專利名稱：具有交指型液流通路和水輸送板的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池發(fā)電裝置，更具體地說，是涉及利用一種其中具有交指型液流通路的水輸送板從而為所述燃料電池供應(yīng)反應(yīng)氣的燃料電池發(fā)電裝置。
背景技術(shù)：
燃料電池發(fā)電裝置是固定和移動兩種應(yīng)用的電化學(xué)選擇性電源。作為這類發(fā)電裝置核心的燃料電池，它由陽極、陰極和隔離陽極與陰極的電解液所組成。陽極是表示負(fù)電極，而陰極是表示正電極。在燃料電池的運轉(zhuǎn)過程中，燃料反應(yīng)氣(它典型地為富氫氣流)進(jìn)入與陽極相鄰的支撐板中。這類支撐板，下文稱之為陽極支撐板。而氧化反應(yīng)氣(它通常為空氣)進(jìn)入與陰極相鄰的支撐板中。這類支撐板在下文中稱之為陰極支撐板。當(dāng)所述富氫氣流流過所述陽極支撐板時，放置在陽極支撐板與電解液之間的催化劑，將使所述氫發(fā)生氧化，從而形成氫離子和電子。在當(dāng)氫離子經(jīng)過電解液遷移到陰極時，電子經(jīng)過一個外部電路遷移到陰極上。另一種在電解液陰極一側(cè)的催化劑，使氧與在陽極釋放出來的氫離子和電子進(jìn)行反應(yīng)，從而形成水。這些在催化劑和電解液附近進(jìn)行的反應(yīng)，將會在燃料電池中形成電位。電子流過與燃料電池相連接的外部電路，將會產(chǎn)生有用功，如為汽車的發(fā)動機(jī)提供動力。
存在有各種不同類型的燃料電池，它們根據(jù)其電解液而變化。電解液是存在于陽極和陰極之間的的離子化導(dǎo)電物質(zhì)。一種類型的燃料，它包括一種固體聚合物電解液或也稱作質(zhì)子交換膜(PEM)。結(jié)合有一種固體聚合物電解液(質(zhì)子交換膜)的燃料電池，下文稱之為PEM燃料電池。在PEM燃料電池中的催化劑層，典型地是附著在所述膜的兩側(cè)，從而形成膜電極裝置(MEA)。如上所述，當(dāng)氫離子流過所述MEA時，在氫離子、電子和氧化反應(yīng)氣之間的電化學(xué)反應(yīng)，會在陰極中形成水。這種水通常稱之為“產(chǎn)物水”。另外，水也可能聚集在陰極中，這是由于水分子運動遲緩，它在燃料電池運轉(zhuǎn)過程中與氫離子一起流過MEA。這類水通常稱之為“質(zhì)子遲緩水”。從陽極到陰極的質(zhì)子遲緩會導(dǎo)致在PEM陽極一側(cè)比其陰極一側(cè)具有較低的水含量。在陽極和陰極兩側(cè)水含量的差值，將會產(chǎn)生滲透壓力，它促進(jìn)水流從PEM的陰極一側(cè)向陽極一側(cè)流動。不過，如果PEM(即電解液)不能對水保持高度飽和，則PEM阻力會增大，由燃料電池得到的有用功降低。另外，如果產(chǎn)物水和遲緩水聚集在陰極中，則聚集的水可能會阻止并抑制氧與氫離子和電子反應(yīng)。在陰極中水的聚集這樣就會降低在燃料中形成的電位，從而限制了燃料電池的性能。而且，如果陰極水含量不能降低，則陰極將會被淹沒，燃料電池將會最終停止發(fā)電并關(guān)閉。
為了幫助氧化反應(yīng)氣到達(dá)MEA上的催化劑，陰極支撐板通常包括一個擴(kuò)散層和一個基質(zhì)層。擴(kuò)散層和基質(zhì)層通常由多孔的疏水性碳層所構(gòu)成。疏水性是表示對水是不相容的，因而通常也稱之為抗?jié)竦?。不過，采用親水性基質(zhì)替代疏水性基質(zhì)也是公知的。親水性表示能夠吸收水，因而通常稱之為可濕的。例如，US5641586公開了一種陰極支撐板，它包括一個親水性基質(zhì)層和一個疏水性擴(kuò)散層。US5641586的目的包括提供一種多孔支撐板，在當(dāng)氧化氣體流過這類支撐板時，它可降低氧化氣體的壓力降，使這類支撐板中水的聚集最小化，并使氧化反應(yīng)氣最大可能地接近所述催化劑。盡管親水性基質(zhì)可能會降低氧化反應(yīng)氣流過陰極的壓力降，但是，親水性基質(zhì)由于其固有的性能，它會較疏水性基質(zhì)吸收更多的水。因此，除非這些水能夠適當(dāng)?shù)貜年帢O支撐板中移走，否則，親水性基質(zhì)將會吸收這些水，這反過來將會最終淹沒陰極支撐板。淹沒陰極支撐板從而就否定了US5641586的一個發(fā)明目的即，使水聚集最小化的目的。
淹沒陰極支撐板還將會抑制氧化反應(yīng)氣到達(dá)催化劑。US5641586公開了一種在較高壓力下運轉(zhuǎn)的電池，在這類電池中的產(chǎn)物水通常是經(jīng)由氧化反應(yīng)氣廢氣物流作為水蒸氣和攜帶的液態(tài)水的混合物流出所述電池的。攜帶液態(tài)水沿著反應(yīng)物液流通路，從電池內(nèi)部移動到氧化反應(yīng)氣廢氣物流中。這種設(shè)計很好地適合于采用疏水性基質(zhì)和固體反應(yīng)物支撐板的電池結(jié)構(gòu)。不過，US5641586公開了一種采用親水性基質(zhì)的電池，它將會吸收液態(tài)水并淹沒所述基質(zhì)，從而阻止氧傳送到陰極催化劑上。
US5641586還公開了一種與親水性基質(zhì)一側(cè)相鄰的擴(kuò)散層或PEM層，和一種與親水性基質(zhì)另一側(cè)相鄰的固體流域板。所述固體流域板，它也稱作隔板，限定反應(yīng)氣流過的液流通路。由于所述流域板是固態(tài)的(即，非多孔性的)，不能滲透氣體和液體，所以，所述通路不僅能夠為燃料電池提供氧化反應(yīng)氣，而且，還能用作產(chǎn)物水的流出通道。不過，為了促進(jìn)產(chǎn)物水流過所述通路，所述氧化反應(yīng)氣物流的壓力必須是相對很高的(在該專利中為5大氣壓)，而這是一種不受人歡迎的操作條件。
發(fā)明的描述本發(fā)明的目的包括一種燃料電池發(fā)電裝置，它可有效合適地從陰極移走產(chǎn)物水和質(zhì)子遲緩水，從而保護(hù)最大數(shù)量的氧能夠從所述反應(yīng)氣物流到達(dá)位于MEA的陰極一側(cè)的催化劑上，并與催化劑進(jìn)行反應(yīng)。
本發(fā)明涉及燃料電池發(fā)電裝置，它包括一種具有膜電極裝置(MEA)的燃料電池，它放置在一個陽極支撐板和一個陰極支撐板之間，其中，所述陽極和/或陰極支撐板包括一個親水性基質(zhì)層。所述燃料電池發(fā)電裝置還包括一路燃料反應(yīng)氣物流(它與所述陽極支撐板的親水性基質(zhì)層流體連通)，和一路氧化反應(yīng)氣物流(它與所述陰極支撐板的親水性基質(zhì)層流體連通)，和一路冷卻水物流(它與所述陽極和陰極支撐板親水性基質(zhì)層都是流體連通的)。陽極支撐板中的親水性基質(zhì)可促進(jìn)冷卻水遷移到所述MEA陽極一側(cè)，而陰極支撐板中的親水性基質(zhì)提高水從所述MEA的陰極一側(cè)流出。在所述陽極和陰極支撐板中的疏水性基質(zhì)層，具有預(yù)定水平的孔隙率(即孔隙數(shù)目)和孔隙尺寸。本發(fā)明的發(fā)明人認(rèn)識到，不控制所述含有水新水性基質(zhì)中的孔隙數(shù)目，則水將充滿100％可利用的孔隙，從而阻止所述反應(yīng)氣體的所有遷移。為此，本發(fā)明的發(fā)明人認(rèn)識到，反應(yīng)氣體物流和冷卻劑物流的壓力，控制著含水或反應(yīng)氣體的孔隙的百分比。本發(fā)明利用所述冷卻劑物流和反應(yīng)氣體物流的壓差，來控制親水性基質(zhì)孔隙中所述物流的各自分布。所述壓差是確定的，它可使得更大百分比的所述親水性基質(zhì)層孔隙含有反應(yīng)氣體而不是水。為此，本發(fā)明提供一種用來在所述反應(yīng)氣體物流和所述冷卻劑物流間形成壓差的裝置，使得所述反應(yīng)氣體物流的壓力大于所述冷卻劑物流的壓力。在這種壓差下操作所述燃料電池，可保證在所述陰極催化劑層形成的產(chǎn)物和質(zhì)子遲緩水，遷移流過所述陰極支撐板并從所述MEA流出?？刂扑鯩EA的陽極一側(cè)的冷卻劑和燃料反應(yīng)氣體物流，也可保證所述冷卻水能連續(xù)地從所述冷卻劑物流向所述MEA的陽極一側(cè)遷移，從而防止所述膜變成是干燥的。
在所述陰極和陽極支撐板中合適的水平衡，可保證所述PEM能保持潮濕，從而延長所述燃料電池的壽命，并提高其電效率。合適的水移走，也可有利于提高所述燃料電池中氧的利用率。特別地，如果沒有合適的水移走，則可利用氧的減少部分到達(dá)所述催化劑。提高在所述催化劑可利用氧的數(shù)量，可以提高所述燃料電池的性能和/或降低所述燃料電池的整體尺寸，以產(chǎn)生確定的額定功率。盡管US5641586認(rèn)識到，用一種親水性基質(zhì)層替代所述陰極疏水性基質(zhì)層，能提高電池電壓，但是該專利沒有論述從所述陰極中移走水的重要性。而且，該專利沒有教導(dǎo)控制所述反應(yīng)氣體物流與所述冷卻劑物流間的壓力，以控制所述親水性基質(zhì)的填充孔隙率，以及降低所述催化劑層的水含量。相反，本發(fā)明提供一種用來阻止所述陰極支撐板充溢的裝置，從而保證最大數(shù)量的氧化劑反應(yīng)氣體能到達(dá)所述MEA的陰極一側(cè)。因此，本發(fā)明不僅能提高一種燃料電池的電功率輸出容量，而且，也能提高所述燃料電池的氧利用率，它反過來進(jìn)一步提高所述燃料電池系統(tǒng)的操作效率。
