CN100585926C - 空间变化的扩散介质以及包括该介质的装置 - Google Patents
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Abstract
提供扩散介质和扩散介质随空间变化的参数的配置方案，以针对电化学电池中水管理问题和采用该扩散介质的其他装置。设置用于将氢燃料源转化为电能的装置，该装置包括电化学转化组件、第一和第二反应物输入、第一和第二产物输出、以及第一和第二扩散介质。设置该装置，从而沿第一和第二扩散介质基底的其中之一的主面的至少一部分负载中孔层。中孔层包括亲水碳质组分和疏水组分。与该装置另一高或低H2O区域相比，中孔层占据该装置高或低H2O区域其中之一基本上更大的部分。
Description
本发明涉及扩散介质的设计和制造，更具体地，涉及用于电化学电池的扩散介质，其中水的控制是重要的设计问题。
根据本发明，为了针对与电化学电池和其它应用该扩散介质的装置中水的控制有关的问题，提供了扩散介质和用于空间变化扩散介质的参数的方案。根据本发明的一个实施方式设置装置，使其将氢燃料能源转化成电能。该装置包含电化学转化组件、第一和第二反应物输入、第一和第二产物输出、和第一和第二扩散介质。
电化学转化组件设置为将该装置分隔成第一和第二流场区域。该第一反应物输入和第一产物输出与第一流场区域连通。第一扩散介质包含多孔扩散介质基底，从而使多相反应物在第一流场区域和电化学转化组件之间传递。该第二反应物输入和第二产物输出与第二流场区域连通。该第二扩散介质包含多孔扩散介质基底，从而使多相反应物在第二流场区域和电化学转化组件之间传递。
设置该装置，从而使第一和第二扩散介质的其中之一包含处于相对高H2O浓度下的区域和处于相对低H2O浓度下的区域。沿第一和第二扩散介质基底的主面的至少一部分载有中孔层，该中孔层包含亲水碳质组分和疏水组分。与高H2O区域和低H2O区域的其它部分相比，该中孔层占据了高H2O区域和低H2O区域其中之一基本上更大的部分。
根据本发明的另一实施方式，该中孔层包含亲水碳质组分和疏水组分。第一和第二扩散介质基底的至少其中之一包含相对高孔隙率区域和相对低孔隙率区域。该基底的相对高孔隙率区域占据高H2O区域基本上更大的部分，而该基底的相对低孔隙率区域占据低H2O区域基本上更大的部分。
相应地，本发明的目标是，提供一种方式，用于针对扩散介质以及应用该扩散介质的装置的水管理问题。根据在此体现的发明描述，本发明的其他目标将是显然的。
以下本发明具体实施方式的详述与以下附图一起阅读可达到最佳理解，其中相同的结构用相同的附图标记表示，其中：
图1是根据本发明包括多孔扩散介质的燃料电池的示意图；
图2-9是根据本发明各种实施方式的多孔扩散介质的示意图；并且
图10是根据本发明装有燃料电池的车辆的示意图。
开始参考图1，描述了根据本发明包括多孔扩散介质20的燃料电池10。具体地，燃料电池10包含以膜电极组件30形式装入的电化学转化组件，该膜电极组件30置于燃料电池10的阳极流场区域40和阴极流场区域50之间。预期流场40、50和电化学转化组件在不离开本发明的范围时，可以是传统的或者正在开发的多种形式。尽管电化学转化组件的具体形式超过了本发明的范围，在描述的实施方式中，电化学转化组件包含膜电极组件30，分别包括催化电极层32和离子交换膜34。
本发明并不针对燃料电池10将氢燃料能源转化为电能的具体机制。相应地，在对本发明的描述中，注意到燃料电池10在其他物件中还包括电化学转化组件就足够了，该电化学转化组件将该装置分隔成第一和第二流场区域40、50以及与第一流场区域40连通的第一反应物输入RIN 1和第一产物输出ROUT 1。第一扩散介质20包含多孔扩散介质基底22，其传递在第一流场区域40和膜电极组件30之间的多相反应物。相似地，第二反应物输入RIN 2和第二产物输出ROUT 2与第二流场区域50连通，并且第二扩散介质20传递在第二流场区域50和膜电极组件30之间的反应物。例如，为了说明而非限制，第一反应物输入R1可以将潮湿的氢燃料混合物运送到燃料电池10的阳极面，且第二反应物输入R2可将潮湿的氧化剂混合物运送到燃料电池的阴极面，并且反应物输出ROUT可在燃料电池10的每个面上运送反应产物。
