專利名稱：空間變化的擴(kuò)散介質(zhì)以及包括該介質(zhì)的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及擴(kuò)散介質(zhì)的設(shè)計(jì)和制造，更具體地，涉及用于電化學(xué)電池的擴(kuò)散介質(zhì)，其中水的控制是重要的設(shè)計(jì)問(wèn)題。
根據(jù)本發(fā)明，為了針對(duì)與電化學(xué)電池和其它應(yīng)用該擴(kuò)散介質(zhì)的裝置中水的控制有關(guān)的問(wèn)題，提供了擴(kuò)散介質(zhì)和用于空間變化擴(kuò)散介質(zhì)的參數(shù)的方案。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式設(shè)置裝置，使其將氫燃料能源轉(zhuǎn)化成電能。該裝置包含電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件、第一和第二反應(yīng)物輸入、第一和第二產(chǎn)物輸出、和第一和第二擴(kuò)散介質(zhì)。
電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件設(shè)置為將該裝置分隔成第一和第二流場(chǎng)區(qū)域。該第一反應(yīng)物輸入和第一產(chǎn)物輸出與第一流場(chǎng)區(qū)域連通。第一擴(kuò)散介質(zhì)包含多孔擴(kuò)散介質(zhì)基底，從而使多相反應(yīng)物在第一流場(chǎng)區(qū)域和電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件之間傳遞。該第二反應(yīng)物輸入和第二產(chǎn)物輸出與第二流場(chǎng)區(qū)域連通。該第二擴(kuò)散介質(zhì)包含多孔擴(kuò)散介質(zhì)基底，從而使多相反應(yīng)物在第二流場(chǎng)區(qū)域和電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件之間傳遞。
設(shè)置該裝置，從而使第一和第二擴(kuò)散介質(zhì)的其中之一包含處于相對(duì)高H2O濃度下的區(qū)域和處于相對(duì)低H2O濃度下的區(qū)域。沿第一和第二擴(kuò)散介質(zhì)基底的主面的至少一部分載有中孔層，該中孔層包含親水碳質(zhì)組分和疏水組分。與高H2O區(qū)域和低H2O區(qū)域的其它部分相比，該中孔層占據(jù)了高H2O區(qū)域和低H2O區(qū)域其中之一基本上更大的部分。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，該中孔層包含親水碳質(zhì)組分和疏水組分。第一和第二擴(kuò)散介質(zhì)基底的至少其中之一包含相對(duì)高孔隙率區(qū)域和相對(duì)低孔隙率區(qū)域。該基底的相對(duì)高孔隙率區(qū)域占據(jù)高H2O區(qū)域基本上更大的部分，而該基底的相對(duì)低孔隙率區(qū)域占據(jù)低H2O區(qū)域基本上更大的部分。
相應(yīng)地，本發(fā)明的目標(biāo)是，提供一種方式，用于針對(duì)擴(kuò)散介質(zhì)以及應(yīng)用該擴(kuò)散介質(zhì)的裝置的水管理問(wèn)題。根據(jù)在此體現(xiàn)的發(fā)明描述，本發(fā)明的其他目標(biāo)將是顯然的。
以下本發(fā)明具體實(shí)施方式
的詳述與以下附圖一起閱讀可達(dá)到最佳理解，其中相同的結(jié)構(gòu)用相同的附圖標(biāo)記表示，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明包括多孔擴(kuò)散介質(zhì)的燃料電池的示意圖2-9是根據(jù)本發(fā)明各種實(shí)施方式的多孔擴(kuò)散介質(zhì)的示意圖；并且圖10是根據(jù)本發(fā)明裝有燃料電池的車輛的示意圖。
開(kāi)始參考圖1，描述了根據(jù)本發(fā)明包括多孔擴(kuò)散介質(zhì)20的燃料電池10。具體地，燃料電池10包含以膜電極組件30形式裝入的電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件，該膜電極組件30置于燃料電池10的陽(yáng)極流場(chǎng)區(qū)域40和陰極流場(chǎng)區(qū)域50之間。預(yù)期流場(chǎng)40、50和電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件在不離開(kāi)本發(fā)明的范圍時(shí)，可以是傳統(tǒng)的或者正在開(kāi)發(fā)的多種形式。盡管電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件的具體形式超過(guò)了本發(fā)明的范圍，在描述的實(shí)施方式中，電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件包含膜電極組件30，分別包括催化電極層32和離子交換膜34。
