CN102487149B - 具有增强的冻融耐久性的燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有增强的冻融耐久性的燃料电池堆。具体地，该燃料电池堆包括位于膜电极组件与双极板之间的气体扩散层。气体扩散层具有降低燃料电池中的接触电阻的结构，并且以一定角度切割成使得GDL卷的纵向(高刚度方向)不与双极板的主要流场方向平行，导致在垂直于双极板的主要流场方向的宽度方向上增加的GDL刚度。

Description

具有增强的冻融耐久性的燃料电池堆
技术领域
本发明涉及一种具有增强的冻融耐久性的燃料电池堆。更特别地，本发明涉及一种燃料电池堆，其被设计成降低燃料电池中的接触电阻，以防止当例如氢气和氧气的反应气体被供应至燃料电池堆时作为电化学反应的副产物的水在零度以下的温度条件下结冰。
背景技术
聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)已被广泛地用作车辆的燃料电池。对于适当地安装在车辆中的、通过堆叠数百个聚合物电解质膜燃料电池的单元电池而制造的燃料电池堆，其需要呈现至少数十千瓦(kW)的高功率性能，因此要求在宽电流密度范围内稳定运行。
在燃料电池中产生电力的反应中，氢气被供应至燃料电池的膜电极组件(MEA)中的发生氧化反应的阳极，在氢气分离为氢离子(质子)和电子之后，氢离子通过聚合物电解质膜移动至发生还原反应的阴极，而电子通过外部电路移动至阴极。同时，在阴极，氧分子、氢离子和电子相互反应，以产生电力和热量以及作为副产物的水。
如果在燃料电池中从电化学反应中产生适量的水，则产生的水可用于保持膜电极组件的适当的湿度条件。然而，若产生的水过量，则在高电流密度下过多的水可能不能被去除，从而引起整个电池溢水。溢水会阻止反应气体有效地供应至燃料电池，从而加剧电压损失。
在聚合物电解质膜燃料电池中，从氢气与空气中的氧气之间的反应中产生水。如果冻融循环在零下温度至常温之间反复变化，则燃料电池的组件以及例如MEA与气体扩散层(GDL)的组件之间的界面可物理损坏，从而降低其电化学性能和耐久性。因此，为了氢燃料电池车辆的稳定运行，增强燃料电池堆在这种冻融循环条件下的耐久性至关重要。
为了增强典型燃料电池的冻融耐久性，已进行了多种尝试。例如，于2008年登记的韩国专利第10-0802749号公开了一种通过优化燃料电池冷却线的结构以减少冻融循环来增强耐久性的技术。美国专利申请公开第2010/0143813号和第2008/0102326号公开了通过优化燃料电池运行的控制方法来增强冷冻启动能力的技术。而且，美国专利申请公开第2008/0241608号公开了一种通过加热去除在零下温度产生的冰的燃料电池的运行方法。然而，这些方法过于复杂而不能实际应用，并且其效果也有限。因此，为了氢燃料电池车辆的大规模生产，有必要开发一种提高冻融耐久性同时使实现过程尽可能简单的新技术。
随着燃料电池商业化的进展，对于作为燃料电池中管理水的重要组件的气体扩散层(GDL)正在进行大量的研究与开发。GDL附着于燃料电池的MEA中的阳极催化剂层和阴极催化剂层的外表面，以执行多种功能，例如反应气体(氢气和空气中的氧气)的供应，产生于电化学反应的电子的传输，以及通过排出反应产生的水使燃料电池中的溢水最小化。
目前已商业化的GDL具有微孔层(MPL)和大孔衬底(或背衬)的双层结构。当通过压汞法测量时，MPL具有小于约1μm的孔径。另一方面，大孔衬底具有约1μm至约300μm的孔径。
GDL的MPL可通过将例如乙炔碳黑和黑珍珠碳的碳粉与基于聚四氟乙烯(PTFE)和氟化乙丙烯(FEP)的疏水剂混合而制造，然后可根据应用涂布在大孔衬底的一面或两面上。另一方面，GDL的大孔衬底典型地可由碳纤维和基于PTFE或FEP的疏水剂形成，并可包括碳纤维布、碳纤维毡和碳纤维纸。
由于根据燃料电池的运行条件和特定的应用领域，例如运输、便携和住宅发电，燃料电池的GDL需被设计成具有适当的性能，因此与碳纤维布相比，基于碳纤维毡或碳纤维纸的GDL(其中例如反应气体的供应、生成水的排放以及堆组件的可压缩性/处理性能等总体特性优异)被更加广泛地用于燃料电池车辆。
而且，根据例如透气性、可压缩性、MPL和大孔衬底的疏水度、碳纤维结构、孔隙度/孔分布、孔隙曲折度、电阻，以及弯曲刚度等多种特性，GDL对燃料电池的性能有着重要影响。特别是，GDL对质量传输区域的性能有着重要影响。
