質(zhì)子交換膜燃料電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池及其設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明描述了設(shè)計(jì)包括氣體擴(kuò)散層的質(zhì)子交換膜燃料電池的方法。該方法包括：使用質(zhì)子交換膜燃料電池的模型確定燃料電池的性能，其中模型基于燃料電池的多個參數(shù)，多個參數(shù)包括氣體擴(kuò)散層的各向異性性質(zhì)中的至少一個，調(diào)整多個參數(shù)中的至少一個；確定調(diào)整步驟是否改善燃料電池的性能，并通過選擇提供改善的性能的參數(shù)設(shè)計(jì)燃料電池。還描述了質(zhì)子交換膜燃料電池包括氣體擴(kuò)散層，具有多個參數(shù)的質(zhì)子交換膜燃料電池，其中，選擇參數(shù)以提供遍及氣體擴(kuò)散層的基本上均勻的溫度分布。
【專利說明】質(zhì)子交換膜燃料電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池及其設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池由于其低的操作溫度而可以快速啟動，這使得它們適合用于便攜設(shè)備中。操作PEM燃料電池時，需要考慮的最重要的問題之一是熱管理，以保持燃料電池組件內(nèi)部溫度分布盡可能均勻，否則燃料電池可能會由于膜的脫水而遭遇熱故障。這需要調(diào)查有效熱導(dǎo)率，一個重要的組成是具有各向異性的多孔介質(zhì)的熱導(dǎo)率。
[0003]最近，研究者們對GDLs的各向異性性質(zhì)對PEM燃料電池的性能的作用表現(xiàn)出越來越多的興趣[1-5]。Khandelwal和Mench[6]報道了 SIGRACET的貫通面熱導(dǎo)率(through-plane thermal conductivity)為 0.22±0.04W/ (m.K)，而 Toray 報道的數(shù)據(jù)是1.8±0.27W/(m.K)。Ramousse等[7]報道了在不同壓力下⑶L的貫通面熱導(dǎo)率，獲得了在4.6和13.9bar的壓力下的數(shù)值分別為0.2和0.27W/ (m.K)。然而，Karimi [8]發(fā)現(xiàn)在0.7和13.Sbar的壓力下的貫通面熱導(dǎo)率值分別為0.2到0.7ff/(m.K)。從這些結(jié)果可以看出，⑶Ls的熱傳導(dǎo)率因⑶L的不同而存在顯著的差異。為了研究⑶L的熱傳導(dǎo)率的作用，已經(jīng)進(jìn)行了許多數(shù)值研究。然而，大多數(shù)的PEM燃料電池模型都假定GDLs是由各向同性材料構(gòu)成。
[0004]Pharaoah和Burheim [9]開發(fā)了二維模型來研究PEM燃料電池內(nèi)的溫度分布。⑶L的導(dǎo)熱率的作用和在水相中的變化，導(dǎo)致在陰極側(cè)比在陽極側(cè)的溫度高。Zamel等[10]數(shù)值估計(jì)了碳紙(carbon paper)的平面(in-plane)熱導(dǎo)率和貫通面熱導(dǎo)率,該碳紙通常用作PEM燃料電池中的氣體擴(kuò)散層。GDL的熱導(dǎo)率對碳紙的孔隙度敏感。隨著碳紙孔隙率的降低，發(fā)現(xiàn)碳紙的導(dǎo)熱率增加，同時平面熱導(dǎo)率比貫通面熱導(dǎo)率高得多。Burlatsky等[11]開發(fā)了數(shù)學(xué)模型來研究PEM燃料電池中脫水的情形。水的轉(zhuǎn)運(yùn)依賴于GDL的熱導(dǎo)率和水的擴(kuò)散系數(shù)。He等[12]研究了 GDL的熱導(dǎo)率對PEM燃料電池內(nèi)的溫度分布的作用。他們的研究結(jié)果表明，GDL的各向異性熱導(dǎo)率導(dǎo)致比對于各向同性的GDL更高的溫度梯度，這導(dǎo)致在各向異性情況下，含水飽和度下降。根據(jù)Ju Hyunchul [24],當(dāng)使用各向異性GDL時比使用各向同性GDL，Pffl燃料電池內(nèi)的溫差更大。此外，各向同性的GDLs比各向異性的氣體擴(kuò)散層獲得更均勻的電流密度。
[0005]然而，到目前為止，還沒有研究人員用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明他們的模型結(jié)果。
