燃料电池制造技术

本实用新型专利技术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。本实用新型专利技术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。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及燃料电池。
技术介绍
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。
技术实现思路
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。本技术在于解 决上述技术问题。本技术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。所述板可以包括石墨、多孔碳和多孔金属中的至少一种。本技术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。本技术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。本技术具有以下优点(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技术的示例实施例，但是这样的公开内容不应当被 解释为限制本技术。在不脱离本技术的范围的情况下，预计可以做出各种修改和 可选的设计。附图说明图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的多孔性使得通道本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿里瑞扎·佩支曼·施凡尼亚，
申请(专利权)人：福特汽车公司，
类型：实用新型
国别省市：US