当数百个单元电池组装成燃料电池堆时，气体扩散层需要在燃料电池中表现出优异的性能，并具有适于优秀的处理性能的合适的刚度。另一方面，当气体扩散层的刚度在卷绕方向上过高时，气体扩散层很难以卷状储存，因而降低了其量产能力。
与上述相反，如图1中所示，当在燃料电池中气体扩散层106的刚度不足时，GDL106可侵入双极板(也称为隔板)200的流场通道202(从而引起GDL侵入)。因此，当GDL106侵入双极板200的流场通道202时，用于传输例如反应气体和产生的水等物料的通道空间可能不具有足够的空间。而且，由于GDL106与双极板200的肋(或凸脊)204之间以及GDL106与MEA100之间的接触电阻升高，因此燃料电池的性能可能会相当程度地下降。
特别地，当电池中的接触电阻升高时，GDL与MEA之间或者GDL与双极板之间的界面可能不能适当地保持，从而产生不必要的间隙。在这种情况下，燃料电池中产生的水可在冻融条件下在该不必要的间隙中冻结成冰。
因而，当有冰产生时，反复的冻融循环可损坏燃料电池中的组件之间的界面。因此，为了增强燃料电池的耐久性，减小接触电阻以便在燃料电池的组件之间的界面不产生间隙是十分重要的。
通常，燃料电池的双极板包括主要流场和次要流场。这里，GDL不侵入主要流场的通道是必要的。因此，与GDL在平行于双极板的主要流场方向的长度方向(L)上的刚度相比，增强GDL在垂直于双极板的主要流场方向的宽度方向(W)上的刚度是非常重要的(见图2和图3)。否则，如图1中所示，当具有低刚度的GDL被布置在双极板的主要流场的宽度方向上时，GDL可进一步侵入双极板的主要流场通路。因此，由于可在零下温度下产生冰的空间增大(由于燃料电池中界面的损坏或变形的增加)，所以燃料电池的冻融耐久性可能下降。
在本背景技术部分中所公开的上述信息仅用于增强对发明背景的理解，因此其可能包含不构成本国内已为本领域的普通技术人员所公知的现有技术的信息。
发明内容
本发明提供了一种可降低燃料电池中的接触电阻并提高冻融耐久性的燃料电池堆，其使用了一种通过采用无附加修改的现有技术的堆制备工艺并优化以适合燃料电池的片材尺寸切割GDL的方法所制造的GDL，即，为了使GDL对双极板的气体通道的侵入最小化，通过以一定角度切割卷绕的GDL材料使得GDL卷的纵向(machinedirection)(MD)或高刚度方向不与双极板的主要流场方向平行的方式来增加垂直于双极板的主要流场方向的宽度方向上的刚度的GDL。
一方面，本发明提供了一种具有增强的冻融耐久性的燃料电池堆，该燃料电池堆包括位于MEA与双极板之间的GDL，其中GDL具有降低燃料电池中的接触电阻的结构，并且具有在垂直于双极板的主要流场方向的宽度方向上的刚度，该刚度通过以一定角度切割卷绕的GDL材料使得GDL卷的MD(高刚度方向)不与双极板的主要流场方向平行的方式而被增加。
在本发明的一些实施例中，GDL可被切割成使得GDL卷的MD(高刚度方向)与双极板的主要流场方向之间的角度大于约0度且等于或小于约90度。
在另一实施例中，GDL可被切割成使得GDL卷的MD(高刚度方向)与双极板的主要流场方向之间的角度大于约25度且等于或小于约90度。
在又一实施例中，GDL可具有介于约20gf·cm至约150gf·cm之间的GDL卷的MD(高刚度方向)的泰伯(Taber)弯曲刚度。
在再一实施例中，GDL可具有介于约50gf·cm至约100gf·cm之间的GDL卷的MD(高刚度方向)的泰伯弯曲刚度。
在另一实施例中，GDL可包括接触MEA的每个电极的外表面的MPL和接触双极板的流场的大孔衬底，并且大孔衬底可由碳纤维毡和碳纤维纸中的一种或二者的组合构成。
附图说明
现在将参照附图中示出的某些示例性实施例详细说明本发明的上述和其它特征，附图在下文中仅以例示的方式给出且因此不限制本发明，并且其中：
图1是示出在典型的堆中当燃料电池相互组装时，通过双极板凸脊(land)的压缩使GDL侵入双极板的主要流场的示图；
图2是示出与根据现有技术的GDL片的切割方法(0°GDL)比较，根据本发明的示例性实施例的GDL片的切割方法(90°GDL)的示图；
图3是示出(a)根据现有技术的应用0°GDL的堆中的GDL的MD(高刚度方向)和双极板的主要流场方向的布置以及(b)根据本发明的示例性实施例的应用90°GDL的堆中的GDL的MD(高刚度方向)和双极板的主要流场方向的布置的示图；
