用于實現帶有超薄電極的燃料電池的高中溫性能的材料設計的制作方法

專利名稱：用于實現帶有超薄電極的燃料電池的高中溫性能的材料設計的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池，更具體來說，涉及包括親水夾層和親水流場的至少之一以
優化燃料電池內部的水管理的燃料電池。
背景技術：
燃料電池已經被提出作為清潔、高效且環境友好的電源。單個的燃料電池可以被 串聯堆疊在一起形成燃料電池堆。燃料電池堆能夠提供足夠量的電力以為電動車輛提供動 力。 —種燃料電池叫做質子交換膜(PEM)燃料電池。該PEM燃料電池包括膜電極組件 (MEA)，其一般包括薄的固體聚合物膜電解質，在該膜電解質兩面上具有催化劑和電極。PEM 燃料電池典型地包括三個基本部件陰極、陽極和電解質膜。陰極和陽極典型地包括擔載在 碳顆粒上并與離聚物混合的細粒的催化劑，比如鉑。電解質膜被夾在陰極和陽極之間以形 成膜電極組件(MEA)。 MEA通常被設置在多孔擴散介質(DM)之間，該擴散介質便于輸送氣體反應物，典 型的為氫氣和氧氣，以利于燃料電池的電化學反應。在燃料電池反應中，氫氣在陽極處引 入，在陽極處在催化劑的存在下發生電化學反應生成電子和質子。電子從陽極通過之間的 電路被引入陰極。同時，質子穿過電解質到達陰極，在陰極處氧氣在電解質和催化劑的存在 下發生電化學反應生成氧陰離子。氧陰離子與質子反應生成反應產物水。
通常一對導電性端板或雙極板夾著MEA形成單個PEM燃料電池。雙極板作為陽極 和陰極的集流器，且其中具有形成于其中的適宜的流動通道和開口以在電極表面分布燃料 電池的氣體反應物(即，氫氣和氧氣/空氣)。 如本領域公知的，燃料電池內的電解質膜需要具有一定的相對濕度以有效傳導質 子。在燃料電池運行期間，來自燃料電池電化學反應的水分以及來自外部加濕的水分可以 進入到雙極板的流動通道內。典型的，水分被氣體反應物的壓力沿著流動通道推動，該壓力 是將水分從流動通道中移除的主要機制。然而，如果壓力不夠，水分能夠累積，該現象稱為 滯留(stagnation)。滯留的水分能夠堵塞流動通道并降低燃料電池的整體效率。大量水分 累積或滯留也能夠導致燃料電池的故障，尤其是發生在在于凍結的環境條件下的停機階段 之后，(在所述凍結的環境條件下累積的水分變成冰)。累積的水分和冰都可能導致氣體不 足。當氣體不足的燃料電池是帶有施加到其上的電負載的燃料電池堆中大量燃料電池之一 時，氣體不足已知會導致碳腐蝕。 將水分滯留最小化已成為可能，例如，通過用反應物氣體周期性的高速吹掃通道 或通過具有通常更高的反應物循環速率。然而，在MEA的陰極上，這增加施加到空氣壓縮機 上的附加功率且降低系統整體效率。在MEA的陽極上使用氫氣作為吹掃氣體會降低經濟性 和系統效率，并增加系統復雜性。 減少通道中累積的水分還能夠通過降低入口加濕度來實現。然而，合意的是在陽極和陰極中提供至少一定的相對濕度來水合燃料電池膜。干燥的入口氣體具有使膜干燥的 效果并會使燃料電池離子電阻增加。該方法還會負面影響膜的長期耐久性。
在具有超薄電極的燃料電池中，所有的反應集中在小空間里，這導致了陰極上嚴 重的溢流和在陽極上的干燥。尤其在低于6(TC的溫度下，水的飽和壓力太低以至于不能有 效將水分從電極運到流動通道中。因此，燃料電池的冷啟動性能受到不利影響，且對于在車 輛應用中使用超薄電極提出了挑戰。 因此，合意地會是形成水管理特征(water management feature)，所述特征將累 積的水分從具有超薄電極的燃料電池中運走，其中該特征是被動性的(passive)且改善燃 料電池的性能，尤其是在冷啟動運行條件下(即，約ot:到約60°C )。

發明內容
