專利名稱：：有利于消除mea邊緣破損的吸收熱塑性聚合物的擴(kuò)散介質(zhì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明一般涉及燃料電池，尤其涉及包括擴(kuò)散介質(zhì)層的燃料電池，該擴(kuò)散介質(zhì)層具有防止氫氣和氧氣在催化劑層的外邊緣結(jié)合并反應(yīng)由此產(chǎn)生膜破損而選擇性定位的阻擋劑。
背景技術(shù)：
：由于氫清潔并且育調(diào)于燃料電池中有效地產(chǎn)生電能，因此它是非常有吸弓I力的燃料。在氫'燃料電池作為工具能源的發(fā)展中，汽車工業(yè)消耗大量能源。這種ffi會比現(xiàn)在的使用內(nèi)燃機(jī)的車輛更有效并且產(chǎn)生更少的排放物。SM料電池是包括其間具有電解質(zhì)的陽極禾順極的電化學(xué)裝置。陽極接受氫氣，陰極接受氧氣或空氣。氫氣在催化齊啲作用下在陽極懶軍，生成自由氫質(zhì)子和電子。氫質(zhì)子通過電解質(zhì)到達(dá)陰極。氫質(zhì)子在催化劑的作用下在陰極與氧和電子反應(yīng)，生成水。陽極的電子不育巨通過電解質(zhì)，因此在到達(dá)陰極之前直接M31負(fù)載來工作。其工作是驅(qū)動車輛。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是車輛的普遍燃料電池。PEMFC—般包括固體聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，例如全氟翻莫。陽極和陰極通常包括細(xì)小的催寸，粒，一般是鉬(Pt)，其負(fù)載在碳顆粒上并與離子聚合物混合。陽極、陰極和膜組合限定了膜電極組件(MEA)。制造MEA相對昂貴并要求一定條件才能有效運(yùn)行。這些條件包括適度的水控制和濕度，對4吏催化劑中毒的組分，例如一氧化碳(CO)的控制。許多燃料電池通常組合成燃料電池堆來產(chǎn)生所需的電能。例如，用于車輛的典型的燃料電池堆可以具有兩百個(gè)堆疊的燃料電池。燃料電池堆接受陰極輸入氣體，例如空氣，通常aai壓縮機(jī)迫使其通過堆。并不是空氣中所有氧都被堆消耗，一些空氣作為包括堆副產(chǎn)物水的陰極排力文氣體輸出。it料電池堆還接受流入到堆陽極側(cè)的陽極氫輸入氣體。圖1是上述討論，的燃料電池10的橫截面圖。燃料電池10包括3I51電解質(zhì)膜16分開的陰極側(cè)12和陽極側(cè)14。陰極擴(kuò)散介質(zhì)層20設(shè)置在陰極側(cè)12，陰極催化齊喔22設(shè)置在膜16和擴(kuò)散介質(zhì)層20之間。與此類似，陽極擴(kuò)散介質(zhì)層24設(shè)置在陽極側(cè)14，陽極催化劑層26設(shè)置在擴(kuò)散介質(zhì)層24和膜16之間。催化劑層22和26以及膜16限定MEA。擴(kuò)散介質(zhì)層20和24是多孑L層，提供該多孑L層用來使輸入氣體傳輸?shù)組EA和從MEA傳輸水。本領(lǐng)域已知用于分別在擴(kuò)散介質(zhì)層22和24上，或在膜16的適當(dāng)側(cè)上沉積催化劑層22和26的各種技術(shù)。包括流場的雙極板18提供用于陰極側(cè)12的空氣流36，包括流場的相對的雙極板30提供用于陽極側(cè)14的氫氣流28。如本領(lǐng)域所公知，雙極板18和30分隔燃料電池堆中的燃料電池。如上所討論，氫氣流28在催化劑層26中與催化劑反應(yīng)分解成氫離子和電子。氫離子能夠通過膜16蔓延，在此它們與空氣流36和催化劑層22中返回的電子電化學(xué)反應(yīng)生成水。燃料電池必須具有一定耐用性而使其在汽車應(yīng)用或其他方面是可行的。