運行燃料電池的方法和設備的制作方法

專利名稱：運行燃料電池的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及運行燃料電池或電池組以提高它們的耐久性和壽命的方法，以及實現該目的的設備。
背景技術：
燃料電池是將含有燃料如氫的液體流和氧化物質如氧或空氣轉化為電力、熱能和反應產物的裝置。這類裝置包括陽極，向此處提供燃料；陰極，向此處提供氧化物質；和分隔陽極與陰極的電解質。燃料和/或氧化劑通常是液體或氣體材料。電解質是隔開燃料和氧化劑的電子絕緣體。電解質為離子在陽極與陰極之間移動提供離子通道，其中離子通過燃料反應在陽極產生，在陰極用離子生成產物。在形成離子的過程中產生的電子用于外電路，從而產生電力。如文中所述，燃料電池可包括只含有一個陽極、一個陰極和一個位于陽極與陰極之間的電解質的單個電池，或者組裝成電池堆的多個電池。在后一種情況中，電池中存在多個單獨的陽極區和陰極區，其中各個陽極區和陰極區被電解質分隔。在這種電池堆中，分別向各陽極區和陰極區中加入燃料和氧化劑，可以串聯或并聯外連接的任意組合進行連接，用以供電。單個電池或燃料電池堆中的其它部件可任選地包括將反應物分配到陽極和陰極上的裝置，包括但不限于，多孔氣體擴散介質和/或所謂的雙極板，其是具有分配反應物的通道的板。另外，還可以任選包括除去電池中熱量的裝置，例如，通過冷卻流體可以從其中流過的分離通道來除去熱量。
聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)是一類電解質是聚合物電解質的燃料電池。其它類型的燃料電池包括固體氧化物燃料電池(SOFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、磷酸燃料電池(PAFC)等。對于使用流體反應物運行的電化學裝置來說，唯一的挑戰是同時實現高性能和長運行時間。為了實現高性能，必需降低裝置中部件的電阻和離子阻抗。近來聚合物電解質隔膜的發展明顯地提高了PEMFC的功率密度。已經在許多其它方面取得了穩固的進步，包括減少Pt負載、延長隔膜壽命和在不同運行條件下實現高性能。但是，仍然還有許多技術挑戰。其中之一是使膜電極組件(MEA)能夠符合各種潛在應用的壽命要求。電池壽命從便攜式用品的數百小時到汽車用品的5000小時或更長到固定用品的40000小時或更長。在所有情況中，隔膜一定不能失效，不能出現嚴重的電極劣化。
如本領域中眾所周知的，降低聚合物電解質隔膜的厚度可以減小隔膜的離子阻抗，從而提高燃料電池的功率密度。在本申請中，功率密度定義為電壓和外電路電流的乘積再除以陰極活性區的幾何面積所得的值。活性區是陰極中催化劑存在的區域。
但是，減小隔膜的物理厚度會增加對來自其它裝置部件的損害的易感性，結果縮短電池壽命。已經作出了各種改進以緩解這一問題。例如，授予Bahar等人的美國專利RE 37307中顯示，用完全浸漬的微孔隔膜加強的聚合物電解質隔膜具有有利的機械性質，該專利文獻的全部內容通過參考結合于此。盡管該方法在改進電池性能和提高電池壽命方面取得了成功，但是更長的電池壽命是人們更為期待的。
在燃料電池或燃料電池堆正常運行的過程中，功率密度一般隨著運行時間的增加而下降。這種被各專業人員描述為電壓衰減、燃料電池耐久性或燃料電池穩定性的下降是不利的，因為隨著電池在使用過程中老化，電池所作的有效功下降。最終，電池或電池堆產生的功率太小，以至于完全不能繼續使用。在本申請中，耐久性被定義為具有特定的一組材料的燃料電池在給定的一組運行條件下運行時能使其功率輸出保持在可接受水平的能力。在本文中，通過確定燃料電池壽命測試過程中的電壓衰減量化該耐久性。壽命測試一般通過在給定的一組運行條件下運行一段固定的時間來進行。該測試在已知的溫度、相對濕度、流速和進氣壓力下進行，以固定電流或固定電壓的方式進行。在本申請中，壽命測試在恒電流條件下進行，盡管在本領域中眾所周知，恒電壓壽命測試也會產生電池功率輸出的衰減。在本文中，通過臨時停止壽命測試，即將電池從外負荷中移走，來計算衰減速率。在電池到達開路情況后，在與壽命測試同樣的運行條件(例如，電池溫度和相對濕度)下獲取極化曲線。該步驟在壽命測試的過程中進行多次。由對應于時間的極化曲線確定給定電流如800mA時的電壓和時間。然后，由在直到相關時間的所有測試時間處記錄的電壓與時間的圖的線性擬合的斜率計算任何給定的相關時間的衰減速率。
燃料電池運行中的另一個關鍵變量是電池運行的溫度。盡管溫度隨體系的類型不同而變化，對于PEMFC，運行溫度約低于150℃。PEMFC更通常在40至80℃運行，因為在該溫度范圍內，功率輸出的高水平在可接受范圍內，電壓隨時間的衰減的低水平在可接受范圍內。在較高的溫度運行，衰減速率往往會增加，電池的耐久性因而下降。然而人們非常期望電池能在高溫下運行，例如，在約90至150℃運行。在高溫下運行，潛在毒物如一氧化碳的影響會得到降低。而且，在常壓下超過100℃，就不會出現能導致溢流和其它有害效應的液體水。然而，就目前的材料和運行條件而言，在這些高溫下運行電池的短壽命是無法接受的。
盡管在努力提高燃料電池壽命方面已經對燃料電池作了許多改進，但是大部分工作還是集中在使用改進材料。極少有人將注意力放在能最大程度地提高燃料電池的壽命或耐久性的特定運行方法或設備上。
發明概述本發明是在約低于150℃的運行溫度下運行燃料電池的方法，所述燃料電池具有陽極、陰極和位于陽極與陰極之間的電解質，所述陰極具有至少一個面與具有氣體入口和氣體出口的陰極室接觸，所述陽極與陽極室接觸，所述電解質含有約小于500ppm的能促進由過氧化氫形成自由基的催化劑。該方法包括以下步驟向所述陽極室中加入燃料；向所述陰極室中加入氧化劑；對加入到所述陽極室和所述陰極室的水的量加以控制，使水蒸氣壓在所述運行溫度下在陰極室氣體出口處為不完全飽和(sub-saturated)。在本申請中，不完全飽和的水蒸氣指水的蒸氣壓低于水在所述運行溫度的平衡蒸氣壓。在本文中，不完全飽和水蒸氣壓也互換地表述為小于100％的相對濕度。
