專利名稱：用于燃料電池加濕器的濕側紙的制作方法
技術領域：
本申請要求于2011年4月15日提交的美國臨時申請序列號61/475，843的權益。本申請涉及燃料電池和用于燃料電池的膜加濕器。更具體地，本申請涉及用于燃料電池的膜加濕器的擴散介質。
背景技術：
電化學轉化電池(通常稱為燃料電池)通過處理第一和第二反應物(例如，通過氫和氧的氧化和還原)來產生電能。通過說明而非限制的方式，典型聚合物電解質燃料電池包括位于ー對催化劑層之間的聚合物膜(例如，質子交換膜)，ー對氣體擴散介質層位于催化劑層外側。陰極板和陽極板位于最外側靠近氣體擴散介質層，且前述部件被緊密地壓縮以形成電池單元。由單個電池単元提供的電壓對于有用應用來說通常過小。因而，多個電池以“堆”的形式設置并相繼連接，以增加電化學轉化組件或燃料電池的電輸出。燃料電池堆通常使用位于相鄰膜電極組件(MEA)之間的雙極板。為了以期望效率工作，聚合物膜需要是潮濕的。因而，有時需要提供加濕以保持所需濕度水平。這有助于避免損壞膜和導致縮短壽命，以及保持期望操作效率。例如，膜中的較低水含量導致較高質子傳導阻力，從而導致較高歐姆電壓損失。期望供應氣體(具體地， 陰極入口)的加濕，以保持膜中的充分濕度，尤其是在入口區(qū)域中。燃料電池中的加濕在共同擁有的美國專利No. 7，036，466和7，572，531和美國專利申請序列號10/912，298中討論。空氣加濕器通常用于加濕燃料電池中使用的空氣流，以便保持所需濕度水平，如美國專利No. 6，471，195和7，156，379中所述。膜加濕器也已經用于保持所需濕度水平。對于機動車燃料電池加濕應用，膜加濕器需要是緊湊的，展現(xiàn)低壓降，且具有高性能特性。圖I圖示了用于燃料電池(未示出)的常規(guī)膜加濕器組件10的ー個示例。膜加濕器組件10包括濕板12和干板14。描述了用于燃料電池的陰極側的膜加濕器組件10。然而應當理解的是，膜加濕器組件10可以根據(jù)期望用于燃料電池的陽極側或其他地方。濕板12包括在其中形成的多個流動通道16。通道16適合于將濕氣體從燃料電池的陰極傳輸給排氣(未示出)。如本文使用的，濕氣體指的是在其中包括比干氣體高的水平的水蒸汽和/或液態(tài)水的氣體，例如空氣以及02、N2, H2O和H2的氣體混合物。然而應當理解的是，可以根據(jù)期望使用其他氣體或氣體混合物。脊臺18在濕板12的相鄰通道16之間形成。任何常規(guī)材料可以用于形成濕板12，例如鋼、聚合物和復合材料。干板14包括在其中形成的多個流動通道20。通道20適合于將干氣體從氣體源(未示出)傳輸給燃料電池的陰極。干氣體指的是沒有水蒸汽或者在其中包括比濕氣體低的水平的水蒸汽和/或液態(tài)水的氣體，例如空氣以及02、N2, H2O和H2的氣體混合物。然而應當理解的是，可以根據(jù)期望使用其他氣體或氣體混合物。脊臺22在干板14的相鄰通道20之間形成。任何常規(guī)材料可以用于形成干板14，例如鋼、聚合物和復合材料。在濕板12和干板14之間(以及在相關擴散介質24、26之間)設置膜28。膜28可以是任何常規(guī)膜，例如全氟磺化酸(PFSA)(例如，可從DuPont獲得的Nafion )、親水性聚合物膜和聚合物復合膜。對于緊湊燃料電池加濕器應用，膜28具有的滲透率通常大于8000GPU，典型地在10000-12000GPU范圍內。