专利名称：燃料电池的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及燃料电池。
背景技术：
图1以剖面形式示出了传统的燃料电池10的一部分。燃料电池10包括无孔板12、 与板12接触的气体扩散层14、与气体扩散层14接触的催化剂层16 (—起形成阳极)和与 催化剂层16接触的质子交换膜18。形成在板12中的通道20被构造成将诸如氢的气体引导到气体扩散层14。气体通 过气体扩散层(如箭头所示)扩散到催化剂层16。催化剂层16促进将氢分离为质子和电 子。质子通过膜18迁移。电子通过外部电路(未示出)行进。氧可以流向燃料电池10的阴极部分(未示出)。通过膜18迁移的质子与氧和从 外部电路返回的电子结合，从而形成水和热。图2以剖面形式示出了另一传统的燃料电池22的一部分。燃料电池22包括具有 相对表面26、28的波状无孔板24、与表面26的多个部分接触的接触板30、与表面28的多 个部分接触的气体扩散层32、与气体扩散层32接触的催化剂层34和与催化剂层34接触的 质子交换膜36。表面26的多个部分和板30限定出通道33，通道33被构造成引导冷却剂穿过燃料 电池22。表面28的多个部分和气体扩散层32限定出通道35，通道35被构造成将气体引 导到气体扩散层32。气体通过气体扩散层32 (如箭头所示)扩散到催化剂层34。
实用新型内容常规的燃料电池具有气体扩散层，气体扩散层会引入显著的欧姆电阻，具有低热 导率，并经受机械应力，然后反应物通常不得不在气体扩散层下方扩散，以到达负载位/电 流集流体下方的活性区域。这会限制通道和负载位/电流集流体宽度。本实用新型在于解 决上述技术问题。本实用新型的一个实施例提供了一种燃料电池，所述燃料电池包括板，具有形成 在所述板中的流场；催化剂层，与所述板接触；质子交换膜，与所述催化剂层接触。所述流 场被构造成贯穿所述板来分配气体。所述板被构造成允许所述气体从所述流场以对流传送 和扩散中的至少一种方式穿过所述板并到达所述催化剂层。所述流场可以包括多个通道，所述板还可以被构造成允许所述气体在所述通道之 间以对流传送和扩散中的至少一种方式运动。所述催化剂层中的至少一部分可以处于所述流场的通道内。所述板还可以被构造成吸收所述通道内的水滴。所述板可以包括多个负载区域，所述催化剂层与所述负载区域接触，所述板的接 近于所述负载区域的孔隙率可以小于所述板远离所述负载区域的孔隙率。所述板的孔隙率可以在0. 01至0. 99的范围内。[0014]所述板可以包括石墨、多孔碳和多孔金属中的至少一种。本实用新型的另一实施例提供了一种燃料电池，所述燃料电池包括板，至少部分 地限定出流场，所述流场被构造成贯穿所述板来分配气体；多孔基体，沉积在所述板上；催 化剂层，与所述多孔基体接触；质子交换膜，与所述催化剂层接触。所述多孔基体被构造成 允许所述气体从所述流场对流传送、穿过所述多孔基体并到达所述催化剂层。所述多孔基体可以包括石墨、多孔碳和多孔金属中的至少一种。所述多孔基体的厚度可以在IOym至2mm的范围内。所述多孔基体的孔隙率可以在0. 01至0. 99的范围内。所述板可以为波状。所述板可以是无孔的。所述板可以具有多个负载区域，所述多孔基体可以沉积在所述负载区域上。沉积在所述负载区域上的所述多孔基体的孔隙率可以小于沉积在所述板的其它 地方的所述多孔基体的孔隙率。本实用新型的又一实施例提供了一种燃料电池，所述燃料电池包括板系统，包括 多孔介质，所述多孔介质具有限定出多个通道的表面，所述多个通道被构造成贯穿所述板 系统来分配气体；催化剂层，与所述多孔介质接触。所述多孔介质被构造成允许所述气体 从所述通道运动、穿过所述多孔介质并到达所述催化剂层。所述板系统可以包括板和沉积在所述板上的多孔介质。所述板系统可以包括由所述多孔介质组成的板。所述板系统可以包括石墨、多孔碳和多孔金属中的至少一种。所述燃料电池还可以包括与所述催化剂层接触的质子交换膜。本实用新型具有以下优点(i)燃料电池内的改善的电导率和热导率；(ii)质子 至催化剂层的缩短的扩散路径；(iii)提高的电池结构稳定性；(iv)提高的反应物分配和 催化剂利用率；(ν)降低的制造成本和复杂度。虽然示出并公开了根据本实用新型的示例实施例，但是这样的公开内容不应当被 解释为限制本实用新型。在不脱离本实用新型的范围的情况下，预计可以做出各种修改和 可选的设计。
