[发明专利]具有位于阳极和阴极上的不对称扩散介质的燃料电池堆

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池，且更特别地，本发明涉及具有位于电池的 阳极侧和阴极侧上的不同扩散介质的燃料电池。

背景技术

燃料电池在多种应用场合被用作电源。例如，燃料电池被提出用于 电动车辆动力设备中来代替内燃机。质子交换膜(PEM)型燃料电池包 括膜电极组件(MEA)，所述膜电极组件包括薄的传导质子的不导电的 固体聚合物电解质膜，所述固体聚合物电解质膜具有位于一面上的阳极 催化剂和位于相对面上的阴极催化剂。膜电极组件被夹在一对无孔的导 电元件或板之间，所述元件或板(1)用作阳极和阴极的集流器并且(2) 包含在其中形成的用于将燃料电池的气体反应剂分布在相应的阳极催 化剂和阴极催化剂的表面上的适当通道和/或开口。

根据上下文的语境，术语“燃料电池”通常被用来指称单个电池或 多个电池(电池堆)。多个单独的电池通常被组合在一起以便形成燃料 电池堆且多个单独的电池通常以电串联方式进行布置。燃料电池堆内的 每个电池包括前文中所述的膜电极组件(MEA)，且每个这种膜电极组 件都提供了其增压。电池堆内的相邻电池的组被称作电池组。

在质子交换膜燃料电池中，氢(H₂)是阳极反应剂(即燃料)且氧 是阴极反应剂(即氧化剂)。氧可以纯氧形式(O₂)存在或者以空气形 式(O₂和N₂的混合物)存在。固体聚合物电解质通常由离子交换树脂如 全氟磺酸制成。阳极/阴极通常包括微细催化颗粒，所述微细催化颗粒 通常被担载在碳颗粒上并与质子传导树脂混合。催化颗粒通常是成本昂 贵的贵金属颗粒。因此，这些膜电极组件的制造成本相对昂贵且需要特 定的条件以便实现有效运行，所述特定的条件包括进行适当的水管理和 湿化以及控制催化剂污损组分如一氧化碳(CO)。

夹住膜电极组件的导电板可包含用于将燃料电池的气体反应剂(即 氢和以空气形式存在的氧)分布在相应的阴极和阳极的表面上的反应剂 流场。这些反应剂流场通常包括多个凸脊，所述多个凸脊在其间限定出 多条流动通道，气体反应剂从位于所述流动通道的一端处的供应集管流 动通过所述多条流动通道而流至位于所述流动通道的相对端处的排出 集管。

扩散介质被插置在反应剂流场与膜电极组件之间，所述扩散介质提 供了多种功能。这些功能中的一种功能是使反应剂气体从多条流动通道 扩散至膜电极组件的主要面和相应的催化剂层。另一功能是使反应产物 如水扩散穿过燃料电池。第三种功能是在多个凸脊之间穿过流动通道而 对膜电极组件提供足够的支承。为了适当地实施这些功能，扩散介质必 须足够多孔同时保持一定的机械性质。确保反应剂适当地分布在膜电极 组件的面上需要扩散介质的孔隙率。保持膜电极组件与扩散介质之间在 通道区域上充分接触以及防止膜电极组件在被组装在燃料电池堆内时 受到损伤则需要该扩散介质的机械性质。

流场被仔细地制成一定尺寸以使得在特定的反应剂流速下能够在 流场入口与流场出口之间获得特定的压力降。在更高的流速下，获得了 更大的压力降，而在更低的流速下，则获得了更小的压力降。

所希望的是在扩散介质中存在一定的压缩率以便适应板的变化。然 而，当力作用在可压缩扩散介质上时，扩散介质的一些部分可能会侵入 双极板的通道内。这种侵入导致出现可能并不希望的压力降。同样地， 不均匀地侵入不同电池内将导致流被不均匀地分布进入不同电池内。由 于阳极氢燃料具有低得多的流速且通常具有更低的化学计量比，因此扩 散介质侵入的效应在阳极侧上更强且在阴极侧上更弱。

还存在其它情况，对于这些情况而言，在燃料电池的阳极侧和阴极 侧之间存在不同的材料特性可能是有利的。这些特性中的一些实例包括 孔隙率、透过率、表面自由能和微孔层厚度。因此，使燃料电池的阳极 侧与阴极侧具有不同的扩散介质将是有利的。

发明内容

本发明提供了一种具有第一扩散介质和第二扩散介质的燃料电池， 在所述第一扩散介质与所述第二扩散介质之间设置有膜电极组件。所述 第一扩散介质包括第一组材料特性且所述第二扩散介质包括第二组材 料特性。所述第一组材料特性具有与所述第二组材料特性中的至少一种 材料特性显著不同的至少一种材料特性。材料特性的这种不同提供了增 强的燃料电池/电池堆性能。