氣體滲透單位(GPU)是分壓標準化通量，其中，IGPU = ICT6Cm3(STP)/ (cm2 sec cm Hg)。濕側擴散介質(或擴散層)24設置在膜28的ー側和濕側板12之間(鄰近其脊臺18)。類似地，干側擴散介質(或擴散層)26設置在膜28的另ー側和干側板14之間(鄰近其脊臺22)。擴散介質24、26由有弾性和氣體可滲透材料形成，例如碳纖維。濕側擴散介質24必須具有承受濕側紙基于通道幾何形狀和燃料電池系統(tǒng)壓カ在裝置內必須支持的壓カ差(在壓縮機出ロ(水蒸汽傳輸裝置(WVTD)的入口)和至系統(tǒng)排氣的WVTD出口之間的大約20-120kPa的差)的強度。由于其強度和傳輸屬性，碳纖維紙(例 如,TGP-H-030 紙；Toray Industries, Inc.)通常用于濕側擴散介質。由于其能夠一致地擴散反應物氣體和傳輸所產生電力，TGP-H 紙(Toray)和其他碳纖維紙作為行業(yè)標準廣泛地接受作為燃料電池氣體擴散介質。此外，這種紙變?yōu)槟ぜ訚衿鹘M件的標準擴散介質。這種碳纖維紙通常使用濕鋪碳纖維紙制成，通常包括聚こ烯醇(PVA)纖維粘合劑(例如，Kuralon VPB纖維；Kuraray)。紙用溶解在溶劑(例如，醇)中的酚醛樹脂浸潰。已浸潰紙通常具有大約35%的碳纖維和65%的酚醛樹脂。已浸潰紙被壓縮模制且在壓力下在180°C硫化，以交叉鏈接酚醛樹脂且獲得合適的厚度和密度。紙張然后在高于2000°C的溫度下石墨化。在石墨化步驟中，酚醛樹脂損失其重量的大約一半，這意味著最終石墨化紙張是大約50%的纖維和50%的粘合剤。在最初碳紙中的PVA纖維在該過程中燒掉。當碳紙用作燃料電池的氣體擴散介質時，需要導電性，從而需要昂貴的石墨化步驟。然而，對于膜加濕器組件中的使用，不需要導電性。因而，使用常規(guī)碳纖維紙具有不希望的成本。此外，常規(guī)使用的碳纖維紙是硬和易碎的，從而導致増加的材料和制造成本和困難。雖然可期望可選紙，但是使用具有不同厚度和/或強度的其他類型紙將需要常規(guī)膜加濕器組件的通道和表面面積或容積的昂貴設計變化。此外，合適的可選紙必須具有傳輸阻カ和壓降的平衡，從而滿足常規(guī)使用的碳纖維紙和常規(guī)膜加濕器組件的性能要求。然而，滿足所有這些要求的可選紙不能由技術人員容易地預測。除了其他之外，這是因為為了發(fā)生有效的水傳輸(即，將水分子從濕側板通過濕側擴散介質、膜和干側擴散介質傳輸給干側板)，水分子必須克服以下的ー些組合(i)濕和干流動通道中的常規(guī)傳質阻力、(ii)通過膜的擴散傳輸阻力、以及(iii)通過擴散介質的擴散傳輸阻力，且沒有已知方法來預測具有這種因素的合適組合的特定材料。類似地，除了其他之外，由于壓降可能受到纖維尺寸、纖維密度、紙柔性/剛性和纖維侵入加濕器組件的通道中的趨向性的影響，沒有已知方法來預測具有期望壓降特性的特定材料。此外，沒有已知方法來預測哪種特定材料將具有傳輸阻力和壓降的合適平衡，同時還滿足常規(guī)膜加濕器組件的材料強度和厚度設計要求。因而，不可預測的領域仍存在對可以取代常規(guī)膜加濕器組件中的常規(guī)擴散介質(具體地，基于碳纖維紙的濕側擴散介質)的材料的未能解決的需要，而不犧牲性能、増加成本或需要這種組件的實質上重新設計。

發(fā)明內容
