專利名稱：具有改善的熱特征的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本技術(shù)領(lǐng)域一般涉及燃料電池。
背景技術(shù)：
采用氫氣和氧氣作為反應(yīng)物氣體并且采用聚合物電解質(zhì)作為隔膜的電化學(xué)燃料電池能夠以高的能量效率并且實質(zhì)性零排放進(jìn)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(zhì)膜需要水來保持適當(dāng)?shù)乃纤揭垣@得充分的離子傳導(dǎo)率。另一方面，水通過氧的電化學(xué)還原在陰極上生成。在陰極處生成的水典型地通過蒸發(fā)進(jìn)入挨著陰極的氣體流動通道來去除。但是，如果水蒸發(fā)太慢，那么該電極將充滿水 (溢流)，從而阻擋反應(yīng)物氣體到達(dá)陰極中的催化劑。如果陰極被水溢流，那么燃料電池反應(yīng)將顯著減慢或完全停止。在冷啟動或低溫操作(比如0-60°C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(shè)計的單一氣體通道以最大化反應(yīng)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(dǎo)體。燃料電池產(chǎn)生的一部分電力由于該分布板的內(nèi)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(yōu)選具有高的導(dǎo)電率的實心板材料。

發(fā)明內(nèi)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(zhì)膜、設(shè)置在陰極和陽極每一上的氣體擴(kuò)散層、設(shè)置在陽極側(cè)和陰極側(cè)上的氣體擴(kuò)散層上的氣流分布層、以及任選的設(shè)置在氣流分布層上的冷卻劑板。在陽極側(cè)和陰極側(cè)上的氣體擴(kuò)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(fā)在多孔陰極催化劑層處產(chǎn)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(jié)構(gòu)化的薄膜陰極以及將反應(yīng)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(yīng)物氣體的露點，以防止在陰極催化劑層處水溢流。本發(fā)明進(jìn)一步體現(xiàn)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(zhì)膜、設(shè)置在所述陰極和所述陽極的每一上的氣體擴(kuò)散層、設(shè)置在所述陽極側(cè)和陰極側(cè)上的所述氣體擴(kuò)散層上的氣流分布層、和任選地設(shè)置在所述氣流分布層上的冷卻劑板，其中所述陽極側(cè)和/或陰極側(cè)上的氣體擴(kuò)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(fā)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. 5X 10_3m2K/W。3.方面1的燃料電池，其中所述熱阻是至少2X10_3m2K/W。4.