CN1883070A - 改进的质子交换膜燃料电池 - Google Patents

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Abstract

一种带有质子交换膜的燃料电池系统。阴极催化剂层叠置在质子交换膜的第一面。阴极扩散层重叠在阴极催化剂层上。阳极催化剂层叠置在质子交换膜的第二面。阳极扩散层重叠在阳极催化剂层上。阴极扩散层具有80℃和1个大气压条件下小于大约3×10－4克(Pasm2)的水蒸气渗透。本发明还涉及燃料电池系统的阴极扩散层。

Description

改进的质子交换膜燃料电池
技术领域
本发明大体上涉及一种燃料电池，具体涉及一种质子交换膜燃料电池，其带有改进的气体扩散层。
背景技术
历史上，燃料电池技术的大部分进步涉及到受政府部门，如美国国家航空和航天管理局(NASA)，资助的应用，或涉及电气共用厂的应用。但是最近在结构材料和工艺技术上的进步已经使燃料电池的进步接近重大商业性应用。
燃料电池的重要优点是其储存的化学能转换为电能的效率达60到70％，理论上可具有更高的效率。此外，燃料电池的生产实际上没有污染。这些优点使得燃料电池非常适合于车辆推进的应用，用来代替内燃机，内燃机的工作效率低于30％，并产生不希望的排放。
一般地，燃料电池通过氧化化合物或分子(即与氧化学结合)释放电和化学能。目前，存在各种燃料电池的设计，利用各种不同的燃料和氧气剂结合。最普通的燃料/氧化剂结合是氢气和氧气结合。在典型的燃料电池中，氢气通过与氧气(通常来自空气)反应而消耗，产生水，电能和热量。这可通过提供氢气到第一电极(阳极)，提供氧气到第二电极(阴极)来实现。两个电极通过电解液分隔开，电解液是一种允许带电分子或离子通过的材料。可使用多种不同类型的电解液，包括酸型，碱型，熔融-碳酸盐型，和固体-氧化物型。质子交换膜(PEM)电解质(还称为固体聚合物电解质)属于酸型，可产生高功率和高电压，使其非常有希望用于燃料车辆的应用。
为了使燃料电池高效工作，对于系统很重要的是进行水化。用来水化系统的水可携带于阳极和/或阴极气流中。水通常从燃料电池发生的电化学反应得到，收集起来用于外部潮湿系统(如在燃料电池组的外部)水化阳极和阴极气流。但是，这些外部潮湿系统通常很复杂，并降低了整个系统的效率。
因此，需要一种不复杂的燃料电池系统，防止操作期间质子交换膜干燥。
发明内容
本发明满足了这个需要，其提出了一种燃料电池系统，带有改进的阴极扩散层。该燃料电池系统包括质子交换膜，膜具有第一面和第二面；阴极催化剂层，叠置在质子交换膜的第一面；阴极扩散层，重叠在所述阴极催化剂层上；阳极催化剂层，叠置在质子交换膜的第二面；阳极扩散层，重叠在所述阳极催化剂层上；其中，所述阴极扩散层具有80℃和1个大气压条件下小于大约3×10-4克(Pa sm2)的水蒸气渗透。
阴极扩散层的厚度一般小于大约1000微米，一般在大约150到大约600微米的范围。
阴极扩散层的单位体积重量一般小于大约2.0克/立方厘米，通常在大约0.4到大约0.8克/立方厘米的范围。
阴极扩散层的孔隙度一般大于约25％，通常在大约50％到大约80％的范围。
阴极扩散层可包含至少大约0.25％重量的聚四氟乙烯，如果需要，聚四氟乙烯一般在大约5％重量到大约15％重量的范围。
本发明的另一方面涉及一种燃料电池系统的阴极扩散层，包括：阴极扩散层，含有小于约15％重量的聚四氟乙烯，具有80℃和1个大气压条件下小于大约3×10-4克(Pa s m2)的水蒸气渗透。所述阴极扩散层的厚度小于大约1000微米，如果需要的话。阴极扩散层的单位体积重量小于大约2.0克/立方厘米，如果需要的话。阴极扩散层的孔隙度大于约25％，如果需要的话。阴极扩散层可结合不止一个这些限制。
本发明的另一方面涉及一种燃料电池系统的阴极扩散层，包括：阴极扩散层，具有80℃和1个大气压条件下小于大约3×10-4克(Pa s m2)的水蒸气渗透；其中，阴极扩散层的厚度小于大约1000微米，阴极扩散层的单位体积重量小于大约2.0克/立方厘米，阴极扩散层的孔隙度大于约25％。
如上面所提到的，扩散层的性质指的是未压缩的扩散层，即扩散层本身，的性质，而不是组装好的燃料电池组。如已公知的，扩散介质通常受到某种方式的压缩，当置于燃料电池组中，所受压力的范围在大约50到500psig，从大约5％压缩到大约50％。因此，水蒸气渗透，厚度，单位体积重量和孔隙度等指的是未压缩的扩散层的性质，可以在阴极也可以在阳极(压缩的和未压缩的扩散层的聚四氟乙烯百分比不改变)。
附图说明
图1是根据本发明的燃料电池组的部分透视图；
图2是根据本发明的部分燃料电池组的部分分解截面图；
图3显示了两个不同外部润湿水平的电池电压为0.6伏的阴极扩散层的电流密度与厚度的曲线；
图4显示了各种润湿水平下的10单元电池组的平均电池电压与15单元电池组的平均电池电压的比较，前一电池组带有840微米厚的阴极扩散层，后一电池组带有195微米厚的阴极扩散层；
图5显示了三种操作条件下固定电流密度和长时间的平均电池电压的下降；
图6显示了阴极扩散层的渗透对阴极催化剂层与扩散层界面处的水蒸气浓度的作用；