已*勁見察到有時(shí)膜16在分別鄰近催化齊i展22和26的外邊緣32和34處過早破損，因此縮短了燃料電池的耐用性和壽命。^M周知膜16對氣體透過不具有無限的阻力。認(rèn)為氫氣流28禾口/或空氣流36之一或兩者ffl31催化劑層邊緣32和34外部的膜16，在催化劑層邊緣32和34與其他的氫氣流28或空氣流36反應(yīng)。催化劑層22和26的外側(cè)邊緣32和34是氣體混合物與催化齊湘遇的第一位置。這一總反應(yīng)與發(fā)生在催化劑層22和26的半反應(yīng)的總和相同；然而沒有來自氣體交叉反應(yīng)的能量用于使電子通過外部電路。這種額外的能量以產(chǎn)生熱的形式顯現(xiàn)。換句話說，由于是空氣和氫氣而不是氧氣和氫離子在催化層22和26的夕卜側(cè)邊緣32和34自動反應(yīng)，M該反應(yīng)產(chǎn)生的能量沒有被外電路捕捉到。該氣體反應(yīng)產(chǎn)生的所有能量轉(zhuǎn)化為熱，這導(dǎo)致鄰近催化齊喔纖32和34的膜16過早損壞。如果空氣流35通細(xì)莫16，貝U形成HA，這也會働莫16化學(xué)退根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，公開的燃料電池包括用于防止氫和氧接觸裸膜的阻擋劑。該阻擋劑從而防止空氣和氫氣在催化劑層外邊緣反應(yīng)。阻擋齊帆積在燃料
發(fā)明內(nèi)容電池陽極和陰極側(cè)之一或兩者的擴(kuò)散介質(zhì)層中。阻擋劑在擴(kuò)散介質(zhì)層中延伸足夠遠(yuǎn)以使其延伸至,化齊'J層的夕卜邊緣中。在一個(gè)實(shí)施方案中，阻擋劑為熱塑性聚合物，例如PVDF，它在熔融狀態(tài)下流入擴(kuò)散介質(zhì)層，在那里5更化。結(jié)合附圖，從下面的描述和附加的權(quán)利要求中本發(fā)明其他的優(yōu)點(diǎn)和特征將更加明顯。圖l是己知燃料電池橫截面亂圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的在擴(kuò)散介質(zhì)層中使用阻擋劑的燃料電池的橫截面圖；以及圖3是示出已知燃料電池和本發(fā)明的^ffl阻擋劑的燃料電池的電池電壓和工作時(shí)間之間關(guān)系的曲線圖，橫軸是工作時(shí)間，縱軸是電池電壓。具體實(shí)施例方式涉及使用氫和空氣阻擋齊啲燃料電池的本發(fā)明實(shí)施方案的下面描述本質(zhì)上僅是示例性的，并不旨在限定本發(fā)明或其應(yīng)用或使用。圖2是與燃料電池10相似的燃料電池40的橫截面圖，其中相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，擴(kuò)散介質(zhì)層20和24包括從擴(kuò)散介質(zhì)層20和24的端部分別延伸至催化劑層22和26的邊緣32和34內(nèi)適當(dāng)距離位置的阻擋劑42。阻擋劑42可以是形成在擴(kuò)散介質(zhì)層20和24中作為阻擋或阻礙空氣流36和氫氣流28之一或兩者在催化劑層22和26外部通過膜16蔓延的任何適當(dāng)材料。換句話說，阻擋劑42迫使空氣流36和氫氣流28在aA膜16之前分別itA催化齊喔22和26。因此，阻擋劑42防止空氣流36和氫氣流28不是首先ffl31催化劑層22和26而通過膜16。由于到達(dá)催化劑層22和26的氣體反應(yīng)，沒有氣體到達(dá)膜16，也沒有氣體M31膜16。這防止了氫和氧在外側(cè)邊緣32和34的非控制反應(yīng)，從而防止了膜16在鄰近催化劑層22和26的外側(cè)邊緣32和34處損壞。