專利名稱：燃料電池及燃料電池的操作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及用于便攜式電源、電動車輛的電源、家用聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)等的燃料電池，及更具體地說，涉及包括聚合物電解質(zhì)膜的燃料電池及其操作方法。
背景技術(shù)：
包括聚合物電解質(zhì)膜的燃料電池通過含氫的燃料氣與含氧的氧化性氣體(如空氣)發(fā)生電化學反應同時產(chǎn)生電能和熱量。所述燃料電池主要包括一種有選擇性地輸送氫離子的聚合物電解質(zhì)膜和在所述電解質(zhì)膜的兩側(cè)形成的一對電極(陽極和陰極)。所述電極由在所述聚合物電解質(zhì)膜的每側(cè)形成的催化劑層和在所述催化劑層的外側(cè)形成的氣體擴散層組成。所述催化劑層主要由夾帶鉑系金屬催化劑的碳粉組成，及所述氣體擴散層具有優(yōu)良的透氣性和導電性。
為了防止輸送的燃料氣和氧化性氣體滲出和相互混合，在所述電極的周圍設置氣體密封材料或墊圈從而把所述聚合物電解質(zhì)膜夾在中間。所述氣體密封材料或墊圈預先與所述電極和聚合物電解質(zhì)膜整體相連。這種相連的結(jié)構(gòu)被稱為電解質(zhì)膜-電極裝置(MEA)。在所述MEA的外面設置了用于機械地固定所述MEA和將相鄰MEA串聯(lián)電連接的導電隔板。所述隔板與所述MEA接觸的位置具有氣體流道，該流道用于輸送反應氣到所述電極表面及排放生成的水和剩余氣。雖然所述氣體流道可以無關(guān)地與所述隔板設置，但是通常在所述隔板的表面上形成凹槽以提供氣體流道。
為了向所述凹槽輸送燃料氣和氧化劑氣體，需要使用管道型架(jig)，根據(jù)所述隔板的數(shù)量所述型架可以將所述燃料氣或氧化劑氣體的輸送管道分為幾路進入所述隔板各自的槽。所述型架被稱作“歧管”，及上面所描述的將所述燃料氣或氧化劑氣體與所述隔板的凹槽相連的歧管類型被稱作“外部歧管”。一種具有較簡單結(jié)構(gòu)的歧管被稱作“內(nèi)部歧管”。所述內(nèi)部歧管包括在具有氣體流道的隔板上形成的通孔。所述通孔與所述氣體流道的入口和出口相連，從而所述燃料氣或氧化劑氣體從這些孔被直接輸送到氣體流道。
由于所述燃料電池在工作過程中會產(chǎn)生熱量，需要用冷卻水或類似冷卻劑冷卻所述燃料電池，從而保持所述電池在適宜的溫度條件下。通常每1-3個單元電池提供一個供冷卻水在其中流動的冷卻段。一種類型的冷卻結(jié)構(gòu)是所述冷卻段被插入所述不同隔板之間，另一種類型的冷卻結(jié)構(gòu)是在所述隔板的背面形成冷卻水流道。后一種類型常常被使用。所述多個MEA、隔板和冷卻段被交替地疊壓在一起形成10-200個電池組成的電池組，及一個集流板和一個絕緣板被粘著在所述電池組的每一端。所得到的電池組被夾在端板之間并用夾桿將兩端夾住。這是典型的燃料電池結(jié)構(gòu)。
這種燃料電池的聚合物電解質(zhì)膜一般由全氟化碳磺酸材料制成。由于這種聚合物電解質(zhì)膜在用水濕潤時會顯示離子導電性，所以被輸送的所述燃料氣和氧化劑氣體一般需要被加濕。另外，在陰極側(cè)的反應會生成水。因此，如果輸送氣被濕化從而其露點溫度高于所述燃料電池的操作溫度，則會在所述電池內(nèi)部氣體流道上和所述電極內(nèi)部出現(xiàn)冷凝。結(jié)果是所述電池的性能由于水的堵塞等問題而變得不穩(wěn)定和性能下降。這種由于過濕而使電池性能下降和工作不穩(wěn)定的現(xiàn)象一般被稱作“浸水”現(xiàn)象。
當所述燃料電池被用作發(fā)電系統(tǒng)時，所述燃料電池需要與其他設備(例如輸送氣的增濕器)結(jié)合使用以形成一種系統(tǒng)。為了簡化所述系統(tǒng)和提高該系統(tǒng)的效率，優(yōu)選地降低所述輸送氣的濕度和降低它們的露點。
象上面所描述的，就防止浸水現(xiàn)象、提高系統(tǒng)的效率和簡化整個系統(tǒng)來說，經(jīng)常使用的方式是濕化所述輸送氣從而使它們的露點比所述電池溫度稍低。
然而，為提高所述電池的性能需要改進所述聚合物電解質(zhì)膜的離子導電性。因而優(yōu)選地濕化所述輸送氣從而使它們的相對濕度接近于或高于100％。此外，本發(fā)明的發(fā)明者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)高度濕化的輸送氣可增加所述聚合物電解質(zhì)膜的持久性。然而，相對濕度接近100％的輸送氣存在如下問題。
第一，出現(xiàn)前面所述的浸水現(xiàn)象。為避免浸水通常使用的辦法是增加所述輸送氣的壓力從而將冷凝水吹走。然而，所述輸送氣的壓力損失的增加會極大地增加所述系統(tǒng)的輔助設備(例如鼓風機或壓縮機)的能耗，因而引致系統(tǒng)效率的降低。
第二，所述氣體擴散層和碳承載的催化劑層對水的濕潤性(接觸角)隨著時間的變化而變化，從而所述冷凝水的排放效率隨著時間的進行而降低，以致于影響電池的持久性。
第三，所述氣體擴散層和碳承載的催化劑層對水的濕潤性(接觸角)隨著時間的變化而變化，導致所述氣體流過所述氣體擴散層的流速與其流過所述隔板之氣體流道的流速的比隨著時間而變化。具體地說，所述氣體擴散層的濕潤性隨著時間而增加，導致在所述氣體擴散層不流動的冷凝水的量增加。因此，局部地阻礙了氣體向所述電極的輸送，使得在氣體輸送被阻礙的位置處電流密度降低。因此，在一個單元電池內(nèi)電流密度的增加相應地降低了整個燃料電池的性能。
第四，流過所述氣體擴散層的氣體流速與流過所述隔板之氣體流道的氣體流速的比值隨著時間變化而變化，這一變化改變了“底流”的比例。這里使用的術(shù)語“底流”指通過所述氣體擴散層的氣流，所述氣體擴散層位于所述隔板的相鄰流道之間。如果沒有氣體擴散層，全部輸送氣將會沿著所述氣體流道流動。然而，實際上，因為在鄰接氣體流道的位置存在氣體擴散層，所述輸送氣的一部分會流過位于相鄰流道之間的氣體擴散層，特別是在在使用螺旋形氣體流道的情況下。例如，在一種由線性部件和旋轉(zhuǎn)部件組成的連續(xù)性螺旋形氣體流道中，流過一個線性部件的氣體流向與流過相鄰線性部件的氣體流向相反。因此，流過所述氣體擴散層的氣體的底流以這種方式出現(xiàn)，從而平衡以下兩個壓力損失，一個壓力損失是氣體從上游到下游通過一個線性部件流動的壓力損失，另一個壓力損失是氣體從上游到下游流過所述氣體擴散層的壓力損失，所述氣體擴散層位于相鄰線性部件之間的肋的下部。
然而，所述氣體擴散層的濕潤性隨著時間而增加及相應地在氣體擴散層不流動的冷凝水的量也增加，這阻礙了流過所述氣體擴散層的氣體底流。這種現(xiàn)象更經(jīng)常地出現(xiàn)在如下區(qū)域在相鄰氣體流道之間的氣體的壓力損失較小的地方。因此，在使用螺旋形流道的情況下，在接近所述氣體流道的旋轉(zhuǎn)部件的位置處通過氣體擴散層的底流量會減少，因而導致在所述氣體輸送被阻礙的氣體擴散層區(qū)域電流密度降低。因此，在一個單元電池內(nèi)電流密度的差值增加，相應地降低了整個燃料電池的性能。
此外，如果在陽極側(cè)出現(xiàn)浸水現(xiàn)象，所述燃料電池會變質(zhì)，這種情況對所述電池來說是致命的。在缺乏所述燃料氣的情況下，如果負載電流被強行地從所述電池引出，在沒有燃料的情況下會產(chǎn)生電子和質(zhì)子。這些電子和質(zhì)子的產(chǎn)生是由于碳承截的陽極催化劑與周圍環(huán)境中的水反應。結(jié)果由于碳從所述催化劑層損失使所述陽極催化劑層被毀壞。因此，要萬分地注意避免陽極側(cè)浸水。
