CN102738490B

CN102738490B - 用于燃料电池加湿器的湿侧纸

Info

Publication number: CN102738490B
Application number: CN201210138622.1A
Authority: CN
Inventors: A·M·布伦纳; R·E·埃文斯
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2012-04-16
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2032-04-16
Also published as: CN102738490A; US20120264026A1; US8974977B2; DE102012206227B4; DE102012206227A1

Abstract

基于玻璃纤维的纸扩散介质以及用于燃料电池的膜加湿器和使用所提供的基于玻璃纤维的纸扩散介质来加湿燃料电池的方法。所述扩散介质是柔性的树脂粘合的玻璃纤维纸，用26-55％硫化液体酚醛树脂浸渍且具有100-110μm的厚度和至少100cfm的Gurley渗透率。

Description

用于燃料电池加湿器的湿侧纸

技术领域

本申请要求于2011年4月15日提交的美国临时申请序列号61/475,843的权益。本申请涉及燃料电池和用于燃料电池的膜加湿器。更具体地，本申请涉及用于燃料电池的膜加湿器的扩散介质。

背景技术

电化学转化电池(通常称为燃料电池)通过处理第一和第二反应物(例如，通过氢和氧的氧化和还原)来产生电能。通过说明而非限制的方式，典型聚合物电解质燃料电池包括位于一对催化剂层之间的聚合物膜(例如，质子交换膜)，一对气体扩散介质层位于催化剂层外侧。阴极板和阳极板位于最外侧靠近气体扩散介质层，且前述部件被紧密地压缩以形成电池单元。

由单个电池单元提供的电压对于有用应用来说通常过小。因而，多个电池以“堆”的形式设置并相继连接，以增加电化学转化组件或燃料电池的电输出。燃料电池堆通常使用位于相邻膜电极组件(MEA)之间的双极板。

为了以期望效率工作，聚合物膜需要是潮湿的。因而，有时需要提供加湿以保持所需湿度水平。这有助于避免损坏膜和导致缩短寿命，以及保持期望操作效率。例如，膜中的较低水含量导致较高质子传导阻力，从而导致较高欧姆电压损失。期望供应气体(具体地，阴极入口)的加湿，以保持膜中的充分湿度，尤其是在入口区域中。燃料电池中的加湿在共同拥有的美国专利No.7,036,466和7,572,531和美国专利申请序列号10/912,298中讨论。

空气加湿器通常用于加湿燃料电池中使用的空气流，以便保持所需湿度水平，如美国专利No.6,471,195和7,156,379中所述。

膜加湿器也已经用于保持所需湿度水平。对于机动车燃料电池加湿应用，膜加湿器需要是紧凑的，展现低压降，且具有高性能特性。图1图示了用于燃料电池(未示出)的常规膜加湿器组件10的一个示例。膜加湿器组件10包括湿板12和干板14。描述了用于燃料电池的阴极侧的膜加湿器组件10。然而应当理解的是，膜加湿器组件10可以根据期望用于燃料电池的阳极侧或其他地方。

湿板12包括在其中形成的多个流动通道16。通道16适合于将湿气体从燃料电池的阴极传输给排气(未示出)。如本文使用的，湿气体指的是在其中包括比干气体高的水平的水蒸汽和/或液态水的气体，例如空气以及O₂、N₂、H₂O和H₂的气体混合物。然而应当理解的是，可以根据期望使用其他气体或气体混合物。脊台18在湿板12的相邻通道16之间形成。任何常规材料可以用于形成湿板12，例如钢、聚合物和复合材料。

干板14包括在其中形成的多个流动通道20。通道20适合于将干气体从气体源(未示出)传输给燃料电池的阴极。干气体指的是没有水蒸汽或者在其中包括比湿气体低的水平的水蒸汽和/或液态水的气体，例如空气以及O₂、N₂、H₂O和H₂的气体混合物。然而应当理解的是，可以根据期望使用其他气体或气体混合物。脊台22在干板14的相邻通道20之间形成。任何常规材料可以用于形成干板14，例如钢、聚合物和复合材料。

在湿板12和干板14之间(以及在相关扩散介质24、26之间)设置膜28。膜28可以是任何常规膜，例如全氟磺化酸(PFSA)(例如，可从DuPont获得的)、亲水性聚合物膜和聚合物复合膜。对于紧凑燃料电池加湿器应用，膜28具有的渗透率通常大于8000GPU，典型地在10000-12000GPU范围内。气体渗透单位(GPU)是分压标准化通量，其中，1GPU＝10^-6cm³(STP)/(cm²seccmHg)。

湿侧扩散介质(或扩散层)24设置在膜28的一侧和湿侧板12之间(邻近其脊台18)。类似地，干侧扩散介质(或扩散层)26设置在膜28的另一侧和干侧板14之间(邻近其脊台22)。扩散介质24、26由有弹性和气体可渗透材料形成，例如碳纤维。