根據本發明，驚奇地發現了將累積的水分從具有超薄電極的燃料電池中運走的水
管理特征，其中該特征是被動性的且改善燃料電池性能，尤其是在冷啟動運行條件下(即，
約(TC到約60°C )。 在一個實施方案中，燃料電池堆包括具有形成在其表面上的流場的端板；多個 雙極板，每個雙極板具有形成在其第一表面和第二表面中至少一個上的流場；以及設置在 雙極板之間的膜電極組件，該膜電極組件包括設置在陽極和陰極之間的膜，其中端板的流 場和雙極板的流場中至少一個包括親水表面，其中膜電極組件中陽極和陰極中的至少一個 包括鄰近其設置的具有親水表面的夾層。 在另一個實施方案中，燃料電池堆包括至少一個在其表面上形成有流場的端板； 至少一個具有形成在其第一表面和第二表面中至少一個上的流場的雙極板；以及包括設置
在超薄陽極和超薄陰極之間的膜的膜電極組件；以及鄰近陽極和陰極至少一個設置的具有 親水表面的夾層。 在另一個實施方案中，燃料電池堆包括至少一個在其表面上形成有流場的端板； 至少一個具有形成在其第一表面和第二表面中至少一個上的流場的雙極板，其中所述至少 一個端板的流場和所述至少一個雙極板的第一表面和第二表面中的至少一個的流場的至 少之一包括親水表面；膜電極組件置于每個板之間，該膜電極組件包括置于陽極和陰極之 間的膜；以及鄰近陽極和陰極中至少一個設置的夾層。


根據優選實施方案的以下詳細描述并借助于附圖，本發明如上所述的以及其他優 點對于本領域技術人員來是顯而易見的，其中 圖1是燃料電池堆的分解透視示意圖，示出了兩個燃料電池；
圖2是根據本發明一個實施方案的PEM燃料電池的局部橫截面圖；
圖3是具有兩個親水夾層的PEM燃料電池的局部橫截面圖； 圖4是根據本發明另 一個實施方案的PEM燃料電池的局部橫截面圖，示出了經處 理以賦予親水性的流場； 圖5是PEM燃料電池的局部橫截面圖，示出了兩個經處理賦予親水性的流場；
圖6是根據本發明另一個實施方案的PEM燃料電池的局部橫截面圖，示出了親水夾層和經處理以賦予親水性的流場； 圖7是PEM燃料電池的局部橫截面圖，示出了兩個親水夾層和兩個經處理以賦予 親水性的流場； 圖8是包括帶有超薄電極的MEA的典型燃料電池堆在高中溫下(athigh mid-temperatures)的電流電壓性能圖； 圖9是帶有親水夾層的燃料電池堆在高中溫下的電流電壓性能圖； 圖10是帶有經處理以賦予親水性的流場的燃料電池堆在高中溫下的電流電壓性
能圖； 圖11是燃料電池堆在高中溫下的電流電壓性能圖，該燃料電池堆具有親水夾層 和經處理以賦予親水性的流場； 圖12在冷啟動運行溫度和正常運行溫度下燃料電池堆的性能受親水夾層的厚度 的影響圖。
具體實施例方式以下的詳細說明和附圖描述并示出了本發明各種示例性實施方案。該說明書和附 圖使得本領域技術人員能夠制造和使用本發明，并不意在以任何方式限制本發明的范圍。
簡化起見，這里只舉例示出和描述了兩個電池的電池堆(即，一個雙極板)，應當 理解典型的電池堆將會具有更多這樣的電池和雙極板。 圖l示出了兩電池質子交換膜燃料電池堆2，具有一對膜電極組件(MEA)4、6，其被 導電性流體分布元件8彼此間隔開，以后稱之為雙極板8。 MEA4、6和雙極板8被堆疊在一 起置于末端元件10、12以及端板14、16之間。端板14、雙極板8的兩個活性表面以及端板 16中的每一個都帶有各自的流場18、20、22、24，以將例如如H2的燃料和如02的氧化性氣體 分布到MEA4、6。如圖2所示，流場18、20、22、24包括多個流體路徑或流動通道17以及多 個平臺(land) 25。應當理解，流動通道17可以具有任何需要的形狀，比如梯形、矩形、三角 形、波浪形、鋸齒形等等。非傳導性的墊圈26、28、30、32在燃料電池堆2的相鄰的導電性元 件之間提供密封和電絕緣。 