CN1409879A - 具有交指型液流通路和水输送板的燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池发电装置(10)，它包括燃料电池(12)，其具有膜电极装置(16)，设置在阳极支撑板(17)阴极支撑板(19)之间，和与阳极和阴极相邻的多孔水输送板(84’、86’)。该多孔水输送板具有交指型液流通路用于反应气体(110)从其中流过，和常规液流通路用于冷却剂物流(98)从其中流过。该燃料电池发电装置还具有用来在反应气体物流和冷却剂物流间形成压差的装置，使反应气体物流的压力大于冷却剂物流的压力。将交指型液流通路引入多孔水输送板中，并在压差中运转燃料电池，使冷却剂水饱和水输送板，从而迫使反应气体进入到阳极和阴极支撑板中。它反过来会提高这类气体进入支撑板中的传质，从而提高燃料电池的电生产能力。在空气化学计量不超过2.50时，可获得约1.6安培/平方米的电流密度。

Description

具有交指型液流通路和水输送板的燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池发电装置，更具体地说，是涉及利用一种其中具有交指型液流通路的水输送板从而为所述燃料电池供应反应气的燃料电池发电装置。
背景技术
燃料电池发电装置是固定和移动两种应用的电化学选择性电源。作为这类发电装置核心的燃料电池，它由阳极、阴极和隔离阳极与阴极的电解液所组成。阳极是表示负电极，而阴极是表示正电极。在燃料电池的运转过程中，燃料反应气(它典型地为富氢气流)进入与阳极相邻的支撑板中。这类支撑板，下文称之为阳极支撑板。而氧化反应气(它通常为空气)进入与阴极相邻的支撑板中。这类支撑板在下文中称之为阴极支撑板。当所述富氢气流流过所述阳极支撑板时，放置在阳极支撑板与电解液之间的催化剂，将使所述氢发生氧化，从而形成氢离子和电子。在当氢离子经过电解液迁移到阴极时，电子经过一个外部电路迁移到阴极上。另一种在电解液阴极一侧的催化剂，使氧与在阳极释放出来的氢离子和电子进行反应，从而形成水。这些在催化剂和电解液附近进行的反应，将会在燃料电池中形成电位。电子流过与燃料电池相连接的外部电路，将会产生有用功，如为汽车的发动机提供动力。
存在有各种不同类型的燃料电池，它们根据其电解液而变化。电解液是存在于阳极和阴极之间的的离子化导电物质。一种类型的燃料，它包括一种固体聚合物电解液或也称作质子交换膜(PEM)。结合有一种固体聚合物电解液(质子交换膜)的燃料电池，下文称之为PEM燃料电池。在PEM燃料电池中的催化剂层，典型地是附着在所述膜的两侧，从而形成膜电极装置(MEA)。如上所述，当氢离子流过所述MEA时，在氢离子、电子和氧化反应气之间的电化学反应，会在阴极中形成水。这种水通常称之为“产物水”。另外，水也可能聚集在阴极中，这是由于水分子运动迟缓，它在燃料电池运转过程中与氢离子一起流过MEA。这类水通常称之为“质子迟缓水”。从阳极到阴极的质子迟缓会导致在PEM阳极一侧比其阴极一侧具有较低的水含量。在阳极和阴极两侧水含量的差值，将会产生渗透压力，它促进水流从PEM的阴极一侧向阳极一侧流动。不过，如果PEM(即电解液)不能对水保持高度饱和，则PEM阻力会增大，由燃料电池得到的有用功降低。另外，如果产物水和迟缓水聚集在阴极中，则聚集的水可能会阻止并抑制氧与氢离子和电子反应。在阴极中水的聚集这样就会降低在燃料中形成的电位，从而限制了燃料电池的性能。而且，如果阴极水含量不能降低，则阴极将会被淹没，燃料电池将会最终停止发电并关闭。
为了帮助氧化反应气到达MEA上的催化剂，阴极支撑板通常包括一个扩散层和一个基质层。扩散层和基质层通常由多孔的疏水性碳层所构成。疏水性是表示对水是不相容的，因而通常也称之为抗湿的。不过，采用亲水性基质替代疏水性基质也是公知的。亲水性表示能够吸收水，因而通常称之为可湿的。例如，US5641586公开了一种阴极支撑板，它包括一个亲水性基质层和一个疏水性扩散层。US5641586的目的包括提供一种多孔支撑板，在当氧化气体流过这类支撑板时，它可降低氧化气体的压力降，使这类支撑板中水的聚集最小化，并使氧化反应气最大可能地接近所述催化剂。尽管亲水性基质可能会降低氧化反应气流过阴极的压力降，但是，亲水性基质由于其固有的性能，它会较疏水性基质吸收更多的水。因此，除非这些水能够适当地从阴极支撑板中移走，否则，亲水性基质将会吸收这些水，这反过来将会最终淹没阴极支撑板。淹没阴极支撑板从而就否定了US5641586的一个发明目的：即，使水聚集最小化的目的。
淹没阴极支撑板还将会抑制氧化反应气到达催化剂。US5641586公开了一种在较高压力下运转的电池，在这类电池中的产物水通常是经由氧化反应气废气物流作为水蒸气和携带的液态水的混合物流出所述电池的。携带液态水沿着反应物液流通路，从电池内部移动到氧化反应气废气物流中。这种设计很好地适合于采用疏水性基质和固体反应物支撑板的电池结构。不过，US5641586公开了一种采用亲水性基质的电池，它将会吸收液态水并淹没所述基质，从而阻止氧传送到阴极催化剂上。
US5641586还公开了一种与亲水性基质一侧相邻的扩散层或PEM层，和一种与亲水性基质另一侧相邻的固体流域板。所述固体流域板，它也称作隔板，限定反应气流过的液流通路。由于所述流域板是固态的(即，非多孔性的)，不能渗透气体和液体，所以，所述通路不仅能够为燃料电池提供氧化反应气，而且，还能用作产物水的流出通道。不过，为了促进产物水流过所述通路，所述氧化反应气物流的压力必须是相对很高的(在该专利中为5大气压)，而这是一种不受人欢迎的操作条件。
发明的描述
本发明的目的包括一种燃料电池发电装置，它可有效合适地从阴极移走产物水和质子迟缓水，从而保护最大数量的氧能够从所述反应气物流到达位于MEA的阴极一侧的催化剂上，并与催化剂进行反应。
本发明涉及燃料电池发电装置，它包括一种具有膜电极装置(MEA)的燃料电池，它放置在一个阳极支撑板和一个阴极支撑板之间，其中，所述阳极和/或阴极支撑板包括一个亲水性基质层。所述燃料电池发电装置还包括一路燃料反应气物流(它与所述阳极支撑板的亲水性基质层流体连通)，和一路氧化反应气物流(它与所述阴极支撑板的亲水性基质层流体连通)，和一路冷却水物流(它与所述阳极和阴极支撑板亲水性基质层都是流体连通的)。阳极支撑板中的亲水性基质可促进冷却水迁移到所述MEA阳极一侧，而阴极支撑板中的亲水性基质提高水从所述MEA的阴极一侧流出。在所述阳极和阴极支撑板中的疏水性基质层，具有预定水平的孔隙率(即孔隙数目)和孔隙尺寸。本发明的发明人认识到，不控制所述含有水新水性基质中的孔隙数目，则水将充满100％可利用的孔隙，从而阻止所述反应气体的所有迁移。为此，本发明的发明人认识到，反应气体物流和冷却剂物流的压力，控制着含水或反应气体的孔隙的百分比。本发明利用所述冷却剂物流和反应气体物流的压差，来控制亲水性基质孔隙中所述物流的各自分布。所述压差是确定的，它可使得更大百分比的所述亲水性基质层孔隙含有反应气体而不是水。为此，本发明提供一种用来在所述反应气体物流和所述冷却剂物流间形成压差的装置，使得所述反应气体物流的压力大于所述冷却剂物流的压力。在这种压差下操作所述燃料电池，可保证在所述阴极催化剂层形成的产物和质子迟缓水，迁移流过所述阴极支撑板并从所述MEA流出。控制所述MEA的阳极一侧的冷却剂和燃料反应气体物流，也可保证所述冷却水能连续地从所述冷却剂物流向所述MEA的阳极一侧迁移，从而防止所述膜变成是干燥的。
在所述阴极和阳极支撑板中合适的水平衡，可保证所述PEM能保持潮湿，从而延长所述燃料电池的寿命，并提高其电效率。合适的水移走，也可有利于提高所述燃料电池中氧的利用率。特别地，如果没有合适的水移走，则可利用氧的减少部分到达所述催化剂。提高在所述催化剂可利用氧的数量，可以提高所述燃料电池的性能和/或降低所述燃料电池的整体尺寸，以产生确定的额定功率。尽管US5641586认识到，用一种亲水性基质层替代所述阴极疏水性基质层，能提高电池电压，但是该专利没有论述从所述阴极中移走水的重要性。而且，该专利没有教导控制所述反应气体物流与所述冷却剂物流间的压力，以控制所述亲水性基质的填充孔隙率，以及降低所述催化剂层的水含量。相反，本发明提供一种用来阻止所述阴极支撑板充溢的装置，从而保证最大数量的氧化剂反应气体能到达所述MEA的阴极一侧。因此，本发明不仅能提高一种燃料电池的电功率输出容量，而且，也能提高所述燃料电池的氧利用率，它反过来进一步提高所述燃料电池系统的操作效率。
