碳纤维纸(CFP)。在示出的实施例中，多孔基底层12以例如聚四氟乙烯(PTFE)(未示出)的碳氟化合物聚合物处理。可以使用任何传统的CFP，例如由Mitsubishi Rayon Company生产的MRC U-105纸。应理解的是，多孔基底层12也可以是碳布或其他适合于导电和导热的常规材料。此外，多孔基底层12可以如希望地不处理或以不同于碳氟化合物聚合物的材料处理。
第一微孔层14和第二微孔层18由碳粉和碳氟化合物聚合物的混合物形成。应理解的是，第一微孔层14或第二微孔层18可以不要求，且可以使用第一微孔层14或第二微孔层18的仅一个。
薄穿孔层16具有多个选择地分布的穿孔43。薄穿孔层16也具有不穿孔的外周部分45，如在图5中示出。应理解的是，薄穿孔层16可以如希望地不具有不穿孔的外周部分45。在示出的实施例中，薄穿孔层16是石墨箔。然而，薄穿孔层16可以例如由例如金属片、聚合物材料、复合物材料、浸渍聚合物材料的其他常规材料或任何常规非传导材料形成。薄穿孔层16的穿孔43可以变化以产生局部特性的变化。例如，在薄穿孔层16内的穿孔43的尺寸和频率可以变化以提供不同的开口面积(即孔量)。降低薄穿孔层16内的穿孔43的频率导致扩散介质10的更高的曲折性(即有效孔长度)。可以使用均匀的石墨箔块以形成薄穿孔层16，或薄穿孔层16可以由多个具有相互相邻布置的不同尺寸和频率的穿孔的石墨箔片16a、16b形成，如在图2中图示。
为形成扩散介质10，多孔基底层12以PTFE处理，以形成已处理的多孔基底层12。具有希望的开口面积和穿孔图案的薄穿孔层16由石墨箔片(未示出)通过将石墨箔片卷绕在滚子(未示出)之间而形成，滚子具有适合于在箔中产生希望的图案、形状和尺寸的穿孔43的突起元件。可以使用类似于在授予Mercuri等人的美国专利No 6,521,369中所描述的连续过程或使用多步过程来如希望地形成薄穿孔层16。突起元件的尺寸和放置将基于穿孔43的希望的图案、形状和尺寸而变化，以获得通过扩散介质10的希望的扩散阻力。
然后，形成包括碳粉和碳氟化合物聚合物的混合物的糊剂(未示出)，且糊剂施加到多孔基底层12的第一侧20以形成第一微孔层14，使得第一微孔层14渗透到多孔基底层12的第一侧20上的孔内。当第一微孔层14是湿的时，薄穿孔层16压靠在多孔基底层12的第一侧20上的第一微孔层14上，使得第一微孔层14压入薄穿孔层16的穿孔43内，以将薄穿孔层16与第一微孔层14和多孔基底层12合并，如在图1中示出。然后允许第一微孔层14干燥。如在此所使用，合并理解为意味着扩散介质10的一层附着、穿透、渗漏或另外地渗透到邻近层的空隙空间内，以促进层的整合。
碳粉糊剂施加到薄穿孔层16以形成第二微孔层18，使得第二微孔层18渗透到薄穿孔层的穿孔内。已处理的多孔基底层12、第一微孔层14、薄穿孔层16和第二微孔层18然后在380℃或380℃附近烧结以形成扩散介质10。烧结过程导致第一微孔层14、薄穿孔层16、第二微孔层18和多孔基底层12附着在一起。“DIFFUSION MEDIA WITH AMICROPOROUS LAYER”的共同拥有的美国专利No 7,063,913在此通过参考合并，以进一步描述用于准备糊剂和其他材料的方法和在准备扩散介质10中使用的过程。应理解的是，如果薄穿孔层16是聚合物材料或类似的材料，则多孔基底层12、第一微孔层14、薄穿孔层16和第二微孔层18可以热压而导致层12、14、16、18附着到一起。
