质子交换膜燃料电池的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种质子交换膜燃料电池及其设计方法。本发明描述了设计包括气体扩散层的质子交换膜燃料电池的方法。该方法包括：使用质子交换膜燃料电池的模型确定燃料电池的性能，其中模型基于燃料电池的多个参数，多个参数包括气体扩散层的各向异性性质中的至少一个，调整多个参数中的至少一个；确定调整步骤是否改善燃料电池的性能，并通过选择提供改善的性能的参数设计燃料电池。还描述了质子交换膜燃料电池包括气体扩散层，具有多个参数的质子交换膜燃料电池，其中，选择参数以提供遍及气体扩散层的基本上均匀的温度分布。
【专利说明】质子交换膜燃料电池
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种质子交换膜燃料电池及其设计方法。
【背景技术】
[0002]质子交换膜(PEM)燃料电池由于其低的操作温度而可以快速启动，这使得它们适合用于便携设备中。操作PEM燃料电池时，需要考虑的最重要的问题之一是热管理，以保持燃料电池组件内部温度分布尽可能均匀，否则燃料电池可能会由于膜的脱水而遭遇热故障。这需要调查有效热导率，一个重要的组成是具有各向异性的多孔介质的热导率。
[0003]最近，研究者们对GDLs的各向异性性质对PEM燃料电池的性能的作用表现出越来越多的兴趣[1-5]。Khandelwal和Mench[6]报道了 SIGRACET的贯通面热导率(through-plane thermal conductivity)为 0.22±0.04W/ (m.K)，而 Toray 报道的数据是1.8±0.27W/(m.K)。Ramousse等[7]报道了在不同压力下⑶L的贯通面热导率，获得了在4.6和13.9bar的压力下的数值分别为0.2和0.27W/ (m.K)。然而，Karimi [8]发现在0.7和13.Sbar的压力下的贯通面热导率值分别为0.2到0.7ff/(m.K)。从这些结果可以看出，⑶Ls的热传导率因⑶L的不同而存在显著的差异。为了研究⑶L的热传导率的作用，已经进行了许多数值研究。然而，大多数的PEM燃料电池模型都假定GDLs是由各向同性材料构成。
[0004]Pharaoah和Burheim [9]开发了二维模型来研究PEM燃料电池内的温度分布。⑶L的导热率的作用和在水相中的变化，导致在阴极侧比在阳极侧的温度高。Zamel等[10]数值估计了碳纸(carbon paper)的平面(in-plane)热导率和贯通面热导率,该碳纸通常用作PEM燃料电池中的气体扩散层。GDL的热导率对碳纸的孔隙度敏感。随着碳纸孔隙率的降低，发现碳纸的导热率增加，同时平面热导率比贯通面热导率高得多。Burlatsky等[11]开发了数学模型来研究PEM燃料电池中脱水的情形。水的转运依赖于GDL的热导率和水的扩散系数。He等[12]研究了 GDL的热导率对PEM燃料电池内的温度分布的作用。他们的研究结果表明，GDL的各向异性热导率导致比对于各向同性的GDL更高的温度梯度，这导致在各向异性情况下，含水饱和度下降。根据Ju Hyunchul [24],当使用各向异性GDL时比使用各向同性GDL，Pffl燃料电池内的温差更大。此外，各向同性的GDLs比各向异性的气体扩散层获得更均匀的电流密度。
[0005]然而，到目前为止，还没有研究人员用实验数据证明他们的模型结果。
[0006]特拉华大学的美国专利7785748B2公开了用于制备纳米多孔气体扩散介质的新方法，其组合物和包括其的装置。公开了一种多孔金属气体扩散层。据说，其公开的纳米多孔扩散介质显示出优良的电和热传导性。
【发明内容】
[0007]根据本发明的第一个方面，提供了一种设计包括气体扩散层的质子交换膜燃料电池的方法，该方法包括:[0008]使用质子交换膜燃料电池的模型来确定所述燃料电池的性能，其中所述模型基于燃料电池的多个参数，所述多个参数包括气体扩散层的各向异性性质中的至少一个，
[0009]调整所述多个参数中的至少一个；
[0010]确定所述调整步骤是否改善所述燃料电池的性能，以及
[0011]通过选择提供改善性能的所述参数设计所述燃料电池。
[0012]使用所述模型确定性能可以包括确定燃料电池的温度分布、含水饱和度、和/或电流密度的一个或多个。可以通过提供遍及气体扩散层的更均匀的温度分布改善性能。可以通过最大化燃料电池的含水饱和度，例如在气体扩散层和催化剂层之间的界面，改善性倉泛。