另外，還期望所述燃料電池系統(tǒng)既能低負載操作以根據(jù)電量的需要減少輸出，還能進行額定輸出操作。所述低負載操作一定要在與額定操作同樣的燃料氣和氧化劑氣體的使用速度下進行以保持所述電池的效率。具體地說，例如，如果所述負載被降至所述額定操作的一半，則所述燃料氣體和氧化劑氣體的流速一定也要被降至為所述額定操作同樣數(shù)值的一半；否則，額外的燃料和氧化劑氣體將要被使用，這樣會降低發(fā)電效率。然而，如果所述低負載操作以氣體使用速率常數(shù)進行，所述氣體流過所述氣體流道的速度降低，從而所述冷凝水和生成的水沒有被排至所述隔板的外部。因此，出現(xiàn)上面所描述的浸水現(xiàn)象，及所述電池的性能下降或不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
針對上面的問題，本發(fā)明的一個目的是提供一種高度可靠的聚合物電解質(zhì)燃料電池，所述電池能夠避免由于水堵塞氣體流道而造成電池性能下降或不穩(wěn)定，所述水是在低負載操作過程中的冷凝水和生成水。
為了解決上面的問題，本發(fā)明提供了一種高度可靠的聚合物電解質(zhì)燃料電池，通過在隔板的一面形成多個獨立的氣體流道及在低負載操作條件下限制所述氣體輸送區(qū)域而使所述燃料電池保持足夠的氣速。
根據(jù)本發(fā)明的一種燃料電池是由多個單元電池構(gòu)成的電池組。每個單元電池包括氫離子導電性聚合物電解質(zhì)膜，將所述聚合物電解質(zhì)膜夾在中間的陽極和陰極。陽極側(cè)導電隔板具有將燃料氣體輸送到所述陽極及將其從述陽極排出的氣體流道；及陰極側(cè)導電隔板具有將氧化劑氣體輸送到所述陰極及將其從所述陰極排出的氣體流道。所述陽極側(cè)和陰極側(cè)隔板中的至少一個在其一面上具有多個獨立的氣體流道，所述氣體流道構(gòu)成氣體流路。提供供氣轉(zhuǎn)換控制器以將所述燃料氣或氧化劑氣體輸送至多個獨立氣體流道中的一個或多個。
所述獨立氣體流道分布的區(qū)域在面積(尺寸)上可以是不同或相同的，這根據(jù)需要確定。所述“面積”指所述流道在所述隔板面上的投影。如果所述不同流道的橫斷面大致是相同的，則不同的投影面積意味著所述流道具有不同的長度。無論如何，所述流道具有相同或不同的總體積。
所述陽極和陰極包括催化劑層和氣體擴散層，與所述陽極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板中的至少一個鄰接的陽極或陰極的催化劑層和/或氣體擴散層被分成多個與所述多個獨立氣體流道相對應的段。
所述獨立氣體流道可以被設置在所述陽極側(cè)隔板或陰極側(cè)隔板上，或者被同時設置在上述兩個隔板上。
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池還包括連接隔板。所述連接隔板包括上面描述的陽極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板，所述陽極側(cè)隔板還有分布在所述氣體流路背面的冷卻水流路及所述陰極側(cè)隔板還有分布在所述氣體流路背面的冷卻水流路。這些陽極側(cè)和陰極側(cè)隔板被連接在一起，從而它們的冷卻水流路被連接在一起形成一個完整的冷卻水流路。所述完整的冷卻水流路包括與多個獨立氣體流道相對應的多個獨立流道。
本發(fā)明還提供了一種操作所述燃料電池的方法，其中所述燃料氣體或氧化劑氣體通過供氣轉(zhuǎn)換控制器被輸送到所述多個獨立氣體流道中的一個或多個以實施低負載操作。
操作所述燃料電池的方法包括如下步驟在低負載操作下以某一時間間隔轉(zhuǎn)換所述多個獨立氣體流道中的一個或多個，所述燃料氣體或氧化劑氣體被輸送至所述氣體流道。
因為本發(fā)明可以減少在低負載操作下水對所述氣體流道的堵塞，所以在低負載操作下可能防止電池性能下降或不穩(wěn)定。
本發(fā)明還提供了用于燃料電池的隔板。所述隔板包括其中設置了多個獨立氣體流道的第一板面和其中設置了多個獨立氣體流道的第二板面。
本發(fā)明還提供了用于燃料電池的隔板裝置，所述裝置包括隔板和流體調(diào)節(jié)器，所述隔板具有其中配置多個獨立流體流路的第一板面，所述流體調(diào)節(jié)器可選擇性地給所述流體流路的子設備提供流體。
本發(fā)明還提供了一種具有隔板和電極的燃料電池，所述隔板設置了多個獨立氣體流道及所述電極具有多個物理分離的電極段，其中每一段與所述多個獨立氣體流道中的單個相對應，從而使通過對應氣體流道提供的氣體發(fā)生反應。
雖然本發(fā)明的新穎性特征被特別地描述在權(quán)利要求書中，但是通過下面結(jié)合附圖作出的詳細說明，本發(fā)明的構(gòu)造和內(nèi)容及其它目的和特征將會被更好地理解。
附圖的簡要說明

圖1是本發(fā)明實施方案1中燃料電池的導電隔板陽極側(cè)的前視圖。
圖2是圖1中隔板陰極側(cè)的前視圖。
圖3是包括冷卻段的本發(fā)明實施方案1中燃料電池的導電隔板陽極側(cè)的后視圖。
圖4是顯示燃料氣體流過本發(fā)明實施方案1中的燃料電池的三維示意圖。
圖5是本發(fā)明實施方案2中燃料電池的導電隔板陽極側(cè)的前視圖。
圖6是圖5中隔板陰極側(cè)的前視圖。
圖7是本發(fā)明實施方案3中燃料電池的導電隔板陽極側(cè)的前視圖。
圖8是圖7中隔板陰極側(cè)的前視圖。
圖9是本發(fā)明實施方案4中燃料電池的導電隔板陽極側(cè)的前視圖。
圖10是圖9中隔板陰極側(cè)的前視圖。
圖11是本發(fā)明實施方案5中燃料電池的導電隔板陽極側(cè)的前視圖。
圖12是圖11中隔板陰極側(cè)的前視圖。
圖13是本發(fā)明實施方案6中燃料電池的導電隔板陽極側(cè)的前視圖。
圖14是圖13中隔板陰極側(cè)的前視圖。
圖15是本發(fā)明實施方案7中燃料電池的導電隔板陽極側(cè)的前視圖。
圖16是圖15中隔板陰極側(cè)的前視圖。
圖17是本發(fā)明實施方案8中燃料電池的導電隔板陽極側(cè)的前視圖。
圖18是圖17中隔板陰極側(cè)的前視圖。
圖19是本發(fā)明實施方案9中燃料電池的導電隔板陽極側(cè)的前視圖。
圖20是圖19中隔板陰極側(cè)的前視圖。
圖21是本發(fā)明實施方案10中燃料電池的導電隔板陽極側(cè)的前視圖。
圖22是圖21中隔板陰極側(cè)的前視圖。
圖23是本發(fā)明實施方案11中燃料電池的導電隔板陽極側(cè)的前視圖。
圖24是圖23中隔板陰極側(cè)的前視圖。
圖25是對比實施例中燃料電池的導電隔板陽極側(cè)的前視圖。
圖26是圖25中隔板陰極側(cè)的前視圖。
圖27是實施例1和對比實施例中燃料電池的平均電池電壓隨著時間變化的曲線圖。
圖28介紹了根據(jù)本發(fā)明操作燃料電池的方法。
圖29介紹了根據(jù)本發(fā)明操作燃料電池的另一種方法。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池包括在隔板一個面上形成的多個獨立氣體流道。通過限制氣體在低負載操作中的輸送區(qū)域所述燃料電池在所述隔板通道中能獲得足夠的氣速。
燃料電池的相關(guān)技術(shù)的隔板被這樣構(gòu)造以使得燃料氣體和氧化劑氣體都從一個入口側(cè)歧管孔輸入至隔板的氣流通道并從出口側(cè)歧管孔排出。
在商業(yè)上需要燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，所述系統(tǒng)能改變所述燃料電池的負載而不會降低發(fā)電效率，這依賴于對電能的需要。為此目的，當參照額定輸出量增加負載時，期望相應地增加所述燃料氣體和氧化劑氣體的流速以操作所述燃料電池，當參照額定輸出量減少負載時，期望相應地降低所述燃料氣體和氧化劑氣體的流速。