湿侧扩散介质24必须具有承受湿侧纸基于通道几何形状和燃料电池系统压力在装置内必须支持的压力差(在压缩机出口(水蒸汽传输装置(WVTD)的入口)和至系统排气的WVTD出口之间的大约20-120kPa的差)的强度。由于其强度和传输属性，碳纤维纸(例如，TGP-H-030^TM纸；TorayIndustries，Inc.)通常用于湿侧扩散介质。由于其能够一致地扩散反应物气体和传输所产生电力，TGP-H^TM纸(Toray)和其他碳纤维纸作为行业标准广泛地接受作为燃料电池气体扩散介质。此外，这种纸变为膜加湿器组件的标准扩散介质。

这种碳纤维纸通常使用湿铺碳纤维纸制成，通常包括聚乙烯醇(PVA)纤维粘合剂(例如，VPB纤维；Kuraray)。纸用溶解在溶剂(例如，醇)中的酚醛树脂浸渍。已浸渍纸通常具有大约35％的碳纤维和65％的酚醛树脂。已浸渍纸被压缩模制且在压力下在180℃硫化，以交叉链接酚醛树脂且获得合适的厚度和密度。纸张然后在高于2000℃的温度下石墨化。在石墨化步骤中，酚醛树脂损失其重量的大约一半，这意味着最终石墨化纸张是大约50％的纤维和50％的粘合剂。在最初碳纸中的PVA纤维在该过程中烧掉。

当碳纸用作燃料电池的气体扩散介质时，需要导电性，从而需要昂贵的石墨化步骤。然而，对于膜加湿器组件中的使用，不需要导电性。因而，使用常规碳纤维纸具有不希望的成本。此外，常规使用的碳纤维纸是硬和易碎的，从而导致增加的材料和制造成本和困难。

虽然可期望可选纸，但是使用具有不同厚度和/或强度的其他类型纸将需要常规膜加湿器组件的通道和表面面积或容积的昂贵设计变化。此外，合适的可选纸必须具有传输阻力和压降的平衡，从而满足常规使用的碳纤维纸和常规膜加湿器组件的性能要求。然而，满足所有这些要求的可选纸不能由技术人员容易地预测。除了其他之外，这是因为为了发生有效的水传输(即，将水分子从湿侧板通过湿侧扩散介质、膜和干侧扩散介质传输给干侧板)，水分子必须克服以下的一些组合：(i)湿和干流动通道中的常规传质阻力、(ii)通过膜的扩散传输阻力、以及(iii)通过扩散介质的扩散传输阻力，且没有已知方法来预测具有这种因素的合适组合的特定材料。类似地，除了其他之外，由于压降可能受到纤维尺寸、纤维密度、纸柔性/刚性和纤维侵入加湿器组件的通道中的趋向性的影响，没有已知方法来预测具有期望压降特性的特定材料。此外，没有已知方法来预测哪种特定材料将具有传输阻力和压降的合适平衡，同时还满足常规膜加湿器组件的材料强度和厚度设计要求。因而，不可预测的领域仍存在对可以取代常规膜加湿器组件中的常规扩散介质(具体地，基于碳纤维纸的湿侧扩散介质)的材料的未能解决的需要，而不牺牲性能、增加成本或需要这种组件的实质上重新设计。

发明内容

在各个实施例中，提供一种新式的基于玻璃纤维的纸扩散介质以及用于燃料电池的膜加湿器和使用所提供的基于玻璃纤维的纸扩散介质来加湿燃料电池的方法。

在各个实施例的一些中，所提供的扩散介质是柔性的树脂粘合的玻璃纤维纸，用26-55％硫化液体酚醛树脂浸渍且具有100-110μm的厚度和至少100cfm的Gurley渗透率。

在各个实施例的一些中，所提供的膜加湿器包括：(i)位于膜和干侧板之间的干侧扩散介质；和(ii)位于膜和湿侧板之间的湿侧扩散介质；其中，至少湿侧扩散介质是所提供的基于玻璃纤维的纸扩散介质。

在各个实施例的一些中，所提供的用于加湿燃料电池的方法包括：(i)提供位于膜和干侧板之间的干侧扩散介质；和(ii)提供位于膜和湿侧板之间的湿侧扩散介质；其中，至少湿侧扩散介质是所提供的基于玻璃纤维的纸扩散介质。

方案1.一种用于燃料电池的膜加湿器，包括：

(i)膜；

(ii)位于膜的相对侧上的湿侧板和干侧板，所述湿侧板和干侧板中具有流动通道；

(iii)位于膜和干侧板之间的干侧扩散介质；和

(iv)位于膜和湿侧板之间的柔性的树脂粘合的玻璃纤维纸湿侧扩散介质，所述玻璃纤维纸包括：(a)玻璃纤维、(b)100-110μm的厚度、以及(c)至少100cfm的Gurley渗透率；