本發(fā)明并不針對(duì)燃料電池10將氫燃料能源轉(zhuǎn)化為電能的具體機(jī)制。相應(yīng)地，在對(duì)本發(fā)明的描述中，注意到燃料電池10在其他物件中還包括電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件就足夠了，該電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件將該裝置分隔成第一和第二流場(chǎng)區(qū)域40、50以及與第一流場(chǎng)區(qū)域40連通的第一反應(yīng)物輸入RIN1和第一產(chǎn)物輸出ROUT1。第一擴(kuò)散介質(zhì)20包含多孔擴(kuò)散介質(zhì)基底22，其傳遞在第一流場(chǎng)區(qū)域40和膜電極組件30之間的多相反應(yīng)物。相似地，第二反應(yīng)物輸入RIN2和第二產(chǎn)物輸出ROUT2與第二流場(chǎng)區(qū)域50連通，并且第二擴(kuò)散介質(zhì)20傳遞在第二流場(chǎng)區(qū)域50和膜電極組件30之間的反應(yīng)物。例如，為了說(shuō)明而非限制，第一反應(yīng)物輸入R1可以將潮濕的氫燃料混合物運(yùn)送到燃料電池10的陽(yáng)極面，且第二反應(yīng)物輸入R2可將潮濕的氧化劑混合物運(yùn)送到燃料電池的陰極面，并且反應(yīng)物輸出ROUT可在燃料電池10的每個(gè)面上運(yùn)送反應(yīng)產(chǎn)物。
本發(fā)明者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到在擴(kuò)散介質(zhì)中，擴(kuò)散介質(zhì)20的水管理的性質(zhì)應(yīng)該從空間上優(yōu)化，因?yàn)樗枰运牧康暮瘮?shù)在擴(kuò)散介質(zhì)中變化，而水的量由擴(kuò)散介質(zhì)20的特定部分控制。具體地，一個(gè)具體的電化學(xué)轉(zhuǎn)化裝置可被設(shè)置，從而使一個(gè)或兩個(gè)擴(kuò)散介質(zhì)含有處于相對(duì)高的H2O工作濃度下的區(qū)域和相對(duì)處于低的H2O工作濃度下的區(qū)域。例如，在鄰近第二產(chǎn)物輸出ROUT2，如陰極出口的陰極面擴(kuò)散介質(zhì)的區(qū)域，可能需要傳送比鄰近第二反應(yīng)物輸入RIN2，如陰極輸入的區(qū)域更大量的水。相似地，鄰近第一產(chǎn)物輸出ROUT1的擴(kuò)散介質(zhì)陽(yáng)極面，如陽(yáng)極出口的區(qū)域，與鄰近第一反應(yīng)物輸入RIN1，如陽(yáng)極輸入的區(qū)域相比，可在更干燥的條件下操作。
圖2-9描述的擴(kuò)散介質(zhì)20表明了用于針對(duì)該水管理問(wèn)題的方法。具體地，參考圖2和3，可沿著擴(kuò)散介質(zhì)基底20的任一主面21、23負(fù)載的中孔層24，被安置用于占據(jù)高H2O區(qū)域(見(jiàn)圖2)或低H2O區(qū)域(見(jiàn)圖3)中的基本上更大的部分。參考圖2的實(shí)施方式，其中中孔層24占據(jù)高H2O區(qū)域基本上更大的部分，或被限制于高H2O區(qū)域，然后配置中孔層，使其增強(qiáng)擴(kuò)散介質(zhì)基底22的H2O傳送性質(zhì)。相反地，參考圖3的實(shí)施方式，其中中孔層24占據(jù)低H2O區(qū)域基本上更大的部分，或被限制于低H2O區(qū)域，然后配置中孔層，使其減弱擴(kuò)散介質(zhì)基底22的H2O傳送性質(zhì)。
可優(yōu)化多種中孔層參數(shù)，包括孔隙率、厚度、基底滲透程度等，使該層的水傳送性質(zhì)增強(qiáng)或減弱。例如，當(dāng)中孔層24在高H2O區(qū)域應(yīng)用時(shí)，該層的孔隙率通?？梢愿?，該高H2O區(qū)域要求更強(qiáng)的毛細(xì)作用。在中孔層24包含親水碳質(zhì)組分和疏水組分的情況下，與低H2O區(qū)域中含碳組分約90wt％至約95wt％之間相比，當(dāng)用于低H2O區(qū)域時(shí)，層24的孔隙率可通過(guò)提供約80wt％碳質(zhì)組分而增加。
