CN101420043B - 具有位于阳极和阴极上的不对称扩散介质的燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有位于阳极和阴极上的不对称扩散介质的燃料电池堆。具有第一扩散介质和第二扩散介质的燃料电池，在所述第一扩散介质与所述第二扩散介质之间设置有膜电极组件。所述第一扩散介质包括第一组材料特性且所述第二扩散介质包括第二组材料特性。所述第一组材料特性具有与所述第二组材料特性中的那些相同的材料特性显著不同的至少一种材料特性。材料特性的这种不同增强了在所述第二扩散介质的主要面上进行的水管理。

Description

具有位于阳极和阴极上的不对称扩散介质的燃料电池堆

技术领域

本发明涉及燃料电池，且更特别地，本发明涉及具有位于电池的阳极侧和阴极侧上的不同扩散介质的燃料电池。

背景技术

燃料电池在多种应用场合被用作电源。例如，燃料电池被提出用于电动车辆动力设备中来代替内燃机。质子交换膜(PEM)型燃料电池包括膜电极组件(MEA)，所述膜电极组件包括薄的传导质子的不导电的固体聚合物电解质膜，所述固体聚合物电解质膜具有位于一面上的阳极催化剂和位于相对面上的阴极催化剂。膜电极组件被夹在一对无孔的导电元件或板之间，所述元件或板(1)用作阳极和阴极的集流器并且(2)包含在其中形成的用于将燃料电池的气体反应剂分布在相应的阳极催化剂和阴极催化剂的表面上的适当通道和/或开口。

根据上下文的语境，术语“燃料电池”通常被用来指称单个电池或多个电池(电池堆)。多个单独的电池通常被组合在一起以便形成燃料电池堆且多个单独的电池通常以电串联方式进行布置。燃料电池堆内的每个电池包括前文中所述的膜电极组件(MEA)，且每个这种膜电极组件都提供了其增压。电池堆内的相邻电池的组被称作电池组。

在质子交换膜燃料电池中，氢(H₂)是阳极反应剂(即燃料)且氧是阴极反应剂(即氧化剂)。氧可以纯氧形式(O₂)存在或者以空气形式(O₂和N₂的混合物)存在。固体聚合物电解质通常由离子交换树脂如全氟磺酸制成。阳极/阴极通常包括微细催化颗粒，所述微细催化颗粒通常被担载在碳颗粒上并与质子传导树脂混合。催化颗粒通常是成本昂贵的贵金属颗粒。因此，这些膜电极组件的制造成本相对昂贵且需要特定的条件以便实现有效运行，所述特定的条件包括进行适当的水管理和湿化以及控制催化剂污损组分如一氧化碳(CO)。

夹住膜电极组件的导电板可包含用于将燃料电池的气体反应剂(即氢和以空气形式存在的氧)分布在相应的阴极和阳极的表面上的反应剂流场。这些反应剂流场通常包括多个凸脊，所述多个凸脊在其间限定出多条流动通道，气体反应剂从位于所述流动通道的一端处的供应集管流动通过所述多条流动通道而流至位于所述流动通道的相对端处的排出集管。

扩散介质***置在反应剂流场与膜电极组件之间，所述扩散介质提供了多种功能。这些功能中的一种功能是使反应剂气体从多条流动通道扩散至膜电极组件的主要面和相应的催化剂层。另一功能是使反应产物如水扩散穿过燃料电池。第三种功能是在多个凸脊之间穿过流动通道而对膜电极组件提供足够的支承。为了适当地实施这些功能，扩散介质必须足够多孔同时保持一定的机械性质。确保反应剂适当地分布在膜电极组件的面上需要扩散介质的孔隙率。保持膜电极组件与扩散介质之间在通道区域上充分接触以及防止膜电极组件在被组装在燃料电池堆内时受到损伤则需要该扩散介质的机械性质。

