通過減小的陽極反應物壓力進行的燃料電池水管理制造技術

本發明專利技術提供了一種通過保持相對于陰極壓力、相對于大氣壓，或相對于兩者的減小的陽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構化薄膜陰極催化劑的膜電極組件。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】通過減小的陽極反應物壓力進行的燃料電池水管理依據DOE頒布的合作協議DE-FG36-07GO17007，在政府支持下做出本專利技術。政府擁有本專利技術的某些權利。
本專利技術涉及一種在減小的陽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。
技術介紹
美國專利No.5,879,827（其公開內容以引用的方式并入本文）公開了納米結構化元件，該元件包含負載針狀納米級催化劑粒子的針狀微結構化載體晶須。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、合金程度或結晶程度方面不同。美國專利No.6,482,763（其公開內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鉑層和含第二金屬的低價氧化物層，所述低價氧化物表現出CO氧化的較早發生。美國專利No.5,338,430、No.5,879,828、No.6,040,077和No.6,319,293（其公開內容以引用的方式并入本文）也涉及納米結構化薄膜催化劑。美國專利No.4,812,352、No.5,039,561、No.5,176,786和No.5,336,558（其公開內容以引用的方式并入本文）涉及微結構。美國專利No.7,419,741（其公開內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構：將交替的鉑層和第二層沉積于微結構載體上，這可形成一種三元催化劑。美國專利No.7,622,217（其公開內容以引用的方式并入本文）公開了燃料電池陰極催化劑，該催化劑包含負載納米級催化劑粒子的微結構化載體晶須，該納米級催化劑粒子以指定體積比和Mn含量包含鉑和錳以及至少一種其他金屬，其中其他金屬通常為Ni或Co。
技術實現思路
簡而言之，本專利技術提供了一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極壓力下被供給有氣態陽極反應物的陽極和在陰極壓力下被供給有氣態陰極反應物的陰極，其中陽極壓力比陰極壓力小至少10kPa，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100kPa，在一些情況下小至少120kPa，在一些情況下小至少200kPa。通常，在連續使用期間保持陽極壓力和陰極壓力之間的差值。在某些實施例中，保持陽極壓力和陰極壓力之間的差值小于一分鐘。在其他實施例中，通常保持陽極壓力和陰極壓力之間的差值連續使用至少1分鐘，更通常至少10分鐘，并且更通常至少20分鐘。在一些實施例中，陽極壓力小于最大壓力，所述最大壓為90kPa或更小，在一些實施例中為80kPa或更小，在一些實施例中為60kPa或更小，在一些實施例中為50kPa或更小，在一些實施例中為25kPa或更小。通常，在連續使用期間保持陽極壓力低于最大壓力。通常保持陽極壓力低于最大壓力連續服務至少1分鐘，更通常至少10分鐘，并且更通常至少20分鐘。然而，對于一些實施例而言，保持陽極壓力低于最大壓力小于1分鐘。通常，陽極壓力為至少10kPa，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構化薄膜陰極催化劑。在本專利申請中：“膜電極組件”是指包括膜的結構，其包括電解質（通常為聚合物電解質）和至少一個（但更通常的是兩個或兩個以上）鄰接膜的電極；“納米結構化元件”是指針狀、離散的微觀結構，該結構包括位于其表面至少一部分上的催化材料；“納米級催化劑粒子”是指催化劑材料的粒子，所述粒子具有至少一個面等于或小于約15nm，或具有約15nm或更小的微晶尺寸，所述尺寸由標準2-θX射線衍射掃描的衍射峰半寬度來測量；“納米級催化劑粒子的薄膜”包括離散的納米級催化劑粒子的膜、熔融的納米級催化劑粒子的膜，和為結晶或無定形的納米級催化劑顆粒的膜；通常為離散的或熔融的納米級催化劑粒子的膜，并且最通常為離散的納米級催化劑粒子的膜；“針狀”是指長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”是指具有至少一個面等于或小于約一微米；“平面等效厚度”是指，對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），假設該層的總質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。