其中，所述玻璃纤维纸用26-55％硫化液体酚醛树脂浸渍。

方案2.根据方案1所述的膜加湿器，其中，玻璃纤维纸包括70-90wt％的玻璃纤维。

方案3.根据方案2所述的膜加湿器，其中，玻璃纤维纸包括一直到20wt％的原纤化或纳米原纤化丙烯酸纤维。

方案4.根据方案1所述的膜加湿器，其中，干侧扩散介质是柔性的树脂粘合的玻璃纤维纸，包括：(a)玻璃纤维、(b)100-110μm的厚度、以及(c)至少100cfm的Gurley渗透率；其中，所述玻璃纤维纸用26-55％硫化液体酚醛树脂浸渍。

方案5.根据方案1所述的膜加湿器，其中，玻璃纤维纸在用液体酚醛树脂浸渍和液体酚醛树脂硫化之前具有20-50g/m²的基本重量。

方案6.根据方案5所述的膜加湿器，其中，玻璃纤维纸在液体酚醛树脂硫化之前包括一直到10wt％的PVA纤维粘合剂。

方案7.根据方案6所述的膜加湿器，其中，玻璃纤维纸具有40-44g/m²的基本重量和26-40％的硫化树脂含量。

方案8.根据方案7所述的膜加湿器，其中，玻璃纤维纸具有至少0.5g/cc的密度和至少200cfm的Gurley空气渗透率。

方案9.根据方案6所述的膜加湿器，其中，玻璃纤维纸具有20-24g/m²的基本重量和35-55％的硫化树脂含量。

方案10.根据方案9所述的膜加湿器，其中，玻璃纤维纸具有至少0.5g/cc的密度和至少200cfm的Gurley空气渗透率。

方案11.一种用于膜加湿器的柔性的树脂粘合的玻璃纤维纸湿侧扩散介质，所述玻璃纤维纸包括：(a)70-90wt％的玻璃纤维、(b)100-110μm的厚度、以及(c)至少100cfm的Gurley渗透率；

其中，所述玻璃纤维纸用25-55％硫化液体酚醛树脂浸渍。

方案12.根据方案11所述的湿侧扩散介质，其中，玻璃纤维纸还包括一直到20wt％的原纤化或纳米原纤化丙烯酸纤维。

方案13.根据方案12所述的湿侧扩散介质，其中，玻璃纤维纸在用液体酚醛树脂浸渍和液体酚醛树脂硫化之前具有20-50g/m²的基本重量。

方案14.根据方案13所述的湿侧扩散介质，其中，玻璃纤维纸在液体酚醛树脂硫化之前包括一直到10wt％的PVA纤维粘合剂。

方案15.根据方案14所述的湿侧扩散介质，其中，玻璃纤维纸具有：(i)40-44g/m²的基本重量和26-40％的硫化树脂含量；或者(ii)20-24g/m²的基本重量和35-55％的硫化树脂含量。

方案16.根据方案15所述的湿侧扩散介质，其中，玻璃纤维纸具有至少0.5g/cc的密度和至少200cfm的Gurley空气渗透率。

方案17.一种用于加湿燃料电池的方法，包括：

(i)提供膜加湿器，所述膜加湿器包括：膜；位于膜的相对侧上的湿侧板和干侧板，所述湿侧板和干侧板中具有流动通道；

(ii)提供位于膜和干侧板之间的干侧扩散介质；

(iii)提供位于膜和湿侧板之间的柔性的树脂粘合的玻璃纤维纸湿侧扩散介质，玻璃纤维纸包括：(a)玻璃纤维、(b)100-110μm的厚度、以及(c)至少100cfm的Gurley渗透率；

其中，所述玻璃纤维纸用26-55％硫化液体酚醛树脂浸渍；

(iv)将湿气体引入板的湿侧上的流动通道中；

(v)将干气体引入板的干侧上的流动通道中，水蒸汽从湿侧气体流经膜进入干侧气体；以及

(vi)将干侧气体与水蒸汽提供给燃料电池的供应装置。

方案18.根据方案17所述的方法，其中，玻璃纤维纸在用液体酚醛树脂浸渍和液体酚醛树脂硫化之前具有20-50g/m²的基本重量以及任选地一直到10wt％的PVA纤维粘合剂。

方案19.根据方案18所述的方法，其中，玻璃纤维纸具有：(i)40-44g/m²的基本重量和26-40％的硫化树脂含量；或者(ii)20-24g/m²的基本重量和35-55％的硫化树脂含量。

