专利名称：用于优化具有空间变化传质阻力的扩散媒介的方法
技术领域：
本公开涉及燃料电池堆，且更具体地本发明涉及优化用于
燃料电池堆的具有空间变化传质阻力的扩散媒介的方法。
背景技术：
0002
电化学燃4十电池已经作为用于电动车辆和各种其它应用 的清洁、有效而环保的电源提出。燃料电池的一个示例为质子交换膜 (PEM)燃料电池。PEM燃料电池具有膜电极组件(MEA),模电极 组件通常包括设置在阳极和阴极层之间的薄实心聚合物膜电解质。阳极 和阴极层通常包括支撑在碳颗粒上且与离聚物混合的细微划分的催化 剂，通常为铂(Pt)。阳极和阴极层有时称为催化剂层(CL)。典型地， PEM燃料电池的MEA特征在于在湿条件下提高的质子传导性。通常需 要恰当的水分管理和湿化以有效操作MEA。 MEA通常设置在一对多孔传导材料(也称为气体扩散媒 介(GDM))之间，气体扩散媒介在PEM燃料电池中执行多功能作用。 例如，GDM将诸如氬气和氧气/空气的气体反应物分配给阳极和阴极层。 GDM传导电子且将在MEA处产生的热传递给冷却剂。关于燃料电池的 水分管理，GDM将由电化学燃料电池反应产生的水传输离开PEM。 GDM 的水分管理能力对燃料电池性能的任何优化是重要的。通常，GDM包 括多微孔层(MPL),多微孔层在MEA电极和GDM之间提供过渡层。 MPL还有助于/人MEA传输水。 在一个实施例中，描述了选择具有空间变化传质阻力的燃 料电池扩散媒介的方法。该方法包括步骤a)辨识i)车辆中燃料电池 的多个操作条件，所述多个操作条件包括基准操作条件，ii)与燃料电 池性能有关的至少一个燃料电池变量，和iii)该至少一个燃料电池变量 的希望范围；b)确定燃料电池的至少一个基准变量轮廓；c)提供燃料 电池扩散媒介的第一遍D/Deff轮廓；d)将所述第一遍D/Deff轮廓应用 于具有所述基准变量轮廓的燃料电池的计算模型；e)根据所述第一遍 D/Deff轮廓应用于所述计算模型的结果计算至少 一个第 一遍变量轮廓； f)将所述第一遍变量轮廓与所述变量的希望范围比较；g)如果所述第 一遍变量不在所述希望范围内，精炼所述第一遍D/Deff轮廓，并重复步 骤d)到f)直到所述第一遍变量轮廓在所述希望范围内，其中提供第二 遍D/Deff轮廓；h)用所述第二遍D/Deff轮廓确定多个第二遍变量轮廓； i)比较具有所述第二遍变量轮廓和所述第一遍变量轮廓的燃料电池的相 对性能；和j)如果具有所述第二遍变量轮廓的燃料电池的性能不如具
有所述第 一遍变量轮廓的燃料电池的性能理想，精炼所述第 一遍D/Deff 轮廓，且重复步骤d)到i)直到具有所述第二遍变量轮廓的燃料电池具 有更优的燃料电池性能，其中提供用于燃料电池扩散i某介的有效D/Deff 轮廓。
00101 在进一步的实施例中，确定所述第一遍和第二遍变量轮廓 的步骤包括用计算模型计算变量轮廓。确定所述第一遍和第二遍变量轮 廓的步骤也包括制备具有第一遍和第二遍D/Deff轮廓的燃料电池且测 量所述第一遍和第二遍变量轮廓。
图3是显示燃料电池GDM的示意性有效传质阻力 (D/Deff)的曲线图，传质阻力从阴极进口向阴极出口减小； 图5是显示沿具有如图3所示的扩散媒介的燃料电池长度 的示意性电流密度分布的曲线图；和 如在此所使用的，术语MTC意味着自由扩散系数对有效 扩散系数的比，如以下方程定义
M7U = !力
其中h为GDM20或蒸汽阻挡层30的厚度；D是自由气相扩散率；且Deff 是扩散媒介20中的有效扩散率。随着MTC增加，蒸汽传输速率降低，随 燃料电池2操作条件变化，这导致减少的MEA10的水合/脱水变化率。比 D/Deff认为是材料属性，其为扩散媒介20的孔隙率、迂回度和孔尺寸分 布的函数。
0025] 应当注意，控制MTC的物理性质为水汽通过扩散媒介20 的扩散率。水汽的扩散由通过扩散媒介20的厚度的水汽的浓度梯度驱 动。还应当注意，扩散属性与可渗透性本质上不同。在渗透的物理过程 中，水借助于对流传输通过扩散媒介20。对流由通过扩散媒介20的厚 度的压力梯度驱动。在燃料电池2中，从气体流动通道到MEA10的压 力梯度是最小的，且水传输转而由水汽通过扩散媒介20的扩散决定。 水汽的扩散与在此定义的MTC直接相关且是本领域已知的。
0026
