專利名稱：用于各種操作濕度的優(yōu)化氣體擴(kuò)散層和相應(yīng)的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及設(shè)計(jì)和制備擴(kuò)散介質(zhì)，尤其涉及設(shè)計(jì)和制備用于電化學(xué)電池的擴(kuò)散介質(zhì)，在該電化學(xué)電池中水管理是重要的設(shè)計(jì)問題。
根據(jù)本發(fā)明，提供了擴(kuò)散介質(zhì)以及定制該擴(kuò)散介質(zhì)的參數(shù)的方案，以解決和采用該擴(kuò)散介質(zhì)的電化學(xué)電池以及其它設(shè)備中的水管理相關(guān)的問題。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，提供了配置成將氫燃料源轉(zhuǎn)換成電能的設(shè)備。該設(shè)備包括第一反應(yīng)劑輸入、第二反應(yīng)劑輸入、增濕的反應(yīng)劑輸出、配置成在設(shè)備中通過多相反應(yīng)劑的擴(kuò)散介質(zhì)、和配置成在相對(duì)高濕度下操作該設(shè)備的控制器。配置控制器使得增濕的反應(yīng)劑輸出的相對(duì)濕度超過約150％。擴(kuò)散介質(zhì)包括擴(kuò)散介質(zhì)基體和中孔層。擴(kuò)散介質(zhì)基體包括含碳的多孔纖維基質(zhì)，該基質(zhì)限定了第一和第二主面。中孔層承載在基體第一和第二主面之一的至少部分上，包括親水性含碳組分和疏水性組分。親水性含碳組分包括低表面積的碳，該碳的特征在于表面積低于約85m2/g而且平均顆粒尺寸為約35nm-約70nm，其中所討論的顆?？梢詫?shí)際上是顆粒的團(tuán)聚體。
根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方案，配置控制器使得增濕的反應(yīng)劑輸出的相對(duì)濕度為約100％-約150％。親水性含碳組分包括中等表面積的碳，該碳的特征在于表面積為約200m2/g-約300m2/g而且平均顆粒尺寸為約15nm-約40nm。
根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施方案，配置控制器使得增濕的反應(yīng)劑輸出具有低于約100％的相對(duì)濕度。親水性含碳組分包括高表面積的碳，該碳的特征在于表面積大于約750m2/g而且平均顆粒尺寸小于約20nm。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，提供了制備根據(jù)本發(fā)明的擴(kuò)散介質(zhì)的方法，其中燃料電池的操作相對(duì)濕度確定為低、中或高，并且根據(jù)燃料電池的具體操作濕度定制擴(kuò)散介質(zhì)。
相應(yīng)地，本發(fā)明的目標(biāo)是提供用于解決擴(kuò)散介質(zhì)中的和采用這種擴(kuò)散介質(zhì)的設(shè)備中的水管理問題的方法。根據(jù)本文中對(duì)本發(fā)明的描述，本發(fā)明的其它目標(biāo)是顯而易見的。
結(jié)合下面的附圖會(huì)對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施方案的下列詳述理解得最好，在附圖中相同結(jié)構(gòu)用相同的附圖標(biāo)記表示，其中

圖1是結(jié)合了根據(jù)本發(fā)明的多孔擴(kuò)散介質(zhì)的燃料電池的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的多孔擴(kuò)散介質(zhì)的示意圖；圖3是結(jié)合了根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的車輛的示意圖。
首先參見圖1，示出了結(jié)合有根據(jù)本發(fā)明的多孔擴(kuò)散介質(zhì)20的燃料電池10。具體而言，燃料電池10包括置于燃料電池10的陽(yáng)極流場(chǎng)40和陰極流場(chǎng)50之間的膜電極組件30?？梢岳斫猓鲌?chǎng)40、50和膜電極組件30可以采用各種常規(guī)或還需要發(fā)展的形式，而不會(huì)偏離本發(fā)明的范圍。盡管膜電極組件30的具體形式超過了本發(fā)明的范圍，但是在所示的實(shí)施方案中，膜電極組件30包括相應(yīng)的催化電極層32和離子交換膜34。
