[发明专利]具有用于实现延长寿命的工作温度的燃料电池组件

说明书

技术领域

本发明主要涉及燃料电池。特别是，本发明涉及使燃料电池在用于实现延长燃料电池寿命的温度下运行。

背景技术

燃料电池是众所周知的且越来越多地用于各种应用中。一种类型的燃料电池为已公知的磷酸燃料电池(PAFC)且例如用于固定式发电应用中。已公知的磷酸燃料电池的一个缺点在于：电池堆组件通常约每5年即需要进行更换。超过该时间后，组件的性能发生劣化达到比对于大多数应用而言有用的或可接受的水平更低的水平。性能损失通常是由于催化剂层的多个部分被电解质溢流浸注而造成的。电池堆组件中的电极电位和工作温度随时间产生的组合效应导致含碳催化剂载体表面产生氧化，这导致出现使性能发生劣化的溢流现象。

所希望的是提供一种经过改进的燃料电池布置，所述燃料电池布置不需要像已公知的布置那样频繁地更换电池堆组件。本发明满足了这种需要。

发明内容

根据本发明的一个实施例运行的一种典型的燃料电池组件包括电化学活性部分，所述电化学活性部分在所述组件的整个使用寿命期间在介于约340(171℃)与约360(182℃)之间的范围内的平均温度下运行。在一个实例中，利用处于该范围内的平均工作温度使所述燃料电池组件的使用寿命与依靠传统工作温度范围的布置相比大体上延长至两倍。

一种使燃料电池组件运行的典型方法包括确定所述组件的电化学活性部分的温度与随时间变化的性能之间的关系。基于所述确定的关系，选择平均工作温度从而对于所需的最小时间量而言实现所需的最小性能。

在一个实例中，所述平均工作温度范围介于约340(171℃)与约360(182℃)之间。

一个实例包括选择低于所述平均工作温度范围中的最低温度的最小工作温度。在一个实例中，所述最小工作温度为约300(149℃)。另一个实例包括选择用于所述燃料电池组件的所述电化学活性部分的最大工作温度，所述最大工作温度超过了所述平均工作温度范围内的最高温度。在一个实例中，所述最大温度为约390(199℃)。

从下面对目前优选的实施例进行的详细描述中，本领域的技术人员将更易于理解本发明的各个特征和优点。该详细描述的附图可简要说明如下。

附图说明

图1示意性地示出了燃料电池组件；

图2是温度与随时间变化的燃料电池性能之间的关系的曲线图；和

图3是燃料电池的运行状况与时间之间的典型关系的曲线图。

具体实施方式

图1示意性地示出了燃料电池组件20。电池堆组件包括位于电解质部分26的相对侧上的多个阳极22和阴极24。这些部件按照已公知的方式运行。在一个实例中，电解质部分26包括磷酸且组件已公知为磷酸燃料电池组件。

如图所示的实例还包括冷却装置30，正如已公知地，所述冷却装置通过使冷却剂进入入口32并排出出口34而按照已公知的方式运行。

正如已公知地，燃料电池组件在组件内的不同位置处具有不同温度。为了说明的目的，阴极24与阳极22中的催化剂之间存在交叠的电化学活性区域被称作燃料电池组件20的电化学活性部分40。同样已公知地，出于存在局部电流密度的变化且由于冷却装置3 0的构型等原因，因此电化学活性部分内的温度可产生变化。例如，沿电池堆内的冷却剂流的方向存在温度梯度，且由于每个冷却装置与热量流从电池向冷却装置流动的方向之间存在的典型数量的电池的原因，因此沿轴向方向存在温度梯度。组件内的温度还随着电池的功率需求的改变而改变。

燃料电池组件的一个特征在于电化学活性部分的工作温度对组件的使用寿命产生了直接影响。例如，图2示出了相对于400(204℃)的衰减系数与工作温度的关系曲线图50。曲线52示出了电池性能的衰减与温度之间的一种典型关系。从图2中可以看到，升高的温度对应于逐渐升高的衰减速率，所述逐渐升高的衰减速率进一步对应于更短的燃料电池的使用寿命期限。根据本发明的一种典型实施方式，温度与随时间变化的性能之间的关系被用作选择燃料电池组件的工作温度范围时的决定因素。

对于传统方案而言，磷酸燃料电池电力设备的运行条件被选择以达到最大的初始性能和初始电力设备效率。采取这种方案需要基于电池堆组件内的材料的限制设定工作温度。该方案未将性能劣化考虑作为选择电化学活性部分40的工作温度时的决定因素。因此，本说明书中首次披露了以传统方案中未使用的决定因素作为基础的典型方案。