CN102088096A - 用于燃料电池应用的气体扩散层 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于燃料电池应用的气体扩散层(GDL)，其能够防止双极板的通道被挤入。在不改变制造气体扩散层的现有方法的情况下，气体扩散层通过以一特定的角度切割GDL材料以使得GDL材料的固有的高刚性的加工方向不与双极板的主流场方向平行来制造，以防止GDL挤入双极板的通道。由于该气体扩散层，即使在卷起的GDL材料的宽度较小的情况下，燃料电池的电化学性能能够得到改善并且制造工艺能够得到改善。

Description

用于燃料电池应用的气体扩散层
相关申请的交叉引用
该申请根据35U.S.C.§119(a)要求于2009年12月3日提交的韩国专利申请第10-2009-0119314号的优先权，在此引入其全部内容作为参考。
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池应用的气体扩散层(GDL)，其用于排放在燃料电池组中作为电化学反应的产物的水以及转移电子。
背景技术
通常，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)被用作车辆的燃料电池。PEMFC应当能够在宽的电流密度范围内稳定地运行，以致于其在车辆的各种运行条件下通常显示至少几十kW的高功率性能[S.Park，J.Lee和B.N.Popov，J.Power Sources，177，457(2008)]。
该燃料电池通过氢与氧之间的电化学反应产生电力。提供给作为燃料电池的氧化电极的阳极的氢被解离成质子(或氢离子)和电子。质子通过聚合物电解质膜被传送至作为还原电极的阴极，并且电子通过外部电路被传送至阴极。在阴极，质子和电子与含有氧的空气反应以产生电和热，并且同时，产生作为反应副产物的水。
当电化学反应过程中产生的适量水存在于燃料电池中时，其执行保持膜电极组件(100)的湿度的功能。然而，当过量的水存在并且未被适当去除时，在高电流密度处产生溢流现象(flooding phenomenon)，并且溢流的水阻止反应气体有效地提供给该燃料电池，其导致电压损失的增加。
在此，包含在燃料电池中的气体扩散层的功能将更加详细地描述。
图1是示出包括气体扩散层的单元电池结构的示意图。
气体扩散层附着于每个催化剂层的外表面，所述催化剂层涂覆在单元电池的氧化电极和还原电极的聚合物电解质膜的两侧。该气体扩散层的功能是提供例如氢和空气(氧)的反应气体、转移通过电化学反应产生的电子、以及排出通过反应产生的水以使燃料电池中的溢流现象最小化。
典型地，市售的气体扩散层具有双层结构，包括当通过水银注入测量时孔径小于1μm的微孔层(MPL)和孔径为1至300μm的大孔衬底(或衬背)[X.L.Wang，H.M.Zhang，J.L.Zhang，H.F.Xu，Z.Q.Tian，J.Chen，H.X.Zhong，Y.M.Liang，B.L.Yi，Electrochimica Acta，51，4909(2006)]。
通过将例如乙炔炭黑和黑珍珠碳的碳粉与例如聚四氟乙烯(PTFE)的疏水剂混合并且将上述混合物涂覆在大孔衬底的一侧或者两侧而形成气体扩散层的微孔层。
同时，气体扩散层的大孔衬底一般由碳纤维和例如PTFE的疏水剂组成，并且可由碳纤维织物、碳纤维毡或碳纤维纸形成[S.Escribano，J.Blachot，J.Etheve，A.Morin，R.Mosdale，J.Power Sources，156，8(2006)；M.F.Mathias，J.Roth，J.Fleming，和W.Lehnert，Handbookof Fuel Cells-Fundamentals，Technology and Applications，Vol.3，Ch.42，John Wiley & Sons(2003)]。
