質子交換膜燃料電池的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種質子交換膜燃料電池及其設計方法。本發明描述了設計包括氣體擴散層的質子交換膜燃料電池的方法。該方法包括：使用質子交換膜燃料電池的模型確定燃料電池的性能，其中模型基于燃料電池的多個參數，多個參數包括氣體擴散層的各向異性性質中的至少一個，調整多個參數中的至少一個；確定調整步驟是否改善燃料電池的性能，并通過選擇提供改善的性能的參數設計燃料電池。還描述了質子交換膜燃料電池包括氣體擴散層，具有多個參數的質子交換膜燃料電池，其中，選擇參數以提供遍及氣體擴散層的基本上均勻的溫度分布。
【專利說明】質子交換膜燃料電池
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種質子交換膜燃料電池及其設計方法。
【背景技術】
[0002]質子交換膜(PEM)燃料電池由于其低的操作溫度而可以快速啟動，這使得它們適合用于便攜設備中。操作PEM燃料電池時，需要考慮的最重要的問題之一是熱管理，以保持燃料電池組件內部溫度分布盡可能均勻，否則燃料電池可能會由于膜的脫水而遭遇熱故障。這需要調查有效熱導率，一個重要的組成是具有各向異性的多孔介質的熱導率。
[0003]最近，研究者們對GDLs的各向異性性質對PEM燃料電池的性能的作用表現出越來越多的興趣[1-5]。Khandelwal和Mench[6]報道了 SIGRACET的貫通面熱導率(through-plane thermal conductivity)為 0.22±0.04W/ (m.K)，而 Toray 報道的數據是1.8±0.27W/(m.K)。Ramousse等[7]報道了在不同壓力下⑶L的貫通面熱導率，獲得了在4.6和13.9bar的壓力下的數值分別為0.2和0.27W/ (m.K)。然而，Karimi [8]發現在0.7和13.Sbar的壓力下的貫通面熱導率值分別為0.2到0.7ff/(m.K)。從這些結果可以看出，⑶Ls的熱傳導率因⑶L的不同而存在顯著的差異。為了研究⑶L的熱傳導率的作用，已經進行了許多數值研究。然而，大多數的PEM燃料電池模型都假定GDLs是由各向同性材料構成。
[0004]Pharaoah和Burheim [9]開發了二維模型來研究PEM燃料電池內的溫度分布。⑶L的導熱率的作用和在水相中的變化，導致在陰極側比在陽極側的溫度高。Zamel等[10]數值估計了碳紙(carbon paper)的平面(in-plane)熱導率和貫通面熱導率,該碳紙通常用作PEM燃料電池中的氣體擴散層。GDL的熱導率對碳紙的孔隙度敏感。隨著碳紙孔隙率的降低，發現碳紙的導熱率增加，同時平面熱導率比貫通面熱導率高得多。Burlatsky等[11]開發了數學模型來研究PEM燃料電池中脫水的情形。水的轉運依賴于GDL的熱導率和水的擴散系數。He等[12]研究了 GDL的熱導率對PEM燃料電池內的溫度分布的作用。他們的研究結果表明，GDL的各向異性熱導率導致比對于各向同性的GDL更高的溫度梯度，這導致在各向異性情況下，含水飽和度下降。根據Ju Hyunchul [24],當使用各向異性GDL時比使用各向同性GDL，Pffl燃料電池內的溫差更大。此外，各向同性的GDLs比各向異性的氣體擴散層獲得更均勻的電流密度。
[0005]然而，到目前為止，還沒有研究人員用實驗數據證明他們的模型結果。
[0006]特拉華大學的美國專利7785748B2公開了用于制備納米多孔氣體擴散介質的新方法，其組合物和包括其的裝置。公開了一種多孔金屬氣體擴散層。據說，其公開的納米多孔擴散介質顯示出優良的電和熱傳導性。
【發明內容】
[0007]根據本發明的第一個方面，提供了一種設計包括氣體擴散層的質子交換膜燃料電池的方法，該方法包括:[0008]使用質子交換膜燃料電池的模型來確定所述燃料電池的性能，其中所述模型基于燃料電池的多個參數，所述多個參數包括氣體擴散層的各向異性性質中的至少一個，
[0009]調整所述多個參數中的至少一個；
[0010]確定所述調整步驟是否改善所述燃料電池的性能，以及
[0011]通過選擇提供改善性能的所述參數設計所述燃料電池。