本发明者已经认识到在扩散介质中，扩散介质20的水管理的性质应该从空间上优化，因为水需要以水的量的函数在扩散介质中变化，而水的量由扩散介质20的特定部分控制。具体地，一个具体的电化学转化装置可被设置，从而使一个或两个扩散介质含有处于相对高的H2O工作浓度下的区域和相对处于低的H2O工作浓度下的区域。例如，在邻近第二产物输出ROUT 2，如阴极出口的阴极面扩散介质的区域，可能需要传送比邻近第二反应物输入RIN 2，如阴极输入的区域更大量的水。相似地，邻近第一产物输出ROUT 1的扩散介质阳极面，如阳极出口的区域，与邻近第一反应物输入RIN 1，如阳极输入的区域相比，可在更干燥的条件下操作。
图2-9描述的扩散介质20表明了用于针对该水管理问题的方法。具体地，参考图2和3，可沿着扩散介质基底20的任一主面21、23负载的中孔层24，被安置用于占据高H2O区域(见图2)或低H2O区域(见图3)中的基本上更大的部分。参考图2的实施方式，其中中孔层24占据高H2O区域基本上更大的部分，或被限制于高H2O区域，然后配置中孔层，使其增强扩散介质基底22的H2O传送性质。相反地，参考图3的实施方式，其中中孔层24占据低H2O区域基本上更大的部分，或被限制于低H2O区域，然后配置中孔层，使其减弱扩散介质基底22的H2O传送性质。
可优化多种中孔层参数，包括孔隙率、厚度、基底渗透程度等，使该层的水传送性质增强或减弱。例如，当中孔层24在高H2O区域应用时，该层的孔隙率通常可以更高，该高H2O区域要求更强的毛细作用。在中孔层24包含亲水碳质组分和疏水组分的情况下，与低H2O区域中含碳组分约90wt％至约95wt％之间相比，当用于低H2O区域时，层24的孔隙率可通过提供约80wt％碳质组分而增加。
适用于中孔层24的碳颗粒包括，例如，炭黑、石墨、碳纤维、富勒烯和纳米管。除了高表面积碳，中孔层24的亲水碳质组分可包括小部分的石墨碳以增强电导性。疏水组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)、氟化聚合物的结合，或任何其他合适的疏水材料或材料的结合。
在本发明的具体实施方式中，中孔层24在高H2O区域的亲水碳质组分可包括中等表面积碳，其特点为表面积在约60m2/g至约300m2/g之间，以及平均粒径在约15nm至约70nm之间。相反地，在低H2O区域，亲水碳质组分可包括高表面积碳，其特点为表面积为约750m2/g，以及平均粒径小于约20nm。在本发明的其它实施方式中，当用在高H2O区域中时，中孔层渗透扩散介质基底至小于10μm的深度，当用在低H2O区域中时，渗透至小于25μm的深度。
现在参考图4，多个中孔层24A、24B分别沿扩散介质基底22的主面的各部分负载。中孔层24A被设置成增强扩散介质基底22的H2O传送性质，并且就这样占据高H2O区域。进一步的，中孔层24B被设置成减弱扩散介质基底22的H2O传送性质，且由此占据低H2O区域的基本上更大的部分。结果，水倾向于从高H2O区域被毛细管作用吸走，并在低H2O区域保留——提高了装置性能。
图5-7描述了本发明的实施方式，其中中孔层24沿基底22厚度减小的部分负载。通过确保由基底22厚度减小部分引起的基底22厚度的差别足够配合由中孔层22引起的扩散介质厚度的增加，可保留扩散介质中基本平坦的表面剖面。
本发明另一针对扩散介质中水管理问题的方法在图8中有描述。在图8中，基本均匀的中孔层沿扩散介质基底22的主面21负载，并且扩散介质基底22在扩散介质的高H2O区域有相对高孔隙率的区域22A，并且在扩散介质的低H2O区域有相对低孔隙率的区域22B。
扩散介质基底可包括碳纤维基质，如碳纤维纸，并以孔隙率在高H2O区域大于约70％，和在低H2O区域在约70％至约75％之间为特点。基底在高H2O区域可限定约100μm至约300μm之间的厚度，并且在低H2O区域可限定约190μm至约300μm之间的厚度。进一步，基底的特点可以是在高H2O区域平均孔径为大于约20μm，并且在低H2O区域小于约25μm。
