高弯曲度的扩散介质制造技术

本发明专利技术涉及高弯曲度的扩散介质。一种使用在质子交换膜燃料电池中的扩散介质，包括布置在多个穿孔层之间的多孔间隔层，穿孔层具有穿孔样式的可变尺寸和出现率，每个穿孔层具有在其上形成的微孔层，其中扩散介质适用于优化燃料电池中的水管理和燃料电池的性能。

High flexural diffusion medium

The present invention relates to a high curvature diffusion medium. A diffusion medium exchange membrane fuel cell in a proton, including multiple perforation arranged in the porous layer of the interlayer, perforated layer with variable size style and perforation rate, each perforation layer has a microporous layer formed thereon, wherein the diffusion properties of medium suitable for the optimization of water management in fuel cell and fuel cell.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种燃料电池，尤其涉及一种适合于优化燃料电池中水管理的燃料电池的扩散介质，该扩散介质包括多孔隔离层、多个具有尺寸、出现率和布置可变的穿孔的穿孔层、多个微孔层，其中微孔层和穿孔层布置在多孔隔离层上。
技术介绍
燃料电池越来越多地被用来作为电动汽车和其他应用的动力源。在质子交换膜 (PEM)燃料电池中，氢气供给到燃料电池的阳极催化电极，带氧空气作为氧化剂供给到燃料电池的阴极催化电极。在燃料电池中的反应气体之间发生的电化学反应在阳极侧消耗氢气并在阴极侧消耗氧气，并在阴极侧产生液态相和蒸汽相的产物水。质子交换膜燃料电池包括膜电极组件(MEA)，其中薄的、能传送质子的、非导电的固体高分子电解质膜在一面与阳极催化电极连接且在相反的一面与阴极催化电极连接。气体扩散介质在质子交换膜燃料电池中起到重要的作用。在燃料电池中通常布置在催化电极与双极板的流场通道之间，多孔气体扩散介质提供反应物和产物的可渗透性、 导电性和导热性，以及对软的MEA的机械支撑。燃料电池的高效运行依赖于能够在系统中提供有效的水管理。在质子交换膜燃料电池中，水管理必须被谨慎平衡以向质子交换膜提供足够的水以便充分地传导质子，同时有效地移除产物水以便保证气体反应物可以到达催化电极而不被液态水的薄膜或积聚体堵塞。在干燥的运行条件下，其中非加湿反应气体输送到燃料电池，这是优选的以简化燃料电池系统，产物水主要以蒸汽相存在，也就是说，不会出现液态水或只有少量。在这种情况下，水蒸汽必须提供用于膜加湿的来源以便提供质子传导性。在膜和催化电极位置处湿度的程度与气体扩散介质的气体传输阻力密切相关，因为蒸汽穿过扩散介质扩散到流场通道内。因此，需要高传输阻力来保持干燥情况下通过利用产物水蒸汽对膜加湿。相比之下，潮湿的运行条件(其中反应气体是蒸汽饱和的且可发生凝结)下大量地提供用于膜加湿的水，并且需要用于反应物达到以及移除水的低传输阻力。通常，由于在扩散介质中的孔的结构、尺寸和出现率是一致的，所以在质子交换膜燃料电池中使用的扩散介质具有在介质的整个面积上相对恒定的传输阻力。此外，现有技术中的材料的传输阻力通常很低。使用现有扩散介质的汽车燃料电池的性能是有限的，因为反应物流通常在电池进口处是水蒸汽不饱和的但是沿着流动方向在出口处逐渐变得水蒸汽饱和直到凝结点。因此，在从流入口到流出口的电池工作区域上存在湿度和水流(即水的产生)的大的变化。因此，在接近电池出口处的潮湿运行区域中产物水的去除速率必须与在接近电池进口处的保持水的需要平衡以便保持膜吸水。因此，未解决的问题是向燃料电池提供在工作区域上具有不同传输阻力的扩散介质，从而在电池进口处表现为用于在薄膜上保持水蒸汽的高传输阻力和在水必须被有效地移除的出口处表现为低传输阻力。气体传输阻力定义为“/· AZDtf ”，其中如果在燃料电池结构中进行气体传输阻力的测量，那么“/ ”是说明平台-通道(land-channel)几何形状的几何形状因子，“ A ” 是层厚，以及“ D欲”是有效扩散系数。有效扩散系数描述了在存在多孔材料的情况下气体混合物(例如空气)中的所考虑的气体种类(例如水蒸汽)的扩散系数。