專利名稱：：改進(jìn)燃料電池運(yùn)作的方法和裝置的制作方法改進(jìn)燃料電池運(yùn)作的方法和裝置發(fā)明領(lǐng)域一種對(duì)一個(gè)或多個(gè)燃料電池進(jìn)行調(diào)節(jié)，以改進(jìn)所述一個(gè)或多個(gè)燃料電池的運(yùn)作的發(fā)明和方法。發(fā)明背景燃料電池是將含有燃料如氫和氧化物質(zhì)如氧或空氣的流體物流轉(zhuǎn)化為電流、熱能和反應(yīng)產(chǎn)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(zhì)；和分隔陽極與陰極的電解質(zhì)。燃料和/或氧化劑可以是液體或氣態(tài)物質(zhì)。電解質(zhì)為離子在陽極與陰極之間移動(dòng)提供離子通道，其中離子通過燃料反應(yīng)在陽極產(chǎn)生，在陰極用離子生成產(chǎn)物。在形成離子的過程中產(chǎn)生的電子用于外電路，從而產(chǎn)生電流。聚合物電解質(zhì)膜(PEM)燃料電池是一類電解質(zhì)為聚合物電解質(zhì)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(duì)于使用流體反應(yīng)物運(yùn)行的電化學(xué)裝置來說，唯一的挑戰(zhàn)是同時(shí)實(shí)現(xiàn)高性能和長運(yùn)行時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)高性能，必需降低裝置中部件的電阻和離子阻抗(ionicresistance)。近來聚合物電解質(zhì)膜的發(fā)展明顯地提高了PEM燃料電池的功率密度。本領(lǐng)域中眾所周知，聚合物電解質(zhì)膜厚度的減小可以減小隔膜的離子阻抗，從而增大燃料電池的功率密度。在本申請(qǐng)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(qū)的幾何面積所得的值?；钚詤^(qū)是催化劑暴露于燃料和氧化劑的區(qū)域。但是，減小隔膜的物理尺寸會(huì)增加對(duì)來自其它裝置部件的損害的敏感性，結(jié)果縮短電池壽命。已經(jīng)作出了各種改進(jìn)以緩解這一問題。例如，授予Bahar等人的美國專利RE37307中顯示，聚合物電解質(zhì)膜用微孔強(qiáng)化層增強(qiáng)以提高其強(qiáng)度。盡管該方法在改進(jìn)電池性能和提高電池壽命方面取得了成功，但是人們更佳需要更高的功率密度。盡管人們已經(jīng)對(duì)燃料電池進(jìn)行了許多的改進(jìn)，以提高功率密度，但是大部分的改進(jìn)集中在使用能夠提高性能的材料。極少的改進(jìn)著眼于能夠使用特定系列的材料、使得該特定材料獲得最高的功率密度的特定運(yùn)作方法或裝置。本領(lǐng)域中眾所周知，在組裝一個(gè)電池(即僅有單個(gè)陽極和陰極的電池)或者電池組(即連接起來的多個(gè)單獨(dú)的電池，通常為串聯(lián))的時(shí)候，存在一個(gè)"試運(yùn)轉(zhuǎn)"期，在此期間所述電池或電池組的性能隨著運(yùn)作而獲得提高。在理想情況下，應(yīng)當(dāng)能夠在剛組裝之后達(dá)到最高的可能的功率輸出，參見圖l中標(biāo)為"要求"的曲線。但是在實(shí)際中，剛開始的功率輸出較低，在一段時(shí)間內(nèi)隨時(shí)間提高，參見圖l中標(biāo)為"常規(guī)"的曲線。因此使用者通常會(huì)對(duì)電池進(jìn)行一段時(shí)間的"試運(yùn)轉(zhuǎn)"，監(jiān)控其功率密度，或者采用實(shí)際中更容易完成的方式，監(jiān)控電池在特定電壓下的電流密度，直至其停止增大為止。此時(shí)，該電池已"經(jīng)過試運(yùn)轉(zhuǎn)"，準(zhǔn)備就緒，可以在常規(guī)使用條件下投入運(yùn)行。理想情況下，人們不僅希望在試運(yùn)轉(zhuǎn)步驟之后獲得可能的最高功率密度，而且還希望達(dá)到這一狀態(tài)所需的時(shí)間盡可能短。該"試運(yùn)轉(zhuǎn)"時(shí)間越短，電池或電池組就能夠越快地用于其預(yù)期目的運(yùn)作。在現(xiàn)有技術(shù)中尚未建立用來確定試運(yùn)轉(zhuǎn)或調(diào)節(jié)步驟效率的標(biāo)準(zhǔn)度量。在本申請(qǐng)中，我們使用以下標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)施特定試運(yùn)轉(zhuǎn)步驟的過程中，監(jiān)控和記錄下燃料電池在0.6伏電壓下的輸出電流密度隨時(shí)間的變化。18小時(shí)之后，由極化曲線計(jì)算0.6伏的功率密度。該功率密度可用來比較用各種方式進(jìn)行過調(diào)節(jié)的電池。該數(shù)值越高，則調(diào)節(jié)方式越好。