最后参考图9，中孔层24可设置为其占有高H2O区域和低H2O区域的基本上大部分。为针对在扩散介质的水管理需求中的变化，中孔层24有比中孔层其余部分的孔隙率增加了的区域。具体地，中孔层24增加了孔隙率的区域是由层24中形成的多个大孔26限定的。增加了孔隙率的区域占据扩散介质的高H2O区域，而中孔层24的其余部分占据扩散介质的低H2O区域。尽管与大孔26相关的具体尺度会根据所述应用中特定的要求而变化，预计合适的孔径在约100μm至约500μm之间。在本发明的许多实施方式中，如果中孔层24的安放与燃料电池10的膜电极组件30相对，也就是与面对电池10的流场的位置相反，中孔层24在针对水管理问题时就更加有效。然而，预期扩散介质基底22可沿基底22的任一主面21、23负载中孔层24，而不考虑是哪个面的安放与膜电极组件30相对。进一步，中孔层24至少部分渗入扩散介质基底22。渗入扩散介质基底22深度的程度随中孔层24和扩散介质基底22的性质变化很大。在本发明的一些实施方式中，将中孔层设置成比扩散介质基底的纤维基质更疏松是有利的。出于限定和描述本发明的目的，注意中孔结构的特点为其孔径可在几纳米到几百纳米之间。
现在参考图3，根据本发明引入扩散介质的燃料电池系统可被设置成车辆100的动力源。具体地，从燃料储存单元120出来的燃料可被导入燃料电池组件110，其被设置成将燃料如H2转化为电能。然后产生的电能用于车辆100的动力供应，其中电力被转化为转矩和车辆的平移运动。
注意术语，如“优选地”、“通常地”和“典型地”，在这里并不用于限制本发明的范围，或暗示某些特点对本发明的结构或功能是关键的、必要的或者甚至是重要的。更合适的，这些术语只是意在强调在本发明的特定实施方式中可以利用或不利用的可供选择的或额外的特点。
出于描述和限定本发明的目的，注意术语“装置”在这里用于表述组件的结合和单个的组件，而不考虑该组件是否与其他组件相结合。例如，根据本发明的“装置”可包括扩散介质、根据本发明引入了扩散介质的燃料电池、根据本发明引入了燃料电池的车辆等。
出于描述和限定本发明的目的，注意术语“基本上”用于表述固有的不确定度，其可归因于任何数量比较、值、量度或其它表述。术语“基本上”在此还用于表述程度，从而数量的表述可从所述的参考变化，而不会导致待解决主题基本功能的变化。
由于已经详细地描述了本发明，并通过参考具体实施方式，在不偏离所附权利要求限定的本发明的范围下，显然修改和变化都是可能的。更具体地，尽管本发明的一些方面在此看成优选的或特别有利的，预期本发明并不一定限定在这些发明的优选方面。
Claims (42)
1.一种被设置用于转化氢燃料源为电能的装置，所述装置包括：
用于分隔所述装置为第一和第二流场区域的电化学转化组件；
与所述第一流场区域连通的第一反应物输入和第一产物输出；
包含多孔扩散介质基底的第一扩散介质，该多孔扩散介质基底设置成从所述第一流场区域和所述电化学转化组件之间传递多相反应物；
与所述第二流场区域连通的第二反应物输入和第二产物输出；并且
第二扩散介质包括多孔扩散介质基底，其被设置为从所述第二流场区域和所述电化学转化组件之间传递多相反应物，其中
所述装置被设置成至少第一和第二扩散介质的其中之一包含处于相对高的H2O浓度下的区域和处于相对低的H2O浓度下的区域，
沿所述第一和第二扩散介质基底其中之一的主面的至少一部分负载中孔层，该中孔层包含亲水碳质组分和疏水组分，并且
所述中孔层在所述高H2O区域和低H2O区域其中之一中所占据的部分比所述中孔层在所述高H2O区域和所述低H2O区域其中另一个中所占据的部分大。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述中孔层限制在所述高H2O区域和低H2O区域的其中之一。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述中孔层设置为沿由所述中孔层占据的所述主面的所述部分增强所述扩散介质基底的H2O传送性质。