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质子交换膜燃料电池

阅读：1000发布：2020-05-12

IPRDB可以提供质子交换膜燃料电池专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种质子交换膜燃料电池及其设计方法。本发明描述了设计包括气体扩散层的质子交换膜燃料电池的方法。该方法包括：使用质子交换膜燃料电池的模型确定燃料电池的性能，其中模型基于燃料电池的多个参数，多个参数包括气体扩散层的各向异性性质中的至少一个，调整多个参数中的至少一个；确定调整步骤是否改善燃料电池的性能，并通过选择提供改善的性能的参数设计燃料电池。还描述了质子交换膜燃料电池包括气体扩散层，具有多个参数的质子交换膜燃料电池，其中，选择参数以提供遍及气体扩散层的基本上均匀的温度分布。，下面是质子交换膜燃料电池专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种设计包括气体扩散层的质子交换膜燃料电池的方法，该方法包括：使用质子交换膜燃料电池的模型确定所述燃料电池的性能，其中所述模型基于燃料电池的多个参数，所述多个参数包括气体扩散层的各向异性性质中的至少一个，调整所述多个参数中的至少一个；

确定所述调整步骤是否改善所述燃料电池的性能，以及

通过选择提供改善性能的所述参数设计所述燃料电池。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，使用所述模型通过确定燃料电池的温度分布、含水饱和度、和/或电流密度中的一个或多个确定性能。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，通过提供遍及气体扩散层的更均匀的温度分布改善所述性能。

4.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述模型包括在所述燃料电池内界定的多个区域。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述多个区域包括集电器、通道、气体扩散层、催化剂层和所述膜中的一个或多个。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述燃料电池包括阳极和阴极，并且其中将每个所述阳极和所述阴极界定为分离的区域。

7.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述方法包括使燃料电池为所述设计从而用实验数据验证所述模型的性能。

8.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述多个参数包括气体扩散层(GDL)的材料。

9.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述各向异性性质包括气体扩散层的导电率、热导率、和/或渗透性中的一个或多个。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述热导率包括平面热导率和/或贯通面热导率。

11.一种质子交换膜燃料电池，该质子交换膜燃料电池包括气体扩散层，所述质子交换膜燃料电池具有多个参数，其中，选择所述参数以提供遍及所述气体扩散层的基本上均匀的温度分布。

12.根据权利要求11所述的燃料电池，其中，所述参数包括气体扩散层的热导率，包括气体扩散层的平面热导率和/或贯通面热导率的所述气体扩散层的热导率为基本上各向同性。

