具有可变孔隙度气体分布层的燃料电池制造技术

一种质子交换膜燃料电池，－包括质子传导性膜、在膜的一个面上的催化阳极层、在膜的另一个面上的催化阴极层、以及在每个阴极和阳极层上的气体分布层，其中气体分布层界定了一个延伸到每个催化部件的气流场。每个气体分布层包括一层开室导电泡沫材料，这层开室导电泡沫材料被分成许多从燃料电池的一个沿延伸至燃料电池的相对沿的大致平行的段，从而界定出许多遍布每个催化层的大致平行的多孔反应物通路。段可以通过有选择性地改变泡沫材料的孔隙度或有选择性地改变泡沫材料的厚度来界定。反应气体通过歧管结构传送到泡沫气体分布层，其中反应气体沿燃料电池一个沿在平行的通道中向上移动，通过选择性的封锁和分割结构有选择性地分布在堆内希望的阴极或阳极层。利用阳极和阴极层中所使用的分段泡沫结构还可以提供冷却剂层。所得燃料电池与现有技术电池相比更轻、更小、更便宜，但每表面积单元电能输出与之相当。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有可变孔隙度气体分布层的燃料电池专利
本专利技术涉及一种燃料电池系统，特别是一种具有多个消耗富H2气体来产生能量的电池的系统。专利技术背景燃料电池已经在许多应用中被用作电源。例如，人们已经提出将燃料电池用在电动车动力装置中来代替内燃发动机。在质子交换膜(PEM)型燃料电池中，氢被提供给燃料电池阳极，氧作为氧化剂被提供给阴极。PEM燃料电池包含一个膜电极组件(MEA)，MEA包括在其一个面上具有阳极催化剂而在另一面上具有阴极催化剂的质子传导性、非电子导电性固体聚合物电解质薄膜。MEA夹在一对导电元件之间，所述导电元件(1)充当阳极和阴极的集流器和(2)其中包含用于将燃料电池的气体反应物分布于相应阳极和阴极催化剂表面的适当的管道和/或孔。术语燃料电池，根据上下文，一般指单电池或多个电池(堆)。多个单电池通常捆在一起形成燃料电池堆且通常串联排列。堆内的各个电池都含有前述的膜电极组件(MEA)，且每个所述MEA都提供其电压增值。堆内相邻的一组电池称为一个簇。在通用汽车公司的美国专利US5,763,113中记述了多个电池在堆中的典型排列。在PEM燃料电池中，氢(H2)是阳极反应物(即燃料)，氧是阴极反应物(即氧化剂)。氧可以是纯氧(O2)也可以是空气(O2和N2的混合物)。固体聚合物电解质一般由离子交换树脂如全氟磺酸制成。阳极/阴极一般含有细碎的催化颗粒，通常负载在碳颗粒上并与质子传导性树脂混合在一起。催化颗粒一般为昂贵的贵金属颗粒。膜电极组件制造起来相对比较昂贵，且其有效操作需要某些条件，包括适当的水管理和增湿以及控制催化剂污损组分如一氧化碳(CO)。对于车辆应用，可取的是以液体燃料如醇(例如甲醇或乙醇)或烃(例如汽油)作燃料电池的氢源。这些车用液体燃料容易储存在车上，且具有全国性的液体燃料供给基础设施。不过，这些燃料必须解离释放其中的氢来向燃料电池提供燃料。解离反应是在化学燃料处理装置或重整装置中完成的。燃料处理装置包括一个或多个反应器，燃-->料在反应器中与蒸汽和有时是空气反应产生主要含有氢和二氧化碳的重整产物气体。例如在蒸汽甲醇重整过程中，甲醇和水(作为蒸汽)理想地反应生成氢和二氧化碳。实际上，还会产生一氧化碳和水。在汽油重整过程中，蒸汽、空气和汽油在包括两个部分的燃料处理装置中反应。一部分主要是部分氧化反应器(POX)，另一部分主要是蒸汽重整器(SR)。燃料处理装置产生氢、二氧化碳、一氧化碳和水。下游反应器可以包括水/气体转换器(WGS)和选择氧化器(PROX)反应器。在PROX中，用来自空气的氧作氧化剂由一氧化碳(CO)生成二氧化碳。在这里要选择性地将CO氧化成CO2，控制空气的供给很重要。处理烃类燃料以产生富氢重整气以供PEM燃料电池消耗的燃料电池系统是已知的，且在1997年11月提交的序列号为08/975,422和08/980,087的未决美国专利申请和1998年11月提交的序列号为09/187,125的美国专利申请中有记述，这两件专利申请均转让给本专利技术的所有人，通用汽车公司；并记述在1998年3月5日公开的国际申请WO98/08771中。在分别于1993年12月21日和1994年5月31日公开的转让给通用汽车公司的美国专利US5,272,017和US5,316,871中记述了一种典型的PEM燃料电池及其膜电极组件(MEA)。将MEA夹在中间的导电元件包括在其表面上用来将燃料电池的气体反应物(即氢和空气形式的氧)分布在相应的阴极和阳极表面上的一排沟槽。