專利名稱：通過減小的陽(yáng)極反應(yīng)物壓力進(jìn)行的燃料電池水管理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在減小的陽(yáng)極操作燃料電池的方法，該方法在某些情況下顯示出改善的功率輸出。
背景技術(shù)：
美國(guó)專利No. 5，879，827 (其公開內(nèi)容以引用的方式并入本文)公開了納米結(jié)構(gòu)化元件，該元件包含負(fù)載針狀納米級(jí)催化劑粒 的針狀微結(jié)構(gòu)化載體晶須。所述催化劑粒子可包含不同催化劑材料的交替層，該不同催化劑材料可在組成、合金程度或結(jié)晶程度方面不同。美國(guó)專利No. 6，482，763 (其公開內(nèi)容以引用的方式并入本文)公開了燃料電池電極催化劑，該催化劑包含交替的含鉬層和含第二金屬的低價(jià)氧化物層，所述低價(jià)氧化物表現(xiàn)出CO氧化的較早發(fā)生。美國(guó)專利No. 5，338，430,No. 5，879，828,No. 6，040，077 和 No. 6，319，293 (其公開內(nèi)容以引用的方式并入本文)也涉及納米結(jié)構(gòu)化薄膜催化劑。美國(guó)專利No. 4，812，352, No. 5，039，56K No. 5，176，786 和 No. 5，336，558 (其公開內(nèi)容以引用的方式并入本文)涉及微結(jié)構(gòu)。美國(guó)專利No. 7，419，741 (其公開內(nèi)容以引用的方式并入本文)公開了燃料電池陰極催化劑，該催化劑包含通過如下方式形成的納米結(jié)構(gòu)將交替的鉬層和第二層沉積于微結(jié)構(gòu)載體上，這可形成一種三元催化劑。美國(guó)專利No. 7，622，217 (其公開內(nèi)容以引用的方式并入本文)公開了燃料電池陰極催化劑，該催化劑包含負(fù)載納米級(jí)催化劑粒子的微結(jié)構(gòu)化載體晶須，該納米級(jí)催化劑粒子以指定體積比和Mn含量包含鉬和錳以及至少ー種其他金屬，其中其他金屬通常為Ni或Co。

發(fā)明內(nèi)容
簡(jiǎn)而言之，本發(fā)明提供了ー種操作包括膜電極組件的燃料電池的方法，該膜電極組件具有在陽(yáng)極壓力下被供給有氣態(tài)陽(yáng)極反應(yīng)物的陽(yáng)極和在陰極壓力下被供給有氣態(tài)陰極反應(yīng)物的陰極，其中陽(yáng)極壓カ比陰極壓カ小至少IOkPa,在一些情況下小至少20kPa，在一些情況下小至少40kPa,在一些情況下小至少50kPa,在一些情況下小至少80kPa,在一些情況下小至少IOOkPa,在一些情況下小至少120kPa,在一些情況下小至少200kPa。通常,在連續(xù)使用期間保持陽(yáng)極壓力和陰極壓力之間的差值。在某些實(shí)施例中，保持陽(yáng)極壓カ和陰極壓カ之間的差值小于一分鐘。在其他實(shí)施例中，通常保持陽(yáng)極壓力和陰極壓力之間的差值連續(xù)使用至少I分鐘，更通常至少10分鐘，并且更通常至少20分鐘。在一些實(shí)施例中，陽(yáng)極壓カ小于最大壓力，所述最大壓為90kPa或更小，在一些實(shí)施例中為80kPa或更小,在一些實(shí)施例中為60kPa或更小，在一些實(shí)施例中為50kPa或更小，在一些實(shí)施例中為25kPa或更小。通常，在連續(xù)使用期間保持陽(yáng)極壓カ低于最大壓力。通常保持陽(yáng)極壓カ低于最大壓カ連續(xù)服務(wù)至少I分鐘，更通常至少10分鐘，并且更通常至少20分鐘。然而，對(duì)于ー些實(shí)施例而言，保持陽(yáng)極壓カ低于最大壓カ小于I分鐘。通常，陽(yáng)極壓力為至少IOkPa,更通常至少15kPa，并且更通常至少20kPa。通常，燃料電池包括膜電極組件，所述膜電極組件包括納米結(jié)構(gòu)化薄膜陰極催化齊 。在本專利申請(qǐng)中
“膜電極組件”是指包括膜的結(jié)構(gòu)，其包括電解質(zhì)(通常為聚合物電解質(zhì))和至少ー個(gè)(但更通常的是兩個(gè)或兩個(gè)以上)鄰接膜的電極；“納米結(jié)構(gòu)化元件”是指針狀、離散的微觀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括位于其表面至少一部分上的催化材料；“納米級(jí)催化劑粒子”是指催化劑材料的粒子，所述粒子具有至少ー個(gè)面等于或小于約15nm,或具有約15nm或更小的微晶尺寸,所述尺寸由標(biāo)準(zhǔn)2-θ X射線衍射掃描的衍射峰半寬度來測(cè)量；“納米級(jí)催化劑粒子的薄膜”包括離散的納米級(jí)催化劑粒子的膜、熔融的納米級(jí)催化劑粒子的膜，和為結(jié)晶或無定形的納米級(jí)催化劑顆粒的膜；通常為離散的或熔融的納米級(jí)催化劑粒子的膜，并且最通常為離散的納米級(jí)催化劑粒子的膜；“針狀”是指長(zhǎng)度與平均橫截面寬度的比大于或等于3 ；“離散的”是指具有獨(dú)立身份的分開的元件，但并不排除元件之間相互接觸；“微觀”是指具有至少ー個(gè)面等于或小于約ー微米；“平面等效厚度”是指，對(duì)于分布在表面上的層，其可以是不平坦分布的且其表面可以是不平坦的表面(例如散布在地表上的雪層，或在真空沉積過程中分布的原子層)，假設(shè)該層的總質(zhì)量均勻地分布在覆蓋與該表面的投影面積相同的面積(注意，一旦忽視不平坦形貌和褶積，該表面覆蓋的投影面積小于或等于該表面的總表面積)的平面上而計(jì)算出的厚度；“雙層平面等效厚度”是指第一層(如本文所述)和接下來存在的第二層(如本文所述)的總平面等效厚度。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是提供了一種用于燃料電池的改善的操作的方法，具體地講是包括納米結(jié)構(gòu)化薄膜催化劑的那些燃料電池。


圖I為在低于大氣壓下向燃料電池陽(yáng)極提供燃料氣體的設(shè)備的示意性圖示，在多個(gè)實(shí)例中有所描述。圖2為在低于大氣壓下向燃料電池陽(yáng)極提供燃料氣體的設(shè)備的示意性圖示，在多個(gè)實(shí)例中有所描述。圖3為所操作的燃料電池電流密度相對(duì)于時(shí)間的曲線圖，如在多個(gè)實(shí)例中所述。圖4為在指示的陽(yáng)極壓力下操作的電池的電流密度相對(duì)于電池溫度的曲線圖，如在多個(gè)實(shí)例中所述。圖5為在指示的陽(yáng)極壓力下操作的電池的電池電壓相對(duì)于時(shí)間的曲線圖，如在多個(gè)實(shí)例中所述。圖6A和B分別為示出了在測(cè)試期間的電流密度和電池溫度相對(duì)于時(shí)間的曲線圖，如在多個(gè)實(shí)例中所述。圖7為所操作的燃料電池的電流密度相對(duì)于時(shí)間的曲線圖，如在多個(gè)實(shí)例中所述。圖8為所操作的三種不同的燃料電池的電流密度相對(duì)于陽(yáng)極壓カ的曲線圖，如在多個(gè)實(shí)例中所述。圖9A和B分別為示出了所操作的三種不同的燃料電池的電池電壓和陰極水流出物速率相對(duì)于陽(yáng)極壓カ的曲線圖，如在多個(gè)實(shí)例中所述。 