[发明专利]制备包括蒸气阻挡层、气体扩散层或两者的膜电极组件的方法

说明书

本发明涉及电化学转换电池，常称为燃料电池，其通过处理第一和第二反应物产生电能。例如，可通过还原含氧气体和氧化含氢气体在燃料电池中产生电能。例如但不是限制，典型的电池包括位于容纳各自反应物的一对流场之间的膜电极组件(MEA)。更具体地说，阴极流场板和阳极流场板可位于MEA的相对侧上。单个电池单元提供的电压对于有用的应用来说一般太小，因而通常在导电连接的“堆”中排列多个电池增加电化学转换组件的电输出。 

膜电极组件一般包括分开MEA的阳极层和阴极层的质子交换膜。MEA一般特征在于在湿条件下增强的质子导电性。为了描述本发明的内容，注意燃料电池和燃料电池堆的一般构造和操作在本发明的范围外。相反，本发明涉及结合在电化学转换电池中的蒸气阻挡层、气体扩散层以及蒸气阻挡层和气体扩散层的组合。关于燃料电池和燃料电池堆的一般构造和操作，申请人提到覆盖构造燃料电池“堆”和堆各种部件的方式的教导的广泛集合。例如，多个美国专利和公布的申请直接涉及燃料电池构造和相应的操作方法。更具体地说，美国专利申请公开2005/0058864的图1和2和伴随文本提供了一种燃料电池堆的部件的详细说明，该具体主题特意引入本文作为参考。 

根据一种实施方案，提供制备电化学转换组件的方法。电化学转换组件包括至少一个电化学转换电池，其包括膜电极组件、在膜电极组件相对侧上限定的第一和第二流场部分以及布置在膜电极组件和至少一个流场部分之间的至少一个蒸气阻挡层。方法还包括为至少一个蒸气阻挡层选择至少约0.05cm的所需传质系数(MTC)，其中MTC＝Dh/D_eff，h为蒸气阻挡层的厚度，D为通过蒸气阻挡层的自由气相扩散率，D_eff 为通过蒸气阻挡层的有效扩散率。方法还包括优化蒸气阻挡层孔隙率、弯曲度和厚度中的一个或多个以在蒸气阻挡层中产生所需的MTC。 

根据另一种实施方案，提供制备电化学转换组件的方法。电化学转换组件包括至少一个电化学转换电池，其包括膜电极组件、在膜电极组件相对侧上限定的第一和第二流场部分以及在膜电极组件和流场部分之间的气体扩散层。方法还包括为气体扩散层选择至少约0.10cm的所 需传质系数(MTC)，其中MTC＝Dh/D_eff，h为气体扩散层的厚度，D为通过气体扩散层的自由气相扩散率，D_eff为通过气体扩散层的有效扩散率。方法还包括优化气体扩散层孔隙率、弯曲度和厚度中的一个或多个以在气体扩散层中产生所需的MTC。 

根据本发明还一种实施方案，提供制备电化学转换组件的方法。电化学转换组件包括至少一个电化学转换电池，其包括膜电极组件、在膜电极组件相对侧上限定的第一和第二流场部分、在膜电极组件和流场部分之间的各个气体扩散层以及在各个气体扩散层和膜电极组件之间的各个蒸气阻挡层。方法还包括选择所需的总传质系数(MTC_总)，其中气体扩散层和蒸气阻挡层限定至少约0.15cm的总传质系数(MTC_总)，其中： 

其中h_gdl为气体扩散层的厚度，D_gdl为通过气体扩散层的自由气相扩散率，D_gdleff为通过气体扩散层的有效扩散率，h_vbl为蒸气阻挡层的厚度，D_gdl为通过蒸气阻挡层的自由气相扩散率，D_vbleff为通过蒸气阻挡层的有效扩散率。方法还包括优化气体扩散层、蒸气阻挡层或两者的孔隙率、弯曲度和厚度中的一个或多个以在气体扩散层中产生所需的MTC_总。 

本发明涉及以下技术方案： 

一种在电化学转换组件操作时减少膜电极组件中形成的应力程度的方法，包括： 

提供包括至少一个燃料电池的电化学转换组件，所述燃料电池包括所述膜电极组件、在膜电极组件相对侧上限定的第一和第二流场部分、以及布置在所述膜电极组件和至少一个所述流场部分之间的至少一个蒸气阻挡层； 

为所述至少一个蒸气阻挡层选择至少0.05cm的所要求的传质系数(MTC)，其中MTC＝Dh/D_eff，h为蒸气阻挡层的厚度，D为通过蒸气阻挡层的自由气相扩散率，D_eff为通过蒸气阻挡层的有效扩散率；和 

优化所述蒸气阻挡层的孔隙率、弯曲度和厚度中的一个或多个以在所述蒸气阻挡层中产生所要求的MTC，使得在所述电化学转换组件操 作之后，通过所述所要求的MTC来减少所述膜电极组件中的湿度程度的变化。