13.根据权利要求12所述的燃料电池，其中，气体扩散具有至少10W/(m.K)，或者至少

100W/(m.K)的平面热导率。

14.根据权利要求11或12所述的燃料电池，其中，气体扩散具有至少1W/(m.K)或者至少10W/(m.K)的气体扩散层的贯通面热导率。

15.根据权利要求11-14中任意一项所述的燃料电池，其中，所述气体扩散层具有至少

10W/(m.K)的平面热导率和至少1W/(m.K)的贯通面热导率。

16.一种燃料电池，所述燃料电池包括具有气体扩散层的质子交换膜，其中，所述气体扩散层的热导率为基本上各向同性。

17.一种燃料电池，所述燃料电池包括具有气体扩散层的质子交换膜，其中，所述气体扩散层的平面热导率为基本上各向同性。

18.一种燃料电池，所述燃料电池包括具有气体扩散层的质子交换膜，其中，所述气体扩散层的贯通面热导率为基本上各向同性。

19.一种燃料电池，所述燃料电池包括具有气体扩散层的质子交换膜，其中，所述气体扩散层具有至少10W/(m.K)的平面热导率。

20.根据权利要求19所述的燃料电池，其中，所述气体扩散层的平面热导率为至少

100W/(m.K)。

21.根据权利要求20所述的燃料电池，其中，所述气体扩散层的平面热导率为至少

200W/(m.K)。

22.根据权利要求21所述的燃料电池，其中，所述气体扩散层的平面热导率为至少

400W/(m.K)。

23.一种燃料电池，所述燃料电池包括具有气体扩散层的质子交换膜，其中，所述气体扩散层的贯通面热导率为至少1W/(m.K)。

24.一种燃料电池，所述燃料电池包括具有气体扩散层的质子交换膜，其中，所述气体扩散层的贯通面热导率为至少10W/(m.K)。

25.一种燃料电池，所述燃料电池包括具有气体扩散层的质子交换膜，其中，所述气体扩散层具有至少10W/(m.K)的平面热导率和至少1W/(m.K)的贯通面热导率。

26.根据前述权利要求中任意一项所述的燃料电池，其中，所述气体扩散层为金属。

27.一种具有气体扩散层的燃料电池质子交换膜，所述气体扩散层基本上为任意一项前述权利要求的气体扩散层。

28.一种燃料电池质子交换膜气体扩散层，所述气体扩散层实质上为任意一项前述权利要求的气体扩散层。

29.一种制造包括具有气体扩散层的质子交换膜的燃料电池的方法，该方法包括安排气体扩散层的热导率在平面和/或贯通面方向上为基本上各向同性的步骤。

说明书全文

质子交换膜燃料电池

技术领域

[0001] 本发明涉及一种质子交换膜燃料电池及其设计方法。

背景技术

[0002] 质子交换膜(PEM)燃料电池由于其低的操作温度而可以快速启动，这使得它们适合用于便携设备中。操作PEM燃料电池时，需要考虑的最重要的问题之一是热管理，以保持燃料电池组件内部温度分布尽可能均匀，否则燃料电池可能会由于膜的脱水而遭遇热故障。这需要调查有效热导率，一个重要的组成是具有各向异性的多孔介质的热导率。

[0003] 最近，研究者们对GDLs的各向异性性质对PEM燃料电池的性能的作用表现出越来越多的兴趣[1-5]。Khandelwal和Mench[6]报道了SIGRACET的贯通面热导率(through-plane thermal conductivity)为0.22±0.04W/(m.K)，而Toray报道的数据是1.8±0.27W/(m.K)。Ramousse等[7]报道了在不同压力下GDL的贯通面热导率，获得了在
4.6和13.9bar的压力下的数值分别为0.2和0.27W/(m.K)。然而，Karimi[8]发现在0.7和13.8bar的压力下的贯通面热导率值分别为0.2到0.7W/(m.K)。从这些结果可以看出，GDLs的热传导率因GDL的不同而存在显著的差异。为了研究GDL的热传导率的作用，已经进行了许多数值研究。然而，大多数的PEM燃料电池模型都假定GDLs是由各向同性材料构成。

[0004] Pharaoah和Burheim[9]开发了二维模型来研究PEM燃料电池内的温度分布。GDL的导热率的作用和在水相中的变化，导致在阴极侧比在阳极侧的温度高。Zamel等[10]数值估计了碳纸(carbon paper)的平面(in-plane)热导率和贯通面热导率，该碳纸通常用作PEM燃料电池中的气体扩散层。GDL的热导率对碳纸的孔隙度敏感。随着碳纸孔隙率的降低，发现碳纸的导热率增加，同时平面热导率比贯通面热导率高得多。Burlatsky等[11]开发了数学模型来研究PEM燃料电池中脱水的情形。水的转运依赖于GDL的热导率和水的扩散系数。He等[12]研究了GDL的热导率对PEM燃料电池内的温度分布的作用。他们的研究结果表明，GDL的各向异性热导率导致比对于各向同性的GDL更高的温度梯度，这导致在各向异性情况下，含水饱和度下降。根据Ju Hyunchul[24]，当使用各向异性GDL时比使用各向同性GDL，PEM燃料电池内的温差更大。此外，各向同性的GDLs比各向异性的气体扩散层获得更均匀的电流密度。