圖10為在指示陽(yáng)極壓力下操作的電池的電池電壓相對(duì)于時(shí)間的曲線圖，如在多個(gè)實(shí)例中所述。圖IlA和B為所操作的燃料電池的電流密度相對(duì)于陽(yáng)極壓カ的曲線圖，如在多個(gè)實(shí)例中所述。圖12A和B為所操作的燃料電池的電流密度相對(duì)于陽(yáng)極壓カ的曲線圖，如在多個(gè)實(shí)例中所述。圖13A和B為所操作的燃料電池的電流密度相對(duì)于陽(yáng)極壓カ的曲線圖，如在多個(gè)實(shí)例中所述。圖14A和B為所操作的燃料電池的電流密度相對(duì)于陽(yáng)極流速的曲線圖，如在多個(gè)實(shí)例中所述。圖15A和B為在指示陽(yáng)極壓力下操作的燃料電池的電流密度相對(duì)于時(shí)間的曲線圖，如在多個(gè)實(shí)例中所述。圖16A和B為在指示陽(yáng)極壓力下操作的電池的電池電壓相對(duì)于時(shí)間的曲線圖，如在多個(gè)實(shí)例中所述。圖17A、B、C和D分別為所操作的燃料電池的陽(yáng)極流出物水速率、陰極流出物水速率、水收集效率百分比和電池電壓電流密度相對(duì)于陽(yáng)極壓カ的曲線圖，如在多個(gè)實(shí)例中所述。圖18為在指示陽(yáng)極壓力下操作的電池的電池電壓相對(duì)于電流密度的曲線圖，如在多個(gè)實(shí)例中所述。圖19A和B為在指示陽(yáng)極壓力下操作的電池的電池電壓相對(duì)于電流密度的曲線圖，如在多個(gè)實(shí)例中所述。圖20A和B為在指示陽(yáng)極壓力下操作的電池的電池電壓相對(duì)于電流密度的曲線圖，如在多個(gè)實(shí)例中所述。圖21A和B為使用指示流場(chǎng)操作的燃料電池的電流密度相對(duì)于時(shí)間的曲線圖，如在多個(gè)實(shí)例中所述。圖22A和B為使用指示流場(chǎng)操作的燃料電池的電流密度相對(duì)于時(shí)間的曲線圖，如在多個(gè)實(shí)例中所述。圖23A和B為使用指示流場(chǎng)操作的燃料電池的電流密度相對(duì)于陽(yáng)極壓カ的曲線圖，如在多個(gè)實(shí)例中所述。圖24A-F為在指示溫度和陽(yáng)極壓力下操作的燃料電池的電流密度相對(duì)于陽(yáng)極壓力的曲線圖，如在多個(gè)實(shí)例中所述。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及一種通過控制陽(yáng)極反應(yīng)物壓カ(包括低于大氣壓的壓力)來改善聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)性能的操作方法。本發(fā)明還描述了結(jié)合連接至陽(yáng)極反應(yīng)物料流的壓カ控制設(shè)備的燃料電池系統(tǒng)，該壓カ控制設(shè)備具有在涵蓋低于和高于大氣壓的范圍內(nèi)控制陽(yáng)極反應(yīng)物壓カ的能力。本發(fā)明還描述了具有用于陽(yáng)極反應(yīng)物壓力低于陰極反應(yīng)物壓カ的操作的優(yōu)化的組分的PEMFC。納米結(jié)構(gòu)化薄膜催化劑(NSTFC)膜電極組件(MEA)相對(duì)于基于最先進(jìn)的常規(guī)厚度碳基催化劑的MEA具有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)，包括更高的比活性和耐久性。這些優(yōu)點(diǎn)是超薄電 極結(jié)構(gòu)的可能的結(jié)果。本發(fā)明提出了，根據(jù)本方法的燃料電池操作可以顯著改善超薄電極MEA在低溫和濕潤(rùn)條件下的穩(wěn)定狀態(tài)和負(fù)載瞬變性能兩者。測(cè)量表明，在固定的陰極壓力下降低陽(yáng)極壓力導(dǎo)致通過陽(yáng)極反應(yīng)物料流的增大產(chǎn)物水移除和通過陰極反應(yīng)物料流的產(chǎn)物水移除中的生成物減少，其降低了在陰極的溢流問題和由于溢流而同時(shí)増加的性能損失。本發(fā)明的一個(gè)關(guān)鍵方面是，通過陽(yáng)極料流的水移除通過以下方式極大地增強(qiáng)將陽(yáng)極反應(yīng)物料流壓カ朝向水飽和蒸汽壓カ降低，在所關(guān)注的溫度下，這需要將陽(yáng)極反應(yīng)物料流控制在低于大氣壓下。本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)通過下面的實(shí)例進(jìn)ー步說明，但是這些實(shí)例中所提到的具體材料及其數(shù)量，以及其他條件和細(xì)節(jié)，均不應(yīng)被解釋為對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限制。除非另外說明，所有的試劑均得自或可得自威斯康辛州密爾沃基的奧德里奇化學(xué)公司(Aldrich Chemical Co.，Milwaukee, WI),或可以通過已知方法來合成。第一和第二實(shí)例包括在一系列陽(yáng)極反應(yīng)物壓力下評(píng)估NSTFC MEA。MEA由以下部分構(gòu)成=NSTF陽(yáng)極催化劑(在NSTF上的Pt68Co29Mn3,0. 05mgPt/cm2)、NSTF陰極催化劑(在NSTF上的Pt68Co29Mn3,0. 10mgPt/cm2)、質(zhì)子交換膜(裝入EPTFE支承體的3M850EW離聚物，包含3. 5%的Mn添加剤)、陰極⑶L (以4%的PTFE處理、在ー側(cè)涂布有碳+PTFE+FEP微孔層(MPL)的MRC U105)、陽(yáng)極⑶L (以4%的PTFE處理、但不具有MPL的MRC U105)以及其厚度分別為陽(yáng)極和陰極各自的GDL厚度的90%的陽(yáng)極和陰極墊圏。通過在室溫下O. 5M硫酸浴中安裝⑶L進(jìn)ー步處理陽(yáng)極⑶L并且保持在I. 5V (相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極(SHE))下10分鐘；然后將GDL沖洗若干次并且允許其干燥。該電化學(xué)處理的意圖是輕微地增加陽(yáng)極GDL的親水性；隨著GDL碳被氧化，其變得更加親水。通過熱輥層合方法將催化劑轉(zhuǎn)移至膜上，從而形成催化劑涂覆的膜(CCM)。將MEA安裝在由具有四方螺線型流場(chǎng)的經(jīng)加工的石墨板構(gòu)成的50cm2活性區(qū)域測(cè)試電池中(燃料電池技木)，并且在改進(jìn)的燃料電池技術(shù)測(cè)試エ位上測(cè)試。根據(jù)圖I對(duì)測(cè)試エ位進(jìn)行了改進(jìn)，其中使用兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室水抽吸器向連接至電池陽(yáng)極流場(chǎng)出口的壓カ調(diào)節(jié)器施加抽吸。在壓カ調(diào)節(jié)器之前在真空儀表所測(cè)量的，當(dāng)800SCCM的H2流經(jīng)電池時(shí)，抽吸器能夠?qū)錃鈮亥档椭良s15-20kPa。