在燃料电池堆中，多个电池以串联形式堆在一起，但彼此间用不透气的导电双极板隔开。以前，双极板起几个作用，包括(1)作为两个相邻电池间的导电的气体隔离元件；(2)将反应气体分布在膜的基本整个表面；(3)在堆中的一个电池的阳极和下一个相邻电池的阴极之间传导电流；(4)保持反应气体隔离以防自燃；(5)对质子交换膜提供支撑；(6)在大多数场合下，提供其中由内部热交换面界定的内冷却通道，冷却剂从中流过从而将热量从堆中带走。双极板还承载了与重整过程有关的气压载荷以及加载在板上的压力。例如，双极板包括在一侧的许多管道和在另一侧的许多管道，在各侧的管道被台肩分开。台肩和管道在两个侧面上的排列必须使双极板可以承受加载的压力，因此台肩和通道排列成不会使双极板塌陷或翘曲的形式。双极板包含用来将氢和氧输送到覆于双极板之上的质子交换膜组件的蛇形管道。在蛇形管道上放置一张石墨纸，以防止膜塌入管道阻塞气-->流，并向双极板提供一个从覆盖管道的膜区域的电通路。双极板可以由金属制成，不过也可以用其它材料制造。例如双极板经常由重量轻(与传统的金属板相比)、在PEM燃料电池环境中耐腐蚀的并且导电的石墨制成。不过，石墨非常脆，使其难以进行机械加工，而且与金属相比其导电率和导热率相对较低。最后，石墨非常多孔使得实际上不可能制造出重量轻、体积小、内阻低的燃料电池所期望的非常薄的不透气板。Neutzler的美国专利US5,776,624公开了金属双极板和这种管道类型的PEM组件。这些现有技术的双极板和PEM组件重、大、难以生产和组装且制造成本高昂。相比之下，燃料电池系统的有效运行取决于燃料电池在给定尺寸、重量和成本下产生大量电能的能力。在所有零部件的尺寸、重量和成本对于其有效地制造和运行都非常重要的电动车应用中，使燃料电池在给定尺寸、重量和成本下电能输出最大化尤其重要。因此，特别是对于电动车应用，希望提供一种可以用给定尺寸、重量和成本的燃料电池产生更多电能的燃料电池结构。专利技术概述本专利技术涉及一种质子交换膜燃料电池，它包括质子传导性膜、在膜的一个面上的催化阳极层、在膜的另一个面上的催化阴极层、以及分别在阴极和阳极层上的气体分布层，气体分布层界定出一个延伸至每个催化部件的气流场，其中膜、催化层和分布层形成具有第一和第二相对边沿的夹层结构。根据本专利技术，每个气体分布层都包括一个被分成许多大致平行的段的导电多孔介质，其中每个段都从夹层结构的第一个边沿延伸至第二个边沿，从而界定出许多遍布每个催化层的大致平行的多孔反应物通道。这种排列保证了在平行的各段之间只有很少或没有交互渗移发生，从而确保了气体基本均匀地分布于催化层表面。根据专利技术的另一特征，多孔介质包括泡沫介质。使用泡沫介质对本专利技术的排列的低成本、低重量方面做了进一步贡献。在本专利技术公开的实施方案中，泡沫介质由开室泡沫介质构成。根据本专利技术的另一特征，每个气体分布层含有一片多孔介质，且每个分布层的各段通过空间地改变对由各片多孔介质提供的气流的阻-->力来界定。这种排列提供了一种简单便宜的提供多孔介质的各个平行段的方法。在本专利技术的一个实施方案中，通过空间地改变各片多孔介质的孔隙度从而空间地改变了气流阻力；在另一个实施方案中，通过空间地改变各片多孔介质的厚度从而空间地改变了气流阻力；在又一个实施方案中，通过空间地改变备片多孔介质的厚度和孔隙度从而空间地改变了气流阻力。根据本专利技术的另一个特征，泡沫介质包括导电的石墨泡沫介质或者导电的金属泡沫介质。使用这些相对便宜的导电泡沫介质在不牺牲性能的同时进一步降低了燃料电池的成本。根据本专利技术的另一个特征，该特征可适用于包含许多堆在一起的燃料电池的燃料电池堆，该燃料电池堆进一步包含一个歧管结构，该结构包本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种质子交换膜燃料电池，其包括质子传导性膜、在膜的一个面上的催化阳极层、在膜的另一个面上的催化阴极层、以及在每个阴极和阳极层上的气体分布层，气体分布层界定了一个延伸到每个催化层的气流场，其中膜、催化层和分布层形成具有第一和第二相对边沿的夹层结构，其特征在于：每个气体分布层都包括一个被分成许多大致平行的段的导电多孔介质，其中每个段都从夹层结构的第一个边沿延伸到第二个边沿，从而界定出许多遍布每个催化层的大致平行的多孔反应物通道。