燃料電池的微孔層的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種燃料電池的微孔層。在至少一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種燃料電池，所述燃料電池包括：正極，包括第一氣體擴(kuò)散層和第一催化劑層；負(fù)極，包括第二氣體擴(kuò)散層和第二催化劑層；質(zhì)子交換膜（PEM），設(shè)置在正極和負(fù)極之間；碳和粘合劑的微孔層，設(shè)置在第一催化劑層和第一氣體擴(kuò)散層之間以及第二催化劑層和第二氣體擴(kuò)散層之間的至少一個(gè)處。微孔層可以具有限定在其中的直徑為0.05μm至2.0μm的多個(gè)孔以及直徑為1μm至100μm的多個(gè)鉆孔。鉆孔可以是激光穿孔并且包括微孔層的總孔隙率的0.1%至5%。
【專(zhuān)利說(shuō)明】燃料電池的微孔層

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] -個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例涉及一種燃料電池的微孔層。

【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)環(huán)境污染和化石燃料耗盡的關(guān)注已經(jīng)導(dǎo)致了對(duì)替代的清潔能源方案的迫切需 求。氫燃料電池(例如，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC))是一種用于未來(lái)的機(jī)動(dòng)車(chē)和固定設(shè) 施應(yīng)用的潛在的能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。PEMFC中的反應(yīng)包括在陽(yáng)極處氫分子分裂為氫離子和電 子，而在陰極處質(zhì)子與氧和電子復(fù)合以形成水并釋放熱。由于高功率輸出（快速的反應(yīng)和變 化)、長(zhǎng)壽命以及經(jīng)濟(jì)效益的特殊需求，燃料電池可能非常復(fù)雜并且精密。通常，質(zhì)子交換膜 (PEM)被用作PEMFC中的質(zhì)子傳導(dǎo)體。包含例如鉬和/或鉬合金的催化劑層（CL)被用于催 化電極反應(yīng)?？梢园ㄎ⒖讓樱∕PL)和碳纖維基氣體擴(kuò)散層（GDL)的氣體擴(kuò)散介質(zhì)被用于 傳輸反應(yīng)氣體和電子并且去除產(chǎn)生的水和熱。另外，流場(chǎng)板通常被用于分配反應(yīng)氣體。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 在至少一個(gè)實(shí)施例中，提供了 一種燃料電池微孔層，所述微孔層包括：碳和粘合劑 的層，被構(gòu)造為設(shè)置在燃料電池電極的催化劑層和氣體擴(kuò)散層之間。微孔層可以具有直徑 為0. 05 μ m至2. 0 μ m的多個(gè)孔以及直徑為1 μ m至100 μ m的多個(gè)鉆孔。鉆孔可以包括微 孔層的總孔隙率的〇. 1%至5%。
[0004] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述孔的疏水性大于所述鉆孔的疏水性。在另一實(shí)施例中，在所 述多個(gè)鉆孔之間的橫向間隔為0. 2mm至3_。鉆孔的面密度可為5個(gè)鉆孔每cm2至500個(gè) 鉆孔每cm2。鉆孔的面密度可以沿微孔層的長(zhǎng)度增大。在一個(gè)實(shí)施例中，鉆孔是激光穿孔的 鉆孔。在另一實(shí)施例中，鉆孔的直徑是氣體擴(kuò)散層的毛細(xì)管壓力的函數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中， 所述多個(gè)孔的直徑為〇. 05 μ m至0. 5 μ m，并且所述多個(gè)鉆孔的直徑為1 μ m至50 μ m，并且 所述多個(gè)鉆孔包括微孔層的總孔隙率的〇. 5%至1. 5%。