[0012]使用所述模型確定性能可以包括確定燃料電池的溫度分布、含水飽和度、和/或電流密度的一個或多個。可以通過提供遍及氣體擴散層的更均勻的溫度分布改善性能。可以通過最大化燃料電池的含水飽和度，例如在氣體擴散層和催化劑層之間的界面，改善性倉泛。
[0013]所述燃料電池優選包括通過膜相連的陽極和陰極。該模型可以包括在燃料電池內界定的多個區域。所述多個區域可以包括集電器(current collector)、通道、氣體擴散層、催化劑層和所述膜中的一個或多個。將每個所述陽極和所述陰極可以界定為分離的區域。每個所述區域可以被劃分成多個單元，從而可以改善計算時間。
[0014]該方法可以進一步包括使燃料電池為所述設計從而可以用實驗數據驗證所述結
果O
[0015]多個參數可以包括氣體擴散層(GDL)的材料。例如，可以用金屬基GDL替換傳統的碳纖維基GDL，所述金屬基GDL的熱和電傳導率比傳統GDL的熱和電傳導率顯著更高。例如，銅和鋁的熱導率分別大約為400和240W/(m.K)。
[0016]各向異性性質可以包括氣體擴散層的導電率、熱導率、和/或滲透性中的一個或多個。包括這樣的性質會加強數學模型的預測性。
[0017]熱導率可以包括平面熱導率和/或貫通面熱導率。可以調節所述平面熱導率為至少IW(m.K)、至少1W(m.K)、至少20W(m.K)或至少100W(m.K)。調節所述平面熱導率的同時，貫通面熱導率可以保持恒定，例如在IW(m.K)。可以調節所述貫通面熱導率為至少0.1ff (m.K)、至少lW(m.K)、或至少10W(m.K)。調節所述貫通面熱導率的同時，平面熱導率可以保持恒定，例如在1W (m.K)。所述平面熱導率和所述貫通面熱導率的比例可以為10:1。
[0018]分別調節平面熱導率和貫通面熱導率，允許模型考慮到氣體擴散層的各向異性的熱導率。可以應用類似的方法到導電性和/或透氣性。
[0019]值得注意的是，當GDL熱導率增大，熱耗散的速率也會增加，因此，溫度分布變得更加均勻且最高溫度降低。作為在催化劑層發生放熱電化學反應的結果，主要產生熱量。
[0020]根據本發明的另一方面，提供了一種包括氣體擴散層的質子交換膜燃料電池，所述質子交換膜燃料電池具有多個參數，其中，選擇所述參數以提供遍及所述氣體擴散層基本上均勻的溫度分布。
[0021]所述參數可以包括氣體擴散層的熱導率。包括氣體擴散層的平面熱導率和/或貫通面熱導率的所述熱導率可以為基本上各向同性。
[0022]所述氣體擴散層可以具有至少1W/ (m.K)或者至少10W/ (m.K)的平面熱導率。所述氣體擴散層的貫通面熱導率可以為至少IW/(m.K)或至少1W/(m.K)。所述氣體擴散層可以具有至少1W/(m.K)的平面熱導率和至少為IW/(m.K)的貫通面熱導率。
[0023]根據本發明的另一個方面，提供了一種燃料電池，所述燃料電池包括具有氣體擴散層的質子交換膜，其中，所述氣體擴散層的熱導率為基本上各向同性。[0024]根據本發明的另一個方面，提供了一種燃料電池，所述燃料電池包括具有氣體擴散層的質子交換膜，其中，所述氣體擴散層的平面熱導率為基本上各向同性。
[0025]根據本發明的另一個方面，提供了一種燃料電池，所述燃料電池包括具有氣體擴散層的質子交換膜，其中，所述氣體擴散層的貫通面熱導率為基本上各向同性。
[0026]根據本發明的另一個方面，提供了一種燃料電池，所述燃料電池包括具有氣體擴散層的質子交換膜，其中，所述氣體擴散層具有至少1W/(m.K)的平面熱導率。
[0027]所述氣體擴散層的平面熱導率可以為至少10W/(m.K)，或至少200W/(m.K)或至少 400W/ (m.K)。
[0028]所述氣體擴散層的平面熱導率可以為至少IW/(m.K)或至少1W/(m.K)。
[0029]根據本發明的另一個方面，提供了一種燃料電池，所述燃料電池包括具有氣體擴散層的質子交換膜，其中，所述氣體擴散層具有至少1W/(m.K)的平面熱導率和至少為IW/(m.K)的貫通面熱導率。
[0030]所述氣體擴散層可以為金屬。
[0031]根據本發明的另一個方面，提供了一種具有氣體擴散層的燃料電池質子交換膜。根據本發明的另一個方面，提供了一種燃料電池質子交換膜氣體擴散層。
[0032]根據本發明的另一個方面，提供了一種制造包括具有氣體擴散層的質子交換膜的燃料電池的方法，該方法包括安排氣體擴散層的熱導率在平面和/或貫通面方向上為基本上各向同性的步驟。