在導電隔板上形成的氣體流道應該被這樣設計以使得所述氣速在相關(guān)輸出量上是最佳的。因此，當所述能量負載增加時，氣流速度也增加以提高所述氣體流過氣體流道的速度，及當所述能量負載降低時，氣流速度也降低以減少所述氣體流過氣體流道的速度。當所述氣體流過氣體流道的速度增加時，冷凝水和在所述隔板氣體流道中生成的水可以被有效地除去，從而浸水現(xiàn)象不會出現(xiàn)。然而，當所述氣體速度以這種方式增加時，由于輸送氣的壓力損失增大，輔助設備能量的降低會略微地降低發(fā)電效率。另一方面，當所述能量負載減小時，所述氣體流速的減小會降低所述氣速。當氣體流過氣體流道的速度被降低時，難以有效地除去冷凝水和在所述隔板氣體流道中生成的水，這依賴于所述氣速降低的程度，從而所述浸水現(xiàn)象出現(xiàn)。當所述能量負載被減小時，如果所述輸送氣的流速未被減小，輔助設備的能量與功率輸出的比相對于它們額定功率輸出的比增加，導致整個發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率降低。
本發(fā)明的燃料電池通過在隔板的一個面上形成多個獨立的氣體流道可防止或有效地降低所述浸水問題，尤其是在低負載操作條件下。例如，當所述負載被設想僅僅在額定功率輸出的一半到兩倍范圍之間變化時，所述隔板的結(jié)構(gòu)可以被構(gòu)造為在其一個面上具有四個獨立的氣體流道。因此，當所述燃料電池在其額定功率的條件下操作時，氣體被輸送到所述四個氣體流道中的兩個，及當所述燃料電池在其兩倍額定功率的條件下操作時，氣體被輸送到所述全部氣體流道。及當所述燃料電池在其一半額定功率條件下操作時，氣體被輸送到所述四個氣體流道中的一個。這使得即使所述負載變化時也可能在全部氣體流道保持幾乎同樣的氣速。當實際負載從兩倍額定負載到一半額定負載變化時，例如，期望既控制氣體被輸送至此的氣體流道的數(shù)量又控制所述氣體流速，從而保持各個氣體流道中的氣速盡可能地保持恒定。
對于另一個實施例，當所述負載僅僅在額定功率輸出和最低功率輸出之間變化時，如一半或四分之一的額定發(fā)電量時，所述隔板可以被設置為在其一個面上具有四個獨立的氣體流道。當所述燃料電池在其額定發(fā)電量操作時，所述氣體被輸送至全部四個氣體流道，及當其在一半額定發(fā)電量下操作時，所述氣體被輸送至所述四個氣體流道中的兩個。在四分之一低負載下操作時，所述氣體被輸送至所述四個氣體流道中的一個。這使得即使在低負載下操作也可能在全部氣體流道中保持同樣的氣速。因此，所述氣體的供氣流速不需要高于與所述負載相對應的流速，以致于可能改變所述電力負荷同時又保持最佳的發(fā)電效率。
所述氣體通過一個或多個流道被輸送至電極的一部分(即電極反應在此發(fā)生的電極部分)，所述一個或多個流道從所述多個獨立氣體流道中選擇，期望在陽極側(cè)和陰極側(cè)的相應位置和面積處該電極部分基本上是相同的。還期望提供多個獨立的冷卻水流道，從而供冷卻水輸入的部分基本上具有相同的相應位置和面積，所述部分作為電極反應發(fā)生的部分。如果所述冷卻水被輸送至鄰接所述電極部件的冷卻水流道，而所述氣體沒有被輸入及在這里不會發(fā)生電極反應，所述冷卻水不能有效地吸收所述反應產(chǎn)生的熱量，因為在所述電極部件沒有發(fā)生電極反應因而沒有熱量產(chǎn)生。因此，當所述冷卻水被用作聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)等的熱源及被輸送至電極反應未發(fā)生的區(qū)域時，所述冷卻系統(tǒng)的除熱效率更低。
在未被提供氣體的電極表面，所述電極反應不會發(fā)生。如果氣體從所述供氣體輸入的獨立氣體流道滲出，通過所述氣體擴散層等，到達鄰接所述氣體流道(氣體沒有輸入到此)的電極表面，會產(chǎn)生隨著滲出氣體量而變化的電流密度分布，因為所述電極通過整個表面被保持在同樣的電勢。因此，過量的電流不會通過所述電極表面(氣體不輸送到此)流動，因而不會發(fā)生由于氧化和還原而產(chǎn)生的電極變壞的問題。
此外，在未提供氣體的電極表面，所述電極反應不會發(fā)生，因而幾乎沒有所述氣體的流動。因此，如果在長時間內(nèi)不向特定的獨立氣體流道輸送氣體而發(fā)電又持續(xù)進行，則水會滯流在沒有被輸入氣體的氣體流道及與之鄰接的氣體擴散層。因此，下一次氣體被輸送至該特定氣體流道以發(fā)電時，需要花費大量的時間除去滯流的水及恢復所述濕電極表面。因此在所述燃料電池的操作過程中期望變換所述氣體流道，所述氣體以規(guī)定的時間間隔被輸送至此，從而避免在長時間內(nèi)不輸送氣體至特定的獨立氣體流道。為了在所述電極表面的濕度顯著增加之前補充該濕電極表面，該電極表面鄰接的氣體流道未被輸入氣體，通過變換所述氣體流道(所述氣體以規(guī)定的時間間隔被輸送至此)僅抑制某一特定電極表面濕潤度的增加是可能的。
下面參照附圖描述本發(fā)明的實施方案。
實施方案1圖1、2和3介紹了這種實施方案的隔板。圖1所述隔板10面向陽極側(cè)的前視圖，及圖2是其后視圖及其面向陰極側(cè)的前視圖。圖3是包括冷卻段的陽極側(cè)隔板10P的面向陰極側(cè)前視圖。
隔板10具有燃料氣體入口側(cè)歧管孔11a和11b，燃料氣體出口側(cè)歧管孔13a和13b，氧化劑氣體入口側(cè)歧管孔12a和12b，氧化劑出口側(cè)歧管14a和14b，冷卻水入口側(cè)歧管孔17a和17b及冷卻水出口側(cè)歧管孔18a和18b。在所述隔板10的面向陽極側(cè)具有分別與入口側(cè)歧管孔11a和11b及出口側(cè)歧管孔13a和13b相連的獨立的燃料氣體流道15a和15b。在所述面向陰極側(cè)，所述隔板10具有分別與入口側(cè)歧管孔12a和12b及出口側(cè)歧管孔14a和14b相連的獨立的氧化劑氣體流道16a和16b。所述膜電極組件(MEA)的電極與被虛線1E圍繞的部件接觸。
在該實施方案中，隔板10的燃料氣體流道被分成兩個獨立的燃料氣體流道15a和15b，及相應的氧化劑氣體流道被分成兩個獨立的氧化劑氣體流道16a和16b。
隔板10同時作為陽極側(cè)導電隔板和陰極側(cè)導電隔板。
具有冷卻段的隔板包括陽極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板的結(jié)合。陽極側(cè)隔板10P的面向陽極側(cè)具有圖1所示隔板10同樣的結(jié)構(gòu)，及圖3顯示了隔板10P的后面，也即是面向陰極側(cè)。所述面向陰極側(cè)具有兩個分別與入口側(cè)歧管孔17a和17b及出口側(cè)歧管18a和18b相連的獨立的冷卻水流道19a和19b，如圖3所示。所述面向陰極側(cè)隔板的面向陰極側(cè)具有圖2所示隔板10同樣的結(jié)構(gòu)，其后面(即所述面向陽極側(cè))是圖3的映射圖形并具有兩個與入口側(cè)歧管和出口側(cè)歧管以相同方式相連的獨立的冷卻水流道。所述結(jié)合的隔板包括相互連接的陽極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板，從而它們的后面具有彼此相對的冷卻水流道。
為了裝配一個電池組，例如，所述MEA和既作為陽極側(cè)隔板又作為陰極側(cè)隔板的隔板被交替地疊壓在一起。每兩個電池，具有冷卻段的合并隔板被插入以代替既作為陽極側(cè)隔板又作為陰極側(cè)隔板的隔板。
每種氣體的輸入管和排放管被連到包含上述電池組的燃料電池的各自歧管孔。每根管在所述燃料電池的入口/出口的前/后立即分成兩個支管。每根管的兩個支管具有同樣的尺寸，從而使得所述氣體被均勻地分配到每個電池的兩個氣體流道。另外，在每根管上裝置電磁閥。通過關(guān)閉各自管上的兩個閥中的一個，氣體可以被輸入所述兩個獨立氣體流道中的僅僅一個及從其中排出。為了平衡所述兩個支管的壓力，重要的是每根管的支管的長度相等。就提供均勻的氣體分配來說，還重要的是所述隔板的兩個獨立氣體流道的長度是相等的，從而平衡所述兩個獨立氣體流道中的壓力損失。
