專利名稱：聚合物燃料電池結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及燃料電池，尤其涉及在聚合物燃料電池性能方面的改進。
然而，當(dāng)聚合物燃料電池技術(shù)擴展到更大的電池和電池堆時，遇到了嚴(yán)重的問題。在電池堆自身，主要問題之一是水處理，這是因為在工作狀態(tài)下質(zhì)子導(dǎo)電膜必須保持好的潤濕狀態(tài)。
由于膜限制質(zhì)子導(dǎo)電性，因此導(dǎo)致了在電池堆中主要部件內(nèi)阻方面的損耗。由于質(zhì)子遷移將水分子從陽極中拖出，因此在高電流下膜趨于變干，在陽極側(cè)尤其如此。
陽極變干不僅影響電阻，而且影響在陽極中氫還原反應(yīng)(HRR)的動力學(xué)。
因此，為了解決此問題，經(jīng)常將陽極側(cè)比陰極側(cè)更顯著地加濕。還可以對電池的陰極側(cè)進行加壓，以便在膜上利用壓差將水反壓向陽極。但是，很重要的一點是，水處理不能阻止在電池中的氣體流動。
此問題的一種解決方案是采用更薄的膜，但由于膜的機械強度必須使足夠的，因此這種方法具有局限性。
另一種解決方案是在陽極側(cè)使水直接與膜接觸，但是當(dāng)膜與水達到平衡時，膜的水含量和導(dǎo)電性過高。同樣，當(dāng)液體在燃料電池中蒸發(fā)時，大量的(40-50％)熱量會由所產(chǎn)生的水蒸汽帶出電池。
在US5958613(Hamada等人)中，涉及燃料電池膜的這種直接水加濕。其中公開了聚合物燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠濕潤固體聚合物膜并冷卻主電池體，無需提供用于加濕燃料氣體或氧化劑氣體的特別加濕器和冷凝通道。在此專利中，沒有公開在提供直接加濕時燃料電池堆具體的工作原理。
在US5935726(Chow等人)中，公開了用于在聚合物燃料電池中提高膜的加濕的方法和設(shè)備，此技術(shù)定期地將氧化劑流的流向逆轉(zhuǎn)回燃料電池流場。但是，該專利未涉及燃料電池的冷卻。
因此，本發(fā)明的目的是以低成本和低電池復(fù)雜性提供用于達到更好的加濕作用的裝置?？傻玫狡胶獾男詢r比。
在本發(fā)明的電池結(jié)構(gòu)中，采用含水相優(yōu)選水對膜直接加濕。根據(jù)本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)燃料電池包括質(zhì)子交換膜、在質(zhì)子交換膜一側(cè)上的陽極催化劑層，在質(zhì)子交換膜相對側(cè)上的陰極催化劑層，在質(zhì)子交換膜各側(cè)上的氣體分布層。其特征在于，陽極側(cè)氣體分布層是平的、多孔結(jié)構(gòu)、具有在朝向交換膜的表面上形成的水通道，并且陽極側(cè)氣體分布層由共面的密封板封閉，該密封板具有水注入通道，該水注入通道與在氣體分布層中的所述水通道連接。
由此可以保持在陽極側(cè)水與膜的直接接觸。這有利于電池的工作，因為當(dāng)膜與水平衡時，膜的水含量和導(dǎo)電性更高。同樣，當(dāng)在電池內(nèi)部的水蒸發(fā)出來時，可以借助所產(chǎn)生的水蒸汽從電池中除去在電池中產(chǎn)生的大量的熱。
本發(fā)明的詳細說明

圖1和2示出了根據(jù)本發(fā)明的燃料電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)選實施例。燃料電池包括導(dǎo)電陽極板1。相鄰雙極板設(shè)置陽極密封框架2。此框架設(shè)有用于陽極氣體分布層(distribution layer)3的中央、矩形開口?？蚣?還設(shè)有陽極氣體入口9和出口10；分別形成分布通道以及水入口和出口11、12。陽極氣體分布層3在層3的相對側(cè)上設(shè)有多個狹窄的水通道3a，參考陽極板1。設(shè)置質(zhì)子交換膜4，以便膜4與板1合作將框架2和擴散層(diffusion layer)3夾在它們之間。
以與陽極側(cè)類似的方式構(gòu)成燃料電池的陰極側(cè)。因此，設(shè)置交換膜4的相對側(cè)，以便其與導(dǎo)電陰極板7合作將陰極密封框架6和陰極氣體分布層5夾在它們之間。陰極擴散層5不設(shè)置任何象陽極擴散層3那樣的水通道。陰極密封框架6設(shè)有陰極氣體入口13和出口14。
在圖2中，示出了水通道的詳細結(jié)構(gòu)以及如何在電池堆中組織水分布。圖的左手邊表示上面，圖的右手側(cè)表示下面。
在電池堆中各密封框架2具有多個貫穿孔。在拐角處設(shè)置的孔用于夾住螺釘，當(dāng)將多個電池單元組裝成電池堆時采用螺釘。剩余的孔與在電池堆的其它部件中相應(yīng)的孔一起，形成分別使水、燃料氣和氧化劑氣體通過電池堆的通道。
另外，密封框架2的上面(如上面所限定的那樣)具有沿著框架狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)邊緣流動的氣體通道15。從各通道15轉(zhuǎn)出多個分布孔(在圖中有5個)，以便將輸入氣體分布到位于框架內(nèi)的擴散/分布材料中。在陽極側(cè)上，在上排的孔中從左邊的第二個孔(圖中)是用于輸入氣體的輸入通道9，在下排孔中從左邊的第二個孔是用于從電池中排出氣體的輸出通道10。無論在電池堆中是何位置，陽極密封框架2具有相同結(jié)構(gòu)的氣體通道。
