CN101714643B - 用于实现带有超薄电极的燃料电池的高中温性能的材料设计 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于实现带有超薄电极的燃料电池的高中温性能的材料设计。本发明公开了燃料电池,其包括亲水夹层和处理后以赋予亲水性质的流场的至少一个,其中所述亲水夹层和所述处理过的流场防止水在燃料电池的超薄电极中累积,尤其在冷启动操作条件(即,约0℃到约60℃)下。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池,更具体来说,涉及包括亲水夹层和亲水流场的至少之一以优化燃料电池内部的水管理的燃料电池。
背景技术
燃料电池已经被提出作为清洁、高效且环境友好的电源。单个的燃料电池可以被串联堆叠在一起形成燃料电池堆。燃料电池堆能够提供足够量的电力以为电动车辆提供动力。
一种燃料电池叫做质子交换膜(PEM)燃料电池。该PEM燃料电池包括膜电极组件(MEA),其一般包括薄的固体聚合物膜电解质,在该膜电解质两面上具有催化剂和电极。PEM燃料电池典型地包括三个基本部件:阴极、阳极和电解质膜。阴极和阳极典型地包括担载在碳颗粒上并与离聚物混合的细粒的催化剂,比如铂。电解质膜被夹在阴极和阳极之间以形成膜电极组件(MEA)。
MEA通常被设置在多孔扩散介质(DM)之间,该扩散介质便于输送气体反应物,典型的为氢气和氧气,以利于燃料电池的电化学反应。在燃料电池反应中,氢气在阳极处引入,在阳极处在催化剂的存在下发生电化学反应生成电子和质子。电子从阳极通过之间的电路被引入阴极。同时,质子穿过电解质到达阴极,在阴极处氧气在电解质和催化剂的存在下发生电化学反应生成氧阴离子。氧阴离子与质子反应生成反应产物水。
通常一对导电性端板或双极板夹着MEA形成单个PEM燃料电池。双极板作为阳极和阴极的集流器,且其中具有形成于其中的适宜的流动通道和开口以在电极表面分布燃料电池的气体反应物(即,氢气和氧气/空气)。
如本领域公知的,燃料电池内的电解质膜需要具有一定的相对湿度以有效传导质子。在燃料电池运行期间,来自燃料电池电化学反应的水分以及来自外部加湿的水分可以进入到双极板的流动通道内。典型的,水分被气体反应物的压力沿着流动通道推动,该压力是将水分从流动通道中移除的主要机制。然而,如果压力不够,水分能够累积,该现象称为滞留(stagnation)。滞留的水分能够堵塞流动通道并降低燃料电池的整体效率。大量水分累积或滞留也能够导致燃料电池的故障,尤其是发生在在于冻结的环境条件下的停机阶段之后,(在所述冻结的环境条件下累积的水分变成冰)。累积的水分和冰都可能导致气体不足。当气体不足的燃料电池是带有施加到其上的电负载的燃料电池堆中大量燃料电池之一时,气体不足已知会导致碳腐蚀。
将水分滞留最小化已成为可能,例如,通过用反应物气体周期性的高速吹扫通道或通过具有通常更高的反应物循环速率。然而,在MEA的阴极上,这增加施加到空气压缩机上的附加功率且降低系统整体效率。在MEA的阳极上使用氢气作为吹扫气体会降低经济性和系统效率,并增加系统复杂性。
减少通道中累积的水分还能够通过降低入口加湿度来实现。然而,合意的是在阳极和阴极中提供至少一定的相对湿度来水合燃料电池膜。干燥的入口气体具有使膜干燥的效果并会使燃料电池离子电阻增加。该方法还会负面影响膜的长期耐久性。
在具有超薄电极的燃料电池中,所有的反应集中在小空间里,这导致了阴极上严重的溢流和在阳极上的干燥。尤其在低于60℃的温度下,水的饱和压力太低以至于不能有效将水分从电极运到流动通道中。因此,燃料电池的冷启动性能受到不利影响,且对于在车辆应用中使用超薄电极提出了挑战。