使用壓カ調(diào)節(jié)器來將電池陽(yáng)極反應(yīng)物料流的壓カ從用這個(gè)設(shè)備可獲得的最低壓カT(15-20kPa)調(diào)整至高達(dá)供給壓カ(在這種情況下為500kPa)。示意圖示出了當(dāng)前公開的ー個(gè)具體的實(shí)例；也可以使用可以將陽(yáng)極反應(yīng)物壓力減小并且控制在低于大氣壓的其他裝置，例如以適用于可燃?xì)怏w的機(jī)械泵取代抽吸器和以可變面積閥取代壓カ調(diào)節(jié)器。圖2示出了本發(fā)明的預(yù)示的第二實(shí)施方式。氫氣從增壓的供給例如增壓的槽流出，穿過調(diào)節(jié)流向疊堆陽(yáng)極的反應(yīng)物的質(zhì)量流率的流量調(diào)節(jié)裝置。在穿過疊堆后，壓カ調(diào)節(jié)子系統(tǒng)調(diào)節(jié)疊堆內(nèi)反應(yīng)物料流的壓力。然后，使用泵來保持壓カ調(diào)節(jié)子系統(tǒng)的出口處所需的壓カ以及增加送入再循環(huán)控制器的壓カ。再循環(huán)控制器排放總料流的ー些餾分并且將剩余的餾分導(dǎo)回至疊堆陽(yáng)極入ロ。實(shí)例I圖3為如下操作的燃料電池的電流密度相對(duì)于時(shí)間的曲線圖。在本實(shí)驗(yàn)中，以如下條件操作NSTFC MEA :固定流速為800SCCM的干燥氫氣朝向陽(yáng)極，固定流速為1800SCCM的干燥的150kPa的空氣朝向陰極，固定的電池溫度為30°C，并且固定的電池電勢(shì)為O. 40V。 在實(shí)驗(yàn)過程中，通過使用圖I中的抽吸裝置和壓カ調(diào)節(jié)器使陽(yáng)極反應(yīng)物壓力在20kPa和200kPa之間逐步變化。據(jù)發(fā)現(xiàn)，電池電流密度是陽(yáng)極壓カ的強(qiáng)函數(shù)，較低的壓カ特別是低于大氣壓的壓カ導(dǎo)致電流密度和相關(guān)功率輸出的大幅度増加。實(shí)例2測(cè)得所謂的“非溢流”曲線隨陽(yáng)極反應(yīng)物壓カ和溫度的變化。本實(shí)驗(yàn)的目的是從電池處于完全水溢流狀態(tài)開始，確定MEA的性能増加超過lA/cm2的最低溫度。對(duì)于每個(gè)陽(yáng)極壓カ設(shè)置，首先將電池冷卻至顯示數(shù)據(jù)的最低溫度并且以液態(tài)水填充電池，反應(yīng)物開始朝向電池，設(shè)置反應(yīng)物壓力，然后測(cè)得電流密度隨電池溫度的變化。圖4為在指示陽(yáng)極壓力下操作的電池的電流密度相對(duì)于電池溫度的曲線圖。在IOOkPa和更高的陽(yáng)極壓力下，需要至少45°C的電池溫度以超過lA/cm2的電流密度。隨著壓力降低至低于大氣壓，電池產(chǎn)生超過lA/cm2所需的最低溫度顯著降低。在15kPa所需的溫度降低至25°C，與IOOkPa相比改善了 20°C。實(shí)例3和4在實(shí)例三和四中，使用不同的NSTFC MEA，即FC16576 ;這種MEA與FC16405的不同之處在于陽(yáng)極GDL沒有用O. 5M硫酸浴處理，而是制造后直接使用。在第三個(gè)實(shí)例中，隨陽(yáng)極反應(yīng)物壓力的變化進(jìn)行“負(fù)載瞬變”測(cè)試；這個(gè)測(cè)試檢查MEA維持階躍增加的從非常低至相對(duì)高的電流密度的電流輸出的能力。測(cè)試包括三個(gè)步驟平衡、預(yù)處理和負(fù)載瞬變。在平衡步驟中，將電池保持在60°C，陽(yáng)極反應(yīng)物為696SCCM的H2,150kPa, 140%RH,陰極反應(yīng)物為1657SCCM的空氣，150kPa，140%RH,固定的電池電勢(shì)為O. 6V保持5分鐘。在預(yù)處理步驟中，將電池在與平衡步驟相同的條件下保持25s但是電流密度為O. 02A/cm2，此時(shí)陽(yáng)極反應(yīng)物壓カ在20kPa和150kPa之間變化并且將電池多保持5s。在負(fù)載瞬變步驟過程中，所有條件與預(yù)處理步驟最后5s的條件相同，但是電流密度階躍增加至l.OA/cm2。對(duì)于每個(gè)陽(yáng)極壓力，進(jìn)行兩次試驗(yàn)。圖5為在實(shí)例3中指示的陽(yáng)極壓力下操作的電池的電池電壓相對(duì)于時(shí)間的曲線圖。圖5示出了當(dāng)反應(yīng)物壓カ大于或等于IOOkPa吋，電池電壓在30s負(fù)載瞬變測(cè)試期間ー直為低于O. OV ;一直為低于O. OV表明通過測(cè)試失敗。當(dāng)陽(yáng)極反應(yīng)物壓力降低至50kPa吋，電池電壓開始低于O. OV,但是然后在7s后自發(fā)地增加至約O. 60V。當(dāng)陽(yáng)極壓カ為20kPa吋，初始電池電壓為正O. 4-0. 5V，并且迅速地上升到O. 60V以上。這些結(jié)果清楚地表明，減小的陽(yáng)極反應(yīng)物壓カ極大地提高了負(fù)載瞬變性能。在實(shí)例四中，在15°C電池溫度下的“未溢流”性能被評(píng)估為隨陽(yáng)極和陰極壓カ的變化。電池首先在70°C預(yù)處理，陽(yáng)極反應(yīng)物料流為800SCCM，500C的結(jié)露點(diǎn)，IOOkPa的H2,并且陰極反應(yīng)物料流為1800SCCM，50°C的結(jié)露點(diǎn)，IOOkPa的空氣保持I小時(shí)；意圖是為了從MEA移除過量的水分，這可以在汽車牽引力燃料電池系統(tǒng)停止之前完成。在預(yù)處理后，將MEA冷卻至15°C同時(shí)沒有陽(yáng)極或陰極反應(yīng)物流動(dòng)。接下來，以如下方式操作MEA :在各種陽(yáng)極和陰極壓カ下陽(yáng)極反應(yīng)物料流為800SCCM干燥的H2和1800SCCM干燥的空氣，同時(shí)固定的電池電壓為O. 40V。 圖6A和B分別為示出了在測(cè)試期間電流密度和電池溫度相對(duì)于時(shí)間的曲線圖。在氣流開始時(shí)，反應(yīng)物壓カ為70/100kPa。當(dāng)將電池設(shè)置為O. 40V后，電流迅速地上升至超過O. 9A/cm2但又迅速地下跌至小于O. 25A/cm2。將陽(yáng)極壓カ降低至20kPa，導(dǎo)致電流密度迅速増加至大約0.6A/cm2。然后將陰極壓力増加至150kPa，導(dǎo)致進(jìn)一步增益至0.8A/cm2。然后電流密度繼續(xù)緩慢地增加，同時(shí)增加緩慢地增加的電池溫度。電流密度超過lA/cm2，電池溫度為約18°C。這些結(jié)果比實(shí)例三中示出的結(jié)果(在15で為0.8ハ約0.24/0112)約高4倍，可能是由于干燥預(yù)處理。實(shí)例5在實(shí)例五中，使用不同的NSTFC MEA,即FC16630 ;這種MEA與FC16405和FC16576的不同之處在于陽(yáng)極⑶L沒有在O. 5M硫酸浴中處理并且也含有微孔層。FC16630可以視為是當(dāng)前技術(shù)的實(shí)例。以與實(shí)例一(圖3)中所示的相同的方式評(píng)價(jià)FC16630 ;圖7示出這個(gè)測(cè)試的結(jié)果。