专利名称：聚合物燃料电池结构的利记博彩app
技术领域：
本发明一般涉及燃料电池，尤其涉及在聚合物燃料电池性能方面的改进。
然而，当聚合物燃料电池技术扩展到更大的电池和电池堆时，遇到了严重的问题。在电池堆自身，主要问题之一是水处理，这是因为在工作状态下质子导电膜必须保持好的润湿状态。
由于膜限制质子导电性，因此导致了在电池堆中主要部件内阻方面的损耗。由于质子迁移将水分子从阳极中拖出，因此在高电流下膜趋于变干，在阳极侧尤其如此。
阳极变干不仅影响电阻，而且影响在阳极中氢还原反应(HRR)的动力学。
因此，为了解决此问题，经常将阳极侧比阴极侧更显著地加湿。还可以对电池的阴极侧进行加压，以便在膜上利用压差将水反压向阳极。但是，很重要的一点是，水处理不能阻止在电池中的气体流动。
此问题的一种解决方案是采用更薄的膜，但由于膜的机械强度必须使足够的，因此这种方法具有局限性。
另一种解决方案是在阳极侧使水直接与膜接触，但是当膜与水达到平衡时，膜的水含量和导电性过高。同样，当液体在燃料电池中蒸发时，大量的(40-50％)热量会由所产生的水蒸汽带出电池。
在US5958613(Hamada等人)中，涉及燃料电池膜的这种直接水加湿。其中公开了聚合物燃料电池系统，该系统能够湿润固体聚合物膜并冷却主电池体，无需提供用于加湿燃料气体或氧化剂气体的特别加湿器和冷凝通道。在此专利中，没有公开在提供直接加湿时燃料电池堆具体的工作原理。
在US5935726(Chow等人)中，公开了用于在聚合物燃料电池中提高膜的加湿的方法和设备，此技术定期地将氧化剂流的流向逆转回燃料电池流场。但是，该专利未涉及燃料电池的冷却。
因此，本发明的目的是以低成本和低电池复杂性提供用于达到更好的加湿作用的装置。可得到平衡的性价比。
在本发明的电池结构中，采用含水相优选水对膜直接加湿。根据本发明的聚合物电解质燃料电池包括质子交换膜、在质子交换膜一侧上的阳极催化剂层，在质子交换膜相对侧上的阴极催化剂层，在质子交换膜各侧上的气体分布层。其特征在于，阳极侧气体分布层是平的、多孔结构、具有在朝向交换膜的表面上形成的水通道，并且阳极侧气体分布层由共面的密封板封闭，该密封板具有水注入通道，该水注入通道与在气体分布层中的所述水通道连接。
由此可以保持在阳极侧水与膜的直接接触。这有利于电池的工作，因为当膜与水平衡时，膜的水含量和导电性更高。同样，当在电池内部的水蒸发出来时，可以借助所产生的水蒸汽从电池中除去在电池中产生的大量的热。
本发明的详细说明
图1和2示出了根据本发明的燃料电池结构的优选实施例。燃料电池包括导电阳极板1。相邻双极板设置阳极密封框架2。此框架设有用于阳极气体分布层(distribution layer)3的中央、矩形开口。框架2还设有阳极气体入口9和出口10；分别形成分布通道以及水入口和出口11、12。阳极气体分布层3在层3的相对侧上设有多个狭窄的水通道3a，参考阳极板1。设置质子交换膜4，以便膜4与板1合作将框架2和扩散层(diffusion layer)3夹在它们之间。
以与阳极侧类似的方式构成燃料电池的阴极侧。因此，设置交换膜4的相对侧，以便其与导电阴极板7合作将阴极密封框架6和阴极气体分布层5夹在它们之间。阴极扩散层5不设置任何象阳极扩散层3那样的水通道。阴极密封框架6设有阴极气体入口13和出口14。
在图2中，示出了水通道的详细结构以及如何在电池堆中组织水分布。图的左手边表示上面，图的右手侧表示下面。
在电池堆中各密封框架2具有多个贯穿孔。在拐角处设置的孔用于夹住螺钉，当将多个电池单元组装成电池堆时采用螺钉。剩余的孔与在电池堆的其它部件中相应的孔一起，形成分别使水、燃料气和氧化剂气体通过电池堆的通道。