因而，本发明涉及一种燃料电池发电装置，其含有一种燃料电池，该燃料电池包括一个阳极支撑板和一个阴极支撑板和一个设置在所述阳极和阴极支撑板之间的膜电极装置，其中所述膜电极装置包括一种设置在两个催化剂之间的聚合物电解质膜，且其中所述阳极支撑板和所述阴极支撑板每个都含有一个多孔亲水性基质层。所述燃料电池发电装置还包括与所述阳极和阴极支撑板相邻的多孔水输送板，从而提高所述燃料电池从所述阴极支撑板移走水并传递所述水经过所述阳极支撑板到所述膜的能力。特别地，所述水输送板在一侧具有通道，它们可允许所述冷却剂物流从其流过，在其另一侧具有分隔的通道，它们可允许所述反应气体物流从其流过。由于所述阴极水输送板是多孔的，所以所述孔隙可允许产物水从所述基质层流到并流过所述阴极水输送板，最终流入到所述冷却剂物流中。因此，水是经由所述冷却剂物流而不是反应物通道从所述燃料电池中流出的，如US5641586所述。结果是，所述燃料电池可在较低压力下工作。同样地，在所述阳极水输送板中的孔隙可允许所述水从其冷却通道流到所述阳极支撑板。为了促进水的有效流动，所述燃料电池发电装置还可包括一种装置，其用来在所述反应气体物流和所述冷却剂物流间形成一个预定的压差，使得所述反应气体物流的压力大于所述冷却剂物流的压力。
在本发明的另一个实施方式中，所述水输送板包括交指型通道(即流体通路)，来替代常规的通道使反应气体物流经其流过。交指型通道意味着由一个隔墙(即肋条)分隔开的至少两个不同的通道，使得所述反应气体物流进入一个通道(即进入通道)，并流出另一个通道(即流出通道)。为了使所述反应气体物流能从所述进入通道迁移到所述流出通道，所述反应气体物流流过所述阳极和阴极支撑板，从而提高所述反应气体物流到所述阳极和阴极支撑板的传质。提高到达所述催化剂的反应气体的数量，反过来，可提高所述燃料电池的电生产力。因此，在一种多孔水输送板中采用交指型液流通路替代常规液流通路，可提高所述燃料电池的电生产力，同时能保持一种有效的水处理系统。
在本发明的另一个实施方式中，所述交指型通道包括在所述阳极和/或阴极基质中，而不包括在所述阳极和/或阴极水输送板中。
在本发明另外的实施方式中，所述阳极和/呀阴极魂板可包括一个扩散层。如果是这样的话，则优选地所述扩散层是部分疏水性的，而不是完全疏水性的，这是因为部分疏水性扩散层较完全疏水性扩散层，能够传递更大百分比的液态水，如US5641586中所述。
在本发明的另一个实施方式中，燃料电池具有一个阳极和/或一个阴极支撑板，它包括一个疏水性基质层，但不包括扩散层。去除阳极扩散层或减小其厚度，可提高水从所述水输送板到所述MEA的迁移，从而保证所述PEM合适地潮湿，特别是在高电流密度时，它反过来，可进一步提高所述燃料电池的电效率。去除所述阴极扩散层或减小其厚度，可降低所述氧化剂反应气体在到达所述催化剂之前必须流过的距离，从而提高所述燃料电池的氧利用性能。
按照本发明，一种基本大气的PEM燃料电池，在空气化学计量为2.50(250％)或更低下进行操作时，可获得约每平方厘米为1.6安的最大电流密度。
本发明的前述特征和优点，参照如附图所述的范例性实施方式的详细描述将会变得更加清楚。
附图的简要说明
图1是一种燃料电池发电装置的示意图，它包括一个PEM燃料电池和一个用来控制反应气体物流和冷却剂物流压力的装置。
图2是说明一种疏水性基质层的孔隙尺寸和孔隙率之间相应关系的示意图。
图3是说明基于图2曲线中一个给定孔隙尺寸的液体和气体孔隙的百分比的示意图。
图4是说明一种PEM燃料电池的示意图，它包括疏水性扩散和基质层，位于所述PEM燃料电池的阳极和阴极支撑板中。
图5是说明一种PEM燃料电池的示意图，它包括一个疏水性扩散层和一个亲水性基质层，位于所述PEM燃料电池的阳极和阴极支撑板中。
图6是说明一种PEM燃料电池的示意图，它包括一个疏水性扩散层和一个亲水性基质层，位于所述PEM燃料电池的阴极支撑板中，且仅有一个亲水性基质层，位于所述阳极支撑板中。
图7是说明一种PEM燃料电池的示意图，它仅包括一个亲水性基质，位于所述PEM燃料电池的阳极和阴极支撑板中。
图8是表1所述多种不同燃料电池构造的电流密度相对电池电压的曲线图。
图9是表1所述多种不同燃料电池构造的燃料电池氧利用率相对电池电压的曲线图。
图10是表2所述多种不同燃料电池构造的电流密度相对电池电压的曲线图。
图11是所述燃料电池电压随氧化剂反应气体物流和冷却剂物流间压差的变化曲线图。
图12是取自图4中沿线12-12水输送板的平面图，其中横截面表示多个常规通道。
图13是图4所述PEM燃料电池的一种替代实施方案的示意图，其中，图13所述燃料电池包括具有交指型液流通路的水输送板。
图14是取自图13中沿线14-14水输送板的平面图，其中所述横截面表示位于其中的多个交指型液流通路。
图15是一种PEM燃料电池的示意图，它包括一个疏水性扩散层和一个亲水性基质层，位于所述阳极和阴极支撑板中，其中所述亲水性基质层包括交指型液流通路。
图16是在所述水输送板中存在有多种不同的具有交指型的和常规通道的燃料电池其电流密度相对电池电压的对比曲线图。
图17是在所述水输送板中存在有多种不同的具有交指型的和常规通道的燃料电池其燃料电池氧利用率相对电池电压的对比曲线图。
图18是在所述水输送板中具有交指型通道的燃料电池其燃料电池电压随氧化剂反应气体物流与冷却剂物流间压差的变化曲线图。
图19是多种不同的空气化学计量数值所述电流密度相对电池电压的曲线图。
实施本发明的方式
参见图1，所示为一种PEM燃料电池发电装置10的示意图，它包括一个燃料电池12和一个用来控制燃料反应气体物流22、氧化剂反应气体物流24和冷却剂物流26的压力的装置。PEM燃料电池发电装置10通常包括多个燃料电池，它们串联地电连接，称作为电池组。不过，为了便于解释本发明，所述燃料电池发电装置10仅包括一个燃料电池12，但应该理解所述燃料电池发电装置10通常包括预定数目的燃料电池12。每个燃料电池12包括一个阳极支撑板14，一个阴极支撑板18和一个设置在所述阳极支撑板14和和所述阴极支撑板18间的膜电极组件(MEA)16。所述燃料反应气体物流22向所述阳极支撑板14提供燃料反应气体，如来自一个燃料源(图中未画出)的氢，而所述氧化剂反应气体物流24向所述阴极支撑板18提供氧化剂反应气体。所述氧化剂反应气体可为来自加压氧气瓶的基本纯的氧气，或者所述氧化剂反应气体可为压缩机或鼓风机所加压的空气。当所述反应气体流过所述燃料电池12时，在所述阴极支撑板18中形成产物水。而且，所述燃料反应气体物流22中的水流过所述MEA 16并流入到所述阴极支撑板18中。
水输送板20用来从所述阴极支撑板18中将水移走，并将这些水并入到所述冷却剂物流26(它通常由水组成)。所述水输送板20也可冷却所述燃料电池12。因此，所述水输送板20有时也称作冷却板。由于所述冷却剂物流26、燃料反应气体物流22和氧化剂反应气体物流24相互是流体连通的，所以，在所述PEM燃料电池发电装置10中处理所述水是优选的。水处理系统的实例包括US5503944和US5700595所述的系统，它们都转让给本发明的受让人。这两个专利都是基于保持所述反应气体和所述冷却剂水间的正压差。操作所述燃料电池发电装置10，使得所述氧化剂反应气体物流24的压力大于所述冷却剂物流26的压力，可以保证所述产物水从所述阴极18向所述水输送板20移动，并最终流入到所述冷却剂物流26中。
更为重要的是，如前述目前的申请所述，当一个亲水性基质层包括在所述阳极支撑板14和/或阴极支撑板18中时，需要操作所述燃料电池发电装置10使得所述燃料反应气体物流22、氧化剂反应气体物流24和冷却剂气体物流26之间存在压差，以防止所述阴极支撑板18或阳极支撑板14形成溢流。更具体地说，所述压差可确定液态水或冷却剂与所述亲水性基质中反应气体的优选比值。液体与反应气体的百分比是所述亲水性基质孔隙尺寸和所述反应剂与冷却剂物流间压差的函数。每种亲水性基质具有预定的孔隙尺寸和预定的孔隙率。例如，图2所示为孔径(微米)相对由大于标绘的孔径的孔隙所提供的孔隙率百分比的曲线图。该图表明，对于小于1微米的孔径，所述亲水性基质层大约75％是多孔的。不过，优选地，大于一半可利用的孔隙是为反应气体而不是液体所填充。因此，具有大于标绘直径的孔隙的亲水性基质层的孔隙率，应该大于37.5％。