[0006]特拉華大學(xué)的美國專利7785748B2公開了用于制備納米多孔氣體擴(kuò)散介質(zhì)的新方法，其組合物和包括其的裝置。公開了一種多孔金屬氣體擴(kuò)散層。據(jù)說，其公開的納米多孔擴(kuò)散介質(zhì)顯示出優(yōu)良的電和熱傳導(dǎo)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供了一種設(shè)計(jì)包括氣體擴(kuò)散層的質(zhì)子交換膜燃料電池的方法，該方法包括:[0008]使用質(zhì)子交換膜燃料電池的模型來確定所述燃料電池的性能，其中所述模型基于燃料電池的多個參數(shù)，所述多個參數(shù)包括氣體擴(kuò)散層的各向異性性質(zhì)中的至少一個，
[0009]調(diào)整所述多個參數(shù)中的至少一個；
[0010]確定所述調(diào)整步驟是否改善所述燃料電池的性能，以及
[0011]通過選擇提供改善性能的所述參數(shù)設(shè)計(jì)所述燃料電池。
[0012]使用所述模型確定性能可以包括確定燃料電池的溫度分布、含水飽和度、和/或電流密度的一個或多個?？梢酝ㄟ^提供遍及氣體擴(kuò)散層的更均勻的溫度分布改善性能?？梢酝ㄟ^最大化燃料電池的含水飽和度，例如在氣體擴(kuò)散層和催化劑層之間的界面，改善性倉泛。
[0013]所述燃料電池優(yōu)選包括通過膜相連的陽極和陰極。該模型可以包括在燃料電池內(nèi)界定的多個區(qū)域。所述多個區(qū)域可以包括集電器(current collector)、通道、氣體擴(kuò)散層、催化劑層和所述膜中的一個或多個。將每個所述陽極和所述陰極可以界定為分離的區(qū)域。每個所述區(qū)域可以被劃分成多個單元，從而可以改善計(jì)算時間。
[0014]該方法可以進(jìn)一步包括使燃料電池為所述設(shè)計(jì)從而可以用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證所述結(jié)
果O
[0015]多個參數(shù)可以包括氣體擴(kuò)散層(GDL)的材料。例如，可以用金屬基GDL替換傳統(tǒng)的碳纖維基GDL，所述金屬基GDL的熱和電傳導(dǎo)率比傳統(tǒng)GDL的熱和電傳導(dǎo)率顯著更高。例如，銅和鋁的熱導(dǎo)率分別大約為400和240W/(m.K)。
[0016]各向異性性質(zhì)可以包括氣體擴(kuò)散層的導(dǎo)電率、熱導(dǎo)率、和/或滲透性中的一個或多個。包括這樣的性質(zhì)會加強(qiáng)數(shù)學(xué)模型的預(yù)測性。
[0017]熱導(dǎo)率可以包括平面熱導(dǎo)率和/或貫通面熱導(dǎo)率?？梢哉{(diào)節(jié)所述平面熱導(dǎo)率為至少IW(m.K)、至少1W(m.K)、至少20W(m.K)或至少100W(m.K)。調(diào)節(jié)所述平面熱導(dǎo)率的同時，貫通面熱導(dǎo)率可以保持恒定，例如在IW(m.K)?？梢哉{(diào)節(jié)所述貫通面熱導(dǎo)率為至少0.1ff (m.K)、至少lW(m.K)、或至少10W(m.K)。調(diào)節(jié)所述貫通面熱導(dǎo)率的同時，平面熱導(dǎo)率可以保持恒定，例如在1W (m.K)。所述平面熱導(dǎo)率和所述貫通面熱導(dǎo)率的比例可以為10:1。
[0018]分別調(diào)節(jié)平面熱導(dǎo)率和貫通面熱導(dǎo)率，允許模型考慮到氣體擴(kuò)散層的各向異性的熱導(dǎo)率?？梢詰?yīng)用類似的方法到導(dǎo)電性和/或透氣性。
[0019]值得注意的是，當(dāng)GDL熱導(dǎo)率增大，熱耗散的速率也會增加，因此，溫度分布變得更加均勻且最高溫度降低。作為在催化劑層發(fā)生放熱電化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，主要產(chǎn)生熱量。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種包括氣體擴(kuò)散層的質(zhì)子交換膜燃料電池，所述質(zhì)子交換膜燃料電池具有多個參數(shù)，其中，選擇所述參數(shù)以提供遍及所述氣體擴(kuò)散層基本上均勻的溫度分布。
[0021]所述參數(shù)可以包括氣體擴(kuò)散層的熱導(dǎo)率。包括氣體擴(kuò)散層的平面熱導(dǎo)率和/或貫通面熱導(dǎo)率的所述熱導(dǎo)率可以為基本上各向同性。