对于燃料电池应用来说，优化气体扩散层的结构设计是必要的，以使气体扩散层根据其应用领域和运行条件提供适当的性能。通常，在用于燃料电池应用的气体扩散层的形成中，碳纤维毡或碳纤维纸优于碳纤维织物，因为碳纤维毡和碳纤维纸具有卓越的特性，例如反应气体供应特性、产物水排出特性、压缩特性以及操作特性。
此外，根据复杂和多样的结构差异，例如厚度、透气性、压缩性、疏水度、碳纤维的结构、多孔性/孔分布、孔弯曲度、电阻以及弯曲刚度，气体扩散层对燃料电池的性能具有重要的影响。特别地，众所周知的是在大规模运输领域存在重要的性能差异(日本专利第3331703B2号)。
最近，随着燃料电池的商业化，对于作为燃料电池核心元件的气体扩散层的大规模生产的广泛研究和开发已经取得了持续的进展。气体扩散层在燃料电池中应当提供卓越的性能，并且当在燃料电池组中装配数百个电池时应当具有适当的刚性等级以提供卓越的操作特性。当在GDL材料的卷起方向上气体扩散层的刚性非常高时，为了运输和存储而卷起该GDL材料是困难的，并且从而降低了大规模的生产率。此外，根据先前的报导，当气体扩散层的刚性在燃料电池中不足时，如图2所示，气体扩散层106在燃料电池的装配过程中可能挤入双极板(或隔板)200的流场通道202(其称作“GDL挤入”)[Iwao Nitta，Tero Hottinen，Qlli Himanen，Mikko Mikkola，J.Power Sources，171，26(2007)；Yeh-Hung Lai，Pinkhas A.Rapaport，Chunxin Ji，Vinod Kumar，J.Power Sources，184，120(2008)；J.Kleemann，F.Finsterwalder，W.Tillmetz，J.Power Sources，190，92(2009)；M.F.Mathias，J.Roth，M.K.Budinski，US 7,455,928B2；T.Kawashima，T.Osumi，M.Teranishi，T.Sukawa，US 2008/0113243A1]。
当发生GDL挤入双极板(200)的流场通道时，为了传送反应气体和产物水所要求的空间减少，并且增加了气体扩散层(106)、双极板的肋或台面(204)、以及聚合物电解质膜电极组件(100)之间的接触电阻，这导致在燃料电池性能方面的显著退化。
由于GDL挤入现象与双极板的流场结构紧密相关，所以重要的是适当地设计流场结构并且增加气体扩散层的机械特性，例如弯曲刚度以便获得卓越的燃料电池性能。
典型地，燃料电池双极板由主流场和次流场组成，并且必要的是防止气体扩散层挤入主流场方向上的通道。为了这个目的，重要的是增加气体扩散层定向在宽度(W)方向上而不是与双极板的主流场方向平行的长度(L)方向上的刚性。否则，如图2所示，当具有低的刚性的气体扩散层被定向在双极板的主流场的宽度方向上时，增加了GDL对双极板的主流场的挤入。
为了解决这种现象，可以使用气体扩散层的固有的各向异性特性。
即，在由碳纤维毡或碳纤维纸作为支撑形成的该气体扩散层中，在形成过程中更大数量的碳纤维被定向在加工(machine)方向上，并且从而在该加工方向上的气体扩散层具有比在与加工方向相交的方向(CMD)或横向(TD)上的气体扩散层更高的机械特性，例如弯曲刚度、拉伸应力等。
因此，典型的是卷起的GDL材料的加工方向指向高的刚性方向，并且与加工方向相交的方向指向低的刚性方向。