因此,合意地会是形成水管理特征(water management feature),所述特征将累积的水分从具有超薄电极的燃料电池中运走,其中该特征是被动性的(passive)且改善燃料电池的性能,尤其是在冷启动运行条件下(即,约0℃到约60℃)。
发明内容
根据本发明,惊奇地发现了将累积的水分从具有超薄电极的燃料电池中运走的水管理特征,其中该特征是被动性的且改善燃料电池性能,尤其是在冷启动运行条件下(即,约0℃到约60℃)。
在一个实施方案中,燃料电池堆包括:具有形成在其表面上的流场的端板;多个双极板,每个双极板具有形成在其第一表面和第二表面中至少一个上的流场;以及设置在双极板之间的膜电极组件,该膜电极组件包括设置在阳极和阴极之间的膜,其中端板的流场和双极板的流场中至少一个包括亲水表面,其中膜电极组件中阳极和阴极中的至少一个包括邻近其设置的具有亲水表面的夹层。
在另一个实施方案中,燃料电池堆包括:至少一个在其表面上形成有流场的端板;至少一个具有形成在其第一表面和第二表面中至少一个上的流场的双极板;以及包括设置在超薄阳极和超薄阴极之间的膜的膜电极组件;以及邻近阳极和阴极至少一个设置的具有亲水表面的夹层。
在另一个实施方案中,燃料电池堆包括:至少一个在其表面上形成有流场的端板;至少一个具有形成在其第一表面和第二表面中至少一个上的流场的双极板,其中所述至少一个端板的流场和所述至少一个双极板的第一表面和第二表面中的至少一个的流场的至少之一包括亲水表面;膜电极组件置于每个板之间,该膜电极组件包括置于阳极和阴极之间的膜;以及邻近阳极和阴极中至少一个设置的夹层。
附图说明
根据优选实施方案的以下详细描述并借助于附图,本发明如上所述的以及其他优点对于本领域技术人员来是显而易见的,其中:
图1是燃料电池堆的分解透视示意图,示出了两个燃料电池;
图2是根据本发明一个实施方案的PEM燃料电池的局部横截面图;
图3是具有两个亲水夹层的PEM燃料电池的局部横截面图;
图4是根据本发明另一个实施方案的PEM燃料电池的局部横截面图,示出了经处理以赋予亲水性的流场;
图5是PEM燃料电池的局部横截面图,示出了两个经处理赋予亲水性的流场;
图6是根据本发明另一个实施方案的PEM燃料电池的局部横截面图,示出了亲水夹层和经处理以赋予亲水性的流场;
图7是PEM燃料电池的局部横截面图,示出了两个亲水夹层和两个经处理以赋予亲水性的流场;
图8是包括带有超薄电极的MEA的典型燃料电池堆在高中温下(athigh mid-temperatures)的电流电压性能图;
图9是带有亲水夹层的燃料电池堆在高中温下的电流电压性能图;
图10是带有经处理以赋予亲水性的流场的燃料电池堆在高中温下的电流电压性能图;
图11是燃料电池堆在高中温下的电流电压性能图,该燃料电池堆具有亲水夹层和经处理以赋予亲水性的流场;
图12在冷启动运行温度和正常运行温度下燃料电池堆的性能受亲水夹层的厚度的影响图。
具体实施方式
以下的详细说明和附图描述并示出了本发明各种示例性实施方案。该说明书和附图使得本领域技术人员能够制造和使用本发明,并不意在以任何方式限制本发明的范围。
简化起见,这里只举例示出和描述了两个电池的电池堆(即,一个双极板),应当理解典型的电池堆将会具有更多这样的电池和双极板。
图1示出了两电池质子交换膜燃料电池堆2,具有一对膜电极组件(MEA)4、6,其被导电性流体分布元件8彼此间隔开,以后称之为双极板8。MEA4、6和双极板8被堆叠在一起置于末端元件10、12以及端板14、16之间。端板14、双极板8的两个活性表面以及端板16中的每一个都带有各自的流场18、20、22、24,以将例如如H2的燃料和如O2的氧化性气体分布到MEA4、6。如图2所示,流场18、20、22、24包括多个流体路径或流动通道17以及多个平台(land)25。应当理解,流动通道17可以具有任何需要的形状,比如梯形、矩形、三角形、波浪形、锯齿形等等。非传导性的垫圈26、28、30、32在燃料电池堆2的相邻的导电性元件之间提供密封和电绝缘。