在各密封框架2的下面(如上面所限定的那樣)，設(shè)置水用通道，此通道具有公共水入口11和公共水出口12。
在電池堆的中間，設(shè)置膜4，此膜將電池堆中的陽極和陰極部分分開。在陰極側(cè)上，設(shè)置陰極氣體分布層5，然后以與陽極密封框架2相同的方式設(shè)置陰極的密封框架6，其中形成陰極氣體入口和出口13、14。
圖3示出氣體分布層更詳細的結(jié)構(gòu)。層3設(shè)有與膜4相鄰的水通道3a。在本發(fā)明的典型實施例中，水通道3a可以具有約50-100μm的寬度，約100-300μm的深度，各通道可以分開約200-1000μm的距離。通過使水通道窄一些，可以避免由于膜的膨脹導(dǎo)致的導(dǎo)致了通道堵塞。一種形成通道3a的可行性方法是將氣體分布層壓向具有脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)表面的模板，此脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)相應(yīng)于所需要的水通道結(jié)構(gòu)。
圖4示出本發(fā)明的實施例，氣體分布層3設(shè)有催化劑層16。設(shè)置無孔的或基本上無孔的質(zhì)子導(dǎo)電聚合物層17，以便它構(gòu)成水通道。
在此實施例中，可以將過氧化氫或其它供氧化合物加入到加濕或冷卻水，此加濕和冷卻水輸送到陽極側(cè)的電池中。由于在催化劑的附近釋放出氧，可以避免在陽極催化劑處吸附CO，以此方式是有效地并能實現(xiàn)更少的氧消耗。在電極表面將分解部分過氧化氫，以通過反應(yīng)H2O2-＞H2O+1/2O2生成氧。在此系統(tǒng)中，即使分解沒有完成，也可能有利地獲得過氧化氫。過氧化氫和放出氧的途徑在圖4中用箭頭表示。但此方法可以用于在聚合物燃料電池中的其它直接水加濕系統(tǒng)。
圖5示出氣體分布層3，該層的邊緣用疏水性聚合物處理以防止水進入到電池氣體腔室。在此結(jié)構(gòu)中，在雙極板1，7中或在氣體分布層3，5中沒有氣體通道。氣體分布層可以具有超過90％的孔隙率，它們應(yīng)當(dāng)是好的電導(dǎo)體，相對于酸質(zhì)子導(dǎo)電膜具有固有的抗腐蝕性。
本發(fā)明可以結(jié)合有常規(guī)的蛇形通道結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)的原理在圖6中描述。采用與圖2的實施例相同的參考標(biāo)記。各雙極板1，7的陽極層側(cè)可以設(shè)有陽極氣體通道19和至少一個水入口20。還可以提供水出口21。各雙極板的陰極層側(cè)設(shè)有至少一個陰極氣體通道22。
圖7中存在用于水通道的選擇性結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的此實施例中，催化劑層16位于膜4的頂部。疏水層18位于此膜和氣體分布層之間。此層18的功能是讓氣體擴散到電極(催化劑層)，但不讓水從水通道3a溢出。
根據(jù)圖7的實施例可以用于操作液-氣直接甲醇燃料電池。在本發(fā)明此實施例中，電池的陽極側(cè)提供有液體水-甲醇混合物，此混合物在電池中完全地或部分地蒸發(fā)。以如下方式輸送液體混合物大部分的陽極與液體甲醇-水混合物的薄膜接觸。陽極的剩余區(qū)域與液體之外的氣相接觸。這既為了能夠快速地釋放氣態(tài)二氧化碳，又為了通過水蒸汽反應(yīng)劑加濕薄膜以保留陽極區(qū)域的剩余部分。直接地或經(jīng)過氣相將水和甲醇從燃料輸送通道轉(zhuǎn)移到陽極。這由圖7中的箭頭表示。上述方法也可以應(yīng)用于直接進行液體冷卻的其它類型的燃料電池結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選將水通道結(jié)構(gòu)提供到陽極側(cè)。但是，此結(jié)構(gòu)還可以用于陰極側(cè)或同時兩側(cè)。
本發(fā)明不限于上述實施例，在下述權(quán)利要求的范圍內(nèi)可以進行幾種修改。
權(quán)利要求
1.一種聚合物電解質(zhì)燃料電池結(jié)構(gòu)，包括質(zhì)子交換膜(4)；在質(zhì)子交換膜一側(cè)上的陽極催化劑層(1，16)；在質(zhì)子交換膜相對側(cè)上的陰極催化劑層(7)；在質(zhì)子交換膜(4)各側(cè)上的氣體分布層(3，5)，其特征在于，陽極側(cè)氣體分布層(3)是平的、多孔結(jié)構(gòu)，并具有在朝向膜(4)的表面中形成的水通道(3a)，并且陽極側(cè)氣體分布層(3)由共面的密封板(2)封閉，該密封板(2)具有水注入通道，此水注入通道與在氣體分布層中的所述水通道(3a)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其特征在于水通道(3a)具有約50-100μm的寬度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的結(jié)構(gòu)，其特征在于水通道(3a)具有約100-300μm的深度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任意一項的結(jié)構(gòu)，其特征在于水通道(3a)以約200-1000μm的距離分開。