通常，气体扩散层经由专门的工艺通过有意的排列在与加工方向相交的方向上具有更大的长度或直径的碳纤维，或者通过引入金属加固材料以增加气体扩散层在双极板的主流场的宽度方向上的刚性来生产，从而防止气体扩散层挤入双极板的通道(202)。此外，通过排列在加工方向上具有更小长度或直径的碳纤维来生产气体扩散层，以利于GDL材料的卷动从而获得为了卷动所需的挠性[M.F.Mathias，J.Roth，M.K.Budinski，US 7,455,928 B2]。
然而，这种方法具有如下问题：有必要通过在制造气体扩散层的典型方法中增加复杂的工艺来修改方法，并且特别地，当引入不同种类的金属加固材料时可能导致多种问题，例如与气体扩散层的弱混溶性、不均匀性等。
根据为了防止GDL挤入而使用碳纤维编织织物的各向异性特性的另一现有技术的方法，该织物的物理特性和操作特性不足，并且因此难以使用这种方法制造用于燃料电池车辆应用的气体扩散层。[T.Kawashima，T.Osumi，M.Teranishi，T.Sukawa，US 2008/0113243 A1]。
因此，用于防止GDL挤入双极板的流场通道的之前提出的方法，在对燃料电池车辆的商业化所需要的大规模生产率方面通常是不适宜的。
在此背景技术部分公开的上述信息仅仅为了加强对本发明的背景技术的理解，并且因此，它可能包含不形成已经为本国本领域普通技术人员所公知的现有技术的信息。
发明内容
本发明已经尝试解决上述与现有技术相关的问题。因此，本发明提供一种用于燃料电池应用的气体扩散层(GDL)，在不修改用于制造气体扩散层的现有方法的情况下，其通过优化切割GDL材料至适于燃料电池组的尺寸的工艺来制造。即，本发明提供一种用于燃料电池应用的气体扩散层，其通过以特定的角度切割GDL材料使得GDL材料的固有的高刚性的加工方向不与双极板的主流场方向平行来增加气体扩散层在与双极板的主流场方向垂直的宽度方向上的刚性，以防止气体扩散层挤入双极板的通道，从而改善燃料电池的性能。
在一个方面，本发明提供一种用于燃料电池应用的气体扩散层(GDL)，该气体扩散层具有包括微孔层和大孔衬底的双层结构，其中通过以特定的角度切割卷起的气体扩散层(GDL)材料使得GDL材料的固有的高刚性的加工方向不与双极板的主流场方向平行来增加在与双极板的主流场方向垂直的宽度方向上的刚性，以防止气体扩散层挤入双极板的流场通道。
在优选的实施方式中，气体扩散层可以通过以GDL材料的固有的高刚性的加工方向与双极板的主流场方向形成0°至90°、优选25°至90°的范围内的角度切割GDL材料来制造。
在另一优选的实施方式中，在加工方向上的卷起的GDL材料可具有20至150gf·cm、优选50至100gf·cm范围内的Taber弯曲刚度。
在再一优选的实施方式中，构成气体扩散层的大孔衬底可以由选自碳纤维毡和碳纤维纸的至少一种来形成。
在又一优选的实施方式中，气体扩散层可以具有大于0.5cm3/(cm2·s)、优选大于2.5cm3/(cm2·s)的透气性。
在下文中讨论本发明的其他方面和优选的实施方式。
要理解的是本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其他类似术语通常包括机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种艇和船的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式(plug-in)混合电动车、氢燃料车和其他代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。
在下文中讨论本发明的上述和其他特征。
附图说明
现在将参照附图所图示的其某些示例性的实施方式，详细描述本发明的上述和其它特征，下面给出的实施方式仅仅是出于举例说明的目的，并且因此不限制本发明，其中：
图1是示出单元电池结构的示意图；