多孔導電擴散介質(DM)34、36、38、40與MEA4、6的電極面對接。這些DM 34、36、 38、40可以用有利于反應物在MEA4，6的電極面和電解質膜上分散的材料構成，例如織造石 墨、石墨化片和碳紙等。端板14、 16分別壓住匿34、40，而雙極板8對接在MEA4的陽極面 上的匿36，所述匿36被設置成接收含有氫氣的反應物，并對接在MEA 6的陰極面上的匿 38 ，所述DM38被設置成接收含有氧氣的反應物。含有氧氣的反應物通過合適的供應管道42 被從儲藏罐46供應到燃料電池堆2的陰極側，而含有氫氣的反應物通過合適的供應管道44 被從儲藏罐48供應到燃料電池堆2的陽極側。或者，環境空氣可以被供應到陰極側作為含 有氧氣的反應物，并從甲醇或汽油重整器中向陽極側供應氫氣，等等。MEA4、6的陽極和陰極 側均提供了排氣管(未示出)。提供附加管道50、52、54以向雙極板8和端板14、16提供冷 卻劑。同樣為從雙極板8和端板14、16排出的冷卻劑提供了合適的管道(未示出)。
圖2示出了根據本發明一個實施方案的組裝的燃料電池堆2的燃料電池的一部 分。簡化起見，下面僅進一步描述了 MEA 4，應當理解，其余的MEA在結構上基本類似。MEA 4包括夾在超薄陽極64和超薄陰極66之間的質子交換膜(PEM)62。在示出的實施方案中，陽極64和陰極66均不到2 ii m厚。然而，應當理解，陽極64和陰極66能夠具有任何需要 的厚度。陽極64和陰極66典型地包括多孔傳導性材料68，有催化劑顆粒70分散在其中以 利于在陰極66中的氧氣和在陽極64中的氫氣的電化學反應。 在示出的實施方案中，具有親水表面的夾層72被設置在陰極66和匿34之間。應 當理解，如果需要，另一具有親水表面的夾層82能夠如圖3所示被設置在陽極64和匿36 之間。夾層72、82的親水表面能夠通過表面處理諸如向夾層72、82的表面施加涂層、將夾 層72、82的表面進行機械加工等來制成。應當理解，施加到夾層72、82表面的涂層可以是 諸如親水聚合物、碳和離聚物(a carbon and ionomer)、功能化碳、還原性氧化物、填隙化 合物(interstitialcompound)等的導電材料。夾層72、82也能夠是由諸如親水聚合物薄 層、碳和離聚物層、功能化碳層、還原性氧化物層、填隙化合物層等的導電材料制成。然而， 應當理解，夾層72、82還能夠通過向陰極66和陽極64分別施加親水涂層、對陰極66和陽極 64分別進行機械加工等等來制成。還應當理解的是，施加到陰極66和陽極64的涂層可以 是導電性材料，例如親水聚合物、碳和離聚物、功能化碳、還原性氧化物、填隙化合物等。夾 層72、82適于防止過多的產物水在陰極66和陽極64至少一個上的累積，并允許反應物到 達其中的催化顆粒70。夾層72、82厚度例如可以從約0. 5iim到約15iim。在示出的實施 方案中，夾層72、82是約0. 5 ii m到約3 ii m厚。然而，應當理解，夾層72、82能夠具有需要 的任何厚度。 DM 34被設置在端板14和夾層72之間，而匿34的多孔基質層74鄰近端板14的 流場18設置。DM 34的微孔層76鄰近夾層72設置。DM 36被設置在雙極板8的陽極側與 如圖2所示的陽極64和如圖3所示的夾層82之一之間，DM 36的多孔基質層78鄰近雙極 板8的流場20設置。DM 36的微孔層80被設置為鄰近如圖2所示的陽極64和如圖3所示 的夾層82之一。應當理解，夾層72、82不受限于所采用的匿類型或者其微孔層76、80的 存在。 在應用中，氫氣被從氫氣源48供應到燃料電池堆2的端板16和雙極板8的陽極 側。氧氣被從氧氣源46供應到端板14和雙極板8的陰極側作為氧化劑。或者，環境空氣