在燃料电池2的研究中，氧气传输通常用于获得D/Deff。 本领域技术人员应当熟悉，自由氧气扩散率Do2可以用已知的气体成分
容易地计算。另一方面，有效氧气扩散率Deff,02仅可以从实验获得。本
领域技术人员应当理解，极限电流方法是确定有效氧气扩散率的最通常 的实验测试且可以写为
其中F是法拉第常数，h是气体扩散层的厚度，^是极限电流；且C。,是 流场中的氧气浓度。极限电流方法可以在具有例如5cn^有效面积和高化 学当量(阳极/阴极)的燃料电池2中进行，以提供均匀的电池氧气浓度。 极限电流然后可以在燃料电池2以低电压操作时测量，例如0.1V。
0027] 希望的空间变化MTC值通过调节例如扩散々某介20的孔隙 率、迂回度、孔尺寸和厚度中的至少一个而获得。如在此使用的，"调 节"意味着增大或减小扩散媒介20的孔隙率、迂回度、孔尺寸、厚度或 其组合。除了实现希望的MTC之外，最小化扩散^ 某介20的厚度可减小 燃料电池2中的电阻。迂回度定义为孔通道的有效长度对平行于扩散媒 介20中的孔通道的总体方向的长度之比的平方。迂回度可以通过使用 各种技术实验确定，如传导和扩散技术、离子传输时间技术和孔分布技 术，如本领域技术人员熟悉的。技术人员应当理解，希望的空间变化 MTC值可通过在本公开范围内采用的其它方式实现。 在一个实施例中，第一遍D/Deff轮廓应用于具有基准变量 轮廓的燃料电池2的计算模型。在具体实施例中，计算模型是多维燃料 电池模型，所述多维燃料电池模型适于处理来自多个燃料电池2变量和 操作条件的数据输入且计算并输出表示燃料电池变量跨越燃料电池2的 长度的空间变化的分布或轮廓。例如，计算的轮廓可以是在此所述的方 法的第一遍和第二遍变量轮廓。作为非限定性示例，计算模型采用计算 流体力学(CFD)代码。计算模型也可包括燃料电池2的电化学。计算 模型还可包括关于电子密度、热传递、和其它相关的燃料电池2参数的 子模型。 图4是以4个示例(I到IV)沿燃冲+电池2的长度在扩散 々某介20和MEA10之间的界面处的仿真RH分布。在示例I中，燃料电 池2具有在燃料电池2的阳极14和阴极16侧上大约2.15的大致均匀的 D/Deff轮廓，得到第一RH轮廓400。在示例II中，燃料电池2具有在 燃料电池2的阳极14侧上大约2.15和在阴极16侧上大约7.71的大致 均匀的D/Deff轮廓，得到第二RH轮廓402。在示例III中，燃料电池2 具有在燃料电池2的阳极14和阴极16側上均为大约7.71的大致均匀的 D/Deff轮廓，得到第三RH轮廓404。在示例IV中，燃料电池2具有在 燃料电池2的阴极16侧上如图3所示的分布D/Deff轮廓，得到分布RH 轮廓406。 令人惊奇地发现，具有分布进口 -出口 D/Deff或传质阻力 的扩散媒介20提升了跨越燃料电池2的长度的RH、 CD和HFR的均匀 性。通过使用本公开的方法和选择的扩散媒介20防止MEA10的溢流和 相关的催化剂降级。大致均匀的RH轮廓也提供跨越燃料电池2的长度 的聚合物电解质膜12的大致均匀的膨胀。均匀的膜膨胀导致膜12中内 应力的减少，从而导致提高的燃料电池耐用性。此外，由于水合状态跨 越有效燃料电池区域更均匀，可以避免由扩散i某介或流场通道中液体水 积聚引起的潜在损坏局部条件。因而，令人惊奇地发现，具有分布传质 阻力的扩散媒介的使用优化燃料电池可靠性。 虽然为了图示说明本发明已经示出了某些代表性实施例和 细节，本领域技术人员应当清楚，可以进行各种变型而不偏离本发明的 范围，本发明的范围在以下所附权利要求书中进一步描述。
权利要求
1.一种用于优化具有空间变化传质阻力的燃料电池扩散媒介的方法，该方法包括步骤a)辨识i)车辆中燃料电池的多个操作条件，所述多个操作条件包括基准操作条件，ii)与燃料电池性能有关的至少一个燃料电池变量，和iii)该至少一个燃料电池变量的希望范围；b)确定燃料电池的至少一个基准变量轮廓；c)提供燃料电池扩散媒介的第一遍D/Deff轮廓；d)将所述第一遍D/Deff轮廓应用于具有所述基准变量轮廓的燃料电池的计算模型；e)计算所述第一遍D/Deff轮廓应用于所述计算模型产生的至少一个第一遍变量轮廓；f)将所述第一遍变量轮廓与所述变量的希望范围比较；g)如果所述第一遍变量不在所述希望范围内，精炼所述第一遍D/Deff轮廓，并重复步骤d)到f)直到所述第一遍变量轮廓在所述希望范围内，其中提供第二遍D/Deff轮廓；h)用所述第二遍D/Deff轮廓确定多个第二遍变量轮廓；i)比较具有所述第二遍变量轮廓和所述第一遍变量轮廓的燃料电池的相对性能；和j)如果具有所述第二遍变量轮廓的燃料电池的性能不如具有所述第一遍变量轮廓的燃料电池的性能理想，精炼所述第一遍D/Deff轮廓，且重复步骤d)到i)直到具有所述第二遍变量轮廓的燃料电池具有更优的燃料电池性能，其中提供用于燃料电池扩散媒介的有效D/Deff轮廓。
2. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，所述基准变量轮廓是 燃料电池变量跨越燃料电池的长度的空间变化，所述燃料电池在所述基 准操作条件下具有均匀的D/Deff轮廓。
3. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，所述基准变量轮廓在 所述基准操作条件下从采用大致均匀的D/Deff轮廓的燃料电池测量。
4. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，所述基准变量轮廓在 所述基准操作条件下从具有大致均匀的D/Deff轮廓的燃料电池的计算模型计算。
5. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，所述第二遍变量轮廓在所述多个操作条件下从将所述第二遍D/Deff轮廓应用于燃料电池的计 算模型获得。
6. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，所述第二遍变量轮廓 在所述多个操作条件下从采用第二遍D/Deff轮廓的燃料电池的测量获得。
7. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，用于车辆中的燃料电 池的所述多个操作条件代表车辆驾驶循环。
8. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，该至少一个燃料电池 变量包括相对湿度(RH)、电流密度(CD)、和高频电阻(HFR)。
9. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，该计算模型是多维燃 料电池模型。
10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，该计算模型采用计 算流体力学(CFD)代码。
11. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，步骤f)包括将具 有第一遍D/Deff轮廓的燃料电池的电压、相对湿度范围(RH咖x减去RHmin)、电流密度范围(CDmax减去CDmin)、和高频电阻范围(HFRmax 减去HFRmin)中的至少一个与希望的变量范围比较。
12. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，扩散媒介是气体扩 散媒介(GDM)、多微孔层(MPL)、和蒸汽阻挡层(VBL)中的至少 一个。
13. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，所述基准操作条件 为燃料电池处于大约80。C的操作温度、大约1.5bar的压力、大约25%的 进口相对湿度(RH)、和大约1.5/2的化学当量(A/C)。
14. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，有效D/Deff轮廓提供 跨越燃料电池的长度的大致均匀的相对湿度(RH)。
15. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，有效D/Deff轮廓提供 跨越燃料电池的长度的大致均匀的电流密度(CD)。
16. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，有效D/Deff轮廓提供 跨越燃料电池的长度的大致均匀的聚合物电解质膜的膨胀。
17. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，在燃料电池阴极侧 上具有有效D/Deff轮廓的扩散媒介在阴极进口部分处比燃料电池的阴极 出口部分处具有更大的D/Deff。
18. —种用于优化具有空间变化传质阻力的燃料电池扩散媒介的方 法，该方法包括步骤a) 辨识i)车辆中燃料电池的多个操作条件，所述多个操作条件 包括基准操作条件，ii)与燃料电池性能有关的至少一个燃料电池变量， 和iii)该至少一个燃料电池变量的希望范围；b) 确定燃料电池的至少一个基准变量轮廓；c )提供燃料电池扩散媒介的第 一遍D/Deff轮廓； d )将所述第 一遍D/Deff轮廓应用于具有所述基准变量轮廓的燃料电 池的计算模型；e )计算所述第 一遍D/Deff轮廓应用于所述计算模型产生的至少 一个 第一遍变量轮廓；f) 将所述第一遍变量轮廓与所述变量的希望范围比较；g) 如果所述第一遍变量不在所述希望范围内，精炼所述第一遍 D/Deff轮廓，并重复步骤d)到f)直到所述第一遍变量轮廓在所述希望 范围内，其中提供第二遍D/Deff轮廓；h) 用所述第二遍D/Deff轮廓计算多个第二遍变量轮廓；i )比较具有所述第二遍变量轮廓和所述第一遍变量轮廓的燃料电池 的相对性能；和j )如果具有所述第二遍变量轮廓的燃料电池的性能不如具有所迷第 一遍变量轮廓的燃料电池的性能理想，精炼所述第一遍D/Deff轮廓，且 重复步骤d)到i)直到具有所述第二遍变量轮廓的燃料电池具有更优的 燃料电池性能，其中提供用于燃料电池扩散媒介的有效D/Deff轮廓。
19. 一种用于优化具有空间变化传质阻力的燃料电池扩散媒介的方 法，该方法包括步骤a) 辨识i)车辆中燃料电池的多个操作条件，所述多个操作条件 包括基准操作条件，ii)与燃料电池性能有关的至少一个燃料电池变量， 和iii)该至少一个燃料电池变量的希望范围；b) 制备在基准操作条件下具有均匀D/Deff轮廓的燃料电池；c) 测量燃料电池的至少一个基准变量轮廓；d) 提供燃料电池扩散媒介的第一遍D/Deff轮廓；e )将所述第 一遍D/Deff轮廓应用于具有所述基准变量轮廓的燃料电 池计算模型； f) 计算所述第 一遍D/Deff轮廓应用于所述计算模型产生的至少 一个 第一遍变量轮廓；g) 将所述第一遍变量轮廓与所述变量的希望范围比较；h) 如果所述第一遍变量不在所述希望范围内，精炼所述笫一遍变 量，并重复步骤d)到g)直到所述第一遍变量轮廓在所述希望范围内， 其中提供第二遍D/Deff轮廓；i) 制备具有第二遍D/Deff轮廓的燃料电池；j )在所述多个操作条件下测量具有第二遍D/Deff轮廓的燃料电池的 多个第二遍变量轮廓；k)比较具有所述第二遍变量轮廓和所述第一遍变量轮廓的燃料电 池的相对性能；和1) 如果具有所述第二遍变量轮廓的燃料电池的性能不如具有所述 基准变量轮廓的燃料电池的性能理想，精炼所述第二遍变量轮廓，且重 复步骤d)到k)直到具有所述第二遍变量轮廓的燃料电池具有更优的性 能，其中提供用于燃料电池扩散媒介的有效D/Deff轮廓。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，制备燃料电池的 步骤包括调节跨越燃料电池长度的扩散媒介的厚度、孔隙率、孔尺寸、 和迂回度中的至少一个。
全文摘要
提供一种用于优化具有空间变化传质阻力的燃料电池扩散媒介的方法。该方法包括至少两遍，其中提供燃料电池扩散媒介的第一遍D/Deff轮廓，且将它应用于具有基准变量轮廓的燃料电池计算模型。根据所述第一遍D/Deff轮廓应用于所述计算模型的结果计算至少一个第一遍变量轮廓，且将所述第一遍变量轮廓与所述变量的希望范围比较。如果需要，精炼所述第一遍D/Deff轮廓，以提供第二遍D/Deff轮廓。确定具有从所述第二遍D/Deff轮廓应用获得的第二遍变量轮廓的燃料电池的相对性能。如果需要，精炼所述第二遍D/Deff轮廓，直到具有所述第二遍变量轮廓具有希望的性能。从而提供有效D/Deff轮廓。
文档编号H01M8/04GK101350422SQ20081013797
公开日2009年1月21日 申请日期2008年7月17日 优先权日2007年7月17日
发明者C·维塞尔, P·-Y·A·创, T·A·特拉博德, T·伯宁 申请人:通用汽车环球科技运作公司