另外，密封框架2的上面(如上面所限定的那样)具有沿着框架状结构的内边缘流动的气体通道15。从各通道15转出多个分布孔(在图中有5个)，以便将输入气体分布到位于框架内的扩散/分布材料中。在阳极侧上，在上排的孔中从左边的第二个孔(图中)是用于输入气体的输入通道9，在下排孔中从左边的第二个孔是用于从电池中排出气体的输出通道10。无论在电池堆中是何位置，阳极密封框架2具有相同结构的气体通道。
在各密封框架2的下面(如上面所限定的那样)，设置水用通道，此通道具有公共水入口11和公共水出口12。
在电池堆的中间，设置膜4，此膜将电池堆中的阳极和阴极部分分开。在阴极侧上，设置阴极气体分布层5，然后以与阳极密封框架2相同的方式设置阴极的密封框架6，其中形成阴极气体入口和出口13、14。
图3示出气体分布层更详细的结构。层3设有与膜4相邻的水通道3a。在本发明的典型实施例中，水通道3a可以具有约50-100μm的宽度，约100-300μm的深度，各通道可以分开约200-1000μm的距离。通过使水通道窄一些，可以避免由于膜的膨胀导致的导致了通道堵塞。一种形成通道3a的可行性方法是将气体分布层压向具有脊状结构表面的模板，此脊状结构相应于所需要的水通道结构。
图4示出本发明的实施例，气体分布层3设有催化剂层16。设置无孔的或基本上无孔的质子导电聚合物层17，以便它构成水通道。
在此实施例中，可以将过氧化氢或其它供氧化合物加入到加湿或冷却水，此加湿和冷却水输送到阳极侧的电池中。由于在催化剂的附近释放出氧，可以避免在阳极催化剂处吸附CO，以此方式是有效地并能实现更少的氧消耗。在电极表面将分解部分过氧化氢，以通过反应H2O2-＞H2O+1/2O2生成氧。在此系统中，即使分解没有完成，也可能有利地获得过氧化氢。过氧化氢和放出氧的途径在图4中用箭头表示。但此方法可以用于在聚合物燃料电池中的其它直接水加湿系统。
图5示出气体分布层3，该层的边缘用疏水性聚合物处理以防止水进入到电池气体腔室。在此结构中，在双极板1，7中或在气体分布层3，5中没有气体通道。气体分布层可以具有超过90％的孔隙率，它们应当是好的电导体，相对于酸质子导电膜具有固有的抗腐蚀性。
本发明可以结合有常规的蛇形通道结构。此结构的原理在图6中描述。采用与图2的实施例相同的参考标记。各双极板1，7的阳极层侧可以设有阳极气体通道19和至少一个水入口20。还可以提供水出口21。各双极板的阴极层侧设有至少一个阴极气体通道22。
图7中存在用于水通道的选择性结构。在本发明的此实施例中，催化剂层16位于膜4的顶部。疏水层18位于此膜和气体分布层之间。此层18的功能是让气体扩散到电极(催化剂层)，但不让水从水通道3a溢出。
根据图7的实施例可以用于操作液-气直接甲醇燃料电池。在本发明此实施例中，电池的阳极侧提供有液体水-甲醇混合物，此混合物在电池中完全地或部分地蒸发。以如下方式输送液体混合物大部分的阳极与液体甲醇-水混合物的薄膜接触。阳极的剩余区域与液体之外的气相接触。这既为了能够快速地释放气态二氧化碳，又为了通过水蒸汽反应剂加湿薄膜以保留阳极区域的剩余部分。直接地或经过气相将水和甲醇从燃料输送通道转移到阳极。这由图7中的箭头表示。上述方法也可以应用于直接进行液体冷却的其它类型的燃料电池结构。
优选将水通道结构提供到阳极侧。但是，此结构还可以用于阴极侧或同时两侧。
本发明不限于上述实施例，在下述权利要求的范围内可以进行几种修改。
权利要求
1.一种聚合物电解质燃料电池结构，包括质子交换膜(4)；在质子交换膜一侧上的阳极催化剂层(1，16)；在质子交换膜相对侧上的阴极催化剂层(7)；在质子交换膜(4)各侧上的气体分布层(3，5)，其特征在于，阳极侧气体分布层(3)是平的、多孔结构，并具有在朝向膜(4)的表面中形成的水通道(3a)，并且阳极侧气体分布层(3)由共面的密封板(2)封闭，该密封板(2)具有水注入通道，此水注入通道与在气体分布层中的所述水通道(3a)连接。
