專利名稱：用于燃料電池應(yīng)用的氣體擴(kuò)散層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于燃料電池應(yīng)用的氣體擴(kuò)散層(GDL)，其用于排放在燃料電池 組中作為電化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物的水以及轉(zhuǎn)移電子。
背景技術(shù)：
通常，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)被用作車輛的燃料電池。PEMFC應(yīng)當(dāng)能夠 在寬的電流密度范圍內(nèi)穩(wěn)定地運(yùn)行，以致于其在車輛的各種運(yùn)行條件下通常顯示至少幾十 kff 的高功率性能[S. Park, J. Lee 和 B. N. Popov, J. Power Sources, 177,457 (2008)]。該燃料電池通過氫與氧之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力。提供給作為燃料電池的氧化 電極的陽極的氫被解離成質(zhì)子(或氫離子)和電子。質(zhì)子通過聚合物電解質(zhì)膜被傳送至作 為還原電極的陰極，并且電子通過外部電路被傳送至陰極。在陰極，質(zhì)子和電子與含有氧的 空氣反應(yīng)以產(chǎn)生電和熱，并且同時(shí)，產(chǎn)生作為反應(yīng)副產(chǎn)物的水。當(dāng)電化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的適量水存在于燃料電池中時(shí)，其執(zhí)行保持膜電極組件 (100)的濕度的功能。然而，當(dāng)過量的水存在并且未被適當(dāng)去除時(shí)，在高電流密度處產(chǎn)生溢 流現(xiàn)象(flooding phenomenon)，并且溢流的水阻止反應(yīng)氣體有效地提供給該燃料電池，其 導(dǎo)致電壓損失的增加。在此，包含在燃料電池中的氣體擴(kuò)散層的功能將更加詳細(xì)地描述。圖1是示出包括氣體擴(kuò)散層的單元電池結(jié)構(gòu)的示意圖。氣體擴(kuò)散層附著于每個(gè)催化劑層的外表面，所述催化劑層涂覆在單元電池的氧 化電極和還原電極的聚合物電解質(zhì)膜的兩側(cè)。該氣體擴(kuò)散層的功能是提供例如氫和空氣 (氧)的反應(yīng)氣體、轉(zhuǎn)移通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電子、以及排出通過反應(yīng)產(chǎn)生的水以使燃料 電池中的溢流現(xiàn)象最小化。典型地，市售的氣體擴(kuò)散層具有雙層結(jié)構(gòu)，包括當(dāng)通過水銀注入測(cè)量時(shí)孔徑小于 1 μ m的微孔層(MPL)和孔徑為1至300 μ m的大孔襯底(或襯背)[X. L. Wang, H. Μ. Zhang, J. L. Zhang, H. F. Xu, Ζ. Q. Tian, J. Chen, H. X. Zhong, Y. M. Liang, B. L. Yi, Electrochimica Acta, 51,4909 (2006)]ο通過將例如乙炔炭黑和黑珍珠碳的碳粉與例如聚四氟乙烯(PTFE)的疏水劑混合 并且將上述混合物涂覆在大孔襯底的一側(cè)或者兩側(cè)而形成氣體擴(kuò)散層的微孔層。同時(shí)，氣體擴(kuò)散層的大孔襯底一般由碳纖維和例如PTFE的疏水劑組成，并 且可由碳纖維織物、碳纖維氈或碳纖維紙形成[Siscribano，J. Blachot，J. Etheve， A. Morin, R. Mosdale, J. Power Sources, 156,8(2006) ；Μ. F. Mathias, J. Roth, J. Fleming, 禾口 W. Lehnert, Handbookof Fuel Cells-Fundamentals, Technology and Applications,Vol. 3, Ch. 42, John Wiley & Sons (2003)]。