專利名稱：陽極基底層比陰極基底層厚的液體電解質(zhì)燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
鄰接陽極催化劑的液體電解質(zhì)燃料電池基底層(有時(shí)稱作氣體擴(kuò)散層，或
GDL)的厚度是鄰接陰極催化劑的基底的厚度的三或四倍，以適應(yīng)儲存于該燃
料電池陽極側(cè)的酸的優(yōu)勢。
背景技術(shù)：
有兩種方法為磷M料電池提供酸，以補(bǔ)充由于蒸發(fā)到反應(yīng)物流中而隨時(shí) 間造成的酸損耗。已知的酸添加方法中，液體或蒸氣形式的酸被持續(xù)地或周期 性地加入電池中。這些方法復(fù)雜而且昂貴。更為優(yōu)選的方法是被動法，其中滿 足壽命要求的足夠的酸在電池的初始組裝期間被^A電池中的多孔部件。
有很多不同的磷^t料電池設(shè)計(jì)。美國專利4,374,906示出了一種具有肋狀 陽極和陰極基底的電池。'906的電池具有高的酸總量和良好的電解質(zhì)管理特性; 但是由于高含量的昂貴碳纖維和大量的必須進(jìn)行熱處理的碳-碳復(fù)合材料，這種 電池制造起來是昂貴的。美國專利5,558,955示出了一種電池，其具有肋狀的電 解質(zhì)儲存板作為陽極流場以及無 L疏水的陰極流場。'955的電池也具有高的酸 總量和良好的電解質(zhì)管理特性；但是由于大量的必須進(jìn)行熱處理的碳-碳復(fù)合材 料，這種電池制造起來仍然是昂貴的。由于其吸收相當(dāng)大量的酸且從而降低燃 料電池的壽命，石墨流場是不可接受的。
WO2006/071232公開了一種電池，其具有無孔的陽極和陰極流場，且所有 的酸都必須儲存在親水的電極基底中。因?yàn)樘祭w維含量被最小化并且必須進(jìn)行 熱鵬的材料量也大幅陶氐，這種電池代表了一種成本較為低廉的設(shè)計(jì)。而且， 由于兩個(gè)流場都是無孔的，孔隙率(porosity)就不需要作為一個(gè)因素。'232的 電池具有糖的電解質(zhì)管理特性，這是此處要解決的問題。
可以用作磷酸替代物的質(zhì)子導(dǎo)電的液體電解質(zhì)是己知的。美國專利號 5,344,722公開了一種電解質(zhì)，其是磷酸和氟化物的混合物或者是磷酸和硅^ 的混合物。美國公開號2006/0027789公開了一種質(zhì)子導(dǎo)電的液體電解質(zhì)，其中 陰離子是氟硼酸鹽或氟代雜硼酸鹽(fluoroheteroborate)。
4傳統(tǒng)的磷^M料電池發(fā)電裝置通常包括燃料電池8的堆7，如圖1所示，燃 料電池的溫度通i^5過冷卻板9的冷卻劑來控制，該冷卻板插在具有5到10個(gè) 燃料電池的組之間。參考圖2，每個(gè)燃料電池8包括一偵懼有陽極催化劑12且 另一側(cè)具有陰極催化劑13的酸保持基體(acid retaining matrix) 11。催化劑分別 由多孔陽極基底16和多孔陰極基底17支撐。多孔陽極基底16和多孔陰極基底 17是親水性的，如現(xiàn)有技術(shù)已知的。燃料電池(末端處或鄰^7令卻板處除外) 共用無孔疏水的隔板組件19，該隔板組件包括鄰接陽極基底16的燃料Mit20 和鄰接陰極基底17的空氣(或其它氧化劑)通道21。通道20、 21中的反應(yīng)氣 體M:相應(yīng)的基底16、 17進(jìn)行擴(kuò)散；從而稱為氣體擴(kuò)散層(GDL)。鄰接于冷 卻板9，燃料流動通道20可形成在其中不具有空氣流動通道的燃料流場板23 中；陰極側(cè)也是類似的。
術(shù)語"無孔"和"疏水"，這里關(guān)于隔板19使用，其含義是隔板19足夠無 孑L和船J^以使得基本上沒有液體電解質(zhì)穿透隔板。