為了測(cè)量試運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間，由記錄下的0.6伏電壓下的電流密度隨時(shí)間的變化計(jì)算兩個(gè)數(shù)值。第一個(gè)數(shù)值是電流密度達(dá)到第18小時(shí)電流密度的75%所需的時(shí)間。第二個(gè)數(shù)值是電流密度達(dá)到第18小時(shí)電流密度的90%所需的時(shí)間。時(shí)間越短，則試運(yùn)轉(zhuǎn)或調(diào)節(jié)方式越好。圖2中顯示了這些測(cè)量的一個(gè)示例，測(cè)量過程的完全的詳述見下文?，F(xiàn)有技術(shù)的使用者中使用的具體調(diào)節(jié)或試運(yùn)轉(zhuǎn)方式是不同的，包括在新組裝的電池或電池組上進(jìn)行大量的極化曲線，對(duì)電池施加外部負(fù)荷，將電壓或電流保持恒定一段固定的時(shí)間。現(xiàn)有技術(shù)中另外的已知調(diào)節(jié)條件是在試運(yùn)轉(zhuǎn)期間改變電壓或電流，將電池短路一次或多次，對(duì)電池施加升高溫度和/或升高壓力的條件。試運(yùn)轉(zhuǎn)完成之后，燃料電池或電池組在常規(guī)條件下運(yùn)行，功率密度通常會(huì)隨著電池或電池組的持續(xù)運(yùn)行而減小。這種減小被不同的使用者稱為電壓衰減、燃料電池耐久性或者燃料電池穩(wěn)定性，是人們所不希望出現(xiàn)的，這是因?yàn)闀?huì)隨著電池在使用過程中的老化，所獲得的有用功逐漸減少。最后，燃料電池或電池組所輸出的功率會(huì)非常小，以至于再也無法使用。因此，人們非常需要在運(yùn)行過程中能夠使用一種方式來恢復(fù)"損失"的功率。盡管人們己經(jīng)意識(shí)到，在除去電池或電池組的外部負(fù)荷之后，會(huì)很自然地發(fā)生一定的恢復(fù)，但是專門設(shè)計(jì)用來恢復(fù)性能的方法將會(huì)是非常有價(jià)值的。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明涉及一種調(diào)節(jié)燃料電池的方法，所述燃料電池包括提供有燃料的陽極和提供有氧化劑的陰極，所述方法包括以下步驟(i)對(duì)所述燃料電池施加第一外部負(fù)荷以產(chǎn)生小于開路電壓的第一電壓，持續(xù)約小于20分鐘的第一段時(shí)間;(ii)去除外部負(fù)荷，持續(xù)約小于2分鐘的第二段時(shí)間；(iii)對(duì)所述燃料電池施加第二外部負(fù)荷，以產(chǎn)生小于開路電壓的第二電壓，持續(xù)約小于20分鐘的第三段時(shí)間。本發(fā)明人驚奇地發(fā)現(xiàn)，通過使用這種調(diào)節(jié)方式，提高了0.6伏電壓下的功率密度，縮短了試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。另外，同樣令人吃驚的是，當(dāng)在燃料電池運(yùn)作過程中用本發(fā)明的調(diào)節(jié)方法來提高功率密度的時(shí)候，觀察到采用本發(fā)明的調(diào)節(jié)方法之后的功率密度遠(yuǎn)高于調(diào)節(jié)之前的數(shù)值，可以得到接近初始試運(yùn)轉(zhuǎn)之后觀察到的功率密度。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，可以將上述方法用于聚合物電解質(zhì)膜燃料電池。在此實(shí)施方式中，所述第一段時(shí)間、第二段時(shí)間和第三段時(shí)間可以各自約大于5秒。另外，可以對(duì)第一和第二外部負(fù)荷進(jìn)行選擇，使得所述第一電壓不同于所述第二電壓，優(yōu)選通過選擇使得所述第一電壓約為0.4伏和開路電壓之間，最優(yōu)選約為0.6伏；所述第二電壓約為0.0-0.6伏之間，最優(yōu)選約為0.3伏。方法步驟i至m可重復(fù)至少兩次，或重復(fù)至少三次。另外，當(dāng)所述燃料包括氫氣或甲醇的時(shí)候，可采用該方法。另外，上述本發(fā)明的任一方法可任選地包括以下另外的步驟去除所述第二外部負(fù)荷，持續(xù)約小于2分鐘、或者約1分鐘，或者約5-120秒的第四段時(shí)間。本發(fā)明的方法可以在所述燃料電池運(yùn)行的最初約24小時(shí)內(nèi)實(shí)施，或者在運(yùn)行約24小時(shí)之后實(shí)施。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，對(duì)所述外部負(fù)荷和所述第二外部負(fù)荷進(jìn)行選擇，使得所述第一電壓約為0.6伏，所述第二第二電壓約為0.3伏。另外，所述第一段時(shí)間可以進(jìn)行選擇，使其約為15分鐘，所述第二段時(shí)間約為l分鐘，所述第三段時(shí)間約為15分鐘。或者優(yōu)選的是，所述第一段時(shí)間約為5-120秒，所述第二段時(shí)間約為5-120秒，所述第三段時(shí)間約為5-120秒?