CN105917506A - 具有多种密度的燃料电池微孔层 - Google Patents

Abstract

示例的燃料电池元件组件包括在一侧上具有气体扩散层表面的气体扩散层。邻接气体扩散层的微孔层包括具有第一密度的第一部分和具有比第一密度低的第二密度的第二部分。将所述第一部分和所述第二部分以预选模式沿着所述微孔层设置。所述第一部分接触气体扩散层表面的第一区，且所述第二部分接触气体扩散层表面的第二区。

Description

具有多种密度的燃料电池微孔层

技术领域

本申请的主题涉及用于燃料电池中的微孔层。更具体地，本申请的主题涉及具有多种密度的微孔层。

背景

燃料电池可用于基于电化学反应发电。大多数的燃料电池排列包括电池堆组件，其中多个电池彼此相邻对准。每个单独的电池包括多个层，如流场板、膜、电极、气体扩散层和催化剂层。

存在与操作燃料电池相关联的各种挑战。在各种操作条件下保持适当的湿度水平对于保持燃料电池的各层的完整性是有用的。延长干燥操作条件，例如，可能导致损害燃料电池的膜或其它层的完整性。也需要水的管理以防止溢流(flooding)，在某些条件下溢流可能降低燃料电池的功率输出或有效性。

与处理燃料电池中的各种操作条件相关的一个特别的挑战是，难以设计在不同的操作条件下均有效的元件。设计一个元件以解决在一个操作条件下所关注的问题通常导致该元件引入在另一操作条件下的其他问题。例如，可用于高湿度情况下的一些元件往往会加剧与高温、低湿度条件相关的问题。

概述

示例的燃料电池元件组件包括在一侧上具有气体扩散层表面的气体扩散层。邻接气体扩散层的微孔层包括具有第一密度的第一部分和具有比第一密度低的第二密度的第二部分。将所述第一部分和所述第二部分以预选模式沿着所述微孔层设置。所述第一部分接触气体扩散层表面的第一区，且所述第二部分接触气体扩散层表面的第二区。

在包括上述段落的组件的一个或多个特征的示例组件中，将所述第一部分和所述第二部分对称设置在微孔层上。

在具有任一上述段的组件的一个或多个特征的组件中，所述第一部分和所述第二部分限定微孔层的一侧的表面积，倚着气体扩散层表面接收所述一侧，所述第一部分在微孔层的一个边缘与所述第二部分和所述第一部分之间的界面之间延伸；且所述第二部分在所述界面与微孔层的相对边缘之间延伸。

在具有任一上述段的组件的一个或多个特征的示例组件中，所述第一部分限定微孔层的一侧的大约一半表面积；且所述第二部分限定微孔层的所述侧的大约另一半表面积。

在具有任一上述段的组件的一个或多个特征的示例组件中，所述第一部分包括多个第一区段，所述第二部分包括多个第二区段，且至少一个第二区段在两个第一区段之间。

在具有任一上述段的组件的一个或多个特征的示例组件中，第一密度包括第一透气性，且第二密度包括大于第一透气性的第二透气性。

在具有任一上述段的组件的一个或多个特征的组件中，第一密度包括由第一部分中的孔的第一平均孔尺寸限定的第一孔隙率，第二密度包括由第二部分中的孔的第二平均孔尺寸限定的第二孔隙率，且所述第二平均孔尺寸大于所述第一平均孔尺寸。

在具有任一上述段的组件的一个或多个特征的示例组件中，第一密度包括第一水蒸气渗透率，且第二密度包括大于第一水蒸气渗透率的第二水蒸气渗透率。

在具有任一上述段的组件的一个或多个特征的示例组件中，气体扩散层的一个边缘被构造为位于接近流体入口的位置，流体通过该入口向气体扩散层移动，气体扩散层的相对边缘被构造为位于接近流体出口的位置，流体通过该出口移动离开气体扩散层，微孔层的第一部分位于接近所述一个边缘的位置；微孔层的第二部分位于接近所述相对边缘的位置。

在具有任一上述段的组件的一个或多个特征的组件中，至少所述第一密度是至少部分地通过压缩微孔层的第一部分的材料建立的。

一种制备用于燃料电池的微孔层的示例方法，包括：压缩微孔层材料的第一部分，以改变至少该材料的第一部分的密度，以建立微孔层的第一部分的第一密度，所述第一密度高于所述微孔层的第二部分的第二密度。