方面1的燃料電池，其中所述陰極是包含有機(jī)材料和貴金屬催化劑的納米結(jié)構(gòu)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微米一 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(fù)合物、碳黑填充的復(fù)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(wǎng)格流場，所述網(wǎng)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(kuò)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(kuò)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(wǎng)格篩網(wǎng)。14.方面1的燃料電池，其中所述氣體擴(kuò)散層和所述氣流分布層之間的接觸熱阻
基本上大于零。15.方面14的燃料電池，其中導(dǎo)熱率小于所述氣流分布層和/或所述氣體擴(kuò)散層的導(dǎo)熱率的涂層設(shè)置在所述氣體擴(kuò)散層和所述氣流分布層之間。16.方面13的燃料電池，其中所述氣流分布層包括和所述氣體擴(kuò)散層直接接觸的粗糙化的表面，有效的接觸面積明顯小于幾何接觸面積。17.方面1的燃料電池，其中所述氣流分布層的導(dǎo)熱率沿著所述分布層的厚度方向變化。18.方面1的燃料電池，其中所述氣流分布層和所述冷卻劑板之間的接觸熱阻基本上大于零。19.方面1的燃料電池，其中所述氣流分布層和所述冷卻劑板之間的所述接觸面積明顯小于所述氣流分布層和所述冷卻劑板的重疊截面面積。20.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1微米的納米結(jié)構(gòu)化的薄膜陰極和將反應(yīng)物氣體分布到所述陰極的氣流分布體；提高所述氣流分布體的熱阻和/或接觸熱阻，并使得所述陰極的溫度能夠升到顯著高于所述反應(yīng)物氣體的溫度，以防在所述陰極處水溢流。本發(fā)明的其它示例性實施方案將由下面提供的詳細(xì)描述而變得顯而易見。應(yīng)該理解的是，所述詳述和具體實施例在公開本發(fā)明的示例性實施方案的同時旨在僅僅示例，而非限制本發(fā)明的范圍。


本發(fā)明的示例性實施方案將由詳述和附圖得到更充分地理解，其中 圖1是根據(jù)一個實施方案的示例性燃料電池的示意性剖面圖2是氣流分布層的示例性構(gòu)造；
圖3是具有兩個氣流分布層和冷卻劑板的示例性燃料電池部件的示例； 圖4是具有兩個氣體分布層和冷卻劑板的燃料電池部件的另一構(gòu)造；和圖5A-F是橫跨氣體擴(kuò)散層和氣流分布層的數(shù)個示例性溫度分布的圖。
具體實施例方式下面對實施方案的描述本質(zhì)上僅僅是示例性的，絕不試圖限制本發(fā)明、其應(yīng)用或用途。圖1是根據(jù)一個示例性實施方案的燃料電池的剖面圖。多個這種單元可以堆疊在一起。請注意在這個和其它附圖中，任何層厚、孔尺寸或者其它特征不必按比例繪制；例如， 一些特征可以以夸大的比例繪制從而容易舉例說明；這絕不是試圖限制。燃料電池可以包括第一氣流分布層60和第二氣流分布層63，每個包括由多個凸臺限定的各自的反應(yīng)物氣體流場61和62，所述凸臺將反應(yīng)物氣體流場隔離開。反應(yīng)物氣體流場有效地將燃料氣體 (例如氫氣)分布到電化學(xué)燃料電池的陽極上或者將氧化物氣體(比如氧氣和空氣)分布到電化學(xué)燃料電池的陰極上。燃料電池可以包括膜電極組件50，后者包括包含質(zhì)子傳導(dǎo)部分的聚合物電解質(zhì)膜(PEM)51、陽極層53和陰極層52。第一氣體擴(kuò)散層(或者氣體擴(kuò)散介質(zhì)) 55可以覆蓋陰極電極52。第二氣體擴(kuò)散層54可以覆蓋陽極層53。氣體擴(kuò)散層55和54各自可以包括多孔基質(zhì)層和任選的第二微孔層，如后所述。如果需要，可以將親水性或疏水性層(未示出)設(shè)置在陰極52、陽極53和/或氣流分布層63和60上。