專利名稱：具有親水基體層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)電廠，并且尤其涉及燃料電池的陽極和/或陰極內(nèi)利用了親水基體層的燃料電池發(fā)電廠。
各種類型的燃料電池依據(jù)其電解質(zhì)的不同而不同。電解質(zhì)是陽極和陰極之間的離子導(dǎo)電物質(zhì)。一種類型的燃料電池包括固體聚合物電解質(zhì)，也稱之為質(zhì)子交換膜(PEM)。下文中將含有固體聚合物膜或質(zhì)子交換膜的燃料電池稱為PEM燃料電池。PEM燃料電池內(nèi)的催化劑層通常附著在膜的兩側(cè)，由此形成了膜電極組件(MEA)。如上所述，當(dāng)氫離子通過MEA時，氫離子、電子和氧化反應(yīng)氣之間的電化學(xué)反應(yīng)在陰極內(nèi)形成了水。通常稱該水為“產(chǎn)物水”。另外，在燃料電池的操作中，由于與氫離子一起從陽極通過MEA的水分子的阻力，水可能在陰極積累。通常稱該水為“質(zhì)子阻力水”(proton drag water)。質(zhì)子從陽極到陰極的阻力導(dǎo)致了PEM陽極側(cè)相對與陰極側(cè)較低的水含量。陽極側(cè)和陰極側(cè)水含量的差異產(chǎn)生了滲透力，它促進(jìn)了PEM陰極側(cè)水向陽極側(cè)的流動。但是，如果PEM(即，電解質(zhì))未被水充分飽和，該PEM電阻增加，來自燃料電池的有用能量減少。另外，如果產(chǎn)物水和阻力水在陰極積累，該積累的水可能阻礙和阻止氧與氫離子和電子的反應(yīng)。陰極的水積累將由此減少了沿燃料電池產(chǎn)生的電勢，從而限制了燃料電池的性能。再者，如果陰極水含量不能減少，陰極將被淹沒，該燃料電池最終將會停止產(chǎn)生能量并且斷路。
為了有助于使氧化反應(yīng)氣到達(dá)MEA上的催化劑，陰極支撐板通常包括一個擴(kuò)散層和一個基體層。擴(kuò)散層和基體層通常都由可變成疏水的多孔碳層構(gòu)成。疏水意味著與水對抗并且因此通常被稱為抗?jié)櫇?。但是，利用親水基體代替疏水基體是已知的。親水意味著能吸水，因此通常被稱為可潤濕。例如，專利US5,641,586描述了含有一親水基體層和一疏水基體層的陰極支撐板。專利US5,641,586的目的包括提供多孔的支撐板，當(dāng)氧化氣通過該支撐板時，該板降低了氧化氣的壓降，使水在該支撐板的累積最小并且使進(jìn)入催化劑的氧化反應(yīng)氣最多。盡管親水的基體可能減少氧化反應(yīng)氣通過陰極的壓降，由于其固有的性質(zhì)，親水基體比疏水基體吸收的水多。因此，除非可恰當(dāng)?shù)膶⑺畯年帢O支撐板移去，否則親水基體將吸收水，從而將最終淹沒該陰極支撐板。因此，陰極支撐板的淹沒將會否定專利US5,641,586的目的之一，即與水累積最小有關(guān)的目的。
淹沒陰極支撐板也可能會阻止氧化反應(yīng)氣體到達(dá)催化劑。專利US5,641,586描述了一種在高壓下操作的電池，在該電池內(nèi)產(chǎn)生的水通常以水蒸氣和被夾帶的液體水混合的氧化反應(yīng)尾氣物流方式排出電池。被夾帶的液體水沿反應(yīng)物流管道從電池內(nèi)部移至氧化反應(yīng)尾氣流。這個概念對采用疏水基體和固體反應(yīng)物支撐板的電池構(gòu)型是很好接受的。然而，專利US5,641,586描述了含有親水基體的一種電池，該親水基體吸收液體水并淹沒基體，從而阻礙了氧向陰極催化劑的遷移。
本技術(shù)領(lǐng)域需要能確保恰當(dāng)?shù)貜年帢O移去產(chǎn)物和質(zhì)子阻力水的一種燃料電池發(fā)電廠，由此確保氧化反應(yīng)氣體流中最多的氧量抵達(dá)MEA陰極側(cè)的催化劑并與之發(fā)生反應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為包含一種燃料電池的燃料電池發(fā)電廠，該燃料電池具有置于陽極支撐板和陰極支撐板之間的膜電極組件(MEA)，其中，陽極和/或陰極支撐板包括一親水基體層。該燃料電池發(fā)電廠還包括一燃料反應(yīng)物氣流、一氧化劑反應(yīng)物氣流和一冷卻水流，該燃料反應(yīng)物氣流以流體形式與陽極支撐板上的親水基體層接觸，該氧化劑反應(yīng)物氣流以流體形式與陰極支撐板上的親水基體層接觸，該冷卻水流以流體形式與陽極和陰極支撐板上的親水基體層接觸。陽極支撐板上的親水基體層促進(jìn)了冷卻水向MEA陽極側(cè)的遷移，陰極支撐板上的親水基體層改善了MEA陰極側(cè)水的去除。陽極和陰極支撐板上的親水基體層都有預(yù)定的孔隙度(即，氣孔數(shù)量)和孔徑。本發(fā)明的發(fā)明者認(rèn)識到，若不控制含水的親水基體內(nèi)的氣孔數(shù)量，水將100％填充得到的氣孔，從而阻止了反應(yīng)物氣體的任何遷移。因此，本發(fā)明的發(fā)明者意識到通過控制反應(yīng)物氣流和冷卻劑物流的壓力，控制了含水或含反應(yīng)物氣體的氣孔的百分比。本發(fā)明利用冷卻劑物流和反應(yīng)物氣流間的壓差來控制親水基體氣孔內(nèi)物流的各自分布。壓差的建立使得親水基體層內(nèi)更大百分比的氣孔含反應(yīng)物氣體而非水。本發(fā)明使反應(yīng)物氣流和冷卻劑物流之間產(chǎn)生壓差，以使反應(yīng)物氣流壓力大于冷卻劑物流(coolant stream)壓力。在此壓差下操作燃料電池可保證在陰極催化劑層形成的產(chǎn)物和質(zhì)子阻力水將通過陰極支撐板遷移并離開MEA?？刂芃EA陽極側(cè)的冷卻劑物流和燃料反應(yīng)物氣流還可保證冷卻水將連續(xù)不斷地由冷卻劑物流向MEA陽極側(cè)遷移，由此阻止了隔膜變干。
陰極和陽極支撐板上適宜的水平衡可保證PEM保持潮濕，從而延長燃料電池的壽命且提高其電效率。適宜地去除水還可提高燃料電池內(nèi)氧的利用。具體講，若不恰當(dāng)?shù)厝コ?，降低了有效氧到達(dá)催化劑的量。增加催化劑上可得到的氧量提高了燃料電池的性能和/或減小燃料電池的整體尺寸以產(chǎn)生一定的額定功率。盡管專利US5,641,586認(rèn)為用親水基體層替代陰極疏水基體層提高了電池電壓，但該專利未討論去除陰極水的重要性。而且，該專利未教導(dǎo)通過控制反應(yīng)物氣流和冷卻劑物流的壓力及減少催化劑層水含量來控制親水基體的填充孔隙度。相反，提供了阻止陰極支撐板被淹沒的一種裝置，由此確保最大量的氧化反應(yīng)物氣體到達(dá)MEA陰極側(cè)。因此，本發(fā)明不僅提高了燃料電池的電能輸出容量，而且提高了燃料電池氧的利用，從而進(jìn)一步提高了燃料電池的操作效率。