；蛘呱鲜霰景l(fā)明的任一方法可任選地包括另外的步驟去除所述第二外部負(fù)荷，持續(xù)第四段時(shí)間，該第四段時(shí)間約小于2分鐘，或者約為l分鐘，或者約為5-120秒。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式涉及一種調(diào)節(jié)聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的方法，所述燃料電池包括陽極、陰極和包含聚合物的電解質(zhì)，所述陽極提供有燃料，所述陰極提供有氧化劑，該方法包括以下步驟(i)對(duì)所述燃料電池施加第一外部負(fù)荷，以產(chǎn)生小于開路電壓的第一電壓，持續(xù)約小于20分鐘的第一段時(shí)間；(ii)去除所述外部負(fù)荷，持續(xù)約小于2分鐘的第二段時(shí)間；(iii)對(duì)所述燃料電池施加第二外部負(fù)荷，產(chǎn)生小于開路電壓的第二電壓，持續(xù)約小于20分鐘的第三段時(shí)間；在步驟(i),(ii)或(iii)的任意步驟中，對(duì)燃料電池施加液態(tài)水。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式涉及一種調(diào)節(jié)聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的方法，所述燃料電池包括陽極、陰極和包含聚合物的電解質(zhì)，所述陽極提供有燃料，所述陰極提供有氧化劑，該方法包括以下步驟(i)對(duì)所述燃料電池施加第一外部負(fù)荷，以產(chǎn)生小于開路電壓的第一電壓，持續(xù)約小于20分鐘的第一段時(shí)間；(ii)去除所述外部負(fù)荷，持續(xù)約小于2分鐘的第二段時(shí)間；(iii)對(duì)所述燃料電池施加第二外部負(fù)荷，產(chǎn)生小于開路電壓的第二電壓，持續(xù)約小于20分鐘的第三段時(shí)間；(iv)對(duì)陽極施加約大于lpsig的燃料壓力，對(duì)陰極施加與所述燃料壓力類似的氧化劑壓力。所述施加燃料壓力和氧化劑壓力的操作可以在步驟(i),(ii)或(iii)中進(jìn)行，或者作為單獨(dú)的步驟進(jìn)行。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式涉及一種調(diào)節(jié)聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的方法，所述燃料電池包括陽極、陰極和包含聚合物的電解質(zhì)，所述陽極提供有燃料，所述陰極提供有氧化劑，該方法包括以下步驟(i)對(duì)所述燃料電池施加第一外部負(fù)荷，以產(chǎn)生小于開路電壓的第一電壓，持續(xù)約小于20分鐘的第一段時(shí)間；(ii)去除所述外部負(fù)荷，持續(xù)約小于20分鐘的第二段時(shí)間；(iii)對(duì)所述燃料電池施加第二外部負(fù)荷，產(chǎn)生小于開路電壓的第二電壓，持續(xù)約小于20分鐘的第三段時(shí)間；在步驟(i)-(iii)的任意期間，所述聚合物電解質(zhì)膜燃料電池保持在大約60-9()Gc的溫度。在本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方式中，調(diào)節(jié)燃料電池的方法包括以下步驟(i)組裝燃料電池，該燃料電池包括陽極、陰極、電解質(zhì)和用來向所述陰極和陽極輸送氣體的裝置；(ii)在大約60-9(TC的溫度下，使用惰性氣體載體對(duì)所述燃料電池的陽極和陰極施加液態(tài)水；(iii)使所述電池在所述溫度下保持約大于l小時(shí)的時(shí)間。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式是通過包括以下步驟的方法調(diào)節(jié)的聚合物電解質(zhì)膜電極組件(i)對(duì)所述燃料電池施加第一外部負(fù)荷，以產(chǎn)生小于開路電壓的第一電壓，持續(xù)約小于20分鐘的第一段時(shí)間；(ii)去除所述外部負(fù)荷，持續(xù)約小于2分鐘的第二段時(shí)間；(iii)對(duì)所述燃料電池施加第二外部負(fù)荷，產(chǎn)生小于開路電壓的第二電壓，持續(xù)約小于20分鐘的第三段時(shí)間。在另外的實(shí)施方式中，可以用該方法對(duì)膜電極組件進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中對(duì)所述第一外部負(fù)荷以及所述第一和第二外部負(fù)荷進(jìn)行選擇，使得所述第一電壓約為0.6伏，所述第二電壓約為0.3伏。在該方法的另一個(gè)實(shí)施方式中，所述第一段時(shí)間約為15分鐘，所述第二段時(shí)間約為l分鐘，所述第三段時(shí)間約為15分鐘?；蛘邇?yōu)選的是，所述第一段時(shí)間約為5-120秒。所述第二段時(shí)間約為5-120秒，所述第三段時(shí)間約為5-120秒。