專利名稱：具有用于實現(xiàn)延長壽命的工作溫度的燃料電池組件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及燃料電池。特別是，本發(fā)明涉及使燃料電池在用于實現(xiàn)延長燃料電池壽命的溫度下運行。
背景技術：
燃料電池是眾所周知的且越來越多地用于各種應用中。一種類型的燃料電池為已公知的磷酸燃料電池(PAFC)且例如用于固定式發(fā)電應用中。已公知的磷酸燃料電池的一個缺點在于電池堆組件通常約每5年即需要進行更換。超過該時間后，組件的性能發(fā)生劣化達到比對于大多數(shù)應用而言有用的或可接受的水平更低的水平。性能損失通常是由于催化劑層的多個部分被電解質溢流浸注而造成的。電池堆組件中的電極電位和工作溫度隨時間產(chǎn)生的組合效應導致含碳催化劑載體表面產(chǎn)生氧化，這導致出現(xiàn)使性能發(fā)生劣化的溢流現(xiàn)象。
所希望的是提供一種經(jīng)過改進的燃料電池布置，所述燃料電池布置不需要像已公知的布置那樣頻繁地更換電池堆組件。本發(fā)明滿足了這種需要。
發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例運行的一種典型的燃料電池組件包括電化學活性部分，所述電化學活性部分在所述組件的整個使用壽命期間在介于約340(171℃)與約360(182℃)之間的范圍內的平均溫度下運行。在一個實例中，利用處于該范圍內的平均工作溫度使所述燃料電池組件的使用壽命與依靠傳統(tǒng)工作溫度范圍的布置相比大體上延長至兩倍。
一種使燃料電池組件運行的典型方法包括確定所述組件的電化學活性部分的溫度與隨時間變化的性能之間的關系?；谒龃_定的關系，選擇平均工作溫度從而對于所需的最小時間量而言實現(xiàn)所需的最小性能。
在一個實例中，所述平均工作溫度范圍介于約340(171℃)與約360(182℃)之間。
一個實例包括選擇低于所述平均工作溫度范圍中的最低溫度的最小工作溫度。在一個實例中，所述最小工作溫度為約300(149℃)。另一個實例包括選擇用于所述燃料電池組件的所述電化學活性部分的最大工作溫度，所述最大工作溫度超過了所述平均工作溫度范圍內的最高溫度。在一個實例中，所述最大溫度為約390(199℃)。
從下面對目前優(yōu)選的實施例進行的詳細描述中，本領域的技術人員將更易于理解本發(fā)明的各個特征和優(yōu)點。該詳細描述的附圖可簡要說明如下。
圖1示意性地示出了燃料電池組件；圖2是溫度與隨時間變化的燃料電池性能之間的關系的曲線圖；和圖3是燃料電池的運行狀況與時間之間的典型關系的曲線圖。
具體實施例方式
圖1示意性地示出了燃料電池組件20。電池堆組件包括位于電解質部分26的相對側上的多個陽極22和陰極24。這些部件按照已公知的方式運行。在一個實例中，電解質部分26包括磷酸且組件已公知為磷酸燃料電池組件。
如圖所示的實例還包括冷卻裝置30，正如已公知地，所述冷卻裝置通過使冷卻劑進入入口32并排出出口34而按照已公知的方式運行。
正如已公知地，燃料電池組件在組件內的不同位置處具有不同溫度。為了說明的目的，陰極24與陽極22中的催化劑之間存在交疊的電化學活性區(qū)域被稱作燃料電池組件20的電化學活性部分40。同樣已公知地，出于存在局部電流密度的變化且由于冷卻裝置3 0的構型等原因，因此電化學活性部分內的溫度可產(chǎn)生變化。例如，沿電池堆內的冷卻劑流的方向存在溫度梯度，且由于每個冷卻裝置與熱量流從電池向冷卻裝置流動的方向之間存在的典型數(shù)量的電池的原因，因此沿軸向方向存在溫度梯度。組件內的溫度還隨著電池的功率需求的改變而改變。
燃料電池組件的一個特征在于電化學活性部分的工作溫度對組件的使用壽命產(chǎn)生了直接影響。例如，圖2示出了相對于400(204℃)的衰減系數(shù)與工作溫度的關系曲線圖50。曲線52示出了電池性能的衰減與溫度之間的一種典型關系。從圖2中可以看到，升高的溫度對應于逐漸升高的衰減速率，所述逐漸升高的衰減速率進一步對應于更短的燃料電池的使用壽命期限。根據(jù)本發(fā)明的一種典型實施方式，溫度與隨時間變化的性能之間的關系被用作選擇燃料電池組件的工作溫度范圍時的決定因素。