如實(shí)例一中所觀察到的，性能隨著降低陽(yáng)極壓カ而在一定程度上改善，但顯著地小于在實(shí)例一中所見的。圖8 匯總了 FC16630 (⑶L 具有 MPL)，F(xiàn)C16405 (MRC U105 不具有 MPL ;電化學(xué)處理)和FC16576 (MRC U105不具有MPL)的電流密度相對(duì)于陽(yáng)極反應(yīng)物壓力。對(duì)于所有樣品，電流密度隨著降低陽(yáng)極壓カ而增加。然而，電化學(xué)處理的不具有MPL的陽(yáng)極GDL的性能增益最大，然后是非EC處理的不具有MPL的陽(yáng)極GDL和增益最低的包含具有MPL的GDL的樣品。圖9比較了 FC16630 (陽(yáng)極⑶L具有MPL)和FC16576 (陽(yáng)極⑶L不具有MPL)的穩(wěn)態(tài)性能和陰極水流出物速率。FC16576 (無MPL)產(chǎn)生的性能比FC16630 (具有MPL)高70mV ；這種改善的性能與較低的陰極水流出物速率一致。這些結(jié)果提供了以下證據(jù)不同的MEA組分由于有效的水管理行為的改變可導(dǎo)致性能顯著改善。這些性能改善符合自陽(yáng)極的較高的水移除速率。圖8和圖9顯示了，改變陽(yáng)極⑶L (具體地講陽(yáng)極⑶L的水管理性質(zhì))可能是有益的。有益效果是由于相對(duì)于陰極⑶L増加了陽(yáng)極⑶L的水移除能力。移除陽(yáng)極⑶L的MPL以及例如通過電化學(xué)處理將陽(yáng)極GDL背襯制作得更加親水是增加陽(yáng)極GDL水移除能力的兩種方式。MPL為具有細(xì)小孔的疏水層，并且需要非常高的壓カ以驅(qū)動(dòng)水穿過MPL。GDL背襯比MPL具有較大的孔，但仍然是適度疏水的并且因此在沒有明顯壓カ時(shí)不能傳輸液態(tài)水。移除MPL就移除了這種障礙，并且將GDL背襯制作得更加親水允許水更加容易地穿過GDL。因此，本發(fā)明中的改善的MEA的一般例子為陽(yáng)極GDL比陰極GDL對(duì)于水移動(dòng)具有較少的限制。實(shí)例 6燃料電池系統(tǒng)必須忍受從低于冰點(diǎn)的溫度啟動(dòng)，MEA在系統(tǒng)停止之前在高溫下干透以允許在系統(tǒng)重新啟動(dòng)時(shí)成功操作。通過將MEA在一定程度上干透，燃料電池反應(yīng)在低于冰點(diǎn)時(shí)重新啟動(dòng)產(chǎn)生的水可以被PEM和多孔的GDL帶走而不會(huì)阻斷反應(yīng)物傳送至催化劑層。希望最小化進(jìn)行該預(yù)處理所需時(shí)間量以最小化寄生損失。圖10示出干透預(yù)處理隨陽(yáng)極壓カ的變化的例子。固定的操作條件為80°C的電池溫度，696/1657SCCM的H2/空氣反應(yīng)物流速，53C的陽(yáng)極和陰極結(jié)露點(diǎn)，O. 05A/cm2的固定的電流密度和IOOkPa的陰極壓力。固定的MEA構(gòu)造變量為陽(yáng)極催化劑為O. 05PtCoMn/NSTF,陰極催化劑為O. 10PtCoMn/NSTF, PEM為不具有添加劑的20u的3M 850EW,陽(yáng)極和陰極⑶L 為2979，以及陽(yáng)極和陰極流場(chǎng)為50cm2四方螺線型。在上述條件下，由于蒸發(fā)干燥從MEA移除的水直至在MEA的水含量和反應(yīng)物料流的水含量之間達(dá)到穩(wěn)態(tài)。由于PEM電阻增加，電池電壓隨著MEA干透而降低。因此，電池電壓是干燥狀態(tài)的量度。圖10示出了隨著陽(yáng)極壓カ減小，由于MEA的干燥，電池電壓的降低速率顯著增加。隨著陽(yáng)極壓カ降低，達(dá)到某一電池電壓降低(由于MEA干透)所需的時(shí)間降低。因此，這個(gè)例子示出了可以在低于大氣壓的陽(yáng)極壓カ下實(shí)現(xiàn)改善的預(yù)處理。實(shí)例7圖IlA和B顯示了相對(duì)于陽(yáng)極⑶L背襯的O. 4V的電流密度隨陽(yáng)極壓カ的變化。圖IlA和B對(duì)于具有不同陽(yáng)極背襯的不同陽(yáng)極GDL比較了 O. 4V的電流密度輸出隨陽(yáng)極壓カ的變化，所有不同陽(yáng)極GDL在背襯中均不具有MPL并且含有少量或沒有PTFE，如與具有6%PTFE并且包含MPL的基線MRC U105相比。陽(yáng)極⑶L為霍林斯沃斯和沃思(HolIingsworthand Vose) “5密耳”(原樣使用，不具有MPL)，MRC U105 (O. 1%的PTFE處理，不具有MPL)，弗羅伊登伯格(Freudenberg)H2315 (原樣使用，不具有MPL)，巴拉德(Ballard)1071HCB (原樣使用，不具有MPL)和弗羅伊登伯格(Freudenberg)X0090 (原樣使用，不具有MPL)。固定的操作條件為30°C的電池溫度，800/1800SCCM的H2/空氣干燥反應(yīng)物流速和150kPa的陰極壓力。固定的MEA構(gòu)造變量為陽(yáng)極催化劑為O. 05PtCoMn/NSTF,陰極催化劑為O. IOPtCoMn/NSTF, PEM為不具有添加劑的20u的3M 850EW,陰極⑶L為2979，以及陽(yáng)極和陰極流場(chǎng)為50cm2四方螺線型。據(jù)觀察，弗羅伊登伯格(Freudenberg)H2315和X0090 (原樣使用，未處理)與其他GDL (包括基線)相比在大部分陽(yáng)極壓力范圍內(nèi)顯示出明顯更高的J。這些結(jié)果表明，陽(yáng)極GDL背襯結(jié)構(gòu)方面在冷卻溫度可以對(duì)性能具有強(qiáng)效影響，并且該影響以低于大氣壓的陽(yáng)極壓カ進(jìn)行擴(kuò)大。實(shí)例8圖12A和B顯示相對(duì)于陽(yáng)極⑶L MPL、陽(yáng)極⑶L背襯PTFE含量的O. 4V的電流密度隨陽(yáng)極壓カ的變化。圖12A和B比較了基于MRCU105背襯的不同的陽(yáng)極⑶L的O. 4V的電流密度輸出隨陽(yáng)極壓力的變化。變量包括存在MPL或不含MPL，背襯中的PTFE含量和陽(yáng)極壓力。固定的操作條件為30°C的電池溫度，800/1800SCCM的H2/空氣干燥反應(yīng)物流速，和150kPa的陰極壓力。固定的MEA構(gòu)造變量為陽(yáng)極催化劑為O. 05PtCoMn/NSTF,陰極催化劑為O. 10PtCoMn/NSTF, PEM為不具有添加劑的20u的3M 850EW,陰極⑶L為2979，以及陽(yáng)極和陰極流場(chǎng)為50cm2四方螺線型。對(duì)于所有的情況，J隨著陽(yáng)極壓カ從200減小至50kPa而增加。從陽(yáng)極移除MPL導(dǎo)致在50-75kPa的陽(yáng)極壓カ范圍內(nèi)電流密度輸出的顯著增加。這些結(jié)果為本發(fā)明的若干方面提供了數(shù)據(jù)。首先，以低于大氣 壓的陽(yáng)極壓力的操作可以導(dǎo)致在低溫下顯著的性能改善。第二個(gè)方面為可以在低溫下通過從陽(yáng)極移除MPL從而促進(jìn)水移出陽(yáng)極而獲得的改善性能。實(shí)例 9圖13A和B顯示了相對(duì)于陽(yáng)極⑶L背襯的O. 