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种质子交换膜燃料电池，其包括质子传导性膜、在膜的一个面上的催化阳极层、在膜的另一个面上的催化阴极层、以及在每个阴极和阳极层上的气体分布层，气体分布层界定了一个延伸到每个催化层的气流场，其中膜、催化层和分布层形成具有第一和第二相对边沿的夹层结构，其特征在于：每个气体分布层都包括一个被分成许多大致平行的段的导电多孔介质，其中每个段都从夹层结构的第一个边沿延伸到第二个边沿，从而界定出许多遍布每个催化层的大致平行的多孔反应物通道。2.根据权利要求1的燃料电池，其中的多孔介质包括泡沫介质。3.根据权利要求2的燃料电池，其中的泡沫介质包括开室泡沫介质。4.根据权利要求1的燃料电池，其中每个气体分布层包括片多孔介质；每个分布层的各段是通过空间地改变对由相应片提供的气流的阻力来界定的。5.根据权利要求4的燃料电池，其中的空间地改变对气流的阻力是通过空间地改变相应片的孔隙度来实现的。6.根据权利要求4的燃料电池，其中的空间地改变对气流的阻力是通过空间地改变相应片的厚度来实现的。7.根据权利要求4的燃料电池，其中的空间地改变对气流的阻力是通过空间地改变相应片的厚度和孔隙度来实现的。8.根据权利要求2的燃料电池，其中泡沫介质包括导电石墨泡沫介质。9.根据权利要求2的燃料电池，其中泡沫介质包括导电金属泡沫介质。10.一种包含许多堆集在一起的燃料电池的质子交换膜燃料电池堆，每个燃料电池包括：质子交换膜；在膜的一个面上的催化阳极层；在膜的另一个面上的催化阴极层；和靠着每个催化层的一片多孔介质，每个片都具有在纵向边沿对面-->的入口和出口，对由每个片提供的气流的阻力沿各片纵向变化将各分成许多从该片的入口边沿延伸到出口边沿的大致平行的段，从而界定出许多遍布每个催化层的大致平行的多孔反应物通道。11.根据权利要求10的燃料电池堆，其中燃料电池堆还包括一个歧管结构，该结构包括位于每个燃料电池的多孔片的每个入口和出口边沿的歧管带，其运行时将反应气体传送到每个燃料电池的每个片的每段的入口端并从每个燃料电池的每个片的每段的出口端接收反应气体。12.根据权利要求11的燃料电池堆，其中：歧管结构包括位于沿每个燃料电池的每个片的各段的入口端的入口歧管带和位于沿每个燃料电池的每个片的各段的出口端的出口歧管带；每个入口歧管带包括位于各段入口端附近的外沿和内沿；每个入口带接近其外沿的外侧部分界定出许多用来将各种流体，包括反应气体，传送到各个段的、串联排列的垂直入口通道；每个入口带接近其内沿的内侧部分界定出一个与各个片的各个段的入口端相通的水平通道；某个入口带包括在某个垂直入口通道和水平通道之间的连通装置，同时封锁了剩余垂直入口通道和水平通道之间的连通，从而通过上述那个入口通道和水平通道将第一反应气体送到各个片的各段的入口端；某个其它入口带包括位于另一个垂直入口通道和水平通道之间的连通装置，同时封锁了剩余垂直入口通道和水平通道之间的连通，从而通过这个另外的入口通道和水平通道将第二反应气体送到各个片的各段的入口端。13.根据权利要求12的燃料电池堆，其中：燃料电池堆还包括位于至少某些燃料电池之间的冷却剂层；一个入口歧管带位于每个冷却剂层的一个入口边沿上，一个出口歧管带位于每个冷却剂层的一个出口边沿上；位于每个冷却剂层的入口边沿上的入口歧管带包括在另一个垂直入口通道和水平通道之间的连通装置，同时封锁了剩余入口通道和水平通道之间的连通被封锁，从而通过这个另外的入口通道和水平通道-->将冷却液传送到冷却层。14.根据权利要求12的燃料电池堆，其中每个入口带的每个水平通道被分成许多水平子通道，其中每个子通道与一个相应段的入口端对齐并与之连通。15.根据权利要求12的燃料电池堆，其中：每个出口歧管带包括靠近相应段的出口端的外边沿和内边沿；每个出口带在靠近其外边沿的外侧部分界定出许多用来从各个段接收各种流体，包括反应气体，的串联排列的垂直出口通道；每个出口带在靠近其内边沿的内侧部分界定出与各个片的各段的出口端连通的水平通道；某个出口带包括位于一个垂直入口通道和水平通道之间的连通装置，同时封锁了剩余出口通道和水平通道之间的连通，从而通过水平通道和这个出口通道将第一种反应气体从各个片的各个段的出口端排出。16.一种质子交换膜燃料电池，包括质子传导性膜、在膜的一个面上的催化阳极层、在膜的另一个面上的催化阴极层、以及在每个阴极和阳极层上的气体分布层，气体分布层界定了一个延伸到每个催化层的气流场，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：GW弗利，BK布拉迪，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]