燃料電池和該燃料電池的膜的制作方法
【專利摘要】一種燃料電池包括第一和第二流場板、以及位于流場板之間的陽極電極和陰極電極。聚合物電解質膜（PEM）布置在電極之間。流場板中的至少一個流場板至少部分地影響PEM的平面內各向異性物理狀況，該平面內各向異性物理狀況在幅值上在高值方向和低值方向之間變化。PEM具有在幅值上在高值方向和低值方向之間變化的平面內物理性質。PEM定向成其高值方向與流場板的高值方向大致對齊。
【專利說明】燃料電池和該燃料電池的膜
[0001 ] 關于聯邦政府出資研究或開發的聲明
本發明按照美國能源部授予的DE-PS36-08G098009號合同在政府支持下進行。美國政府在本發明中享有一定權利。
【技術領域】
[0002]本公開涉及用于燃料電池中的膜。
【背景技術】
[0003]燃料電池通常包括陽極催化劑、陰極催化劑以及位于陽極催化劑與陰極催化劑之間的電解質材料，以用于從諸如燃料和氧化劑的反應物之間的已知電化學反應來產生電流。燃料電池可包括流場板，所述流場板帶有用于將反應物引導至相應催化劑的通槽。電解質材料可以是布置在流場板之間的聚合物層，其通常被稱為聚合物電解質膜或PEM。
[0004]PEM在流場板之間的布置可限制PEM的運動，從而在PEM上引起應力。PEM因此設計有合適的最小厚度且由某些聚合物材料制成，以便限制應力斷裂。
【發明內容】
[0005]一種示例性燃料電池包括第一和第二流場板以及在流場板之間的陽極和陰極電極。聚合物電解質膜(PEM)布置在電極之間。流場板中的至少一個流場板至少部分地影響PEM的平面內各向異性物理狀況，該平面內各向異性物理狀況在幅值上在高值方向和低值方向之間變化。PEM具有在幅值上在高值方向和低值方向之間變化的平面內物理性質。PEM定向在電極之間，使得PEM的高值方向與流場板的高值方向大致對齊。
[0006]根據以下詳細描述，所公開的示例的各種特征和優點對于本領域的技術人員將變得顯而易見。伴隨所述詳細描述的附圖可簡述如下。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1示出了示例性燃料電池的分解圖。
[0008]圖2示出了燃料電池的剖視圖。
[0009]圖3示出了用于燃料電池且包括第一和第二交叉層壓層的膜。
[0010]圖4示出了包括第一、第二和第三交叉層壓層的膜。
【具體實施方式】
[0011]圖1示出了示例性燃料電池20的所選部分的分解圖，以例如用于從在反應物氣體之間的已知電化學反應來產生電流。圖2示出了處于組裝形式的燃料電池20的剖視圖。應當理解，燃料電池20的所公開的布置僅僅是示例，并且本文所公開的概念可應用于其它燃料電池布置。另外，燃料電池20可包括未在本公開中描述或在附圖中示出的其它部件，例如但不限于冷卻通槽和氣體分布層。[0012]示例性燃料電池20包括一個或多個燃料電池單元22，其可以以已知方式疊置，以提供燃料電池20的組件。燃料電池單元22中的每一個包括電極組件24以及用于將反應物氣體(例如，空氣和氫氣)輸送至電極組件24的流場板26a和26b。流場板26a可被看作用于輸送空氣的空氣板，并且流場板26b可被看作用于輸送氫氣的燃料板。流場板26a、流場板26b或兩者也可使冷卻劑(在冷卻劑通槽中)循環，以便保持燃料電池20的期望操作溫度以及水合反應物氣體。
[0013]電極組件24包括在陰極催化劑30a和陽極催化劑30b之間的聚合物電解質膜(PEM) 28，其也被稱為質子交換膜。在一個示例中，PEM 28為離聚物。在其它實例中，所述離聚物包括磺化過氟聚合物。雖然未不出，但氣體擴散層可用于流場板26a和26b與電極組件24之間，以有利于反應物氣體的分布。
[0014]流場板26a和26b中的每一個包括用于輸送相應反應物氣體的通槽32。相應的流場板26a和26b的通槽32構成相應的流場34。另外，流場板26a和26b中的每一個可包括入口和出口，以用于將反應物氣體輸送至流場34以及從流場34接收未被使用的反應物氣體。由此，流場板26a包括沿流場板26a的一個邊緣延伸的入口歧管36。入口歧管36沿流場板26a的一個邊緣延伸，并且具有縱向軸線38。
[0015]在所示布置中，電極30a、30b和PEM 28大致夾持在流場板26a和26b之間(例如，在形成通槽32的肋之間)。夾持力約束PEM 28相對于流場板26a和26b的運動。如已知的，燃料電池20圍繞周邊密封以將反應物氣體和水副產物保持在燃料電池20內。燃料電池20的周邊密封還可進一步限制PEM 28的運動。
[0016]流場板26a或26b中的至少一個流場板至少部分地影響PEM 28上的平面內各向異性物理狀況，所述平面內各向異性物理狀況在幅值上在由箭頭40a表示的高值方向(HFuei&11)和由箭頭40b表示的低值方向(LFmi &11)之間變化。在一個示例中，平面內各向異性物理狀況包括由于燃料電池20的夾持力和操作因素而施加到燃料電池20內的PEM 28上的應力的幅值。各向異性物理狀況不一定限于應力。在其它示例中，各向異性物理狀況包括電導率、伸長率和熱導率中的一個或多個。