本發明的另一個實施方式是在低于約150℃的運行溫度下運行燃料電池的方法，所述燃料電池具有陽極、陰極和位于陽極與陰極之間的電解質，所述陽極具有至少一個面與具有氣體入口和氣體出口的陽極室接觸，所述陰極與陰極室接觸，所述電解質含有約小于500ppm的能促進由過氧化氫形成自由基的催化劑。該方法包括以下步驟向所述陽極室中加入燃料；向所述陰極室中加入氧化劑；對加入到所述陽極室和所述陰極室的水的量加以控制，使水蒸氣壓在所述運行溫度下在陽極室氣體出口處為不完全飽和。
在另一個實施方式中，所述方法包括以下步驟向所述陽極室中加入燃料；向所述陰極室中加入氧化劑；所述電解質含有約小于500ppm的能促進由過氧化氫形成自由基的催化劑，對加入到所述陽極室和所述陰極室的水的量加以控制，使所述燃料電池中的平均水蒸氣壓在所述運行溫度下是不完全飽和的。電池中的平均水蒸氣壓按照下文的數學方式定義。
本發明的另一個實施方式是上述任何方法，其中燃料電池是具有陽極、陰極和位于陽極與陰極之間的電解質的聚合物電解質膜燃料電池，其中所述電解質包含聚合物。這些方法的另一個實施方式包括向所述陽極室和所述陰極室中加入的水的量應使水蒸氣在陽極入口處以及任選在陰極入口處是不完全飽和的方法。
而更多的本發明的實施方式包括上述的任何方法，其中聚合物電解質燃料電池的聚合物包括含有與聚合物骨架連接的離子酸官能團的聚合物，其中所述離子酸官能團選自磺酸基、磺酰亞胺(sulfonimide)酸和膦酸；任選還包括含氟聚合物。所述聚合物可選自全氟磺酸聚合物、聚苯乙烯磺酸聚合物、磺化聚(芳基醚酮)、和含有酞嗪酮(phthalazinone)和酚基以及至少一種磺化的芳族化合物的聚合物。聚合物還可以包括具有聚合物纖絲的多孔微結構和任選的節點(nodes)的膨脹型聚四氟乙烯隔膜；浸漬了整個隔膜的離子交換材料，其中所述離子交換材料基本上浸漬了隔膜，以使隔膜的內部體積封閉(occlusive)。
在本發明的其它實施方式中，所述方法中使用的燃料包括氫氣，氧化劑包括氧氣。
而本發明的其它實施方式包括上述的任何方法，其中所述能促進由過氧化氫形成自由基的催化劑在隔膜中的濃度約小于150ppm，或者約小于20ppm。
本發明包括在40至150℃運行的上述方法，包括但不限于130℃、110℃、95℃和80℃。
本發明的其它實施方式包括一種設備，該設備包括用來測量燃料電池氣體出口處的出口相對濕度的傳感器和用來控制燃料電池氣體入口處的相對濕度的裝置，使得所述設備可以控制氣體入口處的相對濕度，以維持燃料電池在陽極出口處或陰極出口處的不完全飽和狀態。
另一個實施方式是包括用來測量燃料電池氣體出口處的出口相對濕度的傳感器和用來控制燃料電池氣體入口處的相對濕度的裝置的設備，使得所述設備可以控制氣體入口處的相對濕度，以使燃料電池的平均相對濕度維持在100％以下。


通過結合附圖考慮以下說明，本發明的實施將是顯而易見的。
圖1是單個燃料電池的截面的示意圖。
圖2是能運行燃料電池使其具有高耐久性和長壽命的設備的示意圖。
發明詳述為了開發在燃料電池中具有長壽命的隔膜，必須理解失效的機理。不受限于任何具體的理論，本領域已經知道有兩種主要的隔膜失效形式，即化學和機械的形式。后者已經通過各種方法解決了，例如，通過形成復合隔膜來解決，如Bahar等在RE 37,707中所述的。針對前者的解決方法也已經有人提出，例如，在授予E.I.Du Pont de Nemours，Inc.的GB1210794中所述的，其中描述了一種穩定離聚物的化學方法。在GB 1210794中提出，在燃料電池運行過程中產生的自由基會攻擊聚合物隔膜，使隔膜劣化(第3頁，第38-51行)。此外，該文獻中論述到，這種攻擊會由于使用催化劑如鐵陽離子促進自由基的形成而加速，如在過氧化氫溶液中進行的非原位測試過程中所顯示的(GB 1210794中第4頁，第63-86行)。后期的工作表明有許多能以相同方式作用的過渡金屬絡合物。一般而言，已經發現具有兩個氧化還原態的過渡金屬和/或過渡金屬氧化物對此反應起有效的催化作用。這類能促進由過氧化氫形成自由基的催化劑包括，但不限于，金屬離子和金屬氧化物離子，包括Ti、VO、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Ag、Eu和Ce的陽離子(參見，例如，表9，第123頁，Stukul，Giorgio，第六章，″Nucleophilicand Electrophilic Catalysis with Transition Metal Complexes″of CatalyticOxidations with Hydrogen Peroxide as Oxidant，Stukul，Giorgio(編輯)，Kluwer Academic Press，Dordrecht，Netherlands，1992)。因此，本領域中眾所周知的是，在燃料電池中的隔膜發生化學劣化的必要條件(盡管不是必要充分條件)是減少能促進由過氧化氫形成自由基的催化劑的濃度或者使該濃度降為零。而即使是低濃度的這類催化劑，劣化仍然會達到無法接受的高速率。本發明人已經通過在下文將全面描述的一組特定的運行條件下運行，發現隔膜劣化明顯減弱，隨之隔膜壽命得到提高，即使是在較高的溫度下也是如此。