在這一實(shí)施方案中，提供阻擋劑42通過擴(kuò)散介質(zhì)層20和24的全部厚度。這是非限定性實(shí)例，因?yàn)樽钃鮿?2可以選擇性地形成在擴(kuò)散介質(zhì)層20和24中以使阻擋劑42僅通過擴(kuò)散介質(zhì)層20和24的部分厚度，優(yōu)選最接近膜16。而且，在這一實(shí)施方案中，在擴(kuò)散介質(zhì)層20和24中都提供阻擋劑42。并不是特別清楚過早損壞是由通過膜16蔓延的空氣流36或氫氣流28之一還是兩者引起。因此，阻擋劑42可以艦擴(kuò)散介質(zhì)層20和24之一是必須的，例如陽極擴(kuò)散介質(zhì)層24。阻擋劑42不需要必須阻擋流36和28的擴(kuò)散。即使阻擋劑42的氣體擴(kuò)散不能忽略，擴(kuò)散介質(zhì)層20和24的厚度也應(yīng)當(dāng)足夠大，使流36和28分別朝向鄰近催化齊喔22和26的擴(kuò)散介質(zhì)層20和24的區(qū)域。這是因?yàn)樽钃鮿?2僅需要填充擴(kuò)散介質(zhì)層20和24的空隙來增加流36和28的氣體擴(kuò)散長度。阻擋劑42可以是任何適用于上述目的的阻擋齊U。例如，阻擋劑42可以是熱塑性聚合物，例如聚芳基(醚酮)或聚乙烯。在一個(gè)實(shí)施方案中，阻擋劑42是聚偏二氟乙烯(PVDF)。PVDF是良好的阻擋劑，因?yàn)樗娜廴赹S大約是17(TC，該^Jt高于燃料電池40的操作溫度，然而其又沒有高到難于通過標(biāo)準(zhǔn)工藝熔融并迫使流入擴(kuò)散介質(zhì)層20和24。PVDF在酸環(huán)境，例如jt料電池中，也具有化學(xué)穩(wěn)定性。下面的描述提供用于將PVDF引入擴(kuò)散介質(zhì)層20和24的一種方式。在一個(gè)實(shí)施方案中，使用尺寸為73mm2的標(biāo)準(zhǔn)Toray060擴(kuò)散介質(zhì)(添加7%的PTFE)。兩片0.003英寸厚Kynai*PVDF切成外尺寸為74mirf和內(nèi)尺寸為66mmx67mm的框?？蚣性跀U(kuò)散介質(zhì)層20和24的兩側(cè)使得在PVDF框的所有側(cè)有等重疊。將PVDF-DM-PVDF多層結(jié)構(gòu)置于兩片商標(biāo)為Kapton的聚酰亞胺膜和兩片商標(biāo)為Gylon的PTEE之間。將齡層結(jié)構(gòu)置于兩個(gè)鋁板之間并在350°F0.1噸下熱壓10併巾，然后在350°F0.5噸下熱壓10分鐘。熱壓之后，除去材料并研究。PVDF被完全吸收，或連續(xù)遍及擴(kuò)散介質(zhì)層。然后將用阻擋劑42改性的擴(kuò)散介質(zhì)層20和24置于50cm2的燃料電池中來測試它們的效力。圖3為示出須賦結(jié)果的曲線圖，橫軸表示工作時(shí)間，縱軸表示電池電壓。包含含有阻擋劑42的改性擴(kuò)散介質(zhì)層20和24的燃料電池用曲線50和52表示。包括含相同，MEA且不改性的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)散介質(zhì)層的基準(zhǔn)燃料電池用曲線54和56表示。曲線50和54表示沒有電流從燃料電池放出得到的數(shù)據(jù)，曲線52和56，料電池放出0.8A/cm2的標(biāo)準(zhǔn)化電流得到的數(shù)據(jù)。it料電池都在95°C、200kPa壓力下、在陽極入口相對濕度為75%、在陰t反入口相對、濕度為50%的條件下運(yùn)-庁。曲線54和56表示大約100小時(shí)之后基準(zhǔn)燃料電池中發(fā)生的電壓fflit下降并產(chǎn)生損壞。當(dāng)拆卸燃料電池時(shí)，觀察到顯著的ii^損壞。