[发明专利]用于燃料电池的具有增强的储冰能力的微孔层

说明书

提供了一种用于燃料电池的具有增强的储冰能力的微孔层。燃料电池包括：阴极，具有第一气体扩散层和第一催化剂层；阳极，包括第二气体扩散层和第二催化剂层；质子交换膜，设置在阴极和阴极之间。微孔层设置在第一气体扩散层和第一催化剂层之间。微孔层限定多个结构域，所述多个结构域在微孔层的相对的表面之间延伸。在结冰环境下，微孔层被布置为使冰的形成集中在结构域内，以减少催化剂层内结冰的水的量。

技术领域

本公开涉及一种在质子交换膜燃料电池系统中使用的微孔层结构。

背景技术

对环境污染以及化石燃料消耗的关注已经引发对替代清洁能源解决方案的迫切需求。氢燃料电池(例如，质子交换膜燃料电池(PEMFC))是一种用于未来汽车和静止设备的潜在能量转换系统。PEMFC中的反应涉及氢分子在阳极分裂成为氢离子和电子，氢核在阴极与氧和电子再结合，形成水并释放热量。由于高功率输出(快速反应且是动态的)、长寿命以及经济效益的特定要求，燃料电池可以是非常复杂和精密的。通常，质子交换膜用作PEMFC中的质子导体。例如，包括铂和/或铂合金的催化剂层用于催化电极反应。气体扩散层用于传输反应气体和电子并去除产物水和热量，气体扩散层可以包括微孔层和碳纤维基气体扩散支撑层(backing layer)。另外，流场板通常用于使反应气体散开。

发明内容

在一实施例中，一种燃料电池包括：阴极，具有第一气体扩散层和第一催化剂层；阳极，包括第二气体扩散层和第二催化剂层；质子交换膜，设置在阴极和阴极之间。微孔层设置在第一气体扩散层和第一催化剂层之间。微孔层限定多个孔，所述多个孔在微孔层的相对的表面之间延伸。在结冰环境下，微孔层被布置为使冰的形成集中在孔内，以减少催化剂层内结冰的水的量。

在另一实施例中，一种燃料电池微孔层设置在位于燃料电池阴极侧上的催化剂层和气体扩散支撑层之间。微孔层包括体材料。体材料限定多个孔和多个结构域。在结冰环境下，结构域被构造为使冰的形成集中在结构域内，以减少体材料和催化剂层之间界面的结冰量。

在一实施例中，结构域是钻孔。

在一实施例中，钻孔的直径为0.5μm到200μm。

在一实施例中，结构域在体材料的相对的表面之间延伸。

在一实施例中，结构域是嵌入在体材料内的亲水性材料的包。

在一实施例中，亲水性材料是碳、聚合物和金属氧化物中的一种。

在一实施例中，所述多个孔的直径为0.05μm到0.2μm。

在一实施例中，所述多个孔是疏水性的。

在又一实施例中，一种用于燃料电池的阴极微孔层包括：第一碳基材料层，与催化剂层相邻；第二碳基材料层，设置在第一层和气体扩散支撑层之间。第二碳基材料包括多个结构域，所述多个结构域被构造为在结冰环境下使冰的形成集中在结构域内，以减少催化剂层内的结冰的水的量。

在一实施例中，第一碳基材料层是亲水性的。

在一实施例中，第一碳基材料层是疏水性的。

在一实施例中，第二碳基材料层是疏水性的。

在一实施例中，多个结构域是限定在第二层中的钻孔。

在一实施例中，多个结构域是嵌入在第二层中的亲水性材料。

附图说明

图1示出了质子交换膜燃料电池的示意性图。

图2示出了现有技术的质子交换膜燃料电池在结冰环境下工作的横截面图。

图3示出了根据一实施例的微孔层的平面图。

图4示出了在图3中示出的微孔层的横截面图。