對(duì)于燃料電池應(yīng)用來說，優(yōu)化氣體擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是必要的，以使氣體擴(kuò)散層 根據(jù)其應(yīng)用領(lǐng)域和運(yùn)行條件提供適當(dāng)?shù)男阅?。通常，在用于燃料電池?yīng)用的氣體擴(kuò)散層的 形成中，碳纖維氈或碳纖維紙優(yōu)于碳纖維織物，因?yàn)樘祭w維氈和碳纖維紙具有卓越的特性， 例如反應(yīng)氣體供應(yīng)特性、產(chǎn)物水排出特性、壓縮特性以及操作特性。此外，根據(jù)復(fù)雜和多樣的結(jié)構(gòu)差異，例如厚度、透氣性、壓縮性、疏水度、碳纖維的 結(jié)構(gòu)、多孔性/孔分布、孔彎曲度、電阻以及彎曲剛度，氣體擴(kuò)散層對(duì)燃料電池的性能具有 重要的影響。特別地，眾所周知的是在大規(guī)模運(yùn)輸領(lǐng)域存在重要的性能差異(日本專利第 3331703B2 號(hào))。最近，隨著燃料電池的商業(yè)化，對(duì)于作為燃料電池核心元件的氣體擴(kuò)散層的大規(guī) 模生產(chǎn)的廣泛研究和開發(fā)已經(jīng)取得了持續(xù)的進(jìn)展。氣體擴(kuò)散層在燃料電池中應(yīng)當(dāng)提供卓 越的性能，并且當(dāng)在燃料電池組中裝配數(shù)百個(gè)電池時(shí)應(yīng)當(dāng)具有適當(dāng)?shù)膭傂缘燃?jí)以提供卓 越的操作特性。當(dāng)在GDL材料的卷起方向上氣體擴(kuò)散層的剛性非常高時(shí)，為了運(yùn)輸和存 儲(chǔ)而卷起該GDL材料是困難的，并且從而降低了大規(guī)模的生產(chǎn)率。此外，根據(jù)先前的報(bào) 導(dǎo)，當(dāng)氣體擴(kuò)散層的剛性在燃料電池中不足時(shí)，如圖2所示，氣體擴(kuò)散層106在燃料電池 的裝配過程中可能擠入雙極板(或隔板)200的流場(chǎng)通道202(其稱作“⑶L擠入”)[Iwao Nitta, Tero Hottinen, Qlli Himanen, Mikko Mikkola, J. Power Sources, 171, 26 (2007)； Yeh-Hung Lai, Pinkhas A. Rapaport, Chunxin Ji, Vinod Kumar, J. Power Sources, 184,120 (2008) ； J. Kleemann, F. Finsterwalder, W. Tillmetz, J. Power Sources,190, 92 (2009) ；M. F. Mathias, J. Roth, M. K. Budinski, US 7, 455, 928B2 ；T. Kawashima, Τ. Osumi， Μ. Teranishi,Τ.Sukawa, US 2008/0113243Α1]。當(dāng)發(fā)生⑶L擠入雙極板Ο00)的流場(chǎng)通道時(shí)，為了傳送反應(yīng)氣體和產(chǎn)物水所要求 的空間減少，并且增加了氣體擴(kuò)散層(106)、雙極板的肋或臺(tái)面004)、以及聚合物電解質(zhì) 膜電極組件(100)之間的接觸電阻，這導(dǎo)致在燃料電池性能方面的顯著退化。由于GDL擠入現(xiàn)象與雙極板的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，所以重要的是適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)流場(chǎng) 結(jié)構(gòu)并且增加氣體擴(kuò)散層的機(jī)械特性，例如彎曲剛度以便獲得卓越的燃料電池性能。