[发明专利]质子交换膜燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池及其设计方法。

背景技术

质子交换膜(PEM)燃料电池由于其低的操作温度而可以快速启动，这使得它们适合用于便携设备中。操作PEM燃料电池时，需要考虑的最重要的问题之一是热管理，以保持燃料电池组件内部温度分布尽可能均匀，否则燃料电池可能会由于膜的脱水而遭遇热故障。这需要调查有效热导率，一个重要的组成是具有各向异性的多孔介质的热导率。

最近，研究者们对GDLs的各向异性性质对PEM燃料电池的性能的作用表现出越来越多的兴趣[1-5]。Khandelwal和Mench[6]报道了SIGRACET的贯通面热导率(through-plane thermal conductivity)为0.22±0.04W/(m.K)，而Toray报道的数据是1.8±0.27W/(m.K)。Ramousse等[7]报道了在不同压力下GDL的贯通面热导率，获得了在4.6和13.9bar的压力下的数值分别为0.2和0.27W/(m.K)。然而，Karimi[8]发现在0.7和13.8bar的压力下的贯通面热导率值分别为0.2到0.7W/(m.K)。从这些结果可以看出，GDLs的热传导率因GDL的不同而存在显著的差异。为了研究GDL的热传导率的作用，已经进行了许多数值研究。然而，大多数的PEM燃料电池模型都假定GDLs是由各向同性材料构成。

Pharaoah和Burheim[9]开发了二维模型来研究PEM燃料电池内的温度分布。GDL的导热率的作用和在水相中的变化，导致在阴极侧比在阳极侧的温度高。Zamel等[10]数值估计了碳纸(carbon paper)的平面(in-plane)热导率和贯通面热导率，该碳纸通常用作PEM燃料电池中的气体扩散层。GDL的热导率对碳纸的孔隙度敏感。随着碳纸孔隙率的降低，发现碳纸的导热率增加，同时平面热导率比贯通面热导率高得多。Burlatsky等[11]开发了数学模型来研究PEM燃料电池中脱水的情形。水的转运依赖于GDL的热导率和水的扩散系数。He等[12]研究了GDL的热导率对PEM燃料电池内的温度分布的作用。他们的研究结果表明，GDL的各向异性热导率导致比对于各向同性的GDL更高的温度梯度，这导致在各向异性情况下，含水饱和度下降。根据Ju Hyunchul[24]，当使用各向异性GDL时比使用各向同性GDL，PEM燃料电池内的温差更大。此外，各向同性的GDLs比各向异性的气体扩散层获得更均匀的电流密度。

然而，到目前为止，还没有研究人员用实验数据证明他们的模型结果。

特拉华大学的美国专利7785748B2公开了用于制备纳米多孔气体扩散介质的新方法，其组合物和包括其的装置。公开了一种多孔金属气体扩散层。据说，其公开的纳米多孔扩散介质显示出优良的电和热传导性。

发明内容

根据本发明的第一个方面，提供了一种设计包括气体扩散层的质子交换膜燃料电池的方法，该方法包括：

使用质子交换膜燃料电池的模型来确定所述燃料电池的性能，其中所述模型基于燃料电池的多个参数，所述多个参数包括气体扩散层的各向异性性质中的至少一个，

调整所述多个参数中的至少一个；

确定所述调整步骤是否改善所述燃料电池的性能，以及

通过选择提供改善性能的所述参数设计所述燃料电池。

使用所述模型确定性能可以包括确定燃料电池的温度分布、含水饱和度、和/或电流密度的一个或多个。可以通过提供遍及气体扩散层的更均匀的温度分布改善性能。可以通过最大化燃料电池的含水饱和度，例如在气体扩散层和催化剂层之间的界面，改善性能。

所述燃料电池优选包括通过膜相连的阳极和阴极。该模型可以包括在燃料电池内界定的多个区域。所述多个区域可以包括集电器(current collector)、通道、气体扩散层、催化剂层和所述膜中的一个或多个。将每个所述阳极和所述阴极可以界定为分离的区域。每个所述区域可以被划分成多个单元，从而可以改善计算时间。

该方法可以进一步包括使燃料电池为所述设计从而可以用实验数据验证所述结果。

多个参数可以包括气体扩散层(GDL)的材料。例如，可以用金属基GDL替换传统的碳纤维基GDL，所述金属基GDL的热和电传导率比传统GDL的热和电传导率显著更高。例如，铜和铝的热导率分别大约为400和240W/(m.K)。

各向异性性质可以包括气体扩散层的导电率、热导率、和/或渗透性中的一个或多个。包括这样的性质会加强数学模型的预测性。