[发明专利]构造成最优化的阳极水管理的低成本燃料电池扩散层

说明书

有关联邦资助研发的声明

本发明在通过能源部授予的合同号DE-EE0000470下由政府资助。政府在本发明中具有某些权利。

技术领域

本发明总体涉及一种用于控制通过燃料电池的气体和水的流的设备，以及特别涉及一种非对称气体扩散层布置，该非对称气体扩散层的阳极气体扩散层比阴极气体扩散层具有更高的扩散阻力。

背景技术

很多应用中使用燃料电池作为电功率源。特别是，燃料电池被提出在汽车中使用以取代内燃发动机。在质子交换膜(“PEM”)型燃料电池中，氢(H₂)作为燃料被供应至燃料电池的阳极，以及氧作为氧化剂供应至阴极。氧可以为纯净形式(O₂)或空气(O₂，N₂，CO₂以及其它气体的混合物)。质子交换膜燃料电池一般具有膜电极组件(“MEA”)，其中固体聚合物膜在一面上具有阳极催化剂，而在相对的面上具有阴极催化剂。MEA夹在一对多孔气体扩散层(“GDL”)之间，其继而夹在一对非多孔、导电件或导电板之间。这些板用作为用于阳极和阴极的电流收集器，并且包括形成在其中的适当的沟槽和开口以便在相应的阳极和阴极催化剂表面上分配燃料电池的气体反应物。为了有效的产生电，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须为薄、化学上稳定、能传输质子、不导电并且气体不可渗透。在一些典型应用中，为了提供高水平电功率，燃料电池设置为多个单个燃料电池堆的阵列。

气体扩散层在质子交换膜燃料电池中具有多重功能。例如，GDL作为扩散器以便反应物气体行进到阳极和阴极层，同时将产物水传输至流场。GDL还传导电子以及将在MEA处产生的热传送至冷却剂，以及作为在软的MEA和硬的双极板之间的缓冲层。在这些功能中，GDL的水管理能力对于获得最大燃料电池性能至关重要。换句话说，理想的GDL能够在潮湿的工作条件期间或在大电流密度下从电极中移除过多的产物水以避免溢出，以及在干燥工作条件期间保持某种程度的膜电解质水合作用以获得合适的质子导电率。在质子交换膜燃料电池中使用的固体电解质膜(例如)需要保持某种程度的水合作用，以提供良好的质子导电率。基于碳氢化合物的质子交换膜，其作为用于燃料电池应用的替代固体电解质出现，与基于含氟聚合物的固体电解质膜例如Nafion相比具有更便宜以及更有利(无氟释出)的潜力。为获得合适的质子导电率，基于碳氢化合物的固体电解质膜发展以满足更高程度水合作用的需要。

对于针对汽车应用的PEM燃料电池，较干燥稳定态的工作条件是有利的，其需要GDL具有优良的水保持能力，以获得某种程度的膜水合作用。汽车应用中的燃料电池也将经历在启动、关闭以及在低于冰点的环境中的潮湿工作条件。

有关薄、多孔以及导电性的材料的多年研究导致了在当前发展水平的PEM燃料电池中使用的基于聚丙烯腈(“PAN”)的碳纤维纸。然而，尝试使用替代基于PAN的碳纤维纸的更低成本材料导致一个或多个气体扩散层功能受到不利的影响。当气体扩散层不能最优作用时发生的一个问题是阳极水积聚，这会导致电流模块中冻结和冷启动失败。增加阳极扩散阻力可以影响水平衡，以及帮助减少发生冻结和冷启动失败。然而，在过去，通过评估性能，这些低成本材料通常被认为是对称的，其中在燃料电池的阴极侧和阳极侧上具有相同材料。

发明内容

鉴于以上以及其它问题，本发明的特征包含在本公开中，其赋予被动式燃料电池水平衡。在一种形式中，通过在干燥工作条件下保持一些产物水，而在潮湿工作条件下除去多余的产物水，燃料电池水平衡的被动式控制发生。

根据本发明的实施例，提供一种燃料电池，该燃料电池包括阴极气体扩散层、阴极催化剂层、阳极气体扩散层、阳极电极层、以及电解质层，其中当与阳极燃料工作时，阳极气体扩散层的扩散阻力大于阴极扩散层的扩散阻力。

根据本发明的另一个实施例，提供一种燃料电池，该燃料电池包括阴极气体扩散层、阴极催化剂层、阳极气体扩散层、阳极催化剂层、以及电解质层，其中当与阳极燃料工作时，阳极气体扩散层的扩散阻力大于阴极扩散层的扩散阻力，其中阳极气体扩散层包括具有平面薄片几何结构的填料颗粒。

本发明的其它示意性实施例通过下文提供的详细说明显见。应理解的是，在描述本发明的示意性实施例的同时，详细说明和特定实施例只是出于说明性的目的，而不意于限制本发明的范围。

本发明还包括以下技术方案：

1.一种燃料电池，包括：

阴极气体扩散层；

阴极催化剂层；

阳极气体扩散层；

阳极催化剂层；以及