典型地，燃料電池雙極板由主流場(chǎng)和次流場(chǎng)組成，并且必要的是防止氣體擴(kuò)散層 擠入主流場(chǎng)方向上的通道。為了這個(gè)目的，重要的是增加氣體擴(kuò)散層定向在寬度(W)方向 上而不是與雙極板的主流場(chǎng)方向平行的長度(L)方向上的剛性。否則，如圖2所示，當(dāng)具有 低的剛性的氣體擴(kuò)散層被定向在雙極板的主流場(chǎng)的寬度方向上時(shí)，增加了 GDL對(duì)雙極板的 主流場(chǎng)的擠入。為了解決這種現(xiàn)象，可以使用氣體擴(kuò)散層的固有的各向異性特性。即，在由碳纖維氈或碳纖維紙作為支撐形成的該氣體擴(kuò)散層中，在形成過程中更 大數(shù)量的碳纖維被定向在加工(machine)方向上，并且從而在該加工方向上的氣體擴(kuò)散層 具有比在與加工方向相交的方向(CMD)或橫向(TD)上的氣體擴(kuò)散層更高的機(jī)械特性，例如 彎曲剛度、拉伸應(yīng)力等。因此，典型的是卷起的GDL材料的加工方向指向高的剛性方向，并且與加工方向 相交的方向指向低的剛性方向。通常，氣體擴(kuò)散層經(jīng)由專門的工藝通過有意的排列在與加工方向相交的方向上具有更大的長度或直徑的碳纖維，或者通過引入金屬加固材料以增加氣體擴(kuò)散層在雙極板的 主流場(chǎng)的寬度方向上的剛性來生產(chǎn)，從而防止氣體擴(kuò)散層擠入雙極板的通道002)。此外， 通過排列在加工方向上具有更小長度或直徑的碳纖維來生產(chǎn)氣體擴(kuò)散層，以利于GDL材料 的卷動(dòng)從而獲得為了卷動(dòng)所需的撓性[M. F. Mathias, J. Roth，M. K. Budinski，US 7，455，928 B2]0然而，這種方法具有如下問題有必要通過在制造氣體擴(kuò)散層的典型方法中增加 復(fù)雜的工藝來修改方法，并且特別地，當(dāng)引入不同種類的金屬加固材料時(shí)可能導(dǎo)致多種問 題，例如與氣體擴(kuò)散層的弱混溶性、不均勻性等。根據(jù)為了防止GDL擠入而使用碳纖維編織織物的各向異性特性的另一現(xiàn)有技 術(shù)的方法，該織物的物理特性和操作特性不足，并且因此難以使用這種方法制造用于燃 料電池車輛應(yīng)用的氣體擴(kuò)散層。[T. Kawashima, T. Osumi，M. Teranishi，T. Sukawa，US 2008/0113243 Al]。因此，用于防止GDL擠入雙極板的流場(chǎng)通道的之前提出的方法，在對(duì)燃料電池車 輛的商業(yè)化所需要的大規(guī)模生產(chǎn)率方面通常是不適宜的。在此背景技術(shù)部分公開的上述信息僅僅為了加強(qiáng)對(duì)本發(fā)明的背景技術(shù)的理解，并 且因此，它可能包含不形成已經(jīng)為本國本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明已經(jīng)嘗試解決上述與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的問題。因此，本發(fā)明提供一種用于燃 料電池應(yīng)用的氣體擴(kuò)散層(GDL)，在不修改用于制造氣體擴(kuò)散層的現(xiàn)有方法的情況下，其通 過優(yōu)化切割GDL材料至適于燃料電池組的尺寸的工藝來制造。即，本發(fā)明提供一種用于燃 料電池應(yīng)用的氣體擴(kuò)散層，其通過以特定的角度切割GDL材料使得GDL材料的固有的高剛 性的加工方向不與雙極板的主流場(chǎng)方向平行來增加氣體擴(kuò)散層在與雙極板的主流場(chǎng)方向 垂直的寬度方向上的剛性，以防止氣體擴(kuò)散層擠入雙極板的通道，從而改善燃料電池的性 能。