基于流场几何结构的可变催化剂担载制造技术

一种燃料电池（２）包括膜电极组件（４，６），所述膜电极组件包括夹在一对电极（９４）之间的离子导电构件。至少一个电极（９４）包括特征在于催化活性与催化剂担载量成正比的催化剂担载量。此外，该燃料电池（２）包括用于向电极（９４）供给气态反应物的流动通路，催化剂担载量根据流动通路的几何结构而变化。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及燃料电池，更具体而言，本专利技术涉及燃料电池的膜电极组件。
技术介绍
燃料电池作为电动车辆和其它应用的电源得到越来越多的研究。一种这样的燃料电池是PEM(即质子交换膜)燃料电池，所述电池包括所谓的“膜电极组件”(MEA)，所述膜电极组件包括薄的固体聚合物膜电解质，在该膜-电解质的相对表面上具有一对电极(即阳极和阴极)。MEA被夹在一对导电流体分配元件(即双极板)之间，所述双极板用来作为电极的集流器，并包含所谓的“流场”，即形成在与MEA接触的双极板表面内的凸脊(lands)和沟槽阵列。这些凸脊传导来自电极的电流，同时位于凸脊之间的沟槽用来在电极表面上均匀地分配燃料电池的气态反应物。气体扩散介质，典型的是多孔石墨/碳纸，位于每个导电流体分配元件与MEA的电极表面之间，用以支撑面对流场中的沟槽的MEA，并从这里向相邻的凸脊传导电流。膜电极组件上的电极一般包括电化学活性区域或由电化学活性材料构成的区域。在这点上，每个电极的电化学活性区域包括嵌入聚合物粘合剂中的涂覆催化剂的颗粒。然而，该电化学活性区域可包括不同的颗粒，在燃料电池工作期间所述颗粒或是非常活泼，或是缺少所需活性。由于形成针孔、催化剂层开裂、层离、或通常电极的劣化，具有活性或者缺乏活性可能会导致电极失效。由此，需要这样一种包括可控制电化学活性的、由此有助于避免上述缺点的电极的MEA。
技术实现思路
本专利技术涉及一种包括膜电极组件的燃料电池，所述膜电极组件包括夹在一对电极之间的离子导电构件。包括催化剂担载的电极中的至少一个的特征在于催化活性随催化剂的担载量成比例变化。此外，本专利技术包括向电极供给气态反应物的流动通路，并且催化剂担载量沿流动通路变化。此外，本专利技术涉及一种控制燃料电池中的电流密度的方法，所述方法包括提供带有流场的导电流体分配元件，以及提供包括离子导电构件和电极的膜电极组件。电极的催化剂担载量根据所述流场中的通道的几何结构而变化。从下文提供的详细描述中将易于理解本专利技术可应用的其它领域。应该理解，详细描述和具体实例尽管示出了本专利技术的优选实施例，但仅旨在用于说明目的而不旨在限制本专利技术的范围。附图说明从下面的详细描述和附图中将更全面地理解本专利技术，在所述附图中图1为一个PEM燃料电池堆(仅示出两个电池)的分解示意图；图2为膜电极组件的截面图；图3为典型的导电流体分配元件、带有对PEM燃料电池堆有益的冷却剂的双极板的分解视图；图4为沿图3中4-4方向的剖视图；图5为使用本专利技术的具有可变催化剂担载量的电极的MEA的分解视图；图6为具有与其两侧相附接的泡沫金属流场的薄基板的双极板的局部剖视图；图7为由分散在粘合剂基质中的导电颗粒的复合材料制成的、涂覆有导电材料的双极板的局部剖视图；图8为其中具有冷却剂通道的双极板的局部剖视图；图9为根据本专利技术的第二实施方式的燃料电池的分解放大视图；图10为表示电流密度相对于与进口歧管之间的距离的关系的曲线图； 图11A和11B为表示对比电极和根据本专利技术的电极的电流分配强度的图表；和图12示出了用于制备根据本专利技术所述的电极的一种直写技术(direct writing technique)的实例。具体实施例方式下面对优选实施例的描述本质上仅是示例性的且决不旨在限制本专利技术及其应用或使用。图1示出了具有通过导电流体分配元件8，即下文中的双极板8，彼此分开的一对膜电极组件(MEAs)4和6的两电池双极燃料电池堆2。膜电极组件4和6和双极板8在不锈钢夹板或端板10与12和端部接触元件14与16之间被叠置在一起。端部接触元件14和16以及双极板8的两个工作面分别包含用于将燃料和氧化剂气体(即H2和O2)分配给膜电极组件4和6的多条沟槽或通道18、20、22和24。