可以被作為氧化劑供應到陰極側，而氫氣可以從甲醇或汽油重整器被供應到陽極側。
在陽極64處，氫氣被催化分解為質子和電子。形成的質子穿過PEM62到達陰極66。 電子沿著外部負載環路(未示出)到達MEA 4的陰極66，從而產生燃料電池堆2的電流輸 出。同時，氧氣物流被輸送至MEA 4的陰極66。在陰極66處，氧分子和穿過PEM 62的質子 和通過外部環路到達的電子反應生產水(未示出)。雖然，陽極64不會遇到與陰極66相同 的液體水管理問題，這是因為產物水僅在陰極66上生成，但是一些水能夠通過反擴散通過 PEM 62累積在陽極64上。DM 34、36在濕操作條件下或者在燃料電池堆2的燃料電池的濕 潤區域處移除多余的水分以避免陽極64和陰極66的溢流。在干操作條件下或者燃料電池 堆2的燃料電池的干燥區域處，DM 34、36維持PEM 62 —定程度的水合以保證合適的質子 傳導率。夾層72、82分別防止過度的水分積聚在陰極66和陽極64上，并允許反應物到達 其中的催化顆粒70。燃料電池堆2中的水管理是燃料電池堆2的成功長期運行的一部分。
圖4和圖5示出了根據本發明另一實施方案的組裝燃料電池堆2'的燃料電池的 一部分，類似圖2和圖3所示。在圖4和圖5中采用撇號(')針對與圖2和3的描述相關 的類似結構重復使用了附圖標記。
簡化起見，下面僅詳細描述了 MEA 4'，應當理解，其他的MEA在結構上基本類似。 MEA 4'包括夾在超薄陽極64'和超薄陰極66'之間的PEM 62'。在示出的實施方案中，陽 極64'和陰極66'均不到2 ii m厚。然而應當理解，陽極64'和陰極66'可以具有任何需要 的厚度。陽極64'和陰極66'典型地包括多孔導電材料68'，催化顆粒70'分布在其中以便 于陰極66'中的氧氣和陽極64'中的氫氣發生電化學反應。 DM 34'設置在端板14'和陰極66'之間，DM 34'的多孔基質層74'鄰近端板14' 的流場18'設置。DM 34'的微孔層76'鄰近陰極66'設置。DM 36'設置在雙極板8'的陽 極側和陽極64'之間，匿36'的多孔基質層78'鄰近雙極板8'的流場20'設置。DM 36' 的微孔層80'鄰近陽極64'設置。 端板14'和雙極板8'的流場18' 、20'分別能夠適于通過非機械手段，例如毛細作 用來有效排放來自匿34'、36'的產物水，從而最小化匿34'、36'中的水飽和度和反應物 的傳質阻力。在示出的實施方案中，流場18'經處理以賦予親水性能，例如其具有親水表面 90。作為非限制性示例，流場18'包括親水表面90和形成在其中的鄰近匿34'的多個孔 (未示出)的至少之一。應當理解，流場18'的親水表面90能夠通過任何表面處理產生，比 如圖4、5所示的施加親水涂層、施加吸附的試劑、使用親水材料形成流場18'、對表面進行 機械加工、在其中形成多個孔等等。適宜的親水涂層的實例包括但不限于金屬氧化物。如所 示出的，流場18'的多個通道17'和多個平臺25'被處理以賦予親水性。然而，應當理解， 如果需要，可以只將通道17'和平臺25'中的一個處理以賦予親水性。具有親水性的流場 18'，適于通過毛細作用將水從匿34'吸走。應當理解，如果需要的話，流場20'也可以被 處理以賦予親水性。在圖5示出的非限制性實例中，流場20'包括親水表面92。應當理解， 流場20'的親水表面92可以通過任何表面處理制成，例如圖5所示的施加親水涂層、施加 吸附的試劑、用親水材料形成流場20'、機械加工其表面、在其中形成多個孔等。適宜的親水 涂層的例子包括但不限于金屬氧化物。如所示出的，流場18'的多個通道17'和多個平臺 25'被處理以賦予親水性。然而，應當理解，如果需要，可以僅處理通道17'和平臺25'中的 一個以賦予親水性。具有親水性的流場20'適于通過毛細作用將水從匿36'吸走。應當 理解，流場18'、20'不受限于采用的mi類型或其微孔層76'、80'的存在。