4V的電流密度隨陽(yáng)極壓カ的變化。圖13A和B對(duì)于具有不同陽(yáng)極背襯的不同陽(yáng)極GDL比較了 O. 4V的電流密度輸出隨陽(yáng)極壓力的變化，所有不同陽(yáng)極GDL在背襯中均不具有MPL并且含有少量的或沒有PTFE，如與具有6%PTFE并且包含MPL的基線MRC U105相比。陽(yáng)極⑶L為霍林斯沃斯和沃思(Hol I ingsworthand ￥0此)“5密耳”(原樣使用，不具有1^し)，皿扣U105 (以O(shè). 1%的PTFE處理，不具有MPL)和弗羅伊登伯格(Freudenberg)H2315 (原樣使用，不具有MPL)。固定的操作條件為30°C的電池溫度，800/1800SCCM的H2/空氣干燥反應(yīng)物流速，和150kPa的陰極壓力。固定的MEA構(gòu)造變量為陽(yáng)極催化劑為O. 05PtCoMn/NSTF,陰極催化劑為O. 10PtCoMn/NSTF，PEM為不具有添加劑的20u的3M 850EW,陰極⑶L為2979，以及陽(yáng)極和陰極流場(chǎng)為50cm2四方螺線型。對(duì)于兩個(gè)エ位,據(jù)觀察，弗羅伊登伯格(Freudenberg)H2315 (原樣使用，未處理)與其他GDL (包括基線)相比在大部分陽(yáng)極壓力范圍內(nèi)顯示出明顯更高的J。這些結(jié)果表明，陽(yáng)極GDL背襯結(jié)構(gòu)方面在冷卻溫度可以對(duì)性能具有強(qiáng)效影響，并且該影響以低于大氣壓的陽(yáng)極壓カ進(jìn)行擴(kuò)大。實(shí)例 10圖14A和B顯示了，在多種陽(yáng)極流速下相對(duì)于陽(yáng)極⑶L背襯的0.4V的電流密度。圖14A和B對(duì)于具有不同陽(yáng)極背襯的不同陽(yáng)極GDL比較了 0.4V的電流密度輸出隨陽(yáng)極流速的變化，所有不同陽(yáng)極GDL在背襯中均不具有MPL并且含有少量的或沒有PTFE，如與具有6%PTFE并且包含MPL的基線MRC U105相比。陽(yáng)極⑶L為基線和弗羅伊登伯格(Freudenberg) H2315 (原樣使用，不具有MPL)。固定的操作條件為30°C的電池溫度，1800SCCM的空氣干燥反應(yīng)物流速和75/150kPa的陽(yáng)極/陰極壓力。固定的MEA構(gòu)造變量為陽(yáng)極催化劑為0. 05PtCoMn/NSTF,陰極催化劑為0. 10PtCoMn/NSTF，PEM為不具有添加劑的20u的3M 850EW,陰極⑶L為2979，以及陽(yáng)極和陰極流場(chǎng)為50cm2四方螺線型。對(duì)于所有的情況，電流密度隨著陽(yáng)極流速?gòu)?00增加至1400SCCM而增加，并且對(duì)于大部分情況，隨著流速増加至2000SCCM而觀察到電流密度的進(jìn)ー步増加。對(duì)于兩個(gè)エ位，據(jù)觀察，弗羅伊登伯格(Freudenberg) H2315 (原樣使用，未處理)與基線⑶L相比所有的陽(yáng)極流速，顯示出明顯更高的J。這些結(jié)果表明，在低于大氣壓的陽(yáng)極壓カ下陽(yáng)極GDL類型可以對(duì)性能具有強(qiáng)效影響。實(shí)例 11圖15A和B顯示了啟動(dòng)瞬變隨陽(yáng)極壓カ和電池溫度的變化。圖15A表示10°C的數(shù)據(jù)和圖15B表示30°C的數(shù)據(jù)。圖15A和B比較了啟動(dòng)瞬變性能隨陽(yáng)極壓カ和電池溫度的變化。啟動(dòng)瞬變是在假設(shè)系統(tǒng)停止后估計(jì)MEA可以實(shí)現(xiàn)額定性能的速率的方法。在這個(gè)測(cè)試中，首先在 80C，30/30%RH，0/0psig H2/ 空氣，696/1657SCCM 和固定的 O. 05A/cm2 的 J下將MEA預(yù)處理5分鐘；這個(gè)步驟設(shè)置了 MEA的初始濕潤(rùn)水平。接下來，終止所有的反應(yīng)物并且將電池停止并冷卻至任意溫度，在上述情況中為10°C或30°C。上述曲線圖示出了接下來的步驟，其中在t=0時(shí)若干步驟同時(shí)發(fā)生；反應(yīng)物流速設(shè)置為696/1657SCCM，壓カ設(shè)置為x/150kPa (X在曲線圖中注明)，并且電池電勢(shì)保持固定在O. 60V。記錄電流隨時(shí)間推移的變化。“較好的”啟動(dòng)瞬變是迅速實(shí)現(xiàn)高J并且可以在初始10秒鐘內(nèi)保持盡可能多的J的那些啟動(dòng)瞬變。固定的MEA構(gòu)造變量為陽(yáng)極催化劑為O. 05PtCoMn/NSTF,陰極催化劑為O. 10PtCoMn/NSTF, PEM為不具有添加劑的20u的3M850EW，陽(yáng)極⑶L為弗羅伊登伯格(Freudenberg) H2315，陰極⑶L為2979，以及陽(yáng)極和陰極流場(chǎng)為50cm2四方螺線型。對(duì)于所有的情況，據(jù)發(fā)現(xiàn)，電流在t=0時(shí)從0A/cm2迅速増加至約6_7秒時(shí)的某些峰值J，約6-7秒后J隨時(shí)間推移而一定程度地降低。據(jù)發(fā)現(xiàn)，峰值J對(duì)陽(yáng)極壓カ相對(duì)不敏感，但是發(fā)現(xiàn)隨時(shí)間推移保持高J的能力是陽(yáng)極壓カ的強(qiáng)函數(shù)。對(duì)于10和30C兩種情況， 在t=30s時(shí)將陽(yáng)極壓カ從200kPa降低至20kPa導(dǎo)致J增加2倍，這將導(dǎo)致至少快約2倍的系統(tǒng)啟動(dòng)。這些結(jié)果示出了，本發(fā)明的ー個(gè)方面，低于大氣壓的陽(yáng)極壓カ導(dǎo)致啟動(dòng)瞬變性能顯著改善。實(shí)例 12圖16A和B顯示了潤(rùn)濕負(fù)載瞬變隨陽(yáng)極壓カ和電池溫度的變化。圖16A表示50°C的數(shù)據(jù)和圖16B表示60°C的數(shù)據(jù)。圖16A和B比較了潤(rùn)濕負(fù)載瞬變性能隨陽(yáng)極壓カ和電池溫度的變化。負(fù)載瞬變測(cè)試是評(píng)估MEA可以在多大程度上忍受假設(shè)的從空載/低功率向高功率的轉(zhuǎn)變的方法。在這個(gè)測(cè)試中，首先在50或60C，140/140%的RH，150/150kPa的H2/空氣，696/1657SCCM和固定的O. 6V電壓下將MEA預(yù)處理5分鐘；這個(gè)步驟將MEA的初始濕潤(rùn)水平設(shè)置為高度溢流水平，代表了最糟糕情況的場(chǎng)景。接下來，將電池在固定的O. 05A/cm2的電流密度下保持20s以模擬空載狀態(tài)。接下來，將陽(yáng)極壓カ調(diào)節(jié)為上述曲線圖所規(guī)定的值并保持10秒鐘。上述曲線圖示出了接下來的步驟，其中電流密度階躍增加至lA/cm2。記錄電池電壓隨時(shí)間推移的變化?！拜^好的”負(fù)載瞬變是迅速實(shí)現(xiàn)高V并且可以經(jīng)30秒鐘測(cè)試持續(xù)時(shí)間保持高V的那些負(fù)載瞬變?！