[0013]所述燃料电池优选包括通过膜相连的阳极和阴极。该模型可以包括在燃料电池内界定的多个区域。所述多个区域可以包括集电器(current collector)、通道、气体扩散层、催化剂层和所述膜中的一个或多个。将每个所述阳极和所述阴极可以界定为分离的区域。每个所述区域可以被划分成多个单元，从而可以改善计算时间。
[0014]该方法可以进一步包括使燃料电池为所述设计从而可以用实验数据验证所述结
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[0015]多个参数可以包括气体扩散层(GDL)的材料。例如，可以用金属基GDL替换传统的碳纤维基GDL，所述金属基GDL的热和电传导率比传统GDL的热和电传导率显著更高。例如，铜和铝的热导率分别大约为400和240W/(m.K)。
[0016]各向异性性质可以包括气体扩散层的导电率、热导率、和/或渗透性中的一个或多个。包括这样的性质会加强数学模型的预测性。
[0017]热导率可以包括平面热导率和/或贯通面热导率。可以调节所述平面热导率为至少IW(m.K)、至少1W(m.K)、至少20W(m.K)或至少100W(m.K)。调节所述平面热导率的同时，贯通面热导率可以保持恒定，例如在IW(m.K)。可以调节所述贯通面热导率为至少0.1ff (m.K)、至少lW(m.K)、或至少10W(m.K)。调节所述贯通面热导率的同时，平面热导率可以保持恒定，例如在1W (m.K)。所述平面热导率和所述贯通面热导率的比例可以为10:1。
[0018]分别调节平面热导率和贯通面热导率，允许模型考虑到气体扩散层的各向异性的热导率。可以应用类似的方法到导电性和/或透气性。
[0019]值得注意的是，当GDL热导率增大，热耗散的速率也会增加，因此，温度分布变得更加均匀且最高温度降低。作为在催化剂层发生放热电化学反应的结果，主要产生热量。
[0020]根据本发明的另一方面，提供了一种包括气体扩散层的质子交换膜燃料电池，所述质子交换膜燃料电池具有多个参数，其中，选择所述参数以提供遍及所述气体扩散层基本上均匀的温度分布。
[0021]所述参数可以包括气体扩散层的热导率。包括气体扩散层的平面热导率和/或贯通面热导率的所述热导率可以为基本上各向同性。
[0022]所述气体扩散层可以具有至少1W/ (m.K)或者至少10W/ (m.K)的平面热导率。所述气体扩散层的贯通面热导率可以为至少IW/(m.K)或至少1W/(m.K)。所述气体扩散层可以具有至少1W/(m.K)的平面热导率和至少为IW/(m.K)的贯通面热导率。
[0023]根据本发明的另一个方面，提供了一种燃料电池，所述燃料电池包括具有气体扩散层的质子交换膜，其中，所述气体扩散层的热导率为基本上各向同性。[0024]根据本发明的另一个方面，提供了一种燃料电池，所述燃料电池包括具有气体扩散层的质子交换膜，其中，所述气体扩散层的平面热导率为基本上各向同性。
[0025]根据本发明的另一个方面，提供了一种燃料电池，所述燃料电池包括具有气体扩散层的质子交换膜，其中，所述气体扩散层的贯通面热导率为基本上各向同性。
[0026]根据本发明的另一个方面，提供了一种燃料电池，所述燃料电池包括具有气体扩散层的质子交换膜，其中，所述气体扩散层具有至少1W/(m.K)的平面热导率。
[0027]所述气体扩散层的平面热导率可以为至少10W/(m.K)，或至少200W/(m.K)或至少 400W/ (m.K)。
[0028]所述气体扩散层的平面热导率可以为至少IW/(m.K)或至少1W/(m.K)。
[0029]根据本发明的另一个方面，提供了一种燃料电池，所述燃料电池包括具有气体扩散层的质子交换膜，其中，所述气体扩散层具有至少1W/(m.K)的平面热导率和至少为IW/(m.K)的贯通面热导率。
[0030]所述气体扩散层可以为金属。
[0031]根据本发明的另一个方面，提供了一种具有气体扩散层的燃料电池质子交换膜。根据本发明的另一个方面，提供了一种燃料电池质子交换膜气体扩散层。
[0032]根据本发明的另一个方面，提供了一种制造包括具有气体扩散层的质子交换膜的燃料电池的方法，该方法包括安排气体扩散层的热导率在平面和/或贯通面方向上为基本上各向同性的步骤。