燃料電池工業中的常識是，在非不完全飽和的條件下運行燃料電池是有利的，可以提高燃料電池中隔膜的壽命[參見，例如，圖5和相關文本，Knights，Shanna D.；Colbow，Kevin M.；St Pierre，Jean；Wilkinson，David P.；Journal of Power Source，127(1-2)，127-134(2004)；或第650頁，LaConti A.B.，Hamdan，M.，McDonald，R.C，第49章，第3卷，第647-662頁，Handbook ofFuel Cells-Fundamentals，Technology，Applications，Vielstich，W.，Lamm，A.，Gerischer，H.(編輯)，John Wiley&Sons，2003]。本發明人已經發現，通過使用在下文中將全面描述的方法中的不完全飽和條件，可以得到非常長的隔膜壽命，即使是在較高溫度下運行也是如此。因為隔膜通常是燃料電池中發生失效的首要部件之一，所以隔膜的壽命長對設計長壽命的燃料電池來說是至關重要的。隔膜失效可以是因為有孔洞或其它缺陷存在，這些缺陷使大量氣體在測試溫度穿過隔膜。更具體地說，文中所述的隔膜失效定義如下當陰極保持在常壓的氮氣中且電池處于測試的運行溫度時，加入到陽極出口的壓力為2psig的氫氣在陰極出口處產生流量等于或大于2.5立方厘米/分鐘的氫氣。在電化學術語中，流量2.5立方厘米/分鐘相當于有15毫安/平方厘米的氣體通過文中所用的電池設備。這種測試通常原位進行，如在下文的隔膜完整性測試部分中全面描述的。
本發明是運行燃料電池的方法和特別設計用來控制燃料電池以使它根據這種方法運行的設備。申請人已經發現，通過使用文中概述的本發明方法運行燃料電池，可以提高電池中隔膜的壽命，減少燃料電池在運行過程中的電壓衰減，減少隔膜的化學劣化。本發明方法是在低于約150℃的運行溫度下運行燃料電池的方法，所述燃料電池具有陽極、陰極和位于陽極與陰極之間的電解質，所述陰極具有至少一個面與具有氣體入口和氣體出口的陰極室接觸，所述陽極與陽極室接觸，所述電解質含有小于約500ppm的能促進由過氧化氫形成自由基的催化劑。該方法的一個實施方式包括以下步驟向所述陽極室中加入燃料；向所述陰極室中加入氧化劑；控制向所述陽極室和所述陰極室中加入的水的量，使水蒸氣壓在所述運行溫度下在陰極室氣體出口處是不完全飽和的。因此，本申請人已經發現，以能促進由過氧化氫形成自由基的小于約500ppm的催化劑濃度條件下運行燃料電池時，當在陰極氣體出口處為不完全飽和出口條件下運行時，可以得到較低的隔膜劣化、較長的隔膜壽命和較低的衰減速率。
本發明方法的燃料電池可以是任何類型的，例如，熔融碳酸鹽、磷酸、固體氧化物或最優選的聚合物電解質隔膜(PEM)燃料電池。如圖1所示，這類PEM燃料電池20包括陽極24、陰極26和如三明治結構夾在陽極與陰極之間的聚合物電解質25。PEM燃料電池可任選還包括分別位于陽極一側和陰極一側的氣體擴散層10’和10。這些GDM的作用是更有效地分散燃料和氧化劑。在圖1中，燃料從陽極氣體入口14’進入，流動通過陽極室13’，從陽極氣體出口15’離開。相應地，氧化劑從陰極氣體入口14進入，流動通過陰極室13，從陰極氣體出口15離開。陰極室和陽極室可任選包括含有凹槽或其它結構以更有效地將氣體分配到電極室中的板(圖1中未示出)。氣體擴散層10和10’可任選包括大孔擴散層12和12’，以及微孔擴散層11和11’。本領域中已知的微孔擴散層包括含有碳和任選的PTFE的涂層，以及含有碳和ePTFE的獨立(free standing)微孔層，例如可從W.L.Gore&Associates購得的CARBELMP氣體擴散介質。在本申請中，如果所述陰極的任何部分都接觸用作氧化劑的流體，則認為陰極至少具有一個面與陰極室接觸。相應地，如果所述陽極的任何部分都接觸用作燃料的流體，則認為陽極至少具有一個面與陽極室接觸。用作燃料和氧化劑的流體可包括氣體或液體。優選的是氣態燃料和氧化劑，特別優選的燃料包括氫氣。特別優選的氧化劑包括氧氣。
陽極和陰極分別包含合適的能促進燃料(例如，氫氣)氧化和氧化劑(例如氧氣或空氣)還原的催化劑。例如，對PEM燃料電池來說，陽極和陰極催化劑可包括，但不限于，純貴金屬，例如，Pt、Pd或Au；以及含有所述貴金屬和一種或多種選自下組的過渡金屬的兩元、三元或更高元的復合合金Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Ag、Cd、In、Sn、Sb、La、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Tl、Pb和Bi。當使用純氫氣作為燃料時，特別優選純Pt作為陽極。當使用重整氣體作為燃料時，Pt-Ru合金是特別優選的催化劑。純Pt是優選的用于PEMFC中陰極的催化劑。也可以使用非貴金屬合金催化劑，特別是在非PEMFC中，和運行溫度升高時。陽極和陰極還可以任選地包含其它能促進燃料電池運行的組分。這些組分包括，但不限于，電子導體(如碳)、離子導體(如基于全氟磺酸的聚合物或其它合適的離子交換樹脂)。另外，電極通常還是多孔的，以使氣體接觸所述結構中存在的催化劑。
PEM燃料電池的電解質25可以是本領域已知的任何離子交換隔膜。這些隔膜包括，但不限于，含有以下物質的隔膜苯酚磺酸；聚苯乙烯磺酸；氟化-苯乙烯磺酸；全氟化磺酸；磺化聚(芳基醚酮)；含有酞嗪酮和酚基，以及至少一種磺化芳族化合物的聚合物；芳族醚、酰亞胺、芳族酰亞胺、烴或全氟化聚合物，其中一種或多種離子和酸官能團與聚合物骨架連接。這類離子酸官能團可包括，但不限于，磺酸、磺酰亞胺酸或膦酸基團。另外，電解質25還可任選地包含一種加強劑以形成復合隔膜。較佳地，加強劑是聚合材料。聚合物優選是具有聚合纖絲的多孔微結構和任選的節點的微孔隔膜。這種聚合物優選是膨脹型聚四氟乙烯，但是也可以選擇包含聚烯烴，包括但不限于聚乙烯和聚丙烯。離子交換材料浸漬了整個隔膜，其中離子交換材料基本上浸漬微孔隔膜，以使隔膜的內部體積基本上封閉(基本上如Bahar等在RE 37307中所述的)，從而形成復合隔膜。