图4是示出了包括两个燃料电池的多电池燃料电池堆24的分解视图。应理解的是，在燃料电池堆24中的燃料电池的个数可以改变。如所示出，燃料电池堆24具有一对相互由导电的燃料分配元件30分开的膜电极组件(MEA)26和28，燃料分配元件在后文中称为双极板。MEA 26、28和双极板30在不锈钢夹板或端板32、34和端部接触元件36、38之间堆叠在一起。端部接触元件36是阴极，而端部接触元件38是阳极。端部接触元件36、38以及双极板30的两个工作面包含多个沟槽或通道40，以将燃料和氧化剂气体(即氢和氧)分配到MEA 26、28。双极板30和端部接触元件36和38可以由金属制成，但如果希望也可以由其他材料制造。例如，双极板和端部接触元件可以由石墨制造，石墨重量轻、耐腐蚀且在PEM燃料电池堆24的环境中导电的。
在图4中示出的实施例中，扩散介质10、10′、10″、10邻近密封件42。邻近扩散介质10、10′、10″、10
Figure 200810081456X_1
的密封件42是提供了燃料电池堆24的部件之间的密封和绝缘的垫圈。扩散介质10、10′、10″、10
Figure 200810081456X_2
的薄穿孔层16的未穿孔的外周部分45的部分布置为紧邻密封件42，以作为燃料电池堆的部件之间的次级垫圈。未穿孔的部分45或次级垫圈也可以限定阳极和阴极的活性区，例如在“CATALYST LAYER EDGEPROTECTION FOR ENHANCED MEA DURABILITY IN PEM FUELCELLS”的美国专利No 6,861,173中所教示的次级垫圈，在此通过参考将其合并。外周部分45也可以提供对板30、36、38的边缘的保护且防止酸性的且潜在地腐蚀性的膜接触板30、36、38和密封件42。未穿孔的外周部分45也可以作为MEA 26的机械支承。扩散介质10布置在端部接触元件36和MEA 26之间。扩散介质10′布置在MEA 26和双极板30的阳极侧之间，且扩散介质10″布置在双极板30的阴极侧和MEA 28之间。扩散介质10
Figure 200810081456X_3
布置在MEA 28和端部接触元件38之间。
图5示出了图4的组装后的燃料电池堆24的燃料电池的部分的截面视图。如所示出，MEA 26包括夹在阳极催化剂26c和阴极催化剂26b之间的质子交换膜26a。MEA 26布置在端部接触元件36和双极板30的阳极侧之间。扩散介质10布置在端部接触元件36和MEA 26之间，使得扩散介质10的多孔基底层12的第二侧22邻近端部接触元件36的通道40布置。扩散介质10的第二微孔层18邻近阴极催化剂26b布置。扩散介质10′布置在双极板30的阳极侧和MEA 26之间，使得扩散介质10′的多孔基底层12的第二侧22邻近双极板30的通道40。扩散介质10′的第二微孔层18邻近阳极催化剂26c布置。
在使用中，氢从氢源48供给到燃料电池堆24的端部接触元件38和双极板30的阳极侧50。氧作为氧化剂从氧源44供给到端部接触元件36和双极板30的阴极侧。替代地，可以将环境空气作为氧化剂供给到阴极侧且氢可以从甲醇或汽油转化器供给到阳极。
在阳极侧50处，氢被催化分裂为质子和电子。所形成的质子通过膜26a渗透到阴极侧52。电子沿外部负荷电路(未示出)行进到MEA26的阴极侧52，因此造成了燃料电池堆24的电流输出。同时，氧流输送到MEA 26的阴极侧52。在阴极侧52处，氧分子与通过膜26渗透的质子和通过外部电路到达的电子反应，以形成水分子(未示出)。扩散介质10、10′在燃料电池组件24的燃料电池的湿运行条件期间或湿区域处去除过多的产物水，以避免溢流电极26c和26b且也维持膜26的水合程度，以在燃料电池组件24的燃料电池的干运行条件期间或干区域处获得适当的质子传导率。在扩散介质10、10′内的过多的水通过歧管(未示出)由邻近和通过扩散介质10、10′的氢和氧气的流动从燃料电池堆24去除。