現(xiàn)在參見圖2，示意性示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的擴(kuò)散介質(zhì)20。擴(kuò)散介質(zhì)20包括擴(kuò)散介質(zhì)基體22和中孔層24。擴(kuò)散介質(zhì)基體22包括限定了第一和第二主面21、23的多孔纖維基質(zhì)，例如碳纖維紙，和數(shù)量足以賦予基體22導(dǎo)電性的含碳材料。在示出的實(shí)施方案中，擴(kuò)散介質(zhì)基體22在基體22的第一主面21上承載著中孔層24。為了限定和描述本發(fā)明，需要注意的是該中孔結(jié)構(gòu)的特征在于氣孔尺寸可以從數(shù)納米到數(shù)百納米。
中孔層24包括親水性含碳組分28和疏水性組分26。親水性含碳組分28包括低表面積的碳。合適的碳顆粒包括例如碳黑、石墨、碳纖維、富勒烯和納米管。市售碳黑包括但不限于Vulcan XC72RTTM(CabotCorp.，Bilerica，Mass.)、Shawinigan C-55TM50％壓縮的乙炔黑(Chevon Chemical Co.，Houston，Tex.)、Norit型SX1TM(NoritAmericas Inc.，Atlanta，Ga.)、Corax LTM和Corax PTM(DegussaCorp.，Ridgefield Park，N.J.)、Conductex 975TM(ColombianChemical Co.，Atlanta，Ga.)、Super STTM和Super PTM(MMM CarbonDiv.，MMM nv，Brussels，Belgium)、KetJen Black EC 600JDTM(Ketjen Black International Co.制備，可從Akzo NobelChemicals，Inc.，Chicago，I11.購(gòu)買)、Black PearlsTM(CabotCorp.，Bilerica，Mass.)。本發(fā)明的具體實(shí)施方案采用表面積約60m2/g-約70m2/g的乙炔黑、表面積約250m2/g的Vulcan XC72TM、表面積約800-1300m2/g的KetJen BlackTM、以及表面積大于1300m2/g的Black PearlsTM。除了高表面積碳以外，親水型含碳組分可以包括少部分碳石墨，以提高導(dǎo)電性。
疏水性組分26可以包括氟化聚合物，例如，聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、氟化聚合物的組合、或者任何其它合適的疏水性材料或各材料的組合。
就各親水性和疏水性組分各自的重量百分比而言，中孔層可以包括約80wt％-約95wt％的含碳組分，或者，具體而言，在高操作濕度應(yīng)用中為約80wt％的含碳組分，在低操作濕度應(yīng)用中為約90wt％-約95wt％的含碳組分。
在本發(fā)明的許多實(shí)施方案中，中孔層24如果設(shè)置成靠著燃料電池10的膜電極組件30而不是面對(duì)電池的流場(chǎng)，那么它在解決水管理問題上更加有效。不過，期望擴(kuò)散介質(zhì)基體22可以在基體22的每一主面21、23上承載中孔層24，和哪個(gè)面靠著膜電極組件30無(wú)關(guān)。而且，中孔層24可以覆蓋承載它的全部表面或部分表面。如圖2所示，中孔層24至少部分滲入擴(kuò)散介質(zhì)基體22。如圖2中用陰影部分表示第一表面21所示意顯示的，滲透程度變化很大，具體取決于中孔層24和擴(kuò)散介質(zhì)基體22的性質(zhì)。在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，配置該中孔層使其比擴(kuò)散介質(zhì)基體的纖維基質(zhì)更富有多孔性是有利的。