图7是渗透实验的样品容器的示意图；
图8是设置在进行渗透实验的干燥炉的样品容器的顶视图；
图9是进行渗透实验的干燥炉的圆盘机构的侧视图；
图10是根据本发明的扩散层的S/WVT(渗透率的倒数)与厚度的曲线。
具体实施方式
图1是根据本发明的燃料电池组的部分截面图。燃料电池组包括质子交换膜12。一般质子交换膜12基本上是平的。阳极催化剂层14重叠在质子交换膜12的一个表面，阴极催化剂层16重叠在另一表面。质子交换膜12和催化剂层14，16可称为膜电极组件(MEA)。阳极扩散层18重叠在阳极催化剂层14，阴极扩散层20重叠在阴极催化剂层16。设置了双极板22，一个板接合阳极扩散层18，第二板接合阴极扩散层20。第一组反应气体流道24设置在双极板22，沿表面接合阳极扩散层18。第二组反应气体流道26设置在双极板22，沿表面接合阴极扩散层20。氢气通过第一组反应气体流道24输送到MEA的阳极侧，氧气(一般具有空气的形式)输送到第二组反应气体流道26，再输送到MEA的阴极侧。氢气和氧气可具有不同的形式，如所属领域都知道的。在各双极板22，突部25分隔反应气体流道24或26的相邻部分。双极板22的各侧面上的突部25直接接触双极板22该侧面的各扩散层18或20。
阳极催化剂层14和阴极催化剂层16可通过所属领域技术人员已知的任何方式设置在膜电极组件。这些电极14和16可以是单独层，或至少部分嵌入扩散层18，20，或部分嵌入质子交换膜12的相对表面。组合为一体的膜和电极组件，带有固体聚合物电解质膜及至少部分嵌入膜的相对表面的第一和第二电极，可参考1993年12月21日授予Swathirajan等人的美国专利No.5,272,017，其公开的内容在本文中参考引用。当本说明中介绍电极或催化剂层14，16重叠在质子交换膜上时，希望可参考，介绍和包括这些结构组合。
扩散层18，20具有扩散层通常具有的多种功能，包括：1)提供各电极催化剂层14或16和电化学集电器(双电极板22)之间的电接触(和电流通道)；2)分别分配和传送供应气体有效地越过催化剂电极14，16的整个表面，和越过质子交换膜12，包括通过突部25；3)为催化剂层14或16产生或保留的产物的快速输送提供通道。本发明的扩散层还具有另外的功能：在阴极扩散层形成高浓度的水蒸气，足以水化质子交换膜。在某些情况下，这不必使用水化系统来实现，水化系统位于膜电极扩散层组件的外面。
为了使干燥的燃料电池流体工作，需要阴极扩散层向燃料电池中产生的水提供水蒸气传输障碍(即低渗透)。其原因是在干燥条件下水的传输大部分是通过水蒸气形式。以液体形式存在的水非常少。
阴极扩散层渗透的作用在图6中显示，其中产生的水的大部分位于阴极侧。当阳极输送流体是水饱和的，阴极输送流体未润湿时，将出现这种情况。离开阴极侧的水通量近似由电池的工作电流密度决定。图6显示出阴极扩散层的低渗透材料导致催化剂层的高浓度水。水积聚在阴极催化剂层和阴极扩散层的界面，在阴极扩散层形成足够的水浓度驱动力，驱使水以电流密度确定的通量离开。在干燥的操作条件下，这是希望的情况，因为催化剂层和膜中的离聚物将保持湿润和导电。在高渗透的情况下，在阴极扩散层建立了较小的水蒸气浓度梯度。因此，离聚物可能更干燥，降低了燃料电池的性能。
阴极扩散层的低渗透材料还应当设计成，如果冷凝发生，允许液体水容易通过，如车辆在低温(包括冰点以下)启动时，这在现实世界使用或在产生非常高能量密度(即水产生率高时)可遇到。此外，液体水可积聚和堵塞氧气进入阴极催化剂层，降低性能(如溢流)。
本发明的阴极扩散层可选择和构建成具有80℃和1个大气压条件下小于大约3×10-4克(Pa s m2)的水蒸气渗透，一般小于大约2×10-4克(Pa s m2)，或小于大约1.5×10-4克(Pa s m2)。水蒸气渗透可使用下面介绍的测试方法来确定。
当阴极扩散层的水蒸气渗透处于这个水平，在燃料电池操作期间将形成水蒸气浓度梯度。水蒸气浓度在阴极扩散层接近质子交换膜的表面最大，水蒸气浓度在阴极扩散层接近双极板的表面最低。如果在阴极扩散层接近质子交换膜的表面处的水蒸气浓度接近饱和，质子交换膜可保持全水化的状态，改进燃料电池组的效率。
在某些情况下，可希望选择阳极扩散层的性质，使得其不同于阴极扩散层的性质，这两个层不采用具有相同性质的同一材料。实现这种差异的一个方式是阴极和阳极扩散层都使用相同的基体材料，但改变该基体材料的性质。另外，可对基体材料进行处理使得阴极和阳极扩散层具有不同的性质。或者，阴极和阳极扩散层可用不同的基体材料制造，使得其性质不同。
阳极扩散层可具有80℃和1个大气压条件下大于大约3×10-4克(Pa s m2)的水蒸气渗透，可具有80℃和1个大气压条件下大于大约4.5×10-4克(Pa s m2)的水蒸气渗透，如果需要的话。可选择扩散层使得阴极扩散层的水蒸气渗透是阳极扩散层的水蒸气渗透的大约10％到50％，如果需要的话。
可通过不同的方式实现阴极扩散层具有80℃和1个大气压条件下小于大约3×10-4克(Pa s m2)的水蒸气渗透，包括但不限于，改变阴极扩散层的厚度，调节阴极扩散层的单位体积重量，调节阴极扩散层的孔隙度，包括阴极扩散层中的聚四氟乙烯；施加微孔层到扩散层的一个或两个扩散表面，和/或用碳/石墨颗粒充填扩散层使结构密度提高等方式中的一种或多种。