因而，本發(fā)明涉及一種燃料電池發(fā)電裝置，其含有一種燃料電池，該燃料電池包括一個陽極支撐板和一個陰極支撐板和一個設(shè)置在所述陽極和陰極支撐板之間的膜電極裝置，其中所述膜電極裝置包括一種設(shè)置在兩個催化劑之間的聚合物電解質(zhì)膜，且其中所述陽極支撐板和所述陰極支撐板每個都含有一個多孔親水性基質(zhì)層。所述燃料電池發(fā)電裝置還包括與所述陽極和陰極支撐板相鄰的多孔水輸送板，從而提高所述燃料電池從所述陰極支撐板移走水并傳遞所述水經(jīng)過所述陽極支撐板到所述膜的能力。特別地，所述水輸送板在一側(cè)具有通道，它們可允許所述冷卻劑物流從其流過，在其另一側(cè)具有分隔的通道，它們可允許所述反應(yīng)氣體物流從其流過。由于所述陰極水輸送板是多孔的，所以所述孔隙可允許產(chǎn)物水從所述基質(zhì)層流到并流過所述陰極水輸送板，最終流入到所述冷卻劑物流中。因此，水是經(jīng)由所述冷卻劑物流而不是反應(yīng)物通道從所述燃料電池中流出的，如US5641586所述。結(jié)果是，所述燃料電池可在較低壓力下工作。同樣地，在所述陽極水輸送板中的孔隙可允許所述水從其冷卻通道流到所述陽極支撐板。為了促進(jìn)水的有效流動，所述燃料電池發(fā)電裝置還可包括一種裝置，其用來在所述反應(yīng)氣體物流和所述冷卻劑物流間形成一個預(yù)定的壓差，使得所述反應(yīng)氣體物流的壓力大于所述冷卻劑物流的壓力。
在本發(fā)明的另一個實施方式中，所述水輸送板包括交指型通道(即流體通路)，來替代常規(guī)的通道使反應(yīng)氣體物流經(jīng)其流過。交指型通道意味著由一個隔墻(即肋條)分隔開的至少兩個不同的通道，使得所述反應(yīng)氣體物流進(jìn)入一個通道(即進(jìn)入通道)，并流出另一個通道(即流出通道)。為了使所述反應(yīng)氣體物流能從所述進(jìn)入通道遷移到所述流出通道，所述反應(yīng)氣體物流流過所述陽極和陰極支撐板，從而提高所述反應(yīng)氣體物流到所述陽極和陰極支撐板的傳質(zhì)。提高到達(dá)所述催化劑的反應(yīng)氣體的數(shù)量，反過來，可提高所述燃料電池的電生產(chǎn)力。因此，在一種多孔水輸送板中采用交指型液流通路替代常規(guī)液流通路，可提高所述燃料電池的電生產(chǎn)力，同時能保持一種有效的水處理系統(tǒng)。
在本發(fā)明的另一個實施方式中，所述交指型通道包括在所述陽極和/或陰極基質(zhì)中，而不包括在所述陽極和/或陰極水輸送板中。
在本發(fā)明另外的實施方式中，所述陽極和/呀陰極魂板可包括一個擴(kuò)散層。如果是這樣的話，則優(yōu)選地所述擴(kuò)散層是部分疏水性的，而不是完全疏水性的，這是因為部分疏水性擴(kuò)散層較完全疏水性擴(kuò)散層，能夠傳遞更大百分比的液態(tài)水，如US5641586中所述。
在本發(fā)明的另一個實施方式中，燃料電池具有一個陽極和/或一個陰極支撐板，它包括一個疏水性基質(zhì)層，但不包括擴(kuò)散層。去除陽極擴(kuò)散層或減小其厚度，可提高水從所述水輸送板到所述MEA的遷移，從而保證所述PEM合適地潮濕，特別是在高電流密度時，它反過來，可進(jìn)一步提高所述燃料電池的電效率。去除所述陰極擴(kuò)散層或減小其厚度，可降低所述氧化劑反應(yīng)氣體在到達(dá)所述催化劑之前必須流過的距離，從而提高所述燃料電池的氧利用性能。
按照本發(fā)明，一種基本大氣的PEM燃料電池，在空氣化學(xué)計量為2.50(250％)或更低下進(jìn)行操作時，可獲得約每平方厘米為1.6安的最大電流密度。
本發(fā)明的前述特征和優(yōu)點，參照如附圖所述的范例性實施方式的詳細(xì)描述將會變得更加清楚。
附圖的簡要說明

圖1是一種燃料電池發(fā)電裝置的示意圖，它包括一個PEM燃料電池和一個用來控制反應(yīng)氣體物流和冷卻劑物流壓力的裝置。
圖2是說明一種疏水性基質(zhì)層的孔隙尺寸和孔隙率之間相應(yīng)關(guān)系的示意圖。
圖3是說明基于圖2曲線中一個給定孔隙尺寸的液體和氣體孔隙的百分比的示意圖。
圖4是說明一種PEM燃料電池的示意圖，它包括疏水性擴(kuò)散和基質(zhì)層，位于所述PEM燃料電池的陽極和陰極支撐板中。
圖5是說明一種PEM燃料電池的示意圖，它包括一個疏水性擴(kuò)散層和一個親水性基質(zhì)層，位于所述PEM燃料電池的陽極和陰極支撐板中。
圖6是說明一種PEM燃料電池的示意圖，它包括一個疏水性擴(kuò)散層和一個親水性基質(zhì)層，位于所述PEM燃料電池的陰極支撐板中，且僅有一個親水性基質(zhì)層，位于所述陽極支撐板中。
圖7是說明一種PEM燃料電池的示意圖，它僅包括一個親水性基質(zhì)，位于所述PEM燃料電池的陽極和陰極支撐板中。
圖8是表1所述多種不同燃料電池構(gòu)造的電流密度相對電池電壓的曲線圖。
圖9是表1所述多種不同燃料電池構(gòu)造的燃料電池氧利用率相對電池電壓的曲線圖。
圖10是表2所述多種不同燃料電池構(gòu)造的電流密度相對電池電壓的曲線圖。
圖11是所述燃料電池電壓隨氧化劑反應(yīng)氣體物流和冷卻劑物流間壓差的變化曲線圖。
圖12是取自圖4中沿線12-12水輸送板的平面圖，其中橫截面表示多個常規(guī)通道。
圖13是圖4所述PEM燃料電池的一種替代實施方案的示意圖，其中，圖13所述燃料電池包括具有交指型液流通路的水輸送板。
圖14是取自圖13中沿線14-14水輸送板的平面圖，其中所述橫截面表示位于其中的多個交指型液流通路。
圖15是一種PEM燃料電池的示意圖，它包括一個疏水性擴(kuò)散層和一個親水性基質(zhì)層，位于所述陽極和陰極支撐板中，其中所述親水性基質(zhì)層包括交指型液流通路。
圖16是在所述水輸送板中存在有多種不同的具有交指型的和常規(guī)通道的燃料電池其電流密度相對電池電壓的對比曲線圖。
圖17是在所述水輸送板中存在有多種不同的具有交指型的和常規(guī)通道的燃料電池其燃料電池氧利用率相對電池電壓的對比曲線圖。
圖18是在所述水輸送板中具有交指型通道的燃料電池其燃料電池電壓隨氧化劑反應(yīng)氣體物流與冷卻劑物流間壓差的變化曲線圖。
圖19是多種不同的空氣化學(xué)計量數(shù)值所述電流密度相對電池電壓的曲線圖。
實施本發(fā)明的方式參見圖1，所示為一種PEM燃料電池發(fā)電裝置10的示意圖，它包括一個燃料電池12和一個用來控制燃料反應(yīng)氣體物流22、氧化劑反應(yīng)氣體物流24和冷卻劑物流26的壓力的裝置。PEM燃料電池發(fā)電裝置10通常包括多個燃料電池，它們串聯(lián)地電連接，稱作為電池組。不過，為了便于解釋本發(fā)明，所述燃料電池發(fā)電裝置10僅包括一個燃料電池12，但應(yīng)該理解所述燃料電池發(fā)電裝置10通常包括預(yù)定數(shù)目的燃料電池12。每個燃料電池12包括一個陽極支撐板14，一個陰極支撐板18和一個設(shè)置在所述陽極支撐板14和和所述陰極支撐板18間的膜電極組件(MEA)16。所述燃料反應(yīng)氣體物流22向所述陽極支撐板14提供燃料反應(yīng)氣體，如來自一個燃料源(圖中未畫出)的氫，而所述氧化劑反應(yīng)氣體物流24向所述陰極支撐板18提供氧化劑反應(yīng)氣體。所述氧化劑反應(yīng)氣體可為來自加壓氧氣瓶的基本純的氧氣，或者所述氧化劑反應(yīng)氣體可為壓縮機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)所加壓的空氣。當(dāng)所述反應(yīng)氣體流過所述燃料電池12時，在所述陰極支撐板18中形成產(chǎn)物水。而且，所述燃料反應(yīng)氣體物流22中的水流過所述MEA 16并流入到所述陰極支撐板18中。
水輸送板20用來從所述陰極支撐板18中將水移走，并將這些水并入到所述冷卻劑物流26(它通常由水組成)。所述水輸送板20也可冷卻所述燃料電池12。因此，所述水輸送板20有時也稱作冷卻板。由于所述冷卻劑物流26、燃料反應(yīng)氣體物流22和氧化劑反應(yīng)氣體物流24相互是流體連通的，所以，在所述PEM燃料電池發(fā)電裝置10中處理所述水是優(yōu)選的。水處理系統(tǒng)的實例包括US5503944和US5700595所述的系統(tǒng)，它們都轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。這兩個專利都是基于保持所述反應(yīng)氣體和所述冷卻劑水間的正壓差。操作所述燃料電池發(fā)電裝置10，使得所述氧化劑反應(yīng)氣體物流24的壓力大于所述冷卻劑物流26的壓力，可以保證所述產(chǎn)物水從所述陰極18向所述水輸送板20移動，并最終流入到所述冷卻劑物流26中。
更為重要的是，如前述目前的申請所述，當(dāng)一個親水性基質(zhì)層包括在所述陽極支撐板14和/或陰極支撐板18中時，需要操作所述燃料電池發(fā)電裝置10使得所述燃料反應(yīng)氣體物流22、氧化劑反應(yīng)氣體物流24和冷卻劑氣體物流26之間存在壓差，以防止所述陰極支撐板18或陽極支撐板14形成溢流。更具體地說，所述壓差可確定液態(tài)水或冷卻劑與所述親水性基質(zhì)中反應(yīng)氣體的優(yōu)選比值。液體與反應(yīng)氣體的百分比是所述親水性基質(zhì)孔隙尺寸和所述反應(yīng)劑與冷卻劑物流間壓差的函數(shù)。每種親水性基質(zhì)具有預(yù)定的孔隙尺寸和預(yù)定的孔隙率。例如，圖2所示為孔徑(微米)相對由大于標(biāo)繪的孔徑的孔隙所提供的孔隙率百分比的曲線圖。該圖表明，對于小于1微米的孔徑，所述親水性基質(zhì)層大約75％是多孔的。不過，優(yōu)選地，大于一半可利用的孔隙是為反應(yīng)氣體而不是液體所填充。因此，具有大于標(biāo)繪直徑的孔隙的親水性基質(zhì)層的孔隙率，應(yīng)該大于37.5％。