因此，本發(fā)明涉及包含一種燃料電池的燃料電池發(fā)電廠，該燃料電池包括陽極支撐板和陰極支撐板以及置于陽極支撐板和陰極支撐板間的膜電極組件，其中，該膜電極組件包括聚合物電解質(zhì)膜，陽極支撐板和陰極支撐板均包含有氣孔的親水基體層。燃料電池發(fā)電廠還包含與陽極和陰極支撐板相鄰的水傳輸板，其中，該水傳輸板具有用于冷卻劑物流和反應(yīng)物氣流通過的通道。將水傳輸板引入燃料電池增強了燃料電池從陰極支撐板去除水和使水通過陽極支撐板向膜傳輸?shù)哪芰?。燃料電池發(fā)電廠另外包括在反應(yīng)物氣流和冷卻劑物流間產(chǎn)生預(yù)定壓差的一種裝置，以使親水基體層內(nèi)更大百分比的氣孔含反應(yīng)物氣體而非冷卻劑。
在本發(fā)明的其它實施方式中，陽極和/或陰極支撐板可含有一擴(kuò)散層。如果這樣，優(yōu)選的擴(kuò)散層為部分疏水而非全部疏水，因為正如專利US5,641,586所述，部分疏水的擴(kuò)散層較全部疏水的擴(kuò)散層能夠傳輸更大百分比的液體水。
在本發(fā)明的另一個實施方式中，燃料電池有包括一親水基體層但不包括擴(kuò)散層的陽極和/或陰極支撐板。移去陽極擴(kuò)散層或降低其厚度提高了水傳輸板的水向MEA的遷移，從而保證PEM的適宜潤濕，特別在高電流密度時，由此還提高了燃料電池的電效率。移去陰極擴(kuò)散層或降低其厚度，縮短了氧化劑反應(yīng)物氣體在到達(dá)催化劑之前必須經(jīng)過的路程，從而提高了燃料電池的氧利用特性。
根據(jù)下面對附圖所示的示范性的實施方式詳細(xì)描述，本發(fā)明上述的特性和優(yōu)點將變得更加明顯。
附圖的簡要說明

圖1所示為包含一PEM燃料電池及控制反應(yīng)物氣流和冷卻劑物流壓力的一種裝置的燃料電池發(fā)電廠。
圖2為親水基體層的孔徑與孔隙度之間的關(guān)系曲線。
圖3所示為基于圖2曲線的一定孔徑下液體和氣體孔隙度的百分比。
圖4所示為一PEM燃料電池，該燃料電池的陽極和陰極支撐板上均包括疏水?dāng)U散層和基體層。
圖5所示為一PEM燃料電池，該燃料電池的陽極和陰極支撐板上均包括疏水?dāng)U散層和親水基體層。
圖6所示為一PEM燃料電池，該燃料電池的陰極支撐板上包括疏水?dāng)U散層和親水基體層，其陽極支撐板上僅有親水基體層。
圖7所示為一PEM燃料電池，該燃料電池的陽極和陰極支撐板上僅有親水基體層。
圖8為表1所示的各種構(gòu)型燃料電池的電流密度-電池電壓圖。
圖9為表1所示的各種構(gòu)型燃料電池的燃料電池氧利用率-電池電壓圖。
圖10為表2所示的各種構(gòu)型燃料電池的電流密度-電池電壓圖。
圖11為燃料電池電壓與氧化物反應(yīng)物氣流和冷卻劑物流間的壓差的函數(shù)關(guān)系圖。
實施本發(fā)明的最好方式圖1所示為一PEM燃料電池發(fā)電廠10，該燃料電池發(fā)電廠包括一燃料電池12和控制燃料反應(yīng)物氣流22、氧化劑反應(yīng)物氣流24及冷卻劑物流26的壓力的一種裝置。PEM燃料電池發(fā)電廠10通常包含許多燃料電池，它們以串聯(lián)方式的進(jìn)行電連接，稱為電池堆組件。然而，為了簡單解釋本發(fā)明，燃料電池發(fā)電廠10僅包括一個燃料電池12，應(yīng)當(dāng)理解為燃料電池發(fā)電廠10一般包括預(yù)定數(shù)量的燃料電池12。每個燃料電池12包括一陽極支撐板14、一陰極支撐板18和一置于陽極支撐板14和陰極支撐板18之間的膜電解質(zhì)組件(MEA)16。燃料反應(yīng)物氣流22為陽極支撐板14提供諸如來自燃料供應(yīng)站(未示出)的氫的燃料反應(yīng)氣體，氧化劑反應(yīng)物氣流24為陰極支撐板18提供氧化劑反應(yīng)物氣體。氧化劑反應(yīng)物氣體基本上可以是來自壓縮氧氣箱中的純氧，或者氧化劑反應(yīng)物氣體可以是通過壓縮機或空氣吹風(fēng)機進(jìn)行加壓的空氣。當(dāng)反應(yīng)物氣體通過燃料電池12時，在陰極支撐板18上形成產(chǎn)物水。另外，燃料反應(yīng)物氣流22中的水通過MEA16并進(jìn)入陰極支撐板18。
水傳輸板20用于從陰極支撐板18上去除水并將這些水引入通常含有水的冷卻劑物流26中。該水傳輸板20還冷卻了燃料電池12。因此，水傳輸板20有時也被稱為冷卻板。因為，冷卻劑物流26、燃料反應(yīng)物氣流22和氧化劑反應(yīng)物氣流24相互間以流體形式接觸，優(yōu)選將水控制在PEM燃料電池發(fā)電廠10內(nèi)。水控制系統(tǒng)的例子包括專利U.S.5,503,944和5,700,595所示的控制系統(tǒng)，這兩個專利都轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，在此引用參考。這兩個專利都基于反應(yīng)物氣體和冷卻水之間維持正壓差。操作燃料電池發(fā)電廠10使氧化劑反應(yīng)物氣流24的壓力大于冷卻劑物流26的壓力，以確保產(chǎn)物水從陰極18向水傳輸板20的運動。
更重要的是，本發(fā)明的發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在陽極支撐板14和/或陰極支撐板18內(nèi)包括親水基體層時，為了阻止陰極支撐板18或陽極支撐板14被淹沒，操作燃料電池發(fā)電廠10使得燃料反應(yīng)物氣流22、氧化氣流24和冷卻反應(yīng)物流26之間存在壓差是必要的。尤其是，壓差建立了優(yōu)選的親水基體內(nèi)液體水或冷卻劑與反應(yīng)物氣體的比率。液體與反應(yīng)物氣體的百分比是親水基體孔徑和反應(yīng)物及冷卻劑物流間壓差的函數(shù)。每個親水基體具有預(yù)定的孔徑和預(yù)定的孔隙度。例如，圖2為微米級(即，微米)的平均孔徑與大于所繪孔徑的孔之孔隙度百分比曲線。該圖說明親水基體層內(nèi)平均孔徑小于1微米的氣孔的孔隙度約為75％。然而，優(yōu)選超過一半的有效氣孔被反應(yīng)物氣體而非液體填充。因此，親水基體層內(nèi)具有大于所繪直徑的氣孔的孔隙度應(yīng)超過37.5％。