一种改变阴极扩散层的水蒸气渗透的方式是使用较厚的层。图2是根据本发明的燃料电池组的实施例一部分的分解截面图。阳极催化剂层14和阴极催化剂层16重叠在质子交换膜12上。阳极扩散层18重叠在阳极催化剂层14，阴极扩散层20重叠在阴极催化剂层16。双极板22接合阳极扩散层18和阴极扩散层20。在双极板22上，突部25分隔反应气体流道24，26的相邻部分。在这个实施例中，阴极扩散层20的厚度大于阳极扩散层18。较厚的阴极扩散层使得水蒸气更难于快速移动通过该层厚度，在层内形成水蒸气浓度梯度，保持质子交换膜处于高效的水化状态。
但是，如果阴极扩散层过厚，水蒸气在层中停留时间过长，导致燃料电池单元在阴极侧溢流。此外，如果阴极扩散层过厚，燃料电池组可具有难以接受的大体积。
阴极扩散层一般厚度小于大约1000微米，通常处于大约150到大约600微米的范围，或处于大约200到大约500微米的范围。
如果需要，阳极扩散层可设置成薄于阴极扩散层。阳极扩散层厚度一般大于50微米，可处于大约75到大约200微米厚的范围，如果需要的话。阴极扩散层与阳极扩散层厚度之比可在大约20∶1到大约3∶1的范围，如果需要，可至少为大约4∶1。
实现希望的水蒸气渗透的另一方式是控制阴极扩散层的单位体积重量。阴极扩散层的单位体积重量一般小于大约2.0克/立方厘米，一般在大约0.4克/立方厘米到大约0.8克/立方厘米的范围。
可控制阳极扩散层的单位体积重量，如果需要。可以大于约0.1克/立方厘米，如果需要，可以在大约0.15克/立方厘米到大约0.5克/立方厘米之间的范围。阴极扩散层和阳极扩散层的单位体积重量的比可选择位于大约20∶1到大约1.5∶1之间，如果需要的话。
阴极扩散层的孔隙度也可进行控制，实现希望的水蒸气渗透。阴极扩散层一般有大于约25％的孔隙，一般有大约50％到大约80％范围的孔隙。
阳极扩散层的孔隙度也可进行控制，如果需要。其孔隙通常小于大约95％，一般有大约70％到大约90％范围的孔隙。阴极扩散层的孔隙度与阳极扩散层的孔隙度之比可在大约1∶3.8到大约1∶1.25之间，如果需要的话。
如果需要，阴极扩散层的水蒸气渗透还可通过包括不同数量聚四氟乙烯来得到。阴极扩散层可包括大约0.25％重量到大约25％重量之间的聚四氟乙烯，还可包括大约5％重量到大约15％重量之间的聚四氟乙烯，如果需要。
阳极扩散层的聚四氟乙烯的数量也可进行控制，如果需要的话。阳极扩散层可包括小于大约15％重量的聚四氟乙烯，还可包括大约3％重量到大约10％重量之间的聚四氟乙烯，如果需要。
但是，如果阴极或阳极扩散层中的聚四氟乙烯的水平过高，可降低扩散层的导电率至不可接受的水平。
优化阴极扩散层的水蒸气传输还可通过使用特殊形式的普通微孔层(MPL)来实现。MPL已经用于某种类型的PEM燃料电池超过10年，可以单独层施加到扩散层基体(碳/石墨纤维基体)的一个或两个表面。MPL一般用分散形式的各种碳/石墨颗粒和疏水性含氟聚合物混合物及溶剂制成。MPL的主要功能是通过毛细作用带走阴极催化剂层和扩散层界面的过多液体水，其设计成可在润湿操作条件下提供改进的性能。
对本发明带来有益作用的特殊形式的MPL可用类似或不同材料制造，其中颗粒尺寸，颗粒密度，粘结剂负荷，孔隙，孔尺寸分布，和厚度是可设计或控制的性质。建议的材料是碳，石墨或任何其他导电和耐腐蚀的材料，混合粘合含氟聚合物，如聚四氟乙烯(PTFE)，聚偏氟乙稀(PVDF)，或任何其他适当的化学惰性聚合物。施加层的优选制造技术是带状铸造，钩式涂复(drawbar coating)，幕式淋涂或喷涂。具有希望性质的材料薄片或材料卷也可以买来或单独制造，然后作为次层而不是涂层，物理施加到扩散层基体。
与制造或安装方法无关，施加层到一侧或另一侧(取决于MPL是应当接触阴极催化剂，还是阴极流场突部)可提供额外的性能益处。三层结构，其中MPL施加到基体的两面，可提供另外的用处。例如，涂复到各表面的MPL可在非常干燥的条件下使用(如非常低的入口阴极润湿度和高操作温度)，在其他情况下(某个或另一个非常低的入口润湿度或高操作温度)只要求一个MPL。具有一个或多个MPL的结构可设计和构建成具有希望的水蒸气渗透。
实现希望的水传输特性的另一可选择的方式是，用相同的碳/石墨和含氟聚合物填充扩散层基体(如碳纤维基体)的多孔体积，得到密实的性质。最后的结果是一层(不是双层或三层)复合结构，带有非常低的孔隙率，很小的孔尺寸，和较高的单位体积重量。
这些可选择的技术及其相关的制造步骤是PEM燃料电池部件开发领域的技术人员都知道和了解的。
在一个实施例中，阴极扩散层包括少于大约15％重量的聚四氟乙烯和具有80℃和1个大气压条件下小于大约3×10-4克(Pa s m2)的水蒸气渗透。一般包括大约5％重量和15％重量之间的聚四氟乙烯。阴极扩散层一般厚度小于大约1000微米，一般处于大约150和大约600微米之间。阴极扩散层的单位体积重量一般小于大约2.0克/立方厘米，通常在大约0.4到0.8克/立方厘米之间。阴极扩散层的孔隙度一般大于大约25％，通常在大约50％到大约80％之间的范围。