使用吸收PVDF的擴(kuò)散介質(zhì)層的燃料電池運(yùn)行達(dá)約175小時(shí)伴隨著非常不顯著的電池電壓損失。另外，測量外部短路電流和氣體交叉電流(crossovercurrent)并示于下表1中。在燃料電池的工作期間交叉電流不顯著增力t]。如果MEA嚴(yán)重退化，那么交叉電流會增加。當(dāng)拆卸燃料電池時(shí)，沒有催化劑層邊緣損壞的跡象。損壞主要發(fā)生在MEA的活性區(qū)域。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>上述的討論僅公開和描述了本發(fā)明的示例性實(shí)施方案。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易從這些討論和附圖以及權(quán)利要求中得到啟示，在不脫離下面的權(quán)禾腰求限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，作出各種變化、改進(jìn)和變動。權(quán)利要求1、一種燃料電池，其包括包括陽極擴(kuò)散介質(zhì)層和陽極催化劑層的陽極側(cè)；包括陰極擴(kuò)散介質(zhì)層和陰極催化劑層的陰極側(cè)；以及位于陽極催化劑層和陰極催化劑層之間并與它們接觸的膜，其中擴(kuò)散介質(zhì)層之一或兩者包括阻擋劑，該阻擋劑防止或阻礙流過擴(kuò)散介質(zhì)層的氣體不是首先流過催化劑層而流到膜。2、根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池，其中阻擋齊膨成在擴(kuò)散介質(zhì)層之一或兩者的側(cè)邊緣內(nèi)的一定距離以使該阻擋劑在催化劑層的外邊緣中延伸。3、根據(jù)權(quán)利要求1的;^料電池，其中提供阻擋劑通過擴(kuò)散介質(zhì)層之一或兩者的全部厚度。4、根據(jù)權(quán)利要求1的jt料電池，其中提供阻擋劑僅M擴(kuò)散介質(zhì)層之一或兩者的部分厚度。5、根據(jù)權(quán)利要求1的it料電池，其中阻擋劑均勻遍布于擴(kuò)散介質(zhì)層之一或兩者。6、根據(jù)權(quán)利要求l的燃料電池，其中阻擋劑是熱塑性聚合物。7、根據(jù)權(quán)禾腰求6的燃料電池，其中阻擋劑選自聚偏二氟乙烯、聚芳基和聚乙烯。8、根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池，其中燃料電池是燃料電池堆的一部分。9、根據(jù)權(quán)利要求8的燃料電池，其中燃料電池堆用在交虹具上。10、一種燃料電池，其包括包括陽極擴(kuò)散介質(zhì)層和陽極催化劑層的陽極側(cè)，其中陽極擴(kuò)散介質(zhì)層包括形成在陽極擴(kuò)散介質(zhì)層的側(cè)邊緣內(nèi)一定距離的阻擋劑以使該阻擋劑在陽極催化齊喔的外纖中延慨包括陰極擴(kuò)散介質(zhì)層和陰極催化劑層的陰極側(cè)，其中陰極擴(kuò)散介質(zhì)層包括形成在陰極擴(kuò)散介質(zhì)層的偵i助緣內(nèi)一定距離的阻擋劑以使該阻擋劑在陰極催化齊喔的夕卜邊緣中延慨以及位于陽極催化劑層和陰極催化齊喔之間并與它們接觸的膜。11、根據(jù)權(quán)利要求10的jt料電池，其中提供形成在陽極擴(kuò)散介質(zhì)層中的阻擋齊艦其通過陽極擴(kuò)散介質(zhì)層的全部厚度，并且提供形自陰極擴(kuò)散介質(zhì)層中的阻擋劑使其ffi31陰極擴(kuò)散介質(zhì)層全部厚度。