多孔导电扩散介质(DM)34、36、38、40与MEA4、6的电极面对接。这些DM 34、36、38、40可以用有利于反应物在MEA4,6的电极面和电解质膜上分散的材料构成,例如织造石墨、石墨化片和碳纸等。端板14、16分别压住DM 34、40,而双极板8对接在MEA4的阳极面上的DM 36,所述DM36被设置成接收含有氢气的反应物,并对接在MEA 6的阴极面上的DM 38,所述DM38被设置成接收含有氧气的反应物。含有氧气的反应物通过合适的供应管道42被从储藏罐46供应到燃料电池堆2的阴极侧,而含有氢气的反应物通过合适的供应管道44被从储藏罐48供应到燃料电池堆2的阳极侧。或者,环境空气可以被供应到阴极侧作为含有氧气的反应物,并从甲醇或汽油重整器中向阳极侧供应氢气,等等。MEA4、6的阳极和阴极侧均提供了排气管(未示出)。提供附加管道50、52、54以向双极板8和端板14、16提供冷却剂。同样为从双极板8和端板14、16排出的冷却剂提供了合适的管道(未示出)。
图2示出了根据本发明一个实施方案的组装的燃料电池堆2的燃料电池的一部分。简化起见,下面仅进一步描述了MEA 4,应当理解,其余的MEA在结构上基本类似。MEA 4包括夹在超薄阳极64和超薄阴极66之间的质子交换膜(PEM)62。在示出的实施方案中,阳极64和阴极66均不到2μm厚。然而,应当理解,阳极64和阴极66能够具有任何需要的厚度。阳极64和阴极66典型地包括多孔传导性材料68,有催化剂颗粒70分散在其中以利于在阴极66中的氧气和在阳极64中的氢气的电化学反应。
在示出的实施方案中,具有亲水表面的夹层72被设置在阴极66和DM 34之间。应当理解,如果需要,另一具有亲水表面的夹层82能够如图3所示被设置在阳极64和DM 36之间。夹层72、82的亲水表面能够通过表面处理诸如向夹层72、82的表面施加涂层、将夹层72、82的表面进行机械加工等来制成。应当理解,施加到夹层72、82表面的涂层可以是诸如亲水聚合物、碳和离聚物(a carbon and ionomer)、功能化碳、还原性氧化物、填隙化合物(interstitialcompound)等的导电材料。夹层72、82也能够是由诸如亲水聚合物薄层、碳和离聚物层、功能化碳层、还原性氧化物层、填隙化合物层等的导电材料制成。然而,应当理解,夹层72、82还能够通过向阴极66和阳极64分别施加亲水涂层、对阴极66和阳极64分别进行机械加工等等来制成。还应当理解的是,施加到阴极66和阳极64的涂层可以是导电性材料,例如亲水聚合物、碳和离聚物、功能化碳、还原性氧化物、填隙化合物等。夹层72、82适于防止过多的产物水在阴极66和阳极64至少一个上的累积,并允许反应物到达其中的催化颗粒70。夹层72、82厚度例如可以从约0.5μm到约15μm。在示出的实施方案中,夹层72、82是约0.5μm到约3μm厚。然而,应当理解,夹层72、82能够具有需要的任何厚度。
DM 34被设置在端板14和夹层72之间,而DM 34的多孔基质层74邻近端板14的流场18设置。DM 34的微孔层76邻近夹层72设置。DM 36被设置在双极板8的阳极侧与如图2所示的阳极64和如图3所示的夹层82之一之间,DM 36的多孔基质层78邻近双极板8的流场20设置。DM 36的微孔层80被设置为邻近如图2所示的阳极64和如图3所示的夹层82之一。应当理解,夹层72、82不受限于所采用的DM类型或者其微孔层76、80的存在。