本發(fā)明另外的實(shí)施方式是如本文所述制備的膜電極組件，所述膜電極組件包含具有與聚合物主鏈相連的離子酸官能團(tuán)的聚合物，以及任選的膨脹的聚四氟乙烯。在本發(fā)明另外的實(shí)施方式中，所述膜電極組件的離子酸官能團(tuán)選自磺酸、磺酰亞氨酸(sulfonimide)和膦酸。在另外的實(shí)施方式中，所述薄膜電極組件可以通過上述本發(fā)明的任意方法進(jìn)行調(diào)節(jié)，上述方法可任選地包括以下另外步驟去除所述第二外部負(fù)荷，持續(xù)約小于2分鐘、或者約為1分鐘、或者約為5-120秒的第四段時(shí)間。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式涉及通過包括以下步驟的方法調(diào)節(jié)的膜電極組件(i)組裝燃料電池，該燃料電池包括陽極、陰極、電解質(zhì)和用來向所述陰極和陽極輸送氣體的裝置；(ii)在大約60-9(TC的溫度下，使用惰性氣體載體對(duì)所述燃料電池的陽極和陰極施加液態(tài)水；(iii)使所述電池在所述溫度下保持約大于l小時(shí)的時(shí)間。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式涉及如上所述制備的膜電極組件，所述膜電極組件包含具有與聚合物主鏈相連的離子酸官能團(tuán)的聚合物，以及任選的膨脹的聚四氟乙烯。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，所述膜電極組件的離子型酸官能團(tuán)選自磺酸、磺酰亞氨酸和膦酸。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式包括運(yùn)作燃料電池的方法，該方法包括以下步驟(i)組裝燃料電池，該燃料電池包括陽極、陰極和介于所述陽極與陰極之間的聚合物電解質(zhì)，(ii)實(shí)施試運(yùn)轉(zhuǎn)步驟，所述試運(yùn)轉(zhuǎn)步驟得到的90%試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約小于4小時(shí)。另夕卜，所述90%試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間可約小于2小時(shí)，或約小于l小時(shí)。另外的實(shí)施方式包括運(yùn)作燃料電池的方法，所述方法包括以下步驟(i)組裝燃料電池，該燃料電池包括陽極、陰極和介于所述陽極與陰極之間的聚合物電解質(zhì),(ii)實(shí)施試運(yùn)轉(zhuǎn)步驟，所述試運(yùn)轉(zhuǎn)步驟得到的75°/。試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約小于2小時(shí)。另外，所述75%試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間可約小于1小時(shí)，或者約小于0.5小時(shí)。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式涉及一種設(shè)備，該設(shè)備包括(i)用來對(duì)所述燃料電池施加第一外部負(fù)荷，以產(chǎn)生小于開路電壓的第一電壓，持續(xù)約小于20分鐘的第一段時(shí)間的裝置；(ii)用來去除外部負(fù)荷持續(xù)約小于2分鐘的第二段時(shí)間的裝置；(iii)用來對(duì)所述燃料電池施加第二外部負(fù)荷，以產(chǎn)生小于開路電壓的第二電壓，持續(xù)約小于20分鐘的第三段時(shí)間的裝置。本發(fā)明優(yōu)于現(xiàn)有的調(diào)節(jié)方法的獨(dú)特改進(jìn)之處在于，可以獲得較高的功率密-度，而且達(dá)到較高功率密度所需的時(shí)間較短。這些改進(jìn)將會(huì)減少質(zhì)量控制測(cè)試所需的時(shí)間，從而改進(jìn)燃料電池制造時(shí)間。由于燃料電池具有較高的功率密度，因此可以用于其它的應(yīng)用領(lǐng)域。最后，當(dāng)在燃料電池運(yùn)行期間作為恢復(fù)步驟應(yīng)用的時(shí)候，提高的恢復(fù)效果使得燃料電池可以在實(shí)際運(yùn)行中工作更久的時(shí)間，從而顯著而寬泛地提高其實(shí)用性。結(jié)合以下附圖，可以通過以下描述顯而易見地了解本發(fā)明的操作，圖中圖l是試運(yùn)轉(zhuǎn)期間燃料電池產(chǎn)生的電壓與時(shí)間的關(guān)系示意圖，圖中顯示了常規(guī)的結(jié)果以及理想的或所需的性能。圖2比較了對(duì)根據(jù)本發(fā)明和根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的試運(yùn)轉(zhuǎn)中觀察到的電流密度隨時(shí)間的變化情況。圖3是膜電極組件的示意圖。發(fā)明詳述本發(fā)明涉及調(diào)節(jié)燃料電池的方法和通過該方法調(diào)節(jié)的燃料電池。