圖4是顯示燃料氣體通過燃料電池流動的三維示意圖。燃料氣體入口管1在交換裝置4處被分為兩個管1A和1B，所述交換裝置在所述燃料氣體的不同流道之間切換。管1A與隔板10的入口側(cè)歧管孔11a相連，而管1B與隔板10的入口側(cè)歧管孔11b相連。因此，輸入到管1A的燃料氣體通過與管1A相連的入口側(cè)歧管流動，如箭頭A1所示，而輸入到管1 B的燃料氣體通過與管1B相連的入口側(cè)歧管流動。所述未反應的氣體和副產(chǎn)品通過出口側(cè)歧管流動(如箭頭A2所示)并從出口管3A排出。同樣地，從圖中箭頭B1所示的氣體流路，所述燃料氣體通過電池隔板10的氣體流道15b流動，及未反應的氣體和副產(chǎn)品通過出口側(cè)歧管流動，如箭頭B2所示，并且從出口管(圖中未顯示)排出。與出口側(cè)歧管相連的兩個管以與入口管1同樣的方式在交換裝置處與出口管相連。入口管1的交換裝置和出口管的交換裝置被一個控制器5控制，從而所述燃料氣被輸入箭頭A1和B1所示的一個或兩個流道并且從所述出口管排出，該操作依賴于所述交換裝置的切換位置。如果在隔板的一個面上提供三個或多個氣體流道，所述入口管在交換裝置被分為許多個與所述隔板中氣體流道數(shù)目相對應的支管。
雖然圖4顯示的只是所述燃料氣在所述隔板的流動，所述氧化劑氣體和冷卻水也可以以與所述燃料氣相同的方式被控制。
實施方案2該實施方案描述了一種將所述燃料氣體流道和氧化劑氣體流道都分為兩部分的實施例，從而所述兩個獨立氣體流道的流道區(qū)域的面積比為2∶1。所述獨立氣體流道分布的流道區(qū)域在面積(尺寸)上根據(jù)需要是不同的或相同的。在這里使用的術(shù)語“流道區(qū)域”指每個流道在隔板上分布的區(qū)域。所述面積比是基于所述流道投影在所述隔板面上的面積。所述不同流道的橫斷面可以是相同或不同的。如果所述橫斷面是相同的，面積比2∶1意味著長度比也約為2∶1。無論如何，所述流道可以具有相同或不同的總體積，及通過改變所述流道的長度或橫斷面可以提供相同或不同的總體積。
圖5是該實施方案的隔板陽極側(cè)的前視圖，及圖6是其后視圖及陰極側(cè)的前視圖。由于圖1、2中同樣的參數(shù)代表同樣的組成部件，在該實施方案及下面的實施方案中將省略這些說明。
所述氣體流道15b和16b的結(jié)構(gòu)應使得其中流速是所述氣體流道15a和16a中流速的2倍。因此，每種氣體的輸入管和排放管在所述燃料電池的入口/出口的前/后立即分成兩個支管，所述輸入管和排放管與各自的歧管孔相連，及所述支管的結(jié)構(gòu)應使得它們橫截面積與所述兩個氣體流道的流道區(qū)域的面積比為2∶1。另外，在所述兩個支管的入口側(cè)和出口側(cè)都裝配了電磁閥，及通過關(guān)閉兩個閥中的一個，所述氣體可以被輸入所述兩個獨立氣體流道中的一個及從其中排出。在該實施方案中，所述冷卻水流道不是被分成兩個，但是對于本領域技術(shù)人員來說，根據(jù)需要，冷卻水流道可以按照所述氣體流道同樣的方式進行分割。
實施方案3圖7和8顯示了該實施方案的隔板。這是一個將MEA的電極根據(jù)所述兩個分離的氣體流道分為兩個物理分離段的實施例。在兩個電極段之間進行物理分離可以防止或縮小水和反應氣從一個電極段遷移至另一電極段。所述物理分離可通過位于所述電極段之間的空氣隙實現(xiàn)，或通過在電極段之間插入不透水的材料或不透反應氣的材料。所述MEA的一個電極段1Ea的配置與所述燃料氣體流道15a和氧化劑氣體流道16a相符合，而電極段1Eb的配置與所述燃料氣體流道15b和氧化劑氣體流道16b相符合。除了這些電極段1Ea和1Eb之外，所述實施方案具有與實施方案1同樣的結(jié)構(gòu)。
實施方案4圖9和10介紹了該實施方案的隔板10B。所述燃料氣體流道和氧化劑氣體流道以與實施方案1同樣的方式被分成兩個部件。然而，燃料氣體出口側(cè)歧管孔13被所述氣體流道15a和15b共用實施方案5圖11和12介紹了該實施方案的隔板10C。所述燃料氣體流道和氧化劑氣體流道以與實施方案1同樣的方式被分成兩個部件。然而，燃料氣體入口側(cè)歧管孔11被所述氣體流道15a和15b共用實施方案6圖13和14介紹了該實施方案的隔板10D。所述燃料氣體流道和氧化劑氣體流道以與實施方案1同樣的方式被分成兩個部件。然而，燃料氣體流道15a和15b的主要部分與氧化劑氣體流道16a和16b的主要部分垂直。
實施方案7雖然以上實施方案描述的隔板具有螺旋形氣體流道，但是該實施方案描述的隔板具有直線型氣體流道。圖15和16介紹了該實施方案的隔板。
隔板30的陽極面上具有燃料氣體流道35a和35b。所述燃料氣體流道35a和35b包括7個平行的線型槽，所述線型槽分別與入口側(cè)歧管孔31a和31b及出口側(cè)歧管孔33a和33b相連。在所述陰極面上，所述隔板30具有分別與入口側(cè)歧管孔32a和32b及出口側(cè)歧管孔34a和34b相連的氧化劑氣體流道36a和36b。所述氣體流道36a和36b包括從所述歧管孔和線性槽46延伸的線性凹部42，所述線性槽46被肋48分成幾個區(qū)并與所述凹部42相連。肋44被裝配在所述凹部42上。數(shù)字37代表冷卻水入口側(cè)歧管孔，及數(shù)字38代表冷卻水出口側(cè)歧管孔。虛線3E包圍的區(qū)域是所述電極與之接觸的區(qū)域。
由于所述氣體流道基本上都是線性的，每個氣體流道的總長度變短。因此，所述氣體輸送的壓力損失和額定操作中的氣速降低。為了增加所述氣速，因此相對于螺旋形流道來說需要縮小所述氣體流道的槽寬。
實施方案8該實施方案描述了一種將所述隔板的每個燃料氣體流道和氧化劑氣體流道分成三部分的實施例，從而使得所述三個分離流道的流道區(qū)域具有相同的面積。如圖17和18所示，隔板10E具有燃料氣體入口側(cè)歧管孔11a、11b和11c，燃料氣體出口側(cè)歧管孔13a、13b和13c，氧化劑氣體入口側(cè)歧管孔12a、12b和12c，及氧化劑氣體出口側(cè)歧管孔14a、14b和14c。因此，每種氣體的輸入管和排放管在所述燃料電池的入口/出口的前/后立即分成三個部分，所述輸入管和排放管與各自的歧管孔相連，及所述三個支管具有同樣的直徑從而所述氣體被均勻地分配到所述支管。另外，在所述三個支管的入口側(cè)和出口側(cè)都裝配了電磁閥，及通過關(guān)閉三個閥中的一個或兩個，所述氣體可以僅僅被輸入所述三個獨立氣體流道中的一個或兩個及從其中排出。為了平衡所述三個氣流管道中的壓力損失，重要的是所述三個支管的長度應相等。另外重要的是，就均勻地分配氣體來說，三個分離的氣體流道15a、15b和15c及16a、16b和16c的長度應相等以平衡所述三個獨立氣體流道中的壓力損失。
實施方案9該實施方案描述了一種將所述隔板的每個燃料氣體流道和氧化劑氣體流道分成四部分的實施例，從而使得所述四個分離流道的流道區(qū)域具有相同的面積。如圖19和20所示，隔板10F具有燃料氣體入口側(cè)歧管孔11a、11b和11c，燃料氣體出口側(cè)歧管孔13a、13b和13c，氧化劑氣體入口側(cè)歧管孔12a、12b和12c，及氧化劑氣體出口側(cè)歧管孔14a、14b和14c。以與實施方案8相同的方式，每種氣體的輸入管和排放管在所述燃料電池的入口/出口的前/后立即分成四個部分，所述輸入管和排放管與各自的歧管孔相連，及所述四個支管具有同樣的直徑從而所述氣體被均勻地分配到所述支管。另外，在所述四個支管的入口側(cè)和出口側(cè)都裝配了電磁閥，及通過關(guān)閉四個閥中的一個、兩個或三個，所述氣體可以僅僅被輸入所述四個獨立氣體流道中的三個、兩個或一個及從其中排出。另外，與實施方案8描述的方案一樣，應特別地小心以確保所述氣體被均勻地分配到所述四個獨立的氣體流道。
實施方案10圖21和22介紹了該實施方案的隔板。在隔板50的面向陽極側(cè)具有與入口側(cè)歧管孔51a和出口側(cè)歧管孔53a相連的燃料氣體流道55a及與入口側(cè)歧管51b和出口側(cè)歧管53b相連的燃料氣體流道55b。在所述隔板50的面向陰極側(cè)具有與入口側(cè)歧管孔52a和出口側(cè)歧管孔54a相連的氧化劑氣體流道56a及與入口側(cè)歧管52b和出口側(cè)歧管54b相連的氧化劑氣體流道56b。所述氣體流道55a和55b包括具有大量肋63的凹部61。同樣地，所述氣體流道56a和56b包括具有大量肋64的凹部62。數(shù)字57代表冷卻水入口側(cè)歧管孔，及數(shù)字58代表冷卻水出口側(cè)歧管孔。由虛線5E圍繞的部分是電極將要接觸的區(qū)域。
