通过减小的阳极反应物压力进行的燃料电池水管理制造技术

本发明专利技术提供了一种通过保持相对于阴极压力、相对于大气压，或相对于两者的减小的阳极压力以改善的水管理的操作燃料电池的方法。通常，所述燃料电池包括含有纳米结构化薄膜阴极催化剂的膜电极组件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过减小的阳极反应物压力进行的燃料电池水管理依据DOE颁布的合作协议DE-FG36-07GO17007，在政府支持下做出本专利技术。政府拥有本专利技术的某些权利。
本专利技术涉及一种在减小的阳极操作燃料电池的方法，该方法在某些情况下显示出改善的功率输出。
技术介绍
美国专利No.5,879,827（其公开内容以引用的方式并入本文）公开了纳米结构化元件，该元件包含负载针状纳米级催化剂粒子的针状微结构化载体晶须。所述催化剂粒子可包含不同催化剂材料的交替层，该不同催化剂材料可在组成、合金程度或结晶程度方面不同。美国专利No.6,482,763（其公开内容以引用的方式并入本文）公开了燃料电池电极催化剂，该催化剂包含交替的含铂层和含第二金属的低价氧化物层，所述低价氧化物表现出CO氧化的较早发生。美国专利No.5,338,430、No.5,879,828、No.6,040,077和No.6,319,293（其公开内容以引用的方式并入本文）也涉及纳米结构化薄膜催化剂。美国专利No.4,812,352、No.5,039,561、No.5,176,786和No.5,336,558（其公开内容以引用的方式并入本文）涉及微结构。美国专利No.7,419,741（其公开内容以引用的方式并入本文）公开了燃料电池阴极催化剂，该催化剂包含通过如下方式形成的纳米结构：将交替的铂层和第二层沉积于微结构载体上，这可形成一种三元催化剂。美国专利No.7,622,217（其公开内容以引用的方式并入本文）公开了燃料电池阴极催化剂，该催化剂包含负载纳米级催化剂粒子的微结构化载体晶须，该纳米级催化剂粒子以指定体积比和Mn含量包含铂和锰以及至少一种其他金属，其中其他金属通常为Ni或Co。
技术实现思路
简而言之，本专利技术提供了一种操作包括膜电极组件的燃料电池的方法，该膜电极组件具有在阳极压力下被供给有气态阳极反应物的阳极和在阴极压力下被供给有气态阴极反应物的阴极，其中阳极压力比阴极压力小至少10kPa，在一些情况下小至少20kPa，在一些情况下小至少40kPa，在一些情况下小至少50kPa，在一些情况下小至少80kPa，在一些情况下小至少100kPa，在一些情况下小至少120kPa，在一些情况下小至少200kPa。通常，在连续使用期间保持阳极压力和阴极压力之间的差值。在某些实施例中，保持阳极压力和阴极压力之间的差值小于一分钟。在其他实施例中，通常保持阳极压力和阴极压力之间的差值连续使用至少1分钟，更通常至少10分钟，并且更通常至少20分钟。在一些实施例中，阳极压力小于最大压力，所述最大压为90kPa或更小，在一些实施例中为80kPa或更小，在一些实施例中为60kPa或更小，在一些实施例中为50kPa或更小，在一些实施例中为25kPa或更小。通常，在连续使用期间保持阳极压力低于最大压力。通常保持阳极压力低于最大压力连续服务至少1分钟，更通常至少10分钟，并且更通常至少20分钟。然而，对于一些实施例而言，保持阳极压力低于最大压力小于1分钟。通常，阳极压力为至少10kPa，更通常至少15kPa，并且更通常至少20kPa。通常，燃料电池包括膜电极组件，所述膜电极组件包括纳米结构化薄膜阴极催化剂。在本专利申请中：“膜电极组件”是指包括膜的结构，其包括电解质（通常为聚合物电解质）和至少一个（但更通常的是两个或两个以上）邻接膜的电极；“纳米结构化元件”是指针状、离散的微观结构，该结构包括位于其表面至少一部分上的催化材料；“纳米级催化剂粒子”是指催化剂材料的粒子，所述粒子具有至少一个面等于或小于约15nm，或具有约15nm或更小的微晶尺寸，所述尺寸由标准2-θX射线衍射扫描的衍射峰半宽度来测量；“纳米级催化剂粒子的薄膜”包括离散的纳米级催化剂粒子的膜、熔融的纳米级催化剂粒子的膜，和为结晶或无定形的纳米级催化剂颗粒的膜；通常为离散的或熔融的纳米级催化剂粒子的膜，并且最通常为离散的纳米级催化剂粒子的膜；“针状”是指长度与平均横截面宽度的比大于或等于3；“离散的”是指具有独立身份的分开的元件，但并不排除元件之间相互接触；“微观”是指具有至少一个面等于或小于约一微米；“平面等效厚度”是指，对于分布在表面上的层，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层，或在真空沉积过程中分布的原子层），假设该层的总质量均匀地分布在覆盖与该表面的投影面积相同的面积（注意，一旦忽视不平坦形貌和褶积，该表面覆盖的投影面积小于或等于该表面的总表面积）的平面上而计算出的厚度；“双层平面等效厚度”是指第一层（如本文所述）和接下来存在的第二层（如本文所述）的总平面等效厚度。