在一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種用于燃料電池應(yīng)用的氣體擴(kuò)散層(GDL)，該氣體擴(kuò)散 層具有包括微孔層和大孔襯底的雙層結(jié)構(gòu)，其中通過以特定的角度切割卷起的氣體擴(kuò)散層 (GDL)材料使得GDL材料的固有的高剛性的加工方向不與雙極板的主流場(chǎng)方向平行來增加 在與雙極板的主流場(chǎng)方向垂直的寬度方向上的剛性，以防止氣體擴(kuò)散層擠入雙極板的流場(chǎng) 通道。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，氣體擴(kuò)散層可以通過以GDL材料的固有的高剛性的加工方 向與雙極板的主流場(chǎng)方向形成0°至90°、優(yōu)選25°至90°的范圍內(nèi)的角度切割⑶L材料
來制造。在另一優(yōu)選的實(shí)施方式中，在加工方向上的卷起的⑶L材料可具有20至 150gf · cm、優(yōu)選50至IOOgf · cm范圍內(nèi)的Taber彎曲剛度。在再一優(yōu)選的實(shí)施方式中，構(gòu)成氣體擴(kuò)散層的大孔襯底可以由選自碳纖維氈和碳 纖維紙的至少一種來形成。在又一優(yōu)選的實(shí)施方式中，氣體擴(kuò)散層可以具有大于0.5cm3/(cm2 · S)、優(yōu)選大于 2. 5cm3/ (cm2 · s)的透氣性。
在下文中討論本發(fā)明的其他方面和優(yōu)選的實(shí)施方式。要理解的是本文使用的術(shù)語“車輛”或“車輛的”或其他類似術(shù)語通常包括機(jī)動(dòng)車， 例如，包括多功能運(yùn)動(dòng)車(SUV)、公共汽車、卡車、各種商務(wù)車的客車，包括各種艇和船的水 運(yùn)工具，飛行器等等，并且包括混合動(dòng)力車、電動(dòng)車、插入式(plug-in)混合電動(dòng)車、氫燃料 車和其他代用燃料車(例如，來源于石油以外的資源的燃料)。如本文所提到的，混合動(dòng)力 車是具有兩種或多種動(dòng)力源的車輛，例如，具有汽油動(dòng)力和電動(dòng)力的車輛。在下文中討論本發(fā)明的上述和其他特征。


現(xiàn)在將參照附圖所圖示的其某些示例性的實(shí)施方式，詳細(xì)描述本發(fā)明的上述和其 它特征，下面給出的實(shí)施方式僅僅是出于舉例說明的目的，并且因此不限制本發(fā)明，其中圖1是示出單元電池結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是示出氣體擴(kuò)散層的示意圖，其在燃料電池裝配過程中通過雙極板的肋的壓 力而擠入雙極板的主流場(chǎng)通道；圖3是將用于制造氣體擴(kuò)散層的現(xiàn)有技術(shù)方法與根據(jù)本發(fā)明的用于制造氣體擴(kuò) 散層的方法對(duì)比的圖示；圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的方法在以不同的角度切割過程中，雙極板的主流場(chǎng)方向 與氣體擴(kuò)散層的高剛度方向之間的設(shè)置的示意圖，其中(a)示出相對(duì)于加工方向中GDL材 料的高剛性(以0°角度切割)以不同的角度切割卷起的GDL材料的工藝，并且(b)示出新 的氣體擴(kuò)散層的高剛性方向與雙極板的主流場(chǎng)方向之間的設(shè)置；圖5是將現(xiàn)有技術(shù)的氣體擴(kuò)散層(以0°角度切割)的結(jié)構(gòu)與本發(fā)明的氣體擴(kuò)散 層(以90°角度切割)的結(jié)構(gòu)對(duì)比的示意圖；圖6示出根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)用于燃料電池的氣體擴(kuò)散層的示意圖；圖7是示出具有以0°和90°的角度切割的氣體擴(kuò)散層(OTL-I)的5_電池組 (BP-I)的電化學(xué)性能的圖表，其中(a)是在相對(duì)濕度為50%/50%時(shí)測(cè)量的，并且(b)是在 相對(duì)濕度為100% /100%時(shí)測(cè)量的；圖8是示出具有以0°和90°的角度切割的氣體擴(kuò)散層(⑶L-2)的單電池組 (BP-I)的電化學(xué)性能的圖表，其中(a)是在相對(duì)濕度為50%/50%時(shí)測(cè)量的，并且(b)是在 相對(duì)濕度為100% /100%時(shí)測(cè)量的；圖9是示出具有以90°的角度切割的本發(fā)明的氣體擴(kuò)散層(GDL-I)和氣體擴(kuò)散層 (GDL-2)的燃料電池組(BP-I)的電化學(xué)性能的圖表(即，在0.6V的電流密度)，其中(a) 是在相對(duì)濕度為50% /50%時(shí)測(cè)量的，并且(b)是在相對(duì)濕度為100% /100%時(shí)測(cè)量的；圖10是示出具有以0°、45°、60°和90°的角度切割的氣體擴(kuò)散層(⑶L_l)的 5-電池組(BP-2)的電化學(xué)性能的圖表，其中(a)是在相對(duì)濕度為50% /50%時(shí)測(cè)量的，并 且(b)是在相對(duì)濕度為100% /100%時(shí)測(cè)量的；并且圖11是示出當(dāng)卷起的GDL材料的寬度小于氣體擴(kuò)散層的尺寸時(shí)，使用本發(fā)明的切 割GDL材料的工藝制造氣體擴(kuò)散層的方法的示意圖，其中(a)示出現(xiàn)有技術(shù)的方法，并且 (b)示出本發(fā)明的方法。應(yīng)當(dāng)理解，所附的附圖并非必然是按比例的，而只是在一定程度上表示用于說明本發(fā)明的基本原理的各種優(yōu)選特征的簡(jiǎn)化表示。本文所公開的本發(fā)明的具體設(shè)計(jì)特征包 括，例如特定尺寸、方向、位置和形狀，將部分取決于具體的既定用途和使用環(huán)境。在附圖中，涉及相同或等效的本發(fā)明的部分的附圖標(biāo)記貫穿附圖的各個(gè)圖。
具體實(shí)施例方式以下將詳細(xì)參考本發(fā)明的各實(shí)施方式，其實(shí)施例在附圖中說明并且在下面描述。 盡管將要結(jié)合示例性的實(shí)施方式來描述本發(fā)明，但是要理解的是，本描述并非要將本發(fā)明 限制到那些示例性的實(shí)施方式中。相反，本發(fā)明不但要涵蓋示例性的實(shí)施方式，而且要涵蓋 可包括在如所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)的各種替代方式、更改形式、 等效形式以及其他實(shí)施方式。本發(fā)明提供一種用于燃料電池應(yīng)用的氣體擴(kuò)散層，該氣體擴(kuò)散層具有包括微孔層 和大孔襯底的雙層結(jié)構(gòu)，并且防止對(duì)雙極板的流場(chǎng)通道的擠入，從而提供了例如反應(yīng)氣體 供應(yīng)特性、產(chǎn)物水排出特性、電子轉(zhuǎn)移特性等的卓越的特性。詳細(xì)地，本發(fā)明提供一種用于燃料電池應(yīng)用的氣體擴(kuò)散層，該氣體擴(kuò)散層具有包 括微孔層和大孔襯底的雙層結(jié)構(gòu)，其中在不修改用于制造氣體擴(kuò)散層的現(xiàn)有方法的前提 下，以特定的角度切割GDL材料以使得卷起的GDL材料的固有的高剛性的加工方向不與雙 極板的主流場(chǎng)方向平行，從而防止氣體擴(kuò)散層擠入雙極板的流場(chǎng)通道。通過以在0° < θ彡90°、優(yōu)選25° < θ彡90°的范圍內(nèi)的角度(θ )切割⑶L 材料制造本發(fā)明的氣體擴(kuò)散層，該角度(Θ)由GDL材料的固有的高剛性的加工方向與雙極 板的主流場(chǎng)方向形成。此處，卷起的GDL材料在加工方向(即，高剛性方向)上的Taber彎 曲剛度在20至150 * cm的范圍內(nèi)，優(yōu)選50至100 * cm的范圍內(nèi)。