圖2是通過使用諸如美國Toray出售的TGP-006級水銀測孔儀測量親水基體層所得到的，并且用20毫克氧化錫(SnO2)處理每克基體使其潤濕。圖2示出了親水基體層的孔徑分布。換言之，對于給定的孔徑，如氣孔的孔徑小于所繪的孔徑，曲線以上的距離代表其孔隙度的百分?jǐn)?shù)，如氣孔的孔徑大于所繪的孔徑，曲線以下的距離代表其孔隙度的百分?jǐn)?shù)。例如，就圖3而言，12微米的平均孔徑對應(yīng)67％的孔隙度。若孔徑大于12微米，孔隙度約為67％，若孔徑小于12微米，孔隙度約為8％。因此，基體的孔隙度約為89％是由于孔徑大于12微米，孔隙度約為11％是由于孔徑小于12微米。
因為孔徑和壓差間存在一種關(guān)系，因此控制冷卻物流和反應(yīng)物氣流間的壓差可控制親水基體內(nèi)液體和反應(yīng)物氣體的百分比。下面的方程確定了孔徑和壓差間的關(guān)系Pg-P1=4γcosθD---[Eq.1]]]>其中Pg＝反應(yīng)物氣體壓力P1＝液體壓力γ＝表面張力θ＝接觸角D＝填滿液體的最大孔的直徑溫度約65℃(150°F)時，水的表面張力(γ)大致為65達(dá)因/厘米。另外，水和親水基體的接觸角約為0。因此，在約65℃(150°F)時，反應(yīng)物氣體壓力(Pg)與液體壓力(P1)的差約等于30/D，其中，壓力以每平方英寸的磅數(shù)計(psi)，孔徑(D)以微米計。
如果保持了壓差，親水基體內(nèi)直徑小于給定孔徑(D)的全部氣孔將含液體，并且親水基體內(nèi)直徑大于給定孔徑(D)的全部氣孔將含反應(yīng)物氣體。如上所述，對于給定的孔徑，若氣孔的孔徑小于所繪的孔徑(D)，曲線以上的距離代表其孔隙度的百分?jǐn)?shù)，若氣孔的孔徑大于所繪的孔徑，曲線以下的距離代表其孔隙度的百分?jǐn)?shù)。因此，在合適的壓差下操作燃料電池可確保曲線以上的距離代表含液體的孔的百分?jǐn)?shù)及曲線以下的距離代表含反應(yīng)物氣體的孔的百分?jǐn)?shù)。例如，如上文所述的圖3中，含液體的孔的百分?jǐn)?shù)約11％，含反應(yīng)物氣體的孔的百分?jǐn)?shù)約89％。因此，親水基體內(nèi)冷卻劑物流與反應(yīng)物氣體的比例約為1∶9。控制冷卻劑物流和反應(yīng)物氣流的壓力可保證親水基體內(nèi)的氣孔所含氧化反應(yīng)物氣體的百分?jǐn)?shù)大于冷卻劑。
如果減小壓差，填滿水的氣孔的百分?jǐn)?shù)將增加。而且，當(dāng)液體壓力和反應(yīng)物氣體壓力間沒有壓差時，與專利U.S.5,641,586一樣，填滿水的氣孔的百分?jǐn)?shù)接近100％，從而淹沒了陰極。陰極的淹沒將阻止氧化劑反應(yīng)物氣體到達(dá)催化劑層，因為大部分的氣孔將被水填滿并且電性能將下降。
親水基體內(nèi)液體與反應(yīng)物氣體的優(yōu)選比例是孔徑和孔隙度間的函數(shù)關(guān)系，該孔隙度是該親水基體在該孔徑下的值。換言之，被反應(yīng)物氣體和水填滿的氣孔的優(yōu)選百分比取決于圖2所示的曲線的形狀。就圖2而言，優(yōu)選填滿的反應(yīng)物氣體的孔隙度等于或大于點A。點A代表孔隙度對孔徑的變化不敏感的交界點。盡管圖2的曲線形狀表明當(dāng)孔隙度約67％時，孔隙度對孔徑的變化不敏感，但優(yōu)選在含反應(yīng)物氣體的氣孔數(shù)大于含水的氣孔數(shù)的孔隙度下操作。這導(dǎo)致了優(yōu)選的反應(yīng)物向催化劑的傳質(zhì)，同時也提供了陰極水向水傳輸板傳輸?shù)臐櫇裢ǖ?。另外，在燃料反?yīng)物氣流和冷卻劑物流間產(chǎn)生的壓差允許水由水傳輸板向燃料電池陽極側(cè)的PEM移動。
如上所述，被反應(yīng)物氣體和水所填充的氣孔的優(yōu)選百分比取決于基體層內(nèi)氣孔的尺寸及反應(yīng)物氣流22、24和冷卻劑物流間的壓差。含液體或反應(yīng)物氣體的氣孔的百分比將分別由冷卻劑物流26和反應(yīng)物氣流22、24所控制，其中反應(yīng)物氣流22、24通常比冷卻水氣流的壓力大。具體講，因為反應(yīng)物氣流22、24的壓力通常約等于環(huán)境壓力，冷卻劑物流26的壓力則小于環(huán)境壓力。此外，冷卻劑物流26和反應(yīng)物氣流22、24間的壓差一般約在0.5psi至5.0psi范圍內(nèi)。更優(yōu)選維持壓差約在1.0psi至3.0psi范圍內(nèi)，特別優(yōu)選維持壓差約在2.0psi至2.5psi范圍內(nèi)。
如圖1所示，在反應(yīng)物氣流22、24和冷卻劑物流26間維持正壓差的這種裝置包括流過冷卻劑物流26的循環(huán)水，該冷卻劑物流26通過熱交換器28制冷并且通過泵30加壓。泵30在冷卻劑物流26內(nèi)建立了預(yù)定的冷卻水壓。該水壓還可通過位于冷卻劑物流26內(nèi)正好在水傳輸板20之前的可調(diào)節(jié)閥38來調(diào)節(jié)。如果泵30為固定速率泵，在需要調(diào)節(jié)壓力時，閥38將用于改變冷卻劑物流壓力。在泵30和閥38的下游安裝有壓力轉(zhuǎn)換器44。此壓力轉(zhuǎn)換器44用于測量冷卻水流在進(jìn)入水傳輸板20之前時的壓力?？煞謩e通過線52、58和60將壓力轉(zhuǎn)換器44、閥38和泵30與發(fā)電廠微處理控制器相連接。當(dāng)需要獲得目標(biāo)冷卻劑物流壓力時，從壓力轉(zhuǎn)換器44輸入的冷卻劑物流壓力將使控制器調(diào)節(jié)泵30和/或閥44。
氧化劑反應(yīng)物氣通過線24被輸送到陰極支撐板18。線24包括變壓調(diào)節(jié)閥36和下游壓力轉(zhuǎn)換器42，該轉(zhuǎn)換器測量氧化劑反應(yīng)物氣流進(jìn)入陰極支撐板18時的壓力。壓力轉(zhuǎn)換器42通過線50與系統(tǒng)控制器連接，可變閥36通過線56與控制器46連接。當(dāng)利用可變壓縮機或泵32來壓縮空氣氧化物時，可與控制器46建立適當(dāng)?shù)倪B接。這樣，當(dāng)系統(tǒng)操作條件下達(dá)命令時，控制器46能夠通過調(diào)節(jié)閥36或泵/壓縮機32來適當(dāng)修正氧化劑反應(yīng)物氣的壓力。
