[發明專利]構造成最優化的陽極水管理的低成本燃料電池擴散層

有效

• 申請號: 201310287626.0
• 申請日: 2013-05-16
• 公開（公告）號: CN103427099A
• 公開（公告）日: 2013-12-04
• 發明（設計）人: J·P·歐維簡;P·D·尼科特拉;M·M·門奇;R·E·埃文斯
• 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: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04;H01M8/02;H01M8/10
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 崔幼平;楊炯

有關聯邦資助研發的聲明

本發明在通過能源部授予的合同號DE-EE0000470下由政府資助。政府在本發明中具有某些權利。

技術領域

本發明總體涉及一種用于控制通過燃料電池的氣體和水的流的設備，以及特別涉及一種非對稱氣體擴散層布置，該非對稱氣體擴散層的陽極氣體擴散層比陰極氣體擴散層具有更高的擴散阻力。

背景技術

很多應用中使用燃料電池作為電功率源。特別是，燃料電池被提出在汽車中使用以取代內燃發動機。在質子交換膜(“PEM”)型燃料電池中，氫(H₂)作為燃料被供應至燃料電池的陽極，以及氧作為氧化劑供應至陰極。氧可以為純凈形式(O₂)或空氣(O₂，N₂，CO₂以及其它氣體的混合物)。質子交換膜燃料電池一般具有膜電極組件(“MEA”)，其中固體聚合物膜在一面上具有陽極催化劑，而在相對的面上具有陰極催化劑。MEA夾在一對多孔氣體擴散層(“GDL”)之間，其繼而夾在一對非多孔、導電件或導電板之間。這些板用作為用于陽極和陰極的電流收集器，并且包括形成在其中的適當的溝槽和開口以便在相應的陽極和陰極催化劑表面上分配燃料電池的氣體反應物。為了有效的產生電，PEM燃料電池的聚合物電解質膜必須為薄、化學上穩定、能傳輸質子、不導電并且氣體不可滲透。在一些典型應用中，為了提供高水平電功率，燃料電池設置為多個單個燃料電池堆的陣列。

氣體擴散層在質子交換膜燃料電池中具有多重功能。例如，GDL作為擴散器以便反應物氣體行進到陽極和陰極層，同時將產物水傳輸至流場。GDL還傳導電子以及將在MEA處產生的熱傳送至冷卻劑，以及作為在軟的MEA和硬的雙極板之間的緩沖層。在這些功能中，GDL的水管理能力對于獲得最大燃料電池性能至關重要。換句話說，理想的GDL能夠在潮濕的工作條件期間或在大電流密度下從電極中移除過多的產物水以避免溢出，以及在干燥工作條件期間保持某種程度的膜電解質水合作用以獲得合適的質子導電率。在質子交換膜燃料電池中使用的固體電解質膜(例如)需要保持某種程度的水合作用，以提供良好的質子導電率。基于碳氫化合物的質子交換膜，其作為用于燃料電池應用的替代固體電解質出現，與基于含氟聚合物的固體電解質膜例如Nafion相比具有更便宜以及更有利(無氟釋出)的潛力。為獲得合適的質子導電率，基于碳氫化合物的固體電解質膜發展以滿足更高程度水合作用的需要。

對于針對汽車應用的PEM燃料電池，較干燥穩定態的工作條件是有利的，其需要GDL具有優良的水保持能力，以獲得某種程度的膜水合作用。汽車應用中的燃料電池也將經歷在啟動、關閉以及在低于冰點的環境中的潮濕工作條件。

有關薄、多孔以及導電性的材料的多年研究導致了在當前發展水平的PEM燃料電池中使用的基于聚丙烯腈(“PAN”)的碳纖維紙。然而，嘗試使用替代基于PAN的碳纖維紙的更低成本材料導致一個或多個氣體擴散層功能受到不利的影響。當氣體擴散層不能最優作用時發生的一個問題是陽極水積聚，這會導致電流模塊中凍結和冷啟動失敗。增加陽極擴散阻力可以影響水平衡，以及幫助減少發生凍結和冷啟動失敗。然而，在過去，通過評估性能，這些低成本材料通常被認為是對稱的，其中在燃料電池的陰極側和陽極側上具有相同材料。

發明內容

鑒于以上以及其它問題，本發明的特征包含在本公開中，其賦予被動式燃料電池水平衡。在一種形式中，通過在干燥工作條件下保持一些產物水，而在潮濕工作條件下除去多余的產物水，燃料電池水平衡的被動式控制發生。

根據本發明的實施例，提供一種燃料電池，該燃料電池包括陰極氣體擴散層、陰極催化劑層、陽極氣體擴散層、陽極電極層、以及電解質層，其中當與陽極燃料工作時，陽極氣體擴散層的擴散阻力大于陰極擴散層的擴散阻力。

根據本發明的另一個實施例，提供一種燃料電池，該燃料電池包括陰極氣體擴散層、陰極催化劑層、陽極氣體擴散層、陽極催化劑層、以及電解質層，其中當與陽極燃料工作時，陽極氣體擴散層的擴散阻力大于陰極擴散層的擴散阻力，其中陽極氣體擴散層包括具有平面薄片幾何結構的填料顆粒。

本發明的其它示意性實施例通過下文提供的詳細說明顯見。應理解的是，在描述本發明的示意性實施例的同時，詳細說明和特定實施例只是出于說明性的目的，而不意于限制本發明的范圍。

本發明還包括以下技術方案：

1.一種燃料電池，包括：

陰極氣體擴散層；

陰極催化劑層；

陽極氣體擴散層；

陽極催化劑層；以及