適用于中孔層24的碳顆粒包括，例如，炭黑、石墨、碳纖維、富勒烯和納米管。除了高表面積碳，中孔層24的親水碳質(zhì)組分可包括小部分的石墨碳以增強(qiáng)電導(dǎo)性。疏水組分可包括氟化聚合物，如聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、氟化聚合物的結(jié)合，或任何其他合適的疏水材料或材料的結(jié)合。
在本發(fā)明的具體實(shí)施方式
中，中孔層24在高H2O區(qū)域的親水碳質(zhì)組分可包括中等表面積碳，其特點(diǎn)為表面積在約60m2/g至約300m2/g之間，以及平均粒徑在約15nm至約70nm之間。相反地，在低H2O區(qū)域，親水碳質(zhì)組分可包括高表面積碳，其特點(diǎn)為表面積為約750m2/g，以及平均粒徑小于約20nm。在本發(fā)明的其它實(shí)施方式中，當(dāng)用在高H2O區(qū)域中時(shí)，中孔層滲透擴(kuò)散介質(zhì)基底至小于10μm的深度，當(dāng)用在低H2O區(qū)域中時(shí)，滲透至小于25μm的深度。
現(xiàn)在參考圖4，多個(gè)中孔層24A、24B分別沿?cái)U(kuò)散介質(zhì)基底22的主面的各部分負(fù)載。中孔層24A被設(shè)置成增強(qiáng)擴(kuò)散介質(zhì)基底22的H2O傳送性質(zhì)，并且就這樣占據(jù)高H2O區(qū)域。進(jìn)一步的，中孔層24B被設(shè)置成減弱擴(kuò)散介質(zhì)基底22的H2O傳送性質(zhì)，且由此占據(jù)低H2O區(qū)域的基本上更大的部分。結(jié)果，水傾向于從高H2O區(qū)域被毛細(xì)管作用吸走，并在低H2O區(qū)域保留——提高了裝置性能。
圖5-7描述了本發(fā)明的實(shí)施方式，其中中孔層24沿基底22厚度減小的部分負(fù)載。通過(guò)確保由基底22厚度減小部分引起的基底22厚度的差別足夠配合由中孔層22引起的擴(kuò)散介質(zhì)厚度的增加，可保留擴(kuò)散介質(zhì)中基本平坦的表面剖面。
本發(fā)明另一針對(duì)擴(kuò)散介質(zhì)中水管理問(wèn)題的方法在圖8中有描述。在圖8中，基本均勻的中孔層沿?cái)U(kuò)散介質(zhì)基底22的主面21負(fù)載，并且擴(kuò)散介質(zhì)基底22在擴(kuò)散介質(zhì)的高H2O區(qū)域有相對(duì)高孔隙率的區(qū)域22A，并且在擴(kuò)散介質(zhì)的低H2O區(qū)域有相對(duì)低孔隙率的區(qū)域22B。
擴(kuò)散介質(zhì)基底可包括碳纖維基質(zhì)，如碳纖維紙，并以孔隙率在高H2O區(qū)域大于約70％，和在低H2O區(qū)域在約70％至約75％之間為特點(diǎn)。基底在高H2O區(qū)域可限定約100μm至約300μm之間的厚度，并且在低H2O區(qū)域可限定約190μm至約300μm之間的厚度。進(jìn)一步，基底的特點(diǎn)可以是在高H2O區(qū)域平均孔徑為大于約20μm，并且在低H2O區(qū)域小于約25μm。
最后參考圖9，中孔層24可設(shè)置為其占有高H2O區(qū)域和低H2O區(qū)域的基本上大部分。為針對(duì)在擴(kuò)散介質(zhì)的水管理需求中的變化，中孔層24有比中孔層其余部分的孔隙率增加了的區(qū)域。具體地，中孔層24增加了孔隙率的區(qū)域是由層24中形成的多個(gè)大孔26限定的。增加了孔隙率的區(qū)域占據(jù)擴(kuò)散介質(zhì)的高H2O區(qū)域，而中孔層24的其余部分占據(jù)擴(kuò)散介質(zhì)的低H2O區(qū)域。盡管與大孔26相關(guān)的具體尺度會(huì)根據(jù)所述應(yīng)用中特定的要求而變化，預(yù)計(jì)合適的孔徑在約100μm至約500μm之間。在本發(fā)明的許多實(shí)施方式中，如果中孔層24的安放與燃料電池10的膜電極組件30相對(duì)，也就是與面對(duì)電池10的流場(chǎng)的位置相反，中孔層24在針對(duì)水管理問(wèn)題時(shí)就更加有效。然而，預(yù)期擴(kuò)散介質(zhì)基底22可沿基底22的任一主面21、23負(fù)載中孔層24，而不考慮是哪個(gè)面的安放與膜電極組件30相對(duì)。進(jìn)一步，中孔層24至少部分滲入擴(kuò)散介質(zhì)基底22。滲入擴(kuò)散介質(zhì)基底22深度的程度隨中孔層24和擴(kuò)散介質(zhì)基底22的性質(zhì)變化很大。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，將中孔層設(shè)置成比擴(kuò)散介質(zhì)基底的纖維基質(zhì)更疏松是有利的。出于限定和描述本發(fā)明的目的，注意中孔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為其孔徑可在幾納米到幾百納米之間。