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述中孔层占据所述高H2O区域较大的部分。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述中孔层占据所述高H2O区域较大的部分，并被设置为沿由所述中孔层占据的所述主面的所述部分增强所述扩散介质基底的H2O传送性质。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述中孔层被设置为沿由所述中孔层占据的所述主面的所述部分减弱所述扩散介质基底的H2O传送性质。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述中孔层占据所述低H2O区域较大的部分。
8.如权利要求1所述的装置，其中：
所述电化学转化组件包括所述装置的阳极侧和所述装置的阴极侧；
所述第一反应物输入和所述第一产物输出与所述装置的所述阳极侧连通；
所述第二反应物输入和所述第二产物输出与所述装置的所述阴极侧连通。
9.如权利要求8所述的装置，其中：
所述中孔层设置为沿由所述中孔层占据的所述主面的所述部分增强所述扩散介质基底的H2O传送性质；
所述处于相对高H2O浓度下的区域邻近与所述装置的所述阴极侧连通的所述第二产物输出；并且
所述中孔层占据邻近所述第二产物输出的所述高H2O区域较大的部分。
10.如权利要求8所述的装置，其中：
所述中孔层设置为沿由所述中孔层占据的所述主面的所述部分增强所述扩散介质基底的H2O传送性质；
所述处于相对高H2O浓度下的区域邻近与所述装置的所述阳极侧连通的所述第一反应物输入；并且
所述中孔层占据邻近所述第一反应物输入的所述高H2O区域较大的部分。
11.如权利要求8所述的装置，其中：
所述中孔层设置为沿由所述中孔层占据的所述主面的所述部分减弱所述扩散介质基底的H2O传送性质；
所述处于相对低H2O浓度下的区域邻近与所述装置的所述阴极侧连通的所述第二反应物输入；并且
所述中孔层占据邻近所述第二反应物输入的所述低H2O区域较大的部分。
12.如权利要求8所述的装置，其中：
所述中孔层设置为沿由所述中孔层占据的所述主面的所述部分减弱所述扩散介质基底的H2O传送性质；
所述处于相对低H2O浓度下的区域邻近与所述装置的所述阳极侧连通的所述第一产物输出；并且
所述中孔层占据邻近所述第一产物输出的所述低H2O区域较大的部分。
13.如权利要求1所述的装置，其中多个所述中孔层沿第一和第二扩散介质基底的其中之一的主面的各部分负载。
14.如权利要求13所述的装置，其中：
所述中孔层之一被设置为增强所述扩散介质基底的H2O传送性质，并占据所述高H2O区域较大的部分；并且
所述中孔层的另一个被设置为减弱所述扩散介质基底的H2O传送性质，并占据所述低H2O区域较大的部分。
15.如权利要求1所述的装置，其中沿所述基底厚度减小部分负载所述中孔层。
16.如权利要求1所述的装置，其中所述基底中引入的与所述中孔层相符合的部分的厚度差别足以与所述中孔层形成共平面表面。
17.如权利要求1所述的装置，其中所述扩散介质基底包括碳质纤维基质。
18.如权利要求1所述的装置，其中所述中孔层的所述疏水组分包括氟化聚合物。
19.如权利要求1所述的装置，其中所述中孔层的所述亲水碳质组分选自炭黑、石墨、碳纤维、碳富勒烯、碳纳米管及其结合。
20.如权利要求1所述的装置，其中所述亲水碳质组分包括中等表面积的碳，其特点为在所述高H2O区域，表面积为60m2/g至300m2/g之间，以及平均粒径为15nm至70nm之间。
21.如权利要求1所述的装置，其中所述亲水碳质组分包括高表面积碳，其特点为在低H2O区域，表面积为大于750m2/g，以及平均粒径小于20nm。
22.如权利要求1所述的装置，其中在所述高H2O区域中的所述中孔层包括80wt％的所述亲水碳质组分。
23.如权利要求1所述的装置，其中在所述高H2O区域中的所述中孔层包括75wt％至85wt％的所述亲水碳质组分。
24.如权利要求1所述的装置，其中在所述低H2O区域中的所述中孔层包括90wt％至95wt％的所述亲水碳质组分。