燃料电池堆24内的水管理整合到成功的长期燃料电池堆24运行。扩散介质10、10′帮助了燃料电池堆24内的水管理。扩散介质10、10′具有数个特定的功能。扩散介质10、10′提供了从流动通道40到催化剂层26b、26c的反应物气体进入。另外，扩散介质10、10′是导电的和导热的，以提供电子路径和对燃料电池堆24运行的除热。扩散介质10、10′也便于从燃料电池堆24的阴极侧52去除产物水且然后将水释放到流动通道40内以从燃料电池堆24去除。
对于适合于汽车应用的PEM燃料电池堆24，更干的稳态运行条件是有利的，从而要求扩散介质10具有良好的水保持能力，以维持膜26的希望的水合程度。因为带有高扩散阻力的扩散介质也降低了反应物质量运输，所以扩散介质10的扩散特性应合适地选择。在带有高局部相对湿度和低反应物浓度的燃料电池活性区的区域内，例如在板30、36、38的通道出口附近，可以通过使用带有低扩散阻力的扩散介质10优化性能。在带有低的局部相对湿度和高反应物浓度的燃料电池活性区的区域内，例如在板30、36、38的气体通道入口附近，可以通过使用带有高扩散阻力的扩散介质10优化性能。如在此所使用，活性区限定为单个燃料电池的可用于化学反应的表面区。活性区的尺寸可以基于燃料电池的适合于容纳冷却机构、反应物分配机构和密封机构的总面积而变化。
本发明提供了用于在燃料电池活性区上的扩散介质10内提供不同扩散特性的装置。通过将薄穿孔层16合并到扩散介质10内且改变穿孔43的尺寸、空间频率和几何图案而提供了不同的特性。改变薄穿孔层16的尺寸、空间频率和几何图案影响了通过扩散介质10的总体气体扩散特性。通过降低穿孔43的尺寸和频率降低了多孔性(ε)，而穿孔43的频率的降低导致扩散介质10的更高的曲折性(τ)。通过气体扩散层的自由扩散系数(D)和有效扩散系数(Deff)的比取决于扩散介质10的多孔性和曲折性。关系表示为D/Deff＝τ/ε。因此，在扩散介质10的薄穿孔层16内的穿孔43的尺寸和空间频率的降低导致D/Deff的增加。
图3图示了根据本发明的另一个实施例的扩散介质11。扩散介质11包括第一多孔基底层12、第一微孔层14、第一薄穿孔层16、第二微孔层18、第三微孔层14′、第二薄穿孔层16′和第四微孔层18′。应理解的是，扩散介质11和其层12、14、16、18、14′、16′、18′的厚度可以基于其中使用了扩散介质11的燃料电池的希望的性能而变化。
多孔基底层12是具有第一侧20和第二侧22的碳纤维纸(CFP)。在示出的实施例中，多孔基底层12以聚四氟乙烯(PTFE)(未示出)处理。可以使用任何传统的CFP，例如由Mitsubishi Rayon Company生产的MRC U-105纸。应理解的是，多孔基底层12也可以是碳布或其他适合于导电和导热的常规材料。此外，多孔基底层12可以如希望地不处理或以不同于碳氟化合物聚合物的材料处理。
第一微孔层14、第二微孔层18、第三微孔层14′和第四微孔层18′由碳粉和碳氟化合物聚合物的混合物形成。应理解的是，并非所有四个微孔层14、14′、18、18′都是希望的，且扩散介质11可以如希望地包括微孔层14、14′、18、18′的任何组合。
薄穿孔层16、16′具有多个选择地分布的穿孔，该穿孔类似于在图1和图2中示出的扩散介质10的穿孔43。在示出的实施例中，薄穿孔层16、16′是石墨箔。然而，薄穿孔层16、16′可以例如由例如金属片、聚合物或复合物材料的其他常规材料形成。薄穿孔层16、16′的穿孔可以变化以产生局部特性的变化。例如，在薄穿孔层16、16′内的穿孔43的尺寸和频率可以变化以提供不同的气体扩散阻力。降低薄穿孔层16、16′内的穿孔的频率导致扩散介质11的更高的曲折性(即有效孔长度)。应理解的是，薄穿孔层16、16′可以具有类似的穿孔图案的尺寸和频率，或薄穿孔层16、16′可以如希望地具有不同的穿孔图案的尺寸和频率。