如圖2所示，傳統(tǒng)的磷^M料電池具有鄰接陽極催化劑12的基底16，基底 16基本上與鄰接陰極催化劑13的基底17厚度相同。
燃料電池運(yùn)行所需要的酸必須能夠在電池的M^壽命期間維持燃料電池， 該酸理想地是在制造時(shí)密封于燃料電池中。制造時(shí)填充的初始酸大約占兩個(gè)基 底中空隙容積的35%到45%。磷M料電池的壽命取決于足夠的酸，使得基底 中的密封(seal)和基條運(yùn)行期間基本上是滿的，并且從而也取決于保持酸。 如果隔板組件19是無 L和疏水的，燃料電池的壽命所需要的磷酸必須儲存在多 孔的陽極和陰極基底中。因?yàn)榛?6、 17 4 冷卻器9之間的主要熱阻，所以 希望基底盡可能地薄以使電池中冷卻器之間的溫度上升最小化，并且從而最大 化燃料電池堆的功率密度，并且也降低成本。
任何造成磷酸的M31多孔基底16、 17的空隙容積的情況都導(dǎo)致l^人電池 排出。也就是，酸將必然地流入一個(gè)或全部兩個(gè)反應(yīng)物流場鵬20、 21，并且 最終流入歧管和其它反應(yīng)氣體管道。這減少了可用酸的量，因此縮短了燃料電 池的壽命，也損壞元件，而損壞元件可能降低性能和/或進(jìn)一步縮短電池的壽命。
如已知的，純磷酸(也就是，100wtQ/。的磷酸)在40。C (大約100°F)高的 溫度時(shí)就凝固或結(jié)晶。電解質(zhì)的結(jié)晶或凝固造成燃料電池堆性能的衰減。另一 方面，當(dāng)稀釋到大約70wty。時(shí)，酸在大約-30。C(大約-20T)將保持液態(tài)。因此，
5當(dāng)運(yùn)輸新制造的磷liM料電池時(shí)，艦^1繊1^人接近10歸％稀釋到大約70wt%
fet它們進(jìn)fiH周節(jié)，以防止運(yùn)輸期間電解質(zhì)凝固。

發(fā)明內(nèi)容
這里的改進(jìn)以與磷 料電池中磷酸的移動和配置(disposition)相關(guān)的發(fā) 現(xiàn)為基礎(chǔ)。盡管已知由于基體中的電場對磷酸二氫鹽離子的影響，磷M料電 池中的磷酸是電化學(xué)地從陰極泵至陽極的，但是，曾經(jīng)認(rèn)為，由于維持動態(tài)平 衡的毛細(xì)力的影響， 一些泵至陽極的酸將流回陰極。也曾經(jīng)認(rèn)為，陽極基底的 酸填充水平僅是陰極基底酸填充7jC平的大約兩倍。
現(xiàn)在已經(jīng)認(rèn)識到，陽極禾卩陰極催化齊喔的滲透性比以前認(rèn)為的低得多。這 導(dǎo)致當(dāng)電池運(yùn)4于時(shí)，陽極基底的酸填充水平是陰極基底的酸填充水平的四到五 倍。也己經(jīng)認(rèn)識到，酸分布的不均衡可能在燃料電池堆關(guān)閉后存在幾個(gè)到幾百 個(gè)小時(shí)。
為了使反應(yīng)氣體iiai基底擴(kuò)散到電極，酸填充7X平不應(yīng)遠(yuǎn)高于大約66%。 可用孔的任何進(jìn)一步M^都會導(dǎo)，成不可接受的性能降低的擴(kuò)散損耗。也已 經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果陽極的酸填充水平不超過陽極基底的空隙容積，電解質(zhì)就不能夠 被調(diào)節(jié)至約70wt%，而皿就導(dǎo)致酸排出至反應(yīng)氣體系統(tǒng)。事實(shí)上，傳統(tǒng)的具 有40 %的平均初始填充的磷^t料電池在稀釋至運(yùn)輸濃度時(shí)將導(dǎo)致陽極基底的 119 %的酸填充。這當(dāng)然導(dǎo)致酸的排出和相應(yīng)的燃料電池系統(tǒng)的縮短的壽命。