在應用中，氫氣從氫氣源被供應到燃料電池堆2'的端板和雙極板8'的陽極側。氧 氣被從氧氣源作為氧化劑供應到端板14'和雙極板8'的陰極側。或者，環境空氣可以作為 氧化劑被供應到陰極側，氫氣可以被從甲醇或汽油重整器中供應到陽極側。
在陽極64'處，氫氣被催化分解為質子和電子。形成的質子穿過PEM62'到達陰極 66'。電子沿著外部負載環路(未示出)到達MEA 4'的陰極66'，從而產生燃料電池堆2' 的電流輸出。同時，氧氣物流被輸送至MEA 4'的陰極66'。在陰極66'處，氧分子和穿過 PEM 62'的質子和通過外部環路到達的電子反應形成水(未示出)。雖然，陽極64'不會遇 到與陰極66'相同的液體水管理問題，這是因為產物水僅在陰極66'上生成，但是一些水可 以由于反擴散通過PEM62'而累積在陽極64'上。DM 34'、36'在濕操作條件下或者在燃料 電池堆2'的燃料電池中的濕潤區域處移除多余的水分以避免陽極64'和陰極66'的溢流。 在干燥操作條件下或在燃料電池堆2'的燃料電池的干燥區域處，DM 34'、36'維持PEM 62' 一定程度的水合以保證合適的質子傳導率。流場18'、20'，尤其是親水表面90、92，的親水 性防止過多的水分分別積聚在陰極66'和陽極64'上，并允許反應物到達其中的催化顆粒能，并防止其中發生溢 流，同時更加有利于水的移除。燃料電池堆2'中的水管理是燃料電池堆2'的成功長期運 行的一部分。 圖6和圖7示出了根據本發明另一實施方案的組裝的燃料電池堆2"的燃料電池 的一部分，類似于圖2、3、4和5所示。圖6、7中用雙撇號(")針對和圖2、3、4和5中的描 述相關的類似結構重復了附圖標記。 簡化起見，下面僅進一步描述了 MEA 4"，應當理解，其他的MEA在結構上基本類 似。MEA 4"包括夾在超薄陽極64"和超薄陰極66"之間的PEM62"。在示出的實施方案中， 陽極64"和陰極66"均不到2 ii m厚。然而應當理解，陽極64"和陰極66"可以具有任何需 要的厚度。陽極64"和陰極66"典型地包括多孔導電材料68"，催化顆粒70"分布在其中以 便于陰極66"中的氧氣和陽極64"中的氫氣發生電化學反應。 在示出的實施方案中，具有親水表面的夾層72"被設置在陰極66 "和匿34"之間。 應當理解，如果需要的話，另一具有親水表面的夾層82"可以如圖7所示被設置在陽極64" 和DM 36"之間。夾層72"、82"的親水表面可以通過諸如向夾層72"、82"的表面施加涂層、 將夾層72"、82"的表面進行機械加工等表面處理來制成。應當理解，施加到夾層72"、82" 表面的涂層可以是諸如親水聚合物、碳和離聚物、功能化碳、還原性氧化物、填隙化合物等 的導電材料。夾層72"、82"也可以是由諸如親水聚合物薄層、碳和離聚物層、功能化碳層、 還原性氧化物層、填隙化合物層等的導電材料制成。然而，應當理解，夾層72"、82"還可以 通過向陰極66 "和陽極64"分別施加親水涂層、對陰極66 "和陽極62 "分別進行機械加工 等等來制成。還應當理解的是，施加到陰極66"和陽極64"的涂層可以是導電性材料，例如 親水聚合物、碳和離聚物、功能化碳、還原性氧化物、填隙化合物等。夾層72"、82"適于防止 過多的產物水在陰極66"和陽極64"上累積，并允許反應物到達其中的催化顆粒70"。夾 層72"、82"厚度例如可以從約0. 5iim到約15ym。在示出的實施方案中，夾層72"、82"約 0. 5 ii m到約3 ii m厚。然而，應當理解，夾層72"、82"可以具有需要的任何厚度。