[0033]本發明還進一步提供了實施上述系統和方法的處理器控制代碼，例如，在通用計算機系統上或在數字信號處理器(DSP)上。在物理數據載體，例如硬盤、⑶-ROM或DVD-ROM、如非易失性存儲器(例如閃存)的編程的存儲器或只讀存儲器(固件)上提供所述代碼。實施本發明【具體實施方式】的代碼(和/或數據)可以包括以傳統編程語言(解釋或編輯)例如C或匯編碼形式的源代碼、目標代碼或執行代碼。本領域技術人員將理解這樣的代碼和/或數據可以在多個成對的組件之間分配以相互通信。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]本發明通過示例的方式圖解說明，在附圖中，其中:
[0035]圖1是PEM燃料電池在其計算區域內的示意圖；
[0036]圖2顯示極化曲線，即電壓隨電流密度的變化，針對三個每個有不同平面熱導率的理論燃料電池與實驗數據的對比；
[0037]圖3是針對圖2的三個不同燃料電池顯示四個溫度下功率密度上變化的曲線圖；
[0038]圖4a到4c顯示針對三個不同燃料電池，在陰極⑶L內的溫度⑷分布上的變動；
[0039]圖5a到5c顯示針對三個不同燃料電池，在陰極⑶L和陰極催化劑層之間的界面處的含水飽和度的變動；
[0040]圖6顯示極化曲線，即電壓隨電流密度的變化，針對三個每個有不同貫通面熱導率的理論燃料電池與實驗數據的對比；
[0041]圖7是針對圖6的三個不同燃料電池顯示四個溫度下功率密度上變化的曲線圖；
[0042]圖8a到8c顯示針對圖6的三個不同燃料電池的陰極⑶L內的溫度⑷分布上的
變動；[0043]圖9a到9c顯示針對圖6的三個不同燃料電池，在陰極⑶L和陰極催化劑層之間的界面處的含水飽和度的變動；
[0044]圖1Oa至1c顯示針對三個具有不同平面熱導率的理論燃料電池，在PEM燃料電池內溫度⑷分布上的變動；以及
[0045]圖11顯示極化曲線，即電壓隨電流密度的變化，針對圖1Oa的三個燃料電池與實驗數據的對比。
[0046]附圖的詳細描述
[0047]氣體擴散層(⑶Ls)是質子交換膜(PEM)燃料電池的主要部件之一。質子交換膜(PEM)燃料電池由于其高效率、快速啟動和低操作溫度而成為最流行類型的燃料電池。為了得到在PEM燃料電池中有效的熱和水的管理，應確定多孔介質的熱導率。另外，氣體擴散層(GDLs)的熱導率具有各向異性，例如導電性和透氣性。然而，大多數的PEM燃料電池模型都假定氣體擴散層包括各向同性材料。
[0048]如下面更詳細描述的，數值研究了在不同的操作溫度下的GDL的各向異性的熱導率的作用。結果發現，具有現實的熱導率值的數值模型的輸出與實驗數據很好地吻合。此外，研究了平面和貫通面方向上PEM燃料電池性能對GDL的熱導率的靈敏度，并且比較了介于不同GDL熱導率之間的溫度分布。結果表明，提高GDL的平面和貫通面熱導率顯著提高了 PEM燃料電池 的功率密度。而且，溫度梯度顯示出對GDL的平面熱導率更大的靈敏度，與對貫通面熱導率的相反。總之，評估了各向異性的GDLs對溫度分布和電流密度的作用，結果用實驗數據進行了驗證。
【具體實施方式】
[0049]在這項研究中，以下列假設開發三維(3-D)多相模型:
[0050].流體流被假定為層流，因為入口速度很低；
[0051].該反應為穩態條件下；以及
[0052].假定反應氣體為理想氣體。
[0053]控制方程
[0054]基本上，燃料電池中的流體流動由下面的方程式控制[13]:
[0055]質量守恒:
【權利要求】
1.一種設計包括氣體擴散層的質子交換膜燃料電池的方法，該方法包括: 使用質子交換膜燃料電池的模型確定所述燃料電池的性能，其中所述模型基于燃料電池的多個參數，所述多個參數包括氣體擴散層的各向異性性質中的至少一個， 調整所述多個參數中的至少一個； 確定所述調整步驟是否改善所述燃料電池的性能，以及 通過選擇提供改善性能的所述參數設計所述燃料電池。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，使用所述模型通過確定燃料電池的溫度分布、含水飽和度、和/或電流密度中的一個或多個確定性能。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，通過提供遍及氣體擴散層的更均勻的溫度分布改善所述性能。