在另一实施例中，阴极扩散层具有80℃和1个大气压条件下小于大约3×10-4克(Pa s m2)的水蒸气渗透。阴极扩散层一般厚度小于大约1000微米。阴极扩散层的单位体积重量一般小于大约2.0克/立方厘米。阴极扩散层的孔隙度一般大于大约25％。
如果需要可组合一个或多个制造具有希望水蒸气渗透的阴极扩散层的不同方法。
用作扩散层的适当材料包括但不限于，多孔石墨，碳纸，毡制品，布料或其他织物或非纺织物。此外，金属泡沫，筛子，孔网或填充料也可使用。
本发明一般可用于质子交换膜，操作温度在大约75℃到大约175℃的范围，绝对压力在大约100Kpa到大约200Kpa的范围。
示例1
图3显示了两种不同外部润湿水平和电池电压为0.6伏的阴极扩散层的电流密度相对厚度的曲线。各点的时间平均超过3小时。表一提供了实验条件。图3显示出电流密度相对所在厚度范围内的厚度单向增加。曲线最终到达最大值，然后在较大厚度时下降，这是因为阴极催化剂层和阴极扩散层之间界面的阴极扩散层溢流，或氧气质量转移到阴极的有限速率。另外在较高电流密度(大于1A/cm2)工作，其未显示，支持溢流假设。
系列A(较低润湿)的电流密度增加了大约30％，系列B(较高润湿)增加了20％。因此，在较干燥的条件下较厚的扩散层的优越性更大。
表一
  参数   系列A   系列B
  阳极背压   150kPa(绝对)   150kPa(绝对)
  阴极背压   150kPa(绝对)   150kPa(绝对)
  燃料成分(干燥)   100％氢   100％氢
  化学计量的燃料流   1.3   1.3
  化学计量的空气流   2.0   2.0
  电池温度   80℃   80℃
  阳极流的露点   73℃   73℃
  阴极流的露点   35℃   45℃
  电池电压   0.6V   0.6V
  电极区   50cm2   50cm2
示例2
图4比较了不同润湿水平下的具有较厚阴极扩散层(840微米)的10单位电池组与具有较薄阴极扩散层(195微米)15单元电池组的平均电池性能。表二和表三提供了操作条件。
表二
  参数   系列A
  阳极入口   150kPa(绝对)
  阴极入口   150kPa(绝对)
  燃料成分(干燥)   65％氢，35％氮
  化学计量的燃料流   1.3
  平均冷却剂温度   78℃
  阳极的露点   见表三
  阴极的露点   见表三
  电流密度   0.8A/cm2
  电极区   519cm2
表三
  测试点   阳极的露点   阴极的露点   RH离开
  1   80   49   1.05
  2   73   49   0.95
  3   77   32   0.92
  4   60   64   1.02
  5   73   64   1.11
  6   80   64   1.20
具有较厚扩散层的电池组实现的最大电池电压要比具有较薄扩散层的电池组高很多。此外，具有较厚扩散层的电池组的性能随添加润湿水量减少而提高。与具有较薄扩散层的电池组比较，具有较厚扩散层的电池组的最好性能出现在较低的润湿水平(RH离开＝0.92，相对于RH离开＝1.11，其中RH离开是离开膜电极组件的产品气体流的平衡平均相对湿度)。因此如所预期的，设计优化为低润湿水平。在高润湿水平，具有较厚扩散层的电池组要比具有较薄扩散层的电池组容易溢流和性能下降。
示例3
图5显示了三种操作条件下具840微米厚阴极扩散层的10单元电池组的长时间的固定电流密度的平均电池电压的下降。表四提供了操作条件。
表四
  参数   系列A   系列B   系列C
  阳极入口压力   150kPa(绝对)   150kPa(绝对)   200kPa(绝对)
  阴极入口压力   150kPa(绝对)   150kPa(绝对)   200kPa(绝对)
  燃料成分(干燥)   65％氢，35％氮   65％氢，35％氮   65％氢，35％氮
  化学计量的燃料流   1.3   1.3   1.3
  平均冷却剂温度   78℃   78℃   78℃
  阳极的露点   73℃   73℃   73℃
  阴极的露点   干燥   干燥   干燥
  电流密度   0.2A/cm2   0.8A/cm2   0.8A/cm2
  电极区   519cm2   519cm2   519cm2
  下降速率   900μV/h   720μV/h   44μV/h
  RH离开   0.82   0.82   0.99
电压在150kPa测试点以近似1mV/h的速率下降。这表明膜电极组件在该润湿水平缓慢地干燥。在200kPa，电压下降的速率低了不止10倍。因此，通过适当优化气体入口压力，厚阴极扩散层可有长时间的稳定性能，无需低压下(≤200kPa(绝对))的阴极流外部润湿。
水蒸气渗透测试
