CN101897070A - 燃料电池堆中扩散层的液态水渗透性的调节 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池堆(31)，包括多个燃料电池(9)，其中每个具有电解液如PEM(10)、阳极和阴极催化剂层(13、14)、阳极和阴极气体扩散层(16、17)、以及与该气体扩散层邻接的水传输板(21、28)。靠近该堆阴极端(36)的电池的阴极扩散层具有高透水性，如在约80℃和约1大气压下大于3×10-4g/(Pas m)，而在约80℃和约1大气压下靠近阳极端(35)的电池的阴极气体扩散层具有大于3×10-4g/(Pas m)的水蒸气渗透性。在一个实施方案中，靠近该堆阳极端(35)的电池的阳极气体扩散层具有比靠近阴极端的电池的阳极气体扩散层更高的液态水渗透性；第二个实施方案颠倒了该关系。

Description

燃料电池堆中扩散层的液态水渗透性的调节
技术领域
考虑到在冷却(且可能冷冻)过程中水向着燃料电池堆的较冷部分运动，根据每个电池在该燃料电池堆中的位置调节每一电池阳极和阴极气体扩散层的液态水渗透性，以促进水向水传输板运动且远离催化剂，尤其是阴极催化剂。通过在该冷却过程中控制每个电池中水的运动，可以改善该堆的冷启动性能。
背景技术
之前有人提出，燃料电池堆在低于冰点温度的启动步骤受制于电极的多孔催化剂层中存在的冰。该冰阻止反应物气体到达电极催化剂层的表面某些部分或甚至全部表面。为了避免这样一种情况，提出了很多建议，以当该堆正关闭时从该堆中移除全部水和水蒸气，从而使冰在复原动作中不可能出现。这样的系统成本高、粗劣、相当耗时，并且在当今的确并不非常适合于车辆中使用的燃料电池能量设备。电池堆装置的干燥是良好的冷启动性能所必需的，可导致强烈的膜应力，引起过早的膜破裂。
解决该催化剂/冰问题的其他方案包括各种各样的加热方法，它们也是高成本、麻烦的和耗时的，并且并不非常适合用于车辆用途。
概述
认识到在燃料电池堆中的水会趋于向冰冻锋(沿着温度梯度向较低温度)移动这一事实，当催化剂层处于比与其相应的水传输板(WTP)更低的温度时，使所述气体扩散层(GDL)的液态水渗透性(透水性)比正常水平低，而当催化剂层处于比与其相应的水传输板更高的温度时，所述液态水渗透性比正常水平高。GDL透水性的这一分级使燃料电池能够引导水远离催化剂层向该堆任意一端的水传输板运动，因此最大程度地减少由于冰阻碍气体向电池催化剂层传输造成的启动问题。
此处，“堆的阳极端”和“阳极端”定义为该堆的终端，其中最靠近那个终端的该燃料电池的阳极比最邻近的燃料电池的阴极更靠近那个终端。
特别地，在该堆的阳极端，当该堆在关闭时冷却时，每个电池的阳极水传输板更靠近该堆端极板，因此每个WTP将比其相连的阳极催化剂层更冷。因此，在关闭步骤中，水存储通常趋向通过阳极气体扩散层(GDL)移向水传输板。由于水的这一迁移有助于燃料电池从冷冻条件下重启的性能，因此在该堆的阳极端处，与每个阳极催化剂层邻接的GDL具有比通常液体渗透性更强的渗透性以促进水迁移远离阳极催化剂层。
另一方面，在该堆的阳极端，阴极催化剂层更靠近阳极端板，因此比其相连的阴极水传输板更冷。因此，在关闭步骤中，燃料电池水存储通常将从水传输板(丰水处)向阴极催化剂层迁移。为了阻止这一水流，使该阴极GDL具有比正常水平低的液体渗透性。
当堆温在堆的阳极端处是在在冰点之下，并且在阳极WTP的小孔中发生冻结时，液体压力降低，把水从该阳极催化剂层中抽出(抽向阳极水传输板)，由此使阳极催化剂层变干。另一方面，当水在阴极催化剂层的小孔中结冰时，水通过阴极GDL从阴极水传输板中抽出，进入阴极催化剂层。当将水抽进阴极催化剂层时，冰的压力增强，迫使通常中空的阴极催化剂的小疏水孔填满冰。一旦将阴极催化剂层的这些孔填满，那么它们会很难变空。这一阴极条件导致从结冰温度自举启动(boot strap start)后所见的性能损耗。虽然这一现象也发生在填充堆阴极端的阳极催化剂层时，但由于快速氢/氧动力学和氢扩散性能，燃料电池更能容忍阳极催化剂层溢流。而且，在正常燃料电池运行中由于从该阳性电极向该阴性电极的电渗排水，阳极催化剂层溢流更易恢复。