不传导垫片26、28、30和32在燃料电池堆的多个部件之间提供了密封和电绝缘。气体可透过的传导材料通常是压靠在膜电极组件4和6的电极面上的碳/石墨扩散纸34、36、38和40。端部接触元件14和16分别压靠在碳/石墨扩散纸34和40上，而双极板8压靠在膜电极组件4的阳极面上的碳/石墨扩散纸36上且压靠在膜电极组件6的阴极面上的碳/石墨扩散纸38上。来自储罐46的氧气通过适当的供应管道42被供应至燃料电池堆的阴极侧，而来自储罐48的氢气通过适当的供应管道44被供应至燃料电池堆的阳极侧。另一种可选方式是，环境空气可作为氧源被供应至阴极侧且从甲醇或汽油重整器或类似装置将氢气供应至阳极。还将为膜电极组件4和6的H2和O2侧设置排出管道(未示出)。设置附加管道50、52、54以将液体冷却剂供应至双极板8以及端板14和16。还设置了适当的管道以排出双极板8以及端板14和16中的冷却剂，但在图中未示出。每个膜电极组件(MEA)4和6包括夹在阳极52和阴极54之间的离子导电构件(图2)。该离子导电构件50优选为固体聚合物电解质膜。适用于这样的膜电解质的聚合物是本领域公知的，在美国专利US5272017和US 3134697中以及在其它专利文献和非专利文献中对此都有所描述。然而，应当注意的是，离子导电构件50的组成可包含本领域中常规使用的任何质子导电聚合物。优选地，使用全氟化磺酸聚合物例如NAFION。此外，该聚合物可以是所述膜的唯一组成，或者可以被担载在另一种材料的孔隙中。阳极52和阴极54优选包括涂覆催化剂的碳或石墨颗粒，所述碳或石墨颗粒嵌入聚合物粘合剂中，与聚合物膜相似，所述聚合物粘合剂为质子导电材料例如NAFION。图3为可用在本专利技术中的典型的双极板56的分解视图。该双极板56包括第一外部金属板片58、第二外部金属板片60、以及位于第一金属板片58和第二金属板片60之间的内部隔离金属板片62。外部金属板片58和60被制成尽可能地薄，可以通过冲压或者任何其它的常规方法来使金属板片成形。外部板片58在其外侧具有面对膜电极组件(未示出)的第一工作面59，并且成形用以提供流场57。流场57由多个凸脊64限定出，在所述凸脊之间限定出多个沟槽66，所述沟槽构成燃料电池的反应物气体(即H2或O2)从双极板的一侧68流向另一侧70的弯曲或蛇形通路的“流场”。当燃料电池被完全地组装好时，凸脊64压靠在多孔材料，碳/石墨纸36或38上，而碳/石墨纸进而又压靠在MEA 4和6上。为简便起见，图3仅示出了两个阵列的凸脊64和沟槽66。实际上，凸脊64和沟槽66将覆盖与碳/石墨纸36和38接合的金属板片58、60的整个外表面。反应物气体由位于沿燃料电池一侧68的位置处的进口歧管72被供应至沟槽66，且通过位于邻近燃料电池的相对侧70的位置处的另一列歧管74排出沟槽66。如图4最佳所示，板片58的下侧包括多个在其间限定出多条通道78的脊部76，在燃料电池运行期间，冷却剂流动通过这些通道。冷却剂通道78位于每个凸脊84下面，而反应物气体沟槽86位于每个脊部76下面。另一种可选方式是，板片58可以是扁平的，并且在分离的板片材料中形成流场。金属板片60与板片58相类似。板片60的内表面61如图3所示。在这一方面，图中示出了多个脊部80，在它们之间限定出多条通道82，冷却剂经由这些通道从双极板的一侧69流向另一侧71。与板片58相类似且如图4最佳所示，板片60的外侧具有工作面63。板片60成形用以提本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池，包括：包括离子导电构件和电极的膜电极组件，所述电极具有包含催化剂的活性区域；具有多条流动通路面对所述电极的流场；分布在所述活性区域内、沿至少一条所述流动通路以不均匀的担载量使得电化学活性沿所述流动通路发 生变化的所述催化剂。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：RL福斯，B索姆帕利，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]