没有公认的燃料电池条件下的水蒸气渗透的测试方法。下面的测试方法来自ASTM方法E96(材料水蒸气传输标准测试法)和Canadian Turl Dish Method，BS 7209(参见1993年秋，T.woodbridge在The New Nonwoven World上发表的文章“Breathability-Fact andFiction”)，这些方法被本发明参考引用，改进以适合燃料电池的条件。
方法基于ASTM E96的程序B和D，其中杯用水充满并用样品材料盖上。水蒸气传输速率(WVT)通过一段时间后测得的水损失量得出。然后根据WVT数据确定渗透率。
样品的水传输抗力(渗透率的倒数)必须至少是测试机构的其他抗力的10％，否则该方法是不准确的。发现使用一层扩散介质不能提供满意的抗力，但是使用5层扩散介质可提供足够的抗力。
样品制备
使用了带有卡接盖52的9盎斯oz.(266毫升)的塑料容器50。在卡接盖的中心切割出4.5×4.5cm的开口。5个进行测试的5.5×5.5cm的气体扩散材料样品制备出。第一层扩散材料放置到盖中的开口上。围绕扩散层的表面边缘施加3毫米的珠状硅树脂密封材料，密封盖中开口上的扩散层，其余四层扩散介质通过围绕各层之间边缘施加薄珠状硅树脂密封材料和平放叠置5层到一起进行密封。5层扩散介质54的外边用硅树脂密封材料56进行密封，保证水蒸气传输完全通过样品的平面方向进行。然后使硅树脂密封材料完全固化。卡接盖和样品在图7显示。
塑料容器然后用去离子水填充到距顶部1cm的水平。带有样品的盖然后进行连接。然后对填充了水和包括带有样品的卡接盖的容器进行称重。
样品加热
使用标准的实验室干燥炉。在开始测试前将炉预热到80℃。
大约1米长的1/4英寸铜管卷绕并置于炉中。6英寸长的卷绕铜管通过排气孔放入炉的顶部并支承于顶部。卷绕的铜管连接到带有Tygon管路的压缩空气调节器。使用卷绕的铜管使得空气可在离开管路进入炉中前达到炉子的温度。管路的出口在下面进行介绍。
6个容器60，各自带有5层扩散介质，同时进行测试。图8显示了炉中的样品。6个容器位于炉中顶格形成一圈。空塑料容器62位于样品圈的中心。平底玻璃圆盘64颠倒放置在空容器62。铜管66的出口位于平底玻璃圆盘的中心上方2英寸的位置，如图9所示(卷绕管路未显示)。平底圆盘用于平均分配空气流至6个样品的顶部。
然后调节气流到恒定的速率，使得样品上的干燥空气流速至少是每秒0.25米。炉门关闭，并记录时间。测试不受干扰进行24小时。(测试期间打开炉门可因温度变化导致结果改变)。24小时后，空气流关闭。取出样品容器进行称重。
将水蒸发导致的重量损失用时间(24小时或86400秒)和暴露表面积(2.03×10-3m2)除可得到WVT。表五显示了5个样品的结果。
表五
  纸类型   纸厚度(微米)   WVT(gm/s/m2)
  Toray 030   120   0.830
  Toray 060   210   0.744
  Toray 090   280   0.714
  Toray 10T   1000   0.524
  SGL GDL-10HM   410   0.720
首先的4个样品是日本Shiga，Otsu的Toray Industries，Inc.的商品，具有不同厚度的相同基体材料。最后的样品是德国Meitingen，GmbH，SGL Technologies的SGL Carbon Group的开发产品。
数据分析
扩散层的渗透可通过WVT数据得出。
WVT＝S(RH1-RH2)×IITot             (1)
其中，WVT是水蒸气传输速率(g/(s m2))；
S是测试温度下的水饱和蒸气压(80℃下为47322Pa)；
RH1是源位的相对湿度，用分数表示(本方法中液体水表面为1.0)；
RH2是水槽位的相对湿度，用分数表示(本方法中流动的干燥流体为0)；
IITot是系统的全渗透，包括三个组成部分：水到纸，通过纸，纸到干燥气体(g/(Pa s m2))。
系统的全渗透包括测试中其他水蒸气传输抗力的作用，所以扩散层的渗透必须从这些数据中排除。具有相同基体材料但厚度不同的4个样品用于校正测试方法，确定与扩散层无关的水蒸气传输抗力。可通过外推法得出零扩散层厚度的情况，如下面所示。利用校正信息，可分离出扩散层样品的渗透率。
水传输的全抗力RTot，是全渗透的倒数。包括相关联的三个抗力。
RTot＝1/IITot＝RW，DM+RDM+RDM，G                  (2)
其中，RW，DM是水表面和底扩散层表面之间的水蒸气传输抗力((Pa sm2)/g)；
RDM是单位体积重量扩散层的水蒸气传输抗力((Pa sm2)/g)；
RDM，G是扩散层顶表面和流动干燥气流之间的水蒸气传输抗力((Pa s m2)/g)。
当评估包括一叠多片相同扩散介质材料的扩散介质样品时，扩散介质的抗力正比于扩散介质叠层厚度，反比于材料的渗透率。
R DM = n II DM = nδDM πDM - - - ( 3 )
其中，n是进行测试的扩散介质层的数量；
IIDM是一个扩散层的渗透率(g/(Pa s m2))；
δDM是一个扩散层的厚度(m)；
πDM是扩散层的渗透率((g/Pa s m2))。