還發現了降低隔膜劣化和提高隔膜壽命的其它方法。本發明的另一個實施方式是在低于約150℃的運行溫度下運行燃料電池的方法，所述燃料電池具有陽極、陰極和位于陽極與陰極之間的電解質，所述陽極具有至少一個面與具有氣體入口和氣體出口的陽極室接觸，所述陰極與陰極室接觸，所述電解質含有小于約500ppm的能促進由過氧化氫形成自由基的催化劑。該方法包括以下步驟向所述陽極室中加入燃料；向所述陰極室中加入氧化劑；控制向所述陽極室和所述陰極室中加入的水的量，使水蒸氣壓在所述運行溫度下在陽極室氣體出口處是不完全飽和的。在另一個實施方式中，該方法包括以下步驟向所述陽極室中加入燃料；向所述陰極室中加入氧化劑；控制向所述陽極室和所述陰極室中加入的水的量，使所述燃料電池中的平均水蒸氣壓在所述運行溫度下是不完全飽和的。文中的電池中的平均水蒸氣壓是由燃料電池運行過程中水的質量平衡計算得到的水的蒸氣壓。具體地，可以通過用燃料電池中的總壓乘以氣體流中的水的摩爾分數來計算。水在氣體流中的摩爾分數是加入到電池中的水和電池產生的水的總和除以該總和再加上電池出口處的氣體摩爾數的和所得的值。電池出口處的氣體摩爾數可通過氣體化學計量和電池的運行電流進行計算。在文中平均水蒸氣壓被互換表述為燃料電池中的平均理論相對濕度或者平均相對濕度，都用RHth表示。當燃料電池中的平均相對濕度小于100％時，平均水蒸氣壓是不完全飽和的。RHth的數學表示如下文所述。
而本發明的另一個實施方式是上述的任何方法，其中聚合物電解質燃料電池的聚合物包括含磺酸的聚合物，包括但不限于全氟磺酸或聚苯乙烯磺酸聚合物。所述聚合物還可任選地包括含氟聚合物，包括但不限于，膨脹型聚四氟乙烯。聚合物還可包括具有聚合纖絲的多孔微結構和任選的節點的膨脹型聚四氟乙烯隔膜；浸漬了整個隔膜的離子交換材料，其中離子交換材料基本上浸漬了隔膜以使隔膜的內部體積基本上封閉。
燃料電池的運行溫度可根據電池的類型、使用的組分和燃料的類型而變化。例如，PEM燃料電池通常在低于150℃的溫度下運行。較佳地，所述PEM燃料電池的運行溫度為40至150℃，包括但不限于在約80℃、約95℃、約110℃或約130℃的溫度運行。
而本發明的另一個實施方式是控制燃料電池使陽極出口或陰極出口或燃料電池中的平均相對濕度是不完全飽和的設備。如圖3中所示的這種設備通過使用傳感器32’和32測量陽極15’和陰極15的出口氣體流的相對濕度來控制燃料電池20的運行條件。將來自這些傳感器的電輸出傳輸到能計算可用于控制輸入相對濕度的信號的計算機或其它電子裝置中。在閉環系統中動態調節該信號的量值，并輸入到用于控制氣體入口的相對濕度以使陰極、陽極的輸出相對濕度或燃料電池中的平均相對濕度為不完全飽和的裝置。這類控制燃料電池氣體入口處的相對濕度的裝置包括但不限于以下對施加于電池的總氣體壓力加以控制的裝置、對入口氣體的氣體化學計量和/或流速加以控制的裝置、對電池和/或入口氣體的溫度加以控制的裝置，和對入口氣體的相對濕度加以控制的裝置。實現這些目的中的各個目的的這類裝置是本領域眾所周知的。例如，對于控制入口氣體的相對濕度的情況，將瓶中裝滿水，使輸入氣體通過它進行噴射。在此情況下，可以使用包裹在瓶上的加熱帶(圖3中未示出)或通過其它控制瓶中水溫的裝置來控制輸入相對濕度。分別用于陽極和陰極的瓶33’和33優選如圖所示使用以控制入口陽極氣體相對濕度、入口陰極氣體相對濕度或同時控制兩者的相對濕度，但是也可以使用單個瓶。任選地，可使用作為控制輸入相對濕度的裝置的一部分的傳感器31’和31來測量來自陽極14’和陰極14的入口氣體流的相對濕度。
實施例膜電極組件的說明(MEA)測試中使用標記為類型A、類型B和類型C的三種類型的MEA。類型A的MEA是PRIMEA系列5510膜電極組件，陽極側和陰極側上都負載有0.4毫克/平方厘米的Pt，可從W.L.Gore&Associates購得。這些MEA包含GORE-SELECT的ePTFE加強的全氟磺酸離聚物的復合隔膜。類型B的MEA與類型A的MEA基本相同，不同的是類型B的MEA的隔膜在組裝到MEA中前進行過額外處理，用約550ppm的Fe摻雜隔膜。選擇鐵作為能加強由會加快隔膜劣化的過氧化氫形成自由基的催化劑的代表。具體來說，通過制備5PPM的鐵溶液向制備類型A的MEA中所用的隔膜中加入鐵，其中5PPM的鐵溶液是通過將0.034克七水合硫酸亞鐵催化劑溶解在1350克去離子水中而制得的。將稱量過的約1.3克隔膜放置在250毫升塑料廣口瓶中。向瓶中加入150毫升摻雜溶液以覆蓋樣品。用通氣蓋蓋上瓶子，放入到設定在60℃的預熱過的浴中。在17.5小時后，取出瓶子。小心傾析出溶液并廢棄。向保留在瓶中的隔膜樣品中加入100毫升去離子水。搖晃瓶子片刻以清洗隔膜樣品。取出隔膜樣品，放置在清潔表面上。使經過摻雜的隔膜樣品在環境條件下干燥過夜。通過在Knoxville，TN的Galbraith Laboratories對由上述相同的溶液批料制備的三種不同隔膜樣品的混合物進行化學分析測量得到鐵的摻雜量為550ppm。在類型A的MEA中使用的七批不同隔膜上進行的類似分析表明平均鐵含量為12ppm。
類型C的MEA使用的復合隔膜是通過用磺化的聚苯乙烯-嵌段-聚(乙烯-無規-丁烯)-嵌段-聚苯乙烯離聚物加強的多孔膨脹型PTFE形成的，該離聚物可從Aldrich Chemicals(產品編號448885)以5重量％的1-丙醇和二氯乙烷的溶液的形式購得。這些復合隔膜一般根據Bahar等人在RE37707中的描述制得，具體如下1.將根據Gore的美國專利第3953566號所述制備的質量/面積為7.0克/平方米、厚度為20微米、孔隙度至少為85％的ePTFE隔膜限定在8”直徑的類似繡花繃架的圈環(embroidery hoop)中。
2.使用泡沫刷將離聚物溶液涂層施涂到隔膜的各面上。
3.使用吹風機干燥所得復合物。
4.通過重復步驟2-3施涂多個涂層，直到用測微計測量的吸液樣品(imbibed sample)的最終厚度為16-20微米為止。
5.然后在溶劑烘箱中，在80℃對復合隔膜進行熱處理10分鐘。
6.經過干燥、退火的樣品在使用前在環境條件下存儲約1星期。
將隔膜放置在兩個PRIMEA5510電極(可從Japan Gore-Tex，Inc.購得)之間。將這種三明治結構放置在附帶加熱壓板的液壓機(PHI Inc，型號B-257H-3-MI-X20)的壓板之間。上壓板被加熱到180℃。將一片0.25”厚的GR薄片(可從W.L.Gore & Associates，Elkton，MD購得)放置在各壓板和電極之間。向系統施加3分鐘15噸的壓力，以使電極與隔膜結合。這些MEA如下文所述組裝成燃料電池，在不同的運行條件下進行測試。