[0005] 在至少一個(gè)實(shí)施例中，提供了 一種燃料電池，所述燃料電池包括：正極，包括第 一氣體擴(kuò)散層和第一催化劑層；負(fù)極，包括第二氣體擴(kuò)散層和第二催化劑層；質(zhì)子交換膜 (PEM)，設(shè)置在正極和負(fù)極之間；碳和粘合劑的微孔層，設(shè)置在第一催化劑層和第一氣體擴(kuò) 散層之間以及第二催化劑層和第二氣體擴(kuò)散層之間的至少一個(gè)處。微孔層可以具有限定在 其中的直徑為〇. 05 μ m至2. 0 μ m的多個(gè)孔以及直徑為1 μ m至100 μ m的多個(gè)鉆孔，直徑為 1 μ m至100 μ m的多個(gè)鉆孔包括微孔層的總孔隙率的0. 1%至5%。
[0006] 在一個(gè)實(shí)施例中，微孔層設(shè)置在第一氣體擴(kuò)散層和第一催化劑層之間，并且在第 二氣體擴(kuò)散層和第二催化劑層之間。在另一實(shí)施例中，孔的疏水性大于鉆孔的疏水性。在 所述多個(gè)鉆孔之間的橫向間隔可為〇. 2_至3_。在一個(gè)實(shí)施例中，鉆孔的面密度為5個(gè)鉆 孔每cm2至500個(gè)鉆孔每cm2。鉆孔的面密度可以是沿微孔層的長(zhǎng)度是不均勻的。在微孔層 的鄰近氣體通道出口的區(qū)域中的面密度還可以高于微孔層的鄰近氣體通道入口的區(qū)域中 的面密度。鉆孔可以是激光穿孔的鉆孔。在另一實(shí)施例中，鉆孔的直徑是第一氣體擴(kuò)散層和 第二氣體擴(kuò)散層中的一個(gè)的毛細(xì)管壓力的函數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，鉆孔的直徑是第二氣體 擴(kuò)散層的毛細(xì)管壓力的函數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)孔的直徑為0. 05 μ m至0. 5 μ m，并 且所述多個(gè)鉆孔的直徑為1 μ m至50 μ m，并且所述多個(gè)鉆孔包括微孔層的總孔隙率的0. 5% 至 1. 5%。
[0007] 在至少一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種燃料電池微孔層，所述微孔層包括：體材料；多 個(gè)孔，限定在體材料中并且直徑為0. 05 μ m至2 μ m ;多個(gè)鉆孔，限定在體材料中并且直徑為 1 μ m至100 μ m，并且包括微孔層的總孔隙率的0. 1%至5%。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008] 圖1是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC)的示意圖；
[0009] 圖2是示出傳統(tǒng)的微孔層中的裂紋的顯微照片；
[0010] 圖3是具有雙?？壮叽绶植嫉奈⒖讓拥膶?shí)施例的平面圖；
[0011] 圖4是具有多種鉆孔剖面的微孔層的實(shí)施例的平面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0012] 按照需要，在這里公開(kāi)了本發(fā)明的詳細(xì)實(shí)施例。然而，應(yīng)當(dāng)理解，公開(kāi)的實(shí)施例僅 僅是本發(fā)明的示例，這些示例可以以不同的和可選的形式實(shí)施。附圖不需要是按比例的。為 了示出特定組件的細(xì)節(jié)，可以放大或縮小一些特征。因此，這里公開(kāi)的特定結(jié)構(gòu)和功能性細(xì) 節(jié)不應(yīng)被解釋為限制性的，而僅僅是用于教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)不同地實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施 例的代表性基礎(chǔ)。
[0013] 雖然質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC)技術(shù)在過(guò)去的十年里已經(jīng)經(jīng)歷了顯著的發(fā)展， 但是還未實(shí)現(xiàn)以低成本具有高性能和改善了的魯棒性的PEMFC。因此，燃料電池還未顯著 地商業(yè)化。PEMFC的一個(gè)重要技術(shù)挑戰(zhàn)是水管理。這主要由于當(dāng)前的僅在很好地水合的狀 態(tài)下才表現(xiàn)出高的質(zhì)子傳導(dǎo)性的聚合物電解質(zhì)膜所決定的。電解質(zhì)的水合需要將燃料電池 的最高操作溫度限制為大約80°C。在上述溫度以上，會(huì)出現(xiàn)膜干燥，導(dǎo)致質(zhì)子傳導(dǎo)性降低。 另一方面，如果未有效地去除產(chǎn)生的水，會(huì)導(dǎo)致水聚集并淹沒(méi)電極。