流场被仔细地制成一定尺寸以使得在特定的反应剂流速下能够在流场入口与流场出口之间获得特定的压力降。在更高的流速下，获得了更大的压力降，而在更低的流速下，则获得了更小的压力降。

所希望的是在扩散介质中存在一定的压缩率以便适应板的变化。然而，当力作用在可压缩扩散介质上时，扩散介质的一些部分可能会侵入双极板的通道内。这种侵入导致出现可能并不希望的压力降。同样地，不均匀地侵入不同电池内将导致流被不均匀地分布进入不同电池内。由于阳极氢燃料具有低得多的流速且通常具有更低的化学计量比，因此扩散介质侵入的效应在阳极侧上更强且在阴极侧上更弱。

还存在其它情况，对于这些情况而言，在燃料电池的阳极侧和阴极侧之间存在不同的材料特性可能是有利的。这些特性中的一些实例包括孔隙率、透过率、表面自由能和微孔层厚度。因此，使燃料电池的阳极侧与阴极侧具有不同的扩散介质将是有利的。

发明内容

本发明提供了一种具有第一扩散介质和第二扩散介质的燃料电池，在所述第一扩散介质与所述第二扩散介质之间设置有膜电极组件。所述第一扩散介质包括第一组材料特性且所述第二扩散介质包括第二组材料特性。所述第一组材料特性具有与所述第二组材料特性中的至少一种材料特性显著不同的至少一种材料特性。材料特性的这种不同提供了增强的燃料电池/电池堆性能。

从下文提供的详细描述中将易于理解可进一步应用本发明的领域。应该理解：尽管该详细描述和特定实例对本发明的优选实施例做出了说明，但该详细描述和特定实例仅旨在实现示例性的目的且并不旨在限制本发明的范围。

附图说明

通过该详细描述和附图将更充分地理解本发明，在所述附图中：

图1是根据本发明的原理的单电池燃料电池的分解透视图；

图2是包含图1所示的多个燃料电池的质子交换膜燃料电池堆的一部分的部分透视剖视图，图中示出了包括扩散介质的成层结构；

图3是示出了阳极和阴极上的不对称扩散介质的详图；和

图4是示出了具有位于阳极和阴极上的对称扩散介质的小型燃料电池的实验性试验数据的曲线图。

具体实施方式

下面对优选实施例做出的描述本质上仅是示例性的且绝不旨在限制本发明、其应用或使用。

参见图1，图中示出了一种单电池燃料电池10，所述单电池燃料电池具有被夹在一对导电单极板18、20之间的膜电极组件12和一对扩散介质(DM)14、16。然而，应该意识到：下文所述的本发明同样可应用于包括多个电池的燃料电池堆，所述多个电池如图2所示串联进行布置且正如本领域众所周知地那样通过双极电极板彼此分开。简而言之，可进一步结合燃料电池堆或结合单个燃料电池10，但应该理解：与燃料电池堆相关联的讨论和描述同样可应用于单个燃料电池10且反之亦然并且落入本发明的范围内。

板18、20可由碳、石墨、带涂层的板或耐腐蚀金属制成。膜电极组件12和单极板18、20在端板(未示出)之间被夹持在一起。每个单极板18、20分别包含多条流动通道22、24，所述多条流动通道形成了用于将反应剂气体(即H₂和O₂)分布到膜电极组件12的相对面上的流场。对于多电池燃料电池堆的情况而言，在双极板的任一侧上形成流场，一个流场用于H₂且一个流场用于O₂。不传导垫圈26、28在燃料电池10的各个部件之间提供密封和电绝缘。

特别地参见图2和图3，膜电极组件12包括被夹在阳极催化剂层32与阴极催化剂层34之间的膜30。阳极扩散介质14***置在膜电极组件12与上板18之间。阴极扩散介质16***置在膜电极组件12与下板20之间。如图所示，形成阳极侧H₂流场的H₂流动通道40位于紧邻阳极扩散介质14的位置处且与所述阳极扩散介质直接流体连通。相似地，形成阴极侧O₂流场的O₂流动通道42位于紧邻阴极扩散介质16的位置处且与所述阴极扩散介质直接流体连通。膜30优选是质子交换膜(PEM)且具有质子交换膜的电池被称作质子交换膜燃料电池。