圖2是通過在親水性基質(zhì)層進(jìn)行水銀孔率法測量而得到的，如美國Toray所售的等級TGP-006，并采用相對每克基質(zhì)為20毫克氧化錫(SnO2)對其進(jìn)行處理使之變?yōu)榭蓾竦摹D2圖示說明了一種親水性基質(zhì)層的孔隙尺寸的分布。換句話說，對于給定的孔徑，曲線上的距離表示屬于具有小于所述標(biāo)繪孔徑的孔徑的孔隙的孔隙率百分比，而所述曲線下的距離則表示屬于具有大于所述標(biāo)繪孔徑的孔徑的孔隙的孔隙率百分比。例如，參見圖3，12微米的孔徑對應(yīng)孔隙率變化(porositytransition)為67％。屬于直徑大于12微米孔隙的孔隙率約為67％，而屬于直徑小于12微米孔隙的孔隙率約為8％。因此，所述基質(zhì)孔隙率的約89％是屬于直徑大于12微米的孔隙，而約11％的孔隙率是屬于直徑小于12微米的孔隙。
控制所述冷卻劑與所述反應(yīng)氣體物流間的壓差，反過來，可控制所述親水性基質(zhì)中液體和反應(yīng)氣體的百分比，這是因為所述孔隙尺寸和壓差間存在著聯(lián)系。所述孔隙尺寸和壓差間的關(guān)系可由下述等式?jīng)Q定Pg-P1=4γcosθD]]>[等式1]其中，Pg＝反應(yīng)氣體壓力P1＝液體壓力γ＝表面張力θ＝接觸角D＝填充有液體的最大孔隙的直徑在約65℃(150°F)的溫度時，水的表面張力(γ)大約為65 dyne/cm。另外，水與親水性基質(zhì)間的接觸角(θ)約為0。因此，在約65℃(150°F)時，所述反應(yīng)氣體壓力(Pg)與所述液體壓力(P1)間的差值是等于約30/D，其中所述壓力是以磅/平方英寸(psi)計量的，而所述孔隙直徑(D)是以微米計量的。
如果維持所述壓差，則具有小于給定孔徑(D)直徑的親水性基質(zhì)中的所有孔隙，將會含有液體，而具有大于給定孔徑(D)直徑的親水性基質(zhì)中的所有孔徑將會含有反應(yīng)氣體。如上所述，對于一個給定的孔徑(D)，曲線之上的距離表示孔徑小于所標(biāo)繪孔徑的孔隙的百分比，而曲線之下的距離表示孔徑大于所標(biāo)繪孔徑的孔隙的百分比。因此，在合適的壓差下操作所述燃料電池，可保證所述曲線之上的距離是表示含有液體的孔隙的百分比，而所述曲線之下的距離是表示含有反應(yīng)氣體的孔隙的百分比。例如，如前對圖3所述，含有液體的孔隙百分比約為11％，而含有反應(yīng)氣體的孔隙百分比約為89％。因而所述親水性基質(zhì)中冷卻劑與反應(yīng)氣體的比值約為1-9?？刂扑隼鋮s劑物流和反應(yīng)氣體物流的壓力，可保證所述親水性基質(zhì)的孔隙含有的氧化劑反應(yīng)氣體的百分比較冷卻劑更大。
如果所述壓差降低，則填充有水的孔隙百分比提高。而且，如果所述液體壓力與所述反應(yīng)氣體壓力間不存在壓差，如US5641586所述，則填充有水的孔隙的百分比將接近100％，從而將會淹沒所述陰極。淹沒所述陰極將會阻止所述氧化劑反應(yīng)氣體到達(dá)所述催化劑層，這是因為大部分的孔隙將會被水所填充，電生產(chǎn)能力將會變小。
對于一種給定親水性基質(zhì)來說，所述親水性基質(zhì)中液體與反應(yīng)氣體的優(yōu)選比值，是所述孔隙尺寸與這類孔隙尺寸的孔隙率間關(guān)系的函數(shù)。換句話說，填充有反應(yīng)氣體和水的孔隙的優(yōu)選百分比，取決于如圖2所示曲線的形狀。參見圖2，優(yōu)選具有填充反應(yīng)氣體的孔隙率等于或大于A點。A點表示接合點，在該處所述孔隙率變得對孔隙尺寸的變化不敏感。盡管圖2曲線的形狀說明在孔隙率約67％時，所述率變得對于所述孔隙尺寸不敏感，但是，優(yōu)選地，是在可滿足含有反應(yīng)氣體的孔隙數(shù)目大于含水孔隙數(shù)目的孔隙率下進(jìn)行操作。這將導(dǎo)致所述反應(yīng)物更好地傳質(zhì)到所述催化劑，同時也可提供一種濕潤路徑，將水從所述陰極移動到所述水輸送板。此外，在所述燃料反應(yīng)氣體物流和所述冷卻劑物流間產(chǎn)生一個壓差，可允許所述水從所述水輸送板移動到所述燃料電池陽極一側(cè)的PEM。
如上所述，填充有反應(yīng)氣體和水的孔隙優(yōu)選百分比，取決于所述基質(zhì)層中所述孔隙的尺寸和所述反應(yīng)氣體物流22、24和所述冷卻劑物流間的壓差。含有液體或反應(yīng)氣體的孔隙百分比，可由各冷卻劑物流26和反應(yīng)氣體22、24物流控制，其中所述反應(yīng)氣體物流22、24通常具有較所述冷卻劑氣體物流26更大的壓力。具體地說，由于所述反應(yīng)氣體物流22、24的壓力通常等于約環(huán)境壓力，所以，所述冷卻劑物流26的壓力是小于環(huán)境壓力。而且，所述冷卻劑物流26與所述反應(yīng)氣體物流22、24間的壓差，通常其范圍是在約0.5-5.0psi之間。更加優(yōu)選地，是維持在約1.0-3.0psi的壓差范圍，特別優(yōu)選地是維持壓差范圍在約2.0-2.5psi之間。
如圖1所示，一種用來維持所述反應(yīng)氣體物流22、24與所述冷卻劑物流26間的正壓差的裝置，它包括流過所述冷卻劑物流26的循環(huán)水，其通過一個熱交換器28冷卻，并通過一個泵30進(jìn)行加壓。所述泵30在所述冷卻劑物流26中確定一個預(yù)定的冷卻水壓力。該壓力可進(jìn)一步通過一個調(diào)節(jié)閥38(它是設(shè)置在所述冷卻劑物流26中，在所述水輸送板20之前)進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果所述泵30是一種固定速率泵，則在需要調(diào)節(jié)壓力的情形時，所述閥38可用來改變所述冷卻劑壓力。一個壓力傳感器44設(shè)置在所述泵30和閥38的下游。所述壓力傳感器44用來測量所述冷卻劑水物流在其流入到所述水輸送板20之前的壓力。所述壓力傳感器44、閥38和泵30，可分別經(jīng)由管線52、58和60，連接到發(fā)電裝置微處理器控制器46上。來自所述壓力傳感器44的冷卻劑物流壓力輸入，在需要獲得目標(biāo)冷卻劑物流壓力時，會使得所述控制器調(diào)節(jié)所述泵30和/或所述閥44。
所述氧化物反應(yīng)氣體經(jīng)過管線24被輸送到所述陰極支撐板18。所述管線24可含有一種可調(diào)壓力調(diào)節(jié)閥36和一個下游壓力傳感器42(它可測量氣體氧化劑氣體物流在其流入所述陰極支撐板18時的壓力)。所述壓力傳感器42經(jīng)由管線50連接到所述系統(tǒng)控制器46上，而所述調(diào)節(jié)閥36是通過管線56連接到所述控制器46上的。當(dāng)一個可變壓縮機(jī)或泵32是用來加壓一路氧化劑反應(yīng)氣體物流時，可與所述控制器46進(jìn)行合適的連接。這樣，當(dāng)系統(tǒng)操作條件如此規(guī)定時，所述控制器46就可通過改變所述閥36或所述泵/壓縮機(jī)32，對所述氧化反應(yīng)物壓力作適當(dāng)?shù)母淖儭?br> 所述燃料反應(yīng)物通過管線22輸入到所述陽極支撐板14中。所述燃料反應(yīng)氣體通常地保存在一個加壓容器中，或保存在一個加壓的燃料調(diào)節(jié)或重整系統(tǒng)中(圖中未畫出)。一個調(diào)節(jié)閥34可用來調(diào)節(jié)所述燃料反應(yīng)物在其進(jìn)入到所述陽極支撐板14時的壓力。所述燃料反應(yīng)物壓力由一個壓力傳感器40進(jìn)行監(jiān)控，它通過管線48連接到所述系統(tǒng)控制器46上。所述調(diào)節(jié)閥34經(jīng)由管線54連接到所述系統(tǒng)控制器46上。在接近環(huán)境壓力下操作燃料電池發(fā)電裝置是優(yōu)選的，這是因為如此操作就不需要壓縮所述空氣到較高壓力，并能允許采用風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)使空氣流過所述燃料電池，從而獲得最大效率。在所述燃料電池發(fā)電裝置中不使用壓縮機(jī)，可消除額外的功率源，從而提高了發(fā)電裝置整體操作效率。盡管本發(fā)明不局限于任何具體的操作條件，但是，所述反應(yīng)物氣體的優(yōu)選操作壓力變化范圍為15-20psia。
參見圖4，它為所述燃料電池12的一個橫截面示意圖，它包括一個MEA16、一個陽極支撐板17和一個陰極支撐板19。所述MEA16包括一個聚合物電解質(zhì)膜(“PEM”)70、一個陽極催化劑72和一個陰極催化劑74。所述陽極催化劑72和所述陰極催化劑74牢固地位于所述PEM70的相對兩側(cè)。
所述陽極支撐板17和陰極支撐板19包括疏水性擴(kuò)散層76、78和疏水性基質(zhì)層80、82。所述陽極擴(kuò)散層76與所述陽極催化劑72的一側(cè)相鄰，所述陽極基質(zhì)層80與所述陽極擴(kuò)散層76相鄰，與所述陽極催化劑72相對。所述陽極擴(kuò)散層76和所述疏水性陽極基質(zhì)層80可允許所述燃料反應(yīng)物氣體(它流過所述水輸送板84中的通道94)和所述水(它流過所述通道96)到達(dá)所述陽極催化劑72。所述燃料電池12還包括一個疏水性陰極擴(kuò)散層78和一個疏水性陰極基質(zhì)層82，它們可允許所述氧化物反應(yīng)氣體流過所述水輸送板86中的通道92，到達(dá)所述陰極催化劑74。所述陰極擴(kuò)散層78與所述陰極催化劑74的一側(cè)相鄰，而所述陰極基質(zhì)層82與所述陰極擴(kuò)散層78相鄰，與所述陰極催化劑74相對。所述疏水性陰極擴(kuò)散層78和所述疏水性陰極基質(zhì)層82還可允許所述產(chǎn)物水(它是在所述陰極催化劑74中形成的)遷移到所述水輸送板86中。