現(xiàn)在參考圖3，根據(jù)本發(fā)明引入擴(kuò)散介質(zhì)的燃料電池系統(tǒng)可被設(shè)置成車輛100的動(dòng)力源。具體地，從燃料儲(chǔ)存單元120出來(lái)的燃料可被導(dǎo)入燃料電池組件110，其被設(shè)置成將燃料如H2轉(zhuǎn)化為電能。然后產(chǎn)生的電能用于車輛100的動(dòng)力供應(yīng)，其中電力被轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和車輛的平移運(yùn)動(dòng)。
注意術(shù)語(yǔ)，如“優(yōu)選地”、“通常地”和“典型地”，在這里并不用于限制本發(fā)明的范圍，或暗示某些特點(diǎn)對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)或功能是關(guān)鍵的、必要的或者甚至是重要的。更合適的，這些術(shù)語(yǔ)只是意在強(qiáng)調(diào)在本發(fā)明的特定實(shí)施方式中可以利用或不利用的可供選擇的或額外的特點(diǎn)。
出于描述和限定本發(fā)明的目的，注意術(shù)語(yǔ)“裝置”在這里用于表述組件的結(jié)合和單個(gè)的組件，而不考慮該組件是否與其他組件相結(jié)合。例如，根據(jù)本發(fā)明的“裝置”可包括擴(kuò)散介質(zhì)、根據(jù)本發(fā)明引入了擴(kuò)散介質(zhì)的燃料電池、根據(jù)本發(fā)明引入了燃料電池的車輛等。
出于描述和限定本發(fā)明的目的，注意術(shù)語(yǔ)“基本上”用于表述固有的不確定度，其可歸因于任何數(shù)量比較、值、量度或其它表述。術(shù)語(yǔ)“基本上”在此還用于表述程度，從而數(shù)量的表述可從所述的參考變化，而不會(huì)導(dǎo)致待解決主題基本功能的變化。
由于已經(jīng)詳細(xì)地描述了本發(fā)明，并通過(guò)參考具體實(shí)施方式
，在不偏離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍下，顯然修改和變化都是可能的。更具體地，盡管本發(fā)明的一些方面在此看成優(yōu)選的或特別有利的，預(yù)期本發(fā)明并不一定限定在這些發(fā)明的優(yōu)選方面。
權(quán)利要求
1.一種裝置，其被設(shè)置用于轉(zhuǎn)化氫燃料源為電能，所述裝置包括用于分隔所述裝置為第一和第二流場(chǎng)區(qū)域的電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件；與所述第一流場(chǎng)區(qū)域連通的第一反應(yīng)物輸入和第一產(chǎn)物輸出；包含多孔擴(kuò)散介質(zhì)基底的第一擴(kuò)散介質(zhì)，該多孔擴(kuò)散介質(zhì)基底設(shè)置成從所述第一流場(chǎng)區(qū)域和所述電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件之間傳遞多相反應(yīng)物；與所述第二流場(chǎng)區(qū)域連通的第二反應(yīng)物輸入和第二產(chǎn)物輸出；并且第二擴(kuò)散介質(zhì)包括多孔擴(kuò)散介質(zhì)基底，其被設(shè)置為從所述第二流場(chǎng)區(qū)域和所述電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件之間傳遞多相反應(yīng)物，其中所述裝置被設(shè)置成至少第一和第二擴(kuò)散介質(zhì)的其中之一包含處于相對(duì)高的H2O濃度下的區(qū)域和處于相對(duì)低的H2O濃度下的區(qū)域，中孔層沿所述第一和第二擴(kuò)散介質(zhì)基底其中之一的主面的至少一部分被負(fù)載，并且包含親水碳質(zhì)組分和疏水組分，并且所述中孔層與另一高H2O區(qū)域和低H2O區(qū)域相比，占據(jù)所述高H2O區(qū)域和所述低H2O區(qū)域其中之一基本上更大的部分。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述中孔層基本上限制在所述高H2O區(qū)域和低H2O區(qū)域的其中之一。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述中孔層設(shè)置為沿由所述中孔層占據(jù)的所述主面的所述部分增強(qiáng)所述擴(kuò)散介質(zhì)基底的H2O傳送性質(zhì)。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述中孔層占據(jù)所述高H2O區(qū)域基本上更大的部分。