渗透率是材料的固有的性质，与厚度无关。渗透取决于样品厚度。
测试的两个常数，其独立于扩散介质样品，必须进行校正，可组合为一个抗力R0：
R0＝RW，DM+RDM，G                  (4)
结合公式(1)(2)(3)和(4)
S WVT = nδDM πDM + R 0 - - - ( 5 )
可利用S/WVT相对全部扩散介质层的总厚度(nδDM)的曲线从截距R0求出系统的抗力，设备的特征。斜率可用于确定渗透率，πDM。
首先4个样品的数据(相同的材料，不同厚度)在图10显示。如所预计的，数据形成直线，并具有下面的最佳适配线：
S WVT = 7174000 × ( nδDM ) + 54880 - - - ( 6 )
根据这个公式可确定R0：
R0＝54880(Pa m2 s)/g               (7)
Toray扩散层样品的渗透率为：
πDM＝1.39×10-7g/(Pa m s)         (8)
利用公式3，可计算出5层扩散介质的抗力，与测试方法中的其他抗力比较。结果在表六中显示。
表六
  WVT的抗力(Pa m2s/gm)   占所有扩散介质层的全抗力的％
  R0   54480   -
  Toray030扩散介质(5层，各层厚度为120微米)   4310   7
  Toray10T扩散介质(5层，各层厚度为1000微米)   35970   40
最薄扩散层对全抗力的贡献为7％，最厚扩散层的贡献为40％。一旦确定R0的值，公式3和5可用来计算一层测试材料的渗透：
S WVT = n II DM + R 0 - - - ( 9 )
该公式可重新设置成：
II DM = n S WVT - R 0 - - - ( 10 )
表七给出了5个测试样品的数值。
表七
  纸类型   纸厚度(微米)   单层的渗透((g/(Pa sm2))
  Toray 030   120   2.3E-03
  Toray 060   210   5.7E-04
  Toray 090   280   4.4E-04
  Toray 10T   1000   1.4E-04
  SGL GDL-10HM   410   4.6E-04
为了说明本发明，显示了一些代表性实施例和细节，所属领域的技术人员应当知道，可对文中公开的成分和方法进行各种改变，这未脱离本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (64)

1.一种燃料电池系统，包括：
质子交换膜，具有第一面和第二面；
阴极催化剂层，叠置在质子交换膜的第一面；
阴极扩散层，重叠在所述阴极催化剂层上；
阳极催化剂层，叠置在质子交换膜的第二面；
阳极扩散层，重叠在所述阳极催化剂层上；
其中，所述阴极扩散层具有800℃和1个大气压条件下小于大约3×10-4克(Pasm2)的水蒸气渗透。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的水蒸气渗透在800℃和1个大气压条件下小于大约2×10-4克(Pasm2)。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的水蒸气渗透在800℃和1个大气压条件下小于大约1.5×10-4克(Pasm2)。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阳极扩散层的水蒸气渗透在800℃和1个大气压条件下大于大约3×10-4克(Pasm2)。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的水蒸气渗透是阳极扩散层的水蒸气渗透的大约10％到50％之间。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的厚度小于大约1000微米。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，所达阴极扩散层的厚度在大约150到大约600微米的范围内。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阳极扩散层的厚度在大约75到大约200微米的范围内。
9.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的单位体积重量小于大约2.0克/立方厘米。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的单位体积重量在大约0.4到大约0.8克/立方厘米的范围。
11.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的孔隙度大于约25％。
12.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的孔隙度在大约50％到大约80％的范围。