图1是传统的燃料电池的一部分的剖面端视图。图2是另一传统的燃料电池的一部分的剖面端视图。图3是燃料电池的实施例的一部分的剖面端视图。图4是燃料电池的另一实施例的一部分的剖面端视图。图5是燃料电池的再一实施例的一部分的剖面端视图。图6是基于几何负载区域的具有和不具有气体扩散层的阴极的示例极化曲线的 示图。图7是基于实际负载区域的具有和不具有气体扩散层的阴极的示例极化曲线的 示图。
具体实施方式
在特定的质子交换膜燃料电池中，阳极和阴极气体扩散层分别使氢和空气/氧到 达电极内的催化剂层。电子和热引导穿过气体扩散层，气体扩散层在催化剂层和冷却板/ 集流板之间形成连接。还可以经由气体扩散层去除水。气体扩散层(其通常由碳纤维或布制成)会引入显著的欧姆电阻，具有低热导率， 并经受机械应力。欧姆电阻会导致燃料电池电路内的电损失。低热导率会使得在燃料电池 内难于进行热管理。机械应力会改变气体扩散层的性能，例如孔隙率。另外，反应物通常 不得不在气体扩散层下方扩散，以到达负载位(landing) /电流集流体下方的活性区域。这 会限制通道和负载位/电流集流体宽度。这里描述的燃料电池的特定实施例缺少气体扩散层。取而代之的是，形成在多孔 材料中的流场负载催化剂层和/或管理水。可以产生若干优点(i)燃料电池内的改善的 电导率和热导率，与基于碳的气体扩散层相比，多孔金属/石墨等能够更好地传导电和热， 由此减小了欧姆电阻并提高了热管理；(ii)质子至催化剂层的缩短的扩散路径，通过去除 气体扩散层，可以缩短质子行进以到达活性区域的路径，因此，由于质子/离子的流动，减 小了质量传输限制；(iii)提高的电池结构稳定性，具有刚性结构和高抗拉强度及压缩应 力，多孔电极可以由金属或其它材料制成，以保持它们的多孔结构，而不用顾及它们在安装 和操作期间经受的机械应力；(iv)提高的反应物分配和催化剂利用率，因为反应物可以不 再需要扩散穿过气体扩散层以到达负载位下方的活性区域，所以负载区域(landing area) 可以被制得更大，从而可以负载更多的催化剂；(ν)降低的制造成本和复杂度，去掉气体扩 散层减少了要购买和装配的部件的数量。现在参照图3，燃料电池38的实施例包括具有负载区域41的多孔板40 (石墨、多 孔碳、多孔金属等)、与负载区域41接触的催化剂层42和与催化剂层42接触的质子交换膜 45。无孔覆层、层、涂层46等(例如，金属板、导电胶等)可以应用于板40的外表面。形成在板40 (限定出流场)中的通道44被构造成将诸如氢或空气的气体引导穿 过板40。在图3的实施例中，通道44的截面为矩形，并且通道44形成穿过板40的蜿蜒通 路。在其它实施例中，通道44的截面可以采用任何适当的形状，并且通道44可以形成穿过 板40的互相交叉的、非互相交叉的、不规则的、直流的等等的通路。板40的多孔性使得通道44中的气体通过对流传送和/或扩散穿过板以到达催化 剂层42 (如箭头所示)，并且还在通道44之间通过对流传送和/或扩散。(在本领域中已 知的是，压力梯度驱动对流，而浓度梯度驱动扩散。)板40的孔隙率可以为0.01至0. 99的 范围，并且不需要是均勻的。例如，板40的靠近负载区域41的孔隙率可以小于其它地方的 孔隙率。板40的曲率可以至少为1。给定的燃料电池设计的最佳板孔隙率(分配)和曲率 可以基于测试、模拟等来确定。因为板40 (代替气体扩散层)向催化剂层42分配反应物，尺寸相对大的通道不是 必需的。因此，可以实现更小的通道和更大的负载/集流区域。例如，在一些构造中，负载 区域可以增加两倍(或更多)。另外，因为多孔板40可以吸收形成的任何水滴，所以这些较 小的通道可以保持免于溢流。现在参照图4，燃料电池46的另一实施例包括多孔板48，具有形成在多孔板48 中的负载区域49和通道50 ；催化剂层52，沉积在负载区域49上和通道50内；质子交换膜54，与催化剂层52接触。在另一实施例中，通道50的一部分/全部可以完全地形成在板48 内。