方案20.根据方案19所述的方法，其中，玻璃纤维纸具有至少0.5g/cc的密度和至少200cfm的Gurley空气渗透率。

附图说明

由于通过参考以下详细说明结合附图考虑，本发明及其许多实施例将更好地理解，因而将容易获得本发明及其许多实施例的更充分理解，其中：

图1图示用于燃料电池的常规膜加湿器组件；

图2是将不同的基于玻璃纤维的纸制剂的水传输性能和Gurley性能进行比较的图表；

图3是将不同的基于玻璃纤维的纸制剂的水传输性能和Gurley性能进行比较的图表；

图4是将不同的基于玻璃纤维的纸制剂的水传输性能和Gurley性能进行比较的图表；

图5是将使用不同玻璃纤维的基于玻璃纤维的纸制剂的水传输性能和Gurley性能进行比较的图表；

图6是将在不同模制条件下的基于玻璃纤维的纸制剂的水传输性能和Gurley性能进行比较的图表；

图7是将具有不同基本重量和树脂含量的基于玻璃纤维的纸制剂的水传输性能和压降进行比较的图表；

图8是将42g/m²基本重量的具有不同树脂含量的基于玻璃纤维的纸制剂的水传输性能和压降进行比较的图表；

图9是将35％树脂含量的具有不同基本重量的基于玻璃纤维的纸制剂的水传输性能和压降进行比较的图表；

图10是将22g/m²基本重量的具有不同树脂含量的基于玻璃纤维的纸制剂的水传输性能和压降进行比较的图表；

图11是将具有22g/m²基本重量和44％酚醛树脂含量的玻璃纤维纸与常规碳纤维纸的性能进行比较的图表；和

图12是将具有42g/m²基本重量和35％酚醛树脂含量的玻璃纤维纸与常规碳纤维纸的性能进行比较的图表。

具体实施方式

现在将描述本发明的特定实施例。然而，本发明能以不同形式实施且不应理解为限于本文所述的实施例。相反，提供这些实施例使得本发明将是详尽和完整的，且将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。

除非另有限定，本文使用的所有技术和科技术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解相同的涵义。本发明说明中使用的措辞仅仅是用于描述特定实施例，而不旨在限制本发明。如说明书和所附权利要求使用的，单数形式“一”和“该”还旨在包括复数形式，除非上下文清楚地另有声明。

除非另有声明，说明书和权利要求使用的表示成分、属性、条件等的所有数量应当理解为在所有情况下以措辞“大约”修饰。此外，说明书和权利要求中任何范围的公开应当理解为包括该范围本身以及其中包含的任何范围以及端点。除非另有声明，说明书和权利要求中所述的数值属性是可以根据在本发明实施例中设法获得的期望属性而变化的近似值。尽管阐述本发明广泛范围的数值范围和参数是近似值，但是具体示例中阐述的数值尽可能精确地报告。然而，任何数值内在地包含必要地由其相应测量中发现的误差引起的某些误差。

扩散介质

所提供的扩散介质包括新式的基于玻璃纤维的纸，取代通常用作膜加湿器组件中的扩散介质的基于碳纤维的纸。本发明的纸具有与常规基于碳纤维的纸相当的强度、厚度、孔隙率、压降性能和水传输性能，因而可以用于常规膜加湿器组件中，而不需要昂贵的设计修改。此外，所提供的基于玻璃纤维的纸比常规基于碳纤维的纸更柔软，使之更容易以卷筒物形式处理。此外，与常规使用的基于碳纤维的纸相比，所提供的基于玻璃纤维的纸的材料成本减少。虽然所提供的玻璃纤维纸优选用作膜加湿器组件中的湿侧扩散介质，但是还可以设想其用作干侧扩散介质。

由于与基准线材料相比三倍高的湿侧压降，常规基于玻璃纤维的纸(例如，纸；CraneNonwovens)被测试且发现不适合用作常规膜加湿器组件中的扩散介质。因而，需要设计和评估具有纤维类型、粘合剂纤维类型、树脂类型和含量以及处理条件的许多组合的新式纸，以开发满足常规使用的基于碳纤维的纸(作为非限制性示例，TGP-H-030^TM纸；TorayIndustries，Inc.)的性能要求的合适的基于玻璃纤维的纸。

鉴于上文，开发了用树脂浸渍的玻璃纤维纸。在一些实施例中，这种纸具有100-110μm的厚度。因而，具体地提供具有100μm，101μm，102μm，103μm，104μm，105μm，106μm，107μm，108μm，109μm和110μm的厚度的纸。在一些实施例中，所提供的玻璃纤维纸具有至少100cfm的Gurley渗透率。因而，具体地提供具有100-150cfm，150-200cfm，200-250cfm，250-300cfm和以上的Gurley渗透率的纸。在一些实施例中，所提供的纸还具有大于70％的孔隙率。

在各个实施例中，所提供的基于玻璃纤维的纸通过用树脂浸渍具有20-50g/m²的基本重量(即，在树脂浸渍和硫化之前的重量)的玻璃纤维纸来产生。因而，具体地提供具有20-25g/m²，25-30g/m²，30-35g/m²，35-40g/m²，40-45g/m²和45-50g/m²的基本重量的纸。使用具有22g/m²和42g/m²的基本重量的纸实现良好的结果。在一些实施例中，所使用的玻璃纤维纸具有70-90wt％的玻璃纤维。在一些实施例中，所述玻璃纤维可以具有3-6mm的平均长度和7-11μm的平均直径，或两者。