由于在催化剂层中有小孔并且水可在膜电极装置本身中流动，这一水流动问题也存在于不利用水传输板的燃料电池能量装置中。但是，在该电池中具有少得多的可用于流动的水存储(在GDL和气体通道中有一些液态水)，所以该问题不太严重。
相反的情形发生在堆的另一端。
在堆的阴极端，当该堆随关闭冷却时阳极催化剂层更靠近阴极堆端板并且因此比其相连的阳极水传输板更冷。结果，在关闭步骤中，燃料电池水存储从水传输板向阳极催化剂层迁移。为了阻止这一水流，使在该堆阴极端的阳极GDL具有比正常水平低的透水性。
在该堆的阴极端，阴极水传输板更靠近阴极堆端板，并且因此水从阴极催化剂向阴极水传输板迁移。为了促进该水流，使在该堆阴极端的阴极GDL具有比正常水平高的透水性。
在此，该配置可用于在该堆的每一端的若干电池中，或者如果期望的话在该堆的每一端最多用于该堆的一半中，但是一般不必用于该堆的每个电池中。例如，在此将该原则应用于堆任一端的8个或10个电池中通常将足以避免末端电池中的阻塞反应物气体冰块阻塞。该配置可用于具有固体聚合物电解质或液体电解质的燃料电池堆。该配置可用于具有外部、内部或多个水处理系统的组合(包括冷却)的能量装置中。
通过利用对上文提到的对电池阳极溢流的容限，第二具体实施方案极大地减少了与溢流电极催化剂层有关的性能问题。在该第二具体实施方案中，位于该堆阳极端的阴极和阳极的GDL具有比正常水平低的透水性，而位于该堆阴极端的阴极和阳极的GDL具有比正常水平高的透水性。
通过利用对上文提到的对电池阳极溢流的容限，第三具体实施方案也极大地减少了与电极催化剂层溢流有关的性能问题。在该第三具体实施方案中，位于堆阳极端的阴极和阳极的GDL具有低透水性，而在堆的阴极端，阴极的GDL具有高透水性，阳极的GDL具有低透水性。
根据对下面如附图所示的示例性实施方案的详细描述，其他变化将变得显而易见。
附图简述
图1是可使用本发明配置的示例形式的一对邻接燃料电池的局部侧视图。
图2是在堆的阳极端和阴极端与阳极和阴极相关的本发明配置的第一实施方案中的燃料电池堆和GDL透水性间关系的程式化图示说明。
图3是在堆的阳极端和阴极端与阳极和阴极相关的本发明配置的第二实施方案中燃料电池堆和GDL透水性间关系的程式化图示说明。
图4是在堆的阳极端和阴极端与阳极和阴极相关的本发明配置的第三实施方案中燃料电池堆和GDL透水性间关系的程式化图示说明。
具体实施方式
参考图1，可以有利地使用本发明配置的一种形式的一对燃料电池中的每一个都包括质子交换膜10(PEM)。在该PEM 10的一个表面上有阳极催化剂层13，并且在该PEM的相对表面上有阴极催化剂层14。相邻于该阳极催化剂层有多孔阳极气体扩散层16(GDL)，并且相邻于该阴极催化剂层有多孔阴极GDL17。将燃料提供给在阳极水传输板21(WTP)中的燃料反应物气体流场通路20中的阳极，所述阳极水传输板21有时是指燃料反应物流场板。该水传输板21是多孔的并且至少有点亲水性以提供水通路、如通路24(其可形成在水传输板与燃料通路20相对的对立面上)和燃料通路20间的液体连通。
类似地，通过在此描述为与燃料通路20正交的氧化剂反应物气体流场通路27提供空气。该空气通路27形成在阴极水传输板28的一个表面上，所述阴极水传输板28具有与水传输板21相似的特征。
所述催化剂是通常与全氟化聚合物混合的常规PEM支持的贵金属涂料，例如以商标
Figure BPA00001176802000041
销售的那些，其可能含有也可能不含有聚四氟乙烯。所述PEM 10由质子传导材料组成，典型地为全氟化聚合物，例如以商标
Figure BPA00001176802000042
销售的。使水从水通路24通过多孔的、亲水性WTP 21和阳极GDL 16转移，以润湿PEM。在催化剂层发生了化学反应，其中将两个氢气双原子分子催化转化成四个正价氢离子(质子)和四个电子。质子通过PEM迁移到阴极催化剂。电子通过燃料电池堆从电连接中逸出并且穿过外载荷，做有用功。到达阴极的电子与两个氧原子和四个氢离子结合，形成两个水分子。在阳极该反应需要水灌输到阳极催化剂，而在阴极该反应需要脱除从电化学反应过程中产生的产物水以及通过移动质子(和渗透)从阳极经PEM抽出的水。