在各個實施例中，提供ー種新式的基于玻璃纖維的紙擴散介質以及用于燃料電池的膜加濕器和使用所提供的基于玻璃纖維的紙擴散介質來加濕燃料電池的方法。在各個實施例的ー些中，所提供的擴散介質是柔性的樹脂粘合的玻璃纖維紙，用26-55%硫化液體酚醛樹脂浸潰且具有100-110 μ m的厚度和至少IOOcfm的Gurley滲透率。在各個實施例的ー些中，所提供的膜加濕器包括(i)位于膜和干側板之間的干側擴散介質；和( )位于膜和濕側板之間的濕側擴散介質；其中，至少濕側擴散介質是所提供的基于玻璃纖維的紙擴散介質。
在各個實施例的ー些中，所提供的用于加濕燃料電池的方法包括(i)提供位于膜和干側板之間的干側擴散介質；和(ii)提供位于膜和濕側板之間的濕側擴散介質；其中，至少濕側擴散介質是所提供的基于玻璃纖維的紙擴散介質。方案I. 一種用于燃料電池的膜加濕器，包括⑴膜；(ii)位于膜的相對側上的濕側板和干側板，所述濕側板和干側板中具有流動通道；(iii)位于膜和干側板之間的干側擴散介質；和(iv)位于膜和濕側板之間的柔性的樹脂粘合的玻璃纖維紙濕側擴散介質，所述玻璃纖維紙包括(a)玻璃纖維、(b) 100-110 μ m的厚度、以及(c)至少IOOcfm的Gurley滲透率；其中，所述玻璃纖維紙用26-55%硫化液體酚醛樹脂浸潰。方案2.根據(jù)方案I所述的膜加濕器，其中，玻璃纖維紙包括70-90wt%的玻璃纖維。方案3.根據(jù)方案2所述的膜加濕器，其中，玻璃纖維紙包括一直到20wt%的原纖化或納米原纖化丙烯酸纖維。方案4.根據(jù)方案I所述的膜加濕器，其中，干側擴散介質是柔性的樹脂粘合的玻璃纖維紙，包括(a)玻璃纖維、(b) 100-110 μ m的厚度、以及(c)至少IOOcfm的Gurley滲透率；其中，所述玻璃纖維紙用26-55%硫化液體酚醛樹脂浸潰。方案5.根據(jù)方案I所述的膜加濕器，其中，玻璃纖維紙在用液體酚醛樹脂浸潰和液體酚醛樹脂硫化之前具有20-50g/m2的基本重量。方案6.根據(jù)方案5所述的膜加濕器，其中，玻璃纖維紙在液體酚醛樹脂硫化之前包括一直到IOwt%的PVA纖維粘合剤。方案7.根據(jù)方案6所述的膜加濕器，其中，玻璃纖維紙具有40_44g/m2的基本重量和26-40%的硫化樹脂含量。方案8.根據(jù)方案7所述的膜加濕器，其中，玻璃纖維紙具有至少O. 5g/cc的密度和至少200cfm的Gurley空氣滲透率。方案9.根據(jù)方案6所述的膜加濕器，其中，玻璃纖維紙具有20_24g/m2的基本重量和35-55%的硫化樹脂含量。
方案10.根據(jù)方案9所述的膜加濕器，其中，玻璃纖維紙具有至少O. 5g/cc的密度和至少200cfm的Gurley空氣滲透率。方案11. 一種用于膜加濕器的柔性的樹脂粘合的玻璃纖維紙濕側擴散介質，所述玻璃纖維紙包括(a)70-90wt%的玻璃纖維、(b) 100-110 μ m的厚度、以及(c)至少IOOcfm的Gurley滲透率；其中，所述玻璃纖維紙用25-55%硫化液體酚醛樹脂浸潰。方案12.根據(jù)方案11所述的濕側擴散介質，其中，玻璃纖維紙還包括一直到20wt %的原纖化或納米原纖化丙烯酸纖維。方案13.根據(jù)方案12所述的濕側擴散介質，其中，玻璃纖維紙在用液體酚醛樹脂浸潰和液體酚醛樹脂硫化之前具有20-50g/m2的基本重量。方案14.根據(jù)方案13所述的濕側擴散介質，其中，玻璃纖維紙在液體酚醛樹脂硫化之前包括一直到IOwt%的PVA纖維粘合剤。方案15.