電池硬件和組件對于所有的實施例，使用標準25平方厘米活性區的硬件進行膜電極組件(MEA)的性能評價。該硬件在本申請的下文中稱為“標準硬件”。標準硬件由在陽極和陰極側都具有三通道蜿蜒流場的石墨塊組成(The standardhardware consisted of graphite blocks with triple channel serpentine flow fieldson both the anode and cathode sides)。路徑長度是5厘米，凹槽尺寸為0.70毫米寬×0.84毫米深。使用的氣體擴散介質(GDM)是來自W.L.Gore&Associates的CarbelMP 30Z的微孔層，該微孔層設置在用5％的PTFE疏水層作過防濕處理的Toray TGP-H 060大孔層的上部。用具有5.0厘米×5.0厘米方形窗口的10密耳硅橡膠墊片和下文中稱為子墊片(sub-gasket)的1.0密耳的聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)膜(可從Tekra Corp.，Charlotte，NC.購得)墊片組裝電池。子墊片在陽極和陰極側都具有4.8×4.8厘米的開放窗口，結果使MEA活性區域的面積為23.04平方厘米。組裝兩種不同類型的電池。一類是僅僅使用標準螺栓來壓制和密封電池，而另一類在擰緊的螺栓上使用彈簧墊圈以更好地在運行過程中維持電池上的固定負載。前者稱為螺栓負載，后者稱為彈簧負載。電池的組裝步驟如下1.在工作臺上放置25平方厘米的三通道蜿蜒設計流場(triple serpentinechannel design flow field)(由Fuel Cell Technologies，Inc，Albuquerque，NM提供)。
2.對于螺栓負載電池，在流場上部放置7密耳厚的窗口形CHR(Furon)cohrelastic聚硅氧烷涂布的織物墊片(由Tate EngineeringSystems，Inc.，Baltimore，MD提供)，該墊片的大小應使25平方厘米的GDM適合位于其中。對于彈簧負載電池，替代使用的是11密耳的薄膜聚酯(mylar)載體墊片和3.5密耳的甲基-乙烯基聚硅氧烷橡膠墊片(40Shore ADurometer)珠(bead)(Freudenberg-NOK General Partnership，Plymouth，MI)。
3.將一片GDM放置在墊片內，使MP-30Z層面朝上。
4.在GDM的上部放置窗口形的聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)膜子墊片(可從Tekra Corp.，Charlotte，NC.購得)，該墊片的大小應使它可以與所有面上的GDM略微交疊。
5.在子墊片上設置陽極/隔膜/陰極體系，陽極面朝下。
6.以相反的順序重復步驟(b)至(e)，形成陰極隔間。對于螺栓負載的電池來說，用在陰極側的墊片與用在陽極側的墊片相同，而將5密耳的CHR(Furon)cohrelastic聚硅氧烷涂布的織物墊片用于彈簧負載電池。
7.在螺栓負載的情況中，將電池放置在虎鉗中，將8個留掛螺栓擰緊到45英寸-磅。在彈簧負載的情況中，在將電池放到虎鉗中前，所有螺栓都具有就位的彈簧墊圈，即可從MSC Industrial Supply Co.(Cat#8777849)購得的Belleville盤簧。然后將螺栓擰緊到之前已經確立的能夠對活性區域提供100-120psi壓縮壓力的固定距離。使用從Sensor Product，Inc.購得的PressurexSuper Low Film壓力紙(pressure paper)測量壓縮壓力。
燃料電池測試平臺的說明在帶有Globe-Tech Gas Sub Unit 3-1-5-INJ-PT-EWM和Scribner加載模塊(load unit)890B的燃料電池測試平臺中測試組裝的電池。用從Electrochem Corporation購得的瓶子取代這些平臺中的潤濕瓶，以提高增濕器的效率。通過維持瓶子的溫度，并且通過將平臺和電池之間的所有入口管線加熱到比瓶溫高4℃以防止在該管線中發生冷凝，來小心控制測試過程中的濕度。在某些情況中，分別測量陽極和/或陰極的入口和/或出口的相對濕度。另外，使用陽極和陰極的入口相對濕度和在電池運行電流下產生的理論水量由質量平衡計算平均出口相對濕度。實驗和理論計算的步驟將在下文中作更全面的描述。
測試測量的說明在使用上述步驟組裝電池并將電池連接到測試平臺后，在下述的測試溫度和壓力下啟動電池。
電池首先設置在電池溫度為70℃，陽極和陰極入口氣體的相對濕度為70％的燃料電池條件下。提供給陽極的氣體是實驗室級的氫氣，流速比維持由電池中電流決定的氫在電池中的轉化速率所需的流速大1.2倍(即1.2倍的化學計量)。將經過過濾、壓縮和干燥的氣體以兩倍化學計量的流速提供給陰極。
電池老化(be conditioned)18小時。老化過程包括在70℃，在設定電位600mV(30分鐘)、300mV(30分鐘)和950mV(0.5分鐘)之間循環18小時。然后通過以下步驟獲得極化曲線控制外加電位，在600mV開始，然后使電位以50mV的步幅降低到400mV，然后以50mV的步幅再回到900mV，記錄每一步的穩態電流。記錄的開路電壓在600mV至650mV之間。
在上述步驟后，將電池設定到測試壽命的條件。對所有將進行的衰減速率測量來說，此時被認為是壽命測試的開始，即0時刻。使用以下的測量技術來監控關鍵測試變量。
出口和平均相對濕度情況為了理解隔膜暴露于其中的水合條件，至少在四個不同的溫度和入口相對濕度條件下測量一次陽極和陰極出口處的相對濕度。這通過在已知的時間段內分別冷凝和收集來自陽極和陰極出口處的產物水來完成。稱量收集的水的重量，然后根據背壓、氣體的化學計量和電池溫度來計算RH。使用下式計算相對濕度 式中，RHi是電極室i的相對濕度，以百分數計，其中i是陽極或陰極；pTot是施加于電池的總氣體壓力；nH2Ol是測量的來自電極i的水的摩爾數；n氣體是電池沒有使用的過量的氣體摩爾數；這里n氣體是由氣體流中使用的化學計量和運行電流計算的。