利用線22將燃料反應(yīng)物加入陽極支撐板14。燃料反應(yīng)物氣體通常被裝入一加壓容器或一加壓的燃料調(diào)節(jié)或修正系統(tǒng)內(nèi)(未顯示)。操作可變閥34以調(diào)節(jié)燃料反應(yīng)物34進(jìn)入陽極支撐板14時的壓力。燃料反應(yīng)物壓力通過壓力轉(zhuǎn)換器40來監(jiān)測，該轉(zhuǎn)換器通過線48與系統(tǒng)控制器46連接。可變閥34通過線54與系統(tǒng)控制器連接。優(yōu)選在接近環(huán)境壓力時操作燃料電池發(fā)電廠，因為這樣做不需要壓縮空氣至高壓且允許使用風(fēng)扇或鼓風(fēng)機使得空氣通過燃料電池，由此可產(chǎn)生最大的效率。在燃料電池發(fā)電廠內(nèi)不使用壓縮機可消除一種寄生動力(parasite power)的來源，從而提高了發(fā)電廠總的操作效率。盡管本發(fā)明不局限于任何具體的操作條件，但是反應(yīng)物氣體優(yōu)選的操作壓力范圍為15至20psi。
圖4示出了燃料電池12的截面圖，該燃料電池包括一MEA16、一陽極支撐板17和一陰極支撐板19。該MEA16包含一聚合物電解質(zhì)膜(“PEM”)70，一陽極催化劑72和一陰極催化劑74。陽極催化劑72和陰極催化劑74被固定在PEM70的相對的兩面。
陽極支撐板17和疏水陰極支撐板19包括疏水?dāng)U散層76、78和基體層80、82。陽極擴(kuò)散層76與陽極催化劑72相鄰，陽極基體層80和與正對著陽極催化劑72的陽極擴(kuò)散層76的一側(cè)相鄰。陽極擴(kuò)散層76和疏水陽極基體層80允許燃料反應(yīng)氣通過水傳輸支撐板84內(nèi)的通道94，并且允許水通過通道96到達(dá)陽極催化劑72。燃料電池12還包括一疏水陰極擴(kuò)散層78和疏水陰極基體層82，以使通過水傳輸板86內(nèi)通道92的氧化劑反應(yīng)物氣體傳輸至陰極催化劑74。陰極擴(kuò)散層78與陰極催化劑74相鄰，陰極基體層82與正對著陰極催化劑74的陰極擴(kuò)散層78的一側(cè)相鄰。陰極擴(kuò)散層78和疏水陰極基體層82允許氧化劑反應(yīng)物氣體通過水傳輸板86內(nèi)的通道92到達(dá)陰極催化劑74。疏水陰極擴(kuò)散層78和疏水陰極基體層82允許在陰極催化劑74內(nèi)形成的產(chǎn)物水向水傳輸板86遷移。
通過本技術(shù)領(lǐng)域所熟知的方法將擴(kuò)散層76、78涂覆于陽極支撐板17和陰極支撐板19內(nèi)的陽極和陰極基體層80、82上。一種優(yōu)選的方法在本文參考引用的專利U.S.4,233,181已描述，本發(fā)明的受讓人擁有該專利權(quán)。擴(kuò)散層76、78通常由進(jìn)行了疏水或部分疏水處理的多孔導(dǎo)電層所構(gòu)成。碳顆粒是一種這樣的多孔導(dǎo)電層。優(yōu)選碳顆粒的孔徑小于或等于4微米且其孔隙度等于或大于60％。將一種疏水聚合物和多孔碳黑層相混合以使擴(kuò)散層疏水。隨后將所得物加熱到本技術(shù)所知的疏水聚合物的熔點。適合的疏水聚合物包括含氟聚合物，諸如，聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯(FEP)、聚四氟乙烯、共一全氟甲基乙烯基醚(PFA)、乙烯和四氟乙烯的共聚物(ETFE)、乙烯和氯三氟乙烯的共聚物(ECTFE)、聚偏二氟乙烯、聚氯乙烯(PVF)和不定形的含氟聚合物(Teflon AF)。這些含氟聚合物杰出的性能是它們的臨界表面能，優(yōu)選選擇臨界表面能小于或等于30達(dá)因/厘米。該擴(kuò)散層的例子包括多孔碳-Teflon聚四氟乙烯(PTFE)顆粒的復(fù)合物，該復(fù)合物的厚度約為75至100微米(0.003至0.004英寸)，優(yōu)選約0.0035英寸且每平方厘米的質(zhì)量約12.1毫克。尤其是陽極和陰極擴(kuò)散層76、78包括名稱為VulcanXC-72的CabotCorporation出售的多孔碳層，它通過添加諸如E.I.DupontdeNemours of Wilmington，DE制造的商標(biāo)為Teflon的聚四氟乙烯(PTFE)使其疏水。優(yōu)選使用的“TFE-30”等級Teflon聚四氟乙烯的量應(yīng)使陽極和陰極擴(kuò)散層包含約50％的Vulcan XC-72和50％的Teflon聚四氟乙烯。陽極和陰極擴(kuò)散層也通常被加熱到近343℃(650°F)保持5分鐘以使得這些層疏水。
陽極和陰極基體層80、82通常由多孔碳-碳纖維復(fù)合物所構(gòu)成，該復(fù)合物的厚度約為150至175微米(0.006至0.007英寸)且孔隙度約65％至約75％。Toray Company of New York，NY出售的鑒別等級為TGP-H-060的基體是其中的一個例子。通常通過諸如E.I.DupontdeNemours of Wilmington，DE制造的商標(biāo)名為Teflon的聚氟化乙烯丙烯進(jìn)入基體來使陽極和陰極基體層80、82疏水。優(yōu)選等級為“FEP-121”的Teflon聚氟乙烯丙烯的使用量應(yīng)使陽極和陰極基體層80、82在每立方厘米TGP-H-060內(nèi)包含165毫克Teflon聚氟乙烯丙烯。
如圖4所示，陽極水傳輸板84與陽極支撐板17相鄰，陰極水傳輸板86與陰極支撐板19相鄰。可將陽極和陰極水傳輸板84、86構(gòu)造和/或?qū)驗榕c鄰近的水傳輸板88、89連接，使得通道96、98同時作為一電池陽極和下一電池陰極的冷卻劑物流通道。
水傳輸板84、86、88、89通常為多孔的石墨，其平均孔徑大約為2至3微米且孔隙度約35％至40％。優(yōu)選用氧化錫(SnO2)處理水傳輸板84、86、88、89使其親水，如用專利U.S.5,840,414所描述的方法進(jìn)行，本文參考引用的該專利由本發(fā)明的受讓人所擁有。
圖5所示為燃料電池12′的另一實施方式。圖5中燃料電池12′不同于圖4中燃料電池12之處在于圖4中燃料電池12的陽極支撐板17和陰極支撐板19包括疏水?dāng)U散層76、78和疏水基體層80、82，但圖5中燃料電池12′的陽極支撐板17′和陰極支撐板19′包括部分疏水的擴(kuò)散層104、106和親水基體層100、102。圖5中，除了用親水基體層100、102代替疏水基體層80、82外，還減小了擴(kuò)散層的厚度。例如，圖4中疏水?dāng)U散層76、78的厚度優(yōu)選約為87.5微米(0.0035英寸)，但是，圖5中部分疏水的擴(kuò)散層104、106的厚度優(yōu)選約為12.5微米(0.0005英寸)至62.5微米(0.0025英寸)，特別優(yōu)選約為15微米(0.0006英寸)至17.5微米(0.0007英寸)。也優(yōu)選降低Teflon聚四氟乙烯(等級“TFE-30”)的量至10％來代替原來的50％，同時降低擴(kuò)散層的質(zhì)量至每平方厘米Vulcan XC-72約2.0到5.0毫克。