笆〉摹必?fù)載瞬變是電池電壓在測(cè)試持續(xù)過程中為<約OV的負(fù)載瞬變。固定的MEA構(gòu)造變量為陽(yáng)極催化劑為O. 05PtCoMn/NSTF,陰極催化劑為O. 10PtCoMn/NSTF, PEM為不具有添加劑的20u的3M850EW，陽(yáng)極⑶L為弗羅伊登伯格(Freudenberg) H2315，陰極⑶L為2979，以及陽(yáng)極和陰極流場(chǎng)為50cm2四方螺線型。對(duì)于50和60C試驗(yàn)兩者，據(jù)發(fā)現(xiàn)負(fù)載瞬變性能隨著降低陽(yáng)極壓カ而改善。在50C，在t=0s時(shí)所有情況下的電池電壓是低的，但是隨著陽(yáng)極壓カ從150kPa降低至50kPa降低至20-25kPa而實(shí)現(xiàn)正壓所需的時(shí)間降低；對(duì)于150kPa的情況，MEA瞬變失敗。在60C，同樣地發(fā)現(xiàn)電池電壓增加和穩(wěn)定化的速率隨著陽(yáng)極壓カ降低而改善。這些結(jié)果指出本發(fā)明的ー個(gè)方面，以低于大氣壓的陽(yáng)極壓力的操作可以極大地改善MEA的負(fù)載瞬變性能。實(shí)例 13
圖17A-D顯示了穩(wěn)態(tài)恒電流性能和MEA水平衡隨陽(yáng)極壓カ的變化。圖17A-D比較了穩(wěn)態(tài)恒電流性能和MEA水平衡隨陽(yáng)極壓カ的變化。這些測(cè)試使人們對(duì)本發(fā)明的性能改善的機(jī)制有所了解。在這個(gè)測(cè)試中，將電池在固定的電流密度下保持約60分鐘的一段時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)電池電壓并且從陰極收集水，并且在一些情況下，計(jì)算陽(yáng)極電池流出物料流和各自流出物速率。收集水以確定MEA產(chǎn)生的水退出電池的位置。在這個(gè)測(cè)試中，將MEA保持在50°C，0/0%的RH，x/150kPa,696/1657SCCM的H2/空氣中，固定電流密度為IA/cm2。固定的MEA構(gòu)造變量為陽(yáng)極催化劑為O. 05PtCoMn/NSTF,陰極催化劑為O. 10PtCoMn/NSTF, PEM為不具有添加劑的20u的3M850EW，陽(yáng)極⑶L為弗羅伊登伯格(Freudenberg) H2315，陰極⑶L為2979，以及陽(yáng)極和陰極流場(chǎng)為50cm2四方螺線型。據(jù)觀察，通常隨著陽(yáng)極壓カ降低，通過陰極流出物料流離開電池的水量降低并且通過陽(yáng)極流出物料流離開電池的水量増加。這些結(jié)果清楚的表明，促進(jìn)水從陽(yáng)極移除對(duì)于改善性能是有益的。實(shí)例 14圖18比較了恒電流恒定化學(xué)計(jì)量比性能隨陽(yáng)極壓カ的變化。在這個(gè)測(cè)試中，電池的J從O. 05A/cm2階躍增加至其最大J或2. 0A/cm2 (以較小者為準(zhǔn))，然后J再次降低，并且監(jiān)測(cè)電池電壓。在這個(gè)測(cè)試中，將MEA保持在30C，0/0%的RH，CS2/2的H2/空氣，J步長(zhǎng)為O. 05A/cm2,60s/步長(zhǎng)。為了清楚起見，曲線圖僅示出了低_>高J部分的掃描。固定的MEA構(gòu)造變量為陽(yáng)極催化劑為O. 05PtCoMn/NSTF,陰極催化劑為O. 10PtCoMn/NSTF, PEM為不具有添加劑的20u的3M850EW，陽(yáng)極⑶L為弗羅伊登伯格(Freudenberg) H2315，陰極⑶L為2979，以及陽(yáng)極和陰極流場(chǎng)為50cm2四方螺線型。隨著陽(yáng)極壓カ從150_200kPa減小至IOOkPa或更小,最大可達(dá)到的電流密度從約O. 5A/cm2增加至2. OA/cm2。電池V在適度J (例如lA/cm2)下通常隨著陽(yáng)極壓カ從IOOkPa降低至30kPa而增加。這個(gè)結(jié)果符合本發(fā)明，也就是說隨著陽(yáng)極壓力相對(duì)于陰極降低而改善性能，特別是當(dāng)陽(yáng)極壓力為低于大氣壓吋。實(shí)例15圖19A和B顯示了相對(duì)于兩種MEA類型的陽(yáng)極壓力的恒電流、恒定流速性能。圖19A表示NSTF和圖19B表示常規(guī)Pt/C催化劑。在這個(gè)測(cè)試中，電池的J從0. 02-0. lA/cm2階躍增加至其最大J或2. 0A/cm2(以較小者為準(zhǔn))，然后J再次降低，并且監(jiān)測(cè)電池電壓。在這個(gè)測(cè)試中，將MEA保持在30C，0/0%的RH，CF800/1800SCCM的H2/空氣，對(duì)數(shù)J步長(zhǎng)為15步長(zhǎng)/十進(jìn)位，30s/步長(zhǎng)；陽(yáng)極/陰極壓カ為x/150kPa。圖19A示出NSTF MEA的結(jié)果；MEA構(gòu)造變量為陽(yáng)極催化劑為0. 05PtCoMn/NSTF,陰極催化劑為0. 10PtCoMn/NSTF，PEM為不具有添加劑的20u的3M 850EW,陽(yáng)極⑶L為弗羅伊登伯格(Freudenberg) H2315，陰極⑶L為2979，以及陽(yáng)極和陰極流場(chǎng)為50cm2四方螺線型。圖19B示出Pt/C MEA的結(jié)果；MEA構(gòu)造變量為陽(yáng)極催化劑為0. 10Pt/C,陰極催化劑為0. 30Pt/C, PEM為具有添加劑的20u的3M850EW，并且陽(yáng)極和陰極⑶L為2979。對(duì)于NSTF MEA,隨著陽(yáng)極壓カ從150kPa降低至50kPa可觀察到極限電流密度顯著 増加；隨著壓力降低至25kPa未觀察到進(jìn)ー步的増益。對(duì)于Pt/C MEA，未觀察到極限電流密度的顯著改變。在50kPa，NSTF MEA實(shí)現(xiàn)與Pt/C MEA類似的極限電流。
實(shí)例 16圖20A和B顯示了相對(duì)于兩種具有NSTF MEA的陽(yáng)極GDL類型的陽(yáng)極壓力的恒電流、恒定流速性能。圖20A表示弗羅伊登伯格(Freudenberg) H2315和圖20B表示具有4%的PTFE的MRC U105。在這個(gè)測(cè)試中，電池的J從O. 02-0. lA/cm2階躍增加至其最大J或2. 0A/cm2 (以較小者為準(zhǔn))，然后J再次降低，并且監(jiān)測(cè)電池電壓。在這個(gè)測(cè)試中，將MEA保持在30C，0/0%的RH，CF800/1800SCCM的H2/空氣，對(duì)數(shù)J步長(zhǎng)為15步長(zhǎng)/十進(jìn)位，30s/步長(zhǎng)；陽(yáng)極/陰極壓カ為x/150kPa。圖20A示出具有弗羅伊登伯格(Freudenberg)H2315⑶L的NSTF MEA的結(jié)果和圖20B示出了具有帶有4%的PTFE的MRC U105⑶L的NSTF MEA。通用MEA構(gòu)造變量為陽(yáng)極催化劑為O. 05PtCoMn/NSTF,陰極催化劑為O. 10PtCoMn/NSTF，PEM為不具有添加劑的20u的3M 850EW,陰極⑶L為2979，以及陰極流場(chǎng)為50cm2四方螺線型。圖20A陽(yáng)極流場(chǎng)為四方螺線型，并且圖20B陽(yáng)極流場(chǎng)為雙螺線型。
