用于改进pem燃料电池性能和操作稳定性的气体扩散层预处理的制作方法

文档序号:7215196阅读:123来源:国知局
专利名称:用于改进pem燃料电池性能和操作稳定性的气体扩散层预处理的制作方法
技术领域
本发明涉及PEM燃料电池,更特别地,涉及通过对GDL扩散介质进行预压缩而改进GDL扩散介质性能的方法。
背景技术
燃料电池是一种电化学能量转换装置。燃料电池将来自燃料和氧化剂的化学反应的能量转换成电能。燃料电池已经被提议用于固定应用例如发电厂以及更小型的便携式应用例如将要取代汽车中内燃机的电动车载动力设备。术语“燃料电池”通常用于表示单个电池或者通常串联布置的多个电池,多个电池也被称为电池堆。
在质子交换膜(PEM)燃料电池中,氢或者含氢气体作为燃料被供给至燃料电池的阳极,氧或者含氧气体例如空气作为氧化剂被供给至燃料电池的阴极。特别参考图1,图中示出的单电池PEM燃料电池10具有被夹在一对导电电极板14之间的膜电极组件12。这种结构重复串联在一起从而形成PEM燃料电池堆,其中多个单电池通过双极电极板彼此隔开。板14可由导电材料和聚合物粘结剂、石墨或者耐蚀金属的复合材料制成。膜电极组件(MEA)12和电极板14在刚性端板16之间夹紧固定在一起。每块电极板14包含多个槽脊(land)18,所述槽脊限定出多个用以形成用于将反应气体例如H2和O2分配到膜电极组件12相对侧上的流场22的流槽20。在多电池PEM燃料电池堆的情况下,流场形成在双极板的每一侧上,一个流场用于H2,一个流场用于O2。不导电的垫圈24在燃料电池10的多个元件之间提供密封和电绝缘。图中未示出的电绝缘螺栓延伸穿过孔,所述孔位于用于将PEM燃料电池10加紧在一起的多个元件的拐角处。
特别参考图2和图3,膜电极组件12包括被夹在阳极催化剂层28和阴极催化剂层30之间的膜26、阳极扩散介质32a和阴极扩散介质32b。阳极扩散介质32a和阴极扩散介质32b一般可以结合在一起被表示为气体扩散层(GDL),或者气体扩散介质(GDM)。如图中所示,形成阳极侧H2流场的H2流槽20a紧邻阳极扩散介质32a并且彼此直接接触。相似地,形成阴极侧O2流场的O2流槽20b紧邻阴极扩散介质32b并且彼此直接接触。图4示出了所述槽与槽脊之间的空间关系并且示出了它们在电极板面上的分布。
操作时,富H2流流入阳极侧流场的入口端,并且同时O2流(或者可选的空气流)流入流场阴极侧的入口端。H2沿着膜电极组件12的阳极侧流动,阳极催化剂28的存在导致H2分解成氢离子(H+),使得每一氢原子贡献一个电子。电子从阳极侧流出,通过双极板到达相邻电池的阴极,形成闭合电路(图中未示出),其由此可用于作功。膜层26是选择性介质,其允许带正电的质子通过,但是不允许带负电的电子通过。因此,H+离子可以直接流动通过膜到达阴极催化剂28。在阴极侧,质子与氧原子结合并且电子流过电路,形成水H2O。这些过程通常伴随反应物流过它们各自的流场而发生。这就导致在接近反应物气体槽的出口端处积聚水。
所希望的是使用气体扩散层32,这是因为其在操作燃料电池的活性区域中相对均匀地分配反应物。这种分配是通过使反应物自流槽20通过气体扩散层32而实现的并且与它们各自的催化剂形成接触由此促进所需要的反应。气体扩散层32还确保燃料电池堆间的良好电接触。
气体扩散层32还有利于燃料电池反应的主要产物即水的逆扩散。在PEM燃料电池10之间的H2O的再分配对于电池性能是十分重要的。PEM燃料电池10的更均匀的水合作用允许反应物与电极之间更好地接触,由此获得更好的性能。
气体扩散层32的使用改进了PEM燃料电池10的性能和稳定性。气体扩散层32对于在槽脊18下面和流槽20之间的反应气体和液态水而言是可充分透过的。气体扩散层32的电导率足够高从而允许电子在槽脊18和膜电极组件12之间的流槽20中进行传输。