根據(jù)方案14所述的濕側擴散介質，其中，玻璃纖維紙具有(i)40-44g/m2的基本重量和26-40%的硫化樹脂含量；或者(ii)20-24g/m2的基本重量和35-55%的硫化樹脂含量。方案16.根據(jù)方案15所述的濕側擴散介質，其中，玻璃纖維紙具有至少O. 5g/cc的密度和至少200cfm的Gurley空氣滲透率。方案17. —種用于加濕燃料電池的方法，包括⑴提供膜加濕器，所述膜加濕器包括膜；位于膜的相對側上的濕側板和干側板，所述濕側板和干側板中具有流動通道；(ii)提供位于膜和干側板之間的干側擴散介質；(iii)提供位于膜和濕側板之間的柔性的樹脂粘合的玻璃纖維紙濕側擴散介質，玻璃纖維紙包括(a)玻璃纖維、(b) 100-110 μ m的厚度、以及(c)至少IOOcfm的Gurley滲透率；其中，所述玻璃纖維紙用26-55%硫化液體酚醛樹脂浸潰；(iv)將濕氣體引入板的濕側上的流動通道中；(V)將干氣體引入板的干側上的流動通道中，水蒸汽從濕側氣體流經膜進入干側氣體；以及(vi)將干側氣體與水蒸汽提供給燃料電池的供應裝置。方案18.根據(jù)方案17所述的方法，其中，玻璃纖維紙在用液體酚醛樹脂浸潰和液體酚醛樹脂硫化之前具有20-50g/m2的基本重量以及任選地一直到IOwt %的PVA纖維粘合齊 。方案19.根據(jù)方案18所述的方法，其中，玻璃纖維紙具有(i)40_44g/m2的基本重量和26-40%的硫化樹脂含量；或者(ii)20-24g/m2的基本重量和35-55%的硫化樹脂含量。方案20.根據(jù)方案19所述的方法，其中，玻璃纖維紙具有至少O. 5g/cc的密度和至少200cfm的Gurley空氣滲透率。


由于通過參考以下詳細說明結合附圖考慮，本發(fā)明及其許多實施例將更好地理解，因而將容易獲得本發(fā)明及其許多實施例的更充分理解，其中圖I圖示用于燃料電池的常規(guī)膜加濕器組件；圖2是將不同的基于玻璃纖維的紙制劑的水傳輸性能和Gurley性能進行比較的圖表；圖3是將不同的基于玻璃纖維的紙制劑的水傳輸性能和Gurley性能進行比較的圖表；圖4是將不同的基于玻璃纖維的紙制劑的水傳輸性能和Gurley性能進行比較的圖表；圖5是將使用不同玻璃纖維的基于玻璃纖維的紙制劑的水傳輸性能和Gurley性 能進行比較的圖表；圖6是將在不同模制條件下的基于玻璃纖維的紙制劑的水傳輸性能和Gurley性能進行比較的圖表；圖7是將具有不同基本重量和樹脂含量的基于玻璃纖維的紙制劑的水傳輸性能和壓降進行比較的圖表；圖8是將42g/m2基本重量的具有不同樹脂含量的基于玻璃纖維的紙制劑的水傳輸性能和壓降進行比較的圖表；圖9是將35%樹脂含量的具有不同基本重量的基于玻璃纖維的紙制劑的水傳輸性能和壓降進行比較的圖表；圖10是將22g/m2基本重量的具有不同樹脂含量的基于玻璃纖維的紙制劑的水傳輸性能和壓降進行比較的圖表；圖11是將具有22g/m2基本重量和44%酚醛樹脂含量的玻璃纖維紙與常規(guī)碳纖維紙的性能進行比較的圖表；和圖12是將具有42g/m2基本重量和35%酚醛樹脂含量的玻璃纖維紙與常規(guī)碳纖維紙的性能進行比較的圖表。