图4是示出在本发明的示例性实施例和现有技术中使用的GDL的大孔衬底的扫描电子显微镜(SEM)照片(500×)；
图5是示出根据现有技术的应用0°GDL的堆和根据本发明的示例性实施例的应用90°GDL的堆在1000次冻融循环前后的电化学性能的曲线图；
图6是示出根据现有技术的应用0°GDL的堆和根据本发明的示例性实施例的应用90°GDL的堆的、作为冻融循环次数的函数的电池电压衰减的曲线图，其中曲线图(a)示出在800mA/cm2电流密度下的结果，且曲线图(b)示出在1400mA/cm2电流密度下的结果；
图7是示出根据现有技术的应用0°GDL的堆和根据本发明的示例性实施例的应用90°GDL的堆在1000次冻融循环前后的高频电阻的曲线图；
图8是示出根据现有技术的应用0°GDL的堆和根据本发明的示例性实施例的应用90°GDL的堆的、作为冻融循环次数的函数的高频电阻的增加的曲线图，其中曲线图(a)示出在800mA/cm2电流密度下的结果，且曲线图(b)示出在1400mA/cm2电流密度下的结果。
在附图中给出的附图标记包括对以下进一步论述的下列元件的参照：
100：MEA106：GDL
200：双极板202：双极板通道
204：双极板凸脊
应该理解的是，附图不一定按比例绘制，而是呈现出说明本发明的基本原理的各种特征的某种程度的简化表示。文中所公开的包括例如具体尺寸、方向、位置和形状的本发明的具体设计特征将部分地由具体期望的应用和使用环境来确定。
在图中，贯穿附图的多幅图中相同的附图标记表示本发明的相同或等效的部件。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的各种实施例，其实例在附图中示出并在以下予以说明。虽然将结合示例性实施例说明本发明，但是将会理解的是，本说明并非意在将本发明限制于这些示例性实施例。相反，本发明的意图在于不仅涵盖这些示例性实施例，而且涵盖可包括在如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种替换形式、改型、等效形式和其它实施例。
应该理解的是，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或者其它类似术语包括一般的机动车辆，例如包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车在内的载客车辆，包括各种艇和船在内的水运工具、以及飞行器，等等，并且包括混合动力车、电动车、插电式混合电动车、氢动力车和其它替代燃料车(例如，从石油之外的资源取得的燃料)。如本文所提及的，混合动力车是具有两种或更多种动力源的车辆，例如同时具有汽油动力和电动力的车辆。
以下，将参照附图详细说明本发明的示例性实施例。
本发明提供了一种具有增强的冻融耐久性的燃料电池堆，其通过应用能够在燃料电池的冻融循环条件下使电池中的接触电阻最小化的GDL而减少燃料电池中冰的产生。
气体扩散层的固有的各向异性特性可用于降低燃料电池中的接触电阻。
在常规的制造过程中，在包括广泛用于燃料电池车辆作为大孔衬底的碳纤维毡或碳纤维纸的GDL中，碳纤维可优先地按一个方向(即，MD)取向，以具有比在另一方向(即，横向(cross-machinedirection)(CMD)，也称为横向方向(TD))上更高的机械性能，如弯曲刚度和拉伸应力。因此，GDL卷的织物的MD通常可以是高刚度方向，而CMD可以是低刚度方向。
在根据本发明的示例性实施例的燃料电池堆中，GDL卷的MD(高刚度方向)与双极板的主要流场方向之间的角度范围可大于约0度，并且等于或小于约90度。更优选地，GDL卷可被切割成使得角度范围成为大于约25度，并且等于或小于约90度。
更具体地，如图3A的现有技术所示，当GDL卷被切割时，其可被切割成使得GDL的MD平行于双极板的主要流场方向。然而，如图3B的实施例所示，GDL可被切割成使得GDL的MD不平行于双极板的主要流场方向。因此，GDL的刚度可在横跨双极板的主要流场方向的宽度(W)方向上增加。
已作为实例说明了执行GDL卷的切割，使得GDL卷的MD与双极板的主要流场方向以等于或小于约90度的角度相互交叉。例如，GDL卷可被切割成使得两个方向以约30度、45度和60度的角度相互交叉，以便提高燃料电池堆的冻融耐久性。
