專利名稱：一種燃料電池的擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及一種小型燃料電池膜電極的具有自增濕功 能的擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
燃料電池采用氫氣為燃料，氧氣為氧化物，其化學(xué)反應(yīng)的副產(chǎn)品是水，無 其它有害物質(zhì)，是一種安全、可靠、清潔、環(huán)境友好的發(fā)電裝置。隨著燃料電 池技術(shù)的完善，已在大到潛艇、汽車，小到手提電腦、手機(jī)上得到應(yīng)用。
隨著燃料電池應(yīng)用面的擴(kuò)大，人們也越來越關(guān)心其的實(shí)際應(yīng)用和可操作 性。對(duì)于一些小型的燃料電池，不可能配置氣體加濕裝置、配置冷卻風(fēng)機(jī)、冷 卻水箱，應(yīng)盡量依靠電池本身的合理配置，解決增濕等問題，避免零件多，其 系統(tǒng)應(yīng)力求簡(jiǎn)單。這樣可操作方便，重量輕，體積小，成本低、市場(chǎng)廣。因此， 不斷設(shè)計(jì)出新穎的具有自增濕的擴(kuò)散層非常重要的工作。
目前，在市場(chǎng)上可得到的氫燃料電池，其在氫側(cè)或氧側(cè)的擴(kuò)散層只有一層。 為保證質(zhì)子以水合離子能傳輸，應(yīng)在氫氣或氧氣進(jìn)氣時(shí)需要對(duì)該擴(kuò)散層進(jìn)行加 濕，為此在燃料電池中必須設(shè)計(jì)氣體通道、水道和電子通道，達(dá)到傳質(zhì)、輸送 和分配，以及設(shè)計(jì)排水、排水閥以排除過多的水分以使電極中達(dá)到水平衡，結(jié) 果造成其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝不便、使用壽命低和成本昂貴等一系列缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種燃料電 池的擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn) 一種燃料電池的擴(kuò)散層結(jié) 構(gòu)，其特征在于，該擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)包括至少兩層擴(kuò)散層，該至少兩層擴(kuò)散層包括 擴(kuò)散層1、擴(kuò)散層2。
所述的至少兩層擴(kuò)散層包括擴(kuò)散層1、擴(kuò)散層2、擴(kuò)散層3。
所述的至少兩層擴(kuò)散層包括擴(kuò)散層1、擴(kuò)散層2、擴(kuò)散層3、擴(kuò)散層4。
所述的擴(kuò)散層由兩層致密性不同的擴(kuò)散層組成，與質(zhì)子交換膜結(jié)合的擴(kuò)散 層1的致密性大于擴(kuò)散層2。
所述的擴(kuò)散層1的材料密度為0.6 2g/cm3,孔隙率為10% 40%，所述的 擴(kuò)散層2的材料密度為0.1 0.6 g /cm3，孔隙率為40%~95%。
所述的擴(kuò)散層由三層致密性不同的擴(kuò)散片組成，與質(zhì)子交換膜結(jié)合的為擴(kuò) 散層3，其致密性小于擴(kuò)散層l，大于擴(kuò)散層2，且擴(kuò)散層1的致密性大于擴(kuò)散 層2、大于擴(kuò)散層3。
所述的擴(kuò)散層3的材料密度為0.4 1.3g/cm3，孔隙率為20%~60%;所述 的擴(kuò)散層1的材料密度為0.6 2 g /cm3，孔隙率為10% 40%;所述的擴(kuò)散層 2的材料密度為0.1 0.6 g/cm3，孔隙率為40%~95%。
所述的擴(kuò)散層1、 2、 3、 4的材料選自于包括金屬網(wǎng)、碳紙、碳布或?qū)щ?透氣復(fù)合材料。
所述的導(dǎo)電透氣復(fù)合材料含有至少20 65%wt塑料填充導(dǎo)電材料，0 40%wt碳纖維、35 80%wt碳粉。
所述的塑料填充導(dǎo)電材料可選自PTFE (聚四氟乙烯)、PP (聚丙烯)、 PVDF (聚偏氟乙烯)或它們的組合。
所述的擴(kuò)散層1和質(zhì)子交換膜上的催化劑層直接接觸，中間無其它中間層。 所述的擴(kuò)散層3和質(zhì)子交換膜上的催化劑層直接接觸，中間無其它中間層。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種新的具有自增濕功能的擴(kuò)散層，其特 點(diǎn)是應(yīng)用在不同需要的燃料電池中，能保住水分，使膜始終處于濕潤(rùn)的狀態(tài)， 使電池中的質(zhì)子以水合離子的形式得以傳輸。不需外加氣體增濕器，不需排水、 排氣閥等復(fù)雜的系統(tǒng)，能保證發(fā)電裝置正常工作。本發(fā)明燃料電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 安裝方便、成本較低，同時(shí)對(duì)提高燃料電池的發(fā)電性能和延長(zhǎng)壽命等有積極的 影響。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