DM 34"設置在端板14"和夾層72"之間，DM34"的多孔基質層74"鄰近端板14" 的流場18"設置。DM 34"的微孔層76"鄰近夾層72"設置。DM 36"設置在雙極板8"的陽 極側與如圖6所示的陽極64"和如圖7所示的夾層82"的一個之間，DM 36"的多孔基質層 78 "鄰近雙極板8 "的流場20 "設置。DM 36 "的微孔層80 "鄰近如圖6所示的陽極64 "和 如圖7所示的夾層82"之一設置。應當理解，夾層72"、82"不受限于所采用的匿的類型或 者其微孔層76"、80"的存在。 端板14"和雙極板8"的流場18"、20"分別能夠適于通過諸如毛細作用的非機械 方法有效地將產物水從DM 34"、36"中排出，從而將DM 34"、36"的水飽和和反應物的傳質 阻力最小化。在示出的實施方案中，流場18"被處理以賦予親水性，例如具有親水表面90"。 作為非限制性實例，流場18"包括親水表面90"和形成在其中的鄰近匿34"的多個孔中的 至少一個。應當理解，流場18"的親水表面90"可以通過任何表面處理形成，比如圖6、7所 示的施加親水涂層、施加吸附的試劑、使用親水材料形成流場18"、對表面進行機械加工、在 其中形成多個孔等等。如所示出的，流場18"的多個通道17"和多個平臺25"被處理以賦 予親水性。然而，應當理解，如果需要，可以只將通道17"和平臺25"中的一個處理以賦予 親水性。具有親水性的流場18"，適于為通過毛細作用將水從匿34"吸走。應當理解，如果需要的話，流場20"也可以被處理以賦予親水性。在圖7示出的非限制性實例中，流場20" 包括親水表面92"。應當理解，流場20"的親水表面92"可以通過任何表面處理制成，例如 圖7所示的施加親水涂層、施加吸附的試劑、用親水材料形成流場20"、機械加工其表面、在 其中形成多個孔等。如所示出的，流場20"的多個通道17"和多個平臺25"被處理以賦予 親水性。然而，應當理解，如果需要，可以僅處理通道17"和平臺25"中的一個以賦予親水 性。具有親水性的流場20"適于通過毛細作用將水從匿34"中吸走。應當理解，流場18"、 20"不受限于所采用的匿的類型或其微孔層76"、80"的存在。 在應用中，氫氣被從氫氣源供應到燃料電池堆2 "的端板和雙極板8 "的陽極側。氧 氣作為氧化劑被從氧氣源供應到端板14"和雙極板8"的陰極側。或者，環境空氣可以被作 為氧化劑供應到陰極側，而氫氣可以從甲醇或汽油重整器被供應到陽極側。
在陽極64"處，氫氣被催化分解為質子和電子。形成的質子穿過PEM62"到達陰極 66"。電子沿著外部負載環路(未示出)到達MEA4"的陰極66"，從而產生燃料電池堆2"的 電流輸出。同時，氧氣物流被輸送至MEA 4"的陰極66"。在陰極66"處，氧分子和穿過PEM 62"的質子和通過外部環路到達的電子反應形成水(未示出)。雖然，陽極64"不會遇到與 陰極66"相同的液體水管理問題，這是因為產物水僅在陰極66"上生成，但是一些水可以由 于反擴散通過PEM 62"累積在陽極64"上。DM 34"、36"在濕操作條件下或者在燃料電池 堆2"的燃料電池的濕潤區域處移除多余的水分以避免陽極64"和陰極66"的溢流。在干 操作條件下或在燃料電池堆2"的燃料電池的干燥區域處，匿34"、36"維持PEM 62"定程 度的水合以獲得適當的質子傳導率。夾層72"、82"分別防止過度的水分積聚在陰極66"和 陽極64"上，并允許反應物到達其中的催化顆粒70"。 流場18"、20"，尤其是親水表面90"、92"，的親水性能進一步防止過量的水分別積 聚在陰極66"和陽極64"上，并允許反應物到達其中的催化顆粒70"。親水性提高了陽極 64"、陰極66"以及匿34"、36"的水管理，并防止其發生溢流，同時更加有利于水的移除。