[0033]本发明还进一步提供了实施上述系统和方法的处理器控制代码，例如，在通用计算机系统上或在数字信号处理器(DSP)上。在物理数据载体，例如硬盘、⑶-ROM或DVD-ROM、如非易失性存储器(例如闪存)的编程的存储器或只读存储器(固件)上提供所述代码。实施本发明【具体实施方式】的代码(和/或数据)可以包括以传统编程语言(解释或编辑)例如C或汇编码形式的源代码、目标代码或执行代码。本领域技术人员将理解这样的代码和/或数据可以在多个成对的组件之间分配以相互通信。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]本发明通过示例的方式图解说明，在附图中，其中:
[0035]图1是PEM燃料电池在其计算区域内的示意图；
[0036]图2显示极化曲线，即电压随电流密度的变化，针对三个每个有不同平面热导率的理论燃料电池与实验数据的对比；
[0037]图3是针对图2的三个不同燃料电池显示四个温度下功率密度上变化的曲线图；
[0038]图4a到4c显示针对三个不同燃料电池，在阴极⑶L内的温度⑷分布上的变动；
[0039]图5a到5c显示针对三个不同燃料电池，在阴极⑶L和阴极催化剂层之间的界面处的含水饱和度的变动；
[0040]图6显示极化曲线，即电压随电流密度的变化，针对三个每个有不同贯通面热导率的理论燃料电池与实验数据的对比；
[0041]图7是针对图6的三个不同燃料电池显示四个温度下功率密度上变化的曲线图；
[0042]图8a到8c显示针对图6的三个不同燃料电池的阴极⑶L内的温度⑷分布上的
变动；[0043]图9a到9c显示针对图6的三个不同燃料电池，在阴极⑶L和阴极催化剂层之间的界面处的含水饱和度的变动；
[0044]图1Oa至1c显示针对三个具有不同平面热导率的理论燃料电池，在PEM燃料电池内温度⑷分布上的变动；以及
[0045]图11显示极化曲线，即电压随电流密度的变化，针对图1Oa的三个燃料电池与实验数据的对比。
[0046]附图的详细描述
[0047]气体扩散层(⑶Ls)是质子交换膜(PEM)燃料电池的主要部件之一。质子交换膜(PEM)燃料电池由于其高效率、快速启动和低操作温度而成为最流行类型的燃料电池。为了得到在PEM燃料电池中有效的热和水的管理，应确定多孔介质的热导率。另外，气体扩散层(GDLs)的热导率具有各向异性，例如导电性和透气性。然而，大多数的PEM燃料电池模型都假定气体扩散层包括各向同性材料。
[0048]如下面更详细描述的，数值研究了在不同的操作温度下的GDL的各向异性的热导率的作用。结果发现，具有现实的热导率值的数值模型的输出与实验数据很好地吻合。此外，研究了平面和贯通面方向上PEM燃料电池性能对GDL的热导率的灵敏度，并且比较了介于不同GDL热导率之间的温度分布。结果表明，提高GDL的平面和贯通面热导率显著提高了 PEM燃料电池 的功率密度。而且，温度梯度显示出对GDL的平面热导率更大的灵敏度，与对贯通面热导率的相反。总之，评估了各向异性的GDLs对温度分布和电流密度的作用，结果用实验数据进行了验证。
【具体实施方式】
[0049]在这项研究中，以下列假设开发三维(3-D)多相模型:
[0050].流体流被假定为层流，因为入口速度很低；
[0051].该反应为稳态条件下；以及
[0052].假定反应气体为理想气体。
[0053]控制方程
[0054]基本上，燃料电池中的流体流动由下面的方程式控制[13]:
[0055]质量守恒:
【权利要求】
1.一种设计包括气体扩散层的质子交换膜燃料电池的方法，该方法包括: 使用质子交换膜燃料电池的模型确定所述燃料电池的性能，其中所述模型基于燃料电池的多个参数，所述多个参数包括气体扩散层的各向异性性质中的至少一个， 调整所述多个参数中的至少一个； 确定所述调整步骤是否改善所述燃料电池的性能，以及 通过选择提供改善性能的所述参数设计所述燃料电池。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，使用所述模型通过确定燃料电池的温度分布、含水饱和度、和/或电流密度中的一个或多个确定性能。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，通过提供遍及气体扩散层的更均匀的温度分布改善所述性能。