如所述，玻璃纤维纸用至少一种树脂浸渍。所使用的树脂可以是酚醛树脂、丙烯酸树脂或其他合适的热塑性树脂。在一些实施例中，合适的树脂可以是具有良好热湿性能的树脂。在一些实施例中，树脂是酚醛树脂。优选地，酚醛树脂处于液体形式。还可以使用粉末酚醛树脂，但是液体树脂看来好像提供增强性能且易于处理(例如，粉末树脂更难分配，且在处理期间熔融并涂覆干卷筒物)。通常，浸渍过程包括将玻璃纤维纸沉浸在含有树脂和溶剂的池中，然后去除溶剂。甲醇是合适溶剂的一个示例，但是还可以设想其他溶剂。去除溶剂可以通过蒸发或者通过改变环境温度或压力。如果期望，纸可以在该阶段存储在受控环境中，以防止树脂移动，且在稍后时间进一步处理。在一些实施例中，所提供的玻璃纤维纸用26-55％硫化液体酚醛树脂浸渍。因而，具体地提供用26-30％，30-35％，35-40％，40-45％和45-50％的树脂浸渍的纸。在一些实施例中，低树脂含量导致硫化树脂的不连续膜，从而允许良好的空气和水渗透率。

除了玻璃纤维和树脂之外，所提供的(未硫化)纸还可以包括一种或多种纤维粘合剂，其在硫化时将至少部分地去除或经受至少部分相变(即，烧掉)。在一些实施例中，基本纸的一直到10wt％(在硫化之前)可包括纤维粘合剂。因而，具体地设想包括0-2％，2-4％，4-6％，6-8％和8-10％纤维粘合剂的纸。基于聚乙烯醇(PVA)的纤维粘合剂(例如，纤维)是合适的，但是还可以使用其他纤维粘合剂。例如，可期望选择可选纤维粘合剂以改进卷筒物处理能力。PVA纤维通常包含纳或其他盐，其可能对水蒸汽传输性能具有负面影响。此外，盐可流失通过最终纸且引起对加湿器膜的损坏。因而，在处理中，盐应当在造纸过程中冲洗掉。如果需要，可以给过程增加中间产品或最终纸的清洁步骤以去除任何残余纳。

在一些实施例中，除了玻璃纤维之外，还可以在基本纸中使用其他纤维类型，以减少纤维粘合剂和树脂的使用。在一些实施例中，一直到纸的20wt％可包括这种其他纤维。因而，具体地提供具有0-5％，5-10％，10-15％和15-20％这种纤维的纸。合适纤维的示例包括丙烯酸、聚酯、尼龙、陶瓷、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、液晶聚合物(例如，纤维；KurarayCo.)、或者具有合适表面光洁度的水可渗透或可以制成水可渗透的其他疏水性纤维。在一些实施例中，除了玻璃纤维之外，可以使用丙烯酸纤维以减少PVA粘合剂和树脂的使用。合适的丙烯酸纤维的示例包括聚丙烯腈(PAN)纤维、原纤化丙烯酸纤维(例如，纤维；SterlingFibers)、以及纳米原纤化丙烯酸纤维(例如，EFTec^TM纤维；EngineeredFibersTechnology)。用一直到10％原纤化纤维或EFTec^TM纳米原纤化纤维制成的纸张获得良好的结果。

使用本领域技术人员熟知的条件，得到的树脂浸渍玻璃纤维纸使用热和压力硫化。例如，纸可以用20-200psi的压力和180℃的温度压缩模制和硫化。此外，模制可以是连续的或不连续的。

在各个实施例的一些中，适合用作湿侧扩散介质的硫化和模制树脂粘合的玻璃纤维纸包括70-90wt％的玻璃纤维，具有100-110μm的厚度，具有至少100cfm(可选地，至少200cfm)的Gurley渗透率，且用25-55％硫化液体酚醛树脂浸渍。这种纸在用液体酚醛树脂浸渍和液体酚醛树脂硫化之前可具有20-50g/m²的基本重量。例如，合适的玻璃纤维纸可具有40-44g/m²的基本重量和26-40％的硫化树脂含量。作为另一个示例，合适的玻璃纤维纸可具有20-24g/m²的基本重量和35-55％的硫化树脂含量。