通過降低碳擴(kuò)散層中碳和PTFE兩者的含量，可使圖5中擴(kuò)散層比圖4中擴(kuò)散層更薄。特別是現(xiàn)有技術(shù)的擴(kuò)散層通常由50wt％的碳黑和疏水聚合物的混合物制得。這些擴(kuò)散層是全部疏水的，基本上其100％的空隙體積被反應(yīng)物氣體所填充。這導(dǎo)致了理想的反應(yīng)物向催化劑擴(kuò)散的特性，但產(chǎn)生了去除液體產(chǎn)物水的明顯障礙。
由更低含量的TeflonPTFE制造了部分疏水的擴(kuò)散層。這樣產(chǎn)生的擴(kuò)散層其空隙體積部分被反應(yīng)物氣體填充且部分被水填充。氣體體積與水的體積的精確比例取決于TeflonPTFE的含量和對TeflonPTFE進(jìn)行熱處理的溫度。提高陰極內(nèi)擴(kuò)散層的潤濕體積有助于從陰極去除產(chǎn)物水。同時，提高陽極內(nèi)擴(kuò)散層的潤濕體積有助于將液體水傳輸至PEM的陽極側(cè)。擴(kuò)散層潤濕體積的增加使擴(kuò)散層傳輸水的能力提高了，但是非潤濕的體積使得擴(kuò)散層具有足夠的體積向和/或從催化劑層擴(kuò)散反應(yīng)物氣。本發(fā)明中“部分疏水層”是指空隙體積能夠部分被水和氣體所填充的層。因此，優(yōu)選部分疏水?dāng)U散層的厚度在0.0005英寸至0.002英寸范圍內(nèi)。
繼續(xù)討論圖5，在陰極支撐板19中使用部分疏水?dāng)U散層106和親水基體層102增強了水由陰極催化劑層74向水傳輸板86的傳輸，從而阻止陰極基體102被水淹沒。另外，在陽極支撐板17中使用部分疏水?dāng)U散層104和親水基體層100增強了水由水傳輸板84向陽極催化劑層72的遷移，從而阻止了陽極催化劑層72和PEM的干化。親水基體層100、102的基礎(chǔ)材料是碳-碳纖維復(fù)合物。為了增強基體層100、102向或從相應(yīng)的催化劑層72、74傳輸水的能力，通過用適宜的金屬氧化物或氫氧化物部分填充基體層100、102的氣孔以使其親水。金屬氧化物或氫氧化物的例子包括氧化錫(SnO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈮(Nb2O3)、氧化銣(RuO2)、氧化鉭(Ta2O5)、氧化鈦(TiO2)、氧化鋅(ZnO2)、氧化鋯(ZrO2)及其混合物?？梢圆捎孟嗤饘俚臍溲趸锘蛄u基氧化物來替代這些金屬氧化物。另外，也可以利用碳表面的化學(xué)或電化學(xué)氧化使基體層100、102潤濕。也可用諸如Cytec Industries of West York，United Kingdom生產(chǎn)的三聚氰胺甲醛可潤濕聚合物處理和/或涂覆基體的內(nèi)表面。
親水基體層100、102由多孔的碳-碳纖維復(fù)合物組成，該復(fù)合物的厚度約175微米(0.007英寸)且平均孔徑約為27微米-37微米的孔隙度是約75％。如上所述的如Toray Company of New York，NY出售的等級分類為TGP-H-060是該基體的一個例子。每克TGP-H-060添加約20至50毫克且優(yōu)選25至35毫克的SnO2，以使基體層100、102親水。
例如，通過在每克基體的內(nèi)表面上沉積約20毫克SnO2使制得的Toray TGP-H-060基體親水。具體講，將66ml100wt％的2-丙醇和350ml33wt％的2-丙醇水溶液添加含134ml1摩爾SnCl·2NH3溶液的2000ml燒杯內(nèi)。此后，邊強烈攪拌邊將33ml3M的氫氧化銨逐滴加入，時間超過15分鐘。第二個燒杯的水溶液中含170ml33wt％的2-丙醇水溶液，通過加入適量的鹽酸將其pH值調(diào)至約1.3至1.4。在攪拌第一個燒杯溶液的同時，緩慢地將第二個燒杯中的溶液加入到第一個燒杯中。然后，將基體浸入混合后的溶液內(nèi)。從混合后的溶液中移出基體，將基體在室溫下風(fēng)干30分鐘之后，在115℃(240°F)風(fēng)干30分鐘并且在360℃(680°F)在空氣中焙燒12小時。
圖6所示為燃料電池12″的另一實施方式。圖6中燃料電池12″不同于圖4中燃料電池12，圖4中燃料電池12的陽極支撐板17和陰極支撐板19分別包括疏水?dāng)U散層76、78和疏水基體層80、82，但圖6中燃料電池12″的陰極支撐板19″包括部分疏水的擴(kuò)散層106和親水基體層102。另外，圖6中的陽極支撐板17″包括親水基體層108但不包括擴(kuò)散層。陽極支撐板上不使用擴(kuò)散層可消除液體水由陽極水傳輸板84向PEM 70傳輸?shù)乃惺杷虿糠质杷系K，進(jìn)而提高了燃料電池的性能容量。
圖7所示為燃料電池12的另一實施方式。圖7中燃料電池12不同于圖4中燃料電池12，圖4中燃料電池12的陽極支撐板17和陰極支撐板19分別包括疏水?dāng)U散層76、78和疏水基體層80、82，但圖7中燃料電池12的陰極支撐板19僅包括親水基體層102。另外，圖7中的陽極支撐板17包括親水基體層108但不包括擴(kuò)散層。圖4至圖7中的陽極催化劑層72和陰極催化劑層74為被稱為淹沒薄膜催化劑層的普通型催化劑層。專利US5,211,984中描述了這種催化劑層，在此參考引用。另外，陽極催化劑層72和陰極催化劑層74也可以是被稱為氣體擴(kuò)散催化劑層的普通型催化劑層，該催化劑在專利US5,501,915中作了描述，在此也引用參考。從陰極移去擴(kuò)散層也應(yīng)該能提高燃料電池的性能，因為氧化劑反應(yīng)物氣將不得不穿過更少的層以到達(dá)陰極催化劑層74。
圖8為示于表1的不同構(gòu)型燃料電池的電流密度與電池電壓曲線圖。
表1

這些不同構(gòu)型的燃料電池說明了如何改變?nèi)剂想姵氐臉?gòu)型來影響其性能。明確用符號○、■、□和▲來代表燃料電池的構(gòu)型。應(yīng)用于全部構(gòu)型燃料電池的MEA16膜電極組件內(nèi)包括15微米的PEM電解質(zhì)，該膜電極組件從W.L Gore and Associates，Inc.of Elkton，MD獲得，其產(chǎn)品分類序號為“PRIMEA-5560”。符號○代表的燃料電池包括一陽極支撐板和一陰極支撐板，該陽極支撐板包含疏水?dāng)U散層和疏水基體層的，該陰極支撐板包含疏水?dāng)U散層和疏水基體層。上文參考圖4具體描述了符號○所代表的燃料電池的構(gòu)型。更加具體的講，符號○所代表的燃料電池包括含有90微米(0.0035英寸)厚疏水?dāng)U散層76、78的陽極支撐板17和陰極支撐板19，該疏水?dāng)U散層由多孔碳-Teflon聚四氟乙烯(PTFE)復(fù)合物構(gòu)成，其質(zhì)量約為12.1毫克/平方厘米且含50％PTFE。陽極支撐板17和陰極支撐板19也具有175微米(0.007英寸)厚的多孔碳-碳纖維復(fù)合物基體層80、82，該基體層的孔隙度約為75％且其平均孔徑約為30微米。用165克聚四氟乙烯(PTFE)來處理每立方厘米的多孔碳-碳纖維復(fù)合物，使得基體層80、82疏水。