隨著陽(yáng)極壓カ從150kPa降低至25kPa，兩種MEA顯示出改善的性能。圖20A上示出的MEA在所有的陽(yáng)極壓力下具有優(yōu)秀的性能。這些結(jié)果符合本發(fā)明，也就是說降低的陽(yáng)極壓カ改善了性能并且陽(yáng)極GDL可以影響低T性能。實(shí)例17圖21A和B比較了壓カ瞬變性能隨陽(yáng)極流速和陽(yáng)極流場(chǎng)的變化。圖21A表示約20kPa的數(shù)據(jù)和圖21B表示IOOkPa的數(shù)據(jù)。壓カ瞬變是評(píng)估MEA被在溢流條件下操作后可以實(shí)現(xiàn)的額定性能的速率的方法。在這個(gè)測(cè)試中，首先將MEA在30C，0/0%的RH，150/150kPa的H2/空氣，800/1800SCCM和O. 7V的固定的電池V下預(yù)處理5分鐘；這個(gè)步驟設(shè)置MEA的初始濕潤(rùn)水平為高度溢流。接下來，將電池電勢(shì)設(shè)置為O. 4V保持約lmin，然后將陽(yáng)極壓力從150kPa減小至20kPa (左)或者IOOkPa (右)。記錄電流隨時(shí)間推移的變化?！拜^好的”壓カ瞬變?yōu)檠杆龠_(dá)到高J的那些壓力瞬變。固定的MEA構(gòu)造變量為陽(yáng)極催化劑為O. 05PtCoMn/NSTF,陰極催化劑為O. 10PtCoMn/NSTF, PEM為不具有添加劑的20u的3M850EW，陽(yáng)極⑶L為具有4%的PTFE的U105,陰極⑶L為2979，以及陰極流場(chǎng)為50cm2四方螺線型。陽(yáng)極流場(chǎng)為四方螺線型、雙螺線型或單通道鋸齒形陽(yáng)極流場(chǎng)。據(jù)觀察，通常當(dāng)陽(yáng)極壓力降低至20kPa時(shí)與降低至IOOkPa相比觀察到較大的J增カロ，而無論流場(chǎng)的類型，這與本發(fā)明的ー個(gè)方面即以減小的陽(yáng)極壓力(包括低于大氣壓的陽(yáng)極壓力)實(shí)現(xiàn)改善的冷卻和潤(rùn)濕性能相符合。這個(gè)結(jié)果還表明，在相對(duì)低的陽(yáng)極壓力下對(duì)陽(yáng)極流場(chǎng)的敏感性增強(qiáng)。實(shí)例 18圖22A和B比較了壓カ瞬變性能隨陽(yáng)極流速和陽(yáng)極流場(chǎng)的變化。圖22A表示800SCCM的H2的數(shù)據(jù)和圖22B表示2000SCCM的H2的數(shù)據(jù)。壓カ瞬變是評(píng)估MEA被在溢流條件下操作后可以實(shí)現(xiàn)額定性能的速率的方法。在這個(gè)測(cè)試中，首先將MEA在30C，0/0%的RH, 150/150kPa的H2/空氣，800/1800SCCM和O. 7V的固定的電池V下預(yù)處理5分鐘；這個(gè)步驟設(shè)置MEA的初始濕潤(rùn)水平為高度溢流。接下來，將電池電勢(shì)設(shè)置為O. 4V保持約lmin，然后將陽(yáng)極壓力減小至20-30kPa并且陽(yáng)極流速保持在800SCCM (左)或者增加至2000SCCM(右)。記錄電流隨時(shí)間推移的變化?！拜^好的”壓カ瞬變?yōu)檠杆龠_(dá)到高J的那些壓力瞬變。
固定的MEA構(gòu)造變量為陽(yáng)極催化劑為O. 05PtCoMn/NSTF,陰極催化劑為O. 10PtCoMn/NSTF, PEM為不具有添加劑的20u的3M850EW，陽(yáng)極⑶L為具有4%的PTFE的U105,陰極⑶L為2979，以及陰極流場(chǎng)為50cm2四方螺線型。陽(yáng)極流場(chǎng)為四方螺線型、雙螺線型或單通道鋸齒形陽(yáng)極流場(chǎng)。若干效果是明顯的。在所有情況下，將陽(yáng)極壓カ從150kPa降低至20_30kPa，導(dǎo)致電流密度的顯著和相對(duì)迅速的増加。第二，陽(yáng)極流速具有顯著效果，也就是說較高的陽(yáng)極流速導(dǎo)致較高的性能。第三，流場(chǎng)類型對(duì)電流増加的速率和獲得的最大電流密度具有強(qiáng)效影響，并且這種依賴還取決于陽(yáng)極流速。例如，在800SCCM (左側(cè)圖片)，四方螺線型電池具有最慢獲得的和最低的最大J，并且雙螺線型和鋸齒形流場(chǎng)兩者具有超過四方流場(chǎng)的大致等量的改善。在2000SCCM，依賴的不同之處在于以四方螺線型獲得最好的壓カ瞬變性能，接著是雙螺線型然后是鋸齒形流場(chǎng)。實(shí)例 19圖23A和B顯示了在t=20s時(shí)相對(duì)于陽(yáng)極反應(yīng)物流速和陽(yáng)極流場(chǎng)的壓力瞬變性 能。圖23A表示800SCCM的H2數(shù)據(jù)和圖23B表示2000SCCM的H2數(shù)據(jù)。在流場(chǎng)之間的一個(gè)顯著的差異為隨著流場(chǎng)通道數(shù)量的降低，壓降顯著地増加。正如所預(yù)期，壓降還隨著陽(yáng)極流速增加而增加。圖23A和B示出了來自圖10的結(jié)果的匯總，其中將t=20s的電流密度提取出來并隨平均(入口至出口)陽(yáng)極壓力的變化進(jìn)行繪圖。從這個(gè)數(shù)據(jù)，人們可以評(píng)估在流場(chǎng)之間的大多數(shù)性能差異可以通過壓降的差異和所得平均陽(yáng)極壓力的差異來解釋。唯一的矛盾看起來是在800SCCM，在25-40kPa的平均陽(yáng)極壓力下，其中鋸齒形是最高的，雙螺線型是中等的，而四方螺線型是最低的；原因是未知的。實(shí)例 20圖24A-F對(duì)于了不同的電池溫度和陰極壓カ比較了 O. 4V的電流密度輸出隨陽(yáng)極壓カ的變化。固定操作條件為800/1800SCCM的H2/空氣干燥反應(yīng)物流速。陽(yáng)極壓力的范圍為從比陰極壓カ高50kPa到低至25-100kPa。固定的MEA構(gòu)造變量為陽(yáng)極催化劑為O. 05PtCoMn/NSTF,陰極催化劑為 O. 10PtCoMn/NSTF，PEM 為不具有添加劑的 20u 的 3M850EW，陽(yáng)極⑶L為弗羅伊登伯格(Freudenberg) H2315，陰極⑶L為2979，以及陽(yáng)極和陰極流場(chǎng)為50cm2四方螺線型。對(duì)于所有情況，隨著陽(yáng)極壓カ從最大值降低而觀察到ー些性能改善。以減小的壓力來實(shí)現(xiàn)顯著的性能改善所需的壓力隨電池溫度降低而降低；例如，在30C改善的性能最早在約IOOkPa開始發(fā)生，在20C改善的性能最早在50kPa開始發(fā)生，在IOC改善的性能最早在25kPa開始發(fā)生。這個(gè)結(jié)果表明，隨著T降低，可能需要顯著較低的陽(yáng)極壓力以實(shí)現(xiàn)高電流密度，可能低于以我們的設(shè)備可實(shí)現(xiàn)的25kPa的最小P。