图2是通过在亲水性基质层进行水银孔率法测量而得到的，如美国Toray所售的等级TGP-006，并采用相对每克基质为20毫克氧化锡(SnO2)对其进行处理使之变为可湿的。图2图示说明了一种亲水性基质层的孔隙尺寸的分布。换句话说，对于给定的孔径，曲线上的距离表示属于具有小于所述标绘孔径的孔径的孔隙的孔隙率百分比，而所述曲线下的距离则表示属于具有大于所述标绘孔径的孔径的孔隙的孔隙率百分比。例如，参见图3，12微米的孔径对应孔隙率变化(porositytransition)为67％。属于直径大于12微米孔隙的孔隙率约为67％，而属于直径小于12微米孔隙的孔隙率约为8％。因此，所述基质孔隙率的约89％是属于直径大于12微米的孔隙，而约11％的孔隙率是属于直径小于12微米的孔隙。
控制所述冷却剂与所述反应气体物流间的压差，反过来，可控制所述亲水性基质中液体和反应气体的百分比，这是因为所述孔隙尺寸和压差间存在着联系。所述孔隙尺寸和压差间的关系可由下述等式决定： P g - P 1 = 4 γ cos θ D [等式1]其中，
Pg＝反应气体压力
P1＝液体压力
γ＝表面张力
θ＝接触角
D＝填充有液体的最大孔隙的直径
在约65℃(150°F)的温度时，水的表面张力(γ)大约为65 dyne/cm。另外，水与亲水性基质间的接触角(θ)约为0。因此，在约65℃(150°F)时，所述反应气体压力(Pg)与所述液体压力(P1)间的差值是等于约30/D，其中所述压力是以磅/平方英寸(psi)计量的，而所述孔隙直径(D)是以微米计量的。
如果维持所述压差，则具有小于给定孔径(D)直径的亲水性基质中的所有孔隙，将会含有液体，而具有大于给定孔径(D)直径的亲水性基质中的所有孔径将会含有反应气体。如上所述，对于一个给定的孔径(D)，曲线之上的距离表示孔径小于所标绘孔径的孔隙的百分比，而曲线之下的距离表示孔径大于所标绘孔径的孔隙的百分比。因此，在合适的压差下操作所述燃料电池，可保证所述曲线之上的距离是表示含有液体的孔隙的百分比，而所述曲线之下的距离是表示含有反应气体的孔隙的百分比。例如，如前对图3所述，含有液体的孔隙百分比约为11％，而含有反应气体的孔隙百分比约为89％。因而所述亲水性基质中冷却剂与反应气体的比值约为1-9。控制所述冷却剂物流和反应气体物流的压力，可保证所述亲水性基质的孔隙含有的氧化剂反应气体的百分比较冷却剂更大。
如果所述压差降低，则填充有水的孔隙百分比提高。而且，如果所述液体压力与所述反应气体压力间不存在压差，如US5641586所述，则填充有水的孔隙的百分比将接近100％，从而将会淹没所述阴极。淹没所述阴极将会阻止所述氧化剂反应气体到达所述催化剂层，这是因为大部分的孔隙将会被水所填充，电生产能力将会变小。
对于一种给定亲水性基质来说，所述亲水性基质中液体与反应气体的优选比值，是所述孔隙尺寸与这类孔隙尺寸的孔隙率间关系的函数。换句话说，填充有反应气体和水的孔隙的优选百分比，取决于如图2所示曲线的形状。参见图2，优选具有填充反应气体的孔隙率等于或大于A点。A点表示接合点，在该处所述孔隙率变得对孔隙尺寸的变化不敏感。尽管图2曲线的形状说明在孔隙率约67％时，所述率变得对于所述孔隙尺寸不敏感，但是，优选地，是在可满足含有反应气体的孔隙数目大于含水孔隙数目的孔隙率下进行操作。这将导致所述反应物更好地传质到所述催化剂，同时也可提供一种湿润路径，将水从所述阴极移动到所述水输送板。此外，在所述燃料反应气体物流和所述冷却剂物流间产生一个压差，可允许所述水从所述水输送板移动到所述燃料电池阳极一侧的PEM。
如上所述，填充有反应气体和水的孔隙优选百分比，取决于所述基质层中所述孔隙的尺寸和所述反应气体物流22、24和所述冷却剂物流间的压差。含有液体或反应气体的孔隙百分比，可由各冷却剂物流26和反应气体22、24物流控制，其中所述反应气体物流22、24通常具有较所述冷却剂气体物流26更大的压力。具体地说，由于所述反应气体物流22、24的压力通常等于约环境压力，所以，所述冷却剂物流26的压力是小于环境压力。而且，所述冷却剂物流26与所述反应气体物流22、24间的压差，通常其范围是在约0.5-5.0psi之间。更加优选地，是维持在约1.0-3.0psi的压差范围，特别优选地是维持压差范围在约2.0-2.5psi之间。
如图1所示，一种用来维持所述反应气体物流22、24与所述冷却剂物流26间的正压差的装置，它包括流过所述冷却剂物流26的循环水，其通过一个热交换器28冷却，并通过一个泵30进行加压。所述泵30在所述冷却剂物流26中确定一个预定的冷却水压力。该压力可进一步通过一个调节阀38(它是设置在所述冷却剂物流26中，在所述水输送板20之前)进行调节。如果所述泵30是一种固定速率泵，则在需要调节压力的情形时，所述阀38可用来改变所述冷却剂压力。一个压力传感器44设置在所述泵30和阀38的下游。所述压力传感器44用来测量所述冷却剂水物流在其流入到所述水输送板20之前的压力。所述压力传感器44、阀38和泵30，可分别经由管线52、58和60，连接到发电装置微处理器控制器46上。来自所述压力传感器44的冷却剂物流压力输入，在需要获得目标冷却剂物流压力时，会使得所述控制器调节所述泵30和/或所述阀44。
所述氧化物反应气体经过管线24被输送到所述阴极支撑板18。所述管线24可含有一种可调压力调节阀36和一个下游压力传感器42(它可测量气体氧化剂气体物流在其流入所述阴极支撑板18时的压力)。所述压力传感器42经由管线50连接到所述系统控制器46上，而所述调节阀36是通过管线56连接到所述控制器46上的。当一个可变压缩机或泵32是用来加压一路氧化剂反应气体物流时，可与所述控制器46进行合适的连接。这样，当系统操作条件如此规定时，所述控制器46就可通过改变所述阀36或所述泵/压缩机32，对所述氧化反应物压力作适当的改变。
所述燃料反应物通过管线22输入到所述阳极支撑板14中。所述燃料反应气体通常地保存在一个加压容器中，或保存在一个加压的燃料调节或重整系统中(图中未画出)。一个调节阀34可用来调节所述燃料反应物在其进入到所述阳极支撑板14时的压力。所述燃料反应物压力由一个压力传感器40进行监控，它通过管线48连接到所述系统控制器46上。所述调节阀34经由管线54连接到所述系统控制器46上。在接近环境压力下操作燃料电池发电装置是优选的，这是因为如此操作就不需要压缩所述空气到较高压力，并能允许采用风扇或鼓风机使空气流过所述燃料电池，从而获得最大效率。在所述燃料电池发电装置中不使用压缩机，可消除额外的功率源，从而提高了发电装置整体操作效率。尽管本发明不局限于任何具体的操作条件，但是，所述反应物气体的优选操作压力变化范围为15-20psia。
参见图4，它为所述燃料电池12的一个横截面示意图，它包括一个MEA16、一个阳极支撑板17和一个阴极支撑板19。所述MEA16包括一个聚合物电解质膜(“PEM”)70、一个阳极催化剂72和一个阴极催化剂74。所述阳极催化剂72和所述阴极催化剂74牢固地位于所述PEM70的相对两侧。
所述阳极支撑板17和阴极支撑板19包括疏水性扩散层76、78和疏水性基质层80、82。所述阳极扩散层76与所述阳极催化剂72的一侧相邻，所述阳极基质层80与所述阳极扩散层76相邻，与所述阳极催化剂72相对。所述阳极扩散层76和所述疏水性阳极基质层80可允许所述燃料反应物气体(它流过所述水输送板84中的通道94)和所述水(它流过所述通道96)到达所述阳极催化剂72。所述燃料电池12还包括一个疏水性阴极扩散层78和一个疏水性阴极基质层82，它们可允许所述氧化物反应气体流过所述水输送板86中的通道92，到达所述阴极催化剂74。所述阴极扩散层78与所述阴极催化剂74的一侧相邻，而所述阴极基质层82与所述阴极扩散层78相邻，与所述阴极催化剂74相对。所述疏水性阴极扩散层78和所述疏水性阴极基质层82还可允许所述产物水(它是在所述阴极催化剂74中形成的)迁移到所述水输送板86中。