繼續(xù)涉及圖8，符號■、□和▲所代表的燃料電池都包含一陽極支撐板，該支撐板含有一親水基體層但不含有擴(kuò)散層。具體講，這三種燃料電池內(nèi)的陽極支撐板17僅包括175微米(0.007英寸)厚的親水基體層80。親水基體層80由多孔的碳-碳纖維復(fù)合物構(gòu)成，該復(fù)合物的孔隙度約為75％且平均孔徑約為30微米。通過向每克碳-碳纖維復(fù)合物添加約26.2毫克的氧化錫(SnO2)，使得多孔的碳-碳纖維復(fù)合物親水。
符號■代表的燃料電池也包括一陰極支撐板19，該陰極支撐板包含一疏水?dāng)U散層和一疏水基體層。更加明確地說，該燃料電池包括的陰極支撐板19具有90微米(0.0035英寸)厚的疏水?dāng)U散層78，該疏水?dāng)U散層由多孔碳-聚四氟乙烯(PTFE)構(gòu)成，其質(zhì)量約為12.1毫克/平方厘米且含50％PTFE。陰極疏水基體層82是厚度為175微米(0.007英寸)、孔隙度約75％的多孔碳-碳纖維復(fù)合物。用165毫克PTFE來處理每立方厘米的多孔碳-碳纖維復(fù)合物，使得基體層82疏水。
繼續(xù)涉及圖8，符號□代表的燃料電池包括一陰極支撐板，該陰極支撐板包含一部分疏水?dāng)U散層和一疏水基體層。明確地說，符號□代表的燃料電池包括的陰極支撐板19具有17.5微米(0.0007英寸)厚的部分疏水?dāng)U散層78，該疏水?dāng)U散層由碳-聚四氟乙烯(PTFE)顆粒構(gòu)成，其質(zhì)量約為2.4毫克/平方厘米且含10％PTFE。陰極支撐板19也具有厚度為175微米(0.007英寸)、孔隙度約75％、平均孔徑約為30微米的多孔碳-碳纖維復(fù)合物基體層82，用165毫克PTFE來處理每立方厘米的多孔碳-碳纖維復(fù)合物，使得基體層82疏水。
仍然涉及圖8，符號▲代表的燃料電池包括一陰極支撐板，該陰極支撐板包含一部分疏水?dāng)U散層和一親水基體層。具體地說，符號▲代表的燃料電池包括的陰極支撐板19具有15.0微米(0.0007英寸)厚的部分疏水?dāng)U散層78，該疏水?dāng)U散層由多孔碳-聚四氟乙烯(PTFE)顆粒構(gòu)成，其質(zhì)量約為2.2毫克/平方厘米且含10％PTFE。陰極支撐板19也具有厚度為175微米(0.007英寸)、孔隙度約75％、平均孔徑約為30微米的多孔碳-碳纖維復(fù)合物基體層82，向基體內(nèi)的每克多孔碳-碳纖維復(fù)合物裝載約20.9毫克SnO2，使得多孔碳-碳纖維復(fù)合物親水。
將符號○、■、□和▲代表的每個構(gòu)型的燃料電池放置在燃料電池內(nèi)，燃料電池的燃料為氫反應(yīng)物氣流和作為氧化劑反應(yīng)物氣流的空氣流。燃料電池使用約80％的氫氣和約40％的空氣。燃料電池在約65℃和環(huán)境壓力下操作。另外，為了恰當(dāng)控制由氫氣和空氣化學(xué)反應(yīng)所形成的產(chǎn)物水，反應(yīng)物氣流和冷卻劑物流間的壓力差約為2psi。每個燃料電池運行10-12天的周期，圖8所示為經(jīng)過這些時間的運行后每個構(gòu)型的燃料電池的電流密度與電池電壓曲線。
符號○代表的燃料電池含有一疏水陽極擴(kuò)散層，符號■、□和▲代表的燃料電池不含有陽極擴(kuò)散層。圖8中的數(shù)據(jù)表明，與符號○代表的燃料電池相比較，對于給定的電流密度，符號■、□和▲代表的燃料電池具有更大的電壓水平。因此，移去陽極內(nèi)的擴(kuò)散層可以提高燃料電池的電性能。
符號■、□和▲代表的燃料電池構(gòu)型也具有包含一親水基體層的陽極支撐板，符號○代表的燃料電池具有包含一疏水基體層的陽極支撐板。與符號○代表的燃料電池相比較，一定電流密度下，符號■、□和▲代表的燃料電池的電壓值更高。因此，用親水基體層替代陽極的疏水基體層可以提高燃料電池的電性能。如果陽極擴(kuò)散層被全部移去的同時陽極疏水基體層被親水基體層所代替，燃料電池的電性能將進(jìn)一步得到提高。
與符號■代表的具有較厚的疏水陰極擴(kuò)散層的燃料電池相比，符號□和▲代表的燃料電池的陰極支撐板含有更薄的部分疏水?dāng)U散層。與符號■代表的燃料電池相比較，一定電流密度下符號□和▲代表的燃料電池的電壓值更高。因此，降低擴(kuò)散層厚度的同時提高其親水能力可提高燃料電池的電性能。
圖8也表明用親水基體層替代疏水基體層進(jìn)一步提高了燃料電池的性能。具體地說，與符號□代表的燃料電池相比較，一定電流下符號▲代表的燃料電池具有更大的電壓水平。符號□代表的燃料電池具有包含一疏水基體層的陰極支撐板，但符號▲代表的燃料電池具有包含一親水基體層的陰極支撐板。因此，用親水基體層替代陽極的疏水基體層可進(jìn)一步提高燃料電池的電性能。
用親水基體層替代陰極支撐板內(nèi)的疏水基體層及降低陰極擴(kuò)散層的厚度并提高其親水能力不僅提高了燃料電池的電性能，而且提高了燃料電池氧的利用。圖9所示為列于表1且用符號■、□和▲代表的不同燃料電池的燃料電池氧的利用與電池電壓圖。這三種燃料電池全部使用約80％的氫氣。氧利用率一定時，符號□代表的燃料電池比符號■代表的燃料電池具有更高的電池電壓，氧利用率相同時，符號▲代表的燃料電池比符號□代表的燃料電池具有更高的電池電壓。符號▲代表的燃料電池的陰極支撐板包含一親水基體層、一部分疏水的較薄擴(kuò)散層。因此，用親水層替代陰極疏水基體層及降低陰極擴(kuò)散層的厚度和親水能力提高了燃料電池氧的利用率。因而，對于一定量的氧，符號▲代表的燃料電池比符號■、□代表的兩種燃料電池能產(chǎn)生更多的電。
改裝陽極內(nèi)的擴(kuò)散層和基體層不僅提高了用純氫氣為燃料的燃料電池發(fā)電廠的運行效率，而且提高了用含約46％氫氣的重整燃料為燃料的燃料電池發(fā)電廠的運行效率。重整燃料是利用已知技術(shù)從碳?xì)浠衔锶剂仙a(chǎn)的富氫氣流。圖10為兩種燃料電池的電池電壓與電流密度的函數(shù)關(guān)系，該燃料電池具有如表2所示的不同的陽極構(gòu)型且使用了重組燃料。