图2是示出气体扩散层的示意图，其在燃料电池装配过程中通过双极板的肋的压力而挤入双极板的主流场通道；
图3是将用于制造气体扩散层的现有技术方法与根据本发明的用于制造气体扩散层的方法对比的图示；
图4是示出根据本发明的方法在以不同的角度切割过程中，双极板的主流场方向与气体扩散层的高刚度方向之间的设置的示意图，其中(a)示出相对于加工方向中GDL材料的高刚性(以0°角度切割)以不同的角度切割卷起的GDL材料的工艺，并且(b)示出新的气体扩散层的高刚性方向与双极板的主流场方向之间的设置；
图5是将现有技术的气体扩散层(以0°角度切割)的结构与本发明的气体扩散层(以90°角度切割)的结构对比的示意图；
图6示出根据本发明的应用于燃料电池的气体扩散层的示意图；
图7是示出具有以0°和90°的角度切割的气体扩散层(GDL-1)的5-电池组(BP-1)的电化学性能的图表，其中(a)是在相对湿度为50％/50％时测量的，并且(b)是在相对湿度为100％/100％时测量的；
图8是示出具有以0°和90°的角度切割的气体扩散层(GDL-2)的单电池组(BP-1)的电化学性能的图表，其中(a)是在相对湿度为50％/50％时测量的，并且(b)是在相对湿度为100％/100％时测量的；
图9是示出具有以90°的角度切割的本发明的气体扩散层(GDL-1)和气体扩散层(GDL-2)的燃料电池组(BP-1)的电化学性能的图表(即，在0.6V的电流密度)，其中(a)是在相对湿度为50％/50％时测量的，并且(b)是在相对湿度为100％/100％时测量的；
图10是示出具有以0°、45°、60°和90°的角度切割的气体扩散层(GDL-1)的5-电池组(BP-2)的电化学性能的图表，其中(a)是在相对湿度为50％/50％时测量的，并且(b)是在相对湿度为100％/100％时测量的；并且
图11是示出当卷起的GDL材料的宽度小于气体扩散层的尺寸时，使用本发明的切割GDL材料的工艺制造气体扩散层的方法的示意图，其中(a)示出现有技术的方法，并且(b)示出本发明的方法。
应当理解，所附的附图并非必然是按比例的，而只是在一定程度上表示用于说明本发明的基本原理的各种优选特征的简化表示。本文所公开的本发明的具体设计特征包括，例如特定尺寸、方向、位置和形状，将部分取决于具体的既定用途和使用环境。
在附图中，涉及相同或等效的本发明的部分的附图标记贯穿附图的各个图。
具体实施方式
以下将详细参考本发明的各实施方式，其实施例在附图中说明并且在下面描述。尽管将要结合示例性的实施方式来描述本发明，但是要理解的是，本描述并非要将本发明限制到那些示例性的实施方式中。相反，本发明不但要涵盖示例性的实施方式，而且要涵盖可包括在如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种替代方式、更改形式、等效形式以及其他实施方式。
本发明提供一种用于燃料电池应用的气体扩散层，该气体扩散层具有包括微孔层和大孔衬底的双层结构，并且防止对双极板的流场通道的挤入，从而提供了例如反应气体供应特性、产物水排出特性、电子转移特性等的卓越的特性。
详细地，本发明提供一种用于燃料电池应用的气体扩散层，该气体扩散层具有包括微孔层和大孔衬底的双层结构，其中在不修改用于制造气体扩散层的现有方法的前提下，以特定的角度切割GDL材料以使得卷起的GDL材料的固有的高刚性的加工方向不与双极板的主流场方向平行，从而防止气体扩散层挤入双极板的流场通道。
通过以在0°＜θ≤90°、优选25°＜θ≤90°的范围内的角度(θ)切割GDL材料制造本发明的气体扩散层，该角度(θ)由GDL材料的固有的高刚性的加工方向与双极板的主流场方向形成。此处，卷起的GDL材料在加工方向(即，高刚性方向)上的Taber弯曲刚度在20至150gf·cm的范围内，优选50至100gf·cm的范围内。原因是如果Taber弯曲刚度小于20gf·cm，刚性太小以致于不能用作燃料电池应用的气体扩散层，反之，如果其大于150gf·cm，GDL材料变得太硬，使得卷起GDL材料变得困难，从而降低了大规模生产率。