阴极催化剂层14类似地为多孔性，而且GDL 17为多孔性，以允许空气从通路27到达阴极催化剂并且允许产物和质子抽出水迁移至阴极WTP，其中最终该水将到达水通路24。在具有外部水处理系统的能量装置中，水将脱离电池堆，以用于可能的冷却、储存和在需要时返回电池堆。
参见图2，描述了一个燃料电池堆31，在其顶部具有一起压在端板32间的多个邻接的燃料电池9。具有阳极堆末端35和阴极堆末端36。典型地，该燃料电池在通常为37℃(100°F)或更低的环境中，在60℃(140°F)以上的温度下运行。在某些情况下，该环境可低于水的结冰温度。每当该燃料电池关闭时，该燃料电池的末端比该燃料电池的中心更快地冷却下来，尤其在外部反应物气体歧管或者隔热材料包围该堆之处。因此，未处于该堆末端的每个电池比更靠近该堆末端的相邻电池稍微热一些。因此，具有一个从该堆末端向该堆中心升高的温度梯度，其中该堆向中心电池方向变热。如图2所示，这一温度梯度也存在于靠近该堆末端的每一燃料电池的不同部分之间。沿着图2更靠下面的部分，浅虚线箭头指示水迁移为温度梯度的函数，而较深的虚线箭头指示从冰产生的迁移，如上文所描述的。
沿着图2-4的底部，根据前文的描述，发现不同的GDL如期望地具有比正常水平高的液态水渗透性或者低液态水渗透性。
通过调整构成GDL的纸的特征，可实现液态水渗透性的变化，其中所述纸典型地是纤维和微粒碳的混合物，如可容易得到的
Figure BPA00001176802000051
纸中的一种，其具有对于反应物气体的合适通路适宜的孔隙率和孔径。然后通过加入合适聚合物如PTFE的合适薄涂层，调整疏水性程度。另一方面，可通过在该纸的制作过程中加入合适的热塑性树脂来生产具有期望疏水性的纸。
在图3的实施方案中，依靠阳极的排水能力和再生性能，在该堆全部两个末端处的阳极GDL的透水性支持水向阳极催化剂迁移。但是，在该堆全部两个末端的阴极GDL的透水性阻止水向阴极催化剂迁移。
图4的实施方案利用了对在电池阳极处的溢流的容限。在图4中，在该堆阳极端的阴极和阳极的GDL具有低透水性，而在该堆阴极端，阴极GDL具有高透水性，阳极GDL具有低透水性。
如此处所用，气体扩散层定义为在电极和水传输板间插入的一个或多个层。有时称其为支持层。有时支持层被认为具有与水传输板相邻的基片和与催化剂相邻的微孔层。典型地，所述基片是相对亲水性的，而相邻微孔层是相对疏水性的。因此，包括基体和微孔层的支持层在此将被称为气体扩散层(GDL)。在另一方面，气体扩散层可仅包括与两层气体扩散层中的基片层基本上相同的组成。在这一配置中，气体扩散层可以是单层或可以是双层或者甚至有多于两层。
在任一组合中可调整支持层的厚度或孔隙率或润湿度，以提供对水迁移的更强或更弱的阻碍。但是，通过微孔扩散层而非支持层的特征，尤其是孔径和疏水性，也可赋予对透水性的控制。
在某些情况下，可在一个相对的基础上，在高液态水渗透性GDL和低液态水渗透性GDL间进行调整，也就是说，使阳极端、阴极GDL和阴极端、阳极GDL的透水性为阳极端、阳极GDL和阴极端、阴极GDL的透水性的若干百分比。但是一般情况下，将可以无需考虑受制于其他不同的运行特征的电池堆的其他GDL的液态水渗透性而选择每个GDL(或GDL组)的绝对液态水渗透性。低液态水渗透性范围为接近零至大约3×10-4g/(Pas m)，而高液态水渗透性可超过大约3×10-4g/(Pas m)的通常水平。
在此，将阳极水传输板21描述为独立于该阴极水传输板28，在接合处相汇一起形成水通道24。但是可以在不改变本发明配置优点的情况下以某种方式将水传输板21、28合并。

Claims (13)

1.装置，其包括：