獨立地，根據質量平衡使用下式理論計算平均相對濕度 式中RHth是以百分數計的平均理論相對濕度；(∑nH2O)是通過入口陽極和陰極氣體提供給電池的水的總摩爾數；nprod是在電池反應過程中產生的水的摩爾數；n氣體是沒有在電池中使用的過量的氣體摩爾數；PTot是施加于電池的總壓，P0T是水在電池運行溫度時的飽和蒸氣壓。∑nH2O由測試過程中使用的氣體流速和陽極與陰極入口處的相對濕度計算；nprod由法拉第常數和運行電流計算，n氣體由氣流中所用的化學計量和運行電流計算。在各個用于測試的溫度至少進行一次對理論計算的實驗核實。為了進行比較，按照與RHth相同的方法計算電池的平均實驗相對濕度，不同的是上述等式中的[(∑nH2O)+nprod]用實驗測得的陽極和陰極出口處的水的總摩爾數nH2O陽極+nH2O陰極來替代。在所有情況中，平均實驗RH和RHth之間的一致性很好地落在實驗誤差內。
電壓衰減速率在所有測試中，每周一次(大約每168小時)或者如果電池電壓比預期下降得更快則更頻繁地中斷恒電流運行情況，得到上述電壓控制的極化曲線。在極化測量結束后，由極化曲線測量電流密度為100和800毫安/平方厘米時的電池電壓值。將這些值相對于時間作圖，得到電壓衰減速率。對于兩種不同電流密度，衰減速率都記錄為電壓隨時間變化的圖的線性擬合斜率。
離聚物化學劣化速率對于所有使用類型A或類型B的MEA的測試，對釋放到產物水中的氟化物離子的量進行監控，作為評價離聚物化學劣化速率的手段。這是確定含有全氟磺酸隔膜的燃料電池材料的劣化情況的眾所周知的技術。在測試的全過程中，使用PTFE涂布的不銹鋼容器在排出口收集燃料電池反應的產物水。然后在處于加熱板上加熱的PTFE燒杯中將收集的水濃縮約20倍(例如，2000毫升濃縮至100毫升)。在濃縮前，向燒杯中加入1毫升1M的KOH以防止HF蒸發。使用F--選擇電極(ORION960900，Orion Research，Inc.)確定濃縮水中的氟化物濃度。然后以F-數量/cm2-小時為單位計算氟化物的釋放速率。
對于使用類型C的MEA的測試，不能使用氟化物釋放速率，因為該隔膜是基于烴的，即，該隔膜不含氟。因此，在此情況中，監控釋放到產物水中的酸的量。與全氟磺酸隔膜釋放氟化物類似，釋放到產物水中的質子的數目(即酸度)是隔膜劣化量的指標。按照其它測試中相同的方式收集和濃縮產物水，不同的是在濃縮前不加入KOH。使用自動滴定儀(TitraLab90，Radiometer Copenhagen)用堿進行滴定來確定濃縮水中酸的濃度。為了校正空氣中存在的CO2的影響，從測量值中減去已經用空氣沖洗過的蒸餾水樣品的酸含量。然后計算質子釋放速率(H+數量/cm2-小時)。對于質子和氟化物釋放速率，較低的數值都表示在給定測試條件下的化學劣化較弱。
隔膜完整性(membrane integrity)使用原位物理針孔測試評價測試過程中隔膜的完整性。該測試進行時，同時保持電池與實際測試條件盡可能地接近。在有指示表明隔膜可能已經失效的任何時候，進行這些測試。確定是否進行隔膜完整性測試的兩個主要指標是測試的開路電壓(OCV)值和衰減速率的數量級。每周(大約每168小時)進行一次OCV測試，除非運行過程中的電壓衰減速率似乎表明電池沒有正常運行，在此情況下，要更早地進行測試。OCV衰減測量的詳細說明如下1.檢查陽極和陰極潤濕瓶中的水位，以確保它們是滿的。如果不滿，將瓶子再裝滿。
2.在保持電池溫度、氣體壓力和進口處相對濕度條件的同時移走電池的負載。陽極的H2流量設定在50立方厘米/分鐘，陰極流量設定為0。
3.每一秒記錄一次OCV，共記錄30秒。
4.檢查這些測量過程中OCV的衰減。如果該衰減明顯大于之前觀察到的，則啟動物理針孔檢測，以測量隔膜的完整性。
5.如果OCV與之前測量的OCV非常接近，則將陽極和陰極流量重新設定到用于測試的初始值。
6.使用初始條件重新開始測試。
當如上所述需要進行物理針孔測試時，該測試按如下步驟進行1.移走電池的負載，設定開路條件，同時保持電池溫度和進口處的相對濕度條件。然后使電池陽極和陰極側的氣體壓力都降低到環境壓力。
2.切斷陰極的氣體進口與其氣源的連接，并且加蓋緊閉。然后將陰極出口處與流量計(AgilentOptiflow 420，Shimadzu Scientific Instruments，Inc.)相連。陽極進口保持與H2供給相連，陽極出口保持與通風孔相連。
3.將陽極氣體流量提高到800立方厘米/分鐘，將陽極出口壓力提高到比環境壓力大2psi。
4.使用流量計測量流過陰極出口的氣體的量。
5.由流量計上測量的流量的數量級確定隔膜是否失效。隔膜失效的標準確定為當H2的通過速率(cross-over rate)大于2.5立方厘米/分鐘時的漏率(leak rate)(相當于活性面積為23.04平方厘米的電池中，通過電流密度為15毫安/平方厘米)。
對比例C1-C6組裝電池，并用表1所示的條件按上文所述進行測試。在平均出口相對濕度非不完全飽和的條件下進行C1-C4和C6測試。在非不完全飽和和飽和條件下，分別測試高鐵含量的類型B隔膜作為對比例，C3-C4和C5。如同本領域中眾所周知的認識所預計的，在所有測試條件下，這些材料的劣化都較高。這些測試的結果示于表2中，而這些對比例的壽命，氟化物或質子釋放速率，和平均衰減速率可與實施例1-10比較。
