[发明专利]燃料电池堆体及具有其的燃料电池系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统。

背景技术

燃料电池系统包括利用燃料(烃基燃料、氢或富氢气体)与氧化剂(空气或氧气)的电化学反应产生电能的燃料电池堆体、向燃料电池堆体供应燃料的燃料供应器(fuel supply)以及向燃料电池堆体供应氧化剂的氧化剂供应器。燃料电池堆体包括多个膜电极组件(MEA)和位于膜电极组件之间的分隔体(也称为双极板)。

每个MEA包括电解质膜、形成在电解质膜一侧的阳极以及形成在电解质膜另一侧的阴极。分隔体在面对阳极的一侧形成燃料通道以通过其将燃料供应到阳极，并在面对阴极的一侧形成氧化剂通道以通过其将氧化剂供应到阴极。接着，在阳极的氢的氧化反应和在阴极的氧的还原反应产生电能，并另外产生了热和水分。

在燃料电池堆体工作期间，在MEA的特定区域而不是在MEA的整个区域另外产生了水，水的量随着电流密度的增大而增大。因此，在产生大量水的区域中氧化剂的分散恶化，在缺水的区域中MEA恶化或无法发生电化学反应。因此，不能在MEA的整个区域引发均匀的反应，由此引起燃料电池堆体的性能恶化。

在背景技术中公开的上述信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此其可以包含不形成本国本领域技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的实施例提供了一种燃料电池堆体和包括该燃料电池堆体的燃料电池系统，该燃料电池堆体能通过在膜电极组件(MEA)的基本整个区域中引发大体均匀的电化学反应来增大电能产生效率。

根据本发明示范性实施例的燃料电池堆体包括：多个膜电极组件，每个膜电极组件具有电解质膜、在电解质膜的第一侧上的阳极和在电解质膜的与第一侧相反的第二侧上的阴极，其中阳极和阴极的每个包括分为至少两个区的气体扩散层使得第一区和第二区具有不同的面密度；和分隔体，在相邻的膜电极组件之间。

在一个实施例中，气体扩散层包括背衬层和微孔层，该背衬层由薄的多孔材料制成，诸如，碳纸、碳布、碳毡、金属或金属纤维，该微孔层由碳粉末、碳纳米棒、碳纳米线、碳纳米管、导电金属、无机材料或陶瓷粉末制成。

在一个实施例中，在第一区中的背衬层具有在约50g/m²至约300g/m²之间的面密度，在第二区中的背衬层具有在10g/m²至50g/m²之间的面密度，在第一区中的微孔层具有在30g/m²至100g/m²之间的面密度，在第二区中的微孔层具有约70g/m²或小于70g/m²的面密度。

气体扩散层可以涂覆有疏水材料或亲水材料，诸如，聚四氟乙烯或磺化四氟乙烯共聚物。

此外，分隔体可具有氧化剂入口和氧化剂出口，其中第一区邻近氧化剂入口并具有比第二区高的面密度。分隔体可具有燃料入口和燃料出口，其中第一区邻近燃料入口并具有比第二区高的面密度。

在另一实施例中，提供了一种燃料电池堆体，其包括：多个膜电极组件，每个膜电极组件包括电解质膜、在电解质膜的第一侧上的阳极和在电解质膜的与第一侧相反的第二侧上的阴极，其中阳极和阴极包括气体扩散层，其中气体扩散层的面密度在气体扩散层上逐渐变化；以及分隔体，在相邻的膜电极组件之间。

在一个实施例中，分隔体具有氧化剂入口和氧化剂出口，其中阴极的气体扩散层的面密度在大体从氧化剂入口到氧化剂出口的方向上逐渐减小，分隔体具有燃料入口和燃料出口，其中阳极的气体扩散层的面密度在大体从燃料入口到燃料出口的方向上逐渐减小。

附图说明

图1为根据本发明第一示范性实施例的燃料电池堆体的局部分解透视图；

图2为图1的燃料电池堆体的一个MEA和两个分隔体的分解透视图；

图3为图2的MEA和分隔体的局部截面图；

图4为图3的燃料电池堆体的阴极的气体扩散层的示意图；

图5为图3的燃料电池堆体的阳极的气体扩散层的示意图；

图6为根据本发明第二示范性实施例的燃料电池堆体的阴极的气体扩散层的示意图；

图7为根据本发明第二示范性实施例的燃料电池堆体的阳极的气体扩散层的示意图；

图8为根据本发明第三示范性实施例的燃料电池堆体的阴极的气体扩散层的示意图；

图9为根据本发明第三示范性实施例的燃料电池堆体的阳极的气体扩散层的示意图；

图10为根据本发明第四示范性实施例的燃料电池堆体的阴极的气体扩散层的示意图；

图11为根据本发明第四示范性实施例的燃料电池堆体的阳极的气体扩散层的示意图；