[發明專利]操作燃料電池堆的方法

有效

• 申請號: 200680040743.5
• 申請日: 2006-10-31
• 公開（公告）號: CN101300703A
• 公開（公告）日: 2008-11-05
• 發明（設計）人: M·K·布丁斯基;C·S·吉特爾曼;C·L·路易斯;D·P·米勒;賴業宏
• 申請（專利權）人: 通用汽車公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04;H01M2/34;H01M8/02;H01M2/32;H01M4/86
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 溫大鵬;楊松齡

相關申請交叉引用

本申請要求2005年10月31日提交的美國臨時申請第60/731,804號的權益。

技術領域

本發明涉及一種方法，更具體地，涉及操作燃料電池堆的方法。

背景技術

可能成功地將燃料電池商業化地用于車輛應用的關鍵挑戰之一是開發出能符合工業耐用性目標的膜電極組件(MEA)。聚合物電解質膜(PEM)是一些對于汽車應用最有前途的膜。這些膜用作從燃料電池的陽極到陰極傳導質子，同時阻止反應氣體氫和氧的滲透(crossover)。就目前技術發展水平而言，用于大功率密度工作的PEM燃料電池使用的是可約為25微米厚或更薄的全氟磺酸(PFSA)膜。為了在汽車應用上獲得成功，這些膜必須能經受十年的車輛運行或5500小時包括瞬變狀態和啟停及凍融循環的操作。與過去所使用的較厚膜(100-200μm)相比，對這些薄膜的化學和機械穩定性的要求更重要。即使少量的這些氣體被允許通過膜中的微細小孔滲透穿過該膜，燃料電池將不能有效地工作。最后，由于這些小孔在聚合物膜之內的出現和擴散，導致燃料電池失效。

發明內容

操作燃料電池堆以阻止燃料電池膜由于濕膨脹漸變(hygroexpansive?ratcheting)而發生機械失效的方法，包括：

提供多個燃料電池，每個燃料電池都包括膜和陽極催化劑層及陰極催化劑層；

將膜和電極插入到雙極板之間，每個雙極板具有包括反應流區域的面，該反應流區域至少部分地由多個槽脊和槽道限定；

加濕燃料電池堆；

使燃料電池堆中的濕度進行從低于100％相對濕度的條件到100％相對濕度的條件或發生水冷凝的條件的循環，并且其中滿足下述條件(a-h)中的至少兩個：

(a)其中，濕度循環包括以低于0.2λ/sec的速率干燥燃料電池堆；

(b)膜包括擠壓膜；

(c)在濕度循環期間，膜的平面膨脹率等于或小于25％；

(d)濕度循環的幅度小于50％相對濕度；

(e)其中，陽極催化劑層和陰極催化劑層的每一個都基本無裂縫；

(f)以低于700mV的電動勢來操作燃料電池堆；

(g)其中，在每個槽道之上的氣體擴散介質和MEA之間的最小壓縮壓力為至少0.2MPa；或

(h)其中，導電限制層被置于陽極催化劑層或陰極催化劑層至少之一的下方或上方，以限制膜的平面膨脹，阻止膜在形成于陽極催化劑層和陰極催化劑層之一中的裂縫內箍縮，或抑制初裂在電極催化劑層之一中擴散。

本發明的另一個實施例包括一種產品，該產品包括：

聚合電解質膜和位于膜相對面上的陽極催化劑層及陰極催化劑層；

置于陽極催化劑層或陰極催化劑層至少之一的下方或上方的導電限制層，以限制膜的平面膨脹，阻止膜在形成于陽極催化劑層和陰極催化劑層之一中的裂縫內箍縮，或抑制初裂在電極催化劑層之一中擴散。

通過下面提供的詳細描述，本發明的其它實施例將變得清楚。應當理解這些詳細描述和特定例子盡管指出了本發明的優選實施例，但其僅僅出于解釋說明的目的，無意于限定本發明的范圍。

附圖說明

通過詳細描述和附圖將更全面地理解本發明的示例性實施例，對附圖的簡要說明如下：

圖1示出了開發本發明實施例的過程中發現的濕膨脹漸變中的一個步驟。

圖2示出了開發本發明實施例的過程中發現的濕膨脹漸變中的一個步驟。

圖3示出了開發本發明實施例的過程中發現的濕膨脹漸變中的一個步驟。

圖4示出了開發本發明實施例的過程中發現的濕膨脹漸變中的一個步驟。

圖5示出了開發本發明實施例的過程中發現的濕膨脹漸變中的一個步驟。

圖6是滲透泄漏(crossover?leak)的圖示，其中滲透泄漏作為多個膜的惰性RH循環期間的濕度循環數目的函數。

圖7是多個膜的撕裂測試結果的圖示。

圖8是在多個膜上執行的尺寸穩定性測試結果的圖示。

圖9是滲透泄漏的圖示，其中滲透泄漏是膜的濕度循環數目的函數。

圖10是滲透泄漏測試結果的圖解，其中滲透泄漏是PTFE膜、烴膜和部分氟化烴膜的惰性RH循環期間的濕度循環數目的函數。

圖11示出了根據本發明一個實施例的燃料電池。

圖12示出了根據本發明一個實施例的燃料電池。

圖13是示意圖示出了各種膜在穩定狀態和RH循環操作期間釋放的氟化物數量。

圖14示出了根據本發明一個實施例的燃料電池的一部分。