在所述陽極支撐板17和陰極支撐板19中，所述擴(kuò)散層76、78，是按照本領(lǐng)域已知方法，涂敷到所述陽極和陰極基質(zhì)層80、82之上的。一種優(yōu)選方法是US4233181中所述的方法，它為本發(fā)明受讓人所有。所述擴(kuò)散層76、78通常由多孔性導(dǎo)電層所構(gòu)成，它們表現(xiàn)為疏水性的或部分疏水性的。一種這類多孔性導(dǎo)電層為碳粒。優(yōu)選地，所述碳粒具有的孔隙尺寸小于或等于4微米，且其孔隙率等于或大于60％。為了使所述擴(kuò)散層是疏水性的，將一種疏水性聚合物與一種多孔性碳黑層進(jìn)行混合。生成物接著加熱到約所述疏水性聚合物的熔點，這是本領(lǐng)域公知的。合適的疏水性聚合物包括例如含氟聚合物，如聚四氟乙烯(PTFE)、氟代乙烯丙烯(FEP)、聚四氟乙烯、共聚全氟甲基乙烯基醚(PFA)、乙烯和四氟乙烯的共聚物(ETFE)、乙烯和氯代三氟乙烯的共聚物(ECTFE)、聚偏二氯乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)和無定形含氟聚合物(Teflon AF)。這類含氟聚合物的特征是它們的臨界表面能優(yōu)選小于或等于30dyne/cm。這類擴(kuò)散層的一個實例包括一種多孔的碳-Teflon聚四氟乙烯(PTFE)顆粒復(fù)合材料，具有的厚度約75-100微米(0.003-0.004英寸)，優(yōu)選地約0.0035英寸，其質(zhì)量約12.1mg/cm2。更具體地說，所述陽極和陰極擴(kuò)散層76、78包括一個多孔碳層(它由Cabot Corporation所提供，標(biāo)識名為Vulcan XC-72)，它通過加入聚四氟乙烯(PTFE)(它們是由E.I.DuPont deNemours ofWilmington，DE所制造，商品名為Teflon)而表現(xiàn)為疏水性。優(yōu)選地，具有等級“TFE-30”的Teflon聚四氟乙烯的數(shù)量，可使得所述陽極和陰極擴(kuò)散層76、78含有約50％的Vulcan XC-72和50％的Teflon聚四乙烯。所述陽極和陰極擴(kuò)散層76、78通常地也是加熱到約343℃(650°F)，持續(xù)約5分鐘，使這些層表現(xiàn)為疏水性的。
所述陽極和陰極基質(zhì)層80、82通常是由一種多孔性的碳-碳纖維復(fù)合材料所構(gòu)成，厚度約150-170微米(0.006-0.007英寸)，孔隙率約為65％-75％。這類基質(zhì)的一個實例是由Toray Company of NewYork，NY所提供的等級標(biāo)識為TGP-H-060的基質(zhì)。所述陽極和陰極基質(zhì)層80、82通常是通過結(jié)合有聚氟化的乙烯丙烯(如由E.I.duPontdeNemours of Wilmingto，DE所生產(chǎn)的商品名Teflon的物質(zhì))到所述基質(zhì)中而表現(xiàn)為疏水性的。優(yōu)選地，具有等級“FEP-121”的Teflon聚氟化的乙烯丙烯的用量，可使得所述陽極和陰極基質(zhì)層80、82之中，相對于每立方厘米TGP-H-060，含有約165mg的Teflon聚氟化乙烯丙烯。
如圖4所示，所述陽極水輸送板84與所述陽極支撐板17相鄰，而所述陰極水輸送板86與所述陰極支撐板19相鄰。所述陽極和陰極水輸送板84、86可構(gòu)造和/或取向為與相鄰水輸送板88、89同時進(jìn)行操作，這樣，可使得通道96和98能同時用作一個電池的陽極和下一個電池的陰極的冷卻劑物流。
所述水輸送板84、86、88、89，通常為多孔性石墨，它具有的平均孔隙尺寸約為2-3微米，且其孔隙率約為35-40％。優(yōu)選地，是使所述水輸送板84、86、88、89具有親水性，是通過采用如US5840414所述方法用氧化錫(SnO2)對它們進(jìn)行處理而實現(xiàn)的，該專利屬于本發(fā)明受讓人所有。所述陰極水輸送板86的親水性多孔性質(zhì)，與所述冷卻劑和氧化劑反應(yīng)氣體物流間壓差共同協(xié)力的結(jié)果，可保證合適地移走在所述陰極形成的產(chǎn)物水。具體地說，所述水從所述陰極支撐板19，流經(jīng)通道92，流經(jīng)所述水輸送板86中的隔離壁，流到所述冷卻劑通道98之中。而且，所述陽極水輸送板84還為所述陽極支撐板17提供了一路連續(xù)的水源，它最終到達(dá)所述PEM，并防止它變干燥。
參見圖12，它為圖4所示水輸送板86的側(cè)視圖。圖12圖示說明在所述水輸送板86一側(cè)內(nèi)的連續(xù)的、分隔的且基本平行的溝槽。當(dāng)所述水輸送板86與所述陰極支撐板19相鄰時，所述肋條93鄰接所述陰極支撐板19時，所述溝槽用作通道(即液流通路)92，可讓所述氧化劑反應(yīng)氣體從該處流過。所述連續(xù)的分隔的且基本平行的溝槽，下文中稱作為常規(guī)通道。所述氧化物反應(yīng)氣體進(jìn)入每個通道92的一端，并從另一端流出。當(dāng)所述氧化劑反應(yīng)氣體沿所述通道92流過時，所述氧化劑反應(yīng)氣體遷移到所述陰極支撐板19中。盡管所述氧化劑反應(yīng)氣體進(jìn)入所述隔離壁93是可能的，但是，這將是不大可能的，因為所述隔離壁93中的孔隙以及所述水輸送板86中其它地方的孔隙，都被水所填充。在所述陽極水輸送板84中通道94的液流通路結(jié)構(gòu)，與陰極水輸送板86的結(jié)構(gòu)相似。盡管圖中未畫出，但是，本發(fā)明的一個替代方案可包括一個螺旋形通道，以替代所述常規(guī)通道。
參見圖13，它為所述陽極和陰極水輸送板的一個替代方案的示意圖。具體地說，圖13中所示水輸送板84’和86’含有交指型通道110、112而不是如圖4和12所示的常規(guī)通道92。參見圖14，它為圖13所示的陰極水輸送板86’的側(cè)視圖，用來描述所述氧化劑反應(yīng)氣體流過交指型液流通路的方式。所述氧化劑反應(yīng)氣體進(jìn)入所述入口通道110的入口，并向所述封閉端111移動，它是阻塞的。當(dāng)所述反應(yīng)氣體向所述封閉端111移動時，所述氧化劑反應(yīng)氣體物流的壓力迫使所述氧化劑反應(yīng)氣體進(jìn)入到所述陰極支撐板19中。在部分氧化劑在所述陰極支撐板19中消耗后，剩余的或未使用的氧化劑反應(yīng)氣體進(jìn)入到所述出口通道112(由圖14中的彎曲箭頭所示)，并遷移遠(yuǎn)離所述封閉端113，接著排放出所述燃料電池。因為所述氧化劑反應(yīng)氣體必須要流過所述陰極支撐板19以進(jìn)入所述出口通道112，所以從所述入口通道110到所述陰極支撐板19的氧化劑氣體的傳質(zhì)將會提高。所述反應(yīng)反過來將提高所述燃料電池的電生產(chǎn)能力，它在下文中將作具體的描述。盡管圖中未畫出，在所述陽極水輸送板84’中的通道110的交指型液流通路結(jié)構(gòu)，與所述陰極水輸送板86’的結(jié)構(gòu)是相似的。
如果所述反應(yīng)氣體通道具有一個常規(guī)的螺旋形或交指型結(jié)構(gòu)，則所述水輸送板在它們相對一側(cè)包括附加的溝槽。當(dāng)此相對一側(cè)鄰接另一水輸送板或其它任意板時，這些溝槽用作所述冷卻劑物流的通道以使其流過該處。另外，當(dāng)所述陽極和陰極水板相互鄰接，且這些溝槽排成直線時，這些溝槽聯(lián)合形成一個單一的冷卻劑物流通道，它同時用作一個電池的陽極和一個相鄰電池的陰極的水輸送板。
參見圖15，它所示為本發(fā)明一個替代方案，它描述了交指型通道110、112存在于所述基質(zhì)層100’、102’而不是所述水輸送板138、140中，從而可允許所述反應(yīng)氣體物流直接流到并流過所述基質(zhì)層，以替代先流入到所述水輸送板中。具體地說，所述基質(zhì)層100’、102’的取向，可使得所述通道110、112分別與平板多孔水輸送板138、140相鄰。由于所述交指型通道110、112是存在于所述基質(zhì)層100’、102’之中，而不是存在于所述水輸送板138、140中，所以，所述水輸送板138、140在相鄰所述陽極和陰極支撐層17’、19’是平直的。但是，所述水輸送板138、140的另一側(cè)，具有冷卻劑通道134。另外，所述水輸送板138、140仍是多孔性的，可允許水從其流過。盡管圖中未畫出，反轉(zhuǎn)所述基質(zhì)層100’、102’的取向也是可行的，這樣，所述通道110、112與所述擴(kuò)散層104、106相鄰。另外，盡管圖15對存在于所述基質(zhì)層100’、102’中的交指型通道110、112作了說明，但是，包括常規(guī)或螺旋形通道的通道流動方式設(shè)計也是可行的。無論所述燃料電池中陽極和陰極支撐板的結(jié)構(gòu)和/或材料結(jié)構(gòu)如何，所述水輸送板或基質(zhì)層中的通道，都可為常規(guī)或交指型通道。
參見圖5，它為燃料電池12’的一個替代方案。圖5中的燃料電池12’不同于圖4中的燃料電池12，因為圖4中所述燃料電池12的陽極支撐板17和陰極支撐板19包括疏水性擴(kuò)散層76、78和疏水性基質(zhì)層80、82，但在圖5的燃料電池12’中的陽極支撐板17’和陰極支撐板19’包括部分疏水性擴(kuò)散層104、106和親水性基質(zhì)層100、102。繼續(xù)參見圖5，除了用親水性基質(zhì)層100、102替代所述疏水性基質(zhì)層80、82之外，所述擴(kuò)散層厚度也減少。例如，圖4的疏水性發(fā)生性擴(kuò)散層76、78，優(yōu)選約為87.5微米(0.00035英寸)，而圖5的部分疏水性擴(kuò)散層104、106優(yōu)選約為12.5微米(0.0005英寸)-62.5微米(0.0025英寸)，特別優(yōu)選約為15微米(0.0006英寸)-17.5微米(0.0007英寸)。降低所述Teflon聚四氟乙烯(等級“TFE-30”)的數(shù)量到10％以替代50％，同時降低所述擴(kuò)散層質(zhì)量到約2.0-5.0mg/cm2的Vulcan XC-72。