[0005] 然而，到目前为止，还没有研究人员用实验数据证明他们的模型结果。

[0006] 特拉华大学的美国专利7785748B2公开了用于制备纳米多孔气体扩散介质的新方法，其组合物和包括其的装置。公开了一种多孔金属气体扩散层。据说，其公开的纳米多孔扩散介质显示出优良的电和热传导性。

发明内容

[0007] 根据本发明的第一个方面，提供了一种设计包括气体扩散层的质子交换膜燃料电池的方法，该方法包括：

[0008] 使用质子交换膜燃料电池的模型来确定所述燃料电池的性能，其中所述模型基于燃料电池的多个参数，所述多个参数包括气体扩散层的各向异性性质中的至少一个，[0009] 调整所述多个参数中的至少一个；

[0010] 确定所述调整步骤是否改善所述燃料电池的性能，以及

[0011] 通过选择提供改善性能的所述参数设计所述燃料电池。

[0012] 使用所述模型确定性能可以包括确定燃料电池的温度分布、含水饱和度、和/或电流密度的一个或多个。可以通过提供遍及气体扩散层的更均匀的温度分布改善性能。可以通过最大化燃料电池的含水饱和度，例如在气体扩散层和催化剂层之间的界面，改善性能。

[0013] 所述燃料电池优选包括通过膜相连的阳极和阴极。该模型可以包括在燃料电池内界定的多个区域。所述多个区域可以包括集电器(current collector)、通道、气体扩散层、催化剂层和所述膜中的一个或多个。将每个所述阳极和所述阴极可以界定为分离的区域。每个所述区域可以被划分成多个单元，从而可以改善计算时间。

[0014] 该方法可以进一步包括使燃料电池为所述设计从而可以用实验数据验证所述结果。

[0015] 多个参数可以包括气体扩散层(GDL)的材料。例如，可以用金属基GDL替换传统的碳纤维基GDL，所述金属基GDL的热和电传导率比传统GDL的热和电传导率显著更高。例如，铜和铝的热导率分别大约为400和240W/(m.K)。

[0016] 各向异性性质可以包括气体扩散层的导电率、热导率、和/或渗透性中的一个或多个。包括这样的性质会加强数学模型的预测性。

[0017] 热导率可以包括平面热导率和/或贯通面热导率。可以调节所述平面热导率为至少1W(m.K)、至少10W(m.K)、至少20W(m.K)或至少100W(m.K)。调节所述平面热导率的同时，贯通面热导率可以保持恒定，例如在1W(m.K)。可以调节所述贯通面热导率为至少0.1W(m.K)、至少1W(m.K)、或至少10W(m.K)。调节所述贯通面热导率的同时，平面热导率可以保持恒定，例如在10W(m.K)。所述平面热导率和所述贯通面热导率的比例可以为10:1。

[0018] 分别调节平面热导率和贯通面热导率，允许模型考虑到气体扩散层的各向异性的热导率。可以应用类似的方法到导电性和/或透气性。

[0019] 值得注意的是，当GDL热导率增大，热耗散的速率也会增加，因此，温度分布变得更加均匀且最高温度降低。作为在催化剂层发生放热电化学反应的结果，主要产生热量。

[0020] 根据本发明的另一方面，提供了一种包括气体扩散层的质子交换膜燃料电池，所述质子交换膜燃料电池具有多个参数，其中，选择所述参数以提供遍及所述气体扩散层基本上均匀的温度分布。

[0021] 所述参数可以包括气体扩散层的热导率。包括气体扩散层的平面热导率和/或贯通面热导率的所述热导率可以为基本上各向同性。

[0022] 所述气体扩散层可以具有至少10W/(m.K)或者至少100W/(m.K)的平面热导率。所述气体扩散层的贯通面热导率可以为至少1W/(m.K)或至少10W/(m.K)。所述气体扩散层可以具有至少10W/(m.K)的平面热导率和至少为1W/(m.K)的贯通面热导率。