膜加湿器

在各个实施例的一些中，提供一种使用所提供的基于玻璃纤维的纸扩散介质的膜加湿器。这种膜加湿器包括：(i)位于膜和干侧板之间的干侧扩散介质；和(ii)位于膜和湿侧板之间的湿侧扩散介质；其中，至少湿侧扩散介质是所提供的基于玻璃纤维的纸扩散介质。更具体地，所提供的膜加湿器包括：(i)膜；(ii)位于膜的相对侧上的湿侧板和干侧板，所述湿侧板和干侧板中具有流动通道；(iii)位于膜和干侧板之间的干侧扩散介质；和(iv)位于膜和湿侧板之间的柔性的树脂粘合的玻璃纤维纸湿侧扩散介质，玻璃纤维纸包括：(a)玻璃纤维、(b)100-110μm的厚度、以及(c)至少100cfm的Gurley渗透率；其中，所述纸用26-55％硫化液体酚醛树脂浸渍。在一些实施例中，干侧扩散介质也可以是所提供的基于玻璃纤维的纸扩散介质。在一些实施例中，除了常规湿侧扩散介质、干侧扩散介质或两者用所提供的基于玻璃纤维的纸扩散介质取代之外，所提供的膜加湿器是常规使用的膜加湿器。

用于加湿燃料电池的方法

在各个实施例的一些中，提供一种使用所提供的基于玻璃纤维的纸扩散介质加湿燃料电池的方法。这种方法包括：(i)提供位于膜和干侧板之间的干侧扩散介质；和(ii)提供位于膜和湿侧板之间的湿侧扩散介质；其中，至少湿侧扩散介质是所提供的基于玻璃纤维的纸扩散介质。更具体地，所提供的用于加湿燃料电池的方法包括：(i)提供膜加湿器，所述膜加湿器包括膜；位于膜的相对侧上的湿侧板和干侧板，所述湿侧板和干侧板中具有流动通道；(ii)提供位于膜和干侧板之间的干侧扩散介质；(iii)提供位于膜和湿侧板之间的柔性的树脂粘合的玻璃纤维纸湿侧扩散介质，玻璃纤维纸包括：(a)玻璃纤维、(b)100-110μm的厚度、以及(c)至少100cfm的Gurley渗透率；其中，所述纸用26-55％硫化液体酚醛树脂浸渍；(iv)将湿气体引入板的湿侧上的流动通道中；(v)将干气体引入板的干侧上的流动通道中，水蒸汽从湿侧气体流经膜进入干侧气体；以及(vi)将干侧气体与水蒸汽提供给燃料电池的供应装置。在一些实施例中，所提供的方法还包括提供包括所提供的基于玻璃纤维的纸扩散介质的干侧扩散介质。

示例

所述实施例将通过参考以下示例更好地理解，所述示例通过说明的方式提供且本领域技术人员将认识到所述示例不意味着限制性的。

示例1

基体纸由7微米玻璃纤维和PVA粘合剂(无盐类型)制成，具有大约50g/m²的基本重量。玻璃纤维纸使用液体和粉末树脂两者用酚醛树脂浸渍，以获得大约35％的树脂含量。手抄纸(handsheetpaper)在200psi或更低压力下在180℃压缩模制和硫化。得到的玻璃纤维手抄纸的制剂和属性中的一些在表1示出。样本11B的粉末酚醛树脂不如样本38B的液体树脂那么有效。粉末树脂在与原纤化纤维结合使用时表现最好，在生产中需要使用空气穿透干燥设备(thrair)或其他非接触式干燥剂。然而，使用粉末树脂不需要独立的树脂浸渍步骤。

表1

这些纸的水蒸汽传输和Gurley性能在图2中示出。水蒸汽传输性能使用50cm²的膜面积和具有与美国专利7,875,396所示类似几何形状的直流场、对流(干侧流11.5slpm，80C，183kPaa，湿侧流10slpm，80C，85％相对湿度和160kPa)测量。

可以看出，多种纸(包括11B、17A和38B)与常规基于碳纤维的纸(TGP-H-030^TM纸；TorayIndustries，Inc.)表现相当。

示例2

使用示例1所述的总体步骤借助于改变纤维类型、百分比玻璃纤维和百分比PVA制成一系列纸。含有10％CFF纤维、各种类型的玻璃和大约100cfm的Gurley性能的多个样本被选择用于水传输渗透率测试。这些样本在表2中示出。所使用的玻璃纤维从OwensCorning、Nippon和Lauscha获得。水传输性能在图3中示出，其中，多个(包括128B、106B和131A)在水传输性能的基准线(TGP-H-030^TM纸；TorayIndustries，Inc.)的10％内。

表2

示例3

一(1)米宽和100米长的可商业获得的50g/m²玻璃纤维纸的卷筒物从TechnicalFibreProducts(TFP)获得，具有90wt％11μm直径和12mm长度玻璃纤维和10％PVA纤维粘合剂(VPB105-2type)。这种纸用酚醛树脂(PSR133，可从LewcottCorp.ofMillbury，MA获得)在35％和44％树脂的水平下浸渍。玻璃纤维纸然后沉浸到甲醇/酚醛树脂池中，且然后蒸发甲醇。浸渍/未硫化纸没有粘性，且切成纸张或者卷绕到3-6英寸芯上，用于附加处理。