阳极扩散介质14和阴极扩散介质16可分别包括位于阳极扩散介质14或阴极扩散介质16的与相应的催化剂层32、34相邻的侧部上的微孔层(MPL)36、38。该微孔层36、38具有厚度，所述厚度可既包括在扩散介质14、16的上方延伸的层又包括透过扩散介质14、16的表面的一部分。为图示起见，微孔层在图2和图3中由虚线表示。微孔层36、38通常增加了扩散介质14、16与阳极或阴极催化剂层32、34之间的表面接触并且通过防止在邻近膜电极组件的位置处形成水膜而帮助进行水管理。

在运行中，含H₂的重整物质流或纯H₂物质流(燃料供给物质流)通过通道40流入阳极侧流场的入口侧内，且同时，空气或纯O₂物质流(氧化剂供给物质流)通过通道42流入阴极侧流场的入口侧内。燃料供给物质流流动通过阳极扩散介质14且阳极催化剂32的存在导致H₂被氧化成氢离子或质子(H⁺)，且分别失去两个电子。电子从阳极侧行进至电路(未示出)，从而使得能够作功(即使电动马达旋转)。膜层30使得质子能够流动通过其中，同时防止电子流动通过其中。因此，质子直接流动通过膜而流至阴极催化剂34。在阴极侧上，质子与氧化剂供给物质流和电子结合，由此形成水。

仍然参见图2和图3，图中示出了通道40、42和膜电极组件12。流动通道40、42被制成一定尺寸以便具有使流动物质流流动通过的特定流动面积。流动面积被制成一定尺寸以使得在供给物质流以特定流速流动通过流动通道40、42的情况下，在流场22、24上出现特定的压力降。即，在特定的流速下，流动通过通道40、42的气体反应剂将在流场22、24的入口与出口之间产生压力降。

基于扩散介质被用作阳极扩散介质14还是被用作阴极扩散介质16而改变扩散介质14、16的特性被认为改进了燃料电池10的***性能。特别地，已经确定的是，扩散介质14、16的机械特性、结构特性、热阻和表面自由能对燃料电池10的性能都有影响。机械特性可包括压缩率和弯曲刚度。结构特性可包括厚度、孔隙率、气体透过率、气体扩散率和微孔层厚度。

例如，使阳极侧扩散介质14比阴极侧扩散介质16更具刚性使得扩散介质侵入变化对阳极通道的影响降到最低程度且因此改进了性能，同时仍允许阴极侧扩散介质16适应板的变化。扩散介质的压缩率可被表征为作为压缩力函数的介质挠曲。根据扩散介质的厚度和压缩率，扩散介质可部分地侵入流动通道内，例如图中所示的扩散介质16侵入通道42内那样，由此有效地减小了图3中的流动面积从而阻止气体流。燃料电池的阳极通常在相对更低的化学计量比下运行且因此纯H₂中的大多数纯H₂在阳极气体出口附近被消耗。扩散介质不均匀地侵入不同电池中的阳极流动通道内将导致出现不同的流分布。换句话说，在不同电池中出现了不同的化学计量比，且这些电池可能在化学计量比下运行且因此影响了总的燃料电池堆性能和持久性。可降低阳极气体扩散介质14的压缩率或可增加挠曲模量以便减轻通道侵入。挠曲模量大体上限定了材料的弯曲行为。通常可利用3点弯曲试验(ASTM D790)来表征材料的挠曲模量。

空气通常被用作阴极侧中的氧化剂，所述空气包含21％的O₂和78％的N₂。N₂并未在燃料电池中被消耗且阴极通常在与阳极侧相比相对较高的化学计量比下运行。结果是，阴极侧可适应更大的电池到电池的流变化而不会影响电池性能。这使得阴极侧对于电池到电池的扩散介质通道侵入的不同不那么敏感。因此，阴极侧扩散介质16与阳极侧扩散介质14相比可具有更低的刚性。