具體實施例方式現(xiàn)在將描述本發(fā)明的特定實施例。然而，本發(fā)明能以不同形式實施且不應理解為限于本文所述的實施例。相反，提供這些實施例使得本發(fā)明將是詳盡和完整的，且將本發(fā)明的范圍完全傳達給本領域技術人員。除非另有限定，本文使用的所有技術和科技術語具有與本發(fā)明所屬領域普通技術人員通常理解相同的涵義。本發(fā)明說明中使用的措辭僅僅是用于描述特定實施例，而不旨在限制本發(fā)明。如說明書和所附權利要求使用的，単數(shù)形式“一”和“該”還_在包括復數(shù)形式，除非上下文清楚地另有聲明。除非另有聲明，說明書和權利要求使用的表示成分、屬性、條件等的所有數(shù)量應當理解為在所有情況下以措辭“大約”修飾。此外，說明書和權利要求中任何范圍的公開應當理解為包括該范圍本身以及其中包含的任何范圍以及端點。除非另有聲明，說明書和權利要求中所述的數(shù)值屬性是可以根據(jù)在本發(fā)明實施例中設法獲得的期望屬性而變化的近似值。盡管闡述本發(fā)明廣泛范圍的數(shù)值范圍和參數(shù)是近似值，但是具體示例中闡述的數(shù)值盡可能精確地報告。然而，任何數(shù)值內在地包含必要地由其相應測量中發(fā)現(xiàn)的誤差引起的某
些誤差。在各個實施例中，提供ー種新式的基于玻璃纖維的紙擴散介質以及用于燃料電池的膜加濕器和使用所提供的基于玻璃纖維的紙擴散介質來加濕燃料電池的方法。擴散介質
所提供的擴散介質包括新式的基于玻璃纖維的紙，取代通常用作膜加濕器組件中的擴散介質的基于碳纖維的紙。本發(fā)明的紙具有與常規(guī)基于碳纖維的紙相當?shù)膹姸?、厚度、孔隙率、壓降性能和水傳輸性能，因而可以用于常?guī)膜加濕器組件中，而不需要昂貴的設計修改。此外，所提供的基于玻璃纖維的紙比常規(guī)基于碳纖維的紙更柔軟，使之更容易以卷筒物形式處理。此外，與常規(guī)使用的基于碳纖維的紙相比，所提供的基于玻璃纖維的紙的材料成本減少。雖然所提供的玻璃纖維紙優(yōu)選用作膜加濕器組件中的濕側擴散介質，但是還可以設想其用作干側擴散介質。由干與基準線材料相比三倍高的濕側壓降，常規(guī)基于玻璃纖維的紙(例如，Craneglas 紙；Crane Nonwovens)被測試且發(fā)現(xiàn)不適合用作常規(guī)膜加濕器組件中的擴散介質。因而，需要設計和評估具有纖維類型、粘合劑纖維類型、樹脂類型和含量以及處理條件的許多組合的新式紙，以開發(fā)滿足常規(guī)使用的基于碳纖維的紙(作為非限制性示例，TGP-H-030 紙；Toray Industries, Inc.)的性能要求的合適的基于玻璃纖維的紙。鑒于上文，開發(fā)了用樹脂浸潰的玻璃纖維紙。在一些實施例中，這種紙具有100-110 μ m 的厚度。因而，具體地提供具有 100 μ m，101 μ m，102 μ m，103 μ m，104 μ m，105 μ m, 106 μ m, 107 μ m, 108 μ m, 109 μ m 110 μ m的厚度的紙。在一些實施例中，所提供的玻璃纖維紙具有至少IOOcfm的Gurley滲透率。因而，具體地提供具有100_150cfm，150-200cfm, 200-250cfm, 250-300cfm和以上的Gurley滲透率的紙。在一些實施例中，所提供的紙還具有大于70%的孔隙率。在各個實施例中，所提供的基于玻璃纖維的紙通過用樹脂浸潰具有20_50g/m2的基本重量(即，在樹脂浸潰和硫化之前的重量)的玻璃纖維紙來產生。因而，具體地提供具有 20-25g/m2，25-30g/m2，30-35g/m2，35-40g/m2，40-45g/m2 和 45_50g/m2 的基本重量的紙。使用具有22g/m2和42g/m2的基本重量的紙實現(xiàn)良好的結果。