第一冷卻劑板65和第二冷卻劑板66也包括在該示例性燃料電池中，以有助于去除在燃料電池操作過程中生成的過量熱從而進(jìn)行正確的溫度控制。冷卻劑板典型地是導(dǎo)熱板，任選的在該板內(nèi)部設(shè)置有冷卻劑液體。冷卻劑板可以由導(dǎo)電材料比如石墨、金屬(比如鋁和不銹鋼)和金屬合金制備。 在冷卻劑板內(nèi)部的冷卻劑可以循環(huán)到散熱器以通過對流除熱。聚合物電解質(zhì)可以包括基于烴的樹脂和基于氟碳化合物的樹脂。基于烴的電解質(zhì)樹脂能夠包括酚醛樹脂、含磺酸樹脂、含磺酰胺樹脂、含芳族酮樹脂、含羧酸樹脂；縮合樹脂比如酚_醛、聚苯乙烯、苯乙烯_ 二乙烯基苯共聚物、苯乙烯_ 二乙烯基苯_氯乙烯三元共聚物等。基于氟碳化合物的聚合物電解質(zhì)能包括全氟化的磺酸聚合物，比如四氟乙烯_全氟磺酰基乙氧基乙烯基醚四氟乙烯_羥基化的(全氟乙烯基醚)共聚物、和磺化的全氟環(huán)丁烷共聚物。在一些情況中，也可以使用具有磺酸、羧酸、磺酰胺、磺?；啺泛?或磷酸官能團(tuán)的氟碳化合物型樹脂?；诜蓟衔锏臉渲湫偷貙ρ?、過氧化物、強(qiáng)酸和強(qiáng)堿的氧化具有優(yōu)異的抗力，能夠用于純的和復(fù)合電解質(zhì)膜中，在所述膜中，強(qiáng)化性非電解質(zhì)材料比如PTFE (聚四氟乙烯)定向多孔膜或纖維基質(zhì)用作機(jī)械骨架。具有磺酸基團(tuán)官能團(tuán)的一族氟碳化合物型樹脂是NafionTM樹脂(DuPont Chemicals, Wilmington, Del.，可以得自 ElectroChem, Inc. , Woburn, Mass.禾口 Aldrich Chemical Co. Inc. , Milwaukee, Wis.)。能夠用于本發(fā)明的其它基于氟碳化合物的聚合物電解質(zhì)樹脂包括包含芳基全氟烷基磺?；啺逢栯x子交換基團(tuán)的烯烴的(共)聚合物。一種這類樹脂是P-STSI，它是衍生于具有如下式子的苯乙烯基三氟甲基磺?；啺?STSI)的自由基聚合的離子傳導(dǎo)材料苯乙烯基-SO2-NH-SO2CF3t5可以采用當(dāng)量(EW)為大約400-大約1000的聚合物電解質(zhì)來流延燃料電池中的電解質(zhì)膜。聚合物電解質(zhì)膜51能夠由包含聚合物電解質(zhì)的組合物流延或以其它方式形成。 可以使用溶液、分散體、乳液、聚合物熔體、顆?；旌衔锘蛘呒円后w混合物形式的聚合物電解質(zhì)組合物來制備所述膜。取決于混合物的形式和特定組成，可以使用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的各種成膜方法。非限制性的示例性成膜方法可以包括擠壓通過縫模頭、溶液流延、 固定間隙涂覆、噴涂、浸涂、下拉式輥涂、壓延、刷涂、增強(qiáng)性片狀材料的浸漬、和吹塑。燃料電池電極52和53 (陰極和陽極)可以是包含貴金屬催化劑的多孔層。電極和膜51緊密接觸。電極可以包括催化劑載體材料、貴催化劑(noble catalyst)、任選的電導(dǎo)體和樹脂粘合劑。電極層52、53可以通過涂覆、噴涂、刷涂或其它沉積方法直接形成在聚合物電解質(zhì)膜51上。電極52、53也可以首先形成在基體載體上，然后轉(zhuǎn)移到PEM上。貴金屬催化劑通常包含鉬金屬、鉬金屬合金或其它貴金屬。金屬催化劑的非限制性實例可以包括鉬、釕、錳、鈀、鎳、銥、鐵、鈷、和其任何合金或混合物。可以采用二元催化劑比如合金Pt/ Co、Pt/Ru和Pt/Mn。也可以采用通式PtMlM2 (金屬Pt、Ml和M2的固溶體)表示的三元催化劑，其中Pt的加載量可以減少。Ml和M2表示不同于Pt的兩種不同金屬，比如NiFe、 CoFe、MnFe、NiMn和CoMn金屬對。在一個實例中，鉬催化劑負(fù)載在通過PTFE粘合劑結(jié)合在一起的多孔碳黑基體(比如可獲自Cabot Corporation的Vulcan XC-72)上。