原因是如果Taber彎 曲剛度小于20 · cm,剛性太小以致于不能用作燃料電池應(yīng)用的氣體擴(kuò)散層，反之，如果其 大于150 ^nuGDL材料變得太硬，使得卷起GDL材料變得困難，從而降低了大規(guī)模生產(chǎn)率。此外，本發(fā)明的氣體擴(kuò)散層具有大于0. 5cm3/(cm2 · s)、優(yōu)選大于2. 5cm3/(cm2 · s) 的透氣性。原因是如果透氣性小于0. 5cm3/(cm2 · s)，氣體擴(kuò)散層的大規(guī)模運(yùn)輸特性顯著降 低。同時(shí)，構(gòu)成氣體擴(kuò)散層的大孔襯底可以由選自碳纖維氈和碳纖維紙的至少一種形 成。實(shí)施例以下實(shí)施例說明本發(fā)明，并且不是要限制本發(fā)明。如圖6所示，在本發(fā)明的實(shí)施例1和2中，氣體擴(kuò)散層106通過以一特定的角度切 割通過現(xiàn)有技術(shù)方法生產(chǎn)的⑶L材料而制造，以增加氣體擴(kuò)散層在與雙極板的主流場(chǎng)方向 垂直的寬度(W)方向上的剛性。通常，切割GDL材料以使得在加工方向上的GDL材料的高剛性在與雙極板的主流 場(chǎng)方向平行的長度(L)方向上(切割角度0° )。然而，在本發(fā)明中，以90°的角度切割 GDL材料以使得在加工方向上的GDL材料的高剛性是在雙極板的主流場(chǎng)的寬度方向上，從 而增加了氣體擴(kuò)散層在主流場(chǎng)的寬度方向上的剛性。在本發(fā)明的實(shí)施例1和2中使用由碳纖維氈形成的兩種氣體擴(kuò)散層(GDL-1和 GDL-2)，并且它們的基本特性示于以下表1中。
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[表1]
物理特性測(cè)量條件單位GDL-IGDL-2厚度25kPaμπι454302Taber彎曲 剛度剛性測(cè)試機(jī) 150-EV-5* 測(cè)量角度15°gf-cmMD: 65 CMD 11MD 27 CMD 2透氣性GurleyO ， cm /(cm -s)3.70.7* Taber Industries, USA在本發(fā)明的實(shí)施例3中，以45°、60°和90°的角度切割OTL-I以對(duì)比改善燃料 電池性能的效果。比較例如圖3-5所示，在比較例中，在加工方向上的⑶L材料在與雙極板的主流場(chǎng)方向平 行的長度(L)方向上切割(切割角度0° )。為了根據(jù)實(shí)施例和比較例評(píng)價(jià)氣體擴(kuò)散層的電化學(xué)性能，各種元件例如聚合物電 解質(zhì)膜、催化劑層、連接器件等以同樣的方式裝配和維持。使用具有基本上相同結(jié)構(gòu)的兩種雙極板(BP-1和BP-2)，其中在實(shí)施例1和2以及 比較例1和2中使用BP-I，并且在實(shí)施例3以及比較例3中使用BP-2。此外，通過測(cè)量和比較關(guān)于使用市售設(shè)備的單電池組或5-電池組的電池電壓-電 流密度極化特性，評(píng)估根據(jù)實(shí)施例和比較例的氣體擴(kuò)散層的電化學(xué)性能。在具有根據(jù)實(shí)施例和比較例的氣體擴(kuò)散層的燃料電池組的電化學(xué)性能測(cè)試過程 中的條件如下■燃料電池組入口處的溫度65°C ；■氣體壓力接近環(huán)境氣壓；■在陽極和陰極的相當(dāng)濕度(RH) 100% /100%或50% /50% ；以及■在陽極和陰極的化學(xué)計(jì)量比(SR) 1. 5/2. 0。在上述條件下，具有根據(jù)實(shí)施例和比較例的氣體擴(kuò)散層的燃料電池組的電化學(xué)性 能的評(píng)估以如下的方式進(jìn)行。