由于所述燃料氣體流道和氧化劑氣體流道包括具有許多肋的凹部，每個氣體流道的總長度變短。因此，所述氣體輸送的壓力損失和相關(guān)操作的氣速降減小。因此期望在所述隔板的氣體流道形成肋63和64，從而使得所述氣速與實施方案1中的一樣。
實施方案11圖23、24介紹了該實施方案的隔板。所述隔板70的面向陽極側(cè)具有與入口側(cè)歧管孔71a和出口側(cè)歧管孔73a相連的燃料氣體流道75a及與入口側(cè)歧管孔71b和出口側(cè)歧管孔73b相連的燃料氣體流道75b。在所述隔板70的陰極面具有與入口側(cè)歧管孔72a和出口側(cè)歧管孔74a相連的氧化劑氣體流道76a及與入口側(cè)歧管72b和出口側(cè)歧管74b相連的氧化劑氣體流道76b。每對氣體流道75a和75b與氣體流道76a和76b相互交錯和平行地排列且都是螺旋形的。上面所述結(jié)構(gòu)是將與所述電極接觸的隔板區(qū)域分成兩個區(qū)域，作為這種結(jié)構(gòu)的替代方式，這些流道具有如下結(jié)構(gòu)在同一區(qū)域的相鄰流道彼此是獨立的。數(shù)字77代表冷卻水入口側(cè)歧管孔。被虛線7E包圍的部分是將與所述電極接觸的區(qū)域。
本發(fā)明的實施例被描述在下面。
實施例1通過在乙炔黑碳粉上放置25％(重量)的鉑顆粒制備陰極側(cè)催化劑，所述鉑顆粒的平均粒徑為約30埃()。通過在乙炔黑碳粉上放置25％(重量)的鉑-釕合金顆粒制備陽極側(cè)催化劑，所述合金顆粒的平均粒徑約為30埃。這些催化劑的每一種分散在異丙醇中形成的分散相與全氟化碳磺酸粉末在乙醇中的分散相相混合以形成漿狀油墨。通過絲網(wǎng)印刷法將所述油墨印在250微米厚碳纖維無紡織物的一邊。通過這種方式制備陰極側(cè)催化劑層和陽極側(cè)催化劑層。在所述催化劑層的每一邊，催化劑金屬的含量是0.3毫克/平方厘米(mg/cm2)，及全氟化碳磺酸的含量是1.2mg/cm2。
一對電極是具有這些催化劑層的碳纖維無紡織物，通過熱壓法將這對電極粘結(jié)在氫離子導電聚合物電解質(zhì)膜的中心部件的兩側(cè)，所述電解質(zhì)膜具有比所述電極略大的面積，通過這種方式所述催化劑層被粘結(jié)在所述電解質(zhì)膜上。通過將250微米厚的全氟化碳橡膠切成片制備預定尺寸的墊圈，所述墊圈被配合并熱壓到所述電解質(zhì)膜的外圍裸露部分，從而制備電解質(zhì)膜電極組件(MEA)。所述氫離子導電聚合物電解質(zhì)是厚度為30微米的全氟化碳磺酸薄膜。
實施方案1的導電隔板被使用。這些具有氣體流道和歧管孔的隔板是通過加工3毫米(mm)厚的同向石墨材料制成的。所述氣體流道具有厚度為2毫米和深度為1毫米的通道，及相鄰通道之間的肋寬為1毫米。
所述MEA和隔板被交替地疊壓在一起形成由50個電池組成的電池組。象實施方案1解釋的那樣，具有冷卻段的連接隔板被插入每兩個電池之間。由鍍金銅板制成的電流集電板和由聚苯硫醚(PPS)制成的絕緣板被連接在所述電池組的每一端。所得到的電池組被夾在不銹鋼端板之間并用緊固棒夾緊。所述夾緊壓力是每電池面積為10千克英尺/平方厘米(kgf/cm2)。所得到的燃料電池被安裝以使得所述隔板在垂直方向立著。
雖然所述燃料電池被保持在70℃，經(jīng)濕化和加熱后露點溫度為70℃的燃料氣體被輸入所述陽極，及經(jīng)濕化和加熱后露點溫度為70℃的空氣被輸入所述陰極。所述燃料氣體包括80％的氫氣、20％的二氧化碳和10ppm的一氧化碳。所述燃料電池的相應操作條件是75％的燃料利用率，40％的氧氣利用率，及0.3安培/平方厘米(A/cm2)的電流密度。
所述燃料電池在0.15A/cm2電流密度下經(jīng)受低負載耐久性測試，所述低負載是額定負載的50％，具有與額定負載情況下同樣的氣體使用率。在該實施例中，通過操作安裝在兩個支管的入口側(cè)和出口側(cè)的電磁閥，每種氣體在預定流速下僅僅被輸入所述兩個分離氣體流道中的一個。此時，供所述燃料氣體輸入的氣體流道和供所述氧化劑氣體輸入的氣體流道被設置在同一側(cè)。供所述氣體輸入的氣體流道以每小時一次的速度切換以避免在長時間內(nèi)不向特定的氣體流道輸入氣體。圖27顯示了該實施例中燃料電池的平均電壓隨著時間變化的曲線圖。所述電池電壓的表達是通過將初始階段的電壓定義為100％。
該實施例的燃料電池可保持穩(wěn)定的電池特性，即使經(jīng)過3000小時相對于初始階段也保持不變。從該結(jié)論可以確信在所述燃料電池的低負載操作中，由于未被供入所述氣體及幾乎不產(chǎn)生電能的電極部件具有與發(fā)電部件同樣的電勢，所以電池性能不會變壞。還確認在該實施例燃料電池的低負載操作中，所述氣體不容易通過所述入口歧管輸入所述電極部件，但是所述電極部件接收了很少量的氣體，這是由于所述氣體通過所述氣體擴散層發(fā)生底流，以及該電極部件產(chǎn)生一些電能。
然后，經(jīng)過3000小時之后，每種氣體僅僅被輸入所述兩個分離氣體流道中的一個，在預定流速下再經(jīng)過1000小時以進行發(fā)電測試，在此過程中沒有在所述氣體流道之間進行切換。在所述測試過程中，所述電池性能保持不變。然后，隨著所述負載轉(zhuǎn)換到額定條件(0.3A/cm2)，每種氣體被輸入所述兩個分離的氣體流道。在這種情況下，所述電池性能在下降之后逐漸地恢復并顯示初始的發(fā)電性能，但是所述恢復需要一天時間。這是由于所述兩個分離氣體流道中的一個在長時間內(nèi)未被輸入氣體，這個氣體流道會被冷凝水堵塞，在重新輸入所述氣體之后要花費一天的時間才能充分地恢復至其初始未被堵塞的狀態(tài)。因此，當所述操作從低負載切換到額定負載時，被冷凝水堵塞的氣體流道區(qū)域不能發(fā)電，因為所述氣體不可能立即被輸入該區(qū)域。
這些結(jié)果意味著通過在規(guī)定的時間間隔內(nèi)在所述氣體輸送區(qū)域之間切換開關(guān)，從而排放滯留在所述氣體流道之間的冷凝水，當在所述氣體流道之間切換時可能消除負載變化的影響。
圖28介紹了根據(jù)上面的描述操作燃料電池的方法。根據(jù)該方法，在步驟S2801中流體被提供給多個獨立流體流道的第一子設備，所述流道在隔板的一個面上形成，所述隔板被用在所述燃料電池中。在實踐中，該方法可以應用于燃料電池組內(nèi)電池單元的陰極和陽極，或者該方法僅僅應用于所述單元電池中陰極和陽極的一個。另外，所述流體可以是被提供給所述隔板的冷卻劑、燃料氣體、或者氧化劑氣體。當?shù)谝粫r間段在步驟S2803結(jié)束之后，不再向流體流道的第一子設備輸送流體，及在步驟S2805中被替代性地提供給所述獨立流體流道的第二子設備。同樣地，當?shù)诙r間段在步驟S2807結(jié)束之后，不再向流體流道的第二子設備輸送流體，及在步驟S2801中被提供給所述獨立流體流道的第一子設備。所述操作可以根據(jù)所期望的第一和第二時間段重復多次，所述第一時間段和第二時間段可以是相同的及可以隨著時間變化。
對比實施例圖25和26介紹了該對比實施例中燃料電池的導電隔板。在隔板20的面向陽極側(cè)具有兩個平行的流道25，所述流道用于使燃料氣體與入口側(cè)歧管孔21和出口側(cè)歧管孔23相連。在所述隔板20的面向陰極側(cè)具有兩個平行的流道26，所述流道用于使氧化劑氣體與入口側(cè)歧管孔22和出口側(cè)歧管孔24相連。數(shù)字27代表冷卻水入口側(cè)歧管孔，及數(shù)字28代表冷卻水出口側(cè)歧管孔。被虛線2E包圍的部分是與所述電極接觸的區(qū)域。這些氣體流道的流道寬度為2毫米及深度為1毫米，相鄰槽之間的肋的寬度為1毫米。隔板的冷卻水流道構(gòu)成冷卻區(qū)域，冷卻水流道不象氣體流道那樣被分割開。除了這些指明的差異以外，燃料電池以與實施例1相同的方式被裝配。