[0022]所述氣體擴(kuò)散層可以具有至少1W/ (m.K)或者至少10W/ (m.K)的平面熱導(dǎo)率。所述氣體擴(kuò)散層的貫通面熱導(dǎo)率可以為至少IW/(m.K)或至少1W/(m.K)。所述氣體擴(kuò)散層可以具有至少1W/(m.K)的平面熱導(dǎo)率和至少為IW/(m.K)的貫通面熱導(dǎo)率。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種燃料電池，所述燃料電池包括具有氣體擴(kuò)散層的質(zhì)子交換膜，其中，所述氣體擴(kuò)散層的熱導(dǎo)率為基本上各向同性。[0024]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種燃料電池，所述燃料電池包括具有氣體擴(kuò)散層的質(zhì)子交換膜，其中，所述氣體擴(kuò)散層的平面熱導(dǎo)率為基本上各向同性。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種燃料電池，所述燃料電池包括具有氣體擴(kuò)散層的質(zhì)子交換膜，其中，所述氣體擴(kuò)散層的貫通面熱導(dǎo)率為基本上各向同性。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種燃料電池，所述燃料電池包括具有氣體擴(kuò)散層的質(zhì)子交換膜，其中，所述氣體擴(kuò)散層具有至少1W/(m.K)的平面熱導(dǎo)率。
[0027]所述氣體擴(kuò)散層的平面熱導(dǎo)率可以為至少10W/(m.K)，或至少200W/(m.K)或至少 400W/ (m.K)。
[0028]所述氣體擴(kuò)散層的平面熱導(dǎo)率可以為至少IW/(m.K)或至少1W/(m.K)。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種燃料電池，所述燃料電池包括具有氣體擴(kuò)散層的質(zhì)子交換膜，其中，所述氣體擴(kuò)散層具有至少1W/(m.K)的平面熱導(dǎo)率和至少為IW/(m.K)的貫通面熱導(dǎo)率。
[0030]所述氣體擴(kuò)散層可以為金屬。
[0031]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種具有氣體擴(kuò)散層的燃料電池質(zhì)子交換膜。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種燃料電池質(zhì)子交換膜氣體擴(kuò)散層。
[0032]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種制造包括具有氣體擴(kuò)散層的質(zhì)子交換膜的燃料電池的方法，該方法包括安排氣體擴(kuò)散層的熱導(dǎo)率在平面和/或貫通面方向上為基本上各向同性的步驟。
[0033]本發(fā)明還進(jìn)一步提供了實(shí)施上述系統(tǒng)和方法的處理器控制代碼，例如，在通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上或在數(shù)字信號處理器(DSP)上。在物理數(shù)據(jù)載體，例如硬盤、⑶-ROM或DVD-ROM、如非易失性存儲器(例如閃存)的編程的存儲器或只讀存儲器(固件)上提供所述代碼。實(shí)施本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的代碼(和/或數(shù)據(jù))可以包括以傳統(tǒng)編程語言(解釋或編輯)例如C或匯編碼形式的源代碼、目標(biāo)代碼或執(zhí)行代碼。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解這樣的代碼和/或數(shù)據(jù)可以在多個成對的組件之間分配以相互通信。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]本發(fā)明通過示例的方式圖解說明，在附圖中，其中:
[0035]圖1是PEM燃料電池在其計(jì)算區(qū)域內(nèi)的示意圖；
[0036]圖2顯示極化曲線，即電壓隨電流密度的變化，針對三個每個有不同平面熱導(dǎo)率的理論燃料電池與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比；
[0037]圖3是針對圖2的三個不同燃料電池顯示四個溫度下功率密度上變化的曲線圖；
[0038]圖4a到4c顯示針對三個不同燃料電池，在陰極⑶L內(nèi)的溫度⑷分布上的變動；
[0039]圖5a到5c顯示針對三個不同燃料電池，在陰極⑶L和陰極催化劑層之間的界面處的含水飽和度的變動；
[0040]圖6顯示極化曲線，即電壓隨電流密度的變化，針對三個每個有不同貫通面熱導(dǎo)率的理論燃料電池與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比；
[0041]圖7是針對圖6的三個不同燃料電池顯示四個溫度下功率密度上變化的曲線圖；
[0042]圖8a到8c顯示針對圖6的三個不同燃料電池的陰極⑶L內(nèi)的溫度⑷分布上的
變動；[0043]圖9a到9c顯示針對圖6的三個不同燃料電池，在陰極⑶L和陰極催化劑層之間的界面處的含水飽和度的變動；
[0044]圖1Oa至1c顯示針對三個具有不同平面熱導(dǎo)率的理論燃料電池，在PEM燃料電池內(nèi)溫度⑷分布上的變動；以及