此外，本发明的气体扩散层具有大于0.5cm3/(cm2·s)、优选大于2.5cm3/(cm2·s)的透气性。原因是如果透气性小于0.5cm3/(cm2·s)，气体扩散层的大规模运输特性显著降低。
同时，构成气体扩散层的大孔衬底可以由选自碳纤维毡和碳纤维纸的至少一种形成。
实施例
以下实施例说明本发明，并且不是要限制本发明。
如图6所示，在本发明的实施例1和2中，气体扩散层106通过以一特定的角度切割通过现有技术方法生产的GDL材料而制造，以增加气体扩散层在与双极板的主流场方向垂直的宽度(W)方向上的刚性。
通常，切割GDL材料以使得在加工方向上的GDL材料的高刚性在与双极板的主流场方向平行的长度(L)方向上(切割角度：0°)。然而，在本发明中，以90°的角度切割GDL材料以使得在加工方向上的GDL材料的高刚性是在双极板的主流场的宽度方向上，从而增加了气体扩散层在主流场的宽度方向上的刚性。
在本发明的实施例1和2中使用由碳纤维毡形成的两种气体扩散层(GDL-1和GDL-2)，并且它们的基本特性示于以下表1中。
[表1]
Figure GSA00000071083600081
在本发明的实施例3中，以45°、60°和90°的角度切割GDL-1以对比改善燃料电池性能的效果。
比较例
如图3-5所示，在比较例中，在加工方向上的GDL材料在与双极板的主流场方向平行的长度(L)方向上切割(切割角度：0°)。
为了根据实施例和比较例评价气体扩散层的电化学性能，各种元件例如聚合物电解质膜、催化剂层、连接器件等以同样的方式装配和维持。
使用具有基本上相同结构的两种双极板(BP-1和BP-2)，其中在实施例1和2以及比较例1和2中使用BP-1，并且在实施例3以及比较例3中使用BP-2。
此外，通过测量和比较关于使用市售设备的单电池组或5-电池组的电池电压-电流密度极化特性，评估根据实施例和比较例的气体扩散层的电化学性能。
在具有根据实施例和比较例的气体扩散层的燃料电池组的电化学性能测试过程中的条件如下：
■燃料电池组入口处的温度：65℃；
■气体压力：接近环境气压；
■在阳极和阴极的相当湿度(RH)：100％/100％或50％/50％；以及
■在阳极和阴极的化学计量比(SR)：1.5/2.0。
在上述条件下，具有根据实施例和比较例的气体扩散层的燃料电池组的电化学性能的评估以如下的方式进行。
在相对湿度为100％/100％或50％/50％时，在标准操作条件下比较根据本发明的实施例1和2的气体扩散层的电化学性能与根据比较例1和2的气体扩散层的电化学性能，并且结果示于图7和8。
如图7和8所示，能够看出根据本发明的具有以90°的角度切割的气体扩散层的燃料电池组的电化学性能要高于根据现有技术的具有以0°的角度切割的气体扩散层的燃料电池组的电化学性能。
即，在GDL-1的情况下，如图7所示，能够看出在相对湿度为50％/50％和100％/100％时，相比于根据比较例1的以0°的角度切割的气体扩散层，根据本发明实施例1的以90°的角度切割的气体扩散层在0.6V测量的电流密度分别地增加大约12％和15％。
此外，在GDL-2的情况下，如图8所示，能够看出在相对湿度为50％/50％和100％/100％时，相比于根据比较例2的以0°的角度切割的气体扩散层，根据本发明实施例2的以90°的角度切割的气体扩散层在0.6V测量的电流密度分别地增加大约18％和16％。
如图6所示，不意欲限制于理论，相信燃料电池性能改善的原因是气体扩散层106的高刚性方向被适当的定向在与双极板200的主流场方向垂直的宽度(W)方向上，以防止GDL挤入双极板的流场通道202中。
