[发明专利]多层扩散介质基板

说明书

发明领域

本发明涉及发电为车辆或其它机器提供动力的燃料电池和装置。 更具体地，本发明涉及将多层气体扩散介质基板应用于膜电极组件 (MEA)和流场之间，该多层气体扩散介质基板具有靠近MEA设置的 相对柔软且有弹性的可压缩层，和靠近流场设置的硬质层(stiff layer)。 该结构获得了最佳的气体扩散介质的机械完整性，并由此产生了燃料 电池的最佳性能。

发明背景

燃料电池技术是汽车工业上相对近期的发展。已发现燃料电池动 力设备能够获得高达55％的效率。另外，燃料电池动力设备只排出热 和副产物：水。

燃料电池在其中心处包括三种组分：阴极催化剂层、阳极催化剂 层，以及夹在阴阳极层之间传导质子的电解质。这种用于质子交换膜 (PEM)燃料电池的三层夹心结构在此间称为膜电极组件(MEA)，有时 称其为催化剂涂层膜(catalyst-coated membrane)(CCM)。操作中，阳 极层内的催化剂将氢分解为电子和质子。在单一的燃料电池装置 (arrangement)中，电子作为电流，由阳极流经可提供电能的外电路， 随后至阴极。质子由阳极通过电解质迁移至阴极。阴极层内的催化剂 利于氧分子分解，随后与质子(穿过膜的)和电子(提供电能后返回 的)反应形成水。单个的燃料电池可串联式堆叠在一起以产生更大的 电压和更多的电量。

在PEM燃料电池内，聚合物膜起到阴阳极之间的电解质作用。 当前在燃料电池应用中使用的聚合物膜需要一定程度的湿度以利于 膜的质子传导性。因此，通过湿度/水处理使膜维持适当级别的湿度， 对于燃料电池的正常运行是很重要的。聚合物电解质膜吸水时膨胀， 变干时收缩，因此需要对燃料电池堆进行设计以处理变化的膜体积对 电池堆尺寸和内部压缩的影响。

置于MEA外面的是一对气体扩散介质(如下所述)，和用于机械 固定MEA并电连接燃料电池堆内串联的相邻MEA的导电隔板(也称 双极板)。隔板两侧(其中的一侧朝向一个电池单元的MEA和气体扩 散介质，另一侧朝向电池堆内相邻电池单元的MEA和气体扩散介质) 提供有气体通道，也称为流场，用以提供反应气体，即向一个MEA 的阳极侧提供的氢，和向相邻的MEA的阴极侧提供的空气/氧气。该 流场还提供通过未反应气体携带，以将产物水由电池单元中除去的方 式。双极板通常还在其内包含冷却通道，如此构造便于冷却剂与加入 和移出阴阳极的气体隔离。

在燃料电池内，通常由碳纤维纸或碳纤维布制成的气体扩散介 质，置于双极板的流场和MEA之间，以利于反应气体向电极的最佳 扩散，提供电子的最佳传导，将MEA处产生的热输送给双极板冷却 通道内的冷却剂，以及便于将自阴极的产物水运送至流场。扩散介质 还可适应双极板和扩散介质的厚度变化，以及保护MEA不会在压缩 时被双极板破坏，作为柔软的MEA和硬质双极板之间的机械缓冲层。 扩散介质的几何形状通常为片状，约100-400微米厚，覆盖电池单元 的整个活性区域(通常50-1000cm²)。在如下讨论中，我们称该扩散介 质(100-400微米厚，通常150-300微米厚)的“厚度方向”为z轴方向。 这使其区别于该片材的两个“平面内方向”，以下称为x-y轴方向。

一方面，需要扩散介质在x-y轴方向上坚硬，以便于在压缩时， 该扩散介质不会挤入双极板的流场通道内。这样的挤入增大各自的流 场气体入口至流场出口间的压降，该压降将增加压缩机容量需求和电 能消耗需求。另外，该挤入可以引起阳极室与阴极室之间产生大的压 差，进而破坏MEA。另外，需要扩散介质在x-y轴方向上具有一定 硬度，以便增大流场通道区域上的MEA和扩散介质之间的接触压力， 由此减少MEA和扩散介质之间的电接触电阻和热接触电阻。该扩散 介质的硬度定义为在x或y轴方向上产生规定的变形所需的力 [Timoshenko S.P.和Gere J.M.，1972年，材料机械性能(Mechanics of Materials)，Litton Education Publishing，Inc.]。这取决于弹性模量(材 料的固有性质)和材料厚度。