在相對(duì)濕度為100% /100%或50% /50%時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)操作條件下比較根據(jù)本發(fā)明 的實(shí)施例1和2的氣體擴(kuò)散層的電化學(xué)性能與根據(jù)比較例1和2的氣體擴(kuò)散層的電化學(xué)性 能，并且結(jié)果示于圖7和8。如圖7和8所示，能夠看出根據(jù)本發(fā)明的具有以90°的角度切割的氣體擴(kuò)散層的 燃料電池組的電化學(xué)性能要高于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有以0°的角度切割的氣體擴(kuò)散層的燃 料電池組的電化學(xué)性能。S卩，在⑶L-I的情況下，如圖7所示，能夠看出在相對(duì)濕度為50% /50%和100% /100%時(shí)，相比于根據(jù)比較例1的以0°的角度切割的氣體擴(kuò)散層，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的 以90°的角度切割的氣體擴(kuò)散層在0.6V測(cè)量的電流密度分別地增加大約12%和15%。
此外，在⑶L-2的情況下，如圖8所示，能夠看出在相對(duì)濕度為50% /50%和100% /100%時(shí)，相比于根據(jù)比較例2的以0°的角度切割的氣體擴(kuò)散層，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的 以90°的角度切割的氣體擴(kuò)散層在0. 6V測(cè)量的電流密度分別地增加大約18%和16%。如圖6所示，不意欲限制于理論，相信燃料電池性能改善的原因是氣體擴(kuò)散層106 的高剛性方向被適當(dāng)?shù)亩ㄏ蛟谂c雙極板200的主流場(chǎng)方向垂直的寬度(W)方向上，以防止 ⑶L擠入雙極板的流場(chǎng)通道202中。對(duì)比具有根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1和2的氣體擴(kuò)散層⑶L-I和⑶L-2 (以90°的角度 切割)的燃料電池組的電化學(xué)性能(即，在0.6V的電流密度)，并且結(jié)果示于圖9。如圖中 所示，能夠看出在所有的相對(duì)濕度為50% /50%和100% /100%時(shí)，由于具有相對(duì)低的彎曲 剛度的GDL-2的燃料電池性能是GDL-I的燃料電池性能的大約72%，氣體擴(kuò)散層的更高的 剛性有助于燃料電池性能的改善。此外，評(píng)估以0°、45°、60°和90°的角度切割的氣體擴(kuò)散層⑶L_1的燃料電池 性能的改善效果，并且結(jié)果示于附圖10。如圖中所示，能夠看出在所有的相對(duì)濕度為50% /50%和100% /100%時(shí)，以大于45°的角度切割的氣體擴(kuò)散層的燃料電池的性能被改善 至與以90°的角度切割的氣體擴(kuò)散層等價(jià)的水平。因此，當(dāng)應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的切割GDL材料的工藝時(shí)，在不改變用于制造氣體擴(kuò)散 層的現(xiàn)有方法的情況下，有可能容易地制造具有改善的彎曲剛度的氣體擴(kuò)散層，其能夠防 止GDL擠入雙極板的主流場(chǎng)，從而改善燃料電池的性能。特別地，如圖11所示，當(dāng)卷起的GDL材料的寬度較小時(shí)或當(dāng)氣體擴(kuò)散層的長度相 對(duì)較大時(shí)，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的方法制造具有所需尺寸的氣體擴(kuò)散層是困難的；然而，當(dāng)應(yīng)用本 發(fā)明的方法時(shí)，通過以不同角度(例如45°、60°等)切割GDL材料，有可能容易地制造具 有適于所需用途的尺寸的氣體擴(kuò)散層。如上所述，本發(fā)明提供以下效果。