這種多孔電極結(jié)構(gòu)典型地鉬加載量為大約0. 2-4mg/cm2,厚度是大約10 — 30微米。相對大的孔體積和疏水PTFE粘合劑的存在使得這種電極不容易出現(xiàn)水溢流——在催化劑表面上形成液體水層。在另一實例中，采用孔體積低的電極層，比如納米結(jié)構(gòu)化的薄膜(NSTF)層，作為電極層。 基于NSTF的電極層允許采用較低的鉬催化劑負(fù)載量、低的傳質(zhì)過電勢、和改善的電化學(xué)穩(wěn)定性和耐久性。NSTF電極層典型地的厚度是0. 1 — 3納米、0. 1-2納米或者0. 1-0. 7微米， 沒有使用PTFE粘合劑或碳顆粒。結(jié)果，在電極中孔體積明顯更小，電極層更容易水溢流，尤其在其中低的水蒸氣飽和壓降低了能夠以蒸氣相去除的水量的冷啟動或低溫操作條件下。 在美國專利6136412中描述了 NSTF燃料電池電極層，該專利通過引用結(jié)合進(jìn)來并在下面簡單描述。NSTF電極層可以通過在初始微觀結(jié)構(gòu)化的載體基體上沉積有機(jī)材料的納米結(jié)構(gòu)化元件(典型地為晶須形狀)陣列而形成。納米結(jié)構(gòu)化的元件隨后轉(zhuǎn)移到PEM上以形成電極層。催化劑，比如Pt、Pt/Co合金和PtMnCo合金，通過物理氣相沉積或其它已知的沉積方法沉積在該納米結(jié)構(gòu)化的元件的陣列上。納米結(jié)構(gòu)化的元件可以包括有機(jī)材料比如多核芳族烴和雜環(huán)芳族化合物，最優(yōu)選 C. I.(顏料索引)PIGMENT RED 149 (二萘嵌苯紅或者 PR 49，得自 American Hoechst Corp. of Somerset，NJ)的晶須(或者涂覆有金屬的晶須)。這些晶態(tài)晶須具有基本均勻但是并不相同的橫截面和高的長寬比。納米結(jié)構(gòu)化的晶須被共形地涂覆有適于催化的材料，該材料賦予所述晶須能夠作為多個催化位點起作用的精細(xì)的納米尺度表面結(jié)構(gòu)。每個納米結(jié)構(gòu)化的元件的長度可以是大約0. 01 - 5,0. 1 一 2或者0. 1 — 1微米的范圍。納米結(jié)構(gòu)化的元件可以具有均勻長度。每個納米結(jié)構(gòu)化的元件的平均橫截面尺寸可以小于大約1微米，優(yōu)選0. 01-0. 5微米。最優(yōu)選地，每個納米結(jié)構(gòu)化的元件的平均橫截面尺寸是0. 03-0. 3微米。該微觀結(jié)構(gòu)可以具有為大約IO7 —大約IO11納米結(jié)構(gòu)化元件/平方厘米的面積數(shù)量密度。 更優(yōu)選地，該微觀結(jié)構(gòu)具有為大約IO8 —大約IOki納米結(jié)構(gòu)化元件/平方厘米的面積密度。 而且，該納米結(jié)構(gòu)化元件的高表面積使得更多催化劑能夠沉積在該表面上。催化劑的存在量可以是至少大約80wt %，基于納米結(jié)構(gòu)化元件和催化劑的總重量。比較而言，基于碳黑負(fù)載的鉬催化劑的電極層典型地的催化劑加載量是至多40%，基于碳和催化劑的總重量。雖然NSTF電極層具有這種高的催化劑重量百分比，但是催化劑量的面積密度，也即與每單位尺寸燃料電池的總催化劑量直接相關(guān)的度量值，僅僅是大約0. 05-0. lmg/cm2。納米結(jié)構(gòu)化的元件能夠很容易地從初始基體轉(zhuǎn)移到聚合物電解質(zhì)膜51或者氣體擴(kuò)散層54、55表面，以形成電極層52、53?？梢允褂萌魏我阎霓D(zhuǎn)移方法?？梢允褂檬褂密堓?、帶或壓板的間歇式或連續(xù)式熱壓，伴隨著用溶劑、粘合劑、膠粘劑或其它輔助材料對 PEM或初始基材進(jìn)行預(yù)處理或者不用所述預(yù)處理?？