2.根据权利要求1的结构，其特征在于水通道(3a)具有约50-100μm的宽度。
3.根据权利要求1或2的结构，其特征在于水通道(3a)具有约100-300μm的深度。
4.根据权利要求1-3任意一项的结构，其特征在于水通道(3a)以约200-1000μm的距离分开。
5.根据权利要求1-4任意一项的结构，其特征在于阴极侧气体分布层(5)是由共面的密封板(6)封闭的多孔结构。
6.根据权利要求5的结构，其特征在于阴极侧气体分布层(3)设置有在面对膜(4)的表面中形成的水通道，并且所述分布层(3)由共面的密封板(2)封闭，密封板(2)具有与在气体分布层中的所述水通道(3a)连接的水输入通道。
7.根据权利要求1-6任意一项的结构，其特征在于水通道(3a)设有疏水涂层。
8.根据权利要求1-7任意一项的结构，其特征在于双极板(1，7)位于各密封板(2，6)远离膜(4)的一侧。
9.根据权利要求8的结构，其特征在于各双极板(1，7)设置有在一侧上的阳极催化剂层和在相对侧上的阴极催化剂层。
10.根据权利要求9的结构，其特征在于各双极板(1，7)的阴极层侧设置有至少一条阴极气体通道(22)，其阳极层侧设置有阳极通道(19)和至少一个水入口(20)。
11.根据权利要求1-7的结构，其特征在于阳极催化剂层(16)位于阳极侧气体分布层(3)之上。
12.根据权利要求11的结构，其特征在于阴极催化剂层位于阴极侧气体分布层(5)之上。
13.根据权利要求11或12的结构，其特征在于借助质子导电材料的基本上无孔的层(17)，在水通道(3a)中保留水。
14.根据权利要1-7任意一项的结构，其特征在于至少一个催化剂层(16)位于膜(4)上。
15.根据权利要求14的结构，其特征在于另一催化剂层位于在相对侧的膜(4)处的气体分布层之上。
16.根据权利要求14或15的结构，其特征在于借助高气体渗透性材料的基本上无孔的层(18)，在水通道(3a)中保留水。
17.一种运行聚合物电解质燃料电池的方法，包括质子交换膜(4)；在质子交换膜一侧上的阳极催化剂层(1，16)；在质子交换膜相对侧上的阴极催化剂层(7)；在质子交换膜(4)各侧上的气体分布层(3，5)，其中将冷却和加湿液体输送到燃料电池阳极侧，其特征在于将供氧化合物加入到液体中的步骤。
18.根据权利要求17的方法，其特征在于供氧化合物是过氧化氢。
19.一种运行聚合物电解质燃料电池的方法，包括质子交换膜(4)；在质子交换膜一侧上的阳极催化剂层(1，16)；在质子交换膜相对侧上的阴极催化剂层(7)；在质子交换膜(4)各侧上的气体分布层(3，5)，其中将冷却和加湿液体输送到燃料电池阳极侧，其特征在于将液态甲醇燃料加入到液体中的步骤。
20.根据权利要求19的方法，其特征在于以下述方式分布水-甲醇混合物的步骤一部分阳极催化剂层与液态甲醇-水混合物的薄膜接触，阳极催化剂层的剩余部分与液体之外的气相接触。
全文摘要
本发明公开了一种包括质子交换膜(4)的聚合物电解质燃料电池结构。阳极催化剂层(1，16)位于质子交换膜的一侧上。阴极催化剂层(7)位于质子交换膜的相对侧上，气体分布层(3，5)设置在质子交换膜(4)的各侧上。阳极侧气体分布层(3)是平的、多孔结构，具有在面对膜(4)的表面中形成的水通道(3a)。阳极侧气体分布层(3)由共面的密封板(2)封闭，密封板(2)具有与在气体分布层中的所述水通道(3a)连接的水输入通道。
文档编号H01M8/02GK1437776SQ0181136
公开日2003年8月20日 申请日期2001年6月29日 优先权日2000年7月7日
发明者亚里·伊霍宁, 弗雷德里克·让 申请人:沃尔沃公司