當該實施例的燃料電池被保持在70℃時，所述燃料氣體和空氣都以與實施例1相同的條件被提供。所述燃料電池經(jīng)受電流密度為0.15A/cm2的低負載耐久性測試，所述負載是額定負載的50％。所述氣體利用率與所述額定負載的一樣，及所述氣體流速被減為一半。圖27顯示了所述燃料電池的平均電池電壓隨著時間變化的曲線圖。
雖然實施例1的燃料電池即使經(jīng)過3000小時之后相對于初始階段也保持穩(wěn)定的電池性能，但是對比實施例的燃料電池經(jīng)過500小時之后突然出現(xiàn)了電壓下降，從而輸出功率不能被維持。
其中原因如下。實施例1中燃料電池在50％低負載下操作時，所述氣體輸送面積被減為額定操作的一半，從而所述氣體流道中的氣速被成功地保持不變，即使與所述額定操作的情況保持同樣的氣體利用率。相比之下，除了50％的低負載操作之外，對比實施例的燃料電池使用與額定操作同樣的氣體流道和氣體使用率。結(jié)果在所述氣體流道中的氣速降至用于額定發(fā)電下的一半。結(jié)果在對比實施例中，在高濕化的操作條件下，所提供的氣體具有100％的相對濕度，難以排放冷凝水和生成的水。所述水一般積累在所述氣體流道和氣體擴散層，阻礙了所述氣體向反應位置的輸送，因而導致電池性能的快速下降。
然后，經(jīng)過上述耐久性測試的燃料電池在額定條件下被操作。結(jié)果對比實施例中燃料電池的電壓相對于初始電壓被降為80％或更小。相比之下，實施例1的燃料電池即使經(jīng)過3000小時之后還能保持相當于初始階段的電池性能。
實施例2除了使用實施方案2描述的隔板之外該實施例的燃料電池以與實施例1相同的方式制備。
所述燃料電池在實施例1描述的同樣額定條件下操作，及在33％和66％額定值的低負載條件下操作。在額定操作中，每種氣體被輸入所述隔板的全部兩個分離氣體流道，及通過在額定流速下提供氣體進行10000小時的耐久性測試。在所述33％低負載操作條件下，每種氣體僅僅被輸入具有較小分配比的氣體流道，即所述氣體流道15a和16a，及通過提供流速為33％額定值的氣體進行10000小時的耐久性測試。另外，在所述66％低負載操作條件下，每種氣體僅僅被輸入具有較大分配比的氣體流道，即所述氣體流道15b和16b，及通過提供流速為66％額定值的氣體進行1000小時的耐久性測試。結(jié)果在全部這些測試中，穩(wěn)定的電池性能被保持，在經(jīng)過10000小時使用之后電壓下降的比例相對于初始電壓約為2％。因此，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過任意地改變所述分離氣體流道面積的比，不同的操作條件是可能的，及根據(jù)所述負載的比例結(jié)合所述氣體輸入?yún)^(qū)域。
實施例3在該實施例中，具有MEA的燃料電池被制備，其中催化劑層和氣體擴散層也根據(jù)氣體流道區(qū)域相應地被分配，如實施方案3所說的那樣。除了這一區(qū)別之外，所述燃料電池具有實施例1同樣的組成。
在與實施例1相同的操作條件下及以同樣的方式限制所述氣體輸入?yún)^(qū)域，在一半的額定負載下操作所述燃料電池使其經(jīng)受50％低負載的耐久性測試。結(jié)果得到實施例1指示的結(jié)果。在實施例1的燃料電池中，每種反應性氣體通過沿著所述氣體擴散層底流而被分配至所述氣體流道，所述氣體不容易通過輸入歧管被輸送，由于所述分配氣中水的冷凝使所述氣體流道被堵塞。然而，在包括該實施例MEA的燃料電池中，因為所述氣體擴散層的分配，這種氣體通過氣體擴散層的底流不會發(fā)生。在經(jīng)過耐久性測試之后沒有觀察到未輸入所述氣體的氣體流道被堵塞，及可能平穩(wěn)地改變所述負載。因此，不需要交替地改變所述氣體輸入?yún)^(qū)域以消除氣體堵塞，這對于簡化系統(tǒng)的操作規(guī)則是有效的，所述系統(tǒng)裝有該燃料電池。
實施例4
在該實施例中，燃料電池被制備，其中僅僅在所述隔板的陽極側(cè)具有兩個獨立的氣體流道，如實施方案1介紹的那樣。所述隔板的陰極側(cè)具有未分離的氣體流道，如圖26所示。所述陰極側(cè)氣體流道的寬度被改為1毫米，從而使得額定操作下的氣速為對比實施例中陰極側(cè)隔板中氣速的兩倍，從而保持足夠的氣速以防止冷凝水及低負載操作下生成的水堵塞所述氣體流道。除了這些差異之外，燃料電池以與實施例1相同的方式制備。由于所述陰極側(cè)氣體流道沒有被分割，一個氣體管道被用來輸送所述氣體至所述陰極。
該燃料電池在與實施例1同樣的操作條件下被操作。所述燃料氣體以與實施例1同樣的方式被輸送到限制性氣體輸送區(qū)域，其值為額定操作下流速的一半?？諝獗惠斎胨鰵怏w流道的整個區(qū)域，但是所述空氣的流速被降為額定操作下的一半。以這種方式，50％低負載操作耐久性測試在一半的額定負載下進行。結(jié)果得到與實施例1同樣的結(jié)果。然而，當所述操作然后被換回所述額定負載操作時，所述電池特征與實施例1中的相當，但是在所述陰極側(cè)壓力損失是實施例中的兩倍或多倍，因為所述隔板的設計方式以致于所述空氣的速度是兩倍大。
然后，在所述燃料電池中僅僅陰極側(cè)氣體流道被分割而陽極側(cè)氣體流道未被分割，以同樣的方式測試所述電池的低負載操作特性。結(jié)果就特征性和耐久性來說得到同樣的結(jié)果，但是在額定負載操作下在陽極側(cè)的壓力損失變大。
實施例5使用實施方案4的隔板制備燃料電池。由于這些隔板具有一個出口側(cè)燃料氣體歧管孔，所述出口側(cè)燃料氣體管道由一根管組成。
通過在一半的額定負載下操作所述燃料電池，所述燃料電池經(jīng)受50％的低負載操作耐久性測試，操作條件與實施例1的一樣，及以額定操作的一半流速將每種氣體輸入所述陽極側(cè)和陰極側(cè)的限制性氣體輸送區(qū)域。
結(jié)果得到如實施例1所示的同樣結(jié)果。然后，使用具有一個共同的出口側(cè)氧化劑氣體歧管孔的多個隔板制備燃料電池。所得到的結(jié)果是一樣的。
實施例6
使用實施例5的隔板制備燃料電池。由于這些隔板具有一個入口側(cè)燃料氣體歧管孔，所述入口側(cè)燃料氣體管道由一根管組成。
通過在一半的額定負載下操作所述燃料電池，所述燃料電池經(jīng)受50％的低負載操作耐久性測試，操作條件與實施例1的一樣，及以額定操作的一半流速將每種氣體輸入所述陽極側(cè)和陰極側(cè)的限制性氣體輸送區(qū)域。結(jié)果得到如實施例1所示的同樣結(jié)果。然后，使用具有共同的入口側(cè)氧化劑氣體歧管孔的多個隔板制備燃料電池。所得到的結(jié)果是一樣的。
實施例7除了使用實施方案6的隔板之外以與實施例1同樣的方式制備燃料電池。當該實施例的燃料電池被保持在70℃，被濕化和加熱到露點為65℃燃料氣體(80％氫氣、20％二氧化碳和10ppm一氧化碳)的燃料氣體被輸入所述陽極及被濕化和加熱到露點為65℃的空氣被輸入所述陰極。所述燃料電池的額定操作條件是80％燃料使用率，50％氧化使用率，及0.3A/cm2的電流密度。所述電池在0.15A/cm2的電流密度下經(jīng)受低負載耐久性測試，該電池密度是額定負載的一半，以與額定條件相同的氣體使用率。
該實施例燃料電池的耐久性測試以下述方式進行在預定的流速下將所述燃料氣體和氧化劑氣體僅僅輸入同側(cè)兩個分離氣體流道中的一個。結(jié)果所述燃料電池在經(jīng)過10000小時之后顯示為98％初始電壓的高電壓，這證實了所述燃料電池具有優(yōu)良的耐久性。在如下操作條件下所述輸入氣的露點稍微低于所述燃料電池的操作溫度，將所述陽極側(cè)和陰極側(cè)氣體流道主要地互相垂直設置，從而在單元電池內(nèi)部均勻地分配所述濕氣。
然后，在如下條件進行耐久性測試，其中燃料利用率為75％，氧氣利用率為40％，及電流密度為0.075A/cm2。所述負載約為額定負載的25％。由于額定操作條件下的氣體利用率被設得略高一些，甚至在25％負載下也可能進行穩(wěn)定的操作，氣體利用率沒有顯著地下降。結(jié)果所述燃料電池經(jīng)過10000小時之后顯示了97％初始電壓的高電壓。