为形成扩散介质11，多孔基底层12以PTFE处理，以形成处理的多孔基底层12。具有希望的穿孔图案的尺寸和频率的薄穿孔层16、16′由石墨箔片(未示出)通过将石墨箔片卷绕在滚子(未示出)之间而形成，滚子具有适合于在箔中产生希望的图案、形状和尺寸的穿孔43的突起元件。可以使用类似于在授予Mercuri等人的美国专利No6,521,369中所描述的连续过程或使用多步过程来如希望地形成薄穿孔层16、16′。突起元件的尺寸和放置将基于穿孔的希望的图案、形状和尺寸而变化，以获得希望的气体扩散阻力。
然后，形成包括碳粉和碳氟化合物聚合物的混合物的糊剂(未示出)，且糊剂施加到多孔基底层12的第一侧20和第二侧22以形成第一微孔层14和第三微孔层14′。当第一微孔层14和第三微孔层14′是湿的时，第一薄穿孔层16与多孔基底层12和第一微孔层14结合，使得第一微孔层14压入第一薄穿孔层16的穿孔43内，以将第一薄穿孔层16与第一微孔层14合并，如在图3中示出。糊剂然后施加到第一薄穿孔层16的暴露侧以形成第二微孔层18。当第二微孔层18是湿的时，第二薄穿孔层16′与第二微孔层18和第一薄穿孔层16结合，使得第二微孔层18压入第二薄穿孔层16′的穿孔43内以将第二薄穿孔层16′与第二微孔层18合并。碳粉糊剂然后施加到第二薄穿孔层16′的暴露侧以形成第四微孔层18′。然后允许微孔层14、14′、18、18′干燥。
然后将已处理的多孔基底层12、第一微孔层14、第一薄穿孔层16、第二微孔层18、第三微孔层14′、第二薄穿孔层16′和第四微孔层18′在380℃或380℃附近烧结。烧结过程导致微孔层14、14′、18、18′、薄穿孔层16、16′和多孔基底层12附着在一起。
以上所述的扩散介质可以使用在燃料电池的阴极侧52上、燃料电池的阳极侧50上或阴极侧52和阳极侧50两者上，以优化燃料电池组件24的水管理特性。在此描述的扩散介质10的定位将取决于流动通道40的设计和燃料电池组件24的运行情况。
本发明已参考优选实施例在上文中描述。进一步的非限制性例子在如下的例子中给出。
例子
将200微米厚的Mitsubishi MRC-U-105碳纤维纸浸入到PTFE分散液中以实现吸收大致10％重量百分比的PTFE。在纸干燥后，将由乙炔碳黑和PTFE混合物形成的糊剂涂敷在碳纤维纸的一侧上以形成微孔层。糊剂包括在水和乙醇溶液中散布的4.8％重量百分比的固体，且固体是重量比为3比1的乙炔碳黑和PTFE。在微孔层是湿的时，将来自Graftech International Ltd.的穿孔膨胀石墨箔压靠在微孔层和碳纤维纸上。在微孔层干燥后，另一个微孔层涂敷在薄穿孔石墨箔上。每涂层微孔层的大致加载为1mg/cm2，这导致大约20微米的干涂层厚度。最后，碳纸与微孔层和薄穿孔层在380℃下通过加热烧结。
通过以上所述的方法准备第一样本，扩散介质A，而省略薄穿孔层的合并。因此，扩散介质A具有两个糊剂涂层，以实现与包括薄穿孔层的样本大致相同的总微孔加载。根据以上的方法使用来自GraftechInternational Ltd.的石墨箔准备第二样本，扩散介质B，石墨箔具有157微米的平均厚度，每平方英寸10000个穿孔，且穿孔尺寸使得薄穿孔层具有25％的平均开口面积。第三样本，扩散介质C，使用来自GraftechInternational Ltd.的石墨箔准备，石墨箔具有190微米的平均厚度，每平方英寸10000个穿孔，且穿孔尺寸使得薄穿孔层具有5％的平均开口面积。因此，名义上，样本A与样本B和样本C之间的差异仅是总扩散介质厚度和薄穿孔层的存在。