在应用中,氢气被从氢气源48供应到燃料电池堆2的端板16和双极板8的阳极侧。氧气被从氧气源46供应到端板14和双极板8的阴极侧作为氧化剂。或者,环境空气可以被作为氧化剂供应到阴极侧,而氢气可以从甲醇或汽油重整器被供应到阳极侧。
在阳极64处,氢气被催化分解为质子和电子。形成的质子穿过PEM62到达阴极66。电子沿着外部负载环路(未示出)到达MEA 4的阴极66,从而产生燃料电池堆2的电流输出。同时,氧气物流被输送至MEA 4的阴极66。在阴极66处,氧分子和穿过PEM 62的质子和通过外部环路到达的电子反应生产水(未示出)。虽然,阳极64不会遇到与阴极66相同的液体水管理问题,这是因为产物水仅在阴极66上生成,但是一些水能够通过反扩散通过PEM 62累积在阳极64上。DM 34、36在湿操作条件下或者在燃料电池堆2的燃料电池的湿润区域处移除多余的水分以避免阳极64和阴极66的溢流。在于操作条件下或者燃料电池堆2的燃料电池的干燥区域处,DM 34、36维持PEM 62一定程度的水合以保证合适的质子传导率。夹层72、82分别防止过度的水分积聚在阴极66和阳极64上,并允许反应物到达其中的催化颗粒70。燃料电池堆2中的水管理是燃料电池堆2的成功长期运行的一部分。
图4和图5示出了根据本发明另一实施方案的组装燃料电池堆2’的燃料电池的一部分,类似图2和图3所示。在图4和图5中采用撇号(’)针对与图2和3的描述相关的类似结构重复使用了附图标记。
简化起见,下面仅详细描述了MEA 4’,应当理解,其他的MEA在结构上基本类似。MEA 4’包括夹在超薄阳极64’和超薄阴极66’之间的PEM 62’。在示出的实施方案中,阳极64’和阴极66’均不到2μm厚。然而应当理解,阳极64’和阴极66’可以具有任何需要的厚度。阳极64’和阴极66’典型地包括多孔导电材料68’,催化颗粒70’分布在其中以便于阴极66’中的氧气和阳极64’中的氢气发生电化学反应。
DM 34’设置在端板14’和阴极66’之间,DM 34’的多孔基质层74’邻近端板14’的流场18’设置。DM 34’的微孔层76’邻近阴极66’设置。DM 36’设置在双极板8’的阳极侧和阳极64’之间,DM 36’的多孔基质层78’邻近双极板8’的流场20’设置。DM 36’的微孔层80’邻近阳极64’设置。
端板14’和双极板8’的流场18’、20’分别能够适于通过非机械手段,例如毛细作用来有效排放来自DM 34’、36’的产物水,从而最小化DM 34’、36’中的水饱和度和反应物的传质阻力。在示出的实施方案中,流场18’经处理以赋予亲水性能,例如其具有亲水表面90。作为非限制性示例,流场18’包括亲水表面90和形成在其中的邻近DM 34’的多个孔(未示出)的至少之一。应当理解,流场18’的亲水表面90能够通过任何表面处理产生,比如图4、5所示的施加亲水涂层、施加吸附的试剂、使用亲水材料形成流场18’、对表面进行机械加工、在其中形成多个孔等等。适宜的亲水涂层的实例包括但不限于金属氧化物。如所示出的,流场18’的多个通道17’和多个平台25’被处理以赋予亲水性。然而,应当理解,如果需要,可以只将通道17’和平台25’中的一个处理以赋予亲水性。具有亲水性的流场18’,适于通过毛细作用将水从DM 34’吸走。应当理解,如果需要的话,流场20’也可以被处理以赋予亲水性。在图5示出的非限制性实例中,流场20’包括亲水表面92。应当理解,流场20’的亲水表面92可以通过任何表面处理制成,例如图5所示的施加亲水涂层、施加吸附的试剂、用亲水材料形成流场20’、机械加工其表面、在其中形成多个孔等。适宜的亲水涂层的例子包括但不限于金属氧化物。如所示出的,流场18’的多个通道17’和多个平台25’被处理以赋予亲水性。然而,应当理解,如果需要,可以仅处理通道17’和平台25’中的一个以赋予亲水性。具有亲水性的流场20’适于通过毛细作用将水从DM 36’吸走。应当理解,流场18’、20’不受限于采用的DM类型或其微孔层76’、80’的存在。