在另一实例中，在燃料电池的阴极侧处产生产物水。水通过渗透拖曳而从阳极侧被输运至阴极侧。在高电流密度运行条件下，这导致在阴极侧中出现了比阳极侧高得多的水浓度，且因此导致在质子传导膜上出现了不均匀的膜水合且降低了膜质子传导性。对于高电流密度运行而言，认为在阳极侧上利用没有微孔层且具有更低热阻的扩散介质是有利的。另一方面，燃料电池经常可能在更干燥的运行条件下运行且这尤其适合汽车应用。在阳极侧上利用具有更低水蒸气扩散率的扩散介质将有助于保持膜水合。

其它参数也可产生变化，如扩散介质的表面自由能。在阳极侧扩散介质14上提供比阴极侧扩散介质16更大的表面自由能已被证明是有利的。表面自由能可被用来表征扩散介质的疏水性。表面自由能定义为扩大物质的表面积所需的功。当液体在固体表面上的接触角为0°时，液体完全地润湿固体，且当接触角大于90°时，可认为固体是耐润湿的。因此，具有更大的表面自由能通常意味着有更高的疏水性。

阳极侧扩散介质14还可具有不那么开放的孔隙结构和更厚的微孔层涂层36以便在干燥的运行条件下保持质子传导膜所需的水合水平。不那么开放的孔隙结构可包括相对于阴极扩散介质16而言降低的孔隙率和/或透过率。孔隙率是扩散介质的堆密度的函数，所述堆密度可由真实质量和厚度计算得出。透过率可以是液体或气体透过率。可利用多种方法表征扩散介质的透过率。对于气体透过率而言，气体流速可被定义为在给定压力降下通过给定样品面积。对于低流动性材料，例如那些具有微孔层36、38的材料而言，这可被表示为在给定压力降下使特定体积的流通过给定样品尺寸所需的时间。液体透过率可被表征为在给定压力降下通过扩散介质的液体流速。可利用液体透过率试验。在该方法中，液体柱被置于多孔介质的顶部上，且随后施加压力以使液体受力而通过样品。位于阳极侧上的该不那么开放的孔隙结构扩散介质14的结构可自然地导致产生侵入通道内的程度更少的更具刚性的基板且因此减轻了从电池到电池的不均匀的反应剂气体流分布。

阴极侧可进一步包括更深地透入扩散介质16内以便实现更好的阴极侧水管理的优化微孔层涂层38。该特征由于防止了在扩散介质16的基板内部形成连续水膜而被认为在去除产物水方面是有效的，由此减少了阴极物质输运损失。

图4示出了用于三(3)个小型燃料电池试验数据的试验数据以便证实正如本文所述地在燃料电池的阳极和阴极上利用不对称扩散介质所带来的有利效应。该数据基于对具有50cm²的活性面积的单电池燃料电池进行的测试，且反应剂气体在约50kPa_g的压力下被输运通过蛇形流场。电池温度为约80℃。阳极气体和阴极气体的露点为约70℃且出口处的反应剂气体的相对湿度为110％。

样品1是具有对称的阳极扩散介质和阴极扩散介质(即具有相同性质)的对照电池。样品2和样品3是具有不同的阳极扩散介质从而使得阳极扩散介质与阴极扩散介质不对称的试验电池。特别地，在下表1中示出了样品的阳极扩散介质的相对性质。

表1

性质             样品                    样品                          样品

刚度              A          <            B              ＝              C

挠曲模量          A          <            B              ＝              C

微孔层厚度        C          <            B              <               A

热阻              C          ＝           B              <               A

水蒸气扩散率      C          ＝           B              <               A

孔隙率            A          <            B              <               C

基板密度          A          <            B              ＝              C

透过率            A          <            B              <               C

数据曲线100、102和104分别表示由样品1、2和3在一定的电流密度范围内产生的增压电位(V)。数据曲线200、202和204分别表示样品1、2和3的电阻(Ω/cm²)。