梢允褂?0-900MPa (兆帕斯卡)更優(yōu)選 180-270MPa的壓力，將沉積有納米結(jié)構(gòu)化元件的初始基材壓靠在聚合物電解質(zhì)膜或氣體擴(kuò)散層上。壓制溫度是80-300°C，更優(yōu)選是100-150°C。壓制時間可以大于1秒，優(yōu)選大約1 分鐘。在被壓制在一起之前，PEM和沉積有納米結(jié)構(gòu)化元件的初始基材可以預(yù)熱1 一 10分鐘。在壓力釋放和除去初始基材之前，壓機(jī)的壓板可以水冷或者通過任何其他合適方式進(jìn)行冷卻。任選地，可以采用采用真空壓板的壓機(jī)。所得到的NSTF電極層典型地的厚度是 0. 1-3微米、0. 1-2微米或者0. 1-1微米。氣體擴(kuò)散層54、55可以包括導(dǎo)電多孔基質(zhì)和任選的微孔層。導(dǎo)電的多孔基質(zhì)可以包括例如多孔導(dǎo)電泡沫(比如碳泡沫、金屬泡沫等)、導(dǎo)電纖維基質(zhì)、或者導(dǎo)電顆粒聚集體多孔層。碳纖維基質(zhì)可以包括如下的至少之一碳紙、碳纖維無紡片材、碳纖維機(jī)織布和碳纖維針織布。市售的碳布和紙張材料可得自Zoltek、SGL group(商標(biāo)名Sigracet )和Toray。 微孔層可以插在第一多孔基質(zhì)層和陰極電極層52之間。微孔層可以包含導(dǎo)電顆粒、疏水劑和任選的聚合物電解質(zhì)。微孔層可以提供正確的孔隙尺寸，以便氣體滲透、水管理和改善與電極層的鄰近催化劑的密切電接觸。導(dǎo)電顆粒可以包括碳顆粒和任何其他的導(dǎo)電惰性材料比如貴金屬及其氧化物。碳顆?？梢园╒ulcan碳(比如Vulcan XC-72)、乙炔黑、碳納米管、石墨、Black Pearls 2000和Ketjen Black。疏水劑可以包括但不限于偏二氟乙烯、四氟乙烯、乙烯、丙烯和六氟丙烯的聚合物和共聚物。聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE) 或聚(四氟乙烯-共-乙烯)的溶液或分散體例如可以用作所述疏水劑。氣流分布層60、63可以包括導(dǎo)電材料，比如石墨、碳纖維復(fù)合物、導(dǎo)電碳黑復(fù)合物、金屬和/或金屬合金片。當(dāng)使用金屬或金屬合金片時，氣流分布層可以通過如下制備 將金屬比如鈦、不銹鋼、銅、鎳、鉻、金、金合金、鍍金金屬片和鋁合金的薄片沖壓，以形成設(shè)計圖案的通道作為流場?；蛘?，氣體流動通道和圖案可以通過模塑、雕刻、蝕刻或其他本領(lǐng)域已知的類似方法來提供。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案可以采用具有較高熱阻的氣流分布層。對于片狀材料而言，厚度方向的熱阻在本文中定義為厚度除以導(dǎo)熱率。熱阻的單位是 m2-K/ff (平方米開爾文每瓦)。氣流分布層60、63在厚度方向上的熱阻可以是至少1. 0,1. 5 或2. 0m2-K/W。通過選擇具有不同導(dǎo)熱率的不同材料并構(gòu)造不同厚度的氣流分布層，能夠獲得各種水平的熱阻。在一種構(gòu)造中，氣流分布層60、63的熱阻比鄰近的氣體擴(kuò)散層55、54的高。氣流分布層可以經(jīng)構(gòu)造以具有比氣體擴(kuò)散層大的厚度，因此提高了冷卻劑板65和陰極 52之間的整體熱阻。如圖2所示，可以使用在材料中具有孔隙67的示例性多孔氣流分布層，比如60或63。多孔氣流分布層的熱阻比沒有孔隙的相同固體材料的高。合適的多孔材料可以包括但不限于多孔石墨、碳纖維復(fù)合物、碳顆粒填充的樹脂復(fù)合物、或者金屬泡沫材料(比如，不銹鋼泡沫、鎳泡沫、鋁泡沫、鈦泡沫、金屬鍍覆的聚合物泡沫等)。請注意，雖然圖 1 - 5全部顯示了具有相同多孔交叉影線圖案的氣流分布層60和/或63，但是不是所有實施方案都包括多孔氣流分布層；也即，一些實施方案包括非多孔的氣流分布層或者實心氣流分布層。