[發明專利]用于具有集成的水蒸汽轉移區的膜電極組件中的雙功能膜

有效

• 申請號: 201010267506.0
• 申請日: 2010-08-27
• 公開（公告）號: CN102005585A
• 公開（公告）日: 2011-04-06
• 發明（設計）人: S·M·麥金農;T·J·富勒;A·M·布倫納
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作公司
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M8/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 曹小剛;李連濤

技術領域

本發明涉及燃料電池，更特別地涉及燃料電池的濕化。

背景技術

燃料電池在許多應用中用作電源。尤其，燃料電池建議用于汽車中替代內燃機。通常使用的燃料電池設計使用固體聚合物電解質(“SPE”)膜或質子交換膜(“PEM”)，以便在陽極和陰極之間提供離子傳輸。

在質子交換膜型燃料電池中，將氫氣作為燃料提供給陽極和將氧氣作為氧化劑提供給陰極。氧氣能夠呈現純形式(O₂)或是空氣(O₂和N₂的混合物)形式。PEM燃料電池典型地具有膜電極組件(“MEA”)，其中固態聚合物膜在一個面上具有陽極催化劑，在背面上具有陰極催化劑。典型的PEM燃料電池的陽極層和陰極層是由多孔傳導性材料如織造石墨、石墨化片材或碳紙形成的，以使得燃料能分散在面對燃料供應電極的膜表面上。各電極具有擔載于碳顆粒上的細散催化劑顆粒(例如鉑顆粒)，以促進在陽極處的氫氣的氧化和在陰極處氧氣的還原。質子從陽極流過離子傳導聚合物膜流到陰極，在這里它們與氧結合形成水，該水從電池中排出。該MEA夾在一對多孔氣體擴散層(“GDL”)之間，它們進而夾在一對的無孔的導電性元件或板之間。該板用作陽極和陰極的集流器，并且含有在其中所形成的合適的通道和開口以便將燃料電池的氣態反應劑分布在各個陽極催化劑和陰極催化劑的表面上。為了有效地產生電能，PEM燃料電池的聚合物電解質膜必須是薄的、化學穩定的、質子透過性的、非導電性的和不透氣的。在典型的應用中，燃料電池以許多單個燃料電池堆的陣列形式提供以便提供高水平的電能。

用于燃料電池中的內膜典型地維持在濕條件下。這幫助避免對膜的損害或避免縮短膜的壽命，以及維持所希望的工作效率。例如，膜的較低水含量導致更高的質子傳導阻抗，因此導致更高的歐姆電壓損失。原料氣的濕化，尤其陰極入口的濕化，是令人想望的，以便在膜中、尤其在該入口區中維持足夠的水含量。在燃料電池中的濕化已在共同擁有的美國專利申請系列號No.10/797,671(Goebel等人)、共同擁有的美國專利申請系列號No.10/912,298(Sennoun等人)和共同擁有的美國專利申請系列號No.11/087,911(Forte)中進行討論，它們中的每一件以全部內容通過引用結合進來。

為了維持所希望的水分含量，空氣濕化器常常用于濕化在燃料電池中使用的空氣物流。該空氣濕化器正常由安裝在外殼內的圓形或盒子型空氣濕化模塊組成。這一類型的空氣濕化器的例子顯示和描述在美國專利申請系列No.10/516,483(Tanihara等人)和美國專利No.6,471,195中，因此它們中的每一件以全部內容通過引用結合進來。

膜濕化器也已經用于滿足燃料電池濕化需求。對于車用燃料電池濕化應用，此類膜濕化器需要是緊湊的，顯示出低的壓降，和具有高的工作性能。

設計膜濕化器要求質量傳遞阻力和壓降的平衡。為了穿過膜從濕側傳輸至干側，水分子必須克服下列阻力的一些組合：在濕和干流動通道中的對流質量傳輸阻力；穿過該膜的擴散傳輸阻力；和穿過該膜載體材料的擴散傳輸阻力。緊湊和高性能膜濕化器典型地需要具有高的水傳輸速率(即，在10000-12000范圍的GPU)的膜材料。GPU或氣體透過單位是分壓標稱化的通量，其中1?GPU＝10^-6cm³(STP)/(cm²·sec·cm汞)。結果，將在濕和干流動通道以及膜載體材料中的傳輸阻力降低至最低變成了設計的焦點。

因此，仍然需要用于濕化燃料電池的改進的方法。

發明內容

本發明通過在至少一個實施方案中提供具有集成的濕化器的燃料電池來解決現有技術的一個或多個問題。該實施方案的燃料電池包括限定至少一個流場通道的第一流場板。陰極催化劑層被布置在第一流場板的至少一部分上。聚合物離子傳導膜被布置在陰極催化劑層上。陽極催化劑層被布置在聚合物離子傳導膜上。最終，限定至少一個流場通道的第二流場板被布置在陽極催化劑層上。該聚合物離子傳導膜延伸超過該陰極催化劑層和陽極催化劑層使得該燃料電池具有至少一個周界區域，所述周界區域沒有所述陰極催化劑層和所述陽極催化劑層并且其中該聚合物催化劑層被插入在第一流場板與第二流場板之間。正是該周界區域(peripheral?region)可用于濕化。

本發明進一步體現在如下方面：

1、燃料電池，包括

限定至少一個流場通道的第一流場板；

被布置在所述第一流場板的至少一部分上的陰極催化劑層；