在一些實施例中，所使用的玻璃纖維紙具有70-90wt %的玻璃纖維。在一些實施例中，所述玻璃纖維可以具有3-6_的平均長度和7-11 μ m的平均直徑，或兩者。如所述，玻璃纖維紙用至少ー種樹脂浸潰。所使用的樹脂可以是酚醛樹脂、丙烯酸樹脂或其他合適的熱塑性樹脂。在一些實施例中，合適的樹脂可以是具有良好熱濕性能的樹脂。在一些實施例中，樹脂是酚醛樹脂。優(yōu)選地，酚醛樹脂處于液體形式。還可以使用粉末酚醛樹脂，但是液體樹脂看來好像提供增強性能且易于處理(例如，粉末樹脂更難分配，且在處理期間熔融并涂覆干卷筒物)。通常，浸潰過程包括將玻璃纖維紙沉浸在含有樹脂和溶劑的池中，然后去除溶剤。甲醇是合適溶劑的ー個示例，但是還可以設想其他溶剤。去除溶劑可以通過蒸發(fā)或者通過改變環(huán)境溫度或壓力。如果期望，紙可以在該階段存儲在受控環(huán)境中，以防止樹脂移動，且在稍后時間進一歩處理。在一些實施例中，所提供的玻璃纖維紙用26-55%硫化液體酚醛樹脂浸潰。因而，具體地提供用26-30%，30-35%，35-40%，40-45%和45-50%的樹脂浸潰的紙。在一些實施例中，低樹脂含量導致硫化樹脂的不連續(xù)膜，從而允許良好的空氣和水滲透率。除了玻璃纖維和樹脂之外，所提供的(未硫化)紙還可以包括一種或多種纖維粘合劑，其在硫化時將至少部分地去除或經受至少部分相變(即，燒掉)。在一些實施例中，基本紙的一直到10wt% (在硫化之前)可包括纖維粘合剤。因而，具體地設想包括0-2%，
2-4%，4-6%，6-8%和8-10%纖維粘合劑的紙?；诰郅诚┐?PVA)的纖維粘合劑(例如，Kuralon 纖維)是合適的，但是還可以使用其他纖維粘合剤。例如，可期望選擇可選纖維粘合劑以改進卷筒物處理能力。PVA纖維通常包含納或其他鹽，其可能對水蒸汽傳輸性能具有負面影響。此外，鹽可流失通過最終紙且引起對加濕器膜的損壞。因而，在處理中，鹽應當在造紙過程中沖洗棹。如果需要，可以給過程増加中間產品或最終紙的清潔步驟以去除任何殘余納。 在一些實施例中，除了玻璃纖維之外，還可以在基本紙中使用其他纖維類型，以減少纖維粘合劑和樹脂的使用。在一些實施例中，一直到紙的20wt%可包括這種其他纖維。因而，具體地提供具有0-5%，5-10%，10-15%和15-20%這種纖維的紙。合適纖維的示例包括丙烯酸、聚酯、尼龍、陶瓷、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、液晶聚合物(例如，Vectran 纖維Juraray Co.)、或者具有合適表面光潔度的水可滲透或可以制成水可滲透的其他疏水性纖維。在一些實施例中，除了玻璃纖維之外，可以使用丙烯酸纖維以減少PVA粘合劑和樹脂的使用。合適的丙烯酸纖維的示例包括聚丙烯腈(PAN)纖維、原纖化丙烯酸纖維(例如，CFF 纖維！Sterling Fibers)、以及納米原纖化丙烯酸纖維(例如，EFTec 纖維；Engineered Fibers Technology)。用一直到10%CFF 原纖化纖維或EFTec 納米原纖化纖維制成的紙張獲得良好的結果。使用本領域技術人員熟知的條件，得到的樹脂浸潰玻璃纖維紙使用熱和壓カ硫化。例如，紙可以用20-200psi的壓カ和180°C的溫度壓縮模制和硫化。此外，模制可以是連續(xù)的或不連續(xù)的。