實施例8在該實施例中，使用實施方案7的隔板制備燃料電池。所述氣體流道的槽寬和深度被調(diào)整為0.5毫米，從而所述氣速與實施例1中隔板的氣速一樣。除了這些差異之外，所述燃料電池具有與實施例1同樣的組成。
通過在一半的額定負載下操作所述燃料電池使其經(jīng)受50％低負載的耐久性測試，操作條件與實施例1的一樣，及以額定操作的一半流速將每種氣體輸入所述陽極側(cè)和陰極側(cè)的限制性氣體輸送區(qū)域。結(jié)果得到如實施例1所示的同樣結(jié)果。
實施例9在該實施例中，使用實施方案8的隔板制備燃料電池。
通過在66％額定負載下操作所述燃料電池使其經(jīng)受66％低負載的耐久性測試，操作條件與實施例1的一樣，及以2/3的額定流速將每種氣體輸入陽極側(cè)和陰極側(cè)的限制性氣體輸送區(qū)域，即僅僅輸送所述氣體至三個分離氣體流道中的兩個。結(jié)果所述電池顯示了優(yōu)良的耐久性，與實施例1所示的一樣。
接下來，通過在33％的額定負載下操作所述燃料電池使其經(jīng)受33％低負載的耐久性測試，操作條件與實施例1的一樣，及以1/3額定流速將每種氣體輸入陽極側(cè)和陰極側(cè)的限制性氣體輸送區(qū)域，即僅僅將所述氣體輸入三個分離氣體流道中的一個。結(jié)果所述燃料顯示了優(yōu)良的耐久性，與實施例1的一樣。
圖29描述了一種如上所述操作燃料電池的方法。根據(jù)所述方法，由所述燃料電池產(chǎn)生的輸出功率被標示在步驟S2901中。然后，在步驟S2903中選擇多個獨立氣體流道的子設備以接收試劑氣體。根據(jù)前面的描述，對所述氣體流道子設備的選擇應使得子設備內(nèi)獨立氣體流道的尺寸總和(例如體積)與全部獨立氣體流道的尺寸總和的比約等于所述燃料電池的指定輸出功率與最大輸出功率的比。一旦選擇了氣體流道的子設備，氣體在步驟S2905被提供給這些通道以產(chǎn)生指定數(shù)量的輸出功率。在實踐中，該方法可適用于燃料電池組內(nèi)單元電池的陰極和陽極，或者僅僅適用于所述單元電池的陽極和陰極中的一個。此外，所述氣體可以是燃料氣體或氧化劑氣體，該氣體對于所述特定電極是適宜的及被提供給所述電極。
實施例10在該實施例中，使用實施方案9的隔板制備燃料電池。
通過在75％額定負載下操作所述燃料電池使其經(jīng)受75％低負載的耐久性測試，操作條件與實施例1的一樣，及以3/4的額定流速將每種氣體輸入陽極側(cè)和陰極側(cè)的限制性氣體輸送區(qū)域，即僅僅輸送所述氣體至四個分離氣體流道中的三個。結(jié)果所述電池顯示了優(yōu)良的耐久性，與實施例1所示的一樣。
接下來，通過在一半的額定負載下操作所述燃料電池使其經(jīng)受50％低負載的耐久性測試，操作條件與實施例1的一樣，及以一半額定流速將每種氣體輸入陽極側(cè)和陰極側(cè)的限制性氣體輸送區(qū)域，即僅僅將所述氣體輸入四個分離氣體流道中的二個。結(jié)果所述燃料顯示了優(yōu)良的耐久性，與實施例1的一樣。
然后，通過在25％額定負載下操作所述燃料電池使其經(jīng)受25％低負載的耐久性測試，操作條件與實施例1的一樣，及以1/4的額定流速將每種氣體輸入陽極側(cè)和陰極側(cè)的限制性氣體輸送區(qū)域，即僅僅輸送所述氣體至四個分離氣體流道中的一個。結(jié)果所述電池顯示了優(yōu)良的耐久性，與實施例1所示的一樣。
實施例11在該實施例中，使用實施方案10的隔板制備燃料電池。
通過在一半的額定負載下操作所述燃料電池使其經(jīng)受50％低負載的耐久性測試，操作條件與實施例1的一樣，及以一半的額定流速將每種氣體輸入陽極側(cè)和陰極側(cè)的限制性氣體輸送區(qū)域，即僅僅輸送所述氣體至二個分離氣體流道中的一個。結(jié)果所述電池顯示了優(yōu)良的耐久性，與實施例1所示的一樣。
實施例12在該實施例中，使用實施方案11的隔板制備燃料電池。
通過在一半的額定負載下操作所述燃料電池使其經(jīng)受50％低負載的耐久性測試，操作條件與實施例1的一樣，及以一半的額定流速將每種氣體輸入陽極側(cè)和陰極側(cè)的限制性氣體輸送區(qū)域，即僅僅輸送所述氣體至二個分離氣體流道中的一個。結(jié)果所述電池顯示了優(yōu)良的耐久性，與實施例1所示的一樣。
已經(jīng)確定，在該實施例的燃料電池的低負載操作中，雖然未通過所述輸入歧管提供所述氣體，然而由于氣體通過所述氣體擴散層的底流，所述電極仍然被提供了所述氣體，雖然它的量很少。結(jié)果該電極部件產(chǎn)生一些電能。
然后，經(jīng)過3000小時之后，每種氣體在預定流速下僅僅被提供給一個分離的氣體流道，沒有在所述氣體流道之間進行切換，再經(jīng)過1000小時，以進行發(fā)電測試。在該測試過程中，所述電池性能保持不變。然后，隨著所述負載被換回額定負載(0.3A/cm2)，每種氣體被輸入全部兩個分離的氣體流道。
在實施例1中，電池的性能下降之后逐漸地恢復并顯示了初始的額定功率發(fā)生性能，但是該恢復過程需要一天時間。也就是說，由于所述兩個分離氣體流道中的一個在長時間內(nèi)未被提供氣體，由于氣體的底流使所述流道被冷凝水堵塞，所以在重新輸送氣體之后需要一天的時間充分地恢復到初始狀態(tài)。
然而，在實施例12中，由于兩個分離氣體流道彼此接近，氣體通過所述氣體擴散層底流的數(shù)量大于在實施例1中試驗的數(shù)量。因此，來自相應的輸入歧管流向所述流道的較大流速(即底流速度)的氣體足以吹掃所述流道(該流道沒有接收氣體)中由氣體底流而產(chǎn)生的冷凝水。
實施例13在實施例1中使用的燃料電池50％額定負載的低負載下操作，具有與實施例1同樣的操作條件。在該實施例中，通過打開或關(guān)閉僅僅位于輸入側(cè)的電磁閥控制所述氣體輸送的切換。也就是說，位于排放側(cè)的電磁閥都被打開。已經(jīng)確定這種控制方法可以成功地切換所述氣體輸送。所述燃料電池顯示了優(yōu)良的穩(wěn)定性，與實施例1的方式一樣。
已經(jīng)確定通過保持氣體輸入側(cè)的電磁閥開放和控制氣體排放側(cè)的電磁閥，可以成功地切換所述氣體輸送。
雖然已經(jīng)根據(jù)優(yōu)選的實施方案對本發(fā)明做出了描述，但是應該理解到這種公開不應被當作對本發(fā)明的限制。對于本領域技術(shù)人員來說，看了上面公開的內(nèi)容之后對本發(fā)明所做的替代或修改同樣落在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，附加的權(quán)利要求書應該被解釋為覆蓋了本發(fā)明實質(zhì)精神和范圍之內(nèi)的全部替代和修改。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，包括(a)多個疊壓的單元電池，每個單元電池包括膜電極組件，所述膜電極組件包括陽極、陰極和插入所述陽極和陰極之間的氫離子導電聚合物電解質(zhì)膜；(b)裝配在每個相鄰單元電池之間的多個隔板，所述隔板中的至少一個包括具有氣體流路的陽極側(cè)導電隔板，所述氣體流路用于輸入燃料氣體到所述陽極并從其中排出，及具有氣體流路的陰極側(cè)導電隔板，所述氣體流路用于輸入氧化劑氣體到所述陰極并從其中排出，其中所述陽極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板中的至少一個在其一個面上具有多個獨立氣體流道，所述氣體流道構(gòu)成所述氣體流路，及(c)用于將所述燃料氣體和氧化劑氣體中的一種輸入一個或多個所述獨立氣體流道的供氣轉(zhuǎn)換控制器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池，其中所述多個獨立氣體流道包括面積比不為1∶1的第一和第二獨立氣體流道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池，其中所述陽極側(cè)隔板具有所述的多個獨立氣體流道，所述陽極包括催化劑層和氣體擴散層，與所述陽極側(cè)隔板鄰接的所述陽極催化劑層和氣體擴散層中的一個包括多個與所述獨立氣體流道相對應的部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池，其中所述陰極側(cè)隔板具有所述的多個獨立氣體流道，所述陰極包括催化劑層和氣體擴散層，與所述陰極側(cè)隔板鄰接的所述陰極催化劑層和氣體擴散層中的一個包括多個與所述獨立氣體流道相對應的部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池，其中所述陽極側(cè)隔板具有多個獨立氣體流道。