因而，可减小GDL对双极板的气体通道的侵入，并可在GDL与MEA之间或者GDL与双极板之间的界面处减小使水冻结成冰的不必要的间隙。因此，可提高燃料电池堆的冻融耐久性。
GDL卷的MD(高刚度方向)的泰伯弯曲刚度可介于约20gf·cm至约150gf·cm之间，并且在一些实例中可介于约50gf·cm至约100gf·cm之间。如果泰伯弯曲刚度小于约20gf·cm，则GDL的刚度过小而不能用于燃料电池车辆。如果泰伯弯曲刚度大于150gf·cm，则GDL变得太硬使得GDL不能以卷状储存，从而造成GDL量产的降低。
而且，根据本发明的示例性实施例，安装在堆中的GDL的大孔衬底可由碳纤维毡、碳纤维纸或二者的组合构成。因而，由于GDL的MD(高刚度方向)与双极板的主要流场方向相互不平行，且碳纤维毡或碳纤维纸被用作GDL的大孔衬底，因此可减小燃料电池的接触电阻，并可适当地保持燃料电池的组件之间的界面，从而使冰的生成最小化。
即，可通过减小GDL与双极板凸脊之间或者GDL与MEA之间的接触电阻而减小由于接触电阻的增加而引起的燃料电池性能的下降。而且，由于可适当地保持GDL与MEA之间或者GDL与双极板之间的界面，因此可显著地减小使产生的水冻结成冰的间隙，从而提高冻融耐久性。
将在以下表1中说明本实施例中使用的碳纤维毡型GDL的基本特性。大孔衬底可由如图4中所示的典型的碳纤维毡构成，图4是通过扫描电子显微镜获得的约500×的放大视图。可以看到碳纤维不规则地缠结在一起。
如以下表1中所述，已使用泰伯工业刚度测试仪以15度的弯曲角关于MD和CMD测量了GDL的弯曲刚度。
表1
以下，将进一步详细说明本发明的实施例和测试例。
实施例
作为本发明的实施例，GDL卷被切割成使得GDL卷的MD(高刚度方向)垂直于双极板的主要流场方向(约90度的切割角)。GDL与例如MEA、金属双极板、端板和其它组装件的全部组件一起组装成5个电池的堆。
比较例
作为比较例，GDL卷被切割成使得卷的MD(高刚度方向)平行于双极板的主要流场方向(约0度的切割角)。GDL与例如MEA、金属双极板、端板和其它组装件的全部组件一起组装成5个电池的堆。
测试例
测试了根据实施例和比较例的GDL的电化学性能。即，通过测量基于5个电池的堆的电流-电压(I-V)极化特性，对包括根据示例性实施例和比较例的GDL的燃料电池堆的电化学性能进行比较。典型的商业化测试仪被用作测量电化学电池性能的测试仪。
在这种情况下，在以下条件下执行对具有根据本发明的示例性实施例和比较例的GDL的燃料电池堆的电化学性能的测试。
*燃料电池的入口处的温度＝65℃，
*氢阳极/空气阴极的相对湿度(RH)＝50％/50％，
*氢阳极/空气阴极的化学计量比(S.R.)＝1.5/2.0
应用于本发明的示例性实施例和比较例的冻融循环条件包括将5个电池的堆放入温度可调的环境室中，在-25℃与15℃之间的腔室温度下重复1000次循环，并且每50次循环测量和比较堆的电化学性能和高频电阻(HFR)。这里，所测量的HFR可以是一个表示电池中的接触电阻的因素。如果HFR增加，则组件之间的界面被损坏或变形，且接触变差。在此实例中，通过典型的商业化测试仪在约5A的幅值和约1kHz的频率的条件下测量HFR。
在图5至8中示出包括根据本发明的示例性实施例和比较例的GDL的燃料电池堆的电化学性能的测试结果。
在完成1000次冻融循环之后，相互比较具有根据本实施例(90°GDL)和现有技术(0°GDL)的GDL的堆的电化学性能。如图5中所示，实施例和比较例的堆的电化学性能均下降。相反地，在0次冻融循环和1000次冻融循环之后，包括根据本实施例的GDL的堆均比包括根据现有技术的GDL的堆表现出更大的电化学性能的提高。此外，对于性能衰减率情况亦然。
为了定量评价作为冻融循环次数的函数的、堆的电化学性能衰减率，选择约800mA/cm2的中等电流密度和约1400mA/cm2的高电流密度作为代表性的燃料电池运行条件。相互比较在上述电流密度下的电池电压降。如图6A中所示，当电流密度为800mA/cm2时，包括根据现有技术的GDL(0°GDL)的堆的电池电压以约-38μV/循环的速率下降，而包括根据本实施例的GDL(90°GDL)的堆的电池电压以约-27μV/循环的速率下降。因此，可以看出，根据本发明的电池堆的性能比根据现有技术的电池堆更加缓慢地下降。