因为一方面多孔材料中的固体部分填补了扩散和扩散通量通常能够到达的空间的一部分(多孔效应)，并在另一方面孔通常不是笔直地而是倾斜地或卷绕地穿过多孔材料，从而延长路径长度(弯曲度效应)，所以有效扩散系数自然比自由扩散系数小。多孔材料的有效扩散通常定义为=￡)· f/τ,其中D是不存在多孔材料的混合物中各种类的自由扩散系数，是多孔材料的孔隙率(即孔体积与整体材料体积的比)和τ是多孔材料的孔中传输路径的弯曲度。通常情况下，自由扩散系数与有效扩散系数的比是用于多孔介质构成扩散和扩散通量的障碍的程度的定量测量。气体传输阻力术语的起源在电化学协会汇刊(2006)第3卷第 989-999 页 D. Baker, C. Wieser, K. C. Nyerlin，和 Μ. W. Murphy 的“极限水流在质子交换膜燃料电池中确定传输阻力的使用”中有所描述，在此通过参考并入。因为在燃料电池应用中由于技术上的限制，层的厚度是有限的，通过增加层的厚度来增加传输阻力通常是不可能的。因此，减少有效扩散率是必需的。这可以通过减少孔隙率S、增加弯曲度T、或同时进行这两者来完成。分析研究表明，孔隙率必须大大减少才能显示出效果，而且在目前的材料(其为基于具有由碳黑形成的微粒涂覆的碳纤维纸的随机多孔介质)中孔隙率所能减少的程度是有限的。因此，试图以受控制的方式增加气体扩散介质的弯曲度。因此，本专利技术是一种扩散介质，其适合于提供不同的局部水管理能力以优化燃料电池性能。在这里所述的扩散介质中，通过改变孔的结构、大小、出现率和布置最大化扩散介质的扩散气体传输阻力，尤其是以增加弯曲度为目标，从而最大化保留在质子交换膜中的用于吸水的水蒸汽量。同时，通过改变孔的结构、大小、出现率和布置来在扩散介质上对扩散介质的传输阻力进行局部化并进行控制，其中特别是以控制弯曲度为目标，从而选择性地改变扩散介质的传输阻力和弯曲度。
技术实现思路
本专利技术的扩散介质适应于优化水管理同时还改善燃料电池的性能和运行稳健性已经被发现。在一个实施例中，在质子交换膜燃料电池中使用的扩散介质包括第一穿孔层，其具有形成在其内的多个穿孔；第二穿孔层，其具有形成在其内的多个穿孔；作为隔离物布置在第一穿孔层和第二穿孔层之间的导电多孔层；第一微孔层，其布置在第一穿孔层上； 第二微孔层，其布置在第二穿孔层上；微孔层可以进入到第一和第二穿孔层的孔内并进入多孔隔离物内。在一个实施例中，在质子交换膜燃料电池中使用的扩散介质包括第一穿孔层，其具有形成在其内的多个穿孔；第二穿孔层，其具有形成在其内的多个穿孔；布置在所述第一穿孔层和所述第二穿孔层之间的导电多孔隔离层；第一微孔层，其布置在所述第一穿孔层上；和第二微孔层，其布置在所述第二穿孔层上。在另一个实施例中，在质子交换膜燃料电池中使用的扩散介质包括第一穿孔层，其具有形成在其内的多个穿孔，其中所述第一穿孔层的穿孔间隔分开以产生穿孔密度梯度；第二穿孔层，其具有形成在其内的多个穿孔；布置在所述第一穿孔层和所述第二穿孔层之间的导电多孔隔离层；第一微孔层，其布置在所述第一穿孔层上；和第二微孔层，其布置在所述第二穿孔层上。在另一个实施例中，在质子交换膜燃料电池中使用的扩散介质包括第一穿孔层， 其具有形成在其内的多个穿孔；第二穿孔层，其具有形成在其内的多个穿孔，其中所述第一穿孔层的穿孔之间的距离大于所述第二穿孔层的穿孔之间的距离；布置在所述第一穿孔层和所述第二穿孔层之间的导电多孔隔离层；第一微孔层，其布置在所述第一穿孔层上；和第二微孔层，其布置在所述第二穿孔层上。本专利技术还提供了以下方案方案1. 一种使用在质子交换膜燃料电池中的扩散介质，包括 第一穿孔层，其具有多个形成在其中的穿孔； 第二穿孔层，其具有多个形成在其中的穿孔； 导电多孔间隔层，其布置在所述第一穿孔层和所述第二穿孔层之间； 第一微孔层，其布置在所述第一穿孔层上；和第二微孔层，其布置在所述第二穿孔层上。方案2.如方案1的扩散介质，其中所述多孔间隔层是碳纤维纸、泡沫、所述第一微孔层、和所述第二微孔层的其中之一。方案3.如方案1的扩本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．　一种使用在质子交换膜燃料电池中的扩散介质，包括：第一穿孔层，其具有多个形成在其中的穿孔；第二穿孔层，其具有多个形成在其中的穿孔；导电多孔间隔层，其布置在所述第一穿孔层和所述第二穿孔层之间；第一微孔层，其布置在所述第一穿孔层上；和第二微孔层，其布置在所述第二穿孔层上。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：C韦泽，PD尼科特拉，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：US