图6示出了三个样本的为扩散阻力测量值的质量运输阻力值的表，其由在5cm2活性区的燃料电池中的极限电流测量计算出。极限电流测量和随后的有效扩散系数计算在如下文献中描述：D.Baker，C.Wieser，K.C.Neyerlin，M.W.Murphy，“The Use of Limiting Current to DetermineTransport Resistance in PEM Fuel Cells”.ECS Transactions，3(1)989-999(2006)，和U.Beuscher.“Experimental Method to Determine theMass Transport Resistance of a Polymer Electrolyte Fuel Cell”.J.Elec.Soc.，153(9)A1788-A1793(2006)。表中的值是总质量运输阻力
Figure S200810081456XD00101
其中“f”是考虑到燃料电池的通道几何形状的几何因数，且“h”是总气体扩散层的厚度。质量运输阻力的单位是秒/厘米(s/cm)。总质量运输阻力在200kPa的绝对气体压力下示出。图6示出了质量运输阻力从第一样本A到第二样本B到第三样本C的增加。因此，样本B、C的气体运输阻力随穿孔面积的降低而增加。
扩散介质样本A、B、C在燃料电池中在不同的运行条件下测试。图7和图8示出了样本A、B和C的关于电流和电压曲线的结果。在每个样本A、B和C上进行重复测试以产生六个曲线A1、A2、B1、B2、C1、C2。样本作为阴极扩散介质组装在带有Gore 5510膜电极组件的燃料电池内。Johnson Matthey扩散介质使用在阳极侧上。燃料电池包括带有5cm2的活性区的直通道。燃料电池在高的阳极化学计量关系和高的阴极化学定量关系下运行，除四个高电流密度的设定点外化学定量关系大多数大于10，四个高电流密度的设定点处化学定量关系在3至6之间。在以上的运行条件下在样本A、B、C上进行的测试已知为差异电池测试。在差异电池测试中，可以假定包括反应物浓度和相对湿度的运行条件沿测量区内的通道是恒定的。
图7示出了在80℃、150kPa绝对压力和71％相对湿度下进行的样本A、B、C的电流与电压的曲线。第二样本B1、B2的曲线和第三样本C1、C2的曲线示出与第一样本A1、A2的曲线相比，在相对低的电流(1.0A/cm2和1.0A/cm2以下)下无明显性能差异，而第三样本C1、C2的电压在高电流密度(1.5A/cm2)下示出了明显的下降。第一样本A1、A2和第二样本B1、B2已示出在此运行条件下扩散介质具有稳定的水管理能力。
图8示出了在80℃、150kPa和22％相对湿度下进行的样本A、B、C的电流与电压的曲线。在此相对干的条件下，曲线具有明显的扩散。与第一样本A1、A2相比，第三样本C1、C2的曲线示出了燃料电池的性能改进。与第一样本A1、A2相比，第二样本B1、B2的曲线示出了燃料电池的更大的性能改进。与第一样本A1、A2相比，带有薄的穿孔箔的第二样本B1、B2和第三样本C1、C2示出了在相对干的条件下的更好的水管理能力。
因此，在相对湿和干的运行条件下，不同的气体扩散介质样本A、B、C的益处已在以上的例子中图示。将薄穿孔层16合并到多孔基底层12内示出了在燃料电池堆内取决于薄穿孔层16的特定的穿孔特征的扩散阻力的增加和水管理能力增加。
从前述描述中，本领域一般技术人员可以容易地确定本发明的基本特征，且可以对本发明进行不偏离本发明的精神和范围的多种改变和修改以使其适合于多种使用和条件。

Claims (20)

1.一种使用在PEM燃料电池中的扩散介质，包括：