即，对于具有矩形截面的通道，通道的所有四个壁可以由板48的表面限定。其它构造 也是可以的。在其它实施例中，只有通道50的部分可以具有沉积在其上的催化剂层52。另外， 催化剂层52的部分(例如，沉积在通道50内的催化剂层5 可以含有离子交联聚合物，从 而有助于质子传递到膜M和从膜M进行传递。现在参照图5，燃料电池56的再一实施例包括具有相对表面60、62的波状无孔板 58、与表面60的多个部分接触的接触板64、沉积在表面62上的多孔基体/涂层66 (例如， 石墨、多孔碳、导电塑料等)、与多孔涂层66的多个部分接触的催化剂层68和与催化剂层 68接触的质子交换膜70。表面60的多个部分和板64限定出通道72，通道72被构造成将冷却剂引导穿过 燃料电池56。多孔涂层66的多个部分和膜70限定出通道74，通道74被构造成将气体引 导穿过燃料电池56。气体可以通过对流传送(和扩散)穿过多孔涂层66，以到达催化剂层 68。在图5的实施例中，多孔涂层66的厚度为120 μ m。当然，多孔涂层66可以具有任 何适当的厚度(例如，厚度范围为10 μ m至2mm等等)。多孔涂层66的孔隙率可以为0. 01 至0.99的范围。多孔涂层66的曲率可以至少为1。给定的燃料电池设计的最佳涂层厚度、 孔隙率和曲率可以基于测试、模拟等来确定。在其它实施例中，可以将不同的涂层应用于表面62的不同部分。举例而言，可以 将孔隙率相对低的涂层应用于表面62的相邻于催化剂层68的那些部分(即，负载区域)， 而可以将孔隙率相对高的涂层应用于表面62的限定出通道74的那些部分。这种构造可以 提高负载区域处的电流收集。其它构造也是可以的。例如，可以仅将多孔涂层66应用于表 面62的特定部分(例如，相邻于催化剂层68的那些部分)。实验分析燃料电池的阳极侧部分由可商购得到的具有5cm2活性面积的蜿蜒流场、具有5g Pt/m2的12-W系列的气体扩散电极和Nafion 117膜装配而成。燃料电池的阴极侧部分为两种类型具有传统的气体扩散层和催化剂层的传统的 无孔板，以及具有直接负载在石墨板的负载区域上的催化剂层的多孔石墨板。石墨板具有 1.9英寸X1.9英寸X3/8英寸的尺寸，并且总孔隙率为61%且开孔率为95%。重复制得 阳极侧板的蜿蜒流场，并加工成阴极侧板。制备具有150mg的40% Pt/C和1200mg的5% Nafion溶液的组合的催化剂墨，并 进行超声处理，以确保更好的分散。通过在负载区域上刷涂/喷涂墨或者将板浸渍到墨容 器中来将墨涂覆到多孔板。将多孔板上的墨在通风厨下放置M小时至干燥。通过在IOOOsccm空气/300sccm氢和100% RH的情况下以0. 2V使燃料电池经受 70°C达M小时来组装并预处理燃料电池。多孔板的有效集流区域显著地小于传统的无孔板的集流面区域。为了计算该差 值，使用板孔隙率来使活性区域标准化。现在参照图6，对于以下两种燃料电池绘出了基于几何负载区域的示例极化曲线 (i)具有阴极侧多孔石墨板且缺少气体扩散层的燃料电池；(ii)具有阴极侧传统无孔板且具有气体扩散层的燃料电池。具有阴极侧多孔板且缺少气体扩散层的燃料电池不包括不渗 透性覆层，例如参照图3示出的覆层46。这样，在提供这种覆层的情况下，将预期获得更好 的性能。现在参照图7，为图6的燃料电池绘出了基于实际负载区域的示例极化曲线。与具 有阴极侧传统无孔板且具有气体扩散层的燃料电池相比，具有阴极侧多孔板且缺少气体扩 散层的燃料电池似乎展现出更好的性能。虽然已经示出并描述了本实用新型的实施例，但是这些实施例并不旨在示出并描 述本实用新型的所有可能的形式。在说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语， 应当理解，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以做出各种改变。