在所述阳极支撑板17和阴极支撑板19中，所述扩散层76、78，是按照本领域已知方法，涂敷到所述阳极和阴极基质层80、82之上的。一种优选方法是US4233181中所述的方法，它为本发明受让人所有。所述扩散层76、78通常由多孔性导电层所构成，它们表现为疏水性的或部分疏水性的。一种这类多孔性导电层为碳粒。优选地，所述碳粒具有的孔隙尺寸小于或等于4微米，且其孔隙率等于或大于60％。为了使所述扩散层是疏水性的，将一种疏水性聚合物与一种多孔性碳黑层进行混合。生成物接着加热到约所述疏水性聚合物的熔点，这是本领域公知的。合适的疏水性聚合物包括例如：含氟聚合物，如聚四氟乙烯(PTFE)、氟代乙烯丙烯(FEP)、聚四氟乙烯、共聚全氟甲基乙烯基醚(PFA)、乙烯和四氟乙烯的共聚物(ETFE)、乙烯和氯代三氟乙烯的共聚物(ECTFE)、聚偏二氯乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)和无定形含氟聚合物(Teflon AF)。这类含氟聚合物的特征是它们的临界表面能优选小于或等于30dyne/cm。这类扩散层的一个实例包括一种多孔的碳-Teflon聚四氟乙烯(PTFE)颗粒复合材料，具有的厚度约75-100微米(0.003-0.004英寸)，优选地约0.0035英寸，其质量约12.1mg/cm2。更具体地说，所述阳极和阴极扩散层76、78包括一个多孔碳层(它由Cabot Corporation所提供，标识名为Vulcan XC-72)，它通过加入聚四氟乙烯(PTFE)(它们是由E.I.DuPont deNemours ofWilmington，DE所制造，商品名为Teflon)而表现为疏水性。优选地，具有等级“TFE-30”的Teflon聚四氟乙烯的数量，可使得所述阳极和阴极扩散层76、78含有约50％的Vulcan XC-72和50％的Teflon聚四乙烯。所述阳极和阴极扩散层76、78通常地也是加热到约343℃(650°F)，持续约5分钟，使这些层表现为疏水性的。
所述阳极和阴极基质层80、82通常是由一种多孔性的碳-碳纤维复合材料所构成，厚度约150-170微米(0.006-0.007英寸)，孔隙率约为65％-75％。这类基质的一个实例是由Toray Company of NewYork，NY所提供的等级标识为TGP-H-060的基质。所述阳极和阴极基质层80、82通常是通过结合有聚氟化的乙烯丙烯(如由E.I.duPontdeNemours of Wilmingto，DE所生产的商品名Teflon的物质)到所述基质中而表现为疏水性的。优选地，具有等级“FEP-121”的Teflon聚氟化的乙烯丙烯的用量，可使得所述阳极和阴极基质层80、82之中，相对于每立方厘米TGP-H-060，含有约165mg的Teflon聚氟化乙烯丙烯。
如图4所示，所述阳极水输送板84与所述阳极支撑板17相邻，而所述阴极水输送板86与所述阴极支撑板19相邻。所述阳极和阴极水输送板84、86可构造和/或取向为与相邻水输送板88、89同时进行操作，这样，可使得通道96和98能同时用作一个电池的阳极和下一个电池的阴极的冷却剂物流。
所述水输送板84、86、88、89，通常为多孔性石墨，它具有的平均孔隙尺寸约为2-3微米，且其孔隙率约为35-40％。优选地，是使所述水输送板84、86、88、89具有亲水性，是通过采用如US5840414所述方法用氧化锡(SnO2)对它们进行处理而实现的，该专利属于本发明受让人所有。所述阴极水输送板86的亲水性多孔性质，与所述冷却剂和氧化剂反应气体物流间压差共同协力的结果，可保证合适地移走在所述阴极形成的产物水。具体地说，所述水从所述阴极支撑板19，流经通道92，流经所述水输送板86中的隔离壁，流到所述冷却剂通道98之中。而且，所述阳极水输送板84还为所述阳极支撑板17提供了一路连续的水源，它最终到达所述PEM，并防止它变干燥。
参见图12，它为图4所示水输送板86的侧视图。图12图示说明在所述水输送板86一侧内的连续的、分隔的且基本平行的沟槽。当所述水输送板86与所述阴极支撑板19相邻时，所述肋条93邻接所述阴极支撑板19时，所述沟槽用作通道(即液流通路)92，可让所述氧化剂反应气体从该处流过。所述连续的分隔的且基本平行的沟槽，下文中称作为常规通道。所述氧化物反应气体进入每个通道92的一端，并从另一端流出。当所述氧化剂反应气体沿所述通道92流过时，所述氧化剂反应气体迁移到所述阴极支撑板19中。尽管所述氧化剂反应气体进入所述隔离壁93是可能的，但是，这将是不大可能的，因为所述隔离壁93中的孔隙以及所述水输送板86中其它地方的孔隙，都被水所填充。在所述阳极水输送板84中通道94的液流通路结构，与阴极水输送板86的结构相似。尽管图中未画出，但是，本发明的一个替代方案可包括一个螺旋形通道，以替代所述常规通道。
参见图13，它为所述阳极和阴极水输送板的一个替代方案的示意图。具体地说，图13中所示水输送板84’和86’含有交指型通道110、112而不是如图4和12所示的常规通道92。参见图14，它为图13所示的阴极水输送板86’的侧视图，用来描述所述氧化剂反应气体流过交指型液流通路的方式。所述氧化剂反应气体进入所述入口通道110的入口，并向所述封闭端111移动，它是阻塞的。当所述反应气体向所述封闭端111移动时，所述氧化剂反应气体物流的压力迫使所述氧化剂反应气体进入到所述阴极支撑板19中。在部分氧化剂在所述阴极支撑板19中消耗后，剩余的或未使用的氧化剂反应气体进入到所述出口通道112(由图14中的弯曲箭头所示)，并迁移远离所述封闭端113，接着排放出所述燃料电池。因为所述氧化剂反应气体必须要流过所述阴极支撑板19以进入所述出口通道112，所以从所述入口通道110到所述阴极支撑板19的氧化剂气体的传质将会提高。所述反应反过来将提高所述燃料电池的电生产能力，它在下文中将作具体的描述。尽管图中未画出，在所述阳极水输送板84’中的通道110的交指型液流通路结构，与所述阴极水输送板86’的结构是相似的。
如果所述反应气体通道具有一个常规的螺旋形或交指型结构，则所述水输送板在它们相对一侧包括附加的沟槽。当此相对一侧邻接另一水输送板或其它任意板时，这些沟槽用作所述冷却剂物流的通道以使其流过该处。另外，当所述阳极和阴极水板相互邻接，且这些沟槽排成直线时，这些沟槽联合形成一个单一的冷却剂物流通道，它同时用作一个电池的阳极和一个相邻电池的阴极的水输送板。
参见图15，它所示为本发明一个替代方案，它描述了交指型通道110、112存在于所述基质层100’、102’而不是所述水输送板138、140中，从而可允许所述反应气体物流直接流到并流过所述基质层，以替代先流入到所述水输送板中。具体地说，所述基质层100’、102’的取向，可使得所述通道110、112分别与平板多孔水输送板138、140相邻。由于所述交指型通道110、112是存在于所述基质层100’、102’之中，而不是存在于所述水输送板138、140中，所以，所述水输送板138、140在相邻所述阳极和阴极支撑层17’、19’是平直的。但是，所述水输送板138、140的另一侧，具有冷却剂通道134。另外，所述水输送板138、140仍是多孔性的，可允许水从其流过。尽管图中未画出，反转所述基质层100’、102’的取向也是可行的，这样，所述通道110、112与所述扩散层104、106相邻。另外，尽管图15对存在于所述基质层100’、102’中的交指型通道110、112作了说明，但是，包括常规或螺旋形通道的通道流动方式设计也是可行的。无论所述燃料电池中阳极和阴极支撑板的结构和/或材料结构如何，所述水输送板或基质层中的通道，都可为常规或交指型通道。
参见图5，它为燃料电池12’的一个替代方案。图5中的燃料电池12’不同于图4中的燃料电池12，因为图4中所述燃料电池12的阳极支撑板17和阴极支撑板19包括疏水性扩散层76、78和疏水性基质层80、82，但在图5的燃料电池12’中的阳极支撑板17’和阴极支撑板19’包括部分疏水性扩散层104、106和亲水性基质层100、102。继续参见图5，除了用亲水性基质层100、102替代所述疏水性基质层80、82之外，所述扩散层厚度也减少。例如，图4的疏水性发生性扩散层76、78，优选约为87.5微米(0.00035英寸)，而图5的部分疏水性扩散层104、106优选约为12.5微米(0.0005英寸)-62.5微米(0.0025英寸)，特别优选约为15微米(0.0006英寸)-17.5微米(0.0007英寸)。降低所述Teflon聚四氟乙烯(等级“TFE-30”)的数量到10％以替代50％，同时降低所述扩散层质量到约2.0-5.0mg/cm2的Vulcan XC-72。
图5中所述扩散层制得较图4中的扩散层更薄，是通过降低所述碳扩散层中碳和PTFE的含量实现的。具体地说，现有技术扩散层通常是由50wt.％的碳黑和疏水性聚合物的混合物所制成的。这些扩散层是完全疏水性的，它们的空隙容积基本100％都被反应气体所填充。这会产生想要的扩散反应物到所述催化剂的性能，但是，它会对移走液态产物水产生明显的障碍。