最常用的气体扩散层32扩散介质材料是碳纤维纸例如由日本Toray、马萨诸塞州的Specracorp和德国的SGL出品的碳纤维纸。所有这些产品是采用相似的工艺进行制造的。在被牵引通过均匀表面之前,碳纤维分散在水中。该表面通常是金属丝网或者鼓面器械。气体扩散介质材料允许干燥并且然后准备进行进一步处理。
本领域已公知的是气体扩散层32呈现出压缩永久变形,所述压缩永久变形是在操作PEM燃料电池10的过程中在压力下气体扩散层厚度的几何变形。在这方面,图5示出了电池堆厚度随两个燃料电池堆的操作循环次数变化的曲线图40,分别用曲线42和曲线44表示具有两种不同“原始”商品气体扩散层材料的两个燃料电池堆。在这两个电池堆中,电池堆厚度变化量Vs.初始数值随着操作循环次数的增加而增加。随着操作循环次数变得足够高,每次循环的厚度变化量减少,并且最后达到稳定状态。与对应于相对较硬的和柔性较差的气体扩散层材料的曲线44相比,对应于相对较软的气体扩散层材料的曲线42通常更易于受到压缩永久变形。这就导致在曲线42的气体扩散层材料具有比曲线44的气体扩散层材料更大的电池堆厚度变化量,并且因此在其达到厚度不再发生变化的稳定状态之前需要更多次操作循环。
压缩永久变形的结果之一在于可能导致燃料电池堆中压缩压力的明显损耗。压缩压力的损耗将引起接触电阻的增加,并且由此特别是当需要高功率输出时,降低了燃料电池性能。
气体扩散层材料的压缩永久变形的另一结果是材料侵入到流槽20中。参考图6,气体扩散层32进入流槽20中的侵入46具有气体扩散层侵入位移量48。由于气体扩散层32的压缩机械性能和/或厚度的变化,气体扩散层侵入位移量48将根据不同电池或者即使在同一电池中也会存在变化。侵入46的结果在于其可以显著改变反应气体的流动分布。在燃料电池堆中反应物任何重大的错误导向将引起功率的不稳定以及将需要在升高的化学计量条件下进行操作,这对于燃料电池而言是不利的。可以预期通过减少侵入位移量48,可以减少反应气体流动分布对于气体扩散层厚度变化的敏感性和压缩机械性质可被减小。
为了防止燃料电池随时间产生压缩损耗,现有技术中采用了三种主要策略。囊式压缩装置可以用于保持恒定的电池堆压缩力;然而,这种装置体积大并且不能用于汽车应用。作为标准维持状况的部分的电池堆的再压缩可以使该条件重置;然而,这种工艺需要从系统中去掉燃料电池堆并且不能改进侵入反应槽不均匀本质。最后,分级压缩假设压缩载荷将在这些步骤中随着电池堆操作几个小时分几个步骤增加直至压缩压力达到额定值;然而,尽管防止了进一步的压缩损耗并且部分解决了气体扩散层侵入问题,但是仍在置于系统中的电池堆中产生了不可接受的延迟。
因此,本领域所需要的一种方法,所述方法应该减少气体扩散层片之间的压缩机械性质的不均匀性,减少片侵入流槽,以及消除在电池堆寿命期间的压缩损耗。

发明内容
本发明涉及这样一种方法,通过在将气体扩散层置于燃料电池中之前(即在燃料电池外部)预压缩预处理气体扩散层,以在燃料电池操作过程中减少气体扩散层的压缩永久变形。本发明可以减少在电池堆寿命期间的压缩损耗并且减少反应气体的错误分布。最终,本发明可以获得更高的功率输出和更稳定的燃料电池性能。在装备有位移传感器的电池堆上进行的实验表明由于气体扩散层压缩性质而使燃料电池表现的随时间的压缩永久变形,发生在电池堆操作的前几个操作周期(即开/关)中。这些循环数量取决于在电池堆组件中使用的气体扩散层的特定类型以及电池堆的操作条件。在实际置于燃料电池中之前,通过预压缩位于燃料电池外部的气体扩散层的预处理模拟这种压缩永久变形,由此减小过大的和不均匀的对反应物槽内部的侵入并且消除了对以后由于压缩压力的损耗引起的燃料电池堆的再压缩的需求。
通过对气体扩散层的预压缩而进行的预处理不需要任何额外的压缩维护。这种气体扩散层预处理的主要优点在于生产便利,其与对最终使用的电池堆组件的选择无关,这在大规模生产时特别具有吸引力。