所述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(yōu)選的聚合物電解質(zhì)膜(PEM)燃料電池。這類PEM燃料電池包括陽極、陰極和夾在陽極與陰極之間的聚合物電解質(zhì)。用作聚合物電解質(zhì)的聚合物包括一種聚合物，該聚合物包含與聚合物主鏈相連的離子酸官能團(tuán)，所述離子酸官能團(tuán)選自磺酸、磺酰亞氨酸和膦酸；還任選包括含氟聚合物。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)；以及包含2,3-二氮雜萘酮(phthalazinone)和酚基、以及至少一種磺化芳族化合物的聚合物。所述聚合物還可任選包括膨脹型聚四氟乙烯。所述膨脹型聚四氟乙烯可以是具有聚合纖絲和任選結(jié)點(diǎn)的多孔微結(jié)構(gòu)的膜；浸漬在所述膜中的離子交換材料，所述離子交換材料基本浸漬了所述膜，使得膜的內(nèi)部體積基本封閉。特別優(yōu)選的聚合物膜是根據(jù)Bahar等人在RE37，307中的描述制備的，該文獻(xiàn)參考結(jié)合入本文中。所述陽極和陰極分別包含合適的催化劑，這些催化劑分別能夠促進(jìn)燃料(例如氫氣)的還原以及氧化劑(例如氧氣或空氣)的氧化。例如，對(duì)于PEM燃料電池，陽極催化劑可包括單不限于純貴金屬，例如Pt、Pd或Au;以及所述純貴金屬的二元、三元、或更復(fù)雜的合金。當(dāng)使用純氫氣作為燃料的時(shí)候，特別優(yōu)選將純R用于陽極。當(dāng)使用轉(zhuǎn)化氣作為燃料的時(shí)候，Pt-Ru合金是特別優(yōu)選的催化劑。對(duì)于PEM燃料電池中的陰極，純Pt是優(yōu)選的催化劑。隨著操作溫度的升高，特別是在非PEM燃料電池中，也使用非貴金屬合金的催化劑。所述陽極和陰極還可任選地包括另外的能夠提高燃料電池運(yùn)行的組分。這些另外的組分包括，但不限于碳之類的電子導(dǎo)體、以及全氟磺酸基聚合物之類的離子導(dǎo)體。另外，所述電極也通常是多孔的，以使得氣體能接近結(jié)構(gòu)中包含的催化劑。圖3的示意圖所示的本文所用的PEM燃料電池可包括膜電極組件(MEA)，該組件包括陽極24、陰極26和電解質(zhì)25;任選地包括氣體擴(kuò)散層10和10'(GDM)(優(yōu)選包含碳)；任選包括用來使氣體擴(kuò)散通過活性區(qū)域的雙極板(圖3中未顯示)。GDM還可任選地由大層(macrolayer)12和12'以及微層11和11'組成。另外，這類PEM燃料電池還可任選地包括含有一系列MEA、GDM、雙極板或其任意組合的堆疊體。下文所述的本發(fā)明的調(diào)節(jié)步驟可用于這些PEM燃料電池，以得到經(jīng)調(diào)節(jié)的MEA或燃料電池，然后可用于產(chǎn)生電能的燃料電池組件。所述燃料電池的運(yùn)作溫度根據(jù)電池種類、所用的組分和燃料的種類變化。例如，PEM燃料電池通常在大約室溫至15(TC的溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)。發(fā)明人驚奇地發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)燃料電池使用以下詳細(xì)說明的特定調(diào)節(jié)步驟，可以提高電池的功率密度，縮短試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。該方法用來調(diào)節(jié)燃料電池，所述燃料電池包括提供有燃料的陽極以及提供有氧化劑的陰極。該方法包括以下步驟(i)對(duì)所述燃料電池施加第一外部負(fù)荷，以產(chǎn)生小于開路電壓的第一電壓，持續(xù)約小于20分鐘的第一段時(shí)間；(ii)去除所述外部負(fù)荷，持續(xù)約小于2分鐘的第二段時(shí)間；(iii)對(duì)所述燃料電池施加第二外部負(fù)荷，產(chǎn)生小于開路電壓的第二電壓，持續(xù)約小于20分鐘的第三段時(shí)間。在本文中，開路電壓定義為在對(duì)陽極施加燃料、對(duì)陰極施加氧化劑、但是除了能夠測(cè)量電勢(shì)的高阻抗裝置以外，沒有對(duì)電池施加外部負(fù)荷的情況下，在陽極和陰極之間測(cè)得的電勢(shì)。因此開路電壓是使用高阻抗電壓表或者其它高阻抗裝置(例如恒電位儀或者本領(lǐng)域已知的各種燃料電池測(cè)試臺(tái))測(cè)量的。本發(fā)明的調(diào)節(jié)步驟最初可以在組裝電池之后，例如在燃料電池的最初約24小時(shí)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)使用，此時(shí)將其稱為"試運(yùn)轉(zhuǎn)"步驟。所述調(diào)節(jié)步驟還可以在燃料電池已經(jīng)運(yùn)行一段時(shí)間，例如約大于24小時(shí)的任意一段時(shí)間之后至電池基本永久性關(guān)閉或出現(xiàn)其它故障為止，采用該調(diào)節(jié)步驟。