[0045]圖11顯示極化曲線，即電壓隨電流密度的變化，針對圖1Oa的三個燃料電池與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比。
[0046]附圖的詳細(xì)描述
[0047]氣體擴(kuò)散層(⑶Ls)是質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池的主要部件之一。質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池由于其高效率、快速啟動和低操作溫度而成為最流行類型的燃料電池。為了得到在PEM燃料電池中有效的熱和水的管理，應(yīng)確定多孔介質(zhì)的熱導(dǎo)率。另外，氣體擴(kuò)散層(GDLs)的熱導(dǎo)率具有各向異性，例如導(dǎo)電性和透氣性。然而，大多數(shù)的PEM燃料電池模型都假定氣體擴(kuò)散層包括各向同性材料。
[0048]如下面更詳細(xì)描述的，數(shù)值研究了在不同的操作溫度下的GDL的各向異性的熱導(dǎo)率的作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，具有現(xiàn)實(shí)的熱導(dǎo)率值的數(shù)值模型的輸出與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很好地吻合。此外，研究了平面和貫通面方向上PEM燃料電池性能對GDL的熱導(dǎo)率的靈敏度，并且比較了介于不同GDL熱導(dǎo)率之間的溫度分布。結(jié)果表明，提高GDL的平面和貫通面熱導(dǎo)率顯著提高了 PEM燃料電池 的功率密度。而且，溫度梯度顯示出對GDL的平面熱導(dǎo)率更大的靈敏度，與對貫通面熱導(dǎo)率的相反。總之，評估了各向異性的GDLs對溫度分布和電流密度的作用，結(jié)果用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。
【具體實(shí)施方式】
[0049]在這項(xiàng)研究中，以下列假設(shè)開發(fā)三維(3-D)多相模型:
[0050].流體流被假定為層流，因?yàn)槿肟谒俣群艿停?br> [0051].該反應(yīng)為穩(wěn)態(tài)條件下；以及
[0052].假定反應(yīng)氣體為理想氣體。
[0053]控制方程
[0054]基本上，燃料電池中的流體流動由下面的方程式控制[13]:
[0055]質(zhì)量守恒:
【權(quán)利要求】
1.一種設(shè)計(jì)包括氣體擴(kuò)散層的質(zhì)子交換膜燃料電池的方法，該方法包括: 使用質(zhì)子交換膜燃料電池的模型確定所述燃料電池的性能，其中所述模型基于燃料電池的多個參數(shù)，所述多個參數(shù)包括氣體擴(kuò)散層的各向異性性質(zhì)中的至少一個， 調(diào)整所述多個參數(shù)中的至少一個； 確定所述調(diào)整步驟是否改善所述燃料電池的性能，以及 通過選擇提供改善性能的所述參數(shù)設(shè)計(jì)所述燃料電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，使用所述模型通過確定燃料電池的溫度分布、含水飽和度、和/或電流密度中的一個或多個確定性能。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，通過提供遍及氣體擴(kuò)散層的更均勻的溫度分布改善所述性能。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，所述模型包括在所述燃料電池內(nèi)界定的多個區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述多個區(qū)域包括集電器、通道、氣體擴(kuò)散層、催化劑層和所述膜中的一個或多個。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述燃料電池包括陽極和陰極，并且其中將每個所述陽極和所述陰極界 定為分離的區(qū)域。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，所述方法包括使燃料電池為所述設(shè)計(jì)從而用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證所述模型的性能。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，所述多個參數(shù)包括氣體擴(kuò)散層(GDL)的材料。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，所述各向異性性質(zhì)包括氣體擴(kuò)散層的導(dǎo)電率、熱導(dǎo)率、和/或滲透性中的一個或多個。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述熱導(dǎo)率包括平面熱導(dǎo)率和/或貫通面熱導(dǎo)率。