因此,本发明的目的在于减少片侵入流槽,并且消除在电池堆寿命期间的压缩损耗,从而导致更好的反应物流动分布和稳定的接触电阻。
根据以下对优选实施例的说明,本发明的这些和其它目的、特征和优点将变得更加清楚。


图1是传统PEM燃料电池堆的分解透视图。
图2是图1所示的PEM燃料电池堆的截面透视图,图中示出了分层并且包括膜电极组件和扩散介质。
图3是图2所示的一部分的截面详图。
图4是图1所示的PEM电池堆的一种典型流场的平面图。
图5是具有不同气体扩散层材料的两个图1所示的电池堆随着经受大量操作循环后,其厚度随时间的变化曲线图。
图6是在现有技术中发生的气体扩散层侵入气体流槽中的示意图。
图7是表明在达到堆压缩载荷之后经受循环预压缩或者恒定预压缩的气体扩散层的附加厚度变化的实验数据曲线。
图8是压缩压力(即压缩载荷)随两种气体扩散层材料的厚度变化的实验数据曲线,所述曲线表明根据本发明的完全压缩卸载的影响作用。
图9是表明使用本发明后侵入位移量减少的曲线图。
图10A至10C是压缩设备的操作步骤示意图,图中示出了根据本发明通过施加在一定时间内恒定的力预处理至少一个气体扩散层的外部压缩工艺。
图11是根据本发明用于通过循环压缩力预处理至少一个气体扩散层的另一外部压缩工艺步骤的流程图。
图12是如实例II中所述的周期性压缩修正的图表。
具体实施例方式
图7至12示出了本发明的各个方面。
通过外部压缩工艺进行这些实验。通过“外部”表示通过该工艺在电池堆外部的环境(即燃料电池外部)压缩预处理气体扩散层。在这种外部预处理中,不同类型的气体扩散层经受特定的压缩载荷(即压力施加)长达特定时间周期,具有压缩载荷循环和次数的混合,并至少经受一个完全压缩卸载(即压力释放),所产生的压缩永久变形相当于在经过大量操作循环后在电池堆操作条件下所产生的压缩永久变形。将结合图7讨论压缩载荷循环和次数混合的影响作用。将结合图8讨论完全压缩卸载的影响作用。将结合图9讨论压缩载荷循环和完全压缩卸载的混合的组合影响。
图7是通过在其上施加压缩(即加压压缩)而受到外部预处理的气体扩散层材料的曲线图100。在曲线102中,材料经受多次循环压缩加压,其中气体扩散层材料经受多次加压压缩处理循环,压力大小随一次循环的时间而变化。曲线104示出了相同的材料在恒定压力(压缩)条件下保持延长的时间周期的曲线104a,曲线104a在施加多次循环加压处理的曲线104b之前。在该图中,y轴表示在压缩载荷在该实例中达到2.76MPa之后的附加厚度变化。曲线104表示在燃料电池堆以设计压缩载荷进行组装之后在电池堆操作时气体扩散层经历至少0.0075mm的附加厚度变化。为了减少在电池堆操作时这种附加的厚度变化,人们可以通过以下方式进行预处理即循环压缩加载、在延长的时间周期中恒定压缩加载或者这两种方式的组合方式,从而利用本发明。例如,利用本发明,大约70%的随时间的总附加厚度变化可以在2.6分钟内的10次压缩载荷循环或者通过保持压缩载荷超过5.3分钟引起。
图8表明完全压缩卸载对厚度变化的影响作用。在该曲线图中,两种气体扩散层材料在该实例中被单调压缩加载达到预定电池堆压缩载荷2.76MPa。现有技术气体扩散层材料(来自GDL制造商的原始样品)的压缩加载性能被表示为“PA”,其表示在设定压缩载荷条件下0.085mm的尺寸变化。本发明的气体扩散层材料的压缩加载行为(通过快速压缩加载至高达2.76MPa和完全压缩卸载而进行预处理的)被表示为“PI”,其表示在设定压缩载荷条件下0.053mm的尺寸变化。
根据图7和图8所示出的结果,可以预期通过本发明进行预处理的气体扩散层(多次循环和时间延迟加载,随后至少一次完全压缩卸载)的厚度变化量将比现有技术的来自电池堆操作的气体扩散层的厚度变化量少至少0.0039mm。
