燃料电池和该燃料电池的膜制造技术

一种燃料电池包括第一和第二流场板、以及位于流场板之间的阳极电极和阴极电极。聚合物电解质膜（PEM）布置在电极之间。流场板中的至少一个流场板至少部分地影响PEM的平面内各向异性物理状况，该平面内各向异性物理状况在幅值上在高值方向和低值方向之间变化。PEM具有在幅值上在高值方向和低值方向之间变化的平面内物理性质。PEM定向成其高值方向与流场板的高值方向大致对齐。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】一种燃料电池包括第一和第二流场板、以及位于流场板之间的阳极电极和阴极电极。聚合物电解质膜（PEM）布置在电极之间。流场板中的至少一个流场板至少部分地影响PEM的平面内各向异性物理状况，该平面内各向异性物理状况在幅值上在高值方向和低值方向之间变化。PEM具有在幅值上在高值方向和低值方向之间变化的平面内物理性质。PEM定向成其高值方向与流场板的高值方向大致对齐。【专利说明】燃料电池和该燃料电池的膜 关于联邦政府出资研究或开发的声明 本专利技术按照美国能源部授予的DE-PS36-08G098009号合同在政府支持下进行。美国政府在本专利技术中享有一定权利。
本公开涉及用于燃料电池中的膜。
技术介绍
燃料电池通常包括阳极催化剂、阴极催化剂以及位于阳极催化剂与阴极催化剂之间的电解质材料，以用于从诸如燃料和氧化剂的反应物之间的已知电化学反应来产生电流。燃料电池可包括流场板，所述流场板带有用于将反应物引导至相应催化剂的通槽。电解质材料可以是布置在流场板之间的聚合物层，其通常被称为聚合物电解质膜或PEM。PEM在流场板之间的布置可限制PEM的运动，从而在PEM上引起应力。PEM因此设计有合适的最小厚度且由某些聚合物材料制成，以便限制应力断裂。
技术实现思路
一种示例性燃料电池包括第一和第二流场板以及在流场板之间的阳极和阴极电极。聚合物电解质膜(PEM)布置在电极之间。流场板中的至少一个流场板至少部分地影响PEM的平面内各向异性物理状况，该平面内各向异性物理状况在幅值上在高值方向和低值方向之间变化。PEM具有在幅值上在高值方向和低值方向之间变化的平面内物理性质。PEM定向在电极之间，使得PEM的高值方向与流场板的高值方向大致对齐。根据以下详细描述，所公开的示例的各种特征和优点对于本领域的技术人员将变得显而易见。伴随所述详细描述的附图可简述如下。【专利附图】【附图说明】图1示出了示例性燃料电池的分解图。图2示出了燃料电池的剖视图。图3示出了用于燃料电池且包括第一和第二交叉层压层的膜。图4示出了包括第一、第二和第三交叉层压层的膜。【具体实施方式】图1示出了示例性燃料电池20的所选部分的分解图，以例如用于从在反应物气体之间的已知电化学反应来产生电流。图2示出了处于组装形式的燃料电池20的剖视图。应当理解，燃料电池20的所公开的布置仅仅是示例，并且本文所公开的概念可应用于其它燃料电池布置。另外，燃料电池20可包括未在本公开中描述或在附图中示出的其它部件，例如但不限于冷却通槽和气体分布层。示例性燃料电池20包括一个或多个燃料电池单元22，其可以以已知方式叠置，以提供燃料电池20的组件。燃料电池单元22中的每一个包括电极组件24以及用于将反应物气体(例如，空气和氢气)输送至电极组件24的流场板26a和26b。流场板26a可被看作用于输送空气的空气板，并且流场板26b可被看作用于输送氢气的燃料板。流场板26a、流场板26b或两者也可使冷却剂(在冷却剂通槽中)循环，以便保持燃料电池20的期望操作温度以及水合反应物气体。电极组件24包括在阴极催化剂30a和阳极催化剂30b之间的聚合物电解质膜(PEM) 28，其也被称为质子交换膜。在一个示例中，PEM 28为离聚物。在其它实例中，所述离聚物包括磺化过氟聚合物。虽然未不出，但气体扩散层可用于流场板26a和26b与电极组件24之间，以有利于反应物气体的分布。