本發(fā)明并不涉及燃料電池10將氫燃料源轉(zhuǎn)變成電能的特定機(jī)制。相應(yīng)地，在描述本發(fā)明時(shí)，注意到燃料電池10包括其中第一反應(yīng)劑輸入R1、第二反應(yīng)劑輸入R2和增濕的反應(yīng)劑輸出R0UT就足夠了。本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到擴(kuò)散介質(zhì)20的水管理性質(zhì)應(yīng)該最優(yōu)化，因?yàn)樗谌剂想姵?0的膜電極組件30和各個(gè)流場(chǎng)40、50之間通過多相反應(yīng)劑、即，反應(yīng)劑氣體、液體和蒸汽。
燃料電池控制器由于一般以塊狀單元的形式示出而且其具體構(gòu)造和理解本發(fā)明并沒有密切關(guān)系，所以在圖中并沒有示出，但它控制著許多燃料電池操作條件-包括操作濕度。例如，控制器可以配置來調(diào)節(jié)第一和第二反應(yīng)劑輸入的溫度、壓力、濕度、流動(dòng)速率，或其組合。在任何情況下，可以將控制器配置成使燃料電池10在高相對(duì)濕度(在燃料電池的增濕的反應(yīng)劑輸出處大于約150％相對(duì)濕度)、中等相對(duì)濕度(約100％-約150％相對(duì)濕度)、或者低相對(duì)濕度(小于約100％相對(duì)濕度)下操作。根據(jù)本發(fā)明，根據(jù)燃料電池的具體操作濕度定制擴(kuò)散介質(zhì)20的各個(gè)參數(shù)。當(dāng)然，對(duì)于在燃料電池設(shè)備的擴(kuò)散介質(zhì)下游而在增濕的反應(yīng)劑輸出之前采用濕度調(diào)節(jié)元件的情況，本文所表達(dá)的相對(duì)濕度測(cè)量值，就像設(shè)備中不存在這種濕度調(diào)節(jié)元件一樣。
下表給出了擴(kuò)散介質(zhì)的擴(kuò)散介質(zhì)基體22和中孔層24的所選參數(shù)的近似合適值，這些值是燃料電池10的操作濕度的函數(shù)
如表所示，相對(duì)低表面積的含碳組分28更適于在高操作濕度下操作。包括相對(duì)低表面積碳的擴(kuò)散介質(zhì)20比較高表面積的碳更適于通過毛細(xì)管作用從燃料電池10的膜電極組件30吸走水分。和高表面積碳相關(guān)的較大百分比的微孔使得該高表面積碳更難以從膜電極組件吸走水分，但也使得擴(kuò)散介質(zhì)更適于在低濕度下操作。由于相似的原因，顆粒尺寸相對(duì)較大的含碳組分28比顆粒尺寸較小的更適于在高操作濕度下操作。考慮到有關(guān)燃料電池10的操作濕度的需要，含碳組分28在中孔層24中的容重百分比也可以增加或降低。上表中給出了在每個(gè)操作濕度范圍內(nèi)這些參數(shù)的近似值。
一般而言，和基體氣孔尺寸相關(guān)的值隨著濕度增加而增加，這反應(yīng)了這樣的事實(shí)基體的氣孔率在低操作濕度下應(yīng)該低，而在高操作濕度下由于對(duì)水傳遞的要求更加強(qiáng)烈所以應(yīng)該高。同樣地，在相對(duì)低的操作濕度下，基體22的尺寸厚度b應(yīng)該大，以增加擴(kuò)散介質(zhì)20的儲(chǔ)水能力。就中孔層24而言，在相對(duì)高的操作濕度下，其尺寸厚度a以及滲入基體22的程度通常更加受限。上表也給出了這些參數(shù)在每個(gè)操作濕度范圍的近似值。
現(xiàn)在參見圖3，結(jié)合了根據(jù)本發(fā)明的擴(kuò)散介質(zhì)的燃料電池系統(tǒng)可以配置成作為車輛100的能源進(jìn)行操作。具體而言，可以將燃料從燃料存儲(chǔ)單元120送到燃料電池組件110，該組件110配置成將燃料，例如H2，轉(zhuǎn)換成電力。產(chǎn)生的電力隨后用作車輛100的動(dòng)力源，其中電力轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)矩和車輛的平移運(yùn)動(dòng)。
請(qǐng)注意術(shù)語(yǔ)如“優(yōu)選地”、“一般地”和“通常地”在本文中不用于限制本發(fā)明的范圍或者暗示某些特征對(duì)于本發(fā)明的結(jié)構(gòu)或功能而言是關(guān)鍵的、必要的或者甚至重要的。相反，這些術(shù)語(yǔ)僅僅用于突出顯示在本發(fā)明特殊實(shí)施方案中可以采用或者可以不采用的可替換的或附加的特征。