圖5中所述擴(kuò)散層制得較圖4中的擴(kuò)散層更薄，是通過降低所述碳擴(kuò)散層中碳和PTFE的含量實現(xiàn)的。具體地說，現(xiàn)有技術(shù)擴(kuò)散層通常是由50wt.％的碳黑和疏水性聚合物的混合物所制成的。這些擴(kuò)散層是完全疏水性的，它們的空隙容積基本100％都被反應(yīng)氣體所填充。這會產(chǎn)生想要的擴(kuò)散反應(yīng)物到所述催化劑的性能，但是，它會對移走液態(tài)產(chǎn)物水產(chǎn)生明顯的障礙。
部分疏水性擴(kuò)散層是采用低含量TeflonPTFE制成的。這將會形成一個擴(kuò)散層，其空隙容積部分地被反應(yīng)氣體所填充，部分地被水所填充。氣體容積與水容積的精確比值取決于TeflonPTFE含量和TeflonPTFE加熱處理的溫度。提高陰極中擴(kuò)散層的潮濕容積，可有助于從所述陰極中移走產(chǎn)物水。而且，提高陽極中擴(kuò)散層的潮濕容積，可有助于傳送液態(tài)水至所述PEM的陽極一側(cè)。所述擴(kuò)散層的潮濕容積提高，這樣所述擴(kuò)散層傳送水的能力也會提高，但是，非潮濕容積則是這樣的，所述擴(kuò)散層具有足夠的容積使所述反應(yīng)氣體向和/或從所述催化劑層的擴(kuò)散。為了本發(fā)明的這個目的，所述“部分疏水性層”表示這樣一個層，它具有的空隙容積能夠部分地被水和氣體所填充。因此，優(yōu)選是具有一個部分疏水性擴(kuò)散層，其厚度變化范圍為0.0005-0.002英寸。
繼續(xù)參見圖5，在所述陰極支撐板19’中采用的部分疏水性擴(kuò)散層106和親水性基質(zhì)層102，可提高水從所述陰極催化劑層74向所述水輸送板86的移動，從而防止所述陰極基質(zhì)102被水所淹沒。另外，所述陽極支撐板17’中采用部分疏水性擴(kuò)散層104和親水性基質(zhì)層100，提高了水從所述水輸送板84向所述陽極催化劑層72的遷移，從而防止所述陽極催化劑層72和PEM70變干燥。所述親水性基質(zhì)層100、102的基本材料為碳-碳纖維復(fù)合材料。為了提高所述基質(zhì)層100、102將水傳送到相應(yīng)催化劑層72、74或從中傳送出來的能力，所述基質(zhì)層100、102的孔隙通過用一種合適金屬氧化物、氫氧化物和/或含氧氫氧化物填充這類孔隙而表現(xiàn)為親水性。形成這類氧化物、氫氧化物和/或含氧氫氧化物的金屬實例包括錫(Sn)、鋁(Al)、鈮(Nb)、釕(Ru)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、鋅和鋯以及它們的混合物?；蛘撸龌|(zhì)層100、102也可由所述碳表面的化學(xué)或電化學(xué)氧化反應(yīng)制成可濕的。另一種替代方案包括用一種可濕聚合物如蜜胺甲醛(Cytec Industries of WestYork，United Kingdom生產(chǎn))，對所述基質(zhì)內(nèi)表面進(jìn)行處理和/或涂布。
所述親水性基質(zhì)層100、102是由多孔碳-碳纖維復(fù)合材料組成，其厚度約175微米(0.007英寸)，孔隙率約75％具有平均孔隙尺寸在約27-37微米之間。如上所述，這類基質(zhì)的一個實例是由TorayCompany of New York，NY提供的，等級標(biāo)識為TGP-H-060。對于每克TGP-H-060，加入約20-50mg氧化錫(SnO2)，優(yōu)選為25-35mg，可使所述基質(zhì)層100、102具有親水性。
例如，一種Toray TGP-H-060基質(zhì)是通過以每克基質(zhì)沉積約20mg的氧化錫到所述基質(zhì)內(nèi)表面上而制成親水性的。具體地說，66ml的100wt.％2-丙醇和350ml的33wt.％2-丙醇的水溶液，加入到其中有134ml的1摩爾SnCl 2NH3溶液的2000ml燒杯中。之后，在15分鐘時間內(nèi)，逐滴加入33ml的3M氫氧化銨，同時劇烈攪拌。在第二燒杯中，含有170ml的33wt.％2-丙醇水溶液，通過加入合適數(shù)量的鹽酸，調(diào)節(jié)第二燒杯中的pH到約1.3-1.4。在攪拌第一燒杯溶液的同時，將第二燒杯中的溶液緩慢地加入到第一燒杯中。所述基質(zhì)接著浸沒到所述混合溶液中。在從所述混合溶液中取出所述基質(zhì)后，在室溫下對所述基質(zhì)空氣干燥30分鐘，之后在115℃(240°F)空氣干燥30分鐘，并在空氣中于360℃(680°F)下焙燒2小時。
參見圖6，它所示為燃料電池12”的另一個方案的示意圖。圖6的燃料電池12”不同于圖4中的燃料電池12，因為圖4中所述燃料電池12的陽極支撐板17和陰極支撐板19分別包括疏水性擴(kuò)散層76、78和疏水性基質(zhì)層80、82，但在圖6的燃料電池12”中的陰極支撐板19”包括一個部分疏水性擴(kuò)散層106和一個親水性基質(zhì)層102。而且，圖6的所述陽極支撐板17”包括一個親水性基質(zhì)層108，但不含有擴(kuò)散層。在所述陽極支撐板上沒有采用擴(kuò)散層，由于為液態(tài)水從所述陽極水輸送板84到所述PEM70的輸送除去了所有疏水性或部分疏水性的障礙，可進(jìn)一步提高所述燃料電池的生產(chǎn)能力。
參見圖7，它為一個燃料電池12的替代方案的示意圖。圖7的燃料電池12不同于圖4中的燃料電池12，因為圖4中所述燃料電池12的陽極支撐板17和陰極支撐板19包括疏水性擴(kuò)散層76、78和疏水性基質(zhì)層80、82，但在圖7的燃料電池12中的陰極支撐板19僅包括一個親水性基質(zhì)層102。而且，圖7的所述陽極支撐板17包括一個親水性基質(zhì)層108，但不含有擴(kuò)散層。圖4-7中所述陽極催化劑層72和所述陰極催化劑層74，都是屬于稱為淹沒薄膜催化劑層的類型。這類催化劑層公開在US5211984中，它可引入本文供作參考?；蛘撸鲫枠O催化劑層72和所述陰極催化劑層74，可為稱作氣體擴(kuò)散催化劑層的類型，它公開在US5501915中，可引入本文供作參考。從所述陰極中除去所述擴(kuò)散層，也可提高燃料電池的生產(chǎn)能力，這是因為所述氧化劑反應(yīng)氣體到達(dá)所述陰極催化劑層74將流經(jīng)較少的層數(shù)。
參見圖8，它為表1所示多種不同燃料電池的電流密度相對電池電壓的曲線圖。
表1

這些多種不同燃料電池結(jié)構(gòu)說明了改變所述燃料電池的結(jié)構(gòu)是如何影響其性能的。具體地說，所述燃料電池結(jié)構(gòu)可由符號○、■、□和▲表示。用于所述電池結(jié)構(gòu)中的MEA16包括一個15微米的PEM電解質(zhì)存在于一個膜電極組件中，它可由W.L Gore和Associates，Inc.OfElkton，MD購得，其產(chǎn)物標(biāo)識號為“PRIMEA-5560”。由符號○表示的燃料電池包括一個陽極支撐板(它包括一個疏水性擴(kuò)散層和一個疏水性基質(zhì)層)和一個陰極支撐板(它包括一個疏水性擴(kuò)散層和一個疏水性基質(zhì)層)。具體地說，由符號○表示的燃料電池的結(jié)構(gòu)如前述的圖4所述。更具體地說，由符號○表示的燃料電池含有一個陽極支撐板17和陰極支撐板19，它具有90微米(0.0035英寸)厚的疏水性擴(kuò)散層76、78(它們是由多孔碳-Teflon聚四氟乙烯(PTFE)復(fù)合材料所構(gòu)成的，具有約12.1mg/cm2的質(zhì)量，并含有約50％的PTFE。所述陽極支撐板17和陰極支撐板19還具有175微米(0.007英寸)的多孔碳-碳纖維復(fù)合材料基質(zhì)層80、82，其孔隙率約75％，平均孔隙尺寸約為30微米。所述基質(zhì)層80、82通過相對每立方厘米多孔碳-碳纖維復(fù)合材料為約165g的聚四氟乙烯(PTFE)對其進(jìn)行處理而具有疏水性。
繼續(xù)參見圖8，由符號■、□和▲表示的燃料電池，都含有與陽極和陰極支撐板相鄰的水輸送板，其中所述水輸送板具有常規(guī)的通道。另外，所有這些燃料電池都含有一個陽極支撐板，它包括一個親水性基質(zhì)層但沒有擴(kuò)散層。具體地說，在這三個燃料電池中的陽極支撐板17僅含有一個175微米(0.007英寸)親水性基質(zhì)層80。所述親水性基質(zhì)層80是由一種多孔碳-碳纖維復(fù)合材料所構(gòu)成的，其孔隙率約75％，其平均孔隙尺寸約30微米。所述多孔碳-碳纖維復(fù)合材料通過對每克碳-碳纖維復(fù)合材料中加入26.2mg氧化錫(SnO2)而具有親水性。
由符號■表示的燃料電池還包括一個陰極支撐板19，它包括一個疏水性擴(kuò)散層和一個疏水性基質(zhì)層。更具體地說，該燃料電池含有一個陰極支撐板19，其具有90微米(0.0035英寸)厚的疏水性擴(kuò)散層78，是由多孔碳-聚四氟乙烯(PTFE)所構(gòu)成的，具有質(zhì)量約為12.1mg/cm2，并含有約50％PTFE。所述陰極的疏水性基質(zhì)層82，為一種175微米(0.007英寸)多孔碳-碳纖維復(fù)合材料，其孔隙率約75％。所述基質(zhì)層82通過用相對立方厘米多孔碳-碳纖維復(fù)合材料約165mg的PTFE對其進(jìn)行處理，而表現(xiàn)為疏水性。