一種燃料電池的擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)，該擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)包括至少兩層擴(kuò)散層，該至少 兩層擴(kuò)散層包括擴(kuò)散層l、擴(kuò)散層2。
所述的至少兩層擴(kuò)散層包括擴(kuò)散層1、擴(kuò)散層2、擴(kuò)散層3;所述的至少兩 層擴(kuò)散層包括擴(kuò)散層l、擴(kuò)散層2、擴(kuò)散層3、擴(kuò)散層4;所述的擴(kuò)散層由兩層 致密性不同的擴(kuò)散片組成，與質(zhì)子交換膜5結(jié)合的擴(kuò)散層1的致密性大于擴(kuò)散 層2;所述的擴(kuò)散層1的材料密度為0.6 2 g /cm3，孔隙率為10% 40%。所 述的擴(kuò)散層2的材料密度為0.1 0.6g/cm、孔隙率為40% 95%。所述的擴(kuò)散 層由三層致密性不同的擴(kuò)散片組成，與質(zhì)子交換膜5結(jié)合的為擴(kuò)散層3，其致 密性小于擴(kuò)散層l,大于擴(kuò)散層2，且擴(kuò)散層1的致密性大于擴(kuò)散層2、大于擴(kuò) 散層3;所述的擴(kuò)散層3的材料密度為0.4 1.3g/cm3，孔隙率為20% 60%。 所述的擴(kuò)散層1的材料密度為0.6 2 g /cm3,孔隙率為10% 40%。所述的擴(kuò) 散層2的材料密度為0.1 0.6g/cm、孔隙率為40% 95%。所述的擴(kuò)散層1、 2、 3、 4的材料選自于包括金屬網(wǎng)、碳紙、碳布或?qū)щ娡笟鈴?fù)合材料。所述的 導(dǎo)電透氣復(fù)合材料含有至少20 65。/。wt塑料填充導(dǎo)電材料，0 40n/。wt碳纖維、 35 80。/。wt碳粉。所述的塑料填充導(dǎo)電材料可選自PTFE (聚四氟乙烯)、PP (聚丙烯)、PVDF (聚偏氟乙烯)或它們的組合。所述的擴(kuò)散層1和質(zhì)子交 換膜上的催化劑直接接觸，中間無其它中間層。所述的擴(kuò)散層3和質(zhì)子交換膜 直接接觸，中間無其它中間層。
實(shí)施例1
請(qǐng)參閱圖1，圖中示出了本發(fā)明實(shí)施例之一的具有兩個(gè)擴(kuò)散層的電池膜電 極結(jié)構(gòu)。它包括涂有催化劑的質(zhì)子交換膜5、 一材料密度為1.7g/cr^的擴(kuò)散層 1， 一材料密度為0.35g/ci^的擴(kuò)散層2。在安裝或制造時(shí)，它是先將經(jīng)處理過 的質(zhì)子交換膜5上預(yù)先涂覆一層催化劑，接著把擴(kuò)散層1放置在質(zhì)子交換膜5 上并使它的下表面直接與催化劑接觸，再將擴(kuò)散層2疊放在擴(kuò)散層1上而形成
的。擴(kuò)散層1是由金屬網(wǎng)、碳紙制成的，擴(kuò)散層2是由30。/。wt聚四氟乙烯，20Wwt 碳纖維、50wt。/。碳粉制成的。該膜電極結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散層1具有良好的水分保持作 用，擴(kuò)散層2則可較大地促進(jìn)反應(yīng)氣體的擴(kuò)散和輸送，達(dá)到氣體分配均勻并具 有較好的導(dǎo)電性能，在溫度5(TC下，可達(dá)到400mA/cm2，單電池電壓0.6V。 此外，因擴(kuò)散層1是直接可與催化劑接觸而起支撐作用，所以在電池膜電極結(jié) 構(gòu)中不需要另外設(shè)置支撐層。 實(shí)施例2
請(qǐng)參閱圖2，圖中示出了本發(fā)明實(shí)施例之一的具有三個(gè)擴(kuò)散層的電池膜電 極結(jié)構(gòu)。它包括涂有催化劑的質(zhì)子交換膜5、 一材料密度為1.4g/cr^的第一擴(kuò) 散層1 ， 一材料密度為0.1 g/cm3的第二擴(kuò)散層2和一材料密度為0.7 g/cm3的第 三擴(kuò)散層3。在安裝或制造時(shí)，它是先將經(jīng)處理過的質(zhì)子交換膜5上預(yù)先涂覆 一層催化劑，接著把擴(kuò)散層3放置在質(zhì)子交換膜5上并使它的下表面直接與催 化劑接觸，再依次將擴(kuò)散層1疊放在第三擴(kuò)散層3和第二擴(kuò)散層2疊放在第一 擴(kuò)散層l上而形成的。擴(kuò)散層l是由金屬網(wǎng)、碳布制成的，擴(kuò)散層2是由碳紙 制成的，擴(kuò)散層3是由20^wt聚丙烯，10。/。wt碳纖維、70Mwt碳粉制成的。該 膜電極結(jié)構(gòu)的第一擴(kuò)散層1具有良好的水分保持作用，擴(kuò)散層2則可較大地促 進(jìn)反應(yīng)氣體的擴(kuò)散和輸送，達(dá)到氣體或濕氣潤(rùn)分配均勻并具有較好的導(dǎo)電性 能，在溫度52。C下，可達(dá)到450mA/cm2，單電池電壓0.6V。此外，因擴(kuò)散層