本專利技術的優點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構化薄膜催化劑的那些燃料電池。附圖說明圖1為在低于大氣壓下向燃料電池陽極提供燃料氣體的設備的示意性圖示，在多個實例中有所描述。圖2為在低于大氣壓下向燃料電池陽極提供燃料氣體的設備的示意性圖示，在多個實例中有所描述。圖3為所操作的燃料電池電流密度相對于時間的曲線圖，如在多個實例中所述。圖4為在指示的陽極壓力下操作的電池的電流密度相對于電池溫度的曲線圖，如在多個實例中所述。圖5為在指示的陽極壓力下操作的電池的電池電壓相對于時間的曲線圖，如在多個實例中所述。圖6A和B分別為示出了在測試期間的電流密度和電池溫度相對于時間的曲線圖，如在多個實例中所述。圖7為所操作的燃料電池的電流密度相對于時間的曲線圖，如在多個實例中所述。圖8為所操作的三種不同的燃料電池的電流密度相對于陽極壓力的曲線圖，如在多個實例中所述。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于陽極壓力的曲線圖，如在多個實例中所述。圖10為在指示陽極壓力下操作的電池的電池電壓相對于時間的曲線圖，如在多個實例中所述。圖11A和B為所操作的燃料電池的電流密度相對于陽極壓力的曲線圖，如在多個實例中所述。圖12A和B為所操作的燃料電池的電流密度相對于陽極壓力的曲線圖，如在多個實例中所述。圖13A和B為所操作的燃料電池的電流密度相對于陽極壓力的曲線圖，如在多個實例中所述。圖14A和B為所操作的燃料電池的電流密度相對于陽極流速的曲線圖，如在多個實例中所述。圖15A和B為在指示陽極壓力下操作的燃料電池的電流密度相對于時間的曲線圖，如在多個實例中所述。圖16A和B為在指示陽極壓力下操作的電池的電池電壓相對于時間的曲線圖，如在多個實例中所述。圖17A、B、C和D分別為所操作的燃料電池的陽極流出物水速率、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于陽極壓力的曲線圖，如在多個實例中所述。圖18為在指示陽極壓力下操作的電池的電池電壓相對于電流密度的曲線圖，如在多個實例中所述。圖19A和B為在指示陽極壓力下操作的電池的電池電壓相對于電流密度的曲線圖，如在多個實例中所述。圖20A和B為在指示陽極壓力下操作的電池的電池電壓相對于電流密度的曲線圖，如在多個實例中所述。圖21A和B為使用指示流場操作的燃料電池的電流密度相對于時間的曲線圖，如在多個實例中所述。圖22A和B為使用指示流場操作的燃料電池的電流密度相對于時間的曲線圖，如在多個實例中所述。圖23A和B為使用指示流場本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2010.04.26 US 61/328,0581.一種從燃料電池產生電力的方法，所述燃料電池包括具有在陽極壓力下被供給有氣態陽極反應物的陽極和在陰極壓力下被供給有氣態陰極反應物的陰極的膜電極組件，其中所述陽極壓力低于大氣壓，并且所述陽極壓力低于最大壓力，所述最大壓力為50kPa或更小，并且保持所述陽極壓力連續使用至少1分鐘。2.根據權利要求1所述的方法，其中所述陽極壓力比所述陰極壓力小至少20kPa。3.根據權利要求1所述的方法，其中所述陽極壓力比所述陰極壓力小至少80kPa。4.根據權利要求1所述的方法，其中所述陽極壓力比所述陰極壓力小至少100kPa。5.根據權利要求2所述的方法，其中保持陽極壓力和陰極壓力之間的差值連續使用至少10分鐘。6.根據權利要求1所述的方法，其中所述燃料電池包括具有＜90kPa的反應物壓降的陽極流場，其中所述陽極壓力保持低于所述最大壓力。7.根據權利要求1所述的方法，其中所述燃料電池包括具有＜50kPa的反應物壓降的陽極流場，其中所述陽極壓力保持低于所述最大壓力。8.根據權利要求1所述的方法，其中所述燃...

【專利技術屬性】
技術研發人員：安德魯·J·L·斯坦巴克，馬克·K·德貝，安德魯·T·豪格，
申請(專利權)人：三M創新有限公司，
類型：
國別省市：