非濕化燃料電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有增強(qiáng)的操作性能的非濕化燃料電池(non-humidified fuelcel I，非加濕燃料電池)。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池是一種直接將通常在烴類物質(zhì)(例如:甲醇、乙醇或天然氣)中包含的氫與氧氣之間的化學(xué)反應(yīng)能量轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)。
[0003]根據(jù)所使用的電解質(zhì)的類型，通常將燃料電池分成磷酸型燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)或堿性燃料電池等。通常，燃料電池具有相同的總體工作原理，并且僅在所使用的燃料類型、操作溫度、催化劑、電解質(zhì)等方面不同。例如，PEMFC具有優(yōu)異的輸出性能和低的操作溫度。相對(duì)于其他燃料電池，這允許車輛能夠迅速啟動(dòng)并且具有良好的響應(yīng)特性以及具有廣泛的應(yīng)用范圍。
[0004]在燃料電池系統(tǒng)中，基本上產(chǎn)生電力的燃料電池堆(燃料電池組)具有其中均包括膜/電極組件(MEA)的單元電池和其中形成有氣體流路的隔膜層疊的結(jié)構(gòu)。MEA具有陽(yáng)極(負(fù)極)和陰極(正極)與設(shè)置在它們之間的高聚物(高分子)電解質(zhì)膜附接的結(jié)構(gòu)。此外，單個(gè)電解質(zhì)膜和兩個(gè)電極、催化層和氣體擴(kuò)散層層疊在MEA中。
[0005]當(dāng)將氫提供給陽(yáng)極時(shí)，發(fā)生電化學(xué)氧化反應(yīng)，其將氫電離成將被氧化的氫離子和電子。離子化的氫離子通過(guò)高聚物電解質(zhì)膜向陰極移動(dòng)，并且電子通過(guò)外電路向陰極移動(dòng)。朝向陰極移動(dòng)的氫離子引起與提供至陰極的氧的電化學(xué)還原反應(yīng)以產(chǎn)生熱量和水，并且電子的移動(dòng)產(chǎn)生電能。
[0006]氣體擴(kuò)散層(GDL)可以由多個(gè)氣孔構(gòu)成從而向催化層擴(kuò)散燃料電池反應(yīng)氣體。陽(yáng)極側(cè)上的催化層將氫分子分離成氫原子，并且將氫原子分解成氫離子和電子。相反，在陰極側(cè)上的催化層將空氣中的氧分子分成原子并將該原子電離。因此，GDL通過(guò)層疊多個(gè)纖維形成并被設(shè)置在隔膜與電極/催化層之間。GDL可以由固體(例如，用于導(dǎo)電)和氣孔(例如，用來(lái)擴(kuò)散氣體和水)組成。例如:碳紙、碳布、碳毛毯、石墨紙、石墨織物等可以被用作GDL。
[0007]并且，⑶L用來(lái)將在燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的水排出至外部。S卩，⑶L提供移動(dòng)通路以使供應(yīng)的氣體能夠被均勻地運(yùn)送至催化層并在操作的過(guò)程中用作在催化層中產(chǎn)生的水的排放通道。為了防止提供/生成的氣態(tài)水在GDL的表面上冷凝，可以用聚四氟乙烯(PTEE)等對(duì)⑶L進(jìn)行防水處理從而被使用。
[0008]然而，在這些類型的燃料電池中，當(dāng)濕化失敗從而導(dǎo)致非濕化燃料電池時(shí)，疏水性GDL降低催化層的濕度從而使膜電極的導(dǎo)電性急劇下降并且使燃料電池的發(fā)電效率明顯下降。因此，不需要濕化的燃料電池將有益于確保協(xié)調(diào)的發(fā)電效率和傳導(dǎo)性。
[0009]作為【背景技術(shù)】所描述的內(nèi)容僅僅幫助理解本發(fā)明的【背景技術(shù)】，并且不能被認(rèn)為是對(duì)應(yīng)于本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是提供一種燃料電池，其中通過(guò)調(diào)整氣體擴(kuò)散層的親水性和疏水性來(lái)保持燃料電池堆內(nèi)的液體的最佳電化學(xué)反應(yīng)。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，提供了一種燃料電池，包括:催化層(催化劑層，catalytic layer), f禹接至陽(yáng)極(負(fù)極)或陰極(正極)，該催化層被構(gòu)造成促進(jìn)燃料氣體或空氣的電化學(xué)反應(yīng)；以及具有氣孔的氣體擴(kuò)散層，被構(gòu)造成使燃料氣體或空氣擴(kuò)散至催化層并且擴(kuò)散通過(guò)與催化層中的燃料氣體的電化學(xué)反應(yīng)生成的水，其中，水的體積與氣體擴(kuò)散層的氣孔的體積的比率在約0.1至0.4的范圍內(nèi)。
[0012]在一些示例性實(shí)施方式中，氣體擴(kuò)散層可以具有其中水不在氣體擴(kuò)散層的表面上冷凝的疏水涂層，并且在產(chǎn)生缺陷的疏水涂層的區(qū)域中，氣體擴(kuò)散層的部分表面可以是親水表面。此外，在產(chǎn)生缺陷的區(qū)域中，氣體擴(kuò)散層的部分表面可以是親水表面。