[0023] 根据本发明的另一个方面，提供了一种燃料电池，所述燃料电池包括具有气体扩散层的质子交换膜，其中，所述气体扩散层的热导率为基本上各向同性。

[0024] 根据本发明的另一个方面，提供了一种燃料电池，所述燃料电池包括具有气体扩散层的质子交换膜，其中，所述气体扩散层的平面热导率为基本上各向同性。

[0025] 根据本发明的另一个方面，提供了一种燃料电池，所述燃料电池包括具有气体扩散层的质子交换膜，其中，所述气体扩散层的贯通面热导率为基本上各向同性。

[0026] 根据本发明的另一个方面，提供了一种燃料电池，所述燃料电池包括具有气体扩散层的质子交换膜，其中，所述气体扩散层具有至少10W/(m.K)的平面热导率。

[0027] 所述气体扩散层的平面热导率可以为至少100W/(m.K)，或至少200W/(m.K)或至少400W/(m.K)。

[0028] 所述气体扩散层的平面热导率可以为至少1W/(m.K)或至少10W/(m.K)。

[0029] 根据本发明的另一个方面，提供了一种燃料电池，所述燃料电池包括具有气体扩散层的质子交换膜，其中，所述气体扩散层具有至少10W/(m.K)的平面热导率和至少为1W/(m.K)的贯通面热导率。

[0030] 所述气体扩散层可以为金属。

[0031] 根据本发明的另一个方面，提供了一种具有气体扩散层的燃料电池质子交换膜。根据本发明的另一个方面，提供了一种燃料电池质子交换膜气体扩散层。

[0032] 根据本发明的另一个方面，提供了一种制造包括具有气体扩散层的质子交换膜的燃料电池的方法，该方法包括安排气体扩散层的热导率在平面和/或贯通面方向上为基本上各向同性的步骤。

[0033] 本发明还进一步提供了实施上述系统和方法的处理器控制代码，例如，在通用计算机系统上或在数字信号处理器(DSP)上。在物理数据载体，例如硬盘、CD-ROM或DVD-ROM、如非易失性存储器(例如闪存)的编程的存储器或只读存储器(固件)上提供所述代码。实施本发明具体实施方式的代码(和/或数据)可以包括以传统编程语言(解释或编辑)例如C或汇编码形式的源代码、目标代码或执行代码。本领域技术人员将理解这样的代码和/或数据可以在多个成对的组件之间分配以相互通信。

附图说明

[0034] 本发明通过示例的方式图解说明，在附图中，其中：

[0035] 图1是PEM燃料电池在其计算区域内的示意图；

[0036] 图2显示极化曲线，即电压随电流密度的变化，针对三个每个有不同平面热导率的理论燃料电池与实验数据的对比；

[0037] 图3是针对图2的三个不同燃料电池显示四个温度下功率密度上变化的曲线图；

[0038] 图4a到4c显示针对三个不同燃料电池，在阴极GDL内的温度(K)分布上的变动；

[0039] 图5a到5c显示针对三个不同燃料电池，在阴极GDL和阴极催化剂层之间的界面处的含水饱和度的变动；

[0040] 图6显示极化曲线，即电压随电流密度的变化，针对三个每个有不同贯通面热导率的理论燃料电池与实验数据的对比；

[0041] 图7是针对图6的三个不同燃料电池显示四个温度下功率密度上变化的曲线图；

[0042] 图8a到8c显示针对图6的三个不同燃料电池的阴极GDL内的温度(K)分布上的变动；

[0043] 图9a到9c显示针对图6的三个不同燃料电池，在阴极GDL和阴极催化剂层之间的界面处的含水饱和度的变动；

[0044] 图10a至10c显示针对三个具有不同平面热导率的理论燃料电池，在PEM燃料电池内温度(K)分布上的变动；以及

[0045] 图11显示极化曲线，即电压随电流密度的变化，针对图10a的三个燃料电池与实验数据的对比。

[0046] 附图的详细描述

[0047] 气体扩散层(GDLs)是质子交换膜(PEM)燃料电池的主要部件之一。质子交换膜(PEM)燃料电池由于其高效率、快速启动和低操作温度而成为最流行类型的燃料电池。为了得到在PEM燃料电池中有效的热和水的管理，应确定多孔介质的热导率。另外，气体扩散层(GDLs)的热导率具有各向异性，例如导电性和透气性。然而，大多数的PEM燃料电池模型都假定气体扩散层包括各向同性材料。