在应用中,氢气从氢气源被供应到燃料电池堆2’的端板和双极板8’的阳极侧。氧气被从氧气源作为氧化剂供应到端板14’和双极板8’的阴极侧。或者,环境空气可以作为氧化剂被供应到阴极侧,氢气可以被从甲醇或汽油重整器中供应到阳极侧。
在阳极64’处,氢气被催化分解为质子和电子。形成的质子穿过PEM62’到达阴极66’。电子沿着外部负载环路(未示出)到达MEA 4’的阴极66’,从而产生燃料电池堆2’的电流输出。同时,氧气物流被输送至MEA 4’的阴极66’。在阴极66’处,氧分子和穿过PEM 62’的质子和通过外部环路到达的电子反应形成水(未示出)。虽然,阳极64’不会遇到与阴极66’相同的液体水管理问题,这是因为产物水仅在阴极66’上生成,但是一些水可以由于反扩散通过PEM62’而累积在阳极64’上。DM 34’、36’在湿操作条件下或者在燃料电池堆2’的燃料电池中的湿润区域处移除多余的水分以避免阳极64’和阴极66’的溢流。在干燥操作条件下或在燃料电池堆2’的燃料电池的干燥区域处,DM 34’、36’维持PEM 62’一定程度的水合以保证合适的质子传导率。流场18’、20’,尤其是亲水表面90、92,的亲水性防止过多的水分分别积聚在阴极66’和阳极64’上,并允许反应物到达其中的催化颗粒70’。亲水性提高了阳极64’、阴极66’以及DM 34’、36’的水管理性能,并防止其中发生溢流,同时更加有利于水的移除。燃料电池堆2’中的水管理是燃料电池堆2’的成功长期运行的一部分。
图6和图7示出了根据本发明另一实施方案的组装的燃料电池堆2”的燃料电池的一部分,类似于图2、3、4和5所示。图6、7中用双撇号(”)针对和图2、3、4和5中的描述相关的类似结构重复了附图标记。
简化起见,下面仅进一步描述了MEA 4”,应当理解,其他的MEA在结构上基本类似。MEA 4”包括夹在超薄阳极64”和超薄阴极66”之间的PEM62”。在示出的实施方案中,阳极64”和阴极66”均不到2μm厚。然而应当理解,阳极64”和阴极66”可以具有任何需要的厚度。阳极64”和阴极66”典型地包括多孔导电材料68”,催化颗粒70”分布在其中以便于阴极66”中的氧气和阳极64”中的氢气发生电化学反应。
在示出的实施方案中,具有亲水表面的夹层72”被设置在阴极66”和DM 34”之间。应当理解,如果需要的话,另一具有亲水表面的夹层82”可以如图7所示被设置在阳极64”和DM 36”之间。夹层72”、82”的亲水表面可以通过诸如向夹层72”、82”的表面施加涂层、将夹层72”、82”的表面进行机械加工等表面处理来制成。应当理解,施加到夹层72”、82”表面的涂层可以是诸如亲水聚合物、碳和离聚物、功能化碳、还原性氧化物、填隙化合物等的导电材料。夹层72”、82”也可以是由诸如亲水聚合物薄层、碳和离聚物层、功能化碳层、还原性氧化物层、填隙化合物层等的导电材料制成。然而,应当理解,夹层72”、82”还可以通过向阴极66”和阳极64”分别施加亲水涂层、对阴极66”和阳极62”分别进行机械加工等等来制成。还应当理解的是,施加到阴极66”和阳极64”的涂层可以是导电性材料,例如亲水聚合物、碳和离聚物、功能化碳、还原性氧化物、填隙化合物等。夹层72”、82”适于防止过多的产物水在阴极66”和阳极64”上累积,并允许反应物到达其中的催化颗粒70”。夹层72”、82”厚度例如可以从约0.5μm到约15μm。在示出的实施方案中,夹层72”、82”约0.5μm到约3μm厚。然而,应当理解,夹层72”、82”可以具有需要的任何厚度。