部分疏水性扩散层是采用低含量TeflonPTFE制成的。这将会形成一个扩散层，其空隙容积部分地被反应气体所填充，部分地被水所填充。气体容积与水容积的精确比值取决于TeflonPTFE含量和TeflonPTFE加热处理的温度。提高阴极中扩散层的潮湿容积，可有助于从所述阴极中移走产物水。而且，提高阳极中扩散层的潮湿容积，可有助于传送液态水至所述PEM的阳极一侧。所述扩散层的潮湿容积提高，这样所述扩散层传送水的能力也会提高，但是，非潮湿容积则是这样的，所述扩散层具有足够的容积使所述反应气体向和/或从所述催化剂层的扩散。为了本发明的这个目的，所述“部分疏水性层”表示这样一个层，它具有的空隙容积能够部分地被水和气体所填充。因此，优选是具有一个部分疏水性扩散层，其厚度变化范围为0.0005-0.002英寸。
继续参见图5，在所述阴极支撑板19’中采用的部分疏水性扩散层106和亲水性基质层102，可提高水从所述阴极催化剂层74向所述水输送板86的移动，从而防止所述阴极基质102被水所淹没。另外，所述阳极支撑板17’中采用部分疏水性扩散层104和亲水性基质层100，提高了水从所述水输送板84向所述阳极催化剂层72的迁移，从而防止所述阳极催化剂层72和PEM70变干燥。所述亲水性基质层100、102的基本材料为碳-碳纤维复合材料。为了提高所述基质层100、102将水传送到相应催化剂层72、74或从中传送出来的能力，所述基质层100、102的孔隙通过用一种合适金属氧化物、氢氧化物和/或含氧氢氧化物填充这类孔隙而表现为亲水性。形成这类氧化物、氢氧化物和/或含氧氢氧化物的金属实例包括锡(Sn)、铝(Al)、铌(Nb)、钌(Ru)、钽(Ta)、钛(Ti)、锌和锆以及它们的混合物。或者，所述基质层100、102也可由所述碳表面的化学或电化学氧化反应制成可湿的。另一种替代方案包括用一种可湿聚合物如蜜胺甲醛(Cytec Industries of WestYork，United Kingdom生产)，对所述基质内表面进行处理和/或涂布。
所述亲水性基质层100、102是由多孔碳-碳纤维复合材料组成，其厚度约175微米(0.007英寸)，孔隙率约75％具有平均孔隙尺寸在约27-37微米之间。如上所述，这类基质的一个实例是由TorayCompany of New York，NY提供的，等级标识为TGP-H-060。对于每克TGP-H-060，加入约20-50mg氧化锡(SnO2)，优选为25-35mg，可使所述基质层100、102具有亲水性。
例如，一种Toray TGP-H-060基质是通过以每克基质沉积约20mg的氧化锡到所述基质内表面上而制成亲水性的。具体地说，66ml的100wt.％2-丙醇和350ml的33wt.％2-丙醇的水溶液，加入到其中有134ml的1摩尔SnCl 2NH3溶液的2000ml烧杯中。之后，在15分钟时间内，逐滴加入33ml的3M氢氧化铵，同时剧烈搅拌。在第二烧杯中，含有170ml的33wt.％2-丙醇水溶液，通过加入合适数量的盐酸，调节第二烧杯中的pH到约1.3-1.4。在搅拌第一烧杯溶液的同时，将第二烧杯中的溶液缓慢地加入到第一烧杯中。所述基质接着浸没到所述混合溶液中。在从所述混合溶液中取出所述基质后，在室温下对所述基质空气干燥30分钟，之后在115℃(240°F)空气干燥30分钟，并在空气中于360℃(680°F)下焙烧2小时。
参见图6，它所示为燃料电池12”的另一个方案的示意图。图6的燃料电池12”不同于图4中的燃料电池12，因为图4中所述燃料电池12的阳极支撑板17和阴极支撑板19分别包括疏水性扩散层76、78和疏水性基质层80、82，但在图6的燃料电池12”中的阴极支撑板19”包括一个部分疏水性扩散层106和一个亲水性基质层102。而且，图6的所述阳极支撑板17”包括一个亲水性基质层108，但不含有扩散层。在所述阳极支撑板上没有采用扩散层，由于为液态水从所述阳极水输送板84到所述PEM70的输送除去了所有疏水性或部分疏水性的障碍，可进一步提高所述燃料电池的生产能力。
参见图7，它为一个燃料电池12的替代方案的示意图。图7的燃料电池12不同于图4中的燃料电池12，因为图4中所述燃料电池12的阳极支撑板17和阴极支撑板19包括疏水性扩散层76、78和疏水性基质层80、82，但在图7的燃料电池12中的阴极支撑板19仅包括一个亲水性基质层102。而且，图7的所述阳极支撑板17包括一个亲水性基质层108，但不含有扩散层。图4-7中所述阳极催化剂层72和所述阴极催化剂层74，都是属于称为淹没薄膜催化剂层的类型。这类催化剂层公开在US5211984中，它可引入本文供作参考。或者，所述阳极催化剂层72和所述阴极催化剂层74，可为称作气体扩散催化剂层的类型，它公开在US5501915中，可引入本文供作参考。从所述阴极中除去所述扩散层，也可提高燃料电池的生产能力，这是因为所述氧化剂反应气体到达所述阴极催化剂层74将流经较少的层数。
参见图8，它为表1所示多种不同燃料电池的电流密度相对电池电压的曲线图。
                               表1
         阳极                阴极
   实验   扩散层     基质层     扩散层     基质层
    ○   疏水性     疏水性     疏水性     疏水性
    ■     无     亲水性     疏水性     疏水性
    □     无     亲水性     部分疏水性     疏水性
    ▲     无     亲水性     部分疏水性     亲水性
这些多种不同燃料电池结构说明了改变所述燃料电池的结构是如何影响其性能的。具体地说，所述燃料电池结构可由符号○、■、□和▲表示。用于所述电池结构中的MEA16包括一个15微米的PEM电解质存在于一个膜电极组件中，它可由W.L Gore和Associates，Inc.OfElkton，MD购得，其产物标识号为“PRIMEA-5560”。由符号○表示的燃料电池包括一个阳极支撑板(它包括一个疏水性扩散层和一个疏水性基质层)和一个阴极支撑板(它包括一个疏水性扩散层和一个疏水性基质层)。具体地说，由符号○表示的燃料电池的结构如前述的图4所述。更具体地说，由符号○表示的燃料电池含有一个阳极支撑板17和阴极支撑板19，它具有90微米(0.0035英寸)厚的疏水性扩散层76、78(它们是由多孔碳-Teflon聚四氟乙烯(PTFE)复合材料所构成的，具有约12.1mg/cm2的质量，并含有约50％的PTFE。所述阳极支撑板17和阴极支撑板19还具有175微米(0.007英寸)的多孔碳-碳纤维复合材料基质层80、82，其孔隙率约75％，平均孔隙尺寸约为30微米。所述基质层80、82通过相对每立方厘米多孔碳-碳纤维复合材料为约165g的聚四氟乙烯(PTFE)对其进行处理而具有疏水性。
继续参见图8，由符号■、□和▲表示的燃料电池，都含有与阳极和阴极支撑板相邻的水输送板，其中所述水输送板具有常规的通道。另外，所有这些燃料电池都含有一个阳极支撑板，它包括一个亲水性基质层但没有扩散层。具体地说，在这三个燃料电池中的阳极支撑板17仅含有一个175微米(0.007英寸)亲水性基质层80。所述亲水性基质层80是由一种多孔碳-碳纤维复合材料所构成的，其孔隙率约75％，其平均孔隙尺寸约30微米。所述多孔碳-碳纤维复合材料通过对每克碳-碳纤维复合材料中加入26.2mg氧化锡(SnO2)而具有亲水性。
由符号■表示的燃料电池还包括一个阴极支撑板19，它包括一个疏水性扩散层和一个疏水性基质层。更具体地说，该燃料电池含有一个阴极支撑板19，其具有90微米(0.0035英寸)厚的疏水性扩散层78，是由多孔碳-聚四氟乙烯(PTFE)所构成的，具有质量约为12.1mg/cm2，并含有约50％PTFE。所述阴极的疏水性基质层82，为一种175微米(0.007英寸)多孔碳-碳纤维复合材料，其孔隙率约75％。所述基质层82通过用相对立方厘米多孔碳-碳纤维复合材料约165mg的PTFE对其进行处理，而表现为疏水性。
继续参见图8，由符号□表示的燃料电池包括一个阴极支撑板，它包括一个部分疏水性扩散层和一个疏水性基质。具体地说，由符号□表示的燃料电池含有一个阴极支撑板19，其具有17.5微米(0.0007英寸)厚的部分疏水性扩散层78，它是由多孔碳-聚四氟乙烯(PTFE)颗粒构成的，其质量约为2.4mg/cm2，含有约10％PTFE。所述阴极支撑板19还具有175微米(0.007英寸)多孔碳-碳纤维复合材料基质层82，其孔隙率约75％，平均孔隙尺寸约30微米，它通过以每立方厘米多孔碳-碳纤维复合材料约165mg聚四氟乙烯对其进行处理而表现为疏水性。