在具有上述段落的方法的一个或多个特征的示例方法中，将所述第一部分和所述第二部分对称设置在微孔层上。

在具有任一上述段的方法的一个或多个特征的示例方法中，所述第一部分限定微孔层的一侧的大约一半表面积；且所述第二部分限定所述微孔层的一侧的大约另一半表面积。

在具有任一上述段的方法的一个或多个特征的示例方法中，所述第一部分在微孔层的一个边缘与所述第二部分和所述第一部分之间的界面之间延伸；且所述第二部分在所述界面与微孔层的相对边缘之间延伸。

在具有任一上述段的方法的一个或多个特征的示例方法中，所述第一部分包括多个第一区段，所述第二部分包括多个第二区段，且至少一个第二区段在两个第一区段之间。

在具有任一上述段的方法的一个或多个特征的示例方法中，第一密度包括第一透气性，且第二密度包括大于第一透气性的第二透气性。

在具有任一上述段的方法的一个或多个特征的示例方法中，第一密度包括由第一部分中的孔的第一平均孔尺寸限定的第一孔隙率，第二密度包括由第二部分中的孔的第二平均孔尺寸限定的第二孔隙率，且所述第二平均孔尺寸大于所述第一平均孔尺寸。

在具有任一上述段的方法的一个或多个特征的示例方法中，第一密度包括第一水蒸气渗透率，且第二密度包括大于第一水蒸气渗透率的第二水蒸气渗透率。

通过下述详述，所公开的示例实施方案的各种特征和优点对于本领域技术人员将变得明显。所述详述随附的附图可简述如下。

附图简述

图1为根据本发明的一个实施方案设计的示例燃料电池元件组件的横截面示意图。

图2为根据本发明的一个实施方案设计的另一示例实施方案的燃料电池元件组件的横截面示意图。

详述

图1以横截面视图方式示意性地示出示例燃料电池元件组件20。将气体扩散层22和邻接的微孔层24的构造成便于流体向催化剂层26移动。气体扩散层22包括气体扩散层表面28，倚着该气体扩散层表面28接收微孔层24。在燃料电池的操作过程中，反应物，例如氢气或氧气，流经流场(未示出)，通过气体扩散层22和微孔层24向催化剂层26扩散，所述催化剂层26位于邻接膜(未示出)的位置，电化学反应在该膜处发生。

在该实例中，微孔层24包括第一部分30和第二部分32。第一部分30具有第一密度，第二部分32具有比第一密度低的第二密度。将第一部分30和第二部分32以预选模式沿着微孔层24设置。

在图1的实例中，第一部分30在微孔层24的一个边缘34与第一部分30和第二部分32之间的界面36之间延伸。第二部分32在微孔层24的相对边缘38与所述界面36之间延伸。在该实例中，界面36大致等距地隔开边缘34和38。

在图1的实例中，第一部分30限定倚着气体扩散层表面28接收的微孔层24的一侧39的大约一半表面积。第二部分32限定或建立倚着表面28接收的微孔层24的所述侧39的另一半表面积。

第一部分30和第二部分32的不同密度有利于跨越或通过微孔层24不同的流动特性，以满足不同的燃料电池操作条件。在图1的实例中，第一部分30位于接近气体扩散层22的一侧40的位置，所述侧被构造为位于接近入口的位置，在所述入口处流体被引向该气体扩散层22。例如燃料电池歧管可限定这样的入口。气体扩散层22的相对侧42被配置为位于接近出口的位置，流体通过该出口例如通过退出相邻的流场(未示出)而移动离开气体扩散层22。在该实例中第二部分32位于接近气体扩散层22的第二侧42的位置。

沿着微孔层24具有不同的密度提供了沿着该微孔层24在空间上变化的性质。这些不同的密度和性质或流动特性例如允许在高温操作条件下通过微孔层的更好的气体传输和水蒸汽传输。微孔层的密度影响气体物种、液态水和水蒸汽通过该微孔层的传输。沿着微孔层以预选模式具有变化的密度允许最小化水蒸汽损失和促进至催化剂26的适当的气体传输。