為了描述和定義本發(fā)明，請(qǐng)注意本文中的術(shù)語(yǔ)“設(shè)備”代表部件的組合和單獨(dú)的部件，不管這些部件是否和其它部件進(jìn)行了組合。例如，根據(jù)本發(fā)明的“設(shè)備”可以包括擴(kuò)散介質(zhì)、結(jié)合有本發(fā)明擴(kuò)散介質(zhì)的燃料電池、結(jié)合了本發(fā)明燃料電池的車輛，等等。
為了描述和定義本發(fā)明，請(qǐng)注意術(shù)語(yǔ)“基本上”在本文中用來表示可以賦予任何定量比較、值、測(cè)量或其它表示的固有不確定程度。術(shù)語(yǔ)“基本上”在本文中也用來表示在不導(dǎo)致所關(guān)注的主題的基本功能發(fā)生變化的情況下，某定量表示可以在所述基準(zhǔn)上變化的程度。
到此已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明并參考了本發(fā)明的具體實(shí)施方案，顯然可以作出修改和變化，而不會(huì)偏離所述權(quán)利要求限定的本發(fā)明范圍。更具體而言，雖然在本文中本發(fā)明的有些方面確定為優(yōu)選的或者特別有利的，但可以理解本發(fā)明不必限于本發(fā)明的這些優(yōu)選方面。
權(quán)利要求
1.一種配置成將氫燃料源轉(zhuǎn)換成電能的設(shè)備，所述設(shè)備包括第一反應(yīng)劑輸入、第二反應(yīng)劑輸入、增濕的反應(yīng)劑輸出、配置成在所述設(shè)備內(nèi)通過多相反應(yīng)劑的擴(kuò)散介質(zhì)、和配置成在高相對(duì)濕度下操作所述設(shè)備的控制器，其中所述控制器經(jīng)配置使得所述增濕的反應(yīng)劑輸出的相對(duì)濕度超過約150％；所述擴(kuò)散介質(zhì)包括擴(kuò)散介質(zhì)基體和中孔層；所述擴(kuò)散介質(zhì)基體包括限定了第一和第二主面的含碳多孔纖維基質(zhì)；所述中孔層承載在所述基體的所述第一和第二主面之一的至少部分上，并包括親水性含碳組分和疏水性組分；所述親水性含碳組分包括低表面積的碳，所述碳特征在于表面積低于約85m2/g而且平均顆粒尺寸為約35nm-約70nm。
2.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述親水性含碳組分包括特征在于表面積為約60m2/g-約80m2/g的低表面積的碳。
3.權(quán)利要求2的設(shè)備，其中所述親水性含碳組分包括占主要部分的所述低表面積的碳和除了所述低表面積的碳以外的占小部分的碳石墨。
4.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述親水性含碳組分包括特征在于平均顆粒尺寸約42nm的低表面積的碳。
5.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述親水性含碳組分選自碳黑、石墨、碳纖維、碳富勒烯、碳納米管和其組合。
6.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述親水性含碳組分包括乙炔黑。
7.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述中孔層包括約90wt％-約95wt％的所述含碳組分。
8.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述中孔層包括大于約80wt％的所述含碳組分。
9.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述親水性組分包括氟化聚合物。
10.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述中孔層限定了小于約15μm的厚度。
11.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述中孔層限定了約10μm-約12μm的厚度。
12.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述中孔層至少部分滲入所述擴(kuò)散介質(zhì)基體。
13.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述中孔層滲入所述擴(kuò)散介質(zhì)基體的深度小于5μm。