仍参见图8，由符号▲表示的燃料电池包括一个阴极支撑板，它包括一个部分疏水性扩散层和一个亲水性基质层。具体地说，所述符号▲表示表示的燃料电池含有一个阴极支撑板19，它具有15.0微米(0.0007英寸)厚的部分疏水性扩散层78，是由多孔碳-聚四氟乙烯(PTFE)颗粒构成的，其质量约为2.2mg/cm2，含有约10％PTFE。所述阴极支撑板19还具有175微米(0.007英寸)多孔碳-碳纤维复合材料基质层82，其孔隙率约75％，平均孔隙尺寸约为30微米，通过相对每克多孔碳-碳纤维复合材料约20.9mg氧化锡(SnO2)负载这类基质使之表现为亲水性，从而使所述多孔碳-碳纤维复合材料表现为亲水性。
每个由符号○、■、□和▲表示的燃料电池结构，放置在一个燃料电池中，它由一个氢反应气体物流和一个用作氧化剂反应气体物流的空气物流供以燃料的。所述燃料电池采用约80％的氢和约40％的空气。所述燃料电池在约65℃和约环境压力下进行操作。另外，为了合适地处理所述产物水(它是由氢与空气间的化学反应所形成的)，所述反应气体物流与所述冷却剂物流间的压差约2psi。每个燃料电池操作10-12天，图8所示曲线图说明了每个燃料电池结构在此时间内电流密度相对电池电压的关系。由符号○表示的燃料电池具有一个疏水性阳极扩散层，由符号■、□和▲表示的燃料电池不含有阳极扩散层。图8中的数据说明由■、□和▲表示的燃料电池，在给定电流密度时，与由符号○表示的燃料电池相比，具有更大的电压水平。因此，除去所述阳极中扩散层，能提高所述燃料电池的电生产能力。
由符号■、□和▲表示的燃料电池结构，还具有一个阳极支撑板，它含有一个亲水性基质层，由符号○表示的燃料电池具有一个阳极支撑板，它含有一个疏水性基质层。由符号■、□和▲表示的燃料电池在给定电流密度时，与由符号○表示的燃料电池相比，具有更大的电压水平。因此，用一个亲水性基质层替代所述阳极疏水性基质层，可提高所述燃料电池的电生产能力。如果同时地所述阳极扩散层全部移除，所述阳极疏水性基质用一个亲水性基质层替代，则所述燃料电池的电生产能力还可进一步提高。
由符号□和▲表示的燃料电池具有一个阴极支撑板，与由符号■表示的燃料电池(它具有一个厚的疏水性阴极扩散层)相比，它含有一个较薄的且部分疏水性扩散层。由符号□和▲表示的燃料电池，与由符号■表示的燃料电池相比，在给定电流密度时，具有更大的电压水平。因此，在提高其亲水性的同时降低所述扩散层的厚度，可提高所述燃料电池的电生产能力。
图8还说明采用亲水性基质层替代所述阴极疏水性基质层，可进一步提高所述燃料电池的电生产能力。具体地说，由符号▲表示的燃料电池，与由符号□表示的燃料电池相比，在给定电流时具有更大的电压水平。由符号□表示的燃料电池具有一个阴极支撑板，它含有一个疏水性基质层，但由符号▲表示的燃料电池具有一个阴极支撑板，它含有一个亲水性基质层。因此，用一个亲水性基质层替代所述阴极疏水性基质层，可进一步提高所述燃料电池的电生产能力。
采用一个亲水性基质层替代所述阴极支撑板的疏水性基质层，并降低其厚度和提高所述阴极中扩散层的亲水性，不仅可提高所述燃料电池的电生产能力，而且还能提高所述燃料电池的氧利用率。参见图9，它为表1所示和由符号■、□和▲表示的多个不同燃料电池结构的燃料电池氧利用率相对电池电压的曲线图。所有三种燃料电池利用约80％的氢。由符号□表示的燃料电池，比由符号▲表示的燃料电池，在给定的氧利用百分比时，具有更高的电池电压，而由符号□表示的燃料电池，与由符号□表示的燃料电池相比，在相同氧利用百分比时，具有更高的电池电压。由符号▲表示的燃料电池具有一个阴极支撑板，它含有一个亲水性基质层和一个部分疏水性和较薄的扩散层。因此，采用一个亲水性层替代所述阴极疏水性基质层并降低所述阴极扩散层的厚度和亲水性，可提高所述燃料电池的氧利用率。因此，对于某些数量的氧，由符号▲表示的燃料电池可产生较由■和□表示的两种燃料电池更多的电。
重新排列所述阳极中扩散层和基质层，不仅可提高加纯氢燃料的燃料电池发电装置的工作效率，而且可提高由含有约46％氢的重整产品燃料加燃料的燃料电池发电装置的工作效率。重整产品燃料是一种富含氢的气体物流，它由公知技术从一种烃燃料中制备得到的。参见图10，它为图2所示的具有不同阳极结构的两个燃料电池采用一种重整燃料时电池电压随电流密度变化的曲线图。
                               表2
         阳极               阴极
   实验   扩散层   基质层     扩散层     基质层
    ○   疏水性   疏水性     部分疏水性     疏水性
    ■     无   亲水性     部分疏水性     疏水性
由符号○和■表示的燃料电池与表1和图8和9所述结构相同。具体地说，两个燃料电池都具有一个阴极支撑板，它包括一个疏水性扩散层和一个疏水性基质层。而且，由符号○和■表示的燃料电池含有一个阴极支撑板19，它具有一个87.5微米(0.0035英寸)厚的部分疏水性扩散层78，是由多孔碳-聚四氟乙烯(PTFE)颗粒复合材料构成的，其质量约为12.1mg/cm2的多孔碳-碳纤维复合材料，并含有约50％PTFE。每个阴极19还具有一个175微米(0.007英寸)多孔碳-碳纤维复合材料基质层82，其孔隙率约75，它通过用相对每立方厘米多孔碳-碳纤维复合材料约165克PTFE对其进行处理而表现为疏水性。不过，在所述燃料电池中的阳极支撑板结构，相互是不同的。具体地说，由符号○表示的燃料电池具有一个阳极支撑板，它包括一个疏水性扩散层和一个疏水性基质层，而由符号■表示的燃料电池具有一个仅含有一个亲水性基质层的阳极支撑板。由符号■表示的燃料电池阳极支撑板17中的亲水性基质层80，其厚度为175微米(0.007英寸)。具体说来，亲水性基质层80由孔隙率为约75％的孔碳-碳纤维复合材料构成。所述多孔碳-碳纤维复合材料通过加入相对每克碳-碳纤维复合材料约35.0mg氧化锡(SnO2)而表现为亲水性。
由符号○和■表示的两个燃料电池结构，都是放置在一个模拟重整产品和空气加燃料的燃料电池中。用于此中的重整燃料含有约46％氢，32％氮、22％二氧化碳和20ppm一氧化碳。所述燃料电池利用所述重整产品中约80％氢和约30％所述空气。所述燃料电池在约65℃和约环境压力下进行工作。另外，为了合适地处理产物水(它是由氢与空气间的化学反应所形成的)，所述反应气体物流与所述冷却剂物流间的压差约2psi。每个燃料电池工作10-12天，图10所示曲线图说明了每个燃料电池结构在此时间内电池电压随电流密度变化的关系。由符号■表示的燃料电池，在给定电流密度时，与由符号○表示的燃料电池相比，具有更大的电压水平。两个燃料电池具有相同的阴极结构。不过，由符号■表示的燃料电池具有一个仅含有一个亲水性基质但没有扩散层的阳极支撑板，由符号○表示的燃料电池，具有一个含有疏水性扩散和基质层的阳极支撑板。因此，在所述阳极支撑板中省略扩散层和/或用一个亲水性基质层替代所述阳极疏水性基质层，可提高所述燃料电池的电生产能力。
图11图示说明了在所述反应气体物流和冷却剂物流间形成一个压差使所述反应气体物流的压力大于所述冷却剂物流压力的重要性。具体地说，图11图示说明了具有由符号▲表示结构的燃料电池的性能，它在表1中已经作了讨论。采用与前述讨论的这种燃料电池相同的测试条件，并控制这类测试条件恒定不变，只有所述冷却剂和氧化氧化剂气体物流间的压差例外，所述燃料电池电压随压差的变化进行作图。在所述冷却剂和气体氧化剂气体物流间的压差在约0-4.4psi间变化。具体地说，如图11箭头所示，所述测试通过形成约4.4psi的压差而开始进行，它逐渐降低到0，之后逐渐提高到其起始压力。当所述燃料电池在压差等于约0至范围约为1.0-2.0psi间进行工作时，所述电池电压各自从约0.38伏提高到0.58伏。不过，当所述燃料电池在大于约1.0-2.0psi的压差下进行工作时，所述电池电压保持在相对稳定在约0.58-0.60伏的电压。图11的数据说明，在当所述冷却剂和所述氧化剂气体物流间的压差从0提高到范围约1.0-2.0伏时，由符号▲表示的燃料电池的性能显著地提高，在该点之后，所述燃料电池的性能保持相对不变。当所述冷却剂物流和氧化剂气体间的压差提高时，电池的性能改善，这是因为占据所述疏水性阴极基质层的水被置换并流入到与所述阴极支撑板相邻的水输送板中。同样地，在所述冷却剂物流和所述反应气体物流间存在压差下对一个燃料电池进行操作，可准确地控制进入到所述亲水性阳极基质层中水的数量。而且，不同于US5641586所述燃料电池的操作，在所述冷却剂物流和所述反应气体物流存在压差下对具有亲水性基质层的燃料电池进行操作，可提高含有反应气体的亲水性基质层中孔隙的百分比，并降低含有冷却剂孔隙的百分比。所述亲水性基质层中含有增加的反应气体的孔隙数目，反过来，可促进所述反应气体从所述水输送板通道向所述MEA中催化剂层的扩散。