表2

符號○和■代表的燃料電池與表1、圖8和圖9所描述的燃料電池構(gòu)型一致。明確地說，兩種燃料電池具有包含一疏水?dāng)U散層和一疏水基體層的陰極支撐板。而且，符號○和■代表的燃料電池所包含的陰極支撐板19具有一厚度為87.5微米(0.0035英寸)的部分疏水?dāng)U散層78，該擴(kuò)散層由多孔碳-聚四氟乙烯(PTFE)顆粒復(fù)合物所構(gòu)成，每平方厘米多孔碳-碳纖維復(fù)合物的質(zhì)量約為12.1毫克且含50％PTFE。每個陰極支撐板19也具有厚度為175微米(0.007英寸)、孔隙度約75％的多孔碳-碳纖維復(fù)合物基體層82，每立方厘米多孔碳-碳纖維復(fù)合物利用165克PTFE處理這種基體使其親水。但是，燃料電池內(nèi)陽極支撐板的構(gòu)型彼此并不相同。具體講，符號○代表的燃料電池的陽極支撐板包含一疏水?dāng)U散層和一疏水基體層，而符號■代表的燃料電池的陽極支撐板僅包含一親水基體層。符號■代表的燃料電池陽極支撐板17內(nèi)親水基體層80的厚度為175微米(0.007英寸)。具體講，親水基體層80由孔隙度約為75％的多孔碳-碳纖維復(fù)合物所構(gòu)成。通過向每克多孔碳-碳纖維復(fù)合物添加約35.0毫克氧化錫(SnO2)使多孔碳-碳纖維復(fù)合物親水。
符號○和■代表的兩種燃料電池的構(gòu)型被置于以模擬的重組燃料和空氣為燃料的燃料電池內(nèi)。本實驗所采用的重組燃料包含46％氫氣、32％氮氣、22％一氧化碳和20ppm二氧化碳。燃料電池使用了重組產(chǎn)品內(nèi)約80％的氫氣和約30％的空氣。燃料電池在約65℃和環(huán)境壓力下進(jìn)行操作。另外，為了恰當(dāng)控制由氫氣和空氣化學(xué)反應(yīng)所形成的產(chǎn)物水，燃料及氧化劑氣流和冷卻劑物流間的壓力差約為2psi。每個燃料電池運行10-12天的周期，圖10所示為經(jīng)過這些時間的運行后每個燃料電池構(gòu)型的電池電壓與電流密度的函數(shù)。本圖證明，與符號○代表的燃料電池相比較，一定電流下符號■代表的燃料電池的電壓值更高。兩種燃料電池的陰極構(gòu)型相同。但是，符號■代表的燃料電池的陽極支撐板僅包含一親水基體，沒有擴(kuò)散層，而符號○代表的燃料電池的陽極支撐板包含疏水?dāng)U散和基體層。因此，省去陽極支撐板內(nèi)擴(kuò)散層和/或用親水基體層替代擴(kuò)散層可提高燃料電池的電性能。
圖11說明了在反應(yīng)物氣流和冷卻劑物流間產(chǎn)生反應(yīng)物氣流的壓力大于冷卻劑物流壓力的壓差的重要性。具體講，圖11揭示了用符號▲代表的構(gòu)型的燃料電池的性能，該構(gòu)型已在表1作了討論。除冷卻水和氧化劑氣流間壓差之外，利用有關(guān)這種燃料電池的上文討論的相同測試條件且保持所有這些測試條件不變，繪制出燃料電池電壓和壓差間的函數(shù)關(guān)系圖。冷卻水和氧化劑氣流間的壓差在約0-4.4psi間變化。具體講，正如圖11的箭頭所示，開始測試的壓差約4.4psi，并逐漸地減小為0，然后再逐漸增加到其初始壓力。當(dāng)燃料電池在壓差約等于0至1.0-2.0psi范圍內(nèi)操作時，電池電壓分別從0.38V增加到0.58V。但是，當(dāng)燃料電池在壓差超過1.0-2.0psi范圍內(nèi)操作時，電池電壓在約0.58-0.60V范圍內(nèi)保持相對穩(wěn)定。圖11的數(shù)據(jù)說明，當(dāng)冷卻流和氧化劑氣流間壓差從0增加到1.0-2.0psi范圍時，符號▲代表的燃料電池的性能顯著提高，此點之后的燃料電池性能維持相對不變。當(dāng)冷卻劑物流和氧化劑氣流間壓差增加時性能得以提高，因為占據(jù)疏水陰極基體層的水被轉(zhuǎn)移并進(jìn)入與陰極支撐板相鄰的水傳輸板。同樣地，更加精確地操作在冷卻劑物流和氧化劑氣流間有壓差的燃料電池可控制進(jìn)入親水陽極基體層的水量。另外，不同于專利U.S.5,641,586所描述的燃料電池的操作，操作具有親水基體層且在冷卻劑物流和氧化劑氣流間有壓差的燃料電池可提高含氧化氣的親水基體層內(nèi)氣孔的百分率，降低含冷卻水的氣孔的百分率。由此，親水基體層內(nèi)含反應(yīng)物氣體的氣孔數(shù)量的增加促進(jìn)了反應(yīng)物氣由水傳輸板內(nèi)的通道向MEA內(nèi)的催化劑層的擴(kuò)散。
盡管本發(fā)明已經(jīng)就其中示范性的實施方式作了描述和解釋，但熟知本技術(shù)的人員應(yīng)能理解上述和各種其它的改變，不背離本發(fā)明的實質(zhì)和范圍可進(jìn)行省略和附加。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池發(fā)電廠，包含(a)燃料電池，該燃料電池包含一陽極支撐板和一陰極支撐板及置于所述陽極和陰極支撐板之間的膜電極組件，所述膜電極組件包含一聚合物電解質(zhì)膜，所述的支撐板之一包含具有氣孔的一親水基體層；(b)與所述支撐板之一相鄰的一水傳輸板，所述水傳輸板具有一個冷卻劑物流通道和另一個反應(yīng)物氣流通道；和(c)在所述反應(yīng)物氣流和所述冷卻劑物流間產(chǎn)生預(yù)定壓差的裝置，以使所述親水基體層內(nèi)更大百分比的所述氣孔含反應(yīng)物氣體而非冷卻劑。
2.權(quán)利要求1的燃料電池發(fā)電廠，其中所述支撐板之一還包含置于所述親水基體層和所述膜電極組件之間的一擴(kuò)散層。
3.權(quán)利要求2的燃料電池發(fā)電廠，其中所述擴(kuò)散層至少部分疏水。
4.權(quán)利要求3的燃料電池發(fā)電廠，其中所述擴(kuò)散層是含約少于50％聚四氟乙烯的多孔碳-聚四氟乙烯顆粒復(fù)合物。
5.權(quán)利要求2的燃料電池發(fā)電廠，其中所述擴(kuò)散層包含平均孔徑小于或等于約4微米、孔隙度等于或大于約60％的氣孔。
6.權(quán)利要求5的燃料電池發(fā)電廠，其中所述擴(kuò)散層的臨界表面能等于或小于約30達(dá)因/厘米。
7.權(quán)利要求5的燃料電池發(fā)電廠，其中所述擴(kuò)散層包含一含氟聚合物，因而使得所述擴(kuò)散層至少部分疏水。
8.權(quán)利要求2的燃料電池發(fā)電廠，其中所述擴(kuò)散層約0.0005英寸-0.002英寸厚。