在另一實施方案中，氣流分布層的多個部分可以是多孔的，而其他部分可以是實心的。在一種構(gòu)造中，氣流分布層和冷卻劑板集成到一個燃料電池部件中，如圖3中所示。 冷卻劑板65可以夾在兩個氣流分布層比如60和63中，一個用于將燃料氣體分布到陽極， 一個用于將氧化劑氣體分布到陰極。在氣流分布層60和63的每一和冷卻劑板65之間也可以包括不透性的分隔層68。分布層60和63每個具有各自的流動通道/流場61和62。流動通道/流場61和62可以具有不同的設(shè)計或圖案。在另一構(gòu)造中，氣流分布層60、63可以在厚度方向上具有熱阻梯度。氣流分布層可以包括多層具有變化的導(dǎo)熱率、變化的孔隙密度或者變化的化學(xué)組成的材料。結(jié)果，厚度方向上的熱阻發(fā)生變化，具體取決于特定構(gòu)造。 氣流分布層可以在外側(cè)部分具有高的熱阻，而在中間部分具有低的熱阻，反之亦然。多孔氣流分布層的另外實例包括僅僅鍍覆在接觸表面上的多孔金屬金，或者在配合表面上沉積有導(dǎo)電性不透性皮膚的多孔材料；交織型金屬絲網(wǎng)；有序的介孔碳層(CMK)和模板化的納米多孔碳(TNC)，比如甲階段酚醛樹脂、蒸發(fā)誘導(dǎo)的自組裝(EISA)介結(jié)構(gòu)(mesostructure) (Advanced Materials 2008，A. Stein等，卷20，第1-29頁)、和嵌段共聚物膜，具有處于螺旋狀或正交柱狀形貌的一種犧牲相，該犧牲相在熱解過程中揮發(fā)(Synthetic Materials 2008, P. Kulkarni 等，印刷中；Angewandte Chemie 2004，C. Liang，卷 116，pp5909_5913 ； 專利US2006057051A)；碳-環(huán)氧化物復(fù)合物或者金屬涂覆的玻璃纖維衍射光柵結(jié)構(gòu)；和導(dǎo)電涂覆的或者官能化的介孔氧化硅化合物(Chemistry of Materials 2007，Y. Deng等，卷 19， pp3271-3277)。 燃料電池可以經(jīng)構(gòu)造以在氣流分布層60、63和氣體擴(kuò)散層54、55之間、和/或在氣流分布層60、63和冷卻劑板65、66之間具有基本上大于零的接觸熱阻。在本文中接觸熱阻是指橫跨界面的溫度差除以每單位面積的傳熱率。接觸熱阻可以在數(shù)學(xué)上表達(dá)為ΔΤ / (q/A)，其中ΔΤ是橫跨界面的溫差，單位是開爾文，q是傳熱率，單位是瓦，A是界面面積，單位是平方米。因此，接觸熱阻單位是m2-K/W。氣流分布層60、63和其鄰近部件之間的接觸熱阻可以是大約0. 0001 - 0. 005m2-K/W。氣流分布層可以包括具有如下特征的氣體流動通道/流場的圖案即，具有小尺寸的突出的表面積，用于接觸鄰近的氣體擴(kuò)散層54、55或冷卻劑板65、66。這種流場特征導(dǎo)致在氣流分布層和鄰近的部件(一個或多個)之間的接觸面積小，因此具有更高的接觸熱阻。在一種實例中，在外側(cè)部分上形成矩形圖案的氣體流場， 其中在相鄰的矩形流場之間具有窄的突出的邊界。僅僅一部分所述邊界部分能夠和鄰近的部件直接接觸。結(jié)果，氣流分布層和其鄰近部件的直接接觸面積可以小于大約一半的與該鄰近部件的幾何上重疊的面積。在另一實例中，具有矩形狀開孔的篩網(wǎng)可以設(shè)置在板形部件上，以形成氣流分布層。篩網(wǎng)可以是導(dǎo)電不銹鋼或鋁機(jī)織篩網(wǎng)，或者金屬涂覆的樹脂篩網(wǎng)。在另一實例中，可以將具有低的熱導(dǎo)率的涂層施加到該氣流分布層、氣體擴(kuò)散層和/或冷卻劑板的表面上，以提高接觸熱阻。該低熱導(dǎo)率涂層可以是導(dǎo)電的，并具有小于大約150、 50或30W/m-K的導(dǎo)熱率。