[0048] 如下面更详细描述的，数值研究了在不同的操作温度下的GDL的各向异性的热导率的作用。结果发现，具有现实的热导率值的数值模型的输出与实验数据很好地吻合。此外，研究了平面和贯通面方向上PEM燃料电池性能对GDL的热导率的灵敏度，并且比较了介于不同GDL热导率之间的温度分布。结果表明，提高GDL的平面和贯通面热导率显著提高了PEM燃料电池的功率密度。而且，温度梯度显示出对GDL的平面热导率更大的灵敏度，与对贯通面热导率的相反。总之，评估了各向异性的GDLs对温度分布和电流密度的作用，结果用实验数据进行了验证。

具体实施方式

[0049] 在这项研究中，以下列假设开发三维(3-D)多相模型：

[0050] ·流体流被假定为层流，因为入口速度很低；

[0051] ·该反应为稳态条件下；以及

[0052] ·假定反应气体为理想气体。

[0053] 控制方程

[0054] 基本上，燃料电池中的流体流动由下面的方程式控制[13]：

[0055] 质量守恒：

[0056]

[0057] 动量守恒：

[0058]

[0059] 物种守恒(Conservation of species)：

[0060]

[0061] 其中，ρ是流体密度，是流体速度矢量，p是流体压力，μ是混合物粘度，Yk是气体物种k的质量分数，ε是多孔介质的孔隙率，Sk是物种k的源汇项(the source or sink term)，以及是物种k的扩散系数并可以用下式计算：

[0062]

[0063] 其中，ξ为多孔介质的迂曲度(tortuosity)并且D是普通的扩散系数。

[0064] 电荷守恒：

[0065]

[0066]

[0067] 其中，σsol是固体的电导率，σmem是膜中的质子传导率，是固相的电位，是膜相的电位，Ja是阴极催化剂反应速率，Jc是阴极催化剂反应速率。

[0068] 液态水构成守恒(Conservation of liquid water formation)：

[0069]

[0070] 其中，S是液体含水饱和度，L是液态水，rw为气体和液体之间的传质速率。

[0071] 能量守恒：

[0072]

[0073] 其中，cp是气体混合物的比热容，T是温度，Se是能量来源项，keff是气体混合物的有效热导率并被定义为如下：

[0074]

[0075] 其中，ks和kF分别为固体和液体区域的热导率。

[0076] 上述方程中的所有源术语列在表1中。

[0077] 表1

[0078]

[0079] 计算区域

[0080] 图1显示了PEM燃料电池的11-通道蛇形流场的示意图。通常情况下，PEM燃料电池包括质子传导聚合物膜，(电解质)用以分隔阳极和阴极侧。在阳极侧，氢扩散到阳极催化剂，在此氢随后解离成质子和电子。这些质子常常与氧化剂发生反应，使得它们成为通常被称为的多促进质子膜(multi-facilitated proton membranes)。质子通过膜传导到阴极，而电子被迫在外部电路流动(供电)，因为该膜是电绝缘的。在阴极催化剂上，氧分子与电子(通过外电路到达的)和质子反应形成水-在这个例子中，唯一的废物，液态的或气态的。

[0081] PEMFC的不同组件是双极板、电极、催化剂、膜、以及必要的硬件。用于燃料电池不同部分的材料类型不同。双极板可以由不同类型的材料制成，例如，金属、涂布金属、石墨、柔性石墨、C-C复合材料、碳-高分子复合材料等。膜电极(MEA)通常由夹在两个催化剂涂覆的碳纸之间的质子交换膜制成。铂和/或类似的贵金属通常被用作PEM燃料电池的催化剂。电解质可以是聚合物膜。