13.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层含有大约5％重量到大约15％重量之间的聚四氟乙烯。
14.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层厚度与阳极扩散层厚度之比在大约20∶1到大约3∶1之间。
15.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的单位体积重量小于大约2.0克/立方厘米。
16.根据权利要求15所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的单位体积重量在大约0.4到大约0.8克/立方厘米的范围。
17.根据权利要求16所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阳极扩散层的单位体积重量在大约0.15到大约0.5克/立方厘米的范围。
18.根据权利要求15所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的厚度小于大约1000微米。
19.根据权利要求18所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的厚度在大约150到大约600微米的范围。
20.根据权利要求15所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的孔隙度大于约25％。
21.根据权利要求20所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的孔隙度在大约50％到大约80％的范围。
22.根据权利要求15所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层含有大约5％重量到大约15％重量之间的聚四氟乙烯。
23.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的单位体积重量与阳极扩散层的单位体积重量之比在大约20∶1到大约1.5∶1之间。
24.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的孔隙度大于约25％。
25.根据权利要求24所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的孔隙度在大约50％到大约80％的范围。
26.根据权利要求25所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阳极扩散层的孔隙度在大约70％到大约90％的范围。
27.根据权利要求24所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的厚度小于大约1000微米。
28.根据权利要求27所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的厚度在大约150到大约600微米的范围。
29.根据权利要求24所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的单位体积重量小于大约2.0克/立方厘米。
30.根据权利要求29所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的单位体积重量在大约0.4到大约0.8克/立方厘米的范围。
31.根据权利要求24所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层含有大约5％重量到大约15％重量之间的聚四氟乙烯。
32.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的孔隙度与阳极扩散层的孔隙度之比在大约1∶3.8到大约1∶1.25之间。
33.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层含有至少大约0.25％重量的聚四氟乙烯。
34.根据权利要求33所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层含有大约5％重量到大约15％重量范围的聚四氟乙烯。
35.根据权利要求34所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阳极扩散层含有大约3％重量到大约10％重量范围的聚四氟乙烯。
36.根据权利要求33所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的厚度小于大约1000微米。
37.根据权利要求36所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的厚度在大约150到大约600微米的范围。