12、根據(jù)權(quán)利要求10的燃料電池，其中提供形成在陽極擴(kuò)散介質(zhì)層中的阻擋劑使其通過陽極擴(kuò)散介質(zhì)層的僅部分厚度，并且提供形成在陰極擴(kuò)散介質(zhì)層中的阻擋齊艦其m陰極擴(kuò)散介質(zhì)層的僅部分厚度。13、根據(jù)權(quán)利要求10的燃料電池，其中阻擋齊購勻遍布于陽極禾口陰極擴(kuò)散介質(zhì)層。14、根據(jù)權(quán)利要求10的燃料電池，其中阻擋劑是熱塑性聚合物。15、根據(jù)權(quán)利要求14的燃料電池，其中阻擋齊U選自聚偏二氟乙烯、聚芳基和聚乙烯。16、根據(jù)權(quán)利要求10的燃料電池，其中燃料電池是燃料電池堆的一部分。17、根據(jù)權(quán)利要求16的燃料電池，其中燃料電池堆用在工具上。18、一禾中制造燃料電池的方法，該方B括提供陽極擴(kuò)散介質(zhì)層；提供陽極催化劑層；提供陰極擴(kuò)散介質(zhì)層；提供陰極催化劑層；在陽極擴(kuò)散介質(zhì)層或陰極擴(kuò)散介質(zhì)層之一或兩者中沉積阻擋劑以使阻擋劑在陽極催化劑層和/或陰極催化劑層的外邊緣中延伸，其中阻擋劑防止或阻礙流逝廣散介質(zhì)層的氣j杯是首先流至鵬化齊喔而流至,；以及衝斜立于陽極催化齊喔和陰極催化齊喔之間并與它們接觸的膜。19、根據(jù)禾又利要求18的方法，其中沉積阻擋劑包括沉積阻擋劑使其均勻遍布于陽極和/或陰極擴(kuò)散介質(zhì)層。20、根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中沉積阻擋劑包括在陽極擴(kuò)散介質(zhì)層中沉積阻擋齊鞭其M陽極擴(kuò)散介質(zhì)層的全部厚度和減在陰極擴(kuò)散介質(zhì)層中沉積阻擋齊艦其ii31陰極擴(kuò)散介質(zhì)層的全部厚度。21、根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中沉積阻擋劑包括在陽極擴(kuò)散介質(zhì)層中沉積阻擋齊頓其M陽極擴(kuò)散介質(zhì)層的僅部分厚度和/或在陰極擴(kuò)散介質(zhì)層中沉積阻擋劑使其通過陰極擴(kuò)散介質(zhì)層的僅部分厚度。22、根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中沉積阻擋劑包括使阻擋劑熔融、使阻擋劑流入陽極和/或陰極擴(kuò)散介質(zhì)層，以及在陽極和/或陰極擴(kuò)散介質(zhì)層中硬化阻擋劑。23、根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中沉積阻擋齊抱括沉積熱塑性聚合物。24、根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中沉積阻擋劑包括沉積選自聚偏二氟乙烯、聚芳基和聚乙烯的阻擋劑。全文摘要一種燃料電池(40)，其包括用于防止氫和空氣與裸膜(16)接觸的阻擋劑(42)。這從而防止空氣和氫氣在催化劑層(22，26)的外邊緣反應(yīng)。阻擋劑沉積在燃料電池的陽極(14)和陰極側(cè)(12)之一或兩者的擴(kuò)散介質(zhì)層(20，24)中。阻擋劑在擴(kuò)散介質(zhì)層中延伸到足夠遠(yuǎn)使其進(jìn)入催化劑層的外側(cè)邊緣中。在一個(gè)實(shí)施方案中，阻擋劑是熱塑性聚合物，例如PVDF，它以熔融狀態(tài)流入擴(kuò)散介質(zhì)層，在那硬化。文檔編號H01M8/10GK101116204SQ200580012374公開日2008年1月30日申請日期2005年2月2日優(yōu)先權(quán)日2004年4月20日發(fā)明者B·索姆帕利,M·M·費(fèi)申請人:通用汽車公司