[0082] 仅仅作为一个例子，PEM燃料电池的尺寸可以被指定为在x、y和z方向分别为32×10.81×32mm。3-D模型由九个区域组成，分别为：阴极集电器、阴极通道、阴极气体扩散层、阴极催化剂层、膜、阳极催化剂层、阳极气体扩散层、阳极通道和阳极集电器。由不同数量的电池建立5个网格(meshes)，并且计算这5个网格的平均电流密度在0.55V。用于示例的目的，使用具有约1,800,000控制体积(control volumes)的网格保存计算时间和计算存储器，用以研究GDL各向异性的热导率对PEM燃料电池的性能的作用。已经通过在软件中使用燃料电池模块执行了该模拟。

[0083] 物理和运行参数

[0084] PEM燃料电池中的流体流动在稳态下产生，并且所有的控制参数，与实验参数一样的数值，列于表1中。对于这些实例的目的，阳极侧的流速设置为0.42米/秒且有充分湿润的氢气，而在阴极侧的流速为1.06米/秒且有加湿的空气。等温的恒温壁面边界被定义为电池侧和集电器。操作温度分别为303K、313K、323K和333K。阳极和阴极侧的表压(gauge pressure)均设定为2.5bar。实例中的所有物理、几何和操作参数总结在表2中。

[0085] 表2

[0086]参数值
通道长度(m) 2.8×10-2
通道高度(m) 2.0×10-3
通道宽度(m) 2.0×10-3
GDL厚度(m) 3.0×10-4
催化剂层的厚度(m) 3.0×10-5
膜厚度(m) 1.5×10-4
操作温度(K) 303
阳极表压(bar) 2.5
阴极表压(bar) 2.5
催化剂层的孔隙率 0.4[14]
GDL的孔隙率 0.7[15]
GDL的贯通面渗透率(m2) 4.97×10-13 [16]
GDL的平面内渗透率(m2) 1.87×10-12 [16]
GDL的贯通面惯性系数(m-1) 4.22×107 [16]
GDL的平面惯性系数(m-1) 4.05×106 [16]
GDL的贯通面导电性(S/m) 48 [17]
GDL的平面内导电性(S/m) 4000 [17]
催化剂层的渗透性(m2) 1×10-13 [18]
催化剂层的导电性(S/m) 300 [19]
膜的渗透性(m2) 1.8×10-18
集电器的密度(kg/m3) 1860
集电器的比热容(J/(kg.K)) 865
集电器的电导率(S/m) 3200
阳极进气速度(m/s) 0.42
阴极进气速度(m/s) 1.06

[0087]氢气的入口质量分数(阳极) 0.37
水的入口质量分数(阳极) 0.63
氧气的入口质量分数(阴极) 0.22
氮气的入口质量分数(阴极) 0.72
水的入口质量分数(阴极) 0.06
阴极反应的传递系数 0.512[20]
阴极的参考交换电流密度(A/m2) 193[20]
阳极反应的传递系数 0.5[20]
阳极的参考交换电流密度(A/m2) 930000[20]

[0088] 结果与讨论

[0089] 为了研究PEM燃料电池中GDL的各向异性导热率的作用，研究了九个不同的实施例。第一组三个实施例研究了平面热导率的作用，其结果示于图2至图5c中。第二组三个实施例研究了贯通面热导率的作用，其结果示于图6至图10c中。最后三个实施例研究了平面热导率的效果，其结果示于图10a至图11。

[0090] 第一组三个实施例总结如下：

[0091]实施例编号 GDL的贯通面热导率(W/(m.K)) GDL的平面热导率(W/(m.K))
I 1 1
II 1 10
III 1 100

[0092] 在第一组三个实施例中，GDL的平面热导率从1提高到10至100W/(m.K)。已经报道平面热导率在10-15W/(m.K)之间[10]，基于此，已经确定增加或降低该值10倍。GDL的贯通面热导率保留在1W/(m.K)的恒定值，即报道的实验值[6,10]。