38.根据权利要求33所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的单位体积重量小于大约2.0克/立方厘米。
39.根据权利要求38所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的单位体积重量在大约0.4到大约0.8克/立方厘米的范围。
40.根据权利要求33所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的孔隙度大于约25％。
41.根据权利要求40所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的孔隙度在大约50％到大约80％的范围。
42.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述质子交换膜在燃料电池系统操作期间保持完全水化，无需使用外部阴极水化系统。
43.一种燃料电池系统，包括：
质子交换膜，具有第一面和第二面；
阴极催化剂层，叠置在质子交换膜的第一面；
阴极扩散层，重叠在所述阴极催化剂层上；
阳极催化剂层，叠置在质子交换膜的第二面；
阳极扩散层，重叠在所述阳极催化剂层上；
其中，所述阴极扩散层具有800℃和1个大气压条件下小于大约3×10-4克(Pasm2)的水蒸气渗透；阴极扩散层的厚度小于大约1000微米，阴极扩散层的单位体积重量小于大约2.0克/立方厘米，阴极扩散层的孔隙度大于约25％。
44.根据权利要求43所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的厚度在大约150到大约600微米的范围。
45.根据权利要求43所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的单位体积重量在大约0.4到大约0.8克/立方厘米的范围。
46.根据权利要求43所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层的孔隙度在大约50％到大约80％的范围。
47.根据权利要求43所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极扩散层含有大约5％重量到大约15％重量范围的聚四氟乙烯。
48.一种燃料电池系统的阴极扩散层，包括：
阴极扩散层，含有小于15％重量范围的聚四氟乙烯，具有800℃和1个大气压条件下小于大约3×10-4克(Pasm2)的水蒸气渗透。
49.根据权利要求48所述的阴极扩散层，其特征在于，所述阴极扩散层具有800℃和1个大气压条件下小于大约2×10-4克(Pasm2)的水蒸气渗透；
50.根据权利要求48所述的阴极扩散层，其特征在于，所述阴极扩散层具有800℃和1个大气压条件下小于大约1.5×10-4克(Pasm2)的水蒸气渗透。
51.根据权利要求48所述的阴极扩散层，其特征在于，所述阴极扩散层的厚度小于大约1000微米。
52.根据权利要求51所述的阴极扩散层，其特征在于，所述阴极扩散层的厚度在大约150微米到大约600微米的范围。
53.根据权利要求48所述的阴极扩散层，其特征在于，所述阴极扩散层的单位体积重量小于大约2.0克/立方厘米。
54.根据权利要求53所述的阴极扩散层，其特征在于，所述阴极扩散层的单位体积重量在大约0.4到大约0.8克/立方厘米的范围。
55.根据权利要求48所述的阴极扩散层，其特征在于，所述阴极扩散层的孔隙度大于约25％。
56.根据权利要求55所述的阴极扩散层，其特征在于，所述阴极扩散层的孔隙度在大约50％到80％的范围。
57.根据权利要求48所述的阴极扩散层，其特征在于，所述阴极扩散层含有大约5％重量到大约15％重量范围的聚四氟乙烯。
58.一种燃料电池系统的阴极扩散层，包括：
阴极扩散层，具有800℃和1个大气压条件下小于大约3×10-4克(Pasm2)的水蒸气渗透；阴极扩散层的厚度小于大约1000微米，阴极扩散层的单位体积重量小于大约2.0克/立方厘米，阴极扩散层的孔隙度大于约25％。
59.根据权利要求58所述的阴极扩散层，其特征在于，所述阴极扩散层具有80℃和1个大气压条件下小于大约2×10-4克(Pasm2)的水蒸气渗透。
60.根据权利要求58所述的阴极扩散层，其特征在于，所述阴极扩散层具有800℃和1个大气压条件下小于大约1.5×10-4克(Pasm2)的水蒸气渗透。
61.根据权利要求58所述的阴极扩散层，其特征在于，所述阴极扩散层的厚度在大约150微米到大约600微米的范围。
62.根据权利要求58所述的阴极扩散层，其特征在于，所述阴极扩散层的单位体积重量在大约0.4到大约0.8克/立方厘米的范围。
63.根据权利要求58所述的阴极扩散层，其特征在于，所述阴极扩散层的孔隙度在大约50％到大约80％的范围。
64.根据权利要求58所述的阴极扩散层，其特征在于，所述阴极扩散层含有大约5％重量到大约15％重量范围的聚四氟乙烯。
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