燃 料電池堆2"中的水管理是燃料電池堆2"的成功長期運行的一部分。 在不同的操作條件下測試燃料電池堆2、2'、2"。圖8、9、10和11示出了在3(TC、 4(TC、5(TC、6(TC和8(rC電流密度(A/cm2)和電壓(V)的關系曲線。應當理解，在30°C、40°C、 50°C和60°C下對燃料電池堆2、2' 、2"的測試模擬了冷啟動運行條件，在80°C的測試模擬了 正常運行條件。 圖8示出了具有帶有超薄電極和流場的標準MEA的典型燃料電池堆的電流密度對 電壓的曲線。該燃料電池堆在150kPa和100%的相對濕度下在3(TC、4(TC、5(TC、6(rC和 8(TC的溫度下運行。 圖9示出了具有鄰近陰極66設置的親水夾層72的燃料電池堆2的電流密度對電 壓的圖，該親水夾層產自碳和離聚物材料，約3 ii m厚。該燃料電池堆2在150kPa和100%的 相對濕度下在3(TC、4(TC、5(TC、6(rC和8(TC的溫度下運行。3(TC、4(TC和5(TC的曲線示出 電流密度的顯著增加，和相同電壓下的典型燃料電池堆相比是約2X的關系。6(TC和8(TC 的曲線沒有表現出明顯的區別。 圖10示出了包括具有親水性質的流場18'、20'的燃料電池堆2'的電流密度對 電壓的圖。該燃料電池堆2'在150kPa和100%的相對濕度下在3(TC、4(TC、5(TC、6(rC和 80°C的溫度下運行。30°C 、40°C和80°C的曲線和具有標準流場的典型燃料電池堆相比在電流密度上沒有明顯區別。5(TC和6(TC的曲線表現出明顯的增加，尤其在較低電壓處。
圖11示出了具有鄰近陰極66"設置的親水夾層72"并包括具有親水性質的流 場18"、20"的燃料電池堆2"的電流密度對電壓的圖，該親水夾層產自碳和離聚物材料，約 liim厚。該燃料電池堆2"在150kPa和100%的相對濕度下在30°C、40°C、50°C、60。C和 8(TC的溫度下運行。3(TC、4(TC、5(TC和60°C的曲線示出電流密度的顯著增加，和相同電壓 下的典型燃料電池堆相比是約2X的關系。8(TC的曲線沒有表現出明顯的區別。
圖12示出了產自碳和離聚物材料的親水夾層72的厚度對于燃料電池堆2在冷啟 動操作溫度(30°C )和正常運行溫度(80°C )的性能的影響。燃料電池堆2的冷啟動性能 隨著親水夾層72從約0 ii m增加到約3 ii m的厚度而提高。然而，在從約3 y m到約12 y m 的厚度范圍中，冷啟動性能略微降低并基本處于平臺期。此外，燃料電池堆2的正常性能隨 著親水夾層72從約0 ii m增加到約12 ii m的厚度而降低。燃料電池堆2的正常性能的降低 可能是由于陰極66中水分累積的增加和較高的傳質阻力引起的。如該實例所示，產自碳和 離聚物材料的親水夾層72的最佳厚度為約0. 5 ii m到約3 y m。然而應當理解，所述最佳厚 度取決于用來生產親水夾層72的材料的孔隙率和孔尺寸。 因此，在上述實例中已經示出了不同的親水修飾對于帶有超薄陽極和超薄陰極的 燃料電池堆在針對高中溫的相對濕的運行條件下的益處。至少一個親水夾層和具有親水性 能的流場一起設置已經表現出對于電流密度的最大化和對燃料電池堆內部水管理能力的 最優化，尤其在冷啟動運行條件下(即，約ot:到約60°C )。 根據上述描述，本領域普通技術人員能夠容易確定本發明的實質特征，并且在不 偏離其主旨和范圍的情況下，能夠對本發明做出各種變形和改進以使其適應于各種用途和 條件。
權利要求
燃料電池堆，包括具有形成在其表面上的流場的端板；多個雙極板，每個雙極板具有形成在其第一表面和第二表面的至少一個上的流場；以及設置在所述雙極板之間的膜電極組件，該膜電極組件包括設置在陽極和陰極之間的膜，其中所述端板的流場和所述雙極板的流場中的至少一個包括親水表面，并且其中所述膜電極組件的所述陽極和所述陰極中至少一個包括鄰近其設置的具有親水表面的夾層。