本专利技术的优点是提供了一种用于燃料电池的改善的操作的方法，具体地讲是包括纳米结构化薄膜催化剂的那些燃料电池。附图说明图1为在低于大气压下向燃料电池阳极提供燃料气体的设备的示意性图示，在多个实例中有所描述。图2为在低于大气压下向燃料电池阳极提供燃料气体的设备的示意性图示，在多个实例中有所描述。图3为所操作的燃料电池电流密度相对于时间的曲线图，如在多个实例中所述。图4为在指示的阳极压力下操作的电池的电流密度相对于电池温度的曲线图，如在多个实例中所述。图5为在指示的阳极压力下操作的电池的电池电压相对于时间的曲线图，如在多个实例中所述。图6A和B分别为示出了在测试期间的电流密度和电池温度相对于时间的曲线图，如在多个实例中所述。图7为所操作的燃料电池的电流密度相对于时间的曲线图，如在多个实例中所述。图8为所操作的三种不同的燃料电池的电流密度相对于阳极压力的曲线图，如在多个实例中所述。图9A和B分别为示出了所操作的三种不同的燃料电池的电池电压和阴极水流出物速率相对于阳极压力的曲线图，如在多个实例中所述。图10为在指示阳极压力下操作的电池的电池电压相对于时间的曲线图，如在多个实例中所述。图11A和B为所操作的燃料电池的电流密度相对于阳极压力的曲线图，如在多个实例中所述。图12A和B为所操作的燃料电池的电流密度相对于阳极压力的曲线图，如在多个实例中所述。图13A和B为所操作的燃料电池的电流密度相对于阳极压力的曲线图，如在多个实例中所述。图14A和B为所操作的燃料电池的电流密度相对于阳极流速的曲线图，如在多个实例中所述。图15A和B为在指示阳极压力下操作的燃料电池的电流密度相对于时间的曲线图，如在多个实例中所述。图16A和B为在指示阳极压力下操作的电池的电池电压相对于时间的曲线图，如在多个实例中所述。图17A、B、C和D分别为所操作的燃料电池的阳极流出物水速率、阴极流出物水速率、水收集效率百分比和电池电压电流密度相对于阳极压力的曲线图，如在多个实例中所述。图18为在指示阳极压力下操作的电池的电池电压相对于电流密度的曲线图，如在多个实例中所述。图19A和B为在指示阳极压力下操作的电池的电池电压相对于电流密度的曲线图，如在多个实例中所述。图20A和B为在指示阳极压力下操作的电池的电池电压相对于电流密度的曲线图，如在多个实例中所述。图21A和B为使用指示流场操作的燃料电池的电流密度相对于时间的曲线图，如在多个实例中所述。图22A和B为使用指示流场操作的燃料电池的电流密度相对于时间的曲线图，如在多个实例中所述。图23A和B为使用指示流场本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.04.26 US 61/328,0581.一种从燃料电池产生电力的方法，所述燃料电池包括具有在阳极压力下被供给有气态阳极反应物的阳极和在阴极压力下被供给有气态阴极反应物的阴极的膜电极组件，其中所述阳极压力低于大气压，并且所述阳极压力低于最大压力，所述最大压力为50kPa或更小，并且保持所述阳极压力连续使用至少1分钟。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述阳极压力比所述阴极压力小至少20kPa。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述阳极压力比所述阴极压力小至少80kPa。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述阳极压力比所述阴极压力小至少100kPa。5.根据权利要求2所述的方法，其中保持阳极压力和阴极压力之间的差值连续使用至少10分钟。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述燃料电池包括具有＜90kPa的反应物压降的阳极流场，其中所述阳极压力保持低于所述最大压力。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述燃料电池包括具有＜50kPa的反应物压降的阳极流场，其中所述阳极压力保持低于所述最大压力。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述燃...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德鲁·J·L·斯坦巴克，马克·K·德贝，安德鲁·T·豪格，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：
国别省市：