為了克爿^用質(zhì)子導(dǎo)電液體電解質(zhì)(例如磷酸)且具有無孔疏水的反應(yīng)物 流場隔板組件的燃料電池的這些困難，陽極基底(GDL)的厚度顯著地比陰極 基底(GDL)厚， 為至少1.75倍，且更為雌地是陰極基底(GDL)厚度 的大約1.75倍到大約3倍之間。
如以下進(jìn)一步描述的，作為示例，如果陽極基底是陰極基底厚度的兩倍， 且具有在運(yùn)輸濃度的空隙容積的93.6%的酸填充水平，夷，么在運(yùn)行時(shí)它將具有 大約55%的填充水平，這從燃料擴(kuò)散和陽極性能的角度而言都是非常好的。
使用無孔疏水流場的質(zhì)子導(dǎo)電液體電解質(zhì)燃料電池的酸管理特性得以提 高，同時(shí)并未改變陽極加上陰極擴(kuò)散層(GDL)的組合厚度以及成本。燃料電 池盼性能禾疇命也得以提高，而沒有損害燃料電池的功率密度或者熱特性。
其它改進(jìn)、特征以及優(yōu)點(diǎn)將根據(jù)下面的附圖所說明的其示例性實(shí)施例的詳 細(xì)描述而變得更為明顯。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中己知的磷M料電池堆的簡化的示意圖。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)中己知的磷酸電池堆中的一對燃料電池和7t4卩板的不完整 的、簡化的側(cè)視圖，沒有按比例纟魏ij，為了清晰起見省去了分區(qū)線。
圖3是磷^t料電池堆中的一對燃料電池和冷卻板的不完整的、簡化的側(cè) 視圖，沒有按比例纟飾U，為了清晰起見省去了分區(qū)線。
圖4是說明磷酸基底的示例性估itf寺征的表格。
具體實(shí)施例方式
參考圖3，磷M料電池8a被,成采用質(zhì)子導(dǎo)電的液體電解質(zhì)，例如 磷酸；或者磷酸與氟化物或硅氧烷的混合物；或者陰離子是氟硼酸鹽或氟代雜 硼Kk的液體。燃料電池8a包括鄰接陽極催化劑12的基底16a (GDL)，其厚 度是鄰接陰極催化劑13的基底17a的大約1.75至U大約3倍之間。盡管圖3沒有 按比例繪制，描繪的陽極基底基本是描繪的陰極基底的3倍。隔板組件19， 地以與WO2006/071232中公開的類似的方式進(jìn)行配置，該文獻(xiàn)在此引入以供參 考。
圖4說明了對于陽極GDL厚度與陰極GDL厚度的不同比值，當(dāng)通過稀釋 將燃料電池調(diào)節(jié)至70wtX濃度以及在基本100wt^濃度(如運(yùn)行中的情況)時(shí)， 作為空隙容積的百分比的酸填充。圖4的表說明即使在僅僅1.5比1.0的厚度比 時(shí)，因?yàn)镾31了基底的空隙容積，所以稀釋的填充仍然是不可接受地高。但是， 此處的觀點(diǎn)即使在比值接近l時(shí)仍然提供了一些益處；也就是，陽極GDL顯著 地厚于陰極GDL am供一些優(yōu)勢，并且要好于1.0比1.0的厚度比。但是在陽 極GDL厚度與陰極GDL厚度的比值在大約2.0以及更高時(shí)，因?yàn)槠湫∮诨?的空隙容積，所以稀釋的填充是可接受的，并且陽極的性能超過必要的性能一 個(gè)可接受的裕度(margin)。對于更高的值，例如，2.5比1.0以及3.0比1.0，稀 釋的填充水平是更為可接受的，并且陽極的性能具有足夠的裕度使得額外的酸 可被添加至電池以延長其壽命。
這樣，在不增加由于每個(gè)電池中電極基底厚度引起的每個(gè)電池的總厚度的 情況下，能夠使作為多孔基底空隙百分比的稀釋的電解質(zhì)填充以及改進(jìn)的陽極 性能的裕度都非常可接受。