實施例1-10組裝電池，并用表1所示的條件進行測試，平均出口相對濕度是不完全飽和的。溫度如表中所示在80℃至130℃之間變化，改變陽極和陰極進口處的相對濕度以及壓力變化，以確保出口條件是不完全飽和的。在一些情況下，按表1中所示調節陽極氣體氫氣的化學計量，以維持穩定的電池性能。按表1所示，使用三種不同類型的MEA和螺栓負載(bolt-loaded)或彈簧負載(spring-loaded)的電池進行測試。這些測試的結果示于表2中。在給定溫度，與對比例相比(表2，實施例2-5與C1-C2比較)，壽命較長，兩種不同電流下的平均衰減速率較低，本發明條件下的氟化物釋放速率較低。在本發明的所有溫度條件下都令人驚奇地觀察到延長的壽命、低衰減速率和降低的氟化物或質子釋放速率。對于基于烴的隔膜MEA(類型C，見表2，實施例6與C6比較)，也得到同樣的結果。特別驚奇的是，本領域技術人員熟知的穩定性比全氟磺酸基隔膜差的類型C烴隔膜材料在同樣的溫度時，在本發明條件下比處于非不完全飽和條件下的類型A隔膜材料具有更長的壽命(表2，實施例6與實施例C1-C2比較)。
為了進一步證實由不完全飽和出口條件帶來的改進，在測試進行2300小時后，將實施例3的測試條件從不完全飽和條件轉換到實施例C1的非不完全飽和條件。在轉變到非不完全飽和條件后，氟化物的釋放速率提高了一個數量級，從3.7E+14F-離子/小時-平方厘米到7.3E+15F-離子/小時-平方厘米，在100毫安/平方厘米和800毫安/平方厘米的衰減速率分別(從2微伏/小時和5微伏/小時)提高到70微伏/小時和600微伏/小時，在此條件下電池僅在840小時后就失效。
表1.實施例和對比例的測試參數

*實施例3首先在不完全飽和出口條件(50/0％進口相對濕度)下運行2300小時，然后轉換到非不完全飽和條件(50/50％進口相對濕度)，直到隔膜失效。
在所有測試中，陰極化學計量固定在2.1。
表2不同測試的出口相對濕度值
整個測試時間內的平均值。
如果測試超過2000小時，第一個2000小時內的平均值；如果測試少于2000小時，整個測試時間內的平均值。
#N/A指因為沒有測量或計算而不適用。
*實施例3首先在不完全飽和出口條件(50/0％進口相對濕度)下運行2300小時，然后轉換到非不完全飽和條件(50/50％進口相對濕度)，直到隔膜失效。
**在有“＞”表示的情況中，測試在隔膜失效前終止，所以壽命至少是所示的數值。
因為電池墊片失效，所以測試終止。在終止時隔膜還沒有失效。
權利要求
1.一種在約150℃以下的運行溫度運行燃料電池的方法，所述燃料電池具有陽極、陰極和位于陽極與陰極之間的電解質，所述陰極至少有一個面與具有氣體進口和氣體出口的陰極室接觸，所述陽極與具有氣體進口和氣體出口的陽極室接觸，所述電解質含有小于約500ppm的能促進由過氧化氫形成自由基的催化劑，所述方法包括以下步驟i.向所述陽極室中加入燃料；ii.向所述陰極室中加入氧化劑；iii.對提供給所述陽極室和所述陰極室的水量加以控制，以使水蒸氣在所述運行溫度在所述陰極室的氣體出口處為不完全飽和。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料電池是具有陽極、陰極和位于陽極與陰極之間的電解質的聚合物電解質膜燃料電池，所述電解質包含聚合物。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述聚合物包括含有與聚合物骨架相連的離子酸官能團的聚合物，所述離子酸官能團選自磺酸、磺酰亞胺酸和膦酸；任選地還包括含氟聚合物。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述聚合物選自含全氟磺酸的聚合物、聚苯乙烯磺酸聚合物、磺化的聚(芳基醚酮)、和包含酞嗪酮和酚基以及至少一種磺化芳族化合物的聚合物。
5.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述電解質包含復合隔膜，所述復合隔膜包含i.具有聚合纖絲的多孔微結構和任選地具有節點的膨脹型聚四氟乙烯隔膜；ii.浸漬了整個隔膜的離子交換材料，其中所述離子交換材料基本上浸漬了隔膜，以使隔膜的內部體積基本上閉合。
6.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述燃料包括氫氣，所述氧化劑包括氧氣。
7.如權利要求2所述的方法，其特征在于，提供給所述陽極室和所述陰極室的水量應使水蒸氣在陽極進口處且任選地在陰極進口處為不完全飽和。
8.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述能促進由過氧化氫形成自由基的催化劑在隔膜中的濃度約小于150ppm。
9.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述能促進由過氧化氫形成自由基的催化劑在隔膜中的濃度約小于20ppm。
10.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述運行溫度在約40℃至150℃之間。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述運行溫度約為130℃。
12.如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述運行溫度約為110℃。
13.如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述運行溫度約為95℃。
14.如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述運行溫度約為80℃。
15.一種在約150℃以下的運行溫度運行燃料電池的方法，所述燃料電池具有陽極、陰極和位于陽極與陰極之間的電解質，所述陽極至少有一個面與具有氣體進口和氣體出口的陽極室接觸，所述陰極與具有氣體進口和氣體出口的陰極室接觸，所述電解質含有小于約500ppm的能促進由過氧化氫形成自由基的催化劑，所述方法包括以下步驟i.向所述陽極室中加入燃料；ii.向所述陰極室中加入氧化劑；iii.對提供給所述陽極室和所述陰極室的水量加以控制，以使水蒸氣在所述運行溫度在所述陽極室的氣體出口處為不完全飽和。
16.如權利要求15所述的方法，其特征在于，所述燃料電池是具有陽極、陰極和位于陽極與陰極之間的電解質的聚合物電解質膜燃料電池，所述電解質包含聚合物。