图9通过在通常在燃料电池中使用的使用本发明的压缩预处理的气体扩散层与现有技术的气体扩散层之间的侵入位移量之间进行对比,从而示出了在电池堆中使用这种经过预处理的气体扩散层材料的结果。该侵入位移量使用商业上可获得的有限元程序进行计算。为了易于进行比较,将使用现有技术的侵入位移量作为标准化该侵入位移量。可以看到本发明的气体扩散层的侵入位移量是现有技术的气体扩散层的侵入位移量的59%,这明确表明了本发明的优点。
本发明要求气体扩散层材料通过受到电池堆外部的压力而受到预处理。施加压缩的方法(即使气体扩散层材料经受压缩压力或者压缩加载)可以采取任何形式。
通过图解说明,图10A至10C示出了使用移动板型压缩设备的一种典型的压缩工艺;也可以使用其它的压缩设备例如压缩轮。压缩设备112包括可相对于彼此进行移动的顶面112a和底面112b。如图10A所示,至少一片气体扩散层32被置于压缩设备112内。在图10B中,致动压缩设备,由此顶面112a和底面112b彼此相对挤压在一起,导致一片或者更多片气体扩散层32’的压缩加载(参见图7中的曲线104a)。图10C示出了正在压缩并且由此预处理在顶面112a和底面112b彼此分离之后从压缩设备112(即完全压缩卸载)释放的至少一片气体扩散层110的情况。
实例I选择由碳纤维纸构成的气体扩散层材料,所述气体扩散层材料具有大约230微米的初始压缩厚度。确定的是这种用作PEM燃料电池内(即原位)的气体扩散层的材料,在大约20小时的电池堆操作之后已获得的压缩永久变形,从而使得在电池堆压缩载荷下压缩厚度变成165微米。
根据本发明的方法,相同的气体扩散层材料通过在燃料电池外部且在其组装(即在外部)之前被压缩(即压缩加载)而受到预处理,其中气体扩散层材料经受2.1MPa的压力2小时,然后完全压缩卸载。气体扩散层材料由此获得压缩永久变形,从而使得在燃料电池堆中使用之前压缩厚度变为195微米。然后,预处理的气体扩散层材料被用作PEM燃料电池中的气体扩散层,其中确定的是压缩永久变形通常在燃料电池操作期间保持基本稳定达400小时。因此,侵入反应物通道的预计大小从当使用未预处理的(即现有技术中的)气体扩散层时的大约65微米减少至当使用预处理的气体扩散层时的大约23微米。
另一种可选方式是,图11示出了循环压缩(或者加压处理)加载步骤如何仅仅使用实例中图10A至图10C所示的压缩设备112(参见图7中的曲线102和104b)进行实施。气体扩散层的放置步骤114与根据图10A所示的方式相似。中间步骤116包括多次重复至少一片气体扩散层的压缩加载和压缩卸载或者压缩释放(至少部分压缩释放)循环,通过致动和释放反复图10A至10C所示的压缩设备112的顶面112a和底面112b。在最后步骤118中,在结束预定的多次循环之后,至少一片预处理的气体扩散层从压缩设备中被释放。
应该注意还有很多其它方法提供气体扩散层的预处理;例如,提高温度可缩短进行预压缩等所需要的时间。主要目的在于产生压缩永久变形、等效方式或者接近在将至少一片气体扩散层片置于电池堆中之前的时间内操作电池堆发生的压缩永久变形。
实例II用于通过与实例I中提及的方式相似的预压缩构造的燃料电池的气体扩散层的预处理使用分批法进行。一组100片气体扩散层材料被预切割成预定尺寸并且成堆堆叠,其中每一气体扩散层片由大约250微米厚的塑料垫片与相邻片隔开。然后,该堆置于压缩设备中(参见图10A至10C),施加2.1MPa的相同压力,以便同时压缩所有片,但是此时为了研究目的,时间长度是3小时。
气体扩散层片随时间获得压缩永久变形,从而使得实际压缩载荷也随时间而减少。因此,如图12所示每10至20分钟,检查并调节压缩力,参见F1至F10,至初始的压缩载荷值。在压缩载荷作用2小时之后,剩余的压缩力是初始值的大约99%,其中在2个小时之后不期望更大的压缩永久变形。