具有第一侧和第二侧的多孔基底层，其中所述的多孔基底层是导电的；
第一微孔层；和
具有多个穿孔、第一侧和第二侧的薄穿孔层，其中所述的第一微孔层布置在所述的多孔基底层的第一侧和所述的薄穿孔层的第一侧之间且合并到所述的多孔基底层的第一侧和所述的薄穿孔层的第一侧中。
2.根据权利要求1所述的扩散介质，进一步包括布置在所述的薄穿孔层的第二侧上且合并到所述的薄穿孔层的第二侧中的第二微孔层。
3.根据权利要求1所述的扩散介质，其中所述的多孔基底层是碳纤维纸。
4.根据权利要求1所述的扩散介质，其中所述的薄穿孔层是膨胀石墨箔。
5.根据权利要求2所述的扩散介质，其中所述的第一微孔层和所述的第二微孔层是碳粉、碳氟化合物聚合物以及碳粉和碳氟化合物聚合物的混合物中的一个。
6.根据权利要求5所述的扩散介质，其中碳氟化合物聚合物是聚四氟乙烯。
7.根据权利要求1所述的扩散介质，其中所述的薄穿孔层在扩散介质的活性区上具有变化的穿孔图案尺寸和频率，以便于变化的水管理能力。
8.根据权利要求7所述的扩散介质，其中变化的穿孔图案尺寸和频率可以在单一的薄穿孔片上准备或通过将多个穿孔片组合而准备，多个穿孔片的每个具有均匀的穿孔图案尺寸和频率。
9.根据权利要求1所述的扩散介质，其中所述的薄穿孔层包括适合于在燃料电池的部件之间形成次级垫圈的未穿孔的外周。
10.根据权利要求1所述的扩散介质，其中所述的第一微孔层、所述的多孔基底层和所述的薄穿孔层烧结在一起。
11.一种使用在PEM燃料电池内的扩散介质，包括：
具有第一侧和第二侧的多孔基底层，
其中所述的基底层是导电的；
具有多个穿孔的薄穿孔层；
第一微孔层，其中所述的第一微孔层布置在所述的多孔基底层的第一侧和所述的薄穿孔层之间，所述的第一微孔层合并到所述的多孔基底层的第一侧内，且薄穿孔层合并到所述的第一微孔层内；和
布置在所述的薄穿孔层上且与所述的薄穿孔层合并的第二微孔层。
12.根据权利要求11所述的扩散介质，其中所述的第一微孔层和所述的第二微孔层是碳粉、碳氟化合物聚合物以及碳粉和碳氟化合物聚合物的混合物中的一个。
13.根据权利要求12所述的扩散介质，其中碳氟化合物聚合物是聚四氟乙烯。
14.根据权利要求11所述的扩散介质，其中所述的薄穿孔层在扩散介质的活性区上具有变化的穿孔图案尺寸和频率，以便于变化的水管理能力。
15.根据权利要求14所述的扩散介质，其中变化的穿孔图案尺寸和频率可以在单一的薄穿孔片上准备或通过将多个穿孔片组合而准备，多个穿孔片的每个具有均匀的穿孔图案尺寸和频率。
16.根据权利要求11所述的扩散介质，其中所述的薄穿孔层包括适合于在燃料电池的部件之间形成次级垫圈的未穿孔的外周。
17.根据权利要求11所述的扩散介质，其中所述的第一微孔层、所述的多孔基底层和所述的薄穿孔层烧结在一起。
18.一种用于制成使用在PEM燃料电池内的扩散介质的方法，包括如下步骤：
提供多孔基底层，其中所述的多孔基底层是导电的；
提供带有可变的穿孔图案尺寸和频率之一的薄穿孔层；
以含氟聚合物处理多孔基底层；
将以含氟聚合物处理的多孔基底层涂敷以糊剂以形成微孔层；
将薄穿孔层压在湿的微孔层上；
将微孔层和多孔基底层干燥；和
将多孔基底层、薄穿孔层和微孔层烧结在一起。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括使用滚子形成薄穿孔层的步骤，该滚子具有希望的图案的突起，以获得希望的穿孔图案尺寸和频率。
20.根据权利要求18所述的方法，进一步包括提供多个在微孔层上布置为相互邻近的薄穿孔层的步骤，以获得希望的变化的气体扩散阻力。
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