[0013]在涂層的涂覆工藝期間，可以產(chǎn)生在本發(fā)明的示例性實(shí)施方式中的疏水涂層的缺陷，并且根據(jù)期望的缺陷分布可以以不同的涂覆質(zhì)量比來(lái)涂覆涂層。例如，氣體擴(kuò)散層的親水表面與整個(gè)表面積的比率可以等于水的體積與氣體擴(kuò)散層的氣孔的體積的比率。這些缺陷可以隨機(jī)地分布在氣體擴(kuò)散層的整個(gè)表面上，例如，它們可以集中在氣體擴(kuò)散層的整個(gè)表面上的催化層上，或者它們可以集中在氣體擴(kuò)散層的整個(gè)表面上的催化層的相對(duì)側(cè)上。
[0014]在一些示例性實(shí)施方式中，可以通過(guò)浸潰氣體擴(kuò)散層來(lái)形成涂層，或者可以通過(guò)等離子涂覆、噴霧涂覆、絲網(wǎng)涂覆、或噴墨涂覆來(lái)形成涂層。涂層的涂覆材料可以是例如PTFE (聚四氟乙烯)、碳納米管、碳納米顆粒、或者有機(jī)或無(wú)機(jī)溶劑。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1A是示出了在本發(fā)明的示例性實(shí)施方式中由于氣體擴(kuò)散層的有缺陷的表面引起的親水表面的形成的示圖；
[0016]圖1B是示出了在本發(fā)明的示例性實(shí)施方式中由于有缺陷的涂層引起的親水表面的形成的示圖；
[0017]圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式在操作非濕化燃料電池中液體飽和、電流密度和電壓之間的關(guān)系的圖解說(shuō)明；以及
[0018]圖3A-3C是示出了根據(jù)本發(fā)明的各示例性實(shí)施方式的在燃料電池中的布置的示圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]在下文中，將參考附圖對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)地描述。在附圖中，相同的參考標(biāo)號(hào)指代相同元件。
[0020]應(yīng)當(dāng)理解，如本文中使用的術(shù)語(yǔ)“車輛”或“車輛的”或其他相似術(shù)語(yǔ)通常包括機(jī)動(dòng)車輛，諸如包括運(yùn)動(dòng)型多用途車輛(SUV)、公共汽車、卡車、各種商用車輛的載客汽車，包括各種艇和船的水運(yùn)工具，航空器等，并且包括混合動(dòng)力燃料電池車輛、電動(dòng)燃料電池車輛、插電式混合電動(dòng)燃料電池車輛、氫動(dòng)力燃料電池車輛以及其他可替代的燃料電池車輛。如本文中提及的，混合動(dòng)力車輛是具有兩種或更多種動(dòng)力源的車輛，例如，汽油動(dòng)力和電動(dòng)車輛。
[0021]本文所用的術(shù)語(yǔ)僅用于描述特定實(shí)施方式的目的，并且不旨在限制本發(fā)明。除非上下文另有明確說(shuō)明，否則如本文所用的單數(shù)形式“一個(gè)”、“一種”和“該”也旨在包括復(fù)數(shù)形式。應(yīng)進(jìn)一步理解，術(shù)語(yǔ)“包括”和/或“包含”在本說(shuō)明書(shū)中使用時(shí)指定所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件的存在，但不排除一個(gè)或多個(gè)其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或其組的存在或添加。如本文所用的，術(shù)語(yǔ)“和/或”包括所關(guān)聯(lián)的列出項(xiàng)目中的一個(gè)或多個(gè)的任何和所有組合。
[0022]除非具體陳述或從上下文明顯可見(jiàn)，否則如本文所用的術(shù)語(yǔ)“約”被理解為在本領(lǐng)域中正常公差的范圍內(nèi)，例如在平均值的2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差內(nèi)?！凹s”可以被理解為在所述值的10%,9%,8%,7%,6%,5%,4%,3%,2%,1%>0.5%,0.1%,0.05%或 0.01% 的范圍內(nèi)。除非另外從上下文清楚可見(jiàn)，否則本文中所提供的所有數(shù)值均由術(shù)語(yǔ)“約”修飾。
[0023]圖1A是示出了由于氣體擴(kuò)散層的有缺陷的表面引起的親水表面的形成的示圖，并且圖1B是示出了由于有缺陷的涂層引起的親水表面的形成的示圖。特別地，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的燃料電池可以包括:催化層，以被構(gòu)造成促進(jìn)燃料氣體或空氣的電化學(xué)反應(yīng)的方式耦接至陽(yáng)極和陰極；以及氣體擴(kuò)散層，其具有使燃料氣體或空氣擴(kuò)散至催化層并且擴(kuò)散通過(guò)與催化層中的燃料氣體電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的水的氣孔。