对本发明的描述在本质上仅是示例性的且因此不偏离本发明要点的变化旨在落入本发明的范围内。这些变化不被视为偏离了本发明的精神和范围。

Claims (18)

1.一种具有位于阳极和阴极上的不对称扩散介质的燃料电池，所述燃料电池包括：

具有第一组材料特性的第一扩散介质；

具有第二组材料特性的第二扩散介质；和

被设置在所述第一扩散介质与所述第二扩散介质之间的膜电极组件；

其中所述第一扩散介质为阳极侧扩散介质，所述第二扩散介质为阴极侧扩散介质；

所述第一扩散介质具有第一压缩率且所述第二扩散介质具有第二压缩率，所述第一压缩率小于所述第二压缩率，以便增强在所述第二扩散介质的主要面上进行的水管理。

2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述第一扩散介质具有第一挠曲模量且所述第二扩散介质具有第二挠曲模量，所述第一挠曲模量与所述第二挠曲模量之比大于1。

3.根据权利要求2所述的燃料电池，其中所述第一扩散介质具有比所述第二扩散介质的热阻更小的热阻。

4.根据权利要求3所述的燃料电池，其中所述第一扩散介质具有第一基板厚度且所述第二扩散介质具有第二基板厚度，所述第一厚度与所述第二厚度之比小于1。

5.根据权利要求4所述的燃料电池，其中所述第一扩散介质具有第一孔隙率且所述第二扩散介质具有第二孔隙率，所述第一孔隙率与所述第二孔隙率之比小于1。

6.根据权利要求5所述的燃料电池，其中所述第一扩散介质具有第一流体透过率且所述第二扩散介质具有第二流体透过率，所述第一流体透过率与所述第二流体透过率之比小于1。

7.根据权利要求6所述的燃料电池，其中所述第一流体透过率和第二流体透过率是气体透过率。

8.根据权利要求6所述的燃料电池，其中所述第一流体透过率和第二流体透过率是液体透过率。

9.根据权利要求6所述的燃料电池，其中所述第一扩散介质包括与所述膜电极组件相邻的第一微孔层涂层且所述第二扩散介质包括与所述膜电极组件相邻的第二微孔层涂层。

10.根据权利要求9所述的燃料电池，其中所述第一微孔层的涂层厚度大于所述第二微孔层的涂层厚度。

11.根据权利要求10所述的燃料电池，其中所述第一扩散介质具有比所述第二扩散介质的表面自由能更大的表面自由能。

12.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述膜电极组件包括与所述第一扩散介质接触的阳极面和与所述第二扩散介质接触的阴极面。

13.一种制造燃料电池堆的方法，所述燃料电池堆包括至少一个燃料电池，所述至少一个燃料电池具有第一电极板和第二电极板、膜电极组件、被设置在所述第一电极板与所述膜电极组件之间的第一扩散介质和被设置在所述第二电极板与所述膜电极组件之间的第二扩散介质，所述方法包括：

从具有第一组材料特性的扩散介质组中选择第一扩散介质；

从具有第二组材料特性的扩散介质组中选择第二扩散介质，其中选择具有比所述第一扩散介质的压缩率大的压缩率的所述第二扩散介质；

其中所述第一扩散介质为阳极侧扩散介质，所述第二扩散介质为阴极侧扩散介质。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二扩散介质还具有比所述第一扩散介质的挠曲模量小的挠曲模量。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第二扩散介质还具有比所述第一扩散介质的孔隙率大的孔隙率。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述第二扩散介质还具有比所述第一扩散介质的透过率大的透过率。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第二扩散介质具有比所述第一扩散介质的微孔层厚度小的微孔层厚度。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述第二扩散介质具有比所述第一扩散介质的表面自由能小的表面自由能。

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