而且,当能够传统地提供气体扩散层片时,由此在制造工艺过程中进行预压缩步骤,该步骤通过将气体扩散层输送通过固定分离的辊(砑光机)使得气体扩散层经受一次或两次压缩循环。在现有技术的制造工艺中做这些的主要原因是为了控制厚度的均匀性。此外,气体扩散层在这种“预压缩”中实际消耗的时间是非常短的。数据显示在现有技术的制造工艺中使用的一次或者两次压缩循环不足以实现本发明的目的。代替的是,对于一些气体扩散层材料来说需要至少10次循环或者1分钟,但是通常超过上述数值(参见图9)。
对优选实施例的上述描述本质上仅是示例性的并且绝不旨在限制本发明、其应用和其用途。此外,对于本领域的技术人员来说,可对上述优选的实施例作出多种变型或修改。这些变型或者修改可以在不便离本发明精神和范围的前提下进行实施,本发明旨在仅仅由从属权利要求的范围进行限制。
权利要求
1.一种在组装燃料电池前预处理燃料电池的气体扩散层的方法,所述方法包括以下步骤选择用于燃料电池的气体扩散层材料;确定燃料电池在操作预定时间周期之后气体扩散层将会获得的压缩永久变形;以及压缩气体扩散层以由此引起气体扩散层基本上具有所述压缩永久变形,其中在组装燃料电池前并且在燃料电池的外部进行所述压缩步骤。
2.一种采用根据权利要求1所述的方法进行预处理的燃料电池的气体扩散层。
3.根据权利要求1所述的方法,其中所述压缩步骤包括使气体扩散层经受单次压缩循环。
4.一种采用根据权利要求3所述的方法进行预处理的燃料电池的气体扩散层。
5.根据权利要求1所述的方法,其中所述压缩步骤包括使气体扩散层经受多次压缩循环。
6.一种采用根据权利要求5所述的方法进行预处理的燃料电池的气体扩散层。
7.根据权利要求1所述的方法,其中所述气体扩散层是片,并且所述压缩步骤包括同时压缩多个片。
8.一种采用根据权利要求7所述的方法进行预处理的燃料电池的多个气体扩散层。
9.根据权利要求7所述的方法,其中所述压缩步骤包括使多个片经受单次压缩循环。
10.一种采用根据权利要求9所述的方法进行预处理的燃料电池的多个气体扩散层。
11.根据权利要求7所述的方法,其中所述压缩步骤包括使多个片经受多次压缩循环。
12.一种采用根据权利要求11所述的方法进行预处理的燃料电池的多个气体扩散层。
13.一种用于组装燃料电池的方法,所述方法包括以下步骤选择用于燃料电池的气体扩散层;确定燃料电池在操作预定时间周期之后气体扩散层将会获得的压缩永久变形;压缩气体扩散层以由此引起气体扩散层基本上具有所述压缩永久变形;以及组装包括所述气体扩散层在内的燃料电池;其中在所述组装步骤前并且在燃料电池的外部进行所述压缩步骤。
14.一种采用根据权利要求13所述的方法组装的燃料电池。
15.根据权利要求13所述的方法,其中所述压缩步骤包括使气体扩散层经受单次压缩循环。
16.根据权利要求13所述的方法,其中所述压缩步骤包括使气体扩散层经受多次压缩循环。
17.根据权利要求13所述的方法,其中所述气体扩散层是片,且所述压缩步骤包括同时压缩多个片。
18.一种采用根据权利要求19所述的方法组装的燃料电池。
19.权利要求17所述的方法,其中所述压缩步骤包括使多个片经受单次压缩循环。
20.权利要求17所述的方法,其中所述压缩步骤包括使多个片经受多次压缩循环。
全文摘要
一种用于在燃料电池操作期间减少气体扩散层压缩永久变形的方法,以及一种用于减少气体扩散层侵入流场槽中的方法,所述这两种方法都是通过在将气体扩散层置于燃料电池中之前通过预压缩预处理该气体扩散层而得以实现的。进行这种预处理是为了减少在电池堆寿命期间的压缩损耗和减少反应气体的错误分布,并且最终获得更高的功率输出和更稳定的性能。
文档编号H01M4/88GK1996649SQ20061017184
公开日2007年7月11日 申请日期2006年11月10日 优先权日2005年11月10日
发明者P·A·拉帕波尔特, 赖业宏 申请人:通用汽车环球科技运作公司
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