在不偏離本發(fā)明范圍和原理的前提下，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改和更改，這對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言將是顯而易見的，并且應(yīng)當(dāng)理解，不應(yīng)將本發(fā)明不當(dāng)?shù)叵拗朴谏衔氖境龅氖纠詫?shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種操作燃料電池的方法，所述燃料電池包括具有在陽(yáng)極壓力下被供給有氣態(tài)陽(yáng)極反應(yīng)物的陽(yáng)極和在陰極壓力下被供給有氣態(tài)陰極反應(yīng)物的陰極的膜電極組件，其中所述陽(yáng)極壓力比所述陰極壓力小至少lOkPa。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述陽(yáng)極壓力比所述陰極壓力小至少20kPa。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述陽(yáng)極壓力比所述陰極壓力小至少40kPa。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述陽(yáng)極壓力比所述陰極壓力小至少50kPa。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述陽(yáng)極壓力比所述陰極壓力小至少80kPa。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述陽(yáng)極壓力比所述陰極壓力小至少lOOkPa。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述陽(yáng)極壓力比所述陰極壓力小至少120kPa。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述陽(yáng)極壓力比所述陰極壓力小至少150kPa。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述陽(yáng)極壓力比所述陰極壓力小至少200kPa。
10.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中保持陽(yáng)極壓力和陰極壓力之間的差值連續(xù)使用至少10分鐘。
11.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述陽(yáng)極壓力低于最大壓力，所述最大壓力為90kPa或更小。
12.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述最大壓力為SOkPa或更小。
13.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述最大壓力為60kPa或更小。
14.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述最大壓力為50kPa或更小。
15.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述最大壓力為25kPa或更小。
16.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述陽(yáng)極壓力為至少lOkPa。
17.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述陽(yáng)極壓力為至少15kPa。
18.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述陽(yáng)極壓力為至少20kPa。
19.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中保持所述陽(yáng)極壓力低于所述最大壓力連續(xù)使用至少10分鐘。
20.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中保持所述陽(yáng)極壓力低于所述最大壓力連續(xù)使用〈I分鐘。
21.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述燃料電池包括具有納米結(jié)構(gòu)化薄膜陰極催化劑的膜電極組件。
22.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述燃料電池包括具有陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層和陰極氣體擴(kuò)散層的膜電極組件，其中所述陽(yáng)極GDL的微孔層比所述陰極GDL的微孔層更薄。
23.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述燃料電池包括具有<90kPa的反應(yīng)物壓降的陽(yáng)極流場(chǎng)，其中所述陽(yáng)極壓力保持低于所述最大壓力。
24.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述燃料電池包括具有<50kPa的反應(yīng)物壓降的陽(yáng)極流場(chǎng)，其中所述陽(yáng)極壓力保持低于所述最大壓力。
25.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述燃料電池包括具有<25kPa的反應(yīng)物壓降的陽(yáng)極流場(chǎng)，其中所述陽(yáng)極壓力保持低于所述最大壓力。
26.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述燃料電池包括具有〈lOkPa的反應(yīng)物壓降的陽(yáng)極流場(chǎng)，其中所述陽(yáng)極壓力保持低于所述最大壓力。
27.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述燃料電池系統(tǒng)包括能夠保持陽(yáng)極反應(yīng)物壓力小于大氣壓的陽(yáng)極反應(yīng)物再循環(huán)系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種通過保持相對(duì)于陰極壓力、相對(duì)于大氣壓，或相對(duì)于兩者的減小的陽(yáng)極壓力以改善的水管理的操作燃料電池的方法。通常，所述燃料電池包括含有納米結(jié)構(gòu)化薄膜陰極催化劑的膜電極組件。
文檔編號(hào)H01M8/02GK102859769SQ201180021093
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2011年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月26日
發(fā)明者安德魯·J·L·斯坦巴克, 馬克·K·德貝, 安德魯·T·豪格 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司