权利要求1.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括板，具有形成在所述板中的流场，其中，所述流场被构造成贯穿所述板来分配气体；催化剂层，与所述板接触，其中，所述板被构造成允许所述气体从所述流场以对流传送 和扩散中的至少一种方式穿过所述板并到达所述催化剂层；质子交换膜，与所述催化剂层接触。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述流场包括多个通道，其中，所述 板还被构造成允许所述气体在所述通道之间以对流传送和扩散中的至少一种方式运动。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述催化剂层中的至少一部分处于 所述流场的通道内。
4.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述板包括多个负载区域，其中，所 述催化剂层与所述负载区域接触，所述板的接近于所述负载区域的孔隙率小于所述板远离 所述负载区域的孔隙率。
5.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述板的孔隙率在0.01至0. 99的范 围内。
6.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括板，至少部分地限定出流场，所述流场被构造成贯穿所述板来分配气体；多孔基体，沉积在所述板上；催化剂层，与所述多孔基体接触，其中，所述多孔基体被构造成允许所述气体从所述流 场对流传送、穿过所述多孔基体并到达所述催化剂层；质子交换膜，与所述催化剂层接触。
7.根据权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，所述多孔基体的厚度在10μ m至2mm 的范围内。
8.根据权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，所述多孔基体的孔隙率在0.01至 0. 99的范围内。
9.根据权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，所述板为波状。
10.根据权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，所述板是无孔的。
11.根据权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，所述板具有多个负载区域，其中， 所述多孔基体沉积在所述负载区域上。
12.根据权利要求11所述的燃料电池，其特征在于，沉积在所述负载区域上的所述多 孔基体的孔隙率小于沉积在所述板的其它地方的所述多孔基体的孔隙率。
13.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括板系统，包括多孔介质，所述多孔介质具有限定出多个通道的表面，所述多个通道被构 造成贯穿所述板系统来分配气体；催化剂层，与所述多孔介质接触，所述多孔介质被构造成允许所述气体从所述通道运 动、穿过所述多孔介质并到达所述催化剂层。
14.根据权利要求13所述的燃料电池，其特征在于，所述板系统包括板和沉积在所述 板上的多孔介质。
15.根据权利要求13所述的燃料电池，其特征在于，所述板系统包括由所述多孔介质 组成的板。
16.根据权利要求13所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池还包括与所述催化 剂层接触的质子交换膜。
专利摘要本实用新型提供了一种燃料电池，所述燃料电池包括板系统，包括多孔介质，所述多孔介质具有限定出多个通道的表面，所述多个通道被构造成贯穿所述板系统来分配气体；催化剂层，与所述多孔介质接触。所述多孔介质被构造成允许所述气体从所述通道运动、穿过所述多孔介质并到达所述催化剂层。本实用新型具有提高的电池结构稳定性、提高的反应物分配和催化剂利用率，并降低了制造成本和复杂度。
文档编号H01M8/02GK201898173SQ20102053473
公开日2011年7月13日 申请日期2010年9月15日 优先权日2009年9月17日
发明者阿里瑞扎·佩支曼·施凡尼亚 申请人:福特汽车公司