所述步驟(i)至(iii)可以重復(fù)一次、兩次、三次，或者優(yōu)選在一段延長的時(shí)間例如許多小時(shí)內(nèi)重復(fù)多次。為了使總周期時(shí)間最短，可以優(yōu)選地使所述第一、第二和第三段時(shí)間最短。在一個(gè)優(yōu)選的周期中，所述第一電壓為0.6伏，所述第二電壓為0.3伏，所述第一、第二和第三段時(shí)間均為30秒。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，可以構(gòu)建能夠?qū)嵤┮陨喜襟E(i)至(m)的電子裝置、氣動(dòng)裝置、機(jī)械裝置或機(jī)電裝置。所述裝置自動(dòng)實(shí)施所述步驟，從而提高功率密度和減少試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。以上包括步驟(i)至(iii)的的調(diào)節(jié)過程還可與本領(lǐng)域中已知的其它調(diào)節(jié)過程相結(jié)合。所述其它調(diào)節(jié)過程包括但不限于升高的溫度；升高的壓力；實(shí)施所謂的氫泵，其中將氫氣供給陽極和陰極，然后操作電池，使得氫氣在陽極和陰極交替地產(chǎn)生；或者上述操作的任意組合。另外，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)包括在升高的溫度下將液態(tài)水施用于PEM燃料電池的方法也可以驚人地增大功率密度和縮短試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。在此實(shí)施方式中，PEM燃料電池或MEA在升高的溫度下、在液態(tài)水的存在下保持一段時(shí)間。所述一段時(shí)間可為l-2分鐘，優(yōu)選為多個(gè)小時(shí)，最優(yōu)選約大于6小時(shí)。所述液態(tài)水可使用本領(lǐng)域已知的許多方法中的任一方法施加。例如，可以將MEA浸泡在升高溫度的水中?；蛘呖梢酝ㄟ^使非反應(yīng)性氣體通過保持在高于所述PEM燃料電池溫度的水瓶，使得該非反應(yīng)性氣體飽和。所述非反應(yīng)性氣體可以是He或Ar之類的惰性氣體，或者優(yōu)選是廉價(jià)的非反應(yīng)性氣體，例如為氮?dú)?。在此方法中?duì)所述升高的溫度進(jìn)行選擇，使其高于MEA或PEM燃料電池的預(yù)期操作溫度，優(yōu)選比該預(yù)期操作溫度高10-3(A:。例如，如果預(yù)期電池的操作溫度為70。C,則在液態(tài)水的存在下的試運(yùn)轉(zhuǎn)升高溫度的浸泡將在80-10(TC、優(yōu)選9(TC下進(jìn)行。在后一種情況下，使用上述方法，水瓶的溫度必須高于9()GC，例如為95。C。本領(lǐng)域中眾所周知的是，當(dāng)使用該步驟的時(shí)候，必須小心，通過將進(jìn)入電池的所有管道加熱至或略高于瓶的溫度，防止在管道中發(fā)生凝結(jié)。該實(shí)施方式還可與一種或多種另外的試運(yùn)轉(zhuǎn)步驟相結(jié)合，所述另外的試運(yùn)轉(zhuǎn)步驟包括但不限于上述的任意一種。實(shí)施例在以下實(shí)施例中使用以下的步驟和方法。電池硬件和組件對(duì)于所有的實(shí)施例，使用標(biāo)準(zhǔn)25平方厘米活性區(qū)(AA)的硬件(FuelCellTechnologies,Inc.)進(jìn)行膜電極組件(MEA)的性能評(píng)價(jià)。該硬件在本申請(qǐng)的下文中稱為"標(biāo)準(zhǔn)硬件"。標(biāo)準(zhǔn)硬件由在陽極和陰極側(cè)都具有三通道(triplechannel)曲折流場(chǎng)(flowfield)的石墨塊組成。路徑長度約為560毫米，凹槽尺寸分別為0.69毫米寬X0.84毫米深。用具有5.0厘米X5.0厘米方形窗口的0.175-0.275毫米的有機(jī)硅墊片和稱為子墊片(sub-gasket)的0.025毫米的聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)膜(可從TekraCorp.,Charlotte,NC.購得)墊片組裝電池，子墊片在陽極和陰極側(cè)都具有4.8X4.8厘米的開放窗口。對(duì)每個(gè)電池選擇有機(jī)硅墊片的厚度，使得各電池在組裝之后的壓縮情況保持近似相同。各電池在陽極側(cè)和陰極側(cè)都組裝有標(biāo)稱厚度為0.41毫米的CARBELTMCL氣體擴(kuò)散介質(zhì)(GDM，購自W.L.Gore&Associates,Inc.,Newark,DE)。在下文中將這類GDM稱為"標(biāo)準(zhǔn)GDM"。使用三類MEA研究試運(yùn)轉(zhuǎn)方式對(duì)MEA性能的影響PRIMEAMEASeries5510,5561和5621,均購自W丄.Gore&Associates,Inc。在所有情況下，MEA都是以干態(tài)組裝在燃料電池中的。在本文中，干態(tài)表示室溫下相對(duì)濕度(RH)為20-30。/。的平衡。電池硬件用墊片、子墊片和在MEA的任一側(cè)的GDM層組裝。