2. 如權利要求1所述的燃料電池堆，其中所述流場的至少之一和所述夾層的親水表面 經表面處理而制成。
3. 如權利要求1所述的燃料電池堆，其中所述流場的至少一個的親水表面是由下述 手段中至少一個制成施加親水材料的涂層、施加吸附的試劑、用所述親水材料形成所述流 場、以及在其中形成多個孔。
4. 如權利要求3所述的燃料電池堆，其中所述夾層的所述親水表面由施加所述親水材 料的涂層和由所述親水材料形成所述夾層中的至少一種來形成。
5. 如權利要求4所述的燃料電池堆，其中所述親水材料是親水聚合物、碳和離聚物、功 能化碳、還原性氧化物、和填隙化合物中的至少之一。
6. 如權利要求1所述的燃料電池堆，其中所述夾層的所述親水表面由導電材料制成。
7. 如權利要求1所述的燃料電池堆，其中所述陽極和所述陰極的每一個都不到2ym厚。
8. 如權利要求1所述的燃料電池堆，其中所述夾層為約0. 5 ii m到約15 ii m厚。
9. 如權利要求8所述的燃料電池堆，其中所述夾層為約0. 5 ii m到約3 ii m厚。
10. 燃料電池堆，包括至少一個具有形成在其表面上的流場的端板；至少一個具有形成在其第一表面和第二表面中至少一個上的流場的雙極板；以及 包括設置在超薄陽極和超薄陰極之間的膜的膜電極組件；以及 鄰近所述陽極和所述陰極中至少一個設置的具有親水表面的夾層。
11. 如權利要求io所述的燃料電池堆，其中所述夾層的所述親水表面經表面處理形成。
12. 如權利要求IO所述的燃料電池堆，其中所述夾層的所述親水表面由施加所述親水 材料的涂層和由所述親水材料形成所述夾層中至少之一形成。
13. 如權利要求10所述的燃料電池堆，其中所述親水材料是親水聚合物、碳和離聚物、 功能化碳、還原性氧化物和填隙化合物中至少一種。
14. 如權利要求IO所述的燃料電池堆，其中所述夾層的所述親水表面由導電性材料形成。
15. 如權利要求10所述的燃料電池堆，其中所述陽極和所述陰極中每一個均不到2 ii m厚。
16. 如權利要求10所述的燃料電池堆，其中所述夾層為約0. 5 ii m到約15 ii m厚。
17. 如權利要求10所述的燃料電池堆，其中所述夾層為約0. 5 ii m到約3 ii m厚。
18. 燃料電池堆，包括至少一個具有形成在其表面上的流場的端板；至少一個具有形成在其第一表面和第二表面中至少一個上的流場的雙極板，其中所述 至少一個端板的所述流場和所述至少一個雙極板的第一表面和第二表面的至少一個的所 述流場的至少之一包括親水表面；設置在每個板之間的膜電極組件，所述膜電極組件包括設置在陽極和陰極之間的膜；以及鄰近所述陽極和所述陰極中至少一個設置的夾層。
19. 如權利要求18所述的燃料電池堆，其中所述夾層包括親水表面，并且所述流場的 至少一個和所述夾層的所述親水表面經表面處理形成。
20. 如權利要求18所述的燃料電池堆，其中所述夾層包括親水表面，并且所述流場的 至少一個和所述夾層由親水材料制成。
全文摘要
本發明涉及用于實現帶有超薄電極的燃料電池的高中溫性能的材料設計。本發明公開了燃料電池，其包括親水夾層和處理后以賦予親水性質的流場的至少一個，其中所述親水夾層和所述處理過的流場防止水在燃料電池的超薄電極中累積，尤其在冷啟動操作條件(即，約0℃到約60℃)下。
文檔編號H01M8/10GK101714643SQ20091022140
公開日2010年5月26日 申請日期2009年9月30日 優先權日2008年10月1日
發明者A·孔卡南德, E·L·湯普森, F·T·沃納 申請人:通用汽車環球科技運作公司