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述中孔層占據(jù)所述高H2O區(qū)域基本上更大的部分，并被設(shè)置為沿由所述中孔層占據(jù)的所述主面的所述部分增強(qiáng)所述擴(kuò)散介質(zhì)基底的H2O傳送性質(zhì)。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述中孔層被設(shè)置為沿由所述中孔層占據(jù)的所述主面的所述部分減弱所述擴(kuò)散介質(zhì)基底的H2O傳送性質(zhì)。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述中孔層占據(jù)所述低H2O區(qū)域基本上更大的部分。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述中孔層占據(jù)所述低H2O區(qū)域基本上更大的部分，并被設(shè)置為沿由所述中孔層占據(jù)的所述主面的所述部分減弱所述擴(kuò)散介質(zhì)基底的H2O傳送性質(zhì)。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件限定所述裝置的陽(yáng)極側(cè)和所述裝置的陰極側(cè)；所述第一反應(yīng)物輸入和所述第一產(chǎn)物輸出與所述裝置的所述陽(yáng)極側(cè)連通；所述第二反應(yīng)物輸入和所述第二產(chǎn)物輸出與所述裝置的所述陰極側(cè)連通。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述中孔層設(shè)置為沿由所述中孔層占據(jù)的所述主面的所述部分增強(qiáng)所述擴(kuò)散介質(zhì)基底的H2O傳送性質(zhì)；所述處于相對(duì)高H2O濃度下的區(qū)域鄰近與所述裝置的所述陰極側(cè)連通的所述第二產(chǎn)物輸出；并且所述中孔層占據(jù)鄰近所述第二產(chǎn)物輸出的所述高H2O區(qū)域基本上更大的部分。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述中孔層設(shè)置為沿由所述中孔層占據(jù)的所述主面的所述部分增強(qiáng)所述擴(kuò)散介質(zhì)基底的H2O傳送性質(zhì)；所述處于相對(duì)高H2O濃度下的區(qū)域鄰近與所述裝置的所述陽(yáng)極側(cè)連通的所述第一反應(yīng)物輸入；并且所述中孔層占據(jù)鄰近所述第一反應(yīng)物輸入的所述高H2O區(qū)域基本上更大的部分。
12.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述中孔層設(shè)置為沿由所述中孔層占據(jù)的所述主面的所述部分減弱所述擴(kuò)散介質(zhì)基底的H2O傳送性質(zhì)；所述處于相對(duì)低H2O濃度下的區(qū)域鄰近與所述裝置的所述陽(yáng)極側(cè)連通的所述第二反應(yīng)物輸入；并且所述中孔層占據(jù)鄰近所述第二反應(yīng)物輸入的所述低H2O區(qū)域基本上更大的部分。
13.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述中孔層設(shè)置為沿由所述中孔層占據(jù)的所述主面的所述部分減弱所述擴(kuò)散介質(zhì)基底的H2O傳送性質(zhì)；所述處于相對(duì)低H2O濃度下的區(qū)域鄰近與所述裝置的所述陽(yáng)極側(cè)連通的所述第一產(chǎn)物輸出；并且所述中孔層占據(jù)鄰近所述第一產(chǎn)物輸出的所述低H2O區(qū)域基本上更大的部分。
14.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中多個(gè)所述中孔層分別沿第一和第二擴(kuò)散介質(zhì)基底的其中之一的主面部分被負(fù)載。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其中中孔層設(shè)置為增強(qiáng)所述擴(kuò)散介質(zhì)基底的H2O傳送性質(zhì)，并占據(jù)所述高H2O區(qū)域基本上更大的部分；并且中孔層設(shè)置為減弱所述擴(kuò)散介質(zhì)基底的H2O傳送性質(zhì)，并占據(jù)所述低H2O區(qū)域基本上更大的部分。
16.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述中孔層沿所述基底厚度減小部分被負(fù)載。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其中由所述基底的所述厚度減小部分引起的所述基底厚度的差別，足以配合由所述中孔層引起的擴(kuò)散介質(zhì)厚度的增加。
