[发明专利]通过正交取向的各向异性增强层来改善燃料电池的耐久性

说明书

技术领域

在至少一方面，本发明涉及用于燃料电池的质子交换膜。

背景技术

燃料电池在许多应用中被用作电力来源。具体地，已经提出了将燃料电池用于汽车中来代替内燃机。常用的燃料电池设计使用固体聚合物电解质(“SPE”)膜或者质子交换膜(“PEM”)来在阳极和阴极之间提供离子传输。

在质子交换膜类型燃料电池中，将氢气供给到阳极作为燃料，并将氧气供给到阴极作为氧化剂。氧气可以是纯形式的(O₂)或者是空气(O₂和N₂的混合物)。PEM燃料电池通常具有膜电极组件(“MEA”)，在其中固体聚合物膜在一个面上具有阳极催化剂，且在相对的面上具有阴极催化剂。典型的PEM燃料电池的阳极和阴极层是由多孔导电材料例如机织石墨、石墨化片或者碳纸形成的，以使得燃料和氧化剂能够分别分散在面朝燃料-供给电极和氧化剂-供给电极的膜表面上。每个电极具有负载在碳粒子上的细分散的催化剂粒子(例如铂粒子)以促进氢气在阳极处的氧化和氧气在阴极处的还原。质子从阳极穿过离子传导性聚合物膜流到阴极，在这里它们与氧结合形成水，且该水从电池中排出。MEA夹在一对多孔气体扩散层(“GDL”)之间，它们进而又夹在一对无孔的导电元件或者板之间。该板充当了阳极和阴极的集电器，并且包含形成在其中的适当的通道和开口，用于将燃料电池的气态反应物分配到相应的阳极和阴极催化剂的表面上。为了有效地产生电，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须是薄的、化学稳定的、质子传递性的、不导电的和气体不可透过的。在典型的应用中，燃料电池以许多单个燃料电池的电池组的阵列形式提供，来提供高水平的电力。

一种形成MEA的方法包括在垫片框架（shim frame）中直接喷涂或者涂覆来将电极油墨沉积在PEM上。电极可以在贴花纸（decal）上形成并转移到PEM上来形成催化剂涂覆的膜(CCM)。可选择地，催化剂/离聚物油墨可以涂覆到气体扩散介质(GDM)基底上，其称作催化剂涂覆的扩散介质(CCDM)。

电极油墨通常包括位于载体例如碳载体上的粉末催化剂，和分散在混合溶剂中的离聚物溶液。该混合溶剂通常包含特定比例的一种或多种有机溶剂(如醇)与水，该比例取决于催化剂的类型。然后在涂覆到PEM、贴花纸基底或者GDM上之前通过球磨使该混合物均化高达大约3天。对于垫片涂覆来说，催化剂载量可以通过垫片的厚度来控制；对于Mayer绕线棒（wire-wound rod）涂覆来说，催化剂载量可以通过线数来控制。根据需要，可以施涂多个涂层来获得更高的催化剂载量。在施涂湿油墨之后，将溶剂在烘箱中干燥以除去溶剂并形成电极。在催化剂/离聚物涂覆的贴花纸干燥后，通过热压将该催化剂/离聚物转移到PEM上来形成MEA。阳极和阴极可以同时热压到PEM上。对于不同类型的MEA，热压的压力和时间可以不同。

虽然现有技术的制造燃料电池MEA的方法相当不错，但是这些组件仍然会遭遇到许多问题。例如，现有技术的MEA趋向于以比所期望的更高的频率破裂。此外，为了改善成本和消费者接受度，期望改善耐久性。

因此，需要改进的燃料电池膜电极组件。

发明内容

本发明通过提供具有各向异性增强层的燃料电池解决了现有技术的一个或多个问题。该燃料电池包括膜电极组件，该组件具有：具有优先沿第一平均方向取向的第一多个纤维的第一各向异性增强层、具有优先沿第二平均方向取向的第二多个纤维的第二各向异性增强层、质子交换层、阴极催化剂层和阳极催化剂层。特征性地，第一平均方向不同于第二平均方向。该燃料电池还包括布置在阳极催化剂层上的阳极流场板和布置在阴极催化剂层上的阴极流场板。

在另一实施方案中，提供了用于燃料电池的组件。该组件包括具有优先沿第一平均方向取向的第一多个纤维的第一各向异性增强层，和具有优先沿第二平均方向取向的第二多个纤维的第二各向异性增强层。第一平均方向不同于第二平均方向。质子交换层位于第一各向异性增强层和第二各向异性增强层之间。阴极催化剂层位于第一各向异性增强层和质子交换层之间。阳极催化剂层位于第二各向异性增强层和质子交换层之间。