用于燃料电池的具有增强的储冰能力的微孔层制造技术

提供了一种用于燃料电池的具有增强的储冰能力的微孔层。燃料电池包括：阴极，具有第一气体扩散层和第一催化剂层；阳极，包括第二气体扩散层和第二催化剂层；质子交换膜，设置在阴极和阴极之间。微孔层设置在第一气体扩散层和第一催化剂层之间。微孔层限定多个结构域，所述多个结构域在微孔层的相对的表面之间延伸。在结冰环境下，微孔层被布置为使冰的形成集中在结构域内，以减少催化剂层内结冰的水的量。

【技术实现步骤摘要】

本公开涉及一种在质子交换膜燃料电池系统中使用的微孔层结构。
技术介绍
对环境污染以及化石燃料消耗的关注已经引发对替代清洁能源解决方案的迫切需求。氢燃料电池(例如，质子交换膜燃料电池(PEMFC))是一种用于未来汽车和静止设备的潜在能量转换系统。PEMFC中的反应涉及氢分子在阳极分裂成为氢离子和电子，氢核在阴极与氧和电子再结合，形成水并释放热量。由于高功率输出(快速反应且是动态的)、长寿命以及经济效益的特定要求，燃料电池可以是非常复杂和精密的。通常，质子交换膜用作PEMFC中的质子导体。例如，包括铂和/或铂合金的催化剂层用于催化电极反应。气体扩散层用于传输反应气体和电子并去除产物水和热量，气体扩散层可以包括微孔层和碳纤维基气体扩散支撑层(backinglayer)。另外，流场板通常用于使反应气体散开。
技术实现思路
在一实施例中，一种燃料电池包括：阴极，具有第一气体扩散层和第一催化剂层；阳极，包括第二气体扩散层和第二催化剂层；质子交换膜，设置在阴极和阴极之间。微孔层设置在第一气体扩散层和第一催化剂层之间。微孔层限定多个孔，所述多个孔在微孔层的相对的表面之间延伸。在结冰环境下，微孔层被布置为使冰的形成集中在孔内，以减少催化剂层内结冰的水的量。在另一实施例中，一种燃料电池微孔层设置在位于燃料电池阴极侧上的催化剂层和气体扩散支撑层之间。微孔层包括体材料。体材料限定多个孔和多个结构域。在结冰环境下，结构域被构造为使冰的形成集中在结构域内，以减少体材料和催化剂层之间界面的结冰量。在一实施例中，结构域是钻孔。在一实施例中，钻孔的直径为0.5μm到200μm。在一实施例中，结构域在体材料的相对的表面之间延伸。在一实施例中，结构域是嵌入在体材料内的亲水性材料的包。在一实施例中，亲水性材料是碳、聚合物和金属氧化物中的一种。在一实施例中，所述多个孔的直径为0.05μm到0.2μm。在一实施例中，所述多个孔是疏水性的。在又一实施例中，一种用于燃料电池的阴极微孔层包括：第一碳基材料层，与催化剂层相邻；第二碳基材料层，设置在第一层和气体扩散支撑层之间。第二碳基材料包括多个结构域，所述多个结构域被构造为在结冰环境下使冰的形成集中在结构域内，以减少催化剂层内的结冰的水的量。在一实施例中，第一碳基材料层是亲水性的。在一实施例中，第一碳基材料层是疏水性的。在一实施例中，第二碳基材料层是疏水性的。在一实施例中，多个结构域是限定在第二层中的钻孔。在一实施例中，多个结构域是嵌入在第二层中的亲水性材料。附图说明图1示出了质子交换膜燃料电池的示意性图。图2示出了现有技术的质子交换膜燃料电池在结冰环境下工作的横截面图。图3示出了根据一实施例的微孔层的平面图。图4示出了在图3中示出的微孔层的横截面图。图5A到图5C示出了用于制造根据一实施例的微孔层的过程。图6示出了一实施例的质子交换膜燃料电池在结冰环境下工作的横截面图。图7示出了根据另一实施例的微孔层的横截面图。具体实施方式在此描述了本公开的实施例。然而，将要理解的是，公开的实施例仅为示例，其他实施例可采取多种和替代的形式。附图不一定按比例绘制；可能夸大或最小化一些特征以显示特定组件的细节。因此，在此所公开的具体结构和功能细节不应解释为限制，而仅为教导本领域技术人员以多种形式使用本专利技术的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考任一附图示出和描述的各个特征可与一个或更多个其他附图中示出的特征组合，以产生未被明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可期望用于特定应用或实施方式。