繼續(xù)參見圖8，由符號□表示的燃料電池包括一個陰極支撐板，它包括一個部分疏水性擴(kuò)散層和一個疏水性基質(zhì)。具體地說，由符號□表示的燃料電池含有一個陰極支撐板19，其具有17.5微米(0.0007英寸)厚的部分疏水性擴(kuò)散層78，它是由多孔碳-聚四氟乙烯(PTFE)顆粒構(gòu)成的，其質(zhì)量約為2.4mg/cm2，含有約10％PTFE。所述陰極支撐板19還具有175微米(0.007英寸)多孔碳-碳纖維復(fù)合材料基質(zhì)層82，其孔隙率約75％，平均孔隙尺寸約30微米，它通過以每立方厘米多孔碳-碳纖維復(fù)合材料約165mg聚四氟乙烯對其進(jìn)行處理而表現(xiàn)為疏水性。
仍參見圖8，由符號▲表示的燃料電池包括一個陰極支撐板，它包括一個部分疏水性擴(kuò)散層和一個親水性基質(zhì)層。具體地說，所述符號▲表示表示的燃料電池含有一個陰極支撐板19，它具有15.0微米(0.0007英寸)厚的部分疏水性擴(kuò)散層78，是由多孔碳-聚四氟乙烯(PTFE)顆粒構(gòu)成的，其質(zhì)量約為2.2mg/cm2，含有約10％PTFE。所述陰極支撐板19還具有175微米(0.007英寸)多孔碳-碳纖維復(fù)合材料基質(zhì)層82，其孔隙率約75％，平均孔隙尺寸約為30微米，通過相對每克多孔碳-碳纖維復(fù)合材料約20.9mg氧化錫(SnO2)負(fù)載這類基質(zhì)使之表現(xiàn)為親水性，從而使所述多孔碳-碳纖維復(fù)合材料表現(xiàn)為親水性。
每個由符號○、■、□和▲表示的燃料電池結(jié)構(gòu)，放置在一個燃料電池中，它由一個氫反應(yīng)氣體物流和一個用作氧化劑反應(yīng)氣體物流的空氣物流供以燃料的。所述燃料電池采用約80％的氫和約40％的空氣。所述燃料電池在約65℃和約環(huán)境壓力下進(jìn)行操作。另外，為了合適地處理所述產(chǎn)物水(它是由氫與空氣間的化學(xué)反應(yīng)所形成的)，所述反應(yīng)氣體物流與所述冷卻劑物流間的壓差約2psi。每個燃料電池操作10-12天，圖8所示曲線圖說明了每個燃料電池結(jié)構(gòu)在此時間內(nèi)電流密度相對電池電壓的關(guān)系。由符號○表示的燃料電池具有一個疏水性陽極擴(kuò)散層，由符號■、□和▲表示的燃料電池不含有陽極擴(kuò)散層。圖8中的數(shù)據(jù)說明由■、□和▲表示的燃料電池，在給定電流密度時，與由符號○表示的燃料電池相比，具有更大的電壓水平。因此，除去所述陽極中擴(kuò)散層，能提高所述燃料電池的電生產(chǎn)能力。
由符號■、□和▲表示的燃料電池結(jié)構(gòu)，還具有一個陽極支撐板，它含有一個親水性基質(zhì)層，由符號○表示的燃料電池具有一個陽極支撐板，它含有一個疏水性基質(zhì)層。由符號■、□和▲表示的燃料電池在給定電流密度時，與由符號○表示的燃料電池相比，具有更大的電壓水平。因此，用一個親水性基質(zhì)層替代所述陽極疏水性基質(zhì)層，可提高所述燃料電池的電生產(chǎn)能力。如果同時地所述陽極擴(kuò)散層全部移除，所述陽極疏水性基質(zhì)用一個親水性基質(zhì)層替代，則所述燃料電池的電生產(chǎn)能力還可進(jìn)一步提高。
由符號□和▲表示的燃料電池具有一個陰極支撐板，與由符號■表示的燃料電池(它具有一個厚的疏水性陰極擴(kuò)散層)相比，它含有一個較薄的且部分疏水性擴(kuò)散層。由符號□和▲表示的燃料電池，與由符號■表示的燃料電池相比，在給定電流密度時，具有更大的電壓水平。因此，在提高其親水性的同時降低所述擴(kuò)散層的厚度，可提高所述燃料電池的電生產(chǎn)能力。
圖8還說明采用親水性基質(zhì)層替代所述陰極疏水性基質(zhì)層，可進(jìn)一步提高所述燃料電池的電生產(chǎn)能力。具體地說，由符號▲表示的燃料電池，與由符號□表示的燃料電池相比，在給定電流時具有更大的電壓水平。由符號□表示的燃料電池具有一個陰極支撐板，它含有一個疏水性基質(zhì)層，但由符號▲表示的燃料電池具有一個陰極支撐板，它含有一個親水性基質(zhì)層。因此，用一個親水性基質(zhì)層替代所述陰極疏水性基質(zhì)層，可進(jìn)一步提高所述燃料電池的電生產(chǎn)能力。
采用一個親水性基質(zhì)層替代所述陰極支撐板的疏水性基質(zhì)層，并降低其厚度和提高所述陰極中擴(kuò)散層的親水性，不僅可提高所述燃料電池的電生產(chǎn)能力，而且還能提高所述燃料電池的氧利用率。參見圖9，它為表1所示和由符號■、□和▲表示的多個不同燃料電池結(jié)構(gòu)的燃料電池氧利用率相對電池電壓的曲線圖。所有三種燃料電池利用約80％的氫。由符號□表示的燃料電池，比由符號▲表示的燃料電池，在給定的氧利用百分比時，具有更高的電池電壓，而由符號□表示的燃料電池，與由符號□表示的燃料電池相比，在相同氧利用百分比時，具有更高的電池電壓。由符號▲表示的燃料電池具有一個陰極支撐板，它含有一個親水性基質(zhì)層和一個部分疏水性和較薄的擴(kuò)散層。因此，采用一個親水性層替代所述陰極疏水性基質(zhì)層并降低所述陰極擴(kuò)散層的厚度和親水性，可提高所述燃料電池的氧利用率。因此，對于某些數(shù)量的氧，由符號▲表示的燃料電池可產(chǎn)生較由■和□表示的兩種燃料電池更多的電。
重新排列所述陽極中擴(kuò)散層和基質(zhì)層，不僅可提高加純氫燃料的燃料電池發(fā)電裝置的工作效率，而且可提高由含有約46％氫的重整產(chǎn)品燃料加燃料的燃料電池發(fā)電裝置的工作效率。重整產(chǎn)品燃料是一種富含氫的氣體物流，它由公知技術(shù)從一種烴燃料中制備得到的。參見圖10，它為圖2所示的具有不同陽極結(jié)構(gòu)的兩個燃料電池采用一種重整燃料時電池電壓隨電流密度變化的曲線圖。
表2

由符號○和■表示的燃料電池與表1和圖8和9所述結(jié)構(gòu)相同。具體地說，兩個燃料電池都具有一個陰極支撐板，它包括一個疏水性擴(kuò)散層和一個疏水性基質(zhì)層。而且，由符號○和■表示的燃料電池含有一個陰極支撐板19，它具有一個87.5微米(0.0035英寸)厚的部分疏水性擴(kuò)散層78，是由多孔碳-聚四氟乙烯(PTFE)顆粒復(fù)合材料構(gòu)成的，其質(zhì)量約為12.1mg/cm2的多孔碳-碳纖維復(fù)合材料，并含有約50％PTFE。每個陰極19還具有一個175微米(0.007英寸)多孔碳-碳纖維復(fù)合材料基質(zhì)層82，其孔隙率約75，它通過用相對每立方厘米多孔碳-碳纖維復(fù)合材料約165克PTFE對其進(jìn)行處理而表現(xiàn)為疏水性。不過，在所述燃料電池中的陽極支撐板結(jié)構(gòu)，相互是不同的。具體地說，由符號○表示的燃料電池具有一個陽極支撐板，它包括一個疏水性擴(kuò)散層和一個疏水性基質(zhì)層，而由符號■表示的燃料電池具有一個僅含有一個親水性基質(zhì)層的陽極支撐板。由符號■表示的燃料電池陽極支撐板17中的親水性基質(zhì)層80，其厚度為175微米(0.007英寸)。具體說來，親水性基質(zhì)層80由孔隙率為約75％的孔碳-碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成。所述多孔碳-碳纖維復(fù)合材料通過加入相對每克碳-碳纖維復(fù)合材料約35.0mg氧化錫(SnO2)而表現(xiàn)為親水性。
由符號○和■表示的兩個燃料電池結(jié)構(gòu)，都是放置在一個模擬重整產(chǎn)品和空氣加燃料的燃料電池中。用于此中的重整燃料含有約46％氫，32％氮、22％二氧化碳和20ppm一氧化碳。所述燃料電池利用所述重整產(chǎn)品中約80％氫和約30％所述空氣。所述燃料電池在約65℃和約環(huán)境壓力下進(jìn)行工作。另外，為了合適地處理產(chǎn)物水(它是由氫與空氣間的化學(xué)反應(yīng)所形成的)，所述反應(yīng)氣體物流與所述冷卻劑物流間的壓差約2psi。每個燃料電池工作10-12天，圖10所示曲線圖說明了每個燃料電池結(jié)構(gòu)在此時間內(nèi)電池電壓隨電流密度變化的關(guān)系。由符號■表示的燃料電池，在給定電流密度時，與由符號○表示的燃料電池相比，具有更大的電壓水平。兩個燃料電池具有相同的陰極結(jié)構(gòu)。不過，由符號■表示的燃料電池具有一個僅含有一個親水性基質(zhì)但沒有擴(kuò)散層的陽極支撐板，由符號○表示的燃料電池，具有一個含有疏水性擴(kuò)散和基質(zhì)層的陽極支撐板。因此，在所述陽極支撐板中省略擴(kuò)散層和/或用一個親水性基質(zhì)層替代所述陽極疏水性基質(zhì)層，可提高所述燃料電池的電生產(chǎn)能力。