根據(jù)圖4的 ，倉,意識到，在陽極基底厚度與陰極基底厚度的比值在1.75比1.0和3.0比1.0之間的情況下，肖,獲得很多益處。
權(quán)利要求
1、一種液體電解質(zhì)燃料電池裝置，其中氧化劑(21)和燃料反應(yīng)物流場通道(20)被提供在無孔疏水的隔板組件(19)中，該隔板組件被放置以分開各個(gè)燃料電池(8)，其中，每個(gè)燃料電池包括被配置成保持液體電解質(zhì)的電解質(zhì)基體(11)；放置于所述基體的一個(gè)表面上的陽極催化劑(12)以及放置于所述基體的與所述一個(gè)表面相對的第二表面上的陰極催化劑(13)；鄰接所述陽極催化劑放置的多孔陽極基底(16)；以及鄰接所述陰極催化劑放置的多孔陰極基底(17)；其特征在于所述陽極基底的厚度顯著地厚于所述陰極基底的厚度。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池裝置，其特tt—步在于所述陽極基底的厚度至少是所述陰極基底厚度的兩倍。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池體，其特f腿一步在于所述陽極基底厚于所述陰極基底，所述陽極基底的厚度與所述陰極基底的厚度的比值在1.75比1.0禾口3.0比l.O之間。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3的燃料電池裝置，其特ta—步在于所述比值大于2.0比l.O。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池體，其被配置成使用磷酸作為電解質(zhì)。
6、 一種磷liM料電池裝置，其中氧化劑(21)和燃料反應(yīng)物流場通道(20)被提供在無孔船K的隔板組件(19)中，該隔板組件被放置以分開各個(gè)燃料電池(8)，其中，^h燃料電池包括用于保持磷酸的電解質(zhì)基體(11);方 于所述基體的一個(gè)表面上的陽極催化劑(12)以及放置于所述基體的與所述一，面相對的第二表面上的陰極催化劑03);鄰接所述陽極催化齊嗷置的多孔陽極基底(16);以及鄰接所述陰極催化劑放置的多孔陰極基底07);其特征在于所述陽極基底的厚度是所述陰極基底的厚度的至少1.75倍。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6的燃料電 tfe^S，其特!BS—步在于所述陽極基底的厚度至少是所述陰極基底的厚度的兩倍。
8、 根據(jù)權(quán)禾腰求6的燃料電池體，其特征進(jìn)一步在于所述陽極基底厚于所述陰極基底，所述陽極基底的厚度與所述陰極基底的厚度的比值在1.75比,1.0禾口3.0比l.O之間。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8的燃料電池裝置，其特征進(jìn)一步在于所述比值大于,2.0比l.O。
全文摘要
一種燃料電池(8a)，其具有用于容納磷酸(或其它液體)電解質(zhì)的基體(11)，該基體具有在一側(cè)的陽極催化劑(12)和在另一側(cè)的陰極催化劑(13)。該電池包括與該陽極催化劑接觸的陽極基底(16a)和與該陰極催化劑接觸的陰極基底(17a)，所述陽極基底厚于所述陰極基底，比值在1.75比1.0和3.0比1.0之間。無孔疏水的隔板組件(19)提供燃料流動通道(20)和氧化劑流動通道(21)并且分開燃料電池。
文檔編號H01M8/12GK101542813SQ200680056223
公開日2009年9月23日 申請日期2006年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月27日
發(fā)明者R·D·布勞爾特 申請人:Utc電力公司