14.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述中孔層特征在于氣孔率大于所述擴(kuò)散介質(zhì)基體的所述纖維基質(zhì)的氣孔率。
15.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述基體包括碳纖維紙。
16.權(quán)利要求15的設(shè)備，其中所述碳纖維紙?zhí)卣髟谟诔^約80％的氣孔率。
17.權(quán)利要求15的設(shè)備，其中所述碳纖維紙限定了約100μm-約300μm的厚度。
18.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述基體特征在于平均氣孔尺寸超過約25μm。
19.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述基體特征在于平均氣孔尺寸為約25μm-約35μm。
20.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述控制器經(jīng)配置使得當(dāng)在所述設(shè)備的所述擴(kuò)散介質(zhì)下游而在所述增濕的反應(yīng)劑輸出之前沒有濕度調(diào)節(jié)元件時(shí)，所述相對(duì)濕度超過約150％。
21.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述控制器配置成對(duì)所述第一和第二反應(yīng)劑輸入中至少之一的相對(duì)濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得所述增濕的反應(yīng)劑輸出的所述相對(duì)濕度超過約150％。
22.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述控制器配置成對(duì)所述第一和第二反應(yīng)劑輸入的溫度、壓力、濕度和流動(dòng)速率進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得所述增濕的反應(yīng)劑輸出的所述相對(duì)濕度超過約150％。
23.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述控制器配置成使得所述增濕的反應(yīng)劑輸出的相對(duì)濕度約為300％。
24.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述設(shè)備包括燃料電池。
25.權(quán)利要求24的設(shè)備，其中所述設(shè)備還包括限定了由所述燃料電池提供能量的車輛的結(jié)構(gòu)。
26.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述親水性含碳組分包括特征在于表面積為約60m2/g-約80m2/g的低表面積的碳；所述中孔層包括小于約80wt％的所述含碳組分；所述親水性組分包括選自PTFE、PVDF、PVF和其組合的氟化聚合物；所述中孔層限定了小于約15μm的厚度；所述擴(kuò)散介質(zhì)基體包括碳纖維紙，所述碳纖維紙的特征在于氣孔率大于約80％而且限定了約100μm-約300μm的厚度；和所述控制器配置成對(duì)所述第一和第二反應(yīng)劑輸入的溫度、壓力、濕度和流動(dòng)速率進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得所述增濕的反應(yīng)劑輸出的所述相對(duì)濕度超過約150％。
27.配置成將氫燃料源轉(zhuǎn)換成電能的設(shè)備，所述設(shè)備包括第一反應(yīng)劑輸入、第二反應(yīng)劑輸入、增濕的反應(yīng)劑輸出、配置成在所述設(shè)備中通過多相反應(yīng)劑的擴(kuò)散介質(zhì)、和配置成在中等相對(duì)濕度下操作所述設(shè)備的控制器，其中所述控制器配置成使得所述增濕的反應(yīng)劑輸出的相對(duì)濕度為約100％-約150％；所述擴(kuò)散介質(zhì)包括擴(kuò)散介質(zhì)基體和中孔層；所述擴(kuò)散介質(zhì)基體包括限定了第一和第二主面的含碳多孔纖維基質(zhì)；所述中孔層承載在所述基體的所述第一和第二主面之一的至少部分上，并包括親水性含碳組分和疏水性組分；所述親水性含碳組分包括中等表面積的碳，所述碳特征在于表面積為約200m2/g-約300m2/g而且平均顆粒尺寸為約15nm-約40nm。