纸张从浸渍玻璃纤维纸模制。纸张在外观上非常一致。由于低树脂含量，玻璃纤维纸张比碳纤维纸基准线/控制纸张(100μmTGP-H-030^TM纸；TorayIndustries，Inc)更柔软。在较低树脂含量和较低基本重量时，柔性均增加。

表4和图4中示出了空气渗透率和纸属性。可以观察到，多个样本的Gurley空气渗透率等于或大于基准线/控制纸张。

表4玻璃纸的物理属性

一(1)米宽的50g/m²玻璃纸(如上所述)的100英尺卷筒物使用用异丙醇稀释的酚醛树脂浸透。浸渍干燥卷筒物切成18英寸×1米的纸张，用于在生产压缩压机上模制。样本纸张(9³/₄x9³/₄英寸)在多个条件下模制。结果在表5和图4中示出。B-阶段30分钟生产的纸张接近于示例2中所示相同的Gurley空气渗透率，但是处于较高厚度。较短的B-阶段导致纸张在空气流下小于100Gurley渗透率(CSM)，导致低水蒸汽传输。渗透率值显著低于表4的实验室浸透纸。

表5初始生产浸透级别

示例4

评估玻璃纤维纸中使用不同粘合剂纤维的影响。样本使用示例3所述的过程制成。得到的制剂在表6中示出，且水传输和Gurley性能结果在图5中示出。

表6可选粘合剂纤维

示例5

评估模制条件的影响。改变模制压力和硫化条件。可以发现，树脂含量(36％vs.47％)具有比模制条件更大的影响。用于50g/m²纸的手抄纸数据在表7和图6中示出。

表7模制条件的手抄纸结果

50g/m²玻璃纸(如上所述)的100米卷筒物使用用甲醇稀释的酚醛树脂浸透。获得目标标称值35％和47％的树脂含量。卷筒物切成18英寸×1米的纸张，如上所述。

纸张被堆叠，通过脱模纸隔开，且在生产模制压机中模制，在350°F(180℃)下使用30分钟的模制循环。改变每堆的纸张数量以确定获得目标厚度的正确条件。这些纸张的结果在表8中示出。

表8WVDT玻璃纸张的生产树脂浸透/模制

示例6

纸基本重量的影响基于如示例1中所述制备的手抄纸研究，具有42-50g/m²的基本重量和36-47wt％的树脂含量。结果在图7中示出。可以发现，性能随着树脂含量减少而增加。性能还随着纸的基本重量减少而增加。此外，可以观察到，与基准线材料相比，所有样本的压降都较低，从而表明样本纸至少和基准线材料一样强(如果不更强的话)。

示例7

树脂水平的影响使用42g/m²的基本重量纸研究，具有16-36wt％的树脂含量，所述纸如示例1中所述制备。结果在图8中示出。可以发现，性能随着树脂含量减少而增加。然而，强度也随着树脂含量减少而减少。例如，具有最低树脂含量(16％和21％)的两个样本显示压降的增加，表明强度减少。还可以发现，减少纸的厚度同时保持相同树脂含量会降低性能，如图8最右样本所示。

示例8

玻璃纸基本重量的影响基于如示例1中所述制备的手抄纸研究，所述纸张具有10-42g/m²的基本重量和35wt％(+/-3％)的树脂含量。图9示出了结果。可以发现，性能随着纸的基本重量减少而增加。然而，虽然每个纸张的压降都在基准线材料的10％内，但是可以发现，强度也随着基本重量减少而减少。

示例9

树脂水平的影响基于如示例1中所述制备的手抄纸研究，所述纸张具有22g/m²的基本重量和33-62wt％的树脂含量。结果在图10中示出。可以发现，性能总体上随着树脂含量减少而增加。然而，还可以发现，强度总体上随着树脂含量减少而减少。

示例10

在本文制备和描述的所有纸中，可以确定具体地两种特别适合于取代基于碳纤维的纸作为膜加湿器组件中的湿侧扩散介质。具有22g/m²的基本重量和44％的酚醛树脂含量的玻璃纤维纸是一种示例性纸。该纸在示例9和图10中描述。这种纸和常规碳纤维纸(TGP-H-030^TM纸；TorayIndustries，Inc)的性能比较在图11中示出。另一种示例性纸是具有42g/m²的基本重量和35％的酚醛树脂含量的玻璃纤维纸。该纸在示例8和图9中描述。这种纸和常规碳纤维纸(TGP-H-030^TM纸；TorayIndustries，Inc)的性能比较在图12中示出。

本申请不应认为限于本文所述的特定示例，而应当理解为涵盖本发明的所有方面。本领域技术人员将容易想到各种变型、等价过程以及本发明可应用的许多结构和装置。本领域技术人员将理解，可以进行各种变化，而不偏离本发明范围，本发明范围不应认为限于说明书中所述。