18.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述擴(kuò)散介質(zhì)基底包括碳質(zhì)纖維基質(zhì)。
19.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述中孔層的所述疏水組分包括氟化聚合物。
20.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述中孔層的所述親水碳質(zhì)組分選自炭黑、石墨、碳纖維、碳富勒烯、碳納米管及其結(jié)合。
21.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述親水碳質(zhì)組分包括中等表面積的碳，其特點(diǎn)為在所述高H2O區(qū)域，表面積為約60m2/g至約300m2/g之間，以及平均粒徑為約15nm至約70nm之間。
22.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述親水碳質(zhì)組分包括高表面積碳，其特點(diǎn)為在低H2O區(qū)域，表面積為大于約750m2/g，以及平均粒徑小于約20nm。
23.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述中孔層在所述高H2O區(qū)域包括所述碳質(zhì)組分的約80wt％。
24.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述中孔層在所述高H2O區(qū)域包括所述碳質(zhì)組分的約75wt％至約85wt％。
25.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述中孔層在所述低H2O區(qū)域包括所述碳質(zhì)組分的約90wt％至約95wt％。
26.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述中孔層在所述高H2O區(qū)域限定了低于約20μm的厚度。
27.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述中孔層在所述低H2O區(qū)域限定了在約10μm至約40μm之間的厚度。
28.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述中孔層至少部分滲入所述擴(kuò)散介質(zhì)基底。
29.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述中孔層在所述高H2O區(qū)域滲入所述擴(kuò)散介質(zhì)基底至小于10μm的深度。
30.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述中孔層在所述低H2O區(qū)域滲入所述擴(kuò)散介質(zhì)基底至小于25μm的深度。
31.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置包括燃料電池。
32.如權(quán)利要求31所述的裝置，其中所述裝置進(jìn)一步包括限定了由所述燃料電池作為動(dòng)力的車輛的結(jié)構(gòu)。
33.一種裝置，其被設(shè)置用于轉(zhuǎn)化氫燃料源為電能，所述裝置包括用于分隔所述裝置為第一和第二流場(chǎng)區(qū)域的電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件；與所述第一流場(chǎng)區(qū)域連通的第一反應(yīng)物輸入和第一產(chǎn)物輸出；包含多孔擴(kuò)散介質(zhì)基底的第一擴(kuò)散介質(zhì)，該多孔擴(kuò)散介質(zhì)基底設(shè)置成從所述第一流場(chǎng)區(qū)域和所述電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件之間傳遞多相反應(yīng)物；與所述第二流場(chǎng)區(qū)域連通的第二反應(yīng)物輸入和第二產(chǎn)物輸出；并且第二擴(kuò)散介質(zhì)包括多孔擴(kuò)散介質(zhì)基底，其被設(shè)置為從所述第二流場(chǎng)區(qū)域和所述電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件之間傳遞多相反應(yīng)物，其中所述裝置被設(shè)置成至少第一和第二擴(kuò)散介質(zhì)的其中之一包含處于相對(duì)高H2O濃度下的區(qū)域和處于相對(duì)低H2O濃度下的區(qū)域，中孔層沿所述第一和第二擴(kuò)散介質(zhì)基底其中之一的主面的至少一部分被負(fù)載，并且包含親水碳質(zhì)組分和疏水組分，所述第一和第二擴(kuò)散介質(zhì)的至少其中之一包括相對(duì)高孔隙率的區(qū)域和相對(duì)低孔隙率的區(qū)域，所述基底的所述相對(duì)高孔隙率區(qū)域占據(jù)所述高H2O區(qū)域基本上更大的部分，并且所述基底的所述相對(duì)低孔隙率區(qū)域占據(jù)所述低H2O區(qū)域基本上更大的部分。