燃料电池堆(31)，该电池堆包括压缩在一对端板(32)间的多个邻接的燃料电池(9)，每一所述燃料电池包括电解液(10)，在该电解液的一个表面上具有阳极催化剂层(13)，并且在该电解液第二表面上具有阴极催化剂层(14)，阳极气体扩散层(16)与所述阳极催化剂相邻，阴极气体扩散层(17)与所述阴极催化剂相邻、阳极水传输板(21)与所述阳极气体扩散层相邻，阴极水传输板(28)与所述阴极气体扩散层相邻；
所述电池堆具有阳极端(35)和阴极端(36)；
其特征在于：
靠近所述阴极端的电池的阴极气体扩散层比靠近阳极端的电池的阴极气体扩散层具有更高的透水性。
2.根据权利要求1的装置，还具有以下特征：
在约80℃和约1大气压下，靠近阴极端(36)的电池的阴极气体扩散层(17)具有大于约3×10-4g/(Pas m)的透水性。
3.根据权利要求1的装置，还具有以下特征：
在约80℃和约1大气压下，靠近阳极端(35)的电池的阴极气体扩散层(17)的透水性低于3×10-4g/(Pas m)。
4.装置，其包括：
燃料电池堆(31)，该电池堆包括压缩在一对端板(32)间的多个邻接的燃料电池(9)，每一所述燃料电池包括电解液(10)，在该电解液的一个表面上具有阳极催化剂层(13)，并且在该电解液的第二表面上具有阴极催化剂层(14)，阳极气体扩散层(16)与所述阳极催化剂相邻，阴极气体扩散层(17)与所述阴极催化剂相邻，阳极水传输板(21)与所述阳极气体扩散层相邻，阴极水传输板(28)与所述阴极气体扩散层相邻；
所述电池堆具有阳极端(35)和阴极端(36)；
其特征在于：
靠近所述阳极端(35)的电池的阳极和阴极气体扩散层(16、17)的透水性比靠近所述阴极端(36)的电池的阳极和阴极气体扩散层的透水性低。
5.根据权利要求4的装置，还具有以下特征：
在约80℃和约1大气压下，靠近阳极端(35)的电池的阳极气体扩散层(16)具有大于约3×10-4g/(Pas m)的透水性。
6.根据权利要求4的装置，还具有以下特征：
在约80℃和约1大气压下，靠近阴极端(36)的电池的阳极气体扩散层(16)的透水性小于约3×10-4g/(Pas m)。
7.根据权利要求1的装置，还具有如下特征：
靠近阳极端(35)的电池的阳极气体扩散层(16)的透水性比靠近阴极端(36)的电池的阳极气体扩散层(16)的透水性低。
8.根据权利要求1的装置，还具有以下特征：
靠近阳极端(35)的电池的阳极气体扩散层(16)的透水性与靠近阴极端(36)的电池的阳极气体扩散层(16)的该透水性相等。
9.根据权利要求8的装置，还具有以下特征：
在约80℃和约1大气压下，靠近阴极端(36)的电池的阳极气体扩散层(16)和靠近阳极端(35)的电池的阳极气体扩散层(16)的透水性大于约3×1-4g/(Pas m)。
10.装置，其包括：
燃料电池堆(31)，该电池堆包括压缩在一对端板(32)间的多个邻接的燃料电池(9)，每一所述燃料电池包括电解液(10)，在该电解液的一个表面上具有阳极催化剂层(13)，并且在该电解液的第二表面上，具有阴极催化剂层(14)，阳极气体扩散层(16)与所述阳极催化剂相邻，阴极气体扩散层(17)与所述阴极催化剂相邻，阳极水传输板(21)与所述阳极气体扩散层相邻，阴极水传输板(28)与所述阴极气体扩散层相邻；
所述电池堆具有阳极端(35)和阴极端(36)；
其特征在于：
靠近所述阳极端(35)的电池的阳极气体扩散层(16)具有比靠近所述阴极端(36)的电池的阳极气体扩散层(16)更低的透水性。
11.根据权利要求9的装置，还具有如下特征：
在约80℃和约1大气压下，靠近阳极端(35)的电池的阳极气体扩散层(16)具有小于约3×1-4g/(Pas m)的液态水渗透性。
12.根据权利要求9的装置，还具有如下特征：
在约80℃和约1大气压下，靠近阴极端(36)的电池的阳极气体扩散层(16)的水蒸气渗透性大于约3×1-4g/(Pas m)。
13.根据权利要求10的装置，还具有如下特征：
靠近阴极端的电池的阴极气体扩散层具有比靠近阳极端的电池的阴极气体扩散层更高的透水性。
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