如图6B中所示，当电流密度为1400mA/cm2时，电池性能衰减率增大。包括根据现有技术的GDL的堆的电池电压以约-109μV/循环的速率下降，而包括根据本实施例的GDL的堆的电池电压以约-66μV/循环的速率下降。因此，可以看出，根据本发明的电池堆的性能在高电流密度下也更加缓慢地下降。
当相互比较燃料电池堆的电池中的接触电阻的变化时，在完成1000次冻融循环之后，相互比较根据现有技术的比较例的堆和根据本实施例的堆的HFR。如图7中所示，在1000次冻融循环之后，在根据本发明的堆和根据现有技术的堆中HFR均增加。
然而，在0次循环和1000次循环之后，根据本实施例的堆的HFR均小于根据现有技术的堆。这意味着在本实施例的堆电池中的组件之间的接触状态比在根据现有技术的堆电池中更好。因此，在零下温度下，在根据本实施例的堆中的组件之间的界面处不太可能产生冰，因而在冰冻条件下电池可较少损坏。
另外，定量地测量作为冻融循环次数的函数的HFR增长率。如图8A中所示，当电流密度为800mA/cm2时，根据现有技术的堆的HFR以约43μΩcm2/循环的速率增大，而根据本实施例的堆的HFR以34μΩcm2/循环的速率增大。因此，可以看出，根据本实施例的堆的HFR比根据现有技术的堆的HFR增大得更加缓慢。
如图8B中所示，当电流密度为约1400mA/cm2时，HFR增长率在两个堆中均增大。根据现有技术的堆的HFR以约50μΩcm2/循环的速率增大，而根据本发明的堆的HFR以约38μΩcm2/循环的速率增大。因此，可以看出，根据本实施例的堆的HFR在高电流密度下增大得更加缓慢。
作为参考，在1000次冻融循环之后的电池电压衰减率和HFR增长率的概括如以下表2中所示。
表2
如上所述，与包括根据现有技术的GDL(GDL卷的MD平行于双极板的主要流场方向(切割角为0度))的堆相比，包括根据本实施例的GDL(GDL卷的MD垂直于双极板的主要流场方向(切割角为90度))的堆在冻融循环期间具有更高的电化学性能、更低的性能衰减率、更小的电池接触电阻和更低的接触电阻增长率。因此，由于在电池中的界面产生冰的可能性很低，所以能够提高冻融耐久性。
根据本发明的实施例，具有GDL的燃料电池堆能够在冻融循环条件下具有增强的耐久性，其中通过以一定角度切割卷绕的GDL材料使得GDL卷的MD(高刚度方向)不与双极板的主要流场方向平行的方式，来增加在垂直于双极板的主要流场方向的宽度方向上的GDL的刚度。而且，通过减少燃料电池中的界面处的冰的产生，可提高冻融耐久性。
已参照其实施例详细说明了本发明。然而，本领域技术人员将会理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围限定在所附权利要求及其等效形式中。

Claims (8)

1.一种具有增强的冻融耐久性的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括：
位于膜电极组件与双极板之间的气体扩散层，其中所述气体扩散层具有降低燃料电池中的界面处的接触电阻的结构，并且具有在垂直于双极板的主要流场方向的宽度方向上的刚度，所述刚度通过以一定角度切割卷绕的气体扩散层材料使得气体扩散层卷的纵向(高刚度方向)不与所述双极板的主要流场方向平行的方式而被增加，
其中所述气体扩散层被切割成使得所述气体扩散层卷的纵向(高刚度方向)与所述双极板的主要流场方向之间的角度大于0度且等于或小于90度，并且
所述气体扩散层包括接触膜电极组件的每个电极的外表面的微孔层，和接触所述双极板的流场的大孔衬底，其中所述大孔衬底由碳纤维毡和碳纤维纸中的一种或二者的组合构成。
2.如权利要求1所述的燃料电池堆，其中所述气体扩散层被切割成使得所述气体扩散层卷的纵向(高刚度方向)与所述双极板的主要流场方向之间的角度大于25度且等于或小于90度。
3.如权利要求1所述的燃料电池堆，其中所述气体扩散层具有介于20gf·cm至150gf·cm之间的所述气体扩散层卷的纵向(高刚度方向)的泰伯弯曲刚度。
4.如权利要求1所述的燃料电池堆，其中所述气体扩散层具有介于50gf·cm至100gf·cm之间的所述气体扩散层卷的纵向(高刚度方向)的泰伯弯曲刚度。
5.一种用于具有增强的冻融耐久性的燃料电池的气体扩散层，所述气体扩散层包括：
降低燃料电池中的界面处的接触电阻的结构，并且具有在垂直于双极板的主要流场方向的宽度方向上的刚度，其中，所述刚度通过以一定角度切割卷绕的气体扩散层材料使得气体扩散层卷的纵向(高刚度方向)不与所述双极板的主要流场方向平行的方式而被增加，