DM 34”设置在端板14”和夹层72”之间,DM34”的多孔基质层74”邻近端板14”的流场18”设置。DM 34”的微孔层76”邻近夹层72”设置。DM 36”设置在双极板8”的阳极侧与如图6所示的阳极64”和如图7所示的夹层82”的一个之间,DM 36”的多孔基质层78”邻近双极板8”的流场20”设置。DM 36”的微孔层80”邻近如图6所示的阳极64”和如图7所示的夹层82”之一设置。应当理解,夹层72”、82”不受限于所采用的DM的类型或者其微孔层76”、80”的存在。
端板14”和双极板8”的流场18”、20”分别能够适于通过诸如毛细作用的非机械方法有效地将产物水从DM 34”、36”中排出,从而将DM 34”、36”的水饱和和反应物的传质阻力最小化。在示出的实施方案中,流场18”被处理以赋予亲水性,例如具有亲水表面90”。作为非限制性实例,流场18”包括亲水表面90”和形成在其中的邻近DM 34”的多个孔中的至少一个。应当理解,流场18”的亲水表面90”可以通过任何表面处理形成,比如图6、7所示的施加亲水涂层、施加吸附的试剂、使用亲水材料形成流场18”、对表面进行机械加工、在其中形成多个孔等等。如所示出的,流场18”的多个通道17”和多个平台25”被处理以赋予亲水性。然而,应当理解,如果需要,可以只将通道17”和平台25”中的一个处理以赋予亲水性。具有亲水性的流场18”,适于为通过毛细作用将水从DM34”吸走。应当理解,如果需要的话,流场20”也可以被处理以赋予亲水性。在图7示出的非限制性实例中,流场20”包括亲水表面92”。应当理解,流场20”的亲水表面92”可以通过任何表面处理制成,例如图7所示的施加亲水涂层、施加吸附的试剂、用亲水材料形成流场20”、机械加工其表面、在其中形成多个孔等。如所示出的,流场20”的多个通道17”和多个平台25”被处理以赋予亲水性。然而,应当理解,如果需要,可以仅处理通道17”和平台25”中的一个以赋予亲水性。具有亲水性的流场20”适于通过毛细作用将水从DM 34”中吸走。应当理解,流场18”、20”不受限于所采用的DM的类型或其微孔层76”、80”的存在。
在应用中,氢气被从氢气源供应到燃料电池堆2”的端板和双极板8”的阳极侧。氧气作为氧化剂被从氧气源供应到端板14”和双极板8”的阴极侧。或者,环境空气可以被作为氧化剂供应到阴极侧,而氢气可以从甲醇或汽油重整器被供应到阳极侧。
在阳极64”处,氢气被催化分解为质子和电子。形成的质子穿过PEM62”到达阴极66”。电子沿着外部负载环路(未示出)到达MEA4”的阴极66”,从而产生燃料电池堆2”的电流输出。同时,氧气物流被输送至MEA 4”的阴极66”。在阴极66”处,氧分子和穿过PEM 62”的质子和通过外部环路到达的电子反应形成水(未示出)。虽然,阳极64”不会遇到与阴极66”相同的液体水管理问题,这是因为产物水仅在阴极66”上生成,但是一些水可以由于反扩散通过PEM 62”累积在阳极64”上。DM 34”、36”在湿操作条件下或者在燃料电池堆2”的燃料电池的湿润区域处移除多余的水分以避免阳极64”和阴极66”的溢流。在干操作条件下或在燃料电池堆2”的燃料电池的干燥区域处,DM 34”、36”维持PEM 62”一定程度的水合以获得适当的质子传导率。夹层72”、82”分别防止过度的水分积聚在阴极66”和阳极64”上,并允许反应物到达其中的催化颗粒70”。
流场18”、20”,尤其是亲水表面90”、92”,的亲水性能进一步防止过量的水分别积聚在阴极66”和阳极64”上,并允许反应物到达其中的催化颗粒70”。亲水性提高了阳极64”、阴极66”以及DM 34”、36”的水管理,并防止其发生溢流,同时更加有利于水的移除。燃料电池堆2”中的水管理是燃料电池堆2”的成功长期运行的一部分。