虽然PEMFC技术在过去十年来已经经历了重大发展，但是在低成本下具有高性能和增加的鲁棒性的PEMFC仍还需要去实现。因此，燃料电池还将显著地商业化。PEMFC的一个重要的技术挑战是水管理。这主要取决于现有的聚合物电解质膜，聚合物电解质膜仅在良好的含水状态下展示出高的质子导电率。电解质的含水需求将燃料电池的最大工作温度限制到大约90摄氏度(℃)。超过该温度，会发生膜干涸，导致质子导电率降低。另一方面，如果未有效去除产物水，那么会引起水积累并溢满电极。这造成大量传输损失，甚至会使燃料电池停止工作。液体水积累在各种燃料电池组件中使PEMFC工作中几乎不可避免两相流动(例如，液体和气体)，特别是在低温下和高电流密度下。积累的液体水在低于结冰温度下凝固，形成冰。有效地掌控液体水流动和冰的形成的能力是在设计并选择PEMFC组件以及操作条件时重要的标准。根据法拉第定律，由于还原反应在阴极催化剂层产生的产物水能够通过下面的等式确定：JH2O=Mj2Fρ---(1)]]>其中，是水通量，单位为cm3/(s·cm2)；M是水的分子量(即，18克/摩尔)；j是工作电流密度，单位为A/cm2；F是法拉第常量(即，大约为96485C/mol)；以及ρ是液体水的密度(即，在25℃下为1g/cm3)。为了实现燃料电池的各种组件的含水需求与燃料电池系统对过量水的排斥之间的合适的平衡，燃料电池的设计可以被调整为在系统的给定工作环境下有效地控制水。PEMFC包括若干组件，这些组件能够具有采用特定的材料和结构设计的潜力，以在装置内增强对水的控制。如这里所公开的，PEMFC的特定的气体扩散层(特别是包括碳纤维基气体扩散支撑层和设置在气体扩散支撑层与相邻的催化剂层之间的界面处的微孔层的气体扩散层)在对经过电极组件和较大燃料电池系统二者的水的控制方面起到不可或缺的作用。基于给出的PEMFC的特性和工作环境，气体扩散层组件的架构(包括微孔层的结构和设计)能够优化，以增强对经过燃料电池系统的水的控制。在车辆应用中，在低于结冰温度环境下工作(特别是在寒冷气候下工作)会是经常发生的。因此，提供一种在低于结冰温度下工作的燃料电池非常重要。在低于结冰温度下，燃料电池中的液体水会凝固结冰。冰会在催化剂层-气体扩散层边界处形成凝固界面并阻挡氧分子扩散到催化剂层中。冰还会阻挡液体水扩散出催化剂层而无法被气流携带走。这使电化学反应受到阻碍，会导致启动失败并加速催化剂和材料劣化。参照图1，示出了PEMFC10的示例。PEMFC10通常包括被质子交换膜(PEM)16(也称为聚合物电解质膜)分隔开的负极(阳极)12和正极(阴本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池，所述燃料电池包括：阴极，包括第一气体扩散层和第一催化剂层；阳极，包括第二气体扩散层和第二催化剂层；质子交换膜，设置在阴极和阴极之间；以及微孔层，设置在第一气体扩散层和第一催化剂层之间，微孔层限定多个孔，所述多个孔在微孔层的相对的表面之间延伸并且被布置为在结冰环境下使冰的形成集中在孔内，以减少催化剂层内结冰的水的量。

【技术特征摘要】
2014.05.07 US 14/271,7051.一种燃料电池，所述燃料电池包括：
阴极，包括第一气体扩散层和第一催化剂层；
阳极，包括第二气体扩散层和第二催化剂层；
质子交换膜，设置在阴极和阴极之间；以及
微孔层，设置在第一气体扩散层和第一催化剂层之间，微孔层限定多个
孔，所述多个孔在微孔层的相对的表面之间延伸并且被布置为在结冰环境下
使冰的形成集中在孔内，以减少催化剂层内结冰的水的量。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其中，孔的直径为0.5μm到200μm。
3.如权利要求1所述的燃料电池，其中，微孔层包括碳同素异形体和粘
合剂。
4.如权利要求1所述的燃料电池，其中，微孔层还包括第一层和第二层，
第一层抵靠着第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁自界，詹姆士·瓦尔德克，迈克尔·艾伦·迪波尔特，
申请(专利权)人：福特全球技术公司，
类型：发明
国别省市：美国;US