其中所述气体扩散层被切割成使得所述气体扩散层卷的纵向(高刚度方向)与所述双极板的主要流场方向之间的角度大于0度且等于或小于90度，并且
所述气体扩散层包括接触膜电极组件的每个电极的外表面的微孔层，和接触所述双极板的流场的大孔衬底，其中所述大孔衬底由碳纤维毡和碳纤维纸中的一种或二者的组合构成。
6.如权利要求5所述的气体扩散层，其中所述气体扩散层被切割成使得所述气体扩散层卷的纵向(高刚度方向)与所述双极板的主要流场方向之间的角度大于25度且等于或小于90度。
7.如权利要求5所述的气体扩散层，其中所述气体扩散层具有介于20gf·cm至150gf·cm之间的所述气体扩散层卷的纵向(高刚度方向)的泰伯弯曲刚度。
8.如权利要求5所述的气体扩散层，其中所述气体扩散层具有介于50gf·cm至100gf·cm之间的所述气体扩散层卷的纵向(高刚度方向)的泰伯弯曲刚度。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101481187B1 (ko) 2009-12-03 2015-01-09 현대자동차주식회사 연료전지용 기체확산층및 그 제조방법
US9461311B2 (en) 2013-03-15 2016-10-04 Ford Global Technologies, Llc Microporous layer for a fuel cell
EP4150137B1 (de) 2020-05-13 2024-05-29 Greenerity GmbH Zellenstapel, verfahren zur herstellung eines zellenstapels sowie brennstoffzelle oder elektrolysezelle umfassend einen zellenstapel
CN112670541A (zh) * 2020-12-24 2021-04-16 新源动力股份有限公司 一种燃料电池低温启动过程膜电极结冰的判断方法、系统及存储介质

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1066307A (zh) * 1990-12-07 1992-11-18 罗姆和哈斯公司 改进的纤维粘合剂
CN101068953A (zh) * 2003-08-18 2007-11-07 通用汽车公司 用在pem燃料电池中的扩散介质
CN100521329C (zh) * 2005-01-14 2009-07-29 松下电器产业株式会社 燃料电池用堆栈以及燃料电池

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2233575A1 (en) * 1995-10-06 1997-04-10 The Dow Chemical Company Flow field structures for membrane electrode assemblies of fuel cells
DE19840517A1 (de) 1998-09-04 2000-03-16 Manhattan Scientifics Inc Gasdiffusionsstruktur senkrecht zur Membran von Polymerelektrolyt-Membran Brennstoffzellen
US6586128B1 (en) * 2000-05-09 2003-07-01 Ballard Power Systems, Inc. Differential pressure fluid flow fields for fuel cells
DE10042744A1 (de) 2000-08-31 2002-03-28 Omg Ag & Co Kg PEM-Brennstoffzellenstapel
US6667127B2 (en) * 2000-09-15 2003-12-23 Ballard Power Systems Inc. Fluid diffusion layers for fuel cells
EP1341251A1 (de) * 2002-02-28 2003-09-03 OMG AG & Co. KG PEM-Brennstoffzellenstapel