25.如权利要求1所述的装置，其中所述中孔层在所述高H2O区域具有低于20μm的厚度。
26.如权利要求1所述的装置，其中所述中孔层在所述低H2O区域具有在10μm至40μm之间的厚度。
27.如权利要求1所述的装置，其中所述中孔层至少部分渗入所述扩散介质基底。
28.如权利要求1所述的装置，其中所述中孔层在所述高H2O区域渗入所述扩散介质基底至小于10μm的深度。
29.如权利要求1所述的装置，其中所述中孔层在所述低H2O区域渗入所述扩散介质基底至小于25μm的深度。
30.一种燃料电池，其包括如权利要求1所述的装置。
31.一种车辆，其由如权利要求30所述的燃料电池作为动力。
32.一种被设置用于转化氢燃料源为电能的装置，所述装置包括：
用于分隔所述装置为第一和第二流场区域的电化学转化组件；
与所述第一流场区域连通的第一反应物输入和第一产物输出；
至少一个中孔层；
包含多孔扩散介质基底的第一扩散介质，该多孔扩散介质基底设置成从所述第一流场区域和所述电化学转化组件之间传递多相反应物；
与所述第二流场区域连通的第二反应物输入和第二产物输出；并且
第二扩散介质包括多孔扩散介质基底，其被设置为从所述第二流场区域和所述电化学转化组件之间传递多相反应物，其中
所述装置被设置成至少第一和第二扩散介质的其中之一包含处于相对高H2O浓度下的区域和处于相对低H2O浓度下的区域，
而且其中，沿所述第一和第二扩散介质基底其中至少之一的主面的至少一部分负载所述至少一个中孔层，该中孔层包含亲水碳质组分和疏水组分，
而且其中，所述第一和第二扩散介质其中所述至少之一包括相对高孔隙率的区域和相对低孔隙率的区域，
所述相对高孔隙率区域占据所述高H2O浓度区域较大的部分，并且所述基底的所述相对低孔隙率区域占据所述低H2O浓度区域较大的部分。
33.如权利要求32所述的装置，其中所述相对高孔隙率区域特点为高达90％的孔隙率。
34.如权利要求32所述的装置，其中所述相对低孔隙率区域特点为70％至75％的孔隙率。
35.如权利要求32所述的装置，其中所述基底的特点为在所述高H2O区域中大于70％的孔隙率。
36.如权利要求32所述的装置，其中所述基底的特点为在所述低H2O区域中70％至75％的孔隙率。
37.如权利要求32所述的装置，其中所述基底在所述高H2O区域具有100μm至300μm的厚度。
38.如权利要求32所述的装置，其中所述基底在所述低H2O区域具有190μm至300μm的厚度。
39.如权利要求32所述的装置，其中所述基底的特点为在所述高H2O区域平均孔径大于20μm。
40.如权利要求32所述的装置，其中所述基底的特点为在所述低H2O区域平均孔径小于25μm。
41.一种被设置用于转化氢燃料源为电能的装置，所述装置包括：
用于分隔所述装置为第一和第二流场区域的电化学转化组件；
与所述第一流场区域连通的第一反应物输入和第一产物输出；
包含多孔扩散介质基底的第一扩散介质，该多孔扩散介质基底设置成从所述第一流场区域和所述电化学转化组件之间传递多相反应物；
与所述第二流场区域连通的第二反应物输入和第二产物输出；并且
第二扩散介质包括多孔扩散介质基底，其被设置为从所述第二流场区域和所述电化学转化组件之间传递多相反应物，其中
所述装置被设置成至少第一和第二扩散介质的其中之一包含处于相对高H2O浓度下的区域和处于相对低H2O浓度下的区域，
沿所述第一和第二扩散介质基底其中之一的主面的至少一部分负载中孔层，该中孔层并且包含亲水碳质组分和疏水组分，
所述中孔层占据所述高H2O区域和所述低H2O区域的大部分，
所述中孔层包括相对所述中孔层的其余部分增加了孔隙率的区域，
相对所述低H2O区域，所述中孔层的所述增加了孔隙率的区域占据所述高H2O区域较大的部分，并且
相对所述高H2O区域，所述中孔层的所述其余部分占据所述低H2O区域的较大的部分。
42.如权利要求41所述的装置，其中所述中孔层的所述增加了孔隙率的所述区域由多个大孔限定，该大孔的特点为孔径在100μm和500μm之间。
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