對于傳統(tǒng)方案而言，磷酸燃料電池電力設備的運行條件被選擇以達到最大的初始性能和初始電力設備效率。采取這種方案需要基于電池堆組件內的材料的限制設定工作溫度。該方案未將性能劣化考慮作為選擇電化學活性部分40的工作溫度時的決定因素。因此，本說明書中首次披露了以傳統(tǒng)方案中未使用的決定因素作為基礎的典型方案。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例進行設計的典型燃料電池組件包括用于電化學活性部分40的平均工作溫度范圍，所述平均溫度范圍被選擇從而對于至少選定的時間量而言實現(xiàn)至少最低的性能水平(即可得的功率輸出)。一個實例包括介于約340(171℃)與約360(182℃)之間的范圍內的電化學活性部分40的平均工作溫度。該平均工作溫度范圍被認為是在燃料電池組件的使用壽命期間的平均值。當然，出于已公知的原因，工作溫度將產(chǎn)生一些變化。
在一個實施例中，處于平均工作溫度范圍之外的電化學活性部分40的最大工作溫度被保持在約380(193℃)與約400(204℃)之間。保持該最大溫度處于或低于該范圍內的一定溫度減輕了與燃料電池組件中升高的溫度直接相關的性能衰減現(xiàn)象。在一個優(yōu)選實例中，電化學活性部分40的最大工作溫度為390(199℃)。該最大工作溫度將很可能出現(xiàn)在接近冷卻裝置之間的電池堆中心的電池中。
在一個實例中，處于運行狀態(tài)下的電化學活性部分的絕對最小溫度被保持在至少300(149℃)的溫度下。保持至少300(149℃)的最小溫度是用于使陽極催化劑由于重整燃料中存在的一氧化碳而發(fā)生中毒的現(xiàn)象最小化的優(yōu)選方式。
不作為電化學活性部分40的一部分的燃料電池組件的非電化學活性部分，如按照已公知的方式運行的酸冷凝區(qū)域，可在更低的溫度下運行。燃料電池組件的非電化學活性部分的可接受范圍可不同于用于電化學活性部分的可接受范圍且可被選擇以滿足特定情況的需要。
例如，在一個實例中，冷卻劑入口32具有約270(132℃)的工作溫度且冷卻劑出口34具有約337(169℃)的相關溫度。這些典型溫度對應于350(177℃)的電化學活性部分的平均工作溫度和390(199℃)的電化學活性部分40的最大溫度。
已公知的磷酸燃料電池在介于約環(huán)境壓力與約10個大氣壓之間的反應劑壓力下運行。正如已公知地，衰減速率隨著壓力的增加而增加。這是由于含碳催化劑載體發(fā)生氧化而造成的，所述碳催化劑載體在更高的壓力下變得更易于濕化。在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例設計的典型燃料電池組件中，優(yōu)選的運行壓力處于約環(huán)境壓力下(即在約14.7psia與20psia之間)。
在一些實例中，與利用傳統(tǒng)方案選擇工作溫度的燃料電池相比，基于性能與時間之間的關系選擇用于電化學活性部分的平均工作溫度范圍將在燃料電池壽命的開始階段提供某種程度上更低的電壓輸出和更低的效率。然而，利用本發(fā)明的方案，平均電壓和效率超過了在更高的溫度下運行的電池的平均電壓和效率。此外，利用本發(fā)明的方案，燃料電池能夠在延長的壽命周期中提供這種改進的輸出。在一個實例中，與利用傳統(tǒng)溫度范圍的具有相似構造的組件相比，燃料電池組件的使用壽命延長至兩倍。
圖3包括每個電池的電壓隨時間變化的關系曲線圖60。第一曲線62示出了利用對應于上述實例的平均工作溫度范圍的燃料電池組件的一種典型關系。曲線64示出了利用傳統(tǒng)的更高溫度運行范圍的具有相應構造的燃料電池組件。盡管曲線64在燃料電池壽命周期的開始階段包括更高的電壓輸出，但增加的衰減速率表明利用根據(jù)本發(fā)明的工作溫度范圍的燃料電池很快在更高的效率下產(chǎn)生了更大功率且在長得多的有效時間內保持這種狀態(tài)。在圖示實例中，盡管在某種程度上犧牲了初始的性能和效率，但所述實例的優(yōu)點在于減慢了性能衰減速率且總體而言增加了平均功率，這使得壽命周期成本更低且燃料電池組件產(chǎn)生電力的成本更低。盡管描述是結合磷酸燃料電池的背景進行的，但本發(fā)明可應用于其它燃料電池如高溫聚合物電解質燃料電池。
通過上面的描述，本領域的技術人員將能夠選擇適當?shù)臏囟戎祻亩宰罴逊绞綕M足特定情況的需要。
前面的描述在本質上是示例性而非限制性的。本領域的技術人員將易于理解在不必偏離本發(fā)明的本質的情況下對所披露的實例作出的改變和變型。僅可通過研究下列權利要求書確定賦予本發(fā)明的法律保護范圍。
權利要求