28.權(quán)利要求27的設(shè)備，其中所述親水性含碳組分包括特征在于表面積為約250m2/g的中等表面積的碳。
29.權(quán)利要求27的設(shè)備，其中所述親水性含碳組分包括特征在于平均顆粒尺寸為約30nm的低表面積碳。
30.權(quán)利要求27的設(shè)備，其中所述中孔層限定了約10μm-約20μm的厚度。
31.權(quán)利要求27的設(shè)備，其中所述中孔層滲入所述擴(kuò)散介質(zhì)基體的深度小于約10μm。
32.權(quán)利要求27的設(shè)備，其中所述基體包括特征在于氣孔率為70％-約80％的碳纖維紙。
33.權(quán)利要求32的設(shè)備，其中所述碳纖維紙限定了約150μm-約300μm的厚度。
34.權(quán)利要求27的設(shè)備，其中所述基體的特征在于平均氣孔尺寸約20μm-約30μm。
35.權(quán)利要求27的設(shè)備，其中所述中孔層包括大于約80wt％的所述含碳組分。
36.一種配置成將氫燃料源轉(zhuǎn)換成電能的設(shè)備，所述設(shè)備包括第一反應(yīng)劑輸入、第二反應(yīng)劑輸入、增濕的反應(yīng)劑輸出、配置成在所述設(shè)備內(nèi)通過多相反應(yīng)劑的擴(kuò)散介質(zhì)、和配置成在低相對(duì)濕度下操作所述設(shè)備的控制器，其中所述控制器配置成使得所述增濕的反應(yīng)劑輸出的相對(duì)濕度低于約100％；所述擴(kuò)散介質(zhì)包括擴(kuò)散介質(zhì)基體和中孔層；所述擴(kuò)散介質(zhì)基體包括限定了第一和第二主面的含碳多孔纖維基質(zhì)；所述中孔層承載在所述基體的所述第一和第二主面之一的至少部分上，并包括親水性含碳組分和疏水性組分；所述親水性含碳組分包括高表面積的碳，所述碳特征在于表面積大于約750m2/g而且平均顆粒尺寸小于約20nm。
37.權(quán)利要求36的設(shè)備，其中所述親水性含碳組分包括特征在于表面積約800m2/g-約1300m2/g的中等表面積的碳。
38.權(quán)利要求36的設(shè)備，其中所述中孔層限定了約10μm-約40μm的厚度。
39.權(quán)利要求36的設(shè)備，其中所述中孔層滲入所述擴(kuò)散介質(zhì)基體的深度小于25μm。
40.權(quán)利要求36的設(shè)備，其中所述中孔層滲入所述擴(kuò)散介質(zhì)基體的深度為約20μm-約25μm。
41.權(quán)利要求36的設(shè)備，其中所述基體包括特征在于氣孔率為約70％-約75％的碳纖維紙。
42.權(quán)利要求41的設(shè)備，其中所述碳纖維紙限定了約190μm-約300μm的厚度。
43.權(quán)利要求36的設(shè)備，其中所述基體的特征在于平均顆粒尺寸小于約25μm。
44.權(quán)利要求36的設(shè)備，其中所述中孔層包括大于約80wt％的所述含碳組分。
45.權(quán)利要求36的設(shè)備，其中所述中孔層包括約90wt％-約95wt％的所述含碳組分。
全文摘要
本發(fā)明提供了擴(kuò)散介質(zhì)以及用于定制該擴(kuò)散介質(zhì)的參數(shù)的方案，以便解決和采用了該擴(kuò)散介質(zhì)的電化學(xué)電池和其它設(shè)備的水管理相關(guān)的問題。根據(jù)燃料電池的具體操作濕度，定制了該擴(kuò)散介質(zhì)的各種參數(shù)，比如碳的顆粒尺寸和表面積，所述碳作為填料和疏水性聚合物材料混合從而在多孔碳紙上提供中孔層。
文檔編號(hào)H01M8/02GK1830109SQ200480022005
公開日2006年9月6日 申請(qǐng)日期2004年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月28日
發(fā)明者J·E·奧哈拉 申請(qǐng)人:通用汽車公司