17.如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述聚合物包括含有與聚合物骨架相連的離子酸官能團的聚合物，所述離子酸官能團選自磺酸、磺酰亞胺酸和膦酸；任選還包括含氟聚合物。
18.如權利要求17所述的方法，其特征在于，所述聚合物選自含全氟磺酸的聚合物、聚苯乙烯磺酸聚合物、磺化的聚(芳基醚酮)、和包含酞嗪酮和酚基以及至少一種磺化芳族化合物的聚合物。
19.如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述電解質包含復合隔膜，所述復合隔膜包含i.具有聚合纖絲的多孔微結構和任選地具有節點的膨脹型聚四氟乙烯隔膜；ii.浸漬了整個隔膜的離子交換材料，其中所述離子交換材料基本上浸漬了隔膜，以使隔膜的內部體積基本上閉合。
20.如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述燃料包括氫氣，所述氧化劑包括氧氣。
21.如權利要求16所述的方法，其特征在于，提供給所述陽極室和所述陰極室的水量應使水蒸氣在陽極進口處且任選地在陰極進口處不完全飽和。
22.如權利要求21所述的方法，其特征在于，所述能促進由過氧化氫形成自由基的催化劑在隔膜中的濃度約小于150ppm。
23.如權利要求22所述的方法，其特征在于，所述能促進由過氧化氫形成自由基的催化劑在隔膜中的濃度約小于20ppm。
24.如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述運行溫度在約40℃至150℃之間。
25.如權利要求24所述的方法，其特征在于，所述運行溫度約為130℃。
26.如權利要求24所述的方法，其特征在于，所述運行溫度約為110℃。
27.如權利要求24所述的方法，其特征在于，所述運行溫度約為95℃。
28.如權利要求24所述的方法，其特征在于，所述運行溫度約為80℃。
29.一種在約150℃以下的運行溫度運行燃料電池的方法，所述燃料電池具有陽極、陰極和位于陽極與陰極之間的電解質，所述陽極至少有一個面與陽極室接觸，所述陰極與陰極室接觸，所述電解質含有小于約500ppm的能促進由過氧化氫形成自由基的催化劑，所述方法包括以下步驟i.向所述陽極室中加入燃料；ii.向所述陰極室中加入氧化劑；iii.對提供給所述陽極室和所述陰極室的水量加以控制，以使所述燃料電池中的平均水蒸氣壓在所述運行溫度是不完全飽和的。
30.如權利要求29所述的方法，其特征在于，所述燃料電池是具有陽極、陰極和位于陽極與陰極之間的電解質的聚合物電解質膜燃料電池，所述電解質包含聚合物。
31.如權利要求30所述的方法，其特征在于，所述聚合物包括含有與聚合物骨架相連的離子酸官能團的聚合物，所述離子酸官能團選自磺酸、磺酰亞胺酸和膦酸；任選還包括含氟聚合物。
32.如權利要求30所述的方法，其特征在于，所述聚合物選自含全氟磺酸的聚合物、聚苯乙烯磺酸聚合物、磺化的聚(芳基醚酮)、和包含酞嗪酮和酚基以及至少一種磺化芳族化合物的聚合物。
33.如權利要求29所述的方法，其特征在于，所述電解質包含復合隔膜，所述復合隔膜包含i.具有聚合纖絲的多孔微結構和任選地具有節點的膨脹型聚四氟乙烯隔膜；ii.浸漬了整個隔膜的離子交換材料，其中所述離子交換材料基本上浸漬了隔膜，以使隔膜的內部體積基本上閉合。
34.如權利要求30所述的方法，其特征在于，所述燃料包括氫氣，所述氧化劑包括氧氣。
35.如權利要求30所述的方法，其特征在于，所述能促進由過氧化氫形成自由基的催化劑在隔膜中的濃度約小于150ppm。
36.如權利要求30所述的方法，其特征在于，所述能促進由過氧化氫形成自由基的催化劑在隔膜中的濃度約小于20ppm。
37.如權利要求30所述的方法，其特征在于，所述運行溫度在約40℃至150℃之間。
38.如權利要求38所述的方法，其特征在于，所述運行溫度約為130℃。
39.如權利要求38所述的方法，其特征在于，所述運行溫度約為110℃。
40.如權利要求38所述的方法，其特征在于，所述運行溫度約為95℃。
41.如權利要求38所述的方法，其特征在于，所述運行溫度約為80℃。
42.一種運行燃料電池的設備，其包括測量燃料電池氣體出口處的出口相對濕度的傳感器和控制燃料電池氣體進口處的相對濕度的裝置，這樣所述設備可以控制氣體進口處的相對濕度，以保持燃料電池在陽極出口處的不完全飽和條件。
43.一種運行燃料電池的設備，其包括測量燃料電池氣體出口處的出口相對濕度的傳感器和控制燃料電池氣體進口處的相對濕度的裝置，這樣所述設備可以控制氣體進口處的相對濕度，以保持燃料電池在陰極出口處的不完全飽和條件。
44.一種運行燃料電池的設備，其包括測量燃料電池氣體出口處的出口相對濕度的傳感器和控制燃料電池氣體進口處的相對濕度的裝置，這樣所述設備可以控制氣體進口處的相對濕度，以保持燃料電池中的平均相對濕度小于100％。
全文摘要
一種在約150℃以下的運行溫度運行燃料電池的方法，所述燃料電池具有陽極、陰極和位于陽極與陰極之間的電解質，所述陰極至少有一個面與具有氣體進口和氣體出口的陰極室接觸，所述陽極與具有氣體進口和氣體出口的陽極室接觸，所述電解質含有小于約500ppm的能促進由過氧化氫形成自由基的催化劑。所述方法包括以下步驟；向所述陽極室中加入燃料；向所述陰極室中加入氧化劑；對提供給所述陽極室和所述陰極室的水量加以控制，以使水蒸氣壓力在所述運行溫度在所述陰極室的氣體出口處為不完全飽和。還揭示了一種設備，該設備包括測量燃料電池氣體出口處的出口相對濕度的傳感器和控制燃料電池氣體進口處的相對濕度的裝置，這樣所述設備可以控制氣體進口處的相對濕度，以保持燃料電池中的平均相對濕度小于100％。
文檔編號H01M8/04GK1961445SQ200580017229
公開日2007年5月9日 申請日期2005年3月31日 優先權日2004年4月6日
發明者W·K·劉, S·J·克萊格霍恩, W·B·約翰遜 申請人:戈爾企業控股股份有限公司