1.一種使燃料電池組件運行的方法，所述方法包括以下步驟確定所述組件的電化學活性部分的溫度與隨時間變化的性能之間的關系；并且基于所述確定的關系選擇平均工作溫度范圍從而對于至少所需的最小時間量而言至少實現(xiàn)所需的最小性能。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述平均工作溫度范圍介于約340(171℃)與約360(182℃)之間。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，包括選擇低于所述平均工作溫度范圍中的最低溫度的最小工作溫度和高于所述平均工作溫度范圍中的最高溫度的最大工作溫度。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其中所述平均工作溫度范圍介于約340(171℃)與約360(182℃)之間，所述最小工作溫度為約300(149℃)且所述最大工作溫度小于約400(204℃)。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中所述最大工作溫度為約390(199℃)。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，包括使所述燃料電池組件在處于約環(huán)境壓力的壓力下運行。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述燃料電池為磷酸燃料電池。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述燃料電池為高溫聚合物電解質燃料電池。
9.一種使燃料電池組件運行的方法，所述方法包括使所述燃料電池組件的電化學活性部分在所述組件的整個使用壽命期間在介于約340(171℃)與約360(182℃)之間的平均工作溫度范圍內運行。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，包括保持所述電化學活性部分的最小溫度處于至少約300(149℃)的溫度。
11.根據(jù)權利要求9所述的方法，包括保持所述電化學活性部分的最大溫度處于小于約400(204℃)的溫度。
12.根據(jù)權利要求9所述的方法，包括利用約390(199℃)的所述電化學活性部分的最大溫度。
13.根據(jù)權利要求9所述的方法，包括使所述燃料電池組件在處于約環(huán)境壓力的壓力下運行。
14.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中所述燃料電池是磷酸燃料電池。
15.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中所述燃料電池是高溫聚合物電解質燃料電池。
16.一種燃料電池組件，所述燃料電池組件包括電化學活性部分，所述電化學活性部分在所述組件的整個使用壽命期間在介于約340(171℃)與約360(182℃)之間的范圍內的平均溫度下運行。
17.根據(jù)權利要求16所述的燃料電池組件，其中所述組件在處于約環(huán)境壓力的壓力下運行。
18.根據(jù)權利要求16所述的燃料電池組件，其中所述電化學活性部分具有高于約300(149℃)的最小溫度。
19.根據(jù)權利要求18所述的燃料電池組件，其中所述電化學活性部分具有小于約400(204℃)的最大溫度。
20.根據(jù)權利要求19所述的燃料電池組件，其中所述最大溫度為約390(199℃)。
21.根據(jù)權利要求16所述的燃料電池組件，包括具有約270(132℃)的相關溫度的冷卻劑入口和具有約337(169℃)的相關溫度的冷卻劑出口。
22.根據(jù)權利要求16所述的燃料電池組件，包括磷酸燃料電池。
23.根據(jù)權利要求16所述的燃料電池組件，包括高溫聚合物電解質燃料電池。
全文摘要
一種燃料電池組件(20)包括電化學活性部分(40)，所述電化學活性部分在基于所述燃料電池組件(20)的預期壽命周期所選擇的溫度范圍內的平均工作溫度下運行。在所披露的實例中，用于所述電化學活性部分的所述平均工作溫度范圍介于約340℉(171℃)與約360℉(182℃)之間。所述電化學活性部分的最大和最小工作溫度可位于所述平均工作溫度范圍之外。在一個實例中，所述電化學活性部分被保持在至少300℉(149℃)且小于400℉(204℃)的溫度下。
文檔編號H01M8/12GK101091273SQ200480044763
公開日2007年12月19日 申請日期2004年12月29日 優(yōu)先權日2004年12月29日
發(fā)明者R·D·布勞爾特, C·小羅爾巴赫 申請人:Utc電力公司