流场板26a和26b中的每一个包括用于输送相应反应物气体的通槽32。相应的流场板26a和26b的通槽32构成相应的流场34。另外，流场板26a和26b中的每一个可包括入口和出口，以用于将反应物气体输送至流场34以及从流场34接收未被使用的反应物气体。由此，流场板26a包括沿流场板26a的一个边缘延伸的入口歧管36。入口歧管36沿流场板26a的一个边缘延伸，并且具有纵向轴线38。在所示布置中，电极30a、30b和PEM 28大致夹持在流场板26a和26b之间(例如，在形成通槽32的肋之间)。夹持力约束PEM 28相对于流场板26a和26b的运动。如已知的，燃料电池20围绕周边密封以将反应物气体和水副产物保持在燃料电池20内。燃料电池20的周边密封还可进一步限制PEM 28的运动。流场板26a或26b中的至少一个流场板至少部分地影响PEM 28上的平面内各向异性物理状况，所述平面内各向异性物理状况在幅值上在由箭头40a表示的高值方向(HFuei&11)和由箭头40b表示的低值方向(LFmi &11)之间变化。在一个示例中，平面内各向异性物理状况包括由于燃料电池20的夹持力和操作因素而施加到燃料电池20内的PEM 28上的应力的幅值。各向异性物理状况不一定限于应力。在其它示例中，各向异性物理状况包括电导率、伸长率和热导率中的一个或多个。在一个示例中，当空气通过入口歧管36进入流场板26a的流场34的通槽32内时，在燃料电池20的操作期间产生应力。空气初始地为干燥的，并可对在入口歧管36附近的局部区域的PEM 28具有干燥效应。干燥空气趋于从入口歧管36附近的PEM 28吸收水分。流经更远离入口歧管36的通槽32的空气从副产物水吸收水分，因此在离入口歧管36越远的PEM 28的区域中干燥越不成问题。在高功率状况下，例如对于车辆和重型车辆应用来说，燃料电池20也产生大量的水副产物，该水副产物使PEM 28水合并限制干燥。然而，在较低功率状况下或在通断循环之间，PEM 28可以变干。因此，在干燥状况和潮湿状况之间的PEM 28的水分含量的变化对于高功率燃料电池来说更显著。在入口歧管36附近的区域中从PEM 28损失水分会引起PEM 28的局部收缩。然而，流场板26a和26b和/或燃料电池20的周边密封限制PEM 28的运动，这在PEM 28上产生应力。来自燃料电池20的通断循环(或在燃料电池20的高功率状况和低功率状况之间)的反复的水分损失和增加在PEM 28上引起循环应力(B卩，疲劳)状况。PEM 28上的应力沿高值方向40a最大。该应力可能沿低值方向40b最低。在图示示例中，高值方向40a大致平行于细长的入口歧管36的纵向轴线38。因此，流场板26a和26b的夹持力以及入口歧管36的取向至少部分地影响在PEM 28上的应力方向和幅值。为了增强PEM 28对于此类应力的耐久性，PEM 28以预定取向布置在燃料电池20内，以便抵抗所述应力状况。在图示实施例中，PEM 28具有平面内物理性质，所述平面内物理性质在幅值上在由箭头42a指示的高值方向(Hpem)和由箭头42b指示的低值方向(Lpem)之间变化。作为示例，平面内物理性质为PEM 28沿给定方向的强度特性，例如极限强度。在一个示例中PEM 28包括挤出层，由于在PEM 28的材料中聚合物链的伸长，所述挤出层在挤出方向上比在横向方向上具有更高的强度。由此，示例性PEM 28具有在高值方向42a上比在低值方向42b上更高的极限强度。在图示实施例中，PEM 28布置在燃料电池20内，使得高值方向42a与流场板26a的高值方向40a大致对齐，并且大致平行于细长的入口歧管36的纵向轴线38。例如，PEM28的最高强度的方向与最大应力施加到燃料电池20中的PEM本文档来自技高网...

【技术保护点】

【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：TT埃恩多，
申请(专利权)人：联合工艺公司，
类型：
国别省市：