圖11圖示說明了在所述反應(yīng)氣體物流和冷卻劑物流間形成一個壓差使所述反應(yīng)氣體物流的壓力大于所述冷卻劑物流壓力的重要性。具體地說，圖11圖示說明了具有由符號▲表示結(jié)構(gòu)的燃料電池的性能，它在表1中已經(jīng)作了討論。采用與前述討論的這種燃料電池相同的測試條件，并控制這類測試條件恒定不變，只有所述冷卻劑和氧化氧化劑氣體物流間的壓差例外，所述燃料電池電壓隨壓差的變化進(jìn)行作圖。在所述冷卻劑和氣體氧化劑氣體物流間的壓差在約0-4.4psi間變化。具體地說，如圖11箭頭所示，所述測試通過形成約4.4psi的壓差而開始進(jìn)行，它逐漸降低到0，之后逐漸提高到其起始壓力。當(dāng)所述燃料電池在壓差等于約0至范圍約為1.0-2.0psi間進(jìn)行工作時，所述電池電壓各自從約0.38伏提高到0.58伏。不過，當(dāng)所述燃料電池在大于約1.0-2.0psi的壓差下進(jìn)行工作時，所述電池電壓保持在相對穩(wěn)定在約0.58-0.60伏的電壓。圖11的數(shù)據(jù)說明，在當(dāng)所述冷卻劑和所述氧化劑氣體物流間的壓差從0提高到范圍約1.0-2.0伏時，由符號▲表示的燃料電池的性能顯著地提高，在該點之后，所述燃料電池的性能保持相對不變。當(dāng)所述冷卻劑物流和氧化劑氣體間的壓差提高時，電池的性能改善，這是因為占據(jù)所述疏水性陰極基質(zhì)層的水被置換并流入到與所述陰極支撐板相鄰的水輸送板中。同樣地，在所述冷卻劑物流和所述反應(yīng)氣體物流間存在壓差下對一個燃料電池進(jìn)行操作，可準(zhǔn)確地控制進(jìn)入到所述親水性陽極基質(zhì)層中水的數(shù)量。而且，不同于US5641586所述燃料電池的操作，在所述冷卻劑物流和所述反應(yīng)氣體物流存在壓差下對具有親水性基質(zhì)層的燃料電池進(jìn)行操作，可提高含有反應(yīng)氣體的親水性基質(zhì)層中孔隙的百分比，并降低含有冷卻劑孔隙的百分比。所述親水性基質(zhì)層中含有增加的反應(yīng)氣體的孔隙數(shù)目，反過來，可促進(jìn)所述反應(yīng)氣體從所述水輸送板通道向所述MEA中催化劑層的擴(kuò)散。
此前有關(guān)圖8-11的討論，包括在所述水輸送板中具有常規(guī)通道的多種不同燃料電池結(jié)構(gòu)的性能數(shù)據(jù)。這類燃料電池結(jié)構(gòu)還可包括交指型通道，其存在于所述水輸送板或所述基質(zhì)層之中。而且，圖16(它為在一個水輸送板中具有交指型或常規(guī)通道的燃料電池的電流密度相對電池電壓的對比曲線圖)說明，采用交指型通道替代常規(guī)通道，可提高所述燃料電池的性能。
繼續(xù)參見圖16，由符號●和▲表示的燃料電池，在所述陰極水輸送板中包括交指型通道，由符號○和□表示的燃料電池包括常規(guī)通道于所述陰極水輸送板中。除了在所述陰極水輸送板中的流動方式不同之外，所述燃料電池具有不同的陰極支撐板結(jié)構(gòu)和/或構(gòu)造。
表3

參見表3，由符號○和●表示燃料電池包括含有的陰極水輸送板，分別具有常規(guī)和交指型通道。不過，兩個燃料電池都具有相同的陽極和陰極支撐板結(jié)構(gòu)。具體地說，兩個燃料電池具有包括一個疏水性擴(kuò)散層和一個疏水性基質(zhì)層的支撐板。所述疏水性擴(kuò)散層約90微米(0.0035英寸)厚，是由多孔-Teflon聚四氟乙烯(PTFE)復(fù)合材料構(gòu)成的，其質(zhì)量約12.1mg/cm2，并含有約50％PTFE。所述疏水性基質(zhì)層約175微米(0.007英寸)厚，是由多孔碳-碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成的，其孔隙率約75％，每立方厘米多孔碳-碳纖維復(fù)合材料約165mg的PTFE。
相似地，由符號△和▲表示的燃料電池分別包括具有常規(guī)和交指型通道的陰極水輸送板，但是兩個燃料電池都具有相同的陽極和陰極支撐板結(jié)構(gòu)。具體地說，兩個燃料電池都具有包括一個疏水性擴(kuò)散層和一個親水性基質(zhì)層的陰極支撐板。所述疏水性擴(kuò)散層約25微米(0.001英寸)厚，是由多孔-Teflon聚四氟乙烯(PTFE)復(fù)合材料構(gòu)成的，其質(zhì)量約2.2mg/cm2，并含有約10％PTFE。所述親水性基質(zhì)層約175微米(0.007英寸)厚，是由多孔碳-碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成的，其孔隙率約75％，平均孔隙尺寸約30微米，它通常采用相對每克多孔碳-碳纖維復(fù)合材料約20.9mg氧化錫(SnO2)負(fù)載到這類基質(zhì)上而表現(xiàn)為親水性。對于這兩個燃料電池來說，陽極支撐板的結(jié)構(gòu)不同于陰極支撐板的結(jié)構(gòu)。兩個燃料電池具有與陰極基質(zhì)層相同的陽極基質(zhì)層，但是，兩個燃料電池都沒有陽極擴(kuò)散層。
這四個燃料電池的每一個，都是利用約80％的氫(例如燃料反應(yīng)氣體)和約40％的空氣(例如氧化劑反應(yīng)氣體)，且是在約65℃和約環(huán)境壓力下進(jìn)行工作。而且，為了合適地處理產(chǎn)物水(它是由氫和空氣間的化學(xué)反應(yīng)所形成的)，所述反應(yīng)氣體物流和所述冷卻劑物流間的壓差約2psi。如圖16所示，當(dāng)兩個燃料電池具有相同陽極和陰極支撐板結(jié)構(gòu)時，但是一個燃料電池包括具有交指型通道的陰極水輸送板，而另一個燃料電池包括具有常規(guī)通道的陰極水輸送板，則具有交指型通道的陰極水輸送板的燃料電池，較具有常規(guī)通道的陰極水輸送板的燃料電池，表現(xiàn)出更好的性能。具體地說，由符號●表示的燃料電池，在給定電流密度時，較由符號○表示的燃料電池具有更大的電池電壓，這是因為由符號●表示的燃料電池包括具有交指型通道的陰極水輸送板，而另一個燃料電池具有常規(guī)的陰極水輸送板。而且，由符號▲表示的燃料電池，在給定電流密度時，較由符號△表示的燃料電池具有更大的電池電壓，這是因為由符號▲表示的燃料電池包括具有交指型通道的陰極水板，而另一個燃料電池是具有常規(guī)通道的陰極水輸送板。因此，采用一種具有交指型通道的陰極水輸送板替代具有常規(guī)通道的陰極水輸送板，可提高燃料電池的電生產(chǎn)能力。圖16還說明了，具有親水性基質(zhì)層和具有交指型通道在所述陰極水輸送板中的燃料電池，工作性能比另一種電池結(jié)構(gòu)要好。
參見圖17，在所述陰極水輸送板中采用交指型通道，不僅可提高所述燃料電池的電生產(chǎn)能力，而且，可提高所述燃料電池的氧利用率。該圖對一種具有交指型通道的燃料電池與一種具有常規(guī)通道的燃料電池的氧利用率進(jìn)行比較。而且，如圖16所示，由符號●和▲表示的燃料電池，包括交指型通道在所述陰極水板中，而由符號○和△表示的燃料電池包括常規(guī)通道于所述陰極水輸送板中。所有四種燃料電池都是在約600amp/ft2下進(jìn)行工作，利用約70％氫，同時改變氧的利用率。在所述陰極水輸送板中具有交指型通道的燃料電池，與在所述陰極水輸送板中具有常規(guī)通道的燃料電池相比，在給定的氧利用率時，具有更高的電池電壓。因此，采用交指型通道替代常規(guī)通道，可提高燃料電池的氧利用率。而且，在所述支撐板中采用一個親水性基質(zhì)層和在所述陰極水輸送板中采用交指型通道，可獲得最好的氧利用率結(jié)果。
盡管采用交指型通道可提高燃料電池的氧利用率，并提高其電生產(chǎn)能力，但是，在所述反應(yīng)氣體物流和所述冷卻劑物流間形成一個壓差，使得反應(yīng)氣體物流的壓力大于所述冷卻劑物流的壓力，也是很重要的。圖18為一種hysterisis曲線，它表示一種具有交指型通道于所述陰極水輸送板的燃料電池，其電池電壓隨氧化劑反應(yīng)氣體物流與冷卻劑物流間壓差變化的關(guān)系。
采用表3中前述討論的由符號▲的燃料電池結(jié)構(gòu)，其中，這類燃料電池具有交指型通道于所述水輸送板中，并控制所有測試條件恒定，只改變所述冷卻劑和反應(yīng)氣體物流間的壓差。所述冷卻劑和所述反應(yīng)氣體物流間的壓差在約0-3.5psi間變化。具體地說，當(dāng)所述冷卻劑物流的壓力變化時，所述燃料和氧化反應(yīng)氣體物流的壓力保持恒定。如圖18中箭頭所示，所述測試通過形成約3.4psi的壓差而開始進(jìn)行，它逐漸降低到0，之后逐漸提高到其起始壓力。當(dāng)所述燃料電池在壓差等于約0至范圍約為1.0-1.5psi間進(jìn)行工作時，所述電池電壓各自從約0.35伏提高到0.7伏。不過，當(dāng)所述燃料電池在大于約1.0-1.5psi的壓差下進(jìn)行工作時，所述電池電壓保持在相對穩(wěn)定在約0.69-0.71伏的電壓。圖18的數(shù)據(jù)說明，在當(dāng)所述冷卻劑和所述氧化劑氣體物流間的壓差從0提高到范圍約1.0-1.5伏時，由燃料電池的性能顯著地提高，在該點之后，所述燃料電池的性能保持相對不變。當(dāng)所述冷卻劑物流和氧化劑氣體間的壓差提高時，電池的性能改善。因此，在一個具有交指型通道中在所述冷卻劑物流和所述反應(yīng)氣體物流間形成一個壓差，使得所述反應(yīng)氣體物流的壓力大于所述冷卻劑物流的壓力，與如圖12所示的具有常規(guī)通道的燃料電池中一樣是同等重要的。
圖19說明了具有由符號▲表示的結(jié)構(gòu)和交指型氧化劑流場的燃料電池可獲得的高電流密度。通過限定化學(xué)計量低于2.50(有時表示為250％)，在一個大氣中的PEM燃料電池中，使空氣流過所述電池需要的額外功率保持在最小。
盡管借助于范例性實施例對本發(fā)明作了具體的描述和說明，但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，前述的和多種其它改變、省略和添加在不遠(yuǎn)離本發(fā)明精神和范圍時是可能作出的。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池發(fā)電裝置，包括一個燃料電池，它包括一個陽極支撐板、一個陰極支撐板和一個設(shè)置在所述支撐板之間的膜電極裝置，所述陽極支撐板含有一個多孔基質(zhì)層，它具有一個交指型通道用于燃料反應(yīng)氣體物流進(jìn)入到其中并從中流出，所述陰極支撐板含有一個多孔基質(zhì)層，它具有一個交指型通道用于氧化劑氣體物流進(jìn)入到其中并從中流出，所述膜電極裝置包括一種設(shè)置在兩個催化劑之間的聚合物電解質(zhì)膜；第一多孔水輸送板，它與所述陰極支撐板相鄰，所述第一多孔支撐板具有一個通道用于冷卻劑物流從其中流過，和一個交指型通道用于氧化劑氣體物流進(jìn)入到其中并從中流出；第二多孔水輸送板，它與所述陽極支撐板相鄰，所述第二多孔支撐板具有一個通道用于冷卻劑物流從其中流過，和一個交指型通道用于燃料反應(yīng)物流進(jìn)入到其中并從中流出；用來在所述氧化劑氣體物流和所述冷卻劑物流間形成預(yù)定壓差的裝置，使得所述氧化劑氣體物流的壓力大于所述冷卻劑物流的壓力；和用來在所述燃料反應(yīng)氣體物流和所述冷卻劑物流間形成預(yù)定壓差的裝置，使得所述燃料反應(yīng)氣體物流的壓力大于所述冷卻劑物流的壓力。