使用八個(gè)螺栓，通過緊固螺栓對(duì)電池進(jìn)行壓縮，直至達(dá)到45英寸-磅/螺栓的最終螺栓扭矩。為確保電池組件中的一致性，螺栓用Krytox⑧潤滑劑潤滑。對(duì)墊片和子墊片的厚度進(jìn)行選擇使得使用該GDM可以達(dá)到35X的平均GDM壓縮。為了確保MEA的活性區(qū)內(nèi)不同的層之間具有良好電接觸、同時(shí)不會(huì)顯著影響擴(kuò)散層內(nèi)的孔隙率，這樣的平均壓縮是必需的。下文中將這種組裝過程稱為"標(biāo)準(zhǔn)"電池裝配。通過筒式加熱器加熱電池，通過自然對(duì)流冷卻電池，即在此設(shè)計(jì)中未提供外部的冷卻劑或冷卻集管。燃料電池測(cè)試臺(tái)說明使用兩種不同的燃料電池測(cè)試系統(tǒng)評(píng)價(jià)性能。我們將這些系統(tǒng)分為A系統(tǒng)(GlobeTechStation)和B系統(tǒng)(TeledyneMedusaStation)。設(shè)計(jì)的B系統(tǒng)用來更精確地控制燃料和氧化劑的RH。而A系統(tǒng)則具有較老的設(shè)計(jì)，濕潤化效率較低。因此，需要將增濕器的溫度設(shè)定在高于所需露點(diǎn)5-l(TC的溫度，以達(dá)到目標(biāo)相對(duì)濕度需要。另外，另一種主要的差異在于A系統(tǒng)允許液態(tài)水夾雜入氣流中。液態(tài)水的效果將獨(dú)立處理，在以下討論的一些實(shí)施例中顯示為臨界變量。電池啟動(dòng)和試運(yùn)轉(zhuǎn)過程的描述使用上述步驟組裝電池，并將電池與上述兩種系統(tǒng)中的任一種相連之后,在不同的操作條件下啟動(dòng)電池。對(duì)于下述所有的過程，電池溫度設(shè)定在7()GC或80GC。所有的試驗(yàn)都在常壓下或這對(duì)陽極室和陰極室施加相同的15psig的壓力的情況下進(jìn)行。對(duì)于A系統(tǒng)，增濕器在陽極側(cè)和陰極側(cè)設(shè)定在8(^C和75。C。這些設(shè)定點(diǎn)確保露點(diǎn)接近7()GC。沒有將這些氣流中攜帶的液態(tài)水計(jì)算在內(nèi)。由于B系統(tǒng)具有優(yōu)良的增濕設(shè)計(jì)，增濕器設(shè)定為在陽極側(cè)和陰極側(cè)獲得7(TC的露點(diǎn)。當(dāng)增濕器和電池的溫度達(dá)到上述預(yù)定的設(shè)定值的時(shí)候，所有的電池開始用燃料和氧化劑啟動(dòng)。燃料是實(shí)驗(yàn)室純的氫氣。在所有的情況下，氧化劑都是空氣。對(duì)于所有的試驗(yàn)，氫氣的化學(xué)計(jì)量比設(shè)定在1.2，空氣的化學(xué)計(jì)量比設(shè)定在2.0。在本文中，化學(xué)計(jì)量比表示實(shí)際氣體流速除以電池中特定電流下保持完全反應(yīng)所需的足夠氣體的流速的比值。例如，陽極上氫氣化學(xué)計(jì)量比為1.2意味著氫氣的流量是在電池的工作電流下、所有氫氣完全反應(yīng)所需的氫氣流量的1.2倍。下文中更詳細(xì)地描述了不同的調(diào)節(jié)過程。測(cè)量過程0.6伏的功率密度定義為使用表1所示的過程中的任意一種進(jìn)行18小時(shí)的試運(yùn)轉(zhuǎn)之后，在70'C、0psig和100XRH下測(cè)得的在0.6伏下的功率密度。其數(shù)值通過以下步驟計(jì)算在以下依次步驟中記錄下極化曲線a.電池在0.6伏保持10分鐘，從第9分鐘開始，每6秒鐘測(cè)量一次電流密度。b.按照以下次序固定電流密度保持3分鐘1200,1400,1600,1800，1200毫安厘米'2，每6秒中收集一次電池電壓數(shù)據(jù)。c.電池設(shè)定在l伏，保持15秒。d.電流密度設(shè)定在1000毫安厘米'2，持續(xù)4分鐘，從第二分鐘開始每6秒鐘測(cè)量一次電池電壓。e.按照以下順序固定電流密度保持3分鐘800,700,500,250,100和1200毫安厘米'2，每6秒中收集一次電池電壓數(shù)據(jù)。f.電池設(shè)定在0.6伏，保持3分鐘，在第三分鐘，每6秒中記錄一次電流密度。然后通過將步驟(f)和(a)中測(cè)得的電流密度的平均值乘以0.6，獲得功率密度，單位為毫瓦厘米人試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間定義為0.6伏下的電流密度達(dá)到在18小時(shí)測(cè)得的電流密度的75%或90%的時(shí)間。為了說明這種計(jì)算，圖2中顯示了實(shí)施例2和比較例1的記錄數(shù)值的例子。對(duì)實(shí)施例l，在18小時(shí)后，在0.6伏測(cè)得的電流密度為990毫安厘米%該數(shù)值的90%和75%分別為891和742毫安厘米-2。由圖2中電流密度隨時(shí)間的變化跡線可見，達(dá)到891和742毫安厘米'2的時(shí)間分別約為1.7和0.64小時(shí)。(表l中對(duì)實(shí)施例2所示的90。/。