在各個實施例的ー些中，適合用作濕側擴散介質的硫化和模制樹脂粘合的玻璃纖維紙包括70-90wt%的玻璃纖維，具有100-110 μ m的厚度，具有至少IOOcfm(可選地，至少200cfm)的Gurley滲透率，且用25-55%硫化液體酚醛樹脂浸潰。這種紙在用液體酚醛樹脂浸潰和液體酚醛樹脂硫化之前可具有20-50g/m2的基本重量。例如，合適的玻璃纖維紙可具有40-44g/m2的基本重量和26-40%的硫化樹脂含量。作為另ー個示例，合適的玻璃纖維紙可具有20-24g/m2的基本重量和35-55%的硫化樹脂含量。膜加濕器在各個實施例的ー些中，提供ー種使用所提供的基于玻璃纖維的紙擴散介質的膜加濕器。這種膜加濕器包括⑴位于膜和干側板之間的干側擴散介質；和( )位于膜和濕側板之間的濕側擴散介質；其中，至少濕側擴散介質是所提供的基于玻璃纖維的紙擴散介質。更具體地，所提供的膜加濕器包括(i)膜；(ii)位于膜的相對側上的濕側板和干側板，所述濕側板和干側板中具有流動通道；(iii)位于膜和干側板之間的干側擴散介質；和(iv)位于膜和濕側板之間的柔性的樹脂粘合的玻璃纖維紙濕側擴散介質，玻璃纖維紙包括(a)玻璃纖維、(b) IOO-IlOym的厚度、以及(c)至少IOOcfm的Gurley滲透率；其中，所述紙用26-55%硫化液體酚醛樹脂浸潰。在一些實施例中，干側擴散介質也可以是所提供的基于玻璃纖維的紙擴散介質。在一些實施例中，除了常規(guī)濕側擴散介質、干側擴散介質或兩者用所提供的基于玻璃纖維的紙擴散介質取代之外，所提供的膜加濕器是常規(guī)使用的膜加濕器。用于加濕燃料電池的方法在各個實施例的ー些中，提供ー種使用所提供的基于玻璃纖維的紙擴散介質加濕燃料電池的方法。這種方法包括(i)提供位于膜和干側板之間的干側擴散介質；和(ii)提供位于膜和濕側板之間的濕側擴散介質；其中，至少濕側擴散介質是所提供的基于玻璃纖維的紙擴散介質。更具體地，所提供的用于加濕燃料電池的方法包括(i)提供膜加濕器，所述膜加濕器包括膜；位于膜的相對側上的濕側板和干側板，所述濕側板和干側板中具有流動通道；(ii)提供位于膜和干側板之間的干側擴散介質；(iii)提供位于膜和濕側板之間的柔性的樹脂粘合的玻璃纖維紙濕側擴散介質，玻璃纖維紙包括(a)玻璃纖維、(b) 100-110 μ m的厚度、以及(c)至少IOOcfm的Gurley滲透率；其中，所述紙用26-55%硫化液體酚醛樹脂浸潰；(iv)將濕氣體引入板的濕側上的流動通道中；(V)將干氣體引入板的干側上的流動通道中，水蒸汽從濕側氣體流經膜進入干側氣體；以及(vi)將干側氣體與水蒸汽提供給燃料電池的供應裝置。在一些實施例中，所提供的方法還包括提供包括所提供的基于玻璃纖維的紙擴散介質的干側擴散介質。示例所述實施例將通過參考以下示例更好地理解，所述示例通過說明的方式提供且本領域技術人員將認識到所述示例不意味著限制性的。示例 I基體紙由7微米玻璃纖維和PVA粘合劑(無鹽類型)制成，具有大約50g/m2的基本重量。玻璃纖維紙使用液體和粉末樹脂兩者用酚醛樹脂浸潰，以獲得大約35%的樹脂含量。手抄紙(handsheet paper)在200psi或更低壓力下在180°C壓縮模制和硫化。得到的玻璃纖維手抄紙的制劑和屬性中的一些在表I示出。樣本IlB的粉末酚醛樹脂不如樣本38B的液體樹脂那么有效。粉末樹脂在與原纖化纖維結合使用時表現(xiàn)最好，在生產中需要使用空氣穿透干燥設備(thrair)或其他非接觸式干燥劑。然而，使用粉末樹脂不需要獨立的樹脂浸潰步驟。