根據(jù)本發(fā)明，在不改變現(xiàn)有的用于制造氣體擴(kuò)散層的方法的情況下，通過改變切 割GDL材料的工藝以增加氣體擴(kuò)散層的彎曲剛度，有可能改善燃料電池性能，該氣體擴(kuò)散 層的彎曲剛度與GDL擠入雙極板的流場(chǎng)通道緊密相關(guān)。已參考本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員 應(yīng)當(dāng)理解的是，可以在這些實(shí)施方式中做出改變而不背離本發(fā)明的原理和精神，本發(fā)明的 范圍由所附的權(quán)利要求及其等效形式限定。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池應(yīng)用的氣體擴(kuò)散層(GDL)，所述氣體擴(kuò)散層具有包括微孔層和大 孔襯底的雙層結(jié)構(gòu)，其中通過以特定的角度(θ )切割卷起的氣體擴(kuò)散層(GDL)材料以使得 所述GDL材料的固有的高剛性的加工方向不與雙極板的主流場(chǎng)方向平行，來增加與所述雙 極板的主流場(chǎng)方向垂直的寬度方向上的剛性，以防止所述氣體擴(kuò)散層擠入所述雙極板的流 場(chǎng)通道。
2.如權(quán)利要求1所述的用于燃料電池應(yīng)用的氣體擴(kuò)散層，其中通過以0°< θ <90° 的范圍內(nèi)的角度切割所述GDL材料來制造所述氣體擴(kuò)散層，所述角度由所述GDL材料的固 有的高剛性的加工方向與所述雙極板的主流場(chǎng)方向形成。
3.如權(quán)利要求1所述的用于燃料電池應(yīng)用的氣體擴(kuò)散層，其中通過以25° < θ <90°的范圍內(nèi)的角度切割所述GDL材料來制造所述氣體擴(kuò)散層，所述角度由所述 GDL材料的固有的高剛性的加工方向與所述雙極板的主流場(chǎng)方向形成。
4.如權(quán)利要求1所述的用于燃料電池應(yīng)用的氣體擴(kuò)散層，其中在所述加工方向上的卷 起的⑶L材料具有在20至150 · cm范圍內(nèi)的Taber彎曲剛度。
5.如權(quán)利要求1所述的用于燃料電池應(yīng)用的氣體擴(kuò)散層，其中在所述加工方向上的卷 起的⑶L材料具有在50至100 · cm范圍內(nèi)的Taber彎曲剛度。
6.如權(quán)利要求1所述的用于燃料電池應(yīng)用的氣體擴(kuò)散層，其中構(gòu)成所述氣體擴(kuò)散層的 大孔襯底由碳纖維氈、碳纖維紙或其組合形成。
7.如權(quán)利要求1所述的用于燃料電池應(yīng)用的氣體擴(kuò)散層，其中所述氣體擴(kuò)散層具有大 于0.5cm3/(cm2 · s)的透氣性。
8.如權(quán)利要求1所述的用于燃料電池應(yīng)用的氣體擴(kuò)散層，其中所述氣體擴(kuò)散層具有大 T 2. 5cm3/(cm2 · s)的透氣性。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于燃料電池應(yīng)用的氣體擴(kuò)散層(GDL)，其能夠防止雙極板的通道被擠入。在不改變制造氣體擴(kuò)散層的現(xiàn)有方法的情況下，氣體擴(kuò)散層通過以一特定的角度切割GDL材料以使得GDL材料的固有的高剛性的加工方向不與雙極板的主流場(chǎng)方向平行來制造，以防止GDL擠入雙極板的通道。由于該氣體擴(kuò)散層，即使在卷起的GDL材料的寬度較小的情況下，燃料電池的電化學(xué)性能能夠得到改善并且制造工藝能夠得到改善。
文檔編號(hào)H01M4/98GK102088096SQ201010151658
公開日2011年6月8日 申請(qǐng)日期2010年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月3日
發(fā)明者洪普基, 韓國一 申請(qǐng)人:現(xiàn)代自動(dòng)車株式會(huì)社