在图1的排列中，使得具有更大的密度的第一部分30更靠近入口侧40，使得较不容易遭受通过微孔层24的水蒸气损失的微孔层24的部分位于在燃料电池操作过程中可能发生变干的部分。例如，进入入口侧的较低湿度气体可倾向于使得相关膜变干。通过在入口附近包括较高密度的第一部分30的最小化水蒸气损失可能有助于防止变干。在更靠近出口侧42提供较低密度的第二部分32允许在水蒸汽损失较不受关注的区域中足够的气体传输至催化剂26。与第一部分30相比，第二部分32的较低密度可以允许更多的水蒸汽损失，但在出口侧的湿度通常大于在入口侧的，从而使得水蒸汽损失较不受关注。

在其他示例实施方案中，使得具有较低的密度的第二部分32位于接近入口侧的位置，而使得较高密度的第一部分30位于接近出口侧的位置。一些模式允许每个部分的区段或区接近入口、出口或这两者。

在微孔层24中具有不同密度的不同部分允许在高温燃料电池操作过程中解决潜在的竞争性关注问题。使用在整个层中具有单一密度的微孔层最小化水蒸气损失并同时促进足够的气体传输通常是不可能的。密度要么足够大以最小化水蒸气损失并阻止气体传输，要么允许过多水蒸气损失并同时允许足够的气体传输。另一方面，以选定模式具有不同密度的示例实施方案通过提供具有不同密度的两个部分解决了这两个关注的问题。

该实例中的第一部分30具有更大的密度以及限定第一部分30的第一孔隙率的更小的平均孔尺寸。第二部分32具有较大的平均孔尺寸，使得其与第一部分30相比具有更大的孔隙率。

与较低密度的第二部分32的水蒸汽渗透率相比，第一部分30具有更大的密度和相关的更低的水蒸汽渗透率。与较低密度的第二部分32的透气性相比，第一部分30也具有较低的透气性。

图1的实例包括单个第一部分30和单个第二部分32。图2示出了另一种排列，其中第一部分30包括多个每个具有第一密度的第一部分区段和多个每个具有小于第一密度的第二密度的第二部分区段32。该实例具有交替模式，所述交替模式包括在两个第一部分区段30之间的至少一个第二部分区段32。第一部分区段30和第二部分区段32的空间排列允许沿微孔层24分配不同的微孔层流特性。在每个实例中，第一和第二部分以预选，有序(即非随机)的模式排列。

鉴于本说明书，本领域技术人员将意识到如何得到沿着该微孔层24的第一部分30和第二部分32的多种模式，以得到将最优化其具体情况中的燃料电池性能的流体流动特性。

图1和2的实例的微孔层24可使用压缩方法建立，在该方法过程中，将至少一部分选择用于该微孔层24的材料压缩。在图1的实例中，压缩板可用来将压力施加到大约一半的微孔层材料。压缩得到微孔层第一部分30的更大密度。可使用具有模式的压板如流场板建立如在图2中示意性示出的区段的排列，以使得微孔层24的材料的交替区段被压缩以建立第一部分30的更大密度。

一个实例包括使用100至800psi之间的压力，施加压力来压缩微孔层24的至少选定部分。另一示例方法包括使用100至600psi之间的压缩压力。

压缩微孔层材料的选定部分可以例如通过使用机械压机或机械辊来进行。通过构造压缩机械及其与微孔层的材料的关系，可以实现第一部分30和第二部分32的多种模式，以为多种燃料电池构造解决水的浓度和透气性要求的问题。

示例例子有利于在更广泛的各种操作条件下增强的燃料电池操作。例如，高温，低电流密度条件将不会存在与包括传统的单一密度微孔层的燃料电池排列相关的相同的挑战或缺点。沿着微孔层在空间上改变微孔层的密度允许以增强燃料电池性能并解决在多个燃料电池操作条件下产生的竞争性关注问题的方式改变沿着该层的流体流动特性。

例如，在高温与干燥的入口气体下，占主导地位的损失涉及干燥的膜和电极中的离聚物。在PEM燃料电池中的高温操作期间，产物水以其蒸气形式存在并可容易地逸出没有足够的蒸汽屏障的电池。因为在热和干燥的操作条件下膜和离聚物导电性呈数量级下降，这可能会影响电池性能。示例微孔层24的第一部分30提供足够的蒸汽屏障而不阻止沿着整个微孔层24的气体传输，从而降低了蒸汽损失并增加膜和离聚物电流密度。示例微孔层24最优化微孔层的密度，以有利于在高和低电流操作条件下的最佳性能。示例微孔层24提供了有效的解决方案，以获得在高和低电流操作条件下最佳的气体和水蒸气传输。