34.如權(quán)利要求33所述的裝置，其中所述相對(duì)高孔隙率區(qū)域特點(diǎn)為高達(dá)約90％的孔隙率。
35.如權(quán)利要求33所述的裝置，其中所述相對(duì)低孔隙率區(qū)域特點(diǎn)為約70％至約75％的孔隙率。
36.如權(quán)利要求33所述的裝置，其中所述基底的特點(diǎn)為在所述高H2O區(qū)域中大于約70％的孔隙率。
37.如權(quán)利要求33所述的裝置，其中所述基底的特點(diǎn)為在所述低H2O區(qū)域中約70％至約75％的孔隙率。
38.如權(quán)利要求33所述的裝置，其中所述基底在所述高H2O區(qū)域限定了約100μm至約300μm的厚度。
39.如權(quán)利要求33所述的裝置，其中所述基底在所述低H2O區(qū)域限定了約190μm至約300μm的厚度。
40.如權(quán)利要求33所述的裝置，其中所述基底的特點(diǎn)為在所述高H2O區(qū)域平均孔徑大于約20μm。
41.如權(quán)利要求33所述的裝置，其中所述基底的特點(diǎn)為在所述低H2O區(qū)域平均孔徑小于約25μm。
42.一種裝置，其被設(shè)置用于轉(zhuǎn)化氫燃料源為電能，所述裝置包括用于分隔所述裝置為第一和第二流場(chǎng)區(qū)域的電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件；與所述第一流場(chǎng)區(qū)域連通的第一反應(yīng)物輸入和第一產(chǎn)物輸出；包含多孔擴(kuò)散介質(zhì)基底的第一擴(kuò)散介質(zhì)，該多孔擴(kuò)散介質(zhì)基底設(shè)置成從所述第一流場(chǎng)區(qū)域和所述電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件之間傳遞多相反應(yīng)物；與所述第二流場(chǎng)區(qū)域連通的第二反應(yīng)物輸入和第二產(chǎn)物輸出；并且第二擴(kuò)散介質(zhì)包括多孔擴(kuò)散介質(zhì)基底，其被設(shè)置為從所述第二流場(chǎng)區(qū)域和所述電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件之間傳遞多相反應(yīng)物，其中所述裝置被設(shè)置成至少第一和第二擴(kuò)散介質(zhì)的其中之一包含處于相對(duì)高H2O濃度下的區(qū)域和處于相對(duì)低H2O濃度下的區(qū)域，中孔層沿所述第一和第二擴(kuò)散介質(zhì)基底其中之一的主面的至少一部分被負(fù)載，并且包含親水碳質(zhì)組分和疏水組分，所述中孔層占據(jù)所述高H2O區(qū)域和所述低H2O區(qū)域的基本上大部分，相對(duì)所述中孔層的其余部分，所述中孔層包括增加了孔隙率的區(qū)域，相對(duì)所述低H2O區(qū)域，所述中孔層的所述增加了孔隙率的區(qū)域占據(jù)所述高H2O區(qū)域基本上更大的部分，并且相對(duì)所述高H2O區(qū)域，所述中孔層的所述其余部分占據(jù)所述低H2O區(qū)域的基本上更大的部分。
43.如權(quán)利要求42所述的裝置，其中所述中孔層的所述增加了孔隙率的所述區(qū)域由多個(gè)大孔限定，該大孔的特點(diǎn)為孔徑在約100μm和約500μm之間。
全文摘要
提供擴(kuò)散介質(zhì)和擴(kuò)散介質(zhì)隨空間變化的參數(shù)的配置方案，以針對(duì)電化學(xué)電池中水管理問(wèn)題和采用該擴(kuò)散介質(zhì)的其他裝置。設(shè)置用于將氫燃料源轉(zhuǎn)化為電能的裝置，該裝置包括電化學(xué)轉(zhuǎn)化組件、第一和第二反應(yīng)物輸入、第一和第二產(chǎn)物輸出、以及第一和第二擴(kuò)散介質(zhì)。設(shè)置該裝置，從而沿第一和第二擴(kuò)散介質(zhì)基底的其中之一的主面的至少一部分負(fù)載中孔層。中孔層包括親水碳質(zhì)組分和疏水組分。與該裝置另一高或低H
文檔編號(hào)H01M4/96GK1830111SQ200480022187
公開(kāi)日2006年9月6日 申請(qǐng)日期2004年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月28日
發(fā)明者J·E·奧哈拉, T·A·特拉波爾德, M·R·舍內(nèi)韋斯, J·羅特 申請(qǐng)人:通用汽車公司