1是直接可與催化劑接觸而起支撐作用，所以在電池膜電極結(jié)構(gòu)中不需要另外 設(shè)置支撐層。 實(shí)施例3
請(qǐng)參閱圖3，圖中示出了本發(fā)明實(shí)施例之一的具有四個(gè)擴(kuò)散層的電池膜電 極結(jié)構(gòu)。它包括涂有催化劑的質(zhì)子交換膜5、 一材料密度為2g/cmS第一擴(kuò)散層 1, 一材料密度為0.6g/cn^的第二擴(kuò)散層2、 一材料密度為1.3/cn^的第三擴(kuò)散 層3和一材料密度為0.4g/cmS的第四擴(kuò)散層4。在安裝或制造時(shí)，它是先將經(jīng) 處理過的質(zhì)子交換膜5上預(yù)先涂覆一層催化劑，接著把擴(kuò)散層4放置在質(zhì)子交 換膜5上并使它的下表面直接與催化劑接觸，再將擴(kuò)散層1疊放在擴(kuò)散層4上， 然后再依次將擴(kuò)散層3疊放在擴(kuò)散層1和擴(kuò)散層2疊放在擴(kuò)散層3上形成的。 擴(kuò)散層1是由65。/。wt聚偏氟乙烯，35n/。wt碳粉制成的，擴(kuò)散層2是由碳紙制成
的。該膜電極結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散層l具有良好的水分保持作用，擴(kuò)散層2、 3、 4進(jìn)氣 體的擴(kuò)散和輸送，達(dá)到氣體或濕氣潤(rùn)分配均勻并具有較好的導(dǎo)電性能，在溫度 50。C下，可達(dá)到390mA/cm2，單電池電壓0.6V。
以上種擴(kuò)散層應(yīng)用在不同需要的燃料電池中，能保持水分，使膜始終處于 濕潤(rùn)狀態(tài)。使電池中的質(zhì)子可以水合離子的形式得以傳輸。解決了小型的燃料 電池一般不會(huì)在系統(tǒng)中配置氣體加濕裝置或排水、排水閥。
本發(fā)明的濕擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)包括擴(kuò)散層、其上涂有催化劑的質(zhì)子交換膜，其 中，擴(kuò)散層可是兩層或兩層以上的層疊層，每一擴(kuò)散層的氣體擴(kuò)散率是不同的， 氣體擴(kuò)散率最高的擴(kuò)散層位于質(zhì)子交換膜上面或當(dāng)有二層以上的擴(kuò)散層時(shí)，在 從質(zhì)子交換膜向上數(shù)，諸擴(kuò)散層的第二層。由于擴(kuò)散層的氣體擴(kuò)散率的不同， 使得擴(kuò)散層的材料密度和孔隙率分別以反比和正比方式變化。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池的擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)，其特征在于，該擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)包括至少兩層擴(kuò)散層，該至少兩層擴(kuò)散層包括擴(kuò)散層(1)、擴(kuò)散層(2)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池的擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所 述的至少兩層擴(kuò)散層包括擴(kuò)散層(1)、擴(kuò)散層(2)、擴(kuò)散層(3)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池的擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所 述的至少兩層擴(kuò)散層包括擴(kuò)散層(1)、擴(kuò)散層(2)、擴(kuò)散層(3)、擴(kuò)散層(4)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池的擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所 述的擴(kuò)散層由兩層致密性不同的擴(kuò)散層組成，與質(zhì)子交換膜結(jié)合的擴(kuò)散層(1) 的致密性大于擴(kuò)散層(2)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種燃料電池的擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所 述的擴(kuò)散層(1)的材料密度為0.6 2 g/cm3，孔隙率為10% 40%，所述的擴(kuò) 散層(2)的材料密度為0.1 0.6g/cm3，孔隙率為40% 95%。