4.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述模型包括在所述燃料电池内界定的多个区域。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述多个区域包括集电器、通道、气体扩散层、催化剂层和所述膜中的一个或多个。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述燃料电池包括阳极和阴极，并且其中将每个所述阳极和所述阴极界 定为分离的区域。
7.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述方法包括使燃料电池为所述设计从而用实验数据验证所述模型的性能。
8.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述多个参数包括气体扩散层(GDL)的材料。
9.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述各向异性性质包括气体扩散层的导电率、热导率、和/或渗透性中的一个或多个。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述热导率包括平面热导率和/或贯通面热导率。
11.一种质子交换膜燃料电池，该质子交换膜燃料电池包括气体扩散层，所述质子交换膜燃料电池具有多个参数，其中，选择所述参数以提供遍及所述气体扩散层的基本上均匀的温度分布。
12.根据权利要求11所述的燃料电池，其中，所述参数包括气体扩散层的热导率，包括气体扩散层的平面热导率和/或贯通面热导率的所述气体扩散层的热导率为基本上各向同性。
13.根据权利要求12所述的燃料电池，其中，气体扩散具有至少1W/(m.K)，或者至少10W/(m.K)的平面热导率。
14.根据权利要求11或12所述的燃料电池，其中，气体扩散具有至少IW/(m.K)或者至少1W/(m.K)的气体扩散层的贯通面热导率。
15.根据权利要求11-14中任意一项所述的燃料电池，其中，所述气体扩散层具有至少1W/(m.K)的平面热导率和至少IW/(m.K)的贯通面热导率。
16.一种燃料电池，所述燃料电池包括具有气体扩散层的质子交换膜，其中，所述气体扩散层的热导率为基本上各向同性。
17.一种燃料电池，所述燃料电池包括具有气体扩散层的质子交换膜，其中，所述气体扩散层的平面热导率为基本上各向同性。
18.一种燃料电池，所述燃料电池包括具有气体扩散层的质子交换膜，其中，所述气体扩散层的贯通面热导率为基本上各向同性。
19.一种燃料电池，所述燃料电池包括具有气体扩散层的质子交换膜，其中，所述气体扩散层具有至少1W/(m.K)的平面热导率。
20.根据权利要求19所述的燃料电池，其中，所述气体扩散层的平面热导率为至少10W/ (m.K)。
21.根据权利要求20所述的燃料电池，其中，所述气体扩散层的平面热导率为至少200W/ (m.K)。
22.根据权利要求21所述的燃料电池，其中，所述气体扩散层的平面热导率为至少400W/ (m.K)。
23.一种燃料电池，所述燃料电池包括具有气体扩散层的质子交换膜，其中，所述气体扩散层的贯通面热导率为至少IW/(m.K)。
24.一种燃料电池，所述燃料电池包括具有气体扩散层的质子交换膜，其中，所述气体扩散层的贯通面热导率为至少1W/(m.K)。
25.一种燃料电池，所述燃料电池包括具有气体扩散层的质子交换膜，其中，所述气体扩散层具有至少1W/(m.K)的平面热导率和至少IW/(m.K)的贯通面热导率。
26.根据前述权利要求中任意一项所述的燃料电池，其中，所述气体扩散层为金属。
27.一种具有气体扩散层的燃料电池质子交换膜，所述气体扩散层基本上为任意一项前述权利要求的气体扩散层。
28.一种燃料电池质子交换膜气体扩散层，所述气体扩散层实质上为任意一项前述权利要求的气体扩散层。
29.一种制造包括具有气体扩散层的质子交换膜的燃料电池的方法，该方法包括安排气体扩散层的热导率在平面和/或贯通面方向上为基本上各向同性的步骤。
【文档编号】H01M8/04GK104040772SQ201280061885
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2012年12月7日 优先权日:2011年12月13日
【发明者】N·E·艾尔哈兹米, D·B·英厄姆, M·S·伊斯梅尔, K·J·休斯, L·马, M·普尔卡沙尼安 申请人:利兹大学