[發明專利]具有改善的熱特征的燃料電池

有效

• 申請號: 201110211695.4
• 申請日: 2011-07-27
• 公開（公告）號: CN102347497A
• 公開（公告）日: 2012-02-08
• 發明（設計）人: J.P.奧維簡;P.D.尼科特拉;J.A.布羅斯基
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M8/04;H01M4/86
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 曹小剛;楊思捷

技術領域

本技術領域一般涉及燃料電池。

背景技術

采用氫氣和氧氣作為反應物氣體并且采用聚合物電解質作為隔膜的電化學燃料電池能夠以高的能量效率并且實質性零排放進行工作。在這種燃料電池中，水管理對于燃料電池性能具有重要影響。聚合物電解質膜需要水來保持適當的水合水平以獲得充分的離子傳導率。另一方面，水通過氧的電化學還原在陰極上生成。在陰極處生成的水典型地通過蒸發進入挨著陰極的氣體流動通道來去除。但是，如果水蒸發太慢，那么該電極將充滿水（溢流），從而阻擋反應物氣體到達陰極中的催化劑。如果陰極被水溢流，那么燃料電池反應將顯著減慢或完全停止。在冷啟動或低溫操作（比如0-60℃溫度范圍）期間，陰極特別容易被液體水溢流。

美國專利申請公開20050271927描述了通過使陰極在高于陽極所處溫度的溫度下操作，迫使水從陰極流向陽極的方法。陰極層及其組分，比如碳，制備成具有更高的熱阻。

燃料電池典型地包括氣流分布板，其可以具有蛇形設計的單一氣體通道以最大化反應物氣體和電極的接觸。氣流分布板也在燃料電池堆中作為電流收集器和導體。燃料電池產生的一部分電力由于該分布板的內部電阻而損失。為了最小化該附帶的能量消耗，人們典型地希望使得氣流分布板和其鄰近部件的接觸面積最大化，以使接觸電阻和接觸熱阻最小化。典型地優選具有高的導電率的實心板材料。

發明內容

一個示例性實施方案包括燃料電池，所述燃料電池包括陽極、陰極、夾在陽極和陰極之間的聚合物電解質膜、設置在陰極和陽極每一上的氣體擴散層、設置在陽極側和陰極側上的氣體擴散層上的氣流分布層、以及任選的設置在氣流分布層上的冷卻劑板。在陽極側和陰極側上的氣體擴散層和氣流分布層的組合的熱阻足以允許陰極催化劑層在升高的溫度下操作，以有效地蒸發在多孔陰極催化劑層處產生的水。

另一示例性實施方案包括改善燃料電池低溫特征的方法，包括：提供燃料電池，所述燃料電池包括電極厚度小于大約3微米的納米結構化的薄膜陰極以及將反應物氣體分布到陽極和陰極上的氣流分布層；提高該氣流分布層的熱阻和/或接觸熱阻；使得陰極催化劑層的溫度顯著上升高于反應物氣體的露點，以防止在陰極催化劑層處水溢流。

本發明進一步體現在如下方面：

1.?燃料電池，包括陽極、陰極、夾在所述陽極和所述陰極之間的聚合物電解質膜、設置在所述陰極和所述陽極的每一上的氣體擴散層、設置在所述陽極側和陰極側上的所述氣體擴散層上的氣流分布層、和任選地設置在所述氣流分布層上的冷卻劑板，其中所述陽極側和/或陰極側上的氣體擴散層和氣流分布層的組合的熱阻足以允許所述陰極在升高的溫度下操作以有效地蒸發在所述陰極處生成的水。

2.?方面1的燃料電池，其中所述熱阻是至少1.5×10^-3m²K/W。

3.?方面1的燃料電池，其中所述熱阻是至少2×10^-3m²K/W。

4.?方面1的燃料電池，其中所述陰極是包含有機材料和貴金屬催化劑的納米結構化的薄膜電極層。

5.?方面4的燃料電池，其中所述陰極基本不含碳黑。

6.?方面4的燃料電池，其中所述陰極層的厚度小于大約3微米。

7.?方面4的燃料電池，其中所述陰極層的厚度是大約0.1微米－2微米。

8.?方面4的燃料電池，其中所述陰極層的厚度是大約0.1-1微米。

9.?方面1的燃料電池，其中所述氣流分布層基本上包含多孔材料，在所述多孔材料中具有孔隙；并且所述多孔材料的熱阻高于沒有所述孔隙的所述材料的熱阻。

10.?方面9的燃料電池，其中所述材料包含鍍金屬的聚合物泡沫、石墨、碳纖維復合物、碳黑填充的復合物、碳納米管、鋁合金、銅合金、不銹鋼、鈦、鈦合金、金、鎳、鎳合金、金合金或其任何組合。

11.?方面1的燃料電池，其中所述氣流分布層包括網格流場，所述網格流場限定矩形狀圖案的氣體流動通道，僅僅一部分所述矩形狀圖案和所述鄰近的氣體擴散層直接接觸。

12.?方面11的燃料電池，其中少于一半的所述矩形圖案和所述鄰近的氣體擴散層直接接觸。

13.?方面1的燃料電池，其中所述氣流分布層包含網格篩網。

14.?方面1的燃料電池，其中所述氣體擴散層和所述氣流分布層之間的接觸熱阻基本上大于零。