[0093] 图2显示了极化曲线，这些曲线为不同情况产生并且为内部(in-house)PEM燃料电池与验数据相比较。我们观察到的结果表明，当平面热导率为10W/(m.K)以及贯通面热导率为1W/(m.K)时，实验数据和实施例II之间具有很好的一致性。正如前面提到的，这最有可能是实验研究中的热导率值。

[0094] 图3显示了PEM燃料电池在0.55V的功率密度，这是PEM燃料电池的正常工作电压之一。很显然，当GDL的平面热导率从1增加到10至100W/(m.K)，PEM燃料电池的功率2
密度分别从84.2增大到109.5至152.1mA/cm。类似地，虽然不太明显，但是在PEM燃料电池更高的工作温度313K、323K或333K下发现有作用。

[0095] GDL的热导率在功率密度上的作用是因为作为增加热导率的结果当温度降低时电阻降低[21]。此外，GDL的增加的总热导率有助于从MEA消散热量，结果这些导致更均匀的温度分布以及有更多的液体水湿润膜，这增强了离子电导率，并随后改善了电池的性能[22]。

[0096] 遍及GDL的温度分布示于图4a到4c中。结果表明，当GDL的平面热导率增加时，温差减少和GDL中的温度变得更均匀。当GDL的平面热导率为1W/(m.K)时，发现最高温度为313.6K以及温差是10K。当GDL的平面热导率增加到10W/(m.K)和温差为5.5K时，最高温度降低至308.5K。最终，当GDL的平面热导率为100W/(m.K)并且沿GDL温度变得更加均匀时，最高温度变为306.1K。

[0097] 低的平面热导率使燃料电池的区域保持相对的冷，因此增加了形成水袋的可能，所述水袋可能堵塞PEM燃料电池的通道。这图示于图5a至图5c。

[0098] 从图5c中可以看出，当平面热导率为它的最大值，即100W/mk时，最大的含水饱和度为0.367。如此高的含水饱和度意味着因为由高的GDL平面热导率造成的低温[11,21]更多的液体水留在阴极。这导致相比在低的平面热导率的情况下，更少的由电池中电化学反应产生的水的蒸发[23]。

[0099] 第二组三个实施例的总结如下：

[0100]实施例编号 GDL的贯通面热导率(W/(m.K)) GDL的平面热导率(W/(m.K))
IV 0.1 10
V 1 10
VI 10 10

[0101] 第二组三个实施例中，研究了贯通面热导率的作用。GDL的贯通面热导率从0.1W/(m.K)增加到1至10W/(m.K)，同时GDL的平面热导率稳定在10W/(m.K)的实验值。报道的贯通面热导率介于0.1-1W/(m.K)[6,10]之间，基于此，已经确定增加和减小该值10倍。

[0102] 图6显示了或自用于内部PEM燃料电池与实验数据相比的CFD模型的极化曲线。结果表明，实验数据和实施例V之间具有很好的一致性，表2中的实施例II也同样。

[0103] 图7图示了PEM燃料电池在0.55伏的功率密度，PEM燃料电池的典型工作电压之一。当GDL的平面热导率从0.1增加到1至10W/(m.K)时，PEM燃料电池的功率密度分别从84.1增加到109.5至119.2mA/cm2。当PEM燃料电池的操作温度从313K增加到323K、增加到333K时，在每个温度也观察到这种增加的行为。增加的贯通面热导率有助于降低温差，并且随后蒸发更少的液态水，这改善了PEM燃料电池的性能。

[0104] GDL的贯通面热导率对PEM燃料电池中温度分布的作用图示于图8a至8c中。当GDL的贯通面热导率为0.1W/(m.K)以及最大温差为9.4K时，发现最高温度为312.4K。当GDL的贯通面热导率增加至1W/(m.K)并且最大温差为5.5K时，最高温度减少至308.5K。最终，当GDL的平面热导率为10W/(m.K)、温度沿着GDL变得更加均匀、以及温差不超过2.9K时，最高温度变为305.9K。这是因为增加GDL内的热量去除有助于产生更均匀的温度分布[22]。

