非湿化燃料电池的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有增强的操作性能的非湿化燃料电池(non-humidified fuelcel I，非加湿燃料电池)。
【背景技术】
[0002]燃料电池是一种直接将通常在烃类物质(例如:甲醇、乙醇或天然气)中包含的氢与氧气之间的化学反应能量转换成电能的发电系统。
[0003]根据所使用的电解质的类型，通常将燃料电池分成磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)或碱性燃料电池等。通常，燃料电池具有相同的总体工作原理，并且仅在所使用的燃料类型、操作温度、催化剂、电解质等方面不同。例如，PEMFC具有优异的输出性能和低的操作温度。相对于其他燃料电池，这允许车辆能够迅速启动并且具有良好的响应特性以及具有广泛的应用范围。
[0004]在燃料电池系统中，基本上产生电力的燃料电池堆(燃料电池组)具有其中均包括膜/电极组件(MEA)的单元电池和其中形成有气体流路的隔膜层叠的结构。MEA具有阳极(负极)和阴极(正极)与设置在它们之间的高聚物(高分子)电解质膜附接的结构。此外，单个电解质膜和两个电极、催化层和气体扩散层层叠在MEA中。
[0005]当将氢提供给阳极时，发生电化学氧化反应，其将氢电离成将被氧化的氢离子和电子。离子化的氢离子通过高聚物电解质膜向阴极移动，并且电子通过外电路向阴极移动。朝向阴极移动的氢离子引起与提供至阴极的氧的电化学还原反应以产生热量和水，并且电子的移动产生电能。
[0006]气体扩散层(GDL)可以由多个气孔构成从而向催化层扩散燃料电池反应气体。阳极侧上的催化层将氢分子分离成氢原子，并且将氢原子分解成氢离子和电子。相反，在阴极侧上的催化层将空气中的氧分子分成原子并将该原子电离。因此，GDL通过层叠多个纤维形成并被设置在隔膜与电极/催化层之间。GDL可以由固体(例如，用于导电)和气孔(例如，用来扩散气体和水)组成。例如:碳纸、碳布、碳毛毯、石墨纸、石墨织物等可以被用作GDL。
[0007]并且，⑶L用来将在燃料电池的电化学反应中产生的水排出至外部。S卩，⑶L提供移动通路以使供应的气体能够被均匀地运送至催化层并在操作的过程中用作在催化层中产生的水的排放通道。为了防止提供/生成的气态水在GDL的表面上冷凝，可以用聚四氟乙烯(PTEE)等对⑶L进行防水处理从而被使用。
[0008]然而，在这些类型的燃料电池中，当湿化失败从而导致非湿化燃料电池时，疏水性GDL降低催化层的湿度从而使膜电极的导电性急剧下降并且使燃料电池的发电效率明显下降。因此，不需要湿化的燃料电池将有益于确保协调的发电效率和传导性。
[0009]作为【背景技术】所描述的内容仅仅帮助理解本发明的【背景技术】，并且不能被认为是对应于本领域技术人员已知的现有技术。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是提供一种燃料电池，其中通过调整气体扩散层的亲水性和疏水性来保持燃料电池堆内的液体的最佳电化学反应。
[0011]根据本发明的示例性实施方式，提供了一种燃料电池，包括:催化层(催化剂层，catalytic layer), f禹接至阳极(负极)或阴极(正极)，该催化层被构造成促进燃料气体或空气的电化学反应；以及具有气孔的气体扩散层，被构造成使燃料气体或空气扩散至催化层并且扩散通过与催化层中的燃料气体的电化学反应生成的水，其中，水的体积与气体扩散层的气孔的体积的比率在约0.1至0.4的范围内。
[0012]在一些示例性实施方式中，气体扩散层可以具有其中水不在气体扩散层的表面上冷凝的疏水涂层，并且在产生缺陷的疏水涂层的区域中，气体扩散层的部分表面可以是亲水表面。此外，在产生缺陷的区域中，气体扩散层的部分表面可以是亲水表面。
[0013]在涂层的涂覆工艺期间，可以产生在本发明的示例性实施方式中的疏水涂层的缺陷，并且根据期望的缺陷分布可以以不同的涂覆质量比来涂覆涂层。例如，气体扩散层的亲水表面与整个表面积的比率可以等于水的体积与气体扩散层的气孔的体积的比率。这些缺陷可以随机地分布在气体扩散层的整个表面上，例如，它们可以集中在气体扩散层的整个表面上的催化层上，或者它们可以集中在气体扩散层的整个表面上的催化层的相对侧上。
[0014]在一些示例性实施方式中，可以通过浸溃气体扩散层来形成涂层，或者可以通过等离子涂覆、喷雾涂覆、丝网涂覆、或喷墨涂覆来形成涂层。涂层的涂覆材料可以是例如PTFE (聚四氟乙烯)、碳纳米管、碳纳米颗粒、或者有机或无机溶剂。
【附图说明】
[0015]图1A是示出了在本发明的示例性实施方式中由于气体扩散层的有缺陷的表面引起的亲水表面的形成的示图；
[0016]图1B是示出了在本发明的示例性实施方式中由于有缺陷的涂层引起的亲水表面的形成的示图；
[0017]图2是示出了根据本发明的示例性实施方式在操作非湿化燃料电池中液体饱和、电流密度和电压之间的关系的图解说明；以及
[0018]图3A-3C是示出了根据本发明的各示例性实施方式的在燃料电池中的布置的示图。
【具体实施方式】
[0019]在下文中，将参考附图对本发明的示例性实施方式进行详细地描述。在附图中，相同的参考标号指代相同元件。
[0020]应当理解，如本文中使用的术语“车辆”或“车辆的”或其他相似术语通常包括机动车辆，诸如包括运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的载客汽车，包括各种艇和船的水运工具，航空器等，并且包括混合动力燃料电池车辆、电动燃料电池车辆、插电式混合电动燃料电池车辆、氢动力燃料电池车辆以及其他可替代的燃料电池车辆。如本文中提及的，混合动力车辆是具有两种或更多种动力源的车辆，例如，汽油动力和电动车辆。
[0021]本文所用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，并且不旨在限制本发明。除非上下文另有明确说明，否则如本文所用的单数形式“一个”、“一种”和“该”也旨在包括复数形式。应进一步理解，术语“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组的存在或添加。如本文所用的，术语“和/或”包括所关联的列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。
[0022]除非具体陈述或从上下文明显可见，否则如本文所用的术语“约”被理解为在本领域中正常公差的范围内，例如在平均值的2个标准偏差内。“约”可以被理解为在所述值的10%,9%,8%,7%,6%,5%,4%,3%,2%,1%>0.5%,0.1%,0.05%或 0.01% 的范围内。除非另外从上下文清楚可见，否则本文中所提供的所有数值均由术语“约”修饰。
[0023]图1A是示出了由于气体扩散层的有缺陷的表面引起的亲水表面的形成的示图，并且图1B是示出了由于有缺陷的涂层引起的亲水表面的形成的示图。特别地，根据本发明的示例性实施方式的燃料电池可以包括:催化层，以被构造成促进燃料气体或空气的电化学反应的方式耦接至阳极和阴极；以及气体扩散层，其具有使燃料气体或空气扩散至催化层并且扩散通过与催化层中的燃料气体电化学反应而产生的水的气孔。