表I
權利要求
1.一種用于燃料電池的膜加濕器，包括 (i)膜； (ii)位于膜的相對側上的濕側板和干側板，所述濕側板和干側板中具有流動通道； (iii)位于膜和干側板之間的干側擴散介質；和 (iv)位于膜和濕側板之間的柔性的樹脂粘合的玻璃纖維紙濕側擴散介質，所述玻璃纖維紙包括(a)玻璃纖維、(b) 100-110 u m的厚度、以及(c)至少IOOcfm的Gurley滲透率； 其中，所述玻璃纖維紙用26-55%硫化液體酚醛樹脂浸潰。
2.根據(jù)權利要求I所述的膜加濕器，其中，玻璃纖維紙包括70-90wt%的玻璃纖維。
3.根據(jù)權利要求2所述的膜加濕器，其中，玻璃纖維紙包括一直到20wt%的原纖化或納米原纖化丙烯酸纖維。
4.根據(jù)權利要求I所述的膜加濕器，其中，干側擴散介質是柔性的樹脂粘合的玻璃纖維紙，包括(a)玻璃纖維、(b) IOO-IlOiim的厚度、以及(c)至少IOOcfm的Gurley滲透率；其中，所述玻璃纖維紙用26-55%硫化液體酚醛樹脂浸潰。
5.根據(jù)權利要求I所述的膜加濕器，其中，玻璃纖維紙在用液體酚醛樹脂浸潰和液體酚醛樹脂硫化之前具有20-50g/m2的基本重量。
6.根據(jù)權利要求5所述的膜加濕器，其中，玻璃纖維紙在液體酚醛樹脂硫化之前包括一直到IOwt%的PVA纖維粘合剤。
7.根據(jù)權利要求6所述的膜加濕器，其中，玻璃纖維紙具有40-44g/m2的基本重量和26-40 %的硫化樹脂含量。
8.根據(jù)權利要求7所述的膜加濕器，其中，玻璃纖維紙具有至少0.5g/cc的密度和至少200cfm的Gurley空氣滲透率。
9.一種用于膜加濕器的柔性的樹脂粘合的玻璃纖維紙濕側擴散介質，所述玻璃纖維紙包括(a) 70_90wt %的玻璃纖維、(b) 100-110 ii m的厚度、以及(c)至少IOOcfm的Gurley滲透率； 其中，所述玻璃纖維紙用25-55%硫化液體酚醛樹脂浸潰。
10.一種用于加濕燃料電池的方法，包括 (i)提供膜加濕器，所述膜加濕器包括膜；位于膜的相對側上的濕側板和干側板，所述濕側板和干側板中具有流動通道； (ii)提供位于膜和干側板之間的干側擴散介質； (iii)提供位于膜和濕側板之間的柔性的樹脂粘合的玻璃纖維紙濕側擴散介質，玻璃纖維紙包括(a)玻璃纖維、(b) 100-110 u m的厚度、以及(c)至少IOOcfm的Gurley滲透率； 其中，所述玻璃纖維紙用26-55%硫化液體酚醛樹脂浸潰； (iv)將濕氣體引入板的濕側上的流動通道中； (v)將干氣體引入板的干側上的流動通道中，水蒸汽從濕側氣體流經膜進入干側氣體；以及 (vi)將干側氣體與水蒸汽提供給燃料電池的供應裝置。
全文摘要
基于玻璃纖維的紙擴散介質以及用于燃料電池的膜加濕器和使用所提供的基于玻璃纖維的紙擴散介質來加濕燃料電池的方法。所述擴散介質是柔性的樹脂粘合的玻璃纖維紙，用26-55％硫化液體酚醛樹脂浸漬且具有100-110μm的厚度和至少100cfm的Gurley滲透率。
文檔編號H01M8/04GK102738490SQ20121013862
公開日2012年10月17日 申請日期2012年4月16日 優(yōu)先權日2011年4月15日
發(fā)明者A·M·布倫納, R·E·埃文斯 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責任公司