11.一種質(zhì)子交換膜燃料電池，該質(zhì)子交換膜燃料電池包括氣體擴(kuò)散層，所述質(zhì)子交換膜燃料電池具有多個參數(shù)，其中，選擇所述參數(shù)以提供遍及所述氣體擴(kuò)散層的基本上均勻的溫度分布。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃料電池，其中，所述參數(shù)包括氣體擴(kuò)散層的熱導(dǎo)率，包括氣體擴(kuò)散層的平面熱導(dǎo)率和/或貫通面熱導(dǎo)率的所述氣體擴(kuò)散層的熱導(dǎo)率為基本上各向同性。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃料電池，其中，氣體擴(kuò)散具有至少1W/(m.K)，或者至少10W/(m.K)的平面熱導(dǎo)率。
14.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的燃料電池，其中，氣體擴(kuò)散具有至少IW/(m.K)或者至少1W/(m.K)的氣體擴(kuò)散層的貫通面熱導(dǎo)率。
15.根據(jù)權(quán)利要求11-14中任意一項(xiàng)所述的燃料電池，其中，所述氣體擴(kuò)散層具有至少1W/(m.K)的平面熱導(dǎo)率和至少IW/(m.K)的貫通面熱導(dǎo)率。
16.一種燃料電池，所述燃料電池包括具有氣體擴(kuò)散層的質(zhì)子交換膜，其中，所述氣體擴(kuò)散層的熱導(dǎo)率為基本上各向同性。
17.一種燃料電池，所述燃料電池包括具有氣體擴(kuò)散層的質(zhì)子交換膜，其中，所述氣體擴(kuò)散層的平面熱導(dǎo)率為基本上各向同性。
18.一種燃料電池，所述燃料電池包括具有氣體擴(kuò)散層的質(zhì)子交換膜，其中，所述氣體擴(kuò)散層的貫通面熱導(dǎo)率為基本上各向同性。
19.一種燃料電池，所述燃料電池包括具有氣體擴(kuò)散層的質(zhì)子交換膜，其中，所述氣體擴(kuò)散層具有至少1W/(m.K)的平面熱導(dǎo)率。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的燃料電池，其中，所述氣體擴(kuò)散層的平面熱導(dǎo)率為至少10W/ (m.K)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的燃料電池，其中，所述氣體擴(kuò)散層的平面熱導(dǎo)率為至少200W/ (m.K)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的燃料電池，其中，所述氣體擴(kuò)散層的平面熱導(dǎo)率為至少400W/ (m.K)。
23.一種燃料電池，所述燃料電池包括具有氣體擴(kuò)散層的質(zhì)子交換膜，其中，所述氣體擴(kuò)散層的貫通面熱導(dǎo)率為至少IW/(m.K)。
24.一種燃料電池，所述燃料電池包括具有氣體擴(kuò)散層的質(zhì)子交換膜，其中，所述氣體擴(kuò)散層的貫通面熱導(dǎo)率為至少1W/(m.K)。
25.一種燃料電池，所述燃料電池包括具有氣體擴(kuò)散層的質(zhì)子交換膜，其中，所述氣體擴(kuò)散層具有至少1W/(m.K)的平面熱導(dǎo)率和至少IW/(m.K)的貫通面熱導(dǎo)率。
26.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的燃料電池，其中，所述氣體擴(kuò)散層為金屬。
27.一種具有氣體擴(kuò)散層的燃料電池質(zhì)子交換膜，所述氣體擴(kuò)散層基本上為任意一項(xiàng)前述權(quán)利要求的氣體擴(kuò)散層。
28.一種燃料電池質(zhì)子交換膜氣體擴(kuò)散層，所述氣體擴(kuò)散層實(shí)質(zhì)上為任意一項(xiàng)前述權(quán)利要求的氣體擴(kuò)散層。
29.一種制造包括具有氣體擴(kuò)散層的質(zhì)子交換膜的燃料電池的方法，該方法包括安排氣體擴(kuò)散層的熱導(dǎo)率在平面和/或貫通面方向上為基本上各向同性的步驟。
【文檔編號】H01M8/04GK104040772SQ201280061885
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月13日
【發(fā)明者】N·E·艾爾哈茲米, D·B·英厄姆, M·S·伊斯梅爾, K·J·休斯, L·馬, M·普爾卡沙尼安 申請人:利茲大學(xué)