在不同的操作条件下测试燃料电池堆2、2’、2”。图8、9、10和11示出了在30℃、40℃、50℃、60℃和80℃电流密度(A/cm2)和电压(V)的关系曲线。应当理解,在30℃、40℃、50℃和60℃下对燃料电池堆2、2’、2”的测试模拟了冷启动运行条件,在80℃的测试模拟了正常运行条件。
图8示出了具有带有超薄电极和流场的标准MEA的典型燃料电池堆的电流密度对电压的曲线。该燃料电池堆在150kPa和100%的相对湿度下在30℃、40℃、50℃、60℃和80℃的温度下运行。
图9示出了具有邻近阴极66设置的亲水夹层72的燃料电池堆2的电流密度对电压的图,该亲水夹层产自碳和离聚物材料,约3μm厚。该燃料电池堆2在150kPa和100%的相对湿度下在30℃、40℃、50℃、60℃和80℃的温度下运行。30℃、40℃和50℃的曲线示出电流密度的显著增加,和相同电压下的典型燃料电池堆相比是约2×的关系。60℃和80℃的曲线没有表现出明显的区别。
图10示出了包括具有亲水性质的流场18’、20’的燃料电池堆2’的电流密度对电压的图。该燃料电池堆2’在150kPa和100%的相对湿度下在30℃、40℃、50℃、60℃和80℃的温度下运行。30℃、40℃和80℃的曲线和具有标准流场的典型燃料电池堆相比在电流密度上没有明显区别。50℃和60℃的曲线表现出明显的增加,尤其在较低电压处。
图11示出了具有邻近阴极66”设置的亲水夹层72”并包括具有亲水性质的流场18”、20”的燃料电池堆2”的电流密度对电压的图,该亲水夹层产自碳和离聚物材料,约1μm厚。该燃料电池堆2”在150kPa和100%的相对湿度下在30℃、40℃、50℃、60℃和80℃的温度下运行。30℃、40℃、50℃和60℃的曲线示出电流密度的显著增加,和相同电压下的典型燃料电池堆相比是约2×的关系。80℃的曲线没有表现出明显的区别。
图12示出了产自碳和离聚物材料的亲水夹层72的厚度对于燃料电池堆2在冷启动操作温度(30℃)和正常运行温度(80℃)的性能的影响。燃料电池堆2的冷启动性能随着亲水夹层72从约0μm增加到约3μm的厚度而提高。然而,在从约3μm到约12μm的厚度范围中,冷启动性能略微降低并基本处于平台期。此外,燃料电池堆2的正常性能随着亲水夹层72从约0μm增加到约12μm的厚度而降低。燃料电池堆2的正常性能的降低可能是由于阴极66中水分累积的增加和较高的传质阻力引起的。如该实例所示,产自碳和离聚物材料的亲水夹层72的最佳厚度为约0.5μm到约3μm。然而应当理解,所述最佳厚度取决于用来生产亲水夹层72的材料的孔隙率和孔尺寸。
因此,在上述实例中已经示出了不同的亲水修饰对于带有超薄阳极和超薄阴极的燃料电池堆在针对高中温的相对湿的运行条件下的益处。至少一个亲水夹层和具有亲水性能的流场一起设置已经表现出对于电流密度的最大化和对燃料电池堆内部水管理能力的最优化,尤其在冷启动运行条件下(即,约0℃到约60℃)。
根据上述描述,本领域普通技术人员能够容易确定本发明的实质特征,并且在不偏离其主旨和范围的情况下,能够对本发明做出各种变形和改进以使其适应于各种用途和条件。
Claims (20)
1.燃料电池堆,包括:
具有形成在其表面上的流场的端板;
多个双极板,每个双极板具有形成在其第一表面和第二表面的至少一个上的流场;以及
设置在所述双极板之间的膜电极组件,该膜电极组件包括设置在阳极和阴极之间的膜,
其中所述端板的流场和所述双极板的流场中的至少一个包括亲水表面,其中所述膜电极组件的所述阳极和所述阴极中至少一个包括邻近其设置的具有亲水表面的夹层,其中所述膜电极组件的所述阳极和所述阴极与多孔导电扩散介质对接,并且其中具有亲水表面的夹层被设置在阴极和多孔导电扩散介质之间和/或具有亲水表面的夹层被设置在阳极和多孔导电扩散介质之间。