碳或基于青銅(k = 26)、不銹鋼(k= 10-60)、鎳鋼(k= 10-26)、硅鋼和鉻鋼的金屬性涂層以及熱膨脹性中空的或填充有聚合物的微球(US6444594)可以用作耐熱涂層。在另一實例中，氣流分布層60、63和/或氣體擴(kuò)散層54、55的接觸表面可以進(jìn)行粗糙化，以使有效接觸面積明顯小于幾何接觸面積。接觸層的表面可以通過噴砂、蝕刻、 鉆孔、雕刻或者本領(lǐng)域公知的其他類似的化學(xué)或機(jī)械方法進(jìn)行粗糙化。圖4示出了具有冷卻劑板65的燃料電池部件的另一實例，在該冷卻劑板的兩側(cè)上設(shè)置有兩層氣流分布層60 和63。在氣流分布層的外側(cè)部分中具有氣體流動通道61和62的特征性圖案。在冷卻劑板 65和氣流分布層60、63之間也具有通道、孔隙或帶凹槽的部分，如附圖標(biāo)記69所示。附圖標(biāo)記69也是氣流分布層的一部分，或者冷卻劑板的一部分。69所指示的通道、孔隙或帶凹槽的部分減少了氣流分布層和冷卻劑板之間的接觸面積，減少了板的壓降，因此提高了接觸熱阻?？臻g變化的另一實例包括在冷卻劑板和/或氣流分布層的一個或多個表面上的薄的介電材料。本發(fā)明的不同實施方案可以在燃料電池的陰極側(cè)和/或陽極側(cè)上在氣體擴(kuò)散層和氣流分布層中產(chǎn)生不同的特征性溫度分布。尤其地，燃料電池部件的高熱阻和/或接觸熱阻可以使得陰極催化劑層和/或陽極催化劑層能夠在相對于反應(yīng)物氣體溫度而言升高的溫度下操作，尤其是在冷啟動或低溫環(huán)境中。陰極催化劑層和/或陽極催化劑層可以在比入口反應(yīng)物氣體的露點高1 一 15K的溫度下操作。陰極催化劑層可以能夠在冷啟動或低的冷卻劑溫度條件(0-40°C)下以更高的蒸氣輸送流量運行。圖5示出了組合的氣體擴(kuò)散層和氣流分布層的數(shù)種示例性溫度分布。當(dāng)具有顯著減少的接觸熱阻的氫燃料電池中使用實心常規(guī)的氣流分布層60、63時，橫跨厚度的溫度分布可以在圖5中用曲線(A)表示作為對比實例，其中TO是陰極52的表面溫度，T2是冷卻劑板65的表面溫度。當(dāng)氣體擴(kuò)散層55 和氣流分布層60之間的接觸熱阻如前所述基本上大于零時，橫跨界面就有顯著的溫度降， 如圖5中的曲線(B)所示。如果冷卻劑板的溫度和其他燃料電池操作條件保持相同，陰極 52的表面溫度將上升到Tl，其中Tl大于TO。在陰極催化劑層處的溫度升高，尤其在冷啟動或低的操作溫度環(huán)境下，提供了水蒸發(fā)速率，有效地防止了在陰極催化劑層處發(fā)生水溢流。當(dāng)氣流分布層的熱阻增加時，例如通過使用多孔電導(dǎo)體時，溫度分布可以通過曲線(C)表示。氣流分布層中的熱阻增加導(dǎo)致在厚度方向D2上溫度曲線的斜率更大。因此，陰極溫度升高到Tl。以類似方式，氣體擴(kuò)散層 55的熱阻也可以增加，導(dǎo)致在厚度方向Dl上相應(yīng)溫度分布的斜率更大，如圖5中的曲線D 所示。陰極溫度因此相應(yīng)地升高到Tl。圖5中的曲線(E)示出了提高氣流分布層60和冷卻劑板65之間的接觸熱阻的影響。結(jié)果是橫跨界面出現(xiàn)明顯的溫度降，這使得陰極可以在升高的溫度Tl下操作。圖5中的曲線(F)示出了氣流分布層60在厚度方向上熱導(dǎo)率可變的效果。熱導(dǎo)率從冷卻劑板界面到氣體擴(kuò)散層界面橫跨厚度方向下降。結(jié)果，厚度方向D2 的溫度分布顯示出彎曲形狀，結(jié)果陰極溫度也升高。實際結(jié)果是(B)- (F)的組合。
實施例具有不同熱阻的三種不同的氣流分布層用于和圖1中所示類似的單元氫燃料電池中。該燃料電池具有夾在NSTF陽極催化劑層和NSTF陰極催化劑層之間的磺化的含氟聚合物電解質(zhì)膜(3M膜)。NSTF電極不含碳，厚度是大約0.5-0. 7微米。每一電極層包括沉積在晶須幾何體上的PtMnCo三元催化劑。帶有微孔層的無紡碳纖維紙張用作氣體擴(kuò)散層。燃所有的電池具有NSTF催化劑層和3M膜。構(gòu)造# 1具有標(biāo)準(zhǔn)的陽極和陰極氣流分布層