此前有关图8-11的讨论，包括在所述水输送板中具有常规通道的多种不同燃料电池结构的性能数据。这类燃料电池结构还可包括交指型通道，其存在于所述水输送板或所述基质层之中。而且，图16(它为在一个水输送板中具有交指型或常规通道的燃料电池的电流密度相对电池电压的对比曲线图)说明，采用交指型通道替代常规通道，可提高所述燃料电池的性能。
继续参见图16，由符号●和▲表示的燃料电池，在所述阴极水输送板中包括交指型通道，由符号○和□表示的燃料电池包括常规通道于所述阴极水输送板中。除了在所述阴极水输送板中的流动方式不同之外，所述燃料电池具有不同的阴极支撑板结构和/或构造。
                                表3
      阳极支撑板       阴极支撑板
 实验   水输送板通道   扩散层   基质层   扩散层   基质层
  ○     常规的   疏水性   疏水性   疏水性   疏水性
  ●     交指型   疏水性   疏水性   疏水性   疏水性
  △     常规的     无   亲水性   疏水性   亲水性
  ▲     交指型     无   亲水性   疏水性   亲水性
参见表3，由符号○和●表示燃料电池包括含有的阴极水输送板，分别具有常规和交指型通道。不过，两个燃料电池都具有相同的阳极和阴极支撑板结构。具体地说，两个燃料电池具有包括一个疏水性扩散层和一个疏水性基质层的支撑板。所述疏水性扩散层约90微米(0.0035英寸)厚，是由多孔-Teflon聚四氟乙烯(PTFE)复合材料构成的，其质量约12.1mg/cm2，并含有约50％PTFE。所述疏水性基质层约175微米(0.007英寸)厚，是由多孔碳-碳纤维复合材料构成的，其孔隙率约75％，每立方厘米多孔碳-碳纤维复合材料约165mg的PTFE。
相似地，由符号△和▲表示的燃料电池分别包括具有常规和交指型通道的阴极水输送板，但是两个燃料电池都具有相同的阳极和阴极支撑板结构。具体地说，两个燃料电池都具有包括一个疏水性扩散层和一个亲水性基质层的阴极支撑板。所述疏水性扩散层约25微米(0.001英寸)厚，是由多孔-Teflon聚四氟乙烯(PTFE)复合材料构成的，其质量约2.2mg/cm2，并含有约10％PTFE。所述亲水性基质层约175微米(0.007英寸)厚，是由多孔碳-碳纤维复合材料构成的，其孔隙率约75％，平均孔隙尺寸约30微米，它通常采用相对每克多孔碳-碳纤维复合材料约20.9mg氧化锡(SnO2)负载到这类基质上而表现为亲水性。对于这两个燃料电池来说，阳极支撑板的结构不同于阴极支撑板的结构。两个燃料电池具有与阴极基质层相同的阳极基质层，但是，两个燃料电池都没有阳极扩散层。
这四个燃料电池的每一个，都是利用约80％的氢(例如燃料反应气体)和约40％的空气(例如氧化剂反应气体)，且是在约65℃和约环境压力下进行工作。而且，为了合适地处理产物水(它是由氢和空气间的化学反应所形成的)，所述反应气体物流和所述冷却剂物流间的压差约2psi。如图16所示，当两个燃料电池具有相同阳极和阴极支撑板结构时，但是一个燃料电池包括具有交指型通道的阴极水输送板，而另一个燃料电池包括具有常规通道的阴极水输送板，则具有交指型通道的阴极水输送板的燃料电池，较具有常规通道的阴极水输送板的燃料电池，表现出更好的性能。具体地说，由符号●表示的燃料电池，在给定电流密度时，较由符号○表示的燃料电池具有更大的电池电压，这是因为由符号●表示的燃料电池包括具有交指型通道的阴极水输送板，而另一个燃料电池具有常规的阴极水输送板。而且，由符号▲表示的燃料电池，在给定电流密度时，较由符号△表示的燃料电池具有更大的电池电压，这是因为由符号▲表示的燃料电池包括具有交指型通道的阴极水板，而另一个燃料电池是具有常规通道的阴极水输送板。因此，采用一种具有交指型通道的阴极水输送板替代具有常规通道的阴极水输送板，可提高燃料电池的电生产能力。图16还说明了，具有亲水性基质层和具有交指型通道在所述阴极水输送板中的燃料电池，工作性能比另一种电池结构要好。
参见图17，在所述阴极水输送板中采用交指型通道，不仅可提高所述燃料电池的电生产能力，而且，可提高所述燃料电池的氧利用率。该图对一种具有交指型通道的燃料电池与一种具有常规通道的燃料电池的氧利用率进行比较。而且，如图16所示，由符号●和▲表示的燃料电池，包括交指型通道在所述阴极水板中，而由符号○和△表示的燃料电池包括常规通道于所述阴极水输送板中。所有四种燃料电池都是在约600amp/ft2下进行工作，利用约70％氢，同时改变氧的利用率。在所述阴极水输送板中具有交指型通道的燃料电池，与在所述阴极水输送板中具有常规通道的燃料电池相比，在给定的氧利用率时，具有更高的电池电压。因此，采用交指型通道替代常规通道，可提高燃料电池的氧利用率。而且，在所述支撑板中采用一个亲水性基质层和在所述阴极水输送板中采用交指型通道，可获得最好的氧利用率结果。
尽管采用交指型通道可提高燃料电池的氧利用率，并提高其电生产能力，但是，在所述反应气体物流和所述冷却剂物流间形成一个压差，使得反应气体物流的压力大于所述冷却剂物流的压力，也是很重要的。图18为一种hysterisis曲线，它表示一种具有交指型通道于所述阴极水输送板的燃料电池，其电池电压随氧化剂反应气体物流与冷却剂物流间压差变化的关系。
采用表3中前述讨论的由符号▲的燃料电池结构，其中，这类燃料电池具有交指型通道于所述水输送板中，并控制所有测试条件恒定，只改变所述冷却剂和反应气体物流间的压差。所述冷却剂和所述反应气体物流间的压差在约0-3.5psi间变化。具体地说，当所述冷却剂物流的压力变化时，所述燃料和氧化反应气体物流的压力保持恒定。如图18中箭头所示，所述测试通过形成约3.4psi的压差而开始进行，它逐渐降低到0，之后逐渐提高到其起始压力。当所述燃料电池在压差等于约0至范围约为1.0-1.5psi间进行工作时，所述电池电压各自从约0.35伏提高到0.7伏。不过，当所述燃料电池在大于约1.0-1.5psi的压差下进行工作时，所述电池电压保持在相对稳定在约0.69-0.71伏的电压。图18的数据说明，在当所述冷却剂和所述氧化剂气体物流间的压差从0提高到范围约1.0-1.5伏时，由燃料电池的性能显著地提高，在该点之后，所述燃料电池的性能保持相对不变。当所述冷却剂物流和氧化剂气体间的压差提高时，电池的性能改善。因此，在一个具有交指型通道中在所述冷却剂物流和所述反应气体物流间形成一个压差，使得所述反应气体物流的压力大于所述冷却剂物流的压力，与如图12所示的具有常规通道的燃料电池中一样是同等重要的。
图19说明了具有由符号▲表示的结构和交指型氧化剂流场的燃料电池可获得的高电流密度。通过限定化学计量低于2.50(有时表示为250％)，在一个大气中的PEM燃料电池中，使空气流过所述电池需要的额外功率保持在最小。
尽管借助于范例性实施例对本发明作了具体的描述和说明，但是，本领域技术人员应该理解，前述的和多种其它改变、省略和添加在不远离本发明精神和范围时是可能作出的。

Claims (21)

1.一种燃料电池发电装置，包括：
一个燃料电池，它包括一个阳极支撑板、一个阴极支撑板和一个设置在所述支撑板之间的膜电极装置，所述阳极支撑板含有一个多孔基质层，它具有一个交指型通道用于燃料反应气体物流进入到其中并从中流出，所述阴极支撑板含有一个多孔基质层，它具有一个交指型通道用于氧化剂气体物流进入到其中并从中流出，所述膜电极装置包括一种设置在两个催化剂之间的聚合物电解质膜；
第一多孔水输送板，它与所述阴极支撑板相邻，所述第一多孔支撑板具有一个通道用于冷却剂物流从其中流过，和一个交指型通道用于氧化剂气体物流进入到其中并从中流出；
第二多孔水输送板，它与所述阳极支撑板相邻，所述第二多孔支撑板具有一个通道用于冷却剂物流从其中流过，和一个交指型通道用于燃料反应物流进入到其中并从中流出；
用来在所述氧化剂气体物流和所述冷却剂物流间形成预定压差的装置，使得所述氧化剂气体物流的压力大于所述冷却剂物流的压力；和
用来在所述燃料反应气体物流和所述冷却剂物流间形成预定压差的装置，使得所述燃料反应气体物流的压力大于所述冷却剂物流的压力。
2.如权利要求1所述燃料电池发电装置，其中：.