這會(huì)由于反應(yīng)物的質(zhì)量 傳輸?shù)淖枇υ龃蠖鴮?dǎo)致電壓損失。當(dāng)燃料電池在低溫下和/或高電流密度下操作時(shí)經(jīng)常出 現(xiàn)淹沒(méi)。在低溫下，蒸汽壓力降低，這使得更容易出現(xiàn)這樣的情況，即，水蒸氣分壓會(huì)超過(guò) 飽和蒸汽壓力，并導(dǎo)致水在電極內(nèi)部聚集并阻擋氣體在GDL和催化劑層中的擴(kuò)散。由于燃 料電池中的水的水平不僅嚴(yán)重地影響膜特性，還嚴(yán)重地影響反應(yīng)物的傳輸和電極反應(yīng)動(dòng)力 學(xué)，所以保持陰極和陽(yáng)極之間的最佳的水平衡是實(shí)現(xiàn)更高水平的電池性能的重要因素。
[0014] 在燃料電池中的液態(tài)水主要有兩個(gè)來(lái)源：由在陰極處的氧還原反應(yīng)產(chǎn)生的水，以 及由濕化氣源隨著反應(yīng)物被消耗并且蒸汽壓超過(guò)飽和壓力而凝結(jié)的水。在不同的燃料電池 組件中的液態(tài)水的積累導(dǎo)致對(duì)于PEMFC操作來(lái)說(shuō)兩相流(例如，液相和氣相)基本不可避免， 尤其是在低溫和高電流密度下。因此，在設(shè)計(jì)和選擇PEMFC組件和操作條件時(shí)，有效地處理 液氣兩相流的能力是重要的考慮方面。
[0015] 參照?qǐng)D1，示出了 PEMFC10的示例。PEMFC10通常包括被質(zhì)子交換膜（PEM) 16 (也 是聚合物電解質(zhì)膜）分開(kāi)的負(fù)極（陽(yáng)極）12和正極（陰極）14。陽(yáng)極12和陰極14均可以包 括氣體擴(kuò)散層（⑶L)18、催化劑層20和形成氣體通道24的流場(chǎng)板22。對(duì)于陽(yáng)極12和陰極 14,⑶L18可以相同。可選地，陽(yáng)極12可以具有⑶L1V，陰極14可以具有不同的⑶L18"。 在至少一個(gè)實(shí)施例中，由于陽(yáng)極12的氣體擴(kuò)散需要比陰極14的氣體擴(kuò)散需要低，所以陽(yáng)極 ⑶L18'比陰極⑶L18"薄。對(duì)于陽(yáng)極12和陰極14,催化劑層20可以相同。但是通常地， 陽(yáng)極12將具有催化劑層20'，陰極14將具有不同的催化劑層20"。陽(yáng)極催化劑層20' 可以幫助氫原子分裂為氫離子和電子，而陰極催化劑層20"有助于氧氣與電子反應(yīng)以形成 水。另外，陽(yáng)極12和陰極14均可包括設(shè)置在⑶L18和催化劑層20之間的微孔層（MPL)26。
[0016] 在傳統(tǒng)的PEMFC中，在陰極中產(chǎn)生的水可被催化劑層和/或PEM吸收，或者以蒸汽 和液態(tài)水的兩種形式通過(guò)GDL傳輸至陰極氣體通道，水在陰極氣體通道中被氣體流帶走。 用于PEMFC的傳統(tǒng)的⑶L材料是厚度為大約200 μ m的基于碳纖維的紙和布。這些材料是 高度多孔的(孔隙率為大約80%)以允許反應(yīng)氣體傳輸至催化劑層(通常具有大約10 μ m至 15μπι的厚度)，并且從催化劑層傳輸液態(tài)水。為了有助于去除液態(tài)水，GDL通常利用例如 聚四氟乙烯（PTFE，通常被稱(chēng)作商品名特氟龍）的非潤(rùn)濕聚合物而被處理為疏水的。主要由 碳粉和PTFE顆粒組成的MPL可以被涂覆在GDL的面對(duì)催化劑層的側(cè)部，以幫助質(zhì)量傳輸。 與具有基本小于1 μ m的單峰孔尺寸的傳統(tǒng)的MPL相比，傳統(tǒng)的GDL具有幾百微米的主孔尺 寸。當(dāng)MPL被期望幫助質(zhì)量傳輸時(shí)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)水優(yōu)先地移動(dòng)通過(guò)MPL中的幾微米寬的裂紋， 所述裂紋不是MPL的期望的結(jié)構(gòu)。MPL中的這種裂紋的示例在圖2中示出。這些裂紋是MPL 中的缺陷，它們是不期望的并且在傳統(tǒng)的MPL的制造過(guò)程中是不受控制或不可控制的。
[0017] 參照?qǐng)D3,在至少一個(gè)實(shí)施例中，MPL26被示出為增大穿過(guò)陰極⑶L18的液體流，因 此減少陰極淹沒(méi)。MPL26可以由導(dǎo)電顆粒和疏水粘合劑(例如，分別為碳顆粒和PTFE粘合 齊U)形成。在至少一個(gè)實(shí)施例中，MPL26可具有基本為雙模的孔尺寸分布，具有第一組孔28 和第二組鉆孔30。在至少一個(gè)實(shí)施例中，第一組孔28的直徑為0.05μπι至2.0μπι。在另 一實(shí)施例中，第一組孔28的直徑為0. 05 μ m至1. 0 μ m。在另一實(shí)施例中，第一組孔28的尺 寸為 0· 05 μ m 至 0· 5 μ m。