9.權(quán)利要求1的燃料電池發(fā)電廠，其中所述親水基體層為多孔碳層。
10.權(quán)利要求9的燃料電池發(fā)電廠，其中所述多孔碳基體層包含氧化物，該氧化物選自氧化錫(SnO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈮(Nb2O3)、氧化銣(RuO2)、氧化鉭(Ta2O5)、氧化鈦(TiO2)、氧化鋅(ZnO2)、氧化鋯(ZrO2)及其混合物，從而使所述多孔碳基體層親水。
11.權(quán)利要求9的燃料電池發(fā)電廠，其中所述多孔碳基體層包含氫氧化物，該氫氧化物選自氫氧化錫、氫氧化鋁、氫氧化鈮、氫氧化銣、氫氧化鉭、氫氧化鈦、氫氧化鋅、氫氧化鋯及其混合物，從而使所述多孔碳基體層親水。
12.權(quán)利要求9的燃料電池發(fā)電廠，其中所述多孔碳基體層包含羥基氧化物，該羥基氧化物選自羥基氧化物錫、羥基氧化物鋁、羥基氧化物鈮、羥基氧化物銣、羥基氧化物鉭、羥基氧化物鈦、羥基氧化物鋅、羥基氧化物鋯及其混合物，從而使所述多孔碳基體層親水。
13.權(quán)利要求9的燃料電池發(fā)電廠，其中所述親水基體層包含氧化錫、氫氧化錫或羥基氧化物錫。
14.權(quán)利要求13的燃料電池發(fā)電廠，其中每克所述親水基體層含大于等于2毫克的氧化錫、氫氧化錫或羥基氧化物錫。
15.權(quán)利要求14的燃料電池發(fā)電廠，其中每克所述親水基體層含約20毫克-50毫克的氧化錫、氫氧化錫或羥基氧化物錫。
16.權(quán)利要求1的燃料電池發(fā)電廠，其中所述親水基體層的孔隙度等于或大于約60％。
17.權(quán)利要求1的燃料電池發(fā)電廠，其中所述親水基體層的平均孔徑大于約4微米。
18.權(quán)利要求1的燃料電池發(fā)電廠，其中所述反應(yīng)物氣流和所述冷卻劑物流間的所述預(yù)定壓差約為0.5-10psi。
19.權(quán)利要求18的燃料電池發(fā)電廠，其中所述反應(yīng)物氣流和所述冷卻劑物流間的所述預(yù)定壓差約為1.0-3psi。
20.權(quán)利要求19的燃料電池發(fā)電廠，其中所述反應(yīng)物氣流和所述冷卻劑物流間的所述預(yù)定壓差約為2.0-2.5psi。
21.權(quán)利要求1的燃料電池發(fā)電廠，其中所述親水基體層內(nèi)所述氣孔的直徑應(yīng)使反應(yīng)物氣流間的壓差等于所述預(yù)定壓差時，所述親水基體層內(nèi)更大百分比的所述氣孔含反應(yīng)物氣體而非冷卻劑。
22.權(quán)利要求1的燃料電池發(fā)電廠，其中至少50％所述氣孔的直徑(D)等于或大于30/P，其中，D以微米計量，P是以磅/平方英寸計量的所述預(yù)定壓差。
23.操作權(quán)利要求1的燃料電池發(fā)電廠的方法，包括在所述反應(yīng)物氣流和所述冷卻劑物流間產(chǎn)生預(yù)定壓差(P)，使P約等于30/D的步驟，其中D以微米計量，P以磅/平方英寸計量，以使當(dāng)所述反應(yīng)物氣流間的壓差等于所述預(yù)定壓差P時，所述陰極支撐板的所述親水基體層內(nèi)更大百分比的所述氣孔含氧化劑氣體而非冷卻劑。
24.操作燃料電池發(fā)電廠的方法，該發(fā)電廠包含一燃料電池，所述燃料電池包含一陽極支撐板和一陰極支撐板及置于所述陽極和陰極支撐板之間的膜電極組件，所述的膜電極組件包含一聚合物電解質(zhì)膜，所述的支撐板之一包含具有氣孔的一親水基體層，所述燃料電池發(fā)電廠包含與所述支撐板之一相鄰的一水傳輸板，所述水傳輸板具有一個冷卻劑物流通道和另一個反應(yīng)物氣流通道，所述方法包括步驟在所述反應(yīng)物氣流和所述冷卻劑物流間的產(chǎn)生預(yù)定壓差，以使當(dāng)所述反應(yīng)物氣流間的壓差等于所述預(yù)定壓差時，所述親水基體層內(nèi)更大百分比的所述氣孔含反應(yīng)物氣體而非冷卻劑。
25.操作燃料電池發(fā)電廠的方法，該發(fā)電廠包含一燃料電池，所述燃料電池包含一陽極支撐板和一陰極支撐板及置于所述陽極和陰極支撐板之間的膜電極組件，所述的膜電極組件包含一聚合物電解質(zhì)膜，所述的支撐板之一包含具有氣孔的一親水基體層，其中至少50％的所述氣孔的直徑等于或大于D，所述燃料電池發(fā)電廠包含與所述支撐板之一相鄰的一水傳輸板，所述水傳輸板具有一個冷卻劑物流通道和另一個反應(yīng)物氣流通道，所述方法包括步驟在所述反應(yīng)物氣流和所述冷卻劑物流間產(chǎn)生預(yù)定壓差(P)，使P約等于30/D，其中D以微米計量，P以磅/平方英寸計量。
26.操作燃料電池發(fā)電廠的方法，該發(fā)電廠包含一燃料電池，所述燃料電池包含一陽極支撐板和一陰極支撐板及置于所述陽極和陰極支撐板之間的膜電極組件，所述的膜電極組件包含一聚合物電解質(zhì)膜，所述的支撐板之一包含具有氣孔的一親水基體層，其中至少50％的所述氣孔的直徑等于或大于D，所述燃料電池發(fā)電廠包含與所述支撐板之一相鄰的一水傳輸板，所述水傳輸板具有一個冷卻劑物流通道和另一個反應(yīng)物氣流通道，所述方法包括步驟在所述反應(yīng)物氣流和所述冷卻劑物流間的產(chǎn)生預(yù)定壓差(P)，使得P約等于30/D，其中D以微米計量，P以磅/平方英寸計量，以使當(dāng)所述反應(yīng)物氣流和所述冷卻劑物流間的壓差等于所述預(yù)定壓差時，所述親水基體層內(nèi)更大百分比的所述氣孔含反應(yīng)物氣體而非冷卻劑。
全文摘要
本發(fā)明為包含一燃料電池(12)的燃料電池發(fā)電廠(10)，該燃料電池具有置于陽極支撐板(17)和陰極支撐板(19)之間的一膜電極組件(16)，其中，陽極和/或陰極支撐板包含具有預(yù)定孔徑的一親水基體層(80、82)。在反應(yīng)物氣流(92、94)和冷卻劑物流(96、98)間建立了壓差，使得當(dāng)這些流通過燃料電池時親水基體層內(nèi)更大百分比的氣孔含反應(yīng)氣而非水。這利用反應(yīng)物氣流和冷卻劑物流間產(chǎn)生的壓差來控制，使得反應(yīng)物氣流的壓力大于冷卻劑物流的壓力。
文檔編號H01M8/02GK1409880SQ00817127
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T·A·貝克達(dá)爾, L·布雷戈利, N·E·奇波利尼, T·W·帕特森, M·彭伯頓, J·普哈爾斯基, C·A·賴澤, R·D·索耶, M·M·施泰因巴格勒, J·S·易 申請人:Utc燃料電池有限公司