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種燃料電池的擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所 述的擴(kuò)散層由三層致密性不同的擴(kuò)散片組成，與質(zhì)子交換膜結(jié)合的為擴(kuò)散層(3)，其致密性小于擴(kuò)散層(1)，大于擴(kuò)散層(2)，且擴(kuò)散層(1)的致密 性大于擴(kuò)散層(2)、大于擴(kuò)散層(3)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種燃料電池的擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所 述的擴(kuò)散層(3)的材料密度為0.4 1.3 g/cm3，孔隙率為20% 60%;所述的 擴(kuò)散層(1)的材料密度為0.6 2g/cm3，孔隙率為10% 40%;所述的擴(kuò)散層(2)的材料密度為0.1 0.6g/cm3，孔隙率為40%~95%。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種燃料電池的擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)，其特征 在于，所述的擴(kuò)散層(1) 、 (2) 、 (3) 、 (4)的材料選自于包括金屬網(wǎng)、 碳紙、碳布或?qū)щ娡笟鈴?fù)合材料。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種燃料電池的擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所 述的導(dǎo)電透氣復(fù)合材料含有至少20 65%wt塑料填充導(dǎo)電材料，0 40%wt碳 纖維、35 80y。wt碳粉。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種燃料電池的擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所 述的塑料填充導(dǎo)電材料可選自PTFE(聚四氟乙烯)、PP (聚丙烯)、PVDF (聚 偏氟乙烯)或它們的組合。
11. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種燃料電池的擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所 述的擴(kuò)散層(1)和質(zhì)子交換膜上的催化劑層直接接觸，中間無其它中間層。
12. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種燃料電池的擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所 述的擴(kuò)散層(3)和質(zhì)子交換膜上的催化劑層直接接觸，中間無其它中間層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃料電池的擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)，該擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)包括至少兩層擴(kuò)散層，該至少兩層擴(kuò)散層包括擴(kuò)散層1、擴(kuò)散層2。本發(fā)明應(yīng)用在不同需要的燃料電池中，能保住水分，使膜始終處于濕潤(rùn)的狀態(tài)，使燃料電池中的質(zhì)子以水合離子的形式得以傳輸。解決小型的燃料電池一般不會(huì)在系統(tǒng)中配置氣體加濕裝置或排水、排氣閥的問題。因此，使燃料電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、成本較低，同時(shí)對(duì)提高燃料電池的發(fā)電性能和延長(zhǎng)壽命等有積極的影響。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101106198SQ20061002897
公開日2008年1月16日 申請(qǐng)日期2006年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月14日
發(fā)明者吳德勇, 顧一雄, 顧志軍 申請(qǐng)人:上海清能燃料電池技術(shù)有限公司