料電池在150kPa氣體壓力下運行。為了測量在較低操作溫度(45°C和55°C)下熱阻對燃料電池性能的影響，獲得并比較了在優(yōu)化條件下在0. 4V電池電壓下的電流密度。結(jié)果總結(jié)在表1中。 表1、熱阻對燃料電池性能的影響
權(quán)利要求
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(zhì)膜、設(shè)置在所述陰極和所述陽極的每一上的氣體擴(kuò)散層、設(shè)置在所述陽極側(cè)和陰極側(cè)上的所述氣體擴(kuò)散層上的氣流分布層、和任選地設(shè)置在所述氣流分布層上的冷卻劑板，其中所述陽極側(cè)和/或陰極側(cè)上的氣體擴(kuò)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操作以有效地蒸發(fā)在所述陰極處生成的水。
2.權(quán)利要求1的燃料電池，其中所述陰極是包含有機(jī)材料和貴金屬催化劑的納米結(jié)構(gòu)化的薄膜電極層。
3.權(quán)利要求2的燃料電池，其中所述陰極基本不含碳黑。
4.權(quán)利要求2的燃料電池，其中所述陰極層的厚度小于大約3微米。
5.權(quán)利要求2的燃料電池，其中所述陰極層的厚度是大約0.1微米一 2微米。
6.權(quán)利要求2的燃料電池，其中所述陰極層的厚度是大約0.1-1微米。
7.權(quán)利要求1的燃料電池，其中所述氣流分布層包括網(wǎng)格流場，所述網(wǎng)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(kuò)散層直接接觸。
8.權(quán)利要求1的燃料電池，其中所述氣流分布層包含網(wǎng)格篩網(wǎng)。
9.權(quán)利要求1的燃料電池，其中所述氣體擴(kuò)散層和所述氣流分布層之間的接觸熱阻基本上大于零，并且其中導(dǎo)熱率小于所述氣流分布層和/或所述氣體擴(kuò)散層的導(dǎo)熱率的涂層設(shè)置在所述氣體擴(kuò)散層和所述氣流分布層之間。
10.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1微米的納米結(jié)構(gòu)化的薄膜陰極和將反應(yīng)物氣體分布到所述陰極的氣流分布體； 提高所述氣流分布體的熱阻和/或接觸熱阻，并使得所述陰極的溫度能夠升到顯著高于所述反應(yīng)物氣體的溫度，以防在所述陰極處水溢流。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有改善的熱特征的燃料電池。一個示例性實施方案包括燃料電池，包括夾在陽極和陰極之間的聚合物電解質(zhì)膜、設(shè)置在所述陰極和所述陽極的每一上的氣體擴(kuò)散層、設(shè)置在所述陽極側(cè)和陰極側(cè)上的所述氣體擴(kuò)散層上的氣流分布層、和任選地設(shè)置在所述氣流分布層上的冷卻劑板。所述陽極側(cè)和/或陰極側(cè)上的氣體擴(kuò)散層和氣流分布層的組合的熱阻足以允許所述陰極催化劑層在升高的溫度下操作以有效地蒸發(fā)在所述陰極處生成的水。
文檔編號H01M4/86GK102347497SQ20111021169
公開日2012年2月8日 申請日期2011年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月27日
發(fā)明者A. 布羅斯基 J., P. 奧維簡 J., D. 尼科特拉 P. 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責(zé)任公司