[0017]在一個示例中，當空氣通過入口歧管36進入流場板26a的流場34的通槽32內時，在燃料電池20的操作期間產生應力。空氣初始地為干燥的，并可對在入口歧管36附近的局部區域的PEM 28具有干燥效應。干燥空氣趨于從入口歧管36附近的PEM 28吸收水分。流經更遠離入口歧管36的通槽32的空氣從副產物水吸收水分，因此在離入口歧管36越遠的PEM 28的區域中干燥越不成問題。
[0018]在高功率狀況下，例如對于車輛和重型車輛應用來說，燃料電池20也產生大量的水副產物，該水副產物使PEM 28水合并限制干燥。然而，在較低功率狀況下或在通斷循環之間，PEM 28可以變干。因此，在干燥狀況和潮濕狀況之間的PEM 28的水分含量的變化對于高功率燃料電池來說更顯著。
[0019]在入口歧管36附近的區域中從PEM 28損失水分會引起PEM 28的局部收縮。然而，流場板26a和26b和/或燃料電池20的周邊密封限制PEM 28的運動，這在PEM 28上產生應力。來自燃料電池20的通斷循環(或在燃料電池20的高功率狀況和低功率狀況之間)的反復的水分損失和增加在PEM 28上引起循環應力(B卩，疲勞)狀況。
[0020]PEM 28上的應力沿高值方向40a最大。該應力可能沿低值方向40b最低。在圖示示例中，高值方向40a大致平行于細長的入口歧管36的縱向軸線38。因此，流場板26a和26b的夾持力以及入口歧管36的取向至少部分地影響在PEM 28上的應力方向和幅值。
[0021]為了增強PEM 28對于此類應力的耐久性，PEM 28以預定取向布置在燃料電池20內，以便抵抗所述應力狀況。在圖示實施例中，PEM 28具有平面內物理性質，所述平面內物理性質在幅值上在由箭頭42a指示的高值方向(Hpem)和由箭頭42b指示的低值方向(Lpem)之間變化。作為示例，平面內物理性質為PEM 28沿給定方向的強度特性，例如極限強度。
[0022]在一個示例中PEM 28包括擠出層，由于在PEM 28的材料中聚合物鏈的伸長，所述擠出層在擠出方向上比在橫向方向上具有更高的強度。由此，示例性PEM 28具有在高值方向42a上比在低值方向42b上更高的極限強度。
[0023]在圖示實施例中，PEM 28布置在燃料電池20內，使得高值方向42a與流場板26a的高值方向40a大致對齊，并且大致平行于細長的入口歧管36的縱向軸線38。例如，PEM28的最高強度的方向與最大應力施加到燃料電池20中的PEM 28上所沿的方向大致對齊。在一些示例中，高值方向42a和高值方向40a在正負10°內彼此對齊。
[0024]雖然在圖示示例中示出了特征的組合，但并非所有特征都需要組合以實現本公開的各種實施例的益處。換言之，根據本公開的實施例設計的系統將不必包括在任一個附圖中示出的所有特征或附圖中示意性地示出的所有部分。此外，一個示例性實施例的所選特征可與其它示例性實施例的所選特征結合。
[0025]前述描述本質上是示例性的而不是限制性的。在不必脫離本公開的實質的情況下，對所公開的示例的變型和修改可能對于本領域的技術人員變得顯而易見。賦予本公開的法律保護范圍可以僅通過研究所附權利要求書而確定。
【權利要求】
1.一種燃料電池，所述燃料電池包括: 第一流場板和第二流場板； 陰極電極和陽極電極，所述陰極電極和陽極電極位于所述第一流場板和第二流場板之間；以及 位于所述陽極電極和所述陰極電極之間的聚合物電解質膜(PEM)，所述流場板中的至少一個流場板至少部分地影響所述PEM的平面內各向異性物理狀況，所述平面內各向異性物理狀況在幅值上在高值方向(Hfuel cell)和低值方向(Lfuei cell)之間變化，所述PEM限定在幅值上在高值方向(Hpem)和低值方向(Lpem)之間變化的平面內物理性質，并且所述PEM定向在所述陽極電極和所述陰極電極之間，使得所述Hpem與所述Hflffil cell大致對齊。
2.根據權利要求1所述的燃料電池，其中，所述平面內各向異性物理狀況包括施加到所述PEM的應力，并且所述平面內物理性質為極限強度。
3.根據權利要求1所述的燃料電池，其中，所述流場板中的至少一個流場板包括沿縱向軸線延伸的歧管，并且所述Hpem大致平行于所述縱向軸線。
4.根據權利要求1所述的燃料電池，其中，所述流場板中的一個流場板為包括沿縱向軸線延伸的歧管的空氣板，并且所述Hpem大致平行于所述縱向軸線。
5.根據權利要求1所述的燃料電池，其中，所述PEM包括擠出層。
6.根據權利要求1所述的燃料電池，其中，所述PEM夾持在所述流場板之間，使得所述PEM的運動受限制。
【文檔編號】H01M8/10GK103765646SQ201180072918
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2011年8月18日 優先權日:2011年8月18日
【發明者】T-T.埃恩多 申請人:聯合工藝公司