前述说明在本质上是示例而不是限制性的。对所公开的实例的改变和改进对本领域技术人员可为显而易见的，并不一定脱离本发明的本质。本发明的法定保护范围仅能够通过研究下述权利要求而确定。

Claims (18)

1.一种燃料电池元件组件，其包括：

在一侧上具有气体扩散层表面的气体扩散层；和

邻接气体扩散层的微孔层，所述微孔层包括具有第一密度的第一部分和具有比第一密度低的第二密度的第二部分，将所述第一部分和所述第二部分以预选模式沿着所述微孔层设置，所述第一部分接触气体扩散层表面的第一区，且所述第二部分接触气体扩散层表面的第二区。

2.根据权利要求1所述的组件，其中所述第一部分和所述第二部分对称设置在微孔层上。

3.根据权利要求1所述的组件，其中：

所述第一部分和所述第二部分限定微孔层的一侧的表面积；

倚着气体扩散层表面接收所述一侧；

所述第一部分在微孔层的一个边缘与所述第二部分和所述第一部分之间的界面之间延伸；和

所述第二部分在所述界面与微孔层的相对边缘之间延伸。

4.根据权利要求1所述的组件，其中：

所述第一部分限定微孔层的一侧的大约一半表面积；和

所述第二部分限定所述微孔层的一侧的大约另一半表面积。

5.根据权利要求1所述的组件，其中：

所述第一部分包括多个第一区段；

所述第二部分包括多个第二区段；和

至少一个第二区段在两个第一区段之间。

6.根据权利要求1所述的组件，其中：

第一密度包括第一透气性；和

第二密度包括大于第一透气性的第二透气性。

7.根据权利要求1所述的组件，其中：

第一密度包括由第一部分中的孔的第一平均孔尺寸限定的第一孔隙率；

第二密度包括由第二部分中的孔的第二平均孔尺寸限定的第二孔隙率；和

所述第二平均孔尺寸大于所述第一平均孔尺寸。

8.根据权利要求1所述的组件，其中：

第一密度包括第一水蒸气渗透率；和

第二密度包括大于第一水蒸气渗透率的第二水蒸气渗透率。

9.根据权利要求1所述的组件，其中：

气体扩散层的一个边缘被构造为位于接近流体入口的位置，流体通过该入口向气体扩散层移动；

气体扩散层的相对边缘被构造为位于接近流体出口的位置，流体通过该出口移动离开气体扩散层；和

微孔层的第一部分位于接近所述一个边缘的位置；微孔层的第二部分位于接近所述相对边缘的位置。

10.根据权利要求1所述的组件，其中至少所述第一密度是至少部分地通过压缩微孔层的第一部分的材料建立的。

11.一种制备用于燃料电池的微孔层的方法，方法包括：

压缩微孔层材料的第一部分，以改变至少该材料的第一部分的密度，以建立微孔层的第一部分的第一密度，所述第一密度高于所述微孔层的第二部分的第二密度。

12.根据权利要求11所述的方法，包括将所述第一部分和所述第二部分对称设置在微孔层上。

13.根据权利要求11所述的方法，其中：

所述第一部分限定微孔层的一侧的大约一半表面积；和

所述第二部分限定微孔层的所述侧的大约另一半表面积。

14.根据权利要求11所述的方法，其中：

所述第一部分在微孔层的一个边缘与所述第二部分和所述第一部分之间的界面之间延伸；和

所述第二部分在所述界面与微孔层的相对边缘之间延伸。

15.根据权利要求11所述的方法，其中：

所述第一部分包括多个第一区段；

所述第二部分包括多个第二区段；和

至少一个第二区段在两个第一区段之间。

16.根据权利要求11所述的方法，其中：

第一密度包括第一透气性；和

第二密度包括大于第一透气性的第二透气性。

17.根据权利要求11所述的方法，其中：

第一密度包括由第一部分中的孔的第一平均孔尺寸限定的第一孔隙率；

第二密度包括由第二部分中的孔的第二平均孔尺寸限定的第二孔隙率；和

所述第二平均孔尺寸大于所述第一平均孔尺寸。

18.根据权利要求11所述的方法，其中：

第一密度包括第一水蒸气渗透率；和

第二密度包括大于第一水蒸气渗透率的第二水蒸气渗透率。