[0105] 从图9a至9c可以看出，当贯通面热导率为最大，即10W/(m.K)时，最大的含水饱和度为0.371。如此高的含水饱和度意味着因为由高的GDL平面热导率导致的低温更多的液体水留在阴极。当贯通面热导率降低到0.1W/(m.K)时，此含水饱和度降低到0.355。

[0106] 最后三个实施例的总结如下：

[0107]实施例编号 GDL的贯通面热导率(W/(m.K)) GDL的平面热导率(W/(m.K))
VII 1 20
VIII 1 10
IX 1 1

[0108] 在此研究中，如上文所述，在稳态条件下开发的三维(3-D)模型。在这种情况下；阳极侧的流速为0.24米/秒且有充分湿润的氢气，而在阴极侧的流速为1.06米/秒且有加湿的空气。热壁边界(thermal wall boundaries)被定义为电池侧和集电器。GDL的平面热导率略有增加，而GDL的贯通面热导率维持为1W/(m.K)不变。

[0109] 如图10a到10c中所示，当平面热导率升高时温度降低，通道区域的温度比集电器的区域的温度更高。对于平面热导率为1W/(m.K)、10W/(m.K)和20W/(m.K)，最大温度分别为306.6K、305.2K和304.0K。

[0110] 如图11所示，当GDL的平面热导率增加时，PEM燃料电池的整体性能提高。

[0111] 结论

[0112] 已开发了3-D多相流模型研究GDL的各向异性热传导对PEM燃料电池性能的作用，并已经以内部PEM燃料电池验证。已经发现，当在研究的操作条件下热导率增大时，PEM燃料电池中的最高温度降低。另外，当增加平面热导率和贯通面热导率时，温差降低。研究结果表明，随着GDL在两个方向(即平面和贯通面)上的热导率的增加，PEM燃料电池的电流密度增加。这是所有已经研究(303K、313K、323K和333K)的不同操作温度的情况。此外，增加GDL的热导率增加液体含水饱和度，同时最高温度降低。本发明已强调了需要准确确定GDL热导率。

[0113] 术语

[0114] A MEA的截面积(m2)

[0115] F 法拉第常数

[0116] I 电流密度大小(Current density magnitude)(A m-2)[0117] iref 参考电流密度(A m-2)

[0118] J 反应速度

[0119] K GDL的热导率(Wm-1K-1)

[0120] M 摩尔质量(kg mol-1)

[0121] R 通用气体常数(J mol-1K-1)

[0122] Se 能量源项

[0123] 氢气源项

[0124] 氧气源项

[0125] 水源项

[0126] T 温度(K)

[0127] V 电压(V)

[0128] VOC 开路电压(V)

[0129] Y 质量分数

[0130] 希腊符号：

[0131] 电解质相电位(V)

[0132] 固相电位(V)

[0133] ε 多孔介质的孔隙率

[0134] σmem 膜的质子传导性

[0135] σsol 固体的电导率

[0136] μ 流体粘度(Pa.s)

[0137] ρ 密度(kg/m3)

[0138] 下标：

[0139] an 阳极

[0140] cat 阴极

[0141] H2 氢气

[0142] H2O 水

[0143] L 液态水

[0144] mem 膜

[0145] O2 氧气

[0146] ref 参考

[0147] 缩略语

[0148] CFD 计算流体动力学

[0149] CL 催化剂层

[0150] GDL 气体扩散层

[0151] MEA 膜电极组件

[0152] PEMFC 质子交换膜燃料电池

[0153] 参考文献

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[0178] 毫无疑问，本领域技术人员将想到许多其他有效的替代方式。应当理解的是，本发明并不限于所描述的实施例，对本领域技术人员来说没有偏离所附权利要求限定的本发明的本质和范围的修改和变化是显而易见的。

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