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池，其中所述陰極側(cè)隔板具有多個獨立氣體流道。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池，所述燃料電池還包括連接隔板，所述連接隔板包括所述陽極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板，所述陽極側(cè)隔板還具有分布在其背面的冷卻水流路，所述陰極側(cè)隔板還具有分布在其背面的冷卻水流路，所述陽極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板被連接在一起，從而所述冷卻水流路被連接在一起形成一個整體的冷卻水流路，其中所述整體的冷卻水流路包括與所述多個獨立氣體流道相對應的多個獨立流道。
8.一種操作燃料電池的方法，包括(a)多個疊壓的單元電池，每個單元電池包括膜電極組件，所述膜電極組件包括陽極、陰極和插入所述陽極和陰極之間的氫離子導電聚合物電解質(zhì)膜；(b)多個裝配在每兩個相鄰單元電池之間的隔板，所述隔板中的至少一個包括具有氣體流路的陽極側(cè)導電隔板，所述氣體流路用于輸入燃料氣體到所述陽極并從其中排出；及具有氣體流路的陰極側(cè)導電隔板，所述氣體流路用于輸入氧化劑氣體到所述陰極并從其中排出，其中所述陽極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板中的至少一個在其一個面上具有多個獨立氣體流道，所述氣體流道構(gòu)成所述氣體流路，及(c)用于將所述燃料氣體和氧化劑氣體中的一種輸入一個或多個所述獨立氣體流道的供氣轉(zhuǎn)換控制器，所述方法包括利用所述供氣轉(zhuǎn)換控制器，通過將所述燃料氣體和氧化劑氣體中的一種輸送至所述多個獨立氣體流道的一個或多個以實施低負載操作。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的操作所述燃料電池的方法，其中實施所述低負載操作包括以某一時間間隔轉(zhuǎn)換所述多個獨立氣體流道中的各個氣體流道，所述燃料氣體或氧化劑氣體被輸送至所述氣體流道。
10.一種操作燃料電池的方法，所述電池包括包括隔板和控制器，所述隔板具有其中設置有多個獨立氣體流道的第一板面，所述控制器可選擇性地給所述多個氣體流道中的一個或多個提供氣體，所述方法包括(a)在第一時間段內(nèi)僅僅給所述獨立氣體流道的第一子設備提供氣體；及(b)在第二時間段內(nèi)僅僅給所述獨立氣體流道的第二子設備提供氣體，所述第二子設備不同于第一子設備。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述第一和第二子設備沒有共同的氣體流道。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，還包括重復地按順序操作(a)步驟和(b)步驟多次。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述燃料電池還包括膜-電極裝置，所述膜-電極裝置包括陽極、陰極及插入二者之間的電解質(zhì)膜，所述陽極和陰極包括催化劑層和氣體擴散層，所述催化劑層和氣體擴散層被設置在鄰接所述隔板第一板面的位置，及其中所述第一時間段小于所述催化劑層和氣體擴散層的主體部分被顯著浸水所需要的時間，所述催化劑層和氣體擴散層與氣體流道的第二子設備相對放置；及所述第二時間段小于所述催化劑層和氣體擴散層的主體部分被顯著浸水所需要的時間，所述催化劑層和氣體擴散層與氣體流道的第一子設備相對放置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所述方法阻止由從接收氣體之氣體流道的子設備流到所述催化劑層和氣體擴散層的部分的氣體的底流而產(chǎn)生的浸水，所述催化劑層和氣體擴散層與不接收氣體之氣體流道的子設備相對放置。
15.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述燃料電池產(chǎn)生的輸出功率與其最大輸出功率的比基本上等于接收氣體之氣體流道的子設備體積與氣體流道全部設備體積的比。
16.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述燃料電池產(chǎn)生的輸出功率與其最大輸出功率的比基本上等于接收氣體之氣體流道的子設備體積與氣體流道全部設備體積的比，燃料和氧化劑氣體具有同樣的氣體利用率，同樣的露點，向每個接收氣體的氣體流道提供同樣的氣體壓力，及所述燃料電池在各個輸出功率條件下具有相同的操作溫度。
17.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，還包括在第一和第二時間段內(nèi)基本上提供各自相同的燃料和氧化劑氣體利用率；在第一和第二時間段內(nèi)基本上提供各自相同的燃料和氧化劑氣體的露點；在第一和第二時間段內(nèi)向每一接收氣體的氣體流道提供基本上相同的氣體壓力；及在第一和第二時間段內(nèi)基本上在同樣的溫度下操作所述燃料電池。
18.一種操作燃料電池的方法，所述電池包括隔板和氣體調(diào)節(jié)器，所述隔板具有其中分布多個獨立氣體流道的第一板面，及所述調(diào)節(jié)器可選擇性地給所述獨立氣體流道的子設備提供氣體，其中所述燃料電池產(chǎn)生的輸出功率與其最大輸出功率的比基本上等于接收氣體之氣體流道的子設備體積與獨立氣體流道的全部設備體積的比，燃料和氧化劑氣體具有相同的氣體利用率，同樣的露點，向每個接收氣體的獨立氣體流道提供相同的氣體壓力，及所述燃料電池在各個輸出功率條件下具有相同的操作溫度，所述方法包括確定特定燃料電池將產(chǎn)生的輸出功率；及選擇所述氣體流道的子設備以使所述子設備內(nèi)獨立氣體流道的總體積與全部獨立氣體流道的總體積的比基本上等于所確定的輸出功率與所述燃料電池最大輸出功率的比；及給獨立氣體流道的選定子設備提供氣體。
全文摘要
一種包括單元電池組的燃料電池，每個單元電池包括氫離子導電聚合物電解質(zhì)膜；中間插入所述聚合物電解質(zhì)膜的陽極和陰極；具有氣體流路的陽極側(cè)導電隔板，所述氣體流路用于輸入燃料氣體到所述陽極并從其中排出；及具有氣體流路的陰極側(cè)導電隔板，所述氣體流路用于輸入氧化劑氣體到所述陰極并從其中排出。其中所述陽極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板中的至少一個在其一個面上具有多個獨立氣體流道，所述氣體流道構(gòu)成所述氣體流路。當所述燃料電池在低負載下操作時，所述燃料氣體或氧化劑氣體被輸入所述多個獨立氣體流道中的一個或多個，從而所述燃料電池能獲得足夠的氣體速度。
文檔編號H01M8/02GK1519969SQ20041000291
公開日2004年8月11日 申請日期2004年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月20日
發(fā)明者竹口伸介, 仁, 羽藤一仁, 夫, 小原英夫, 朗, 行天久朗 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社