2.如权利要求1所述的燃料电池堆,其中所述流场的至少之一和所述夹层的亲水表面经表面处理而制成。
3.如权利要求1所述的燃料电池堆,其中所述流场的至少一个的亲水表面是由下述手段中至少一个制成:施加亲水材料的涂层、施加吸附的试剂、用所述亲水材料形成所述流场、以及在其中形成多个孔。
4.如权利要求3所述的燃料电池堆,其中所述夹层的所述亲水表面由施加所述亲水材料的涂层和由所述亲水材料形成所述夹层中的至少一种来形成。
5.如权利要求4所述的燃料电池堆,其中所述亲水材料是亲水聚合物、碳和离聚物、功能化碳、还原性氧化物、和填隙化合物中的至少之一。
6.如权利要求1所述的燃料电池堆,其中所述夹层的所述亲水表面由导电材料制成。
7.如权利要求1所述的燃料电池堆,其中所述阳极和所述阴极的每一个都不到2μm厚。
8.如权利要求1所述的燃料电池堆,其中所述夹层为0.5μm到15μm厚。
9.如权利要求8所述的燃料电池堆,其中所述夹层为0.5μm到3μm厚。
10.燃料电池堆,包括:
至少一个具有形成在其表面上的流场的端板;
至少一个具有形成在其第一表面和第二表面中至少一个上的流场的双极板;以及
包括设置在超薄阳极和超薄阴极之间的膜的膜电极组件,其中所述超薄阳极和所述超薄阴极与多孔导电扩散介质对接;以及
邻近所述阳极和所述阴极中至少一个设置的具有亲水表面的夹层,其中具有亲水表面的夹层被设置在超薄阴极和多孔导电扩散介质之间和/或具有亲水表面的夹层被设置在超薄阳极和多孔导电扩散介质之间。
11.如权利要求10所述的燃料电池堆,其中所述夹层的所述亲水表面经表面处理形成。
12.如权利要求10所述的燃料电池堆,其中所述夹层的所述亲水表面由施加所述亲水材料的涂层和由所述亲水材料形成所述夹层中至少之一形成。
13.如权利要求10所述的燃料电池堆,其中所述亲水材料是亲水聚合物、碳和离聚物、功能化碳、还原性氧化物和填隙化合物中至少一种。
14.如权利要求10所述的燃料电池堆,其中所述夹层的所述亲水表面由导电性材料形成。
15.如权利要求10所述的燃料电池堆,其中所述阳极和所述阴极中每一个均不到2μm厚。
16.如权利要求10所述的燃料电池堆,其中所述夹层为0.5μm到15μm厚。
17.如权利要求10所述的燃料电池堆,其中所述夹层为0.5μm到3μm厚。
18.燃料电池堆,包括:
至少一个具有形成在其表面上的流场的端板;
至少一个具有形成在其第一表面和第二表面中至少一个上的流场的双极板,其中所述至少一个端板的所述流场和所述至少一个双极板的第一表面和第二表面的至少一个的所述流场的至少之一包括亲水表面;
设置在每个板之间的膜电极组件,所述膜电极组件包括设置在阳极和阴极之间的膜,其中所述膜电极组件的所述阳极和所述阴极与多孔导电扩散介质对接;以及
邻近所述阳极和所述阴极中至少一个设置的夹层,其中具有亲水表面的夹层被设置在阴极和多孔导电扩散介质之间和/或具有亲水表面的夹层被设置在阳极和多孔导电扩散介质之间。
19.如权利要求18所述的燃料电池堆,其中所述夹层包括亲水表面,并且所述流场的至少一个和所述夹层的所述亲水表面经表面处理形成。
20.如权利要求18所述的燃料电池堆,其中所述夹层包括亲水表面,并且所述流场的至少一个和所述夹层由亲水材料制成。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130417 Termination date: 20200930 |
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