所述阴极支撑板包括一个多孔亲水性基质层，和一个设置在所述基质层与所述膜电极装置之间的部分疏水性扩散层；
所述阳极支撑板包括一个多孔亲水性基质层，但是没有扩散层；
所述水输送板为亲水性的；和
所述氧化剂气体物流的压力高出所述冷却剂物流压力约1.0-1.5psi。
3.一种燃料电池发电装置，它包括：
(a)一个燃料电池，它包括一个阳极支撑板和一个阴极支撑板和一个设置在所述支撑板之间的膜电极装置，所述膜电极装置包括一种设置在两个催化剂之间的聚合物电解质膜，所述支撑板之一包括一个其中具有孔隙的基质层且具有一个交指型通道用于反应气体物流进入到其中并从中流出；
(b)一个多孔水输送板，它与所述支撑板之一相邻，所述多孔水输送板具有一个通道用于冷却剂物流从其中流过；和
(c)用来在所述反应气体物流和所述冷却剂物流间形成预定压差的装置，使得所述反应气体物流的压力大于所述冷却剂物流的压力。
4.如权利要求3所述燃料电池发电装置，其中所述两个支撑板都包括一个多孔基质层，它具有一种交指型通道用于反应气体物流进入到其中并从中流出，且其中所述燃料电池发电装置还包括：
一个多孔水输送板，它与所述支撑板之一相邻，所述多孔水输送板每个具有一个通道用于冷却剂物流从其中流过；和
用来在每种所述反应气体物流和所述冷却剂物流间形成预定压差的装置，使得每种所述反应气体物流的压力大于所述冷却剂物流的压力。
5.一种燃料电池发电装置，它包括
(a)一个燃料电池，它包括一个阳极支撑板和一个阴极支撑板和一个设置在所述阳极和阴极支撑板之间的膜电极装置，所述膜电极装置包括一个设置在两个催化剂之间的聚合物电解质膜，所述支撑板每个都包括一个其中具有孔隙的基质层；
(b)一个多孔水输送板，它与所述支撑板之一相邻，所述多孔水输送板具有一个通道用于冷却剂物流从其中流过，并具有一个交指型通道用于反应气体物流进入到其中并从中流出；和
(c)用来在所述反应气体物流和所述冷却剂物流间形成预定压差的装置，使得所述反应气体物流的压力大于所述冷却剂物流的压力。
6.如权利要求5所述燃料电池发电装置，其中位于所述支撑板之一的所述多孔基质层是亲水性的。
7.如权利要求6所述燃料电池发电装置，其中所述阴极支撑板的亲水性基质层中孔隙的直径，在当所述氧化剂反应气体物流与所述冷却剂物流间的压差等于所述预定压差时，它可使得所述孔隙的更大百分比含有氧化剂气体而不是冷却剂。
8.如权利要求6所述燃料电池发电装置，其中所述亲水性基质层中孔隙至少50％具有的直径(D)等于或大于30/P，其中D以微米计，而P表示预定压差，以磅/平方英寸计。
9.如权利要求6所述燃料电池发电装置，其中所述亲水性多孔基质层为一种多孔碳基质层，它含有一种金属氧化物、金属氢氧化物或金属含氧氢氧化物，其中所述金属选自锡、铝、铌、钌、钽、钛、锌、锆及其混合物，从而使所述多孔碳基质层表现为亲水性。
10.如权利要求5所述燃料电池发电装置，其中所述反应气体物流和所述冷却剂物流间的预定压差约为0.5-10psi。
11.如权利要求10所述燃料电池发电装置，其中所述反应气体物流和所述冷却剂物流间的预定压差约为1.0-3psi。
12.如权利要求11所述燃料电池发电装置，其中所述反应气体物流和所述冷却剂物流间的预定压差约为2.0-2.5psi。
13.如权利要求5所述燃料电池发电装置，其中位于所述支撑板之一的多孔基质层是疏水性的。
14.如权利要求5所述燃料电池发电装置，其中所述支撑板之一还可含有一个扩散层，其设置在所述基质层和所述膜电极装置之间。
15.如权利要求14所述燃料电池发电装置，其中所述扩散层具有的临界表面能等于或小于约30dyne/cm2。
16.如权利要求5所述燃料电池发电装置，其中所述阳极支撑板和阴极支撑板中仅有一个含有一个扩散层。
17.如权利要求5所述的燃料电池发电装置，其中所述支撑板包括一个多孔基质层，且其中所述燃料电池发电装置还包括一个与每个所述支撑板相邻的多孔水输送板。
18.如权利要求17所述燃料电池发电装置，其中所述两个多孔水输送板都具有一个通道，用于冷却剂物流从其中流过，和一个交指型通道，用于反应气体物流进入到其中并从中流出，且其中所述燃料电池发电装置还包括用来在每种所述反应气体物流与所述冷却剂物流间形成预定压差的装置，使得每种反应气体物流的压力大于所述冷却剂物流的压力。
19.一种运转燃料电池发电装置的方法，所述发电装置包括
(a)一个燃料电池，它包括一个阳极支撑板和一个阴极支撑板和一个设置在所述阳极和阴极支撑板之间的膜电极装置，所述膜电极装置包括一个设置在两个催化剂之间的聚合物电解质膜，所述支撑板每个都包括一个其中具有孔隙的基质层；
(b)一个多孔水输送板，它与所述支撑板之一相邻，所述多孔水输送板具有一个通道用于冷却剂物流从其中流过，并具有一个交指型通道用于反应气体物流进入到其中并从中流出；和
(c)用来在所述反应气体物流和所述冷却剂物流间形成预定压差的装置，使得所述反应气体物流的压力大于所述冷却剂物流的压力；
所述方法其特征在于包括下述步骤：
使含氢气体在所述阳极支撑板邻近流过；
使空气在基本大气压下流过所述交指型通道；
控制空气流率以保持氧化剂化学计量为250％或更低；
根据流过所述燃料电池相应的电力负荷，在最大电流密度至少为1.6安培/平方厘米下运转所述燃料电池；和
根据流过所述燃料电池相应的电力负荷，在电流密度小于1.6安培/平方厘米下运转所述燃料电池。
20.一种运转含有多个燃料电池的PEM燃料电池系统的方法，每个电池包括一个阳极支撑板、一个阴极支撑板、一个设置在所述支撑板之间的膜电极装置、位于所述膜电极装置阴极一侧上的交指型氧化剂液流通路和位于所述膜电极装置阳极一侧的燃料液流通路，所述方法其特征在于包括下述步骤：
使含氢气体流过所述液流通路；
使空气在基本大气压下流过所述氧化液流通路；
控制空气流速以保持氧化剂化学计量为250％或更低；
根据流过所述燃料电池相应的电力负荷，在最大电流密度至少为1.6安培/平方厘米下运转所述燃料电池；和
根据流过所述燃料电池相关的电力负荷，在电流密度小于1.6安培/平方厘米下运转所述燃料电池。
21.如权利要求20所述方法，其中所述控制和运转步骤包括：
在最大电流密度至少1.5安培/平方厘米下运转所述燃料电池，同时控制所述流率以保持化学计量约167％或更低。
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