4.根據前述權利要求中任意一項所述的方法，其中，所述模型包括在所述燃料電池內界定的多個區域。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，所述多個區域包括集電器、通道、氣體擴散層、催化劑層和所述膜中的一個或多個。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，所述燃料電池包括陽極和陰極，并且其中將每個所述陽極和所述陰極界 定為分離的區域。
7.根據前述權利要求中任意一項所述的方法，其中，所述方法包括使燃料電池為所述設計從而用實驗數據驗證所述模型的性能。
8.根據前述權利要求中任意一項所述的方法，其中，所述多個參數包括氣體擴散層(GDL)的材料。
9.根據前述權利要求中任意一項所述的方法，其中，所述各向異性性質包括氣體擴散層的導電率、熱導率、和/或滲透性中的一個或多個。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，所述熱導率包括平面熱導率和/或貫通面熱導率。
11.一種質子交換膜燃料電池，該質子交換膜燃料電池包括氣體擴散層，所述質子交換膜燃料電池具有多個參數，其中，選擇所述參數以提供遍及所述氣體擴散層的基本上均勻的溫度分布。
12.根據權利要求11所述的燃料電池，其中，所述參數包括氣體擴散層的熱導率，包括氣體擴散層的平面熱導率和/或貫通面熱導率的所述氣體擴散層的熱導率為基本上各向同性。
13.根據權利要求12所述的燃料電池，其中，氣體擴散具有至少1W/(m.K)，或者至少10W/(m.K)的平面熱導率。
14.根據權利要求11或12所述的燃料電池，其中，氣體擴散具有至少IW/(m.K)或者至少1W/(m.K)的氣體擴散層的貫通面熱導率。
15.根據權利要求11-14中任意一項所述的燃料電池，其中，所述氣體擴散層具有至少1W/(m.K)的平面熱導率和至少IW/(m.K)的貫通面熱導率。
16.一種燃料電池，所述燃料電池包括具有氣體擴散層的質子交換膜，其中，所述氣體擴散層的熱導率為基本上各向同性。
17.一種燃料電池，所述燃料電池包括具有氣體擴散層的質子交換膜，其中，所述氣體擴散層的平面熱導率為基本上各向同性。
18.一種燃料電池，所述燃料電池包括具有氣體擴散層的質子交換膜，其中，所述氣體擴散層的貫通面熱導率為基本上各向同性。
19.一種燃料電池，所述燃料電池包括具有氣體擴散層的質子交換膜，其中，所述氣體擴散層具有至少1W/(m.K)的平面熱導率。
20.根據權利要求19所述的燃料電池，其中，所述氣體擴散層的平面熱導率為至少10W/ (m.K)。
21.根據權利要求20所述的燃料電池，其中，所述氣體擴散層的平面熱導率為至少200W/ (m.K)。
22.根據權利要求21所述的燃料電池，其中，所述氣體擴散層的平面熱導率為至少400W/ (m.K)。
23.一種燃料電池，所述燃料電池包括具有氣體擴散層的質子交換膜，其中，所述氣體擴散層的貫通面熱導率為至少IW/(m.K)。
24.一種燃料電池，所述燃料電池包括具有氣體擴散層的質子交換膜，其中，所述氣體擴散層的貫通面熱導率為至少1W/(m.K)。
25.一種燃料電池，所述燃料電池包括具有氣體擴散層的質子交換膜，其中，所述氣體擴散層具有至少1W/(m.K)的平面熱導率和至少IW/(m.K)的貫通面熱導率。
26.根據前述權利要求中任意一項所述的燃料電池，其中，所述氣體擴散層為金屬。
27.一種具有氣體擴散層的燃料電池質子交換膜，所述氣體擴散層基本上為任意一項前述權利要求的氣體擴散層。
28.一種燃料電池質子交換膜氣體擴散層，所述氣體擴散層實質上為任意一項前述權利要求的氣體擴散層。
29.一種制造包括具有氣體擴散層的質子交換膜的燃料電池的方法，該方法包括安排氣體擴散層的熱導率在平面和/或貫通面方向上為基本上各向同性的步驟。
【文檔編號】H01M8/04GK104040772SQ201280061885
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2012年12月7日 優先權日:2011年12月13日
【發明者】N·E·艾爾哈茲米, D·B·英厄姆, M·S·伊斯梅爾, K·J·休斯, L·馬, M·普爾卡沙尼安 申請人:利茲大學