[0018] 在至少一個(gè)實(shí)施例中，第二組鉆孔30延伸穿過(guò)MPL26的整個(gè)厚度，所述厚度在一 些實(shí)施例中為大約5μπι至75μπι。在另一實(shí)施例中，MPL26的厚度為ΙΟμπι至60μπι。在 另一實(shí)施例中，MPL26的厚度為20μπι至50μπι。在另一實(shí)施例中，鉆孔30在MPL26的整個(gè) 厚度的至少一部分處延伸。鉆孔30可以以任何合適的方式形成，例如，通過(guò)激光穿孔來(lái)形 成。鉆孔30可為圓柱形或者基本為圓柱形，然而其他形狀或剖面也可以是可能的。其他合 適的鉆孔形狀包括但不限于橢圓形和矩形的剖面。也可以使用不同的鉆孔形狀的組合。例 如，在圖4中示出的實(shí)施例中，大部分的鉆孔30可以是基本為圓柱形的，但是可以包括具有 高的長(zhǎng)寬比(例如，拉長(zhǎng)的長(zhǎng)方形）的第二組鉆孔32。高長(zhǎng)寬比鉆孔32可以位于使得它們 有助于水從MPL26和⑶L18的被覆蓋的區(qū)域或與板22島狀部(例如，板22的在氣體通道24 之間的部分)相鄰的區(qū)域傳輸至與氣體通道24相鄰的區(qū)域。因此，鉆孔32防止水在MPL26 和⑶L18的不與氣體通道24相鄰的區(qū)域中聚集。如圖4中所示，鉆孔32位于MPL26的頂 部和底部，然而，它們可以位于任何區(qū)域中并且可以被構(gòu)造為相鄰于任何、一些或全部的板 22島狀部。在一個(gè)實(shí)施例中，鉆孔30、32的直徑/寬度為Ιμπι至ΙΟΟμπι。在另一實(shí)施例 中，鉆孔30、32的直徑/寬度為1 μ m至50 μ m。在另一實(shí)施例中，鉆孔30、32的直徑/寬度 3 5 μ m Μ 20 μ m。
[0019] 作為疏水粘合劑和分布為相對(duì)小的孔28和相對(duì)大的鉆孔30的雙?？椎慕Y(jié)果， MPL26已經(jīng)改善了的兩相質(zhì)量傳輸并改善了水管理。在液體水在MPL26中的傳輸中，毛 細(xì)管壓力是主要因素之一?？壮叽缗c毛細(xì)管壓力之間的關(guān)系由下面的楊-拉普拉斯方程 (Young-Laplace equation)描述。
[0020] 等式 1 :

【權(quán)利要求】
1. 一種燃料電池的微孔層，所述微孔層包括： 碳和粘合劑的層，被構(gòu)造為設(shè)置在燃料電池電極的催化劑層和氣體擴(kuò)散層之間，微孔 層具有直徑為0. 05 μ m至2. Ο μ m的多個(gè)孔以及直徑為1 μ m至100 μ m的多個(gè)鉆孔，直徑為 1 μ m至100 μ m的所述多個(gè)鉆孔包括微孔層的總孔隙率的0. 1%至5%。
2. 如權(quán)利要求1所述的微孔層，其中，所述孔的疏水性大于所述鉆孔的疏水性。
3. 如權(quán)利要求1所述的微孔層，其中，在所述多個(gè)鉆孔之間的橫向間隔為0. 2mm至 3mm η
4. 如權(quán)利要求1所述的微孔層，其中，鉆孔的面密度為5個(gè)鉆孔每cm2至500個(gè)鉆孔每 cm2。
5. 如權(quán)利要求1所述的微孔層，其中，鉆孔是激光穿孔的鉆孔。
6. 如權(quán)利要求1所述的微孔層，其中，鉆孔的直徑是氣體擴(kuò)散層的毛細(xì)管壓力的函數(shù)。
7. 如權(quán)利要求1所述的微孔層，其中，鉆孔的面密度沿微孔層的長(zhǎng)度增大。
8. 如權(quán)利要求1所述的微孔層，其中，所述多個(gè)孔的直徑為0. 05 μ m至0. 5 μ m，并且所 述多個(gè)鉆孔的直徑為1 μ m至50 μ m，并且所述多個(gè)鉆孔包括微孔層的總孔隙率的0. 5%至 1. 5%。
【文檔編號(hào)】H01M8/02GK104051749SQ201410098579
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年3月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月15日
【發(fā)明者】魯自界, 詹姆士·瓦爾德克, 邁克爾·艾倫·迪波爾特, 唐納德·保羅·艾勒西 申請(qǐng)人:福特全球技術(shù)公司