JP2004047214A (ja) 2002-07-10 2004-02-12 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池
JP2004146226A (ja) 2002-10-25 2004-05-20 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池
JP2005100813A (ja) 2003-09-25 2005-04-14 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池用セパレータ及びその製造方法、燃料電池スタック並びに燃料電池車両
JP4907882B2 (ja) 2004-03-04 2012-04-04 パナソニック株式会社 複合電解質膜、触媒層膜接合体、膜電極接合体および高分子電解質型燃料電池
JP2006079856A (ja) 2004-09-07 2006-03-23 Toyota Motor Corp 燃料電池及びその製造方法
JP4959945B2 (ja) 2005-02-14 2012-06-27 三菱レイヨン株式会社 固体高分子型燃料電池
US8652705B2 (en) * 2005-09-26 2014-02-18 W.L. Gore & Associates, Inc. Solid polymer electrolyte and process for making same
US8173319B2 (en) * 2005-12-23 2012-05-08 Daimler Ag Fuel cell water management system and method
JP2007176750A (ja) 2005-12-28 2007-07-12 Toray Ind Inc 多孔質炭素繊維シートおよびその製造方法
ITMI20061261A1 (it) * 2006-06-29 2007-12-30 Solvay Solexis Spa Assemblati per dispositivi elettrochimici
US7867642B2 (en) 2006-10-27 2011-01-11 GM Global Technology Operations LLC Fuel cell start optimization
KR100802749B1 (ko) 2006-12-11 2008-02-12 현대자동차주식회사 차량용 연료전지 시스템
US20080241608A1 (en) 2007-04-02 2008-10-02 Gm Global Technology Operations, Inc. Method of starting up a fuel cell under conditions in which water may freeze
JP2009283352A (ja) 2008-05-23 2009-12-03 Toyota Motor Corp 燃料電池
KR101481187B1 (ko) * 2009-12-03 2015-01-09 현대자동차주식회사 연료전지용 기체확산층및 그 제조방법
US9005830B2 (en) 2010-02-16 2015-04-14 GM Global Technology Operations LLC Freeze start operation in a fuel cell with a blocked anode cell

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1066307A (zh) * 1990-12-07 1992-11-18 罗姆和哈斯公司 改进的纤维粘合剂
CN101068953A (zh) * 2003-08-18 2007-11-07 通用汽车公司 用在pem燃料电池中的扩散介质
CN100521329C (zh) * 2005-01-14 2009-07-29 松下电器产业株式会社 燃料电池用堆栈以及燃料电池

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