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項的結(jié)構(gòu)，其特征在于陰極側(cè)氣體分布層(5)是由共面的密封板(6)封閉的多孔結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的結(jié)構(gòu)，其特征在于陰極側(cè)氣體分布層(3)設(shè)置有在面對膜(4)的表面中形成的水通道，并且所述分布層(3)由共面的密封板(2)封閉，密封板(2)具有與在氣體分布層中的所述水通道(3a)連接的水輸入通道。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任意一項的結(jié)構(gòu)，其特征在于水通道(3a)設(shè)有疏水涂層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任意一項的結(jié)構(gòu)，其特征在于雙極板(1，7)位于各密封板(2，6)遠離膜(4)的一側(cè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的結(jié)構(gòu)，其特征在于各雙極板(1，7)設(shè)置有在一側(cè)上的陽極催化劑層和在相對側(cè)上的陰極催化劑層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的結(jié)構(gòu)，其特征在于各雙極板(1，7)的陰極層側(cè)設(shè)置有至少一條陰極氣體通道(22)，其陽極層側(cè)設(shè)置有陽極通道(19)和至少一個水入口(20)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-7的結(jié)構(gòu)，其特征在于陽極催化劑層(16)位于陽極側(cè)氣體分布層(3)之上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的結(jié)構(gòu)，其特征在于陰極催化劑層位于陰極側(cè)氣體分布層(5)之上。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12的結(jié)構(gòu)，其特征在于借助質(zhì)子導(dǎo)電材料的基本上無孔的層(17)，在水通道(3a)中保留水。
14.根據(jù)權(quán)利要1-7任意一項的結(jié)構(gòu)，其特征在于至少一個催化劑層(16)位于膜(4)上。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的結(jié)構(gòu)，其特征在于另一催化劑層位于在相對側(cè)的膜(4)處的氣體分布層之上。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15的結(jié)構(gòu)，其特征在于借助高氣體滲透性材料的基本上無孔的層(18)，在水通道(3a)中保留水。
17.一種運行聚合物電解質(zhì)燃料電池的方法，包括質(zhì)子交換膜(4)；在質(zhì)子交換膜一側(cè)上的陽極催化劑層(1，16)；在質(zhì)子交換膜相對側(cè)上的陰極催化劑層(7)；在質(zhì)子交換膜(4)各側(cè)上的氣體分布層(3，5)，其中將冷卻和加濕液體輸送到燃料電池陽極側(cè)，其特征在于將供氧化合物加入到液體中的步驟。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征在于供氧化合物是過氧化氫。
19.一種運行聚合物電解質(zhì)燃料電池的方法，包括質(zhì)子交換膜(4)；在質(zhì)子交換膜一側(cè)上的陽極催化劑層(1，16)；在質(zhì)子交換膜相對側(cè)上的陰極催化劑層(7)；在質(zhì)子交換膜(4)各側(cè)上的氣體分布層(3，5)，其中將冷卻和加濕液體輸送到燃料電池陽極側(cè)，其特征在于將液態(tài)甲醇燃料加入到液體中的步驟。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其特征在于以下述方式分布水-甲醇混合物的步驟一部分陽極催化劑層與液態(tài)甲醇-水混合物的薄膜接觸，陽極催化劑層的剩余部分與液體之外的氣相接觸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種包括質(zhì)子交換膜(4)的聚合物電解質(zhì)燃料電池結(jié)構(gòu)。陽極催化劑層(1，16)位于質(zhì)子交換膜的一側(cè)上。陰極催化劑層(7)位于質(zhì)子交換膜的相對側(cè)上，氣體分布層(3，5)設(shè)置在質(zhì)子交換膜(4)的各側(cè)上。陽極側(cè)氣體分布層(3)是平的、多孔結(jié)構(gòu)，具有在面對膜(4)的表面中形成的水通道(3a)。陽極側(cè)氣體分布層(3)由共面的密封板(2)封閉，密封板(2)具有與在氣體分布層中的所述水通道(3a)連接的水輸入通道。
文檔編號H01M8/02GK1437776SQ0181136
公開日2003年8月20日 申請日期2001年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月7日
發(fā)明者亞里·伊霍寧, 弗雷德里克·讓 申請人:沃爾沃公司