Claims

1.一种用于燃料电池的膜加湿器，包括：

（i）膜；

（ii）位于膜的相对侧上的湿侧板和干侧板，所述湿侧板和干侧板中具有流动通道；

（iii）位于膜和干侧板之间的干侧扩散介质；和

（iv）位于膜和湿侧板之间的柔性的树脂粘合的玻璃纤维纸湿侧扩散介质，所述玻璃纤维纸包括：（a）玻璃纤维、（b）100-110μm的厚度、以及（c）至少100cfm的Gurley渗透率；

其中，所述玻璃纤维纸用液体酚醛树脂浸渍并硫化，且具有26－55％的硫化树脂含量。

2.根据权利要求1所述的膜加湿器，其中，玻璃纤维纸包括70-90wt％的玻璃纤维。

3.根据权利要求2所述的膜加湿器，其中，玻璃纤维纸包括0-20wt％的原纤化丙烯酸纤维。

4.根据权利要求1所述的膜加湿器，其中，干侧扩散介质是柔性的树脂粘合的玻璃纤维纸，包括：（a）玻璃纤维、（b）100-110μm的厚度、以及（c）至少100cfm的Gurley渗透率；其中，所述玻璃纤维纸用液体酚醛树脂浸渍并硫化，且具有26－55％的硫化树脂含量。

5.根据权利要求1所述的膜加湿器，其中，玻璃纤维纸在用液体酚醛树脂浸渍和液体酚醛树脂硫化之前具有20-50g/m²的基本重量。

6.根据权利要求5所述的膜加湿器，其中，玻璃纤维纸在液体酚醛树脂硫化之前包括0-10wt％的PVA纤维粘合剂。

7.根据权利要求6所述的膜加湿器，其中，玻璃纤维纸具有40-44g/m²的基本重量和26-40%的硫化树脂含量。

8.根据权利要求7所述的膜加湿器，其中，玻璃纤维纸具有至少0.5g/cc的密度和至少200cfm的Gurley空气渗透率。

9.根据权利要求6所述的膜加湿器，其中，玻璃纤维纸具有20-24g/m²的基本重量和35-55%的硫化树脂含量。

10.根据权利要求9所述的膜加湿器，其中，玻璃纤维纸具有至少0.5g/cc的密度和至少200cfm的Gurley空气渗透率。

11.一种用于膜加湿器的柔性的树脂粘合的玻璃纤维纸湿侧扩散介质，所述玻璃纤维纸包括：（a）70-90wt％的玻璃纤维、（b）100-110μm的厚度、以及（c）至少100cfm的Gurley渗透率；

12.根据权利要求11所述的湿侧扩散介质，其中，玻璃纤维纸还包括0-20wt％的原纤化丙烯酸纤维。

13.根据权利要求12所述的湿侧扩散介质，其中，玻璃纤维纸在用液体酚醛树脂浸渍和液体酚醛树脂硫化之前具有20-50g/m²的基本重量。

14.根据权利要求13所述的湿侧扩散介质，其中，玻璃纤维纸在液体酚醛树脂硫化之前包括0-10wt％的PVA纤维粘合剂。

15.根据权利要求14所述的湿侧扩散介质，其中，玻璃纤维纸具有：（i）40-44g/m²的基本重量和26-40%的硫化树脂含量；或者（ii）20-24g/m²的基本重量和35-55%的硫化树脂含量。

16.根据权利要求15所述的湿侧扩散介质，其中，玻璃纤维纸具有至少0.5g/cc的密度和至少200cfm的Gurley空气渗透率。

17.一种用于加湿燃料电池的方法，包括：

（i）提供膜加湿器，所述膜加湿器包括：膜；位于膜的相对侧上的湿侧板和干侧板，所述湿侧板和干侧板中具有流动通道；

（ii）提供位于膜和干侧板之间的干侧扩散介质；

（iii）提供位于膜和湿侧板之间的柔性的树脂粘合的玻璃纤维纸湿侧扩散介质，玻璃纤维纸包括：（a）玻璃纤维、（b）100-110μm的厚度、以及（c）至少100cfm的Gurley渗透率；

其中，所述玻璃纤维纸用液体酚醛树脂浸渍并硫化，且具有26－55％的硫化树脂含量；

（iv）将湿气体引入板的湿侧上的流动通道中；

（v）将干气体引入板的干侧上的流动通道中，水蒸汽从湿侧气体流经膜进入干侧气体；以及

（vi）将干侧气体与水蒸汽提供给燃料电池的供应装置。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，玻璃纤维纸在用液体酚醛树脂浸渍和液体酚醛树脂硫化之前具有20-50g/m²的基本重量以及0-10wt％的PVA纤维粘合剂。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，玻璃纤维纸具有：（i）40-44g/m²的基本重量和26-40%的硫化树脂含量；或者（ii）20-24g/m²的基本重量和35-55%的硫化树脂含量。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，玻璃纤维纸具有至少0.5g/cc的密度和至少200cfm的Gurley空气渗透率。