对比具有根据本发明实施例1和2的气体扩散层GDL-1和GDL-2(以90°的角度切割)的燃料电池组的电化学性能(即，在0.6V的电流密度)，并且结果示于图9。如图中所示，能够看出在所有的相对湿度为50％/50％和100％/100％时，由于具有相对低的弯曲刚度的GDL-2的燃料电池性能是GDL-1的燃料电池性能的大约72％，气体扩散层的更高的刚性有助于燃料电池性能的改善。
此外，评估以0°、45°、60°和90°的角度切割的气体扩散层GDL-1的燃料电池性能的改善效果，并且结果示于附图10。如图中所示，能够看出在所有的相对湿度为50％/50％和100％/100％时，以大于45°的角度切割的气体扩散层的燃料电池的性能被改善至与以90°的角度切割的气体扩散层等价的水平。
因此，当应用根据本发明的切割GDL材料的工艺时，在不改变用于制造气体扩散层的现有方法的情况下，有可能容易地制造具有改善的弯曲刚度的气体扩散层，其能够防止GDL挤入双极板的主流场，从而改善燃料电池的性能。
特别地，如图11所示，当卷起的GDL材料的宽度较小时或当气体扩散层的长度相对较大时，根据现有技术的方法制造具有所需尺寸的气体扩散层是困难的；然而，当应用本发明的方法时，通过以不同角度(例如45°、60°等)切割GDL材料，有可能容易地制造具有适于所需用途的尺寸的气体扩散层。
如上所述，本发明提供以下效果。
根据本发明，在不改变现有的用于制造气体扩散层的方法的情况下，通过改变切割GDL材料的工艺以增加气体扩散层的弯曲刚度，有可能改善燃料电池性能，该气体扩散层的弯曲刚度与GDL挤入双极板的流场通道紧密相关。
已参考本发明的优选实施方式对本发明进行了详细说明。然而，本领域技术人员应当理解的是，可以在这些实施方式中做出改变而不背离本发明的原理和精神，本发明的范围由所附的权利要求及其等效形式限定。

Claims (8)

1.一种用于燃料电池应用的气体扩散层(GDL)，所述气体扩散层具有包括微孔层和大孔衬底的双层结构，其中通过以特定的角度(θ)切割卷起的气体扩散层(GDL)材料以使得所述GDL材料的固有的高刚性的加工方向不与双极板的主流场方向平行，来增加与所述双极板的主流场方向垂直的宽度方向上的刚性，以防止所述气体扩散层挤入所述双极板的流场通道。
2.如权利要求1所述的用于燃料电池应用的气体扩散层，其中通过以0°＜θ≤90°的范围内的角度切割所述GDL材料来制造所述气体扩散层，所述角度由所述GDL材料的固有的高刚性的加工方向与所述双极板的主流场方向形成。
3.如权利要求1所述的用于燃料电池应用的气体扩散层，其中通过以25°＜θ≤90°的范围内的角度切割所述GDL材料来制造所述气体扩散层，所述角度由所述GDL材料的固有的高刚性的加工方向与所述双极板的主流场方向形成。
4.如权利要求1所述的用于燃料电池应用的气体扩散层，其中在所述加工方向上的卷起的GDL材料具有在20至150gf·cm范围内的Taber弯曲刚度。
5.如权利要求1所述的用于燃料电池应用的气体扩散层，其中在所述加工方向上的卷起的GDL材料具有在50至100gf·cm范围内的Taber弯曲刚度。
6.如权利要求1所述的用于燃料电池应用的气体扩散层，其中构成所述气体扩散层的大孔衬底由碳纤维毡、碳纤维纸或其组合形成。
7.如权利要求1所述的用于燃料电池应用的气体扩散层，其中所述气体扩散层具有大于0.5cm3/(cm2·s)的透气性。
8.如权利要求1所述的用于燃料电池应用的气体扩散层，其中所述气体扩散层具有大于2.5cm3/(cm2·s)的透气性。
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