2.如權(quán)利要求1所述燃料電池發(fā)電裝置，其中.所述陰極支撐板包括一個多孔親水性基質(zhì)層，和一個設(shè)置在所述基質(zhì)層與所述膜電極裝置之間的部分疏水性擴(kuò)散層；所述陽極支撐板包括一個多孔親水性基質(zhì)層，但是沒有擴(kuò)散層；所述水輸送板為親水性的；和所述氧化劑氣體物流的壓力高出所述冷卻劑物流壓力約1.0-1.5psi。
3.一種燃料電池發(fā)電裝置，它包括(a)一個燃料電池，它包括一個陽極支撐板和一個陰極支撐板和一個設(shè)置在所述支撐板之間的膜電極裝置，所述膜電極裝置包括一種設(shè)置在兩個催化劑之間的聚合物電解質(zhì)膜，所述支撐板之一包括一個其中具有孔隙的基質(zhì)層且具有一個交指型通道用于反應(yīng)氣體物流進(jìn)入到其中并從中流出；(b)一個多孔水輸送板，它與所述支撐板之一相鄰，所述多孔水輸送板具有一個通道用于冷卻劑物流從其中流過；和(c)用來在所述反應(yīng)氣體物流和所述冷卻劑物流間形成預(yù)定壓差的裝置，使得所述反應(yīng)氣體物流的壓力大于所述冷卻劑物流的壓力。
4.如權(quán)利要求3所述燃料電池發(fā)電裝置，其中所述兩個支撐板都包括一個多孔基質(zhì)層，它具有一種交指型通道用于反應(yīng)氣體物流進(jìn)入到其中并從中流出，且其中所述燃料電池發(fā)電裝置還包括一個多孔水輸送板，它與所述支撐板之一相鄰，所述多孔水輸送板每個具有一個通道用于冷卻劑物流從其中流過；和用來在每種所述反應(yīng)氣體物流和所述冷卻劑物流間形成預(yù)定壓差的裝置，使得每種所述反應(yīng)氣體物流的壓力大于所述冷卻劑物流的壓力。
5.一種燃料電池發(fā)電裝置，它包括(a)一個燃料電池，它包括一個陽極支撐板和一個陰極支撐板和一個設(shè)置在所述陽極和陰極支撐板之間的膜電極裝置，所述膜電極裝置包括一個設(shè)置在兩個催化劑之間的聚合物電解質(zhì)膜，所述支撐板每個都包括一個其中具有孔隙的基質(zhì)層；(b)一個多孔水輸送板，它與所述支撐板之一相鄰，所述多孔水輸送板具有一個通道用于冷卻劑物流從其中流過，并具有一個交指型通道用于反應(yīng)氣體物流進(jìn)入到其中并從中流出；和(c)用來在所述反應(yīng)氣體物流和所述冷卻劑物流間形成預(yù)定壓差的裝置，使得所述反應(yīng)氣體物流的壓力大于所述冷卻劑物流的壓力。
6.如權(quán)利要求5所述燃料電池發(fā)電裝置，其中位于所述支撐板之一的所述多孔基質(zhì)層是親水性的。
7.如權(quán)利要求6所述燃料電池發(fā)電裝置，其中所述陰極支撐板的親水性基質(zhì)層中孔隙的直徑，在當(dāng)所述氧化劑反應(yīng)氣體物流與所述冷卻劑物流間的壓差等于所述預(yù)定壓差時，它可使得所述孔隙的更大百分比含有氧化劑氣體而不是冷卻劑。
8.如權(quán)利要求6所述燃料電池發(fā)電裝置，其中所述親水性基質(zhì)層中孔隙至少50％具有的直徑(D)等于或大于30/P，其中D以微米計，而P表示預(yù)定壓差，以磅/平方英寸計。
9.如權(quán)利要求6所述燃料電池發(fā)電裝置，其中所述親水性多孔基質(zhì)層為一種多孔碳基質(zhì)層，它含有一種金屬氧化物、金屬氫氧化物或金屬含氧氫氧化物，其中所述金屬選自錫、鋁、鈮、釕、鉭、鈦、鋅、鋯及其混合物，從而使所述多孔碳基質(zhì)層表現(xiàn)為親水性。
10.如權(quán)利要求5所述燃料電池發(fā)電裝置，其中所述反應(yīng)氣體物流和所述冷卻劑物流間的預(yù)定壓差約為0.5-10psi。
11.如權(quán)利要求10所述燃料電池發(fā)電裝置，其中所述反應(yīng)氣體物流和所述冷卻劑物流間的預(yù)定壓差約為1.0-3psi。
12.如權(quán)利要求11所述燃料電池發(fā)電裝置，其中所述反應(yīng)氣體物流和所述冷卻劑物流間的預(yù)定壓差約為2.0-2.5psi。
13.如權(quán)利要求5所述燃料電池發(fā)電裝置，其中位于所述支撐板之一的多孔基質(zhì)層是疏水性的。
14.如權(quán)利要求5所述燃料電池發(fā)電裝置，其中所述支撐板之一還可含有一個擴(kuò)散層，其設(shè)置在所述基質(zhì)層和所述膜電極裝置之間。
15.如權(quán)利要求14所述燃料電池發(fā)電裝置，其中所述擴(kuò)散層具有的臨界表面能等于或小于約30dyne/cm2。
16.如權(quán)利要求5所述燃料電池發(fā)電裝置，其中所述陽極支撐板和陰極支撐板中僅有一個含有一個擴(kuò)散層。
17.如權(quán)利要求5所述的燃料電池發(fā)電裝置，其中所述支撐板包括一個多孔基質(zhì)層，且其中所述燃料電池發(fā)電裝置還包括一個與每個所述支撐板相鄰的多孔水輸送板。
18.如權(quán)利要求17所述燃料電池發(fā)電裝置，其中所述兩個多孔水輸送板都具有一個通道，用于冷卻劑物流從其中流過，和一個交指型通道，用于反應(yīng)氣體物流進(jìn)入到其中并從中流出，且其中所述燃料電池發(fā)電裝置還包括用來在每種所述反應(yīng)氣體物流與所述冷卻劑物流間形成預(yù)定壓差的裝置，使得每種反應(yīng)氣體物流的壓力大于所述冷卻劑物流的壓力。
19.一種運轉(zhuǎn)燃料電池發(fā)電裝置的方法，所述發(fā)電裝置包括(a)一個燃料電池，它包括一個陽極支撐板和一個陰極支撐板和一個設(shè)置在所述陽極和陰極支撐板之間的膜電極裝置，所述膜電極裝置包括一個設(shè)置在兩個催化劑之間的聚合物電解質(zhì)膜，所述支撐板每個都包括一個其中具有孔隙的基質(zhì)層；(b)一個多孔水輸送板，它與所述支撐板之一相鄰，所述多孔水輸送板具有一個通道用于冷卻劑物流從其中流過，并具有一個交指型通道用于反應(yīng)氣體物流進(jìn)入到其中并從中流出；和(c)用來在所述反應(yīng)氣體物流和所述冷卻劑物流間形成預(yù)定壓差的裝置，使得所述反應(yīng)氣體物流的壓力大于所述冷卻劑物流的壓力；所述方法其特征在于包括下述步驟使含氫氣體在所述陽極支撐板鄰近流過；使空氣在基本大氣壓下流過所述交指型通道；控制空氣流率以保持氧化劑化學(xué)計量為250％或更低；根據(jù)流過所述燃料電池相應(yīng)的電力負(fù)荷，在最大電流密度至少為1.6安培/平方厘米下運轉(zhuǎn)所述燃料電池；和根據(jù)流過所述燃料電池相應(yīng)的電力負(fù)荷，在電流密度小于1.6安培/平方厘米下運轉(zhuǎn)所述燃料電池。
20.一種運轉(zhuǎn)含有多個燃料電池的PEM燃料電池系統(tǒng)的方法，每個電池包括一個陽極支撐板、一個陰極支撐板、一個設(shè)置在所述支撐板之間的膜電極裝置、位于所述膜電極裝置陰極一側(cè)上的交指型氧化劑液流通路和位于所述膜電極裝置陽極一側(cè)的燃料液流通路，所述方法其特征在于包括下述步驟使含氫氣體流過所述液流通路；使空氣在基本大氣壓下流過所述氧化液流通路；控制空氣流速以保持氧化劑化學(xué)計量為250％或更低；根據(jù)流過所述燃料電池相應(yīng)的電力負(fù)荷，在最大電流密度至少為1.6安培/平方厘米下運轉(zhuǎn)所述燃料電池；和根據(jù)流過所述燃料電池相關(guān)的電力負(fù)荷，在電流密度小于1.6安培/平方厘米下運轉(zhuǎn)所述燃料電池。
21.如權(quán)利要求20所述方法，其中所述控制和運轉(zhuǎn)步驟包括在最大電流密度至少1.5安培/平方厘米下運轉(zhuǎn)所述燃料電池，同時控制所述流率以保持化學(xué)計量約167％或更低。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃料電池發(fā)電裝置(10)，它包括燃料電池(12)，其具有膜電極裝置(16)，設(shè)置在陽極支撐板(17)陰極支撐板(19)之間，和與陽極和陰極相鄰的多孔水輸送板(84’、86’)。該多孔水輸送板具有交指型液流通路用于反應(yīng)氣體(110)從其中流過，和常規(guī)液流通路用于冷卻劑物流(98)從其中流過。該燃料電池發(fā)電裝置還具有用來在反應(yīng)氣體物流和冷卻劑物流間形成壓差的裝置，使反應(yīng)氣體物流的壓力大于冷卻劑物流的壓力。將交指型液流通路引入多孔水輸送板中，并在壓差中運轉(zhuǎn)燃料電池，使冷卻劑水飽和水輸送板，從而迫使反應(yīng)氣體進(jìn)入到陽極和陰極支撐板中。它反過來會提高這類氣體進(jìn)入支撐板中的傳質(zhì)，從而提高燃料電池的電生產(chǎn)能力。在空氣化學(xué)計量不超過2.50時，可獲得約1.6安培/平方米的電流密度。
文檔編號H01M8/10GK1409879SQ00817069
公開日2003年4月9日 申請日期2000年12月15日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月17日
發(fā)明者J·S·伊, J·普哈爾斯基 申請人:Utc燃料電池有限公司