試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間略大于1.7小時(shí)，這是由于表l中的數(shù)值是多次測(cè)試的平均值，其中只有一個(gè)數(shù)值示于圖2)。因此，對(duì)于比較例l,18小時(shí)后在0.6伏的電流密度為845毫安厘米'2。該數(shù)值的90%和75%分別為760和634毫安厘米-2。達(dá)到這些數(shù)值的時(shí)間分別約為6.4和2.9小時(shí)。實(shí)施例l的這些時(shí)間都小于比較例l中相應(yīng)的時(shí)間，因此實(shí)施例l的試運(yùn)轉(zhuǎn)步驟是人們更佳需要的。在所有的表中，顯示了試運(yùn)轉(zhuǎn)條件(電池溫度、壓力和電壓循環(huán)模式)。對(duì)于沒有循環(huán)的情況，比較例，電池電勢(shì)恒定在0.6伏保持18小時(shí)。在這些實(shí)施例中使用兩種循環(huán)，即快循環(huán)和慢循環(huán)。這兩種循環(huán)的細(xì)節(jié)在下文中詳細(xì)描述，但是如果需要的話，每種循環(huán)都重復(fù)多次，以達(dá)到試運(yùn)轉(zhuǎn)(或調(diào)節(jié))應(yīng)用的總時(shí)間。設(shè)計(jì)為慢循環(huán)的循環(huán)過程如下進(jìn)行電池用H2和空氣啟動(dòng)，直至達(dá)到穩(wěn)定的開路電壓(OCV)。在2-5分鐘之后，改變外部負(fù)荷，使得電池電壓為0.6伏，在此情況下保持15分鐘。然后改變外部負(fù)荷，使電池的電壓為0.99伏，在此情況下保持1分鐘。然后再次改變外部負(fù)荷，使得電池電壓為0.3伏，在此情況下保持15分鐘。然后去除外部負(fù)荷，使電池在開路電壓下保持l分鐘。該多步循環(huán)重復(fù)6小時(shí)，然后記錄下極化曲線。極化曲線完成之后，上述循環(huán)再繼續(xù)進(jìn)行12小時(shí)，最后記錄下第二極化曲線。對(duì)于快速循環(huán)過程，電池用分別流向陽極和陰極的H2和空氣啟動(dòng)，直至達(dá)到穩(wěn)定的開路電壓(OCV)。在大約2-5分鐘后，改變外部負(fù)荷，使得電池電壓為0.6伏，在此電壓下保持30秒。然后去除外部負(fù)荷，使得電池達(dá)到開路電壓，在此電壓下保持30秒。再次改變外部負(fù)荷，使電池電壓為0.3伏，在此電壓下保持30秒。然后去除外部負(fù)荷，使電池在開路電壓下保持30秒。該多步循環(huán)連續(xù)重復(fù)總共6小時(shí)，然后記錄下極化曲線。極化曲線完成之后，相同的循環(huán)過程再重復(fù)12小時(shí)，記錄下第二條極化曲線。對(duì)"標(biāo)準(zhǔn)"慢過程和快過程，對(duì)電池施加循環(huán)過程的總時(shí)間相同，即為18小時(shí)。在一些情況下，如以下實(shí)施例中所述，施加循環(huán)過程的總時(shí)間發(fā)生變化，使用少于18小時(shí)的時(shí)間。使用上述極化曲線過程，基于在18小時(shí)測(cè)得的0.6伏的電流密度計(jì)算功率密度。對(duì)于以下表格中描述的數(shù)據(jù)，基于至少三次重復(fù)記錄下平均功率密度和l乘以標(biāo)準(zhǔn)偏差(onetimesthestandarddeviation)(lSD)。類似地，在以下各實(shí)施例列出了基于達(dá)到750%或90%的電流密度的時(shí)間得到的平均試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間和1SD。膜電極組件(MEA)的描述使用得自W丄.Gore&Associates,Inc.的三種PRIMEA⑧膜電極組件(MEA):PRIMEAMEASeries5510,PRIMEAMEASeries5561和PRIMEA⑧MEASeries5621。PRIMEASeries5510MEA使用25微米的GORE-SELECH^膜，以及陽極和陰極上作為催化劑的0.4毫克厘米^的Pt。Series5561MEA使用25微米的GORE-SELEC^膜，使用0.45毫克厘米々的Pt-Ru作為陽極，0.4毫克厘米—2的Pt作為陰極。Series5621財(cái)￡八使用35微米的0011￡-SELECT⑧膜，0.45毫克厘米—2的Pt-Ru作為陽極，0.6毫克厘米—2的Pt作為陰極。實(shí)施例l-8:使用PRIMEA②Series5621、標(biāo)準(zhǔn)GDM、標(biāo)準(zhǔn)電池硬件和A系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)進(jìn)行了一系列測(cè)試。在所有的情況下，使用氫氣作為燃料，流向陽極的流速設(shè)定為化學(xué)計(jì)量比為1.2。氧化劑是空氣，流向陰極的流速設(shè)定為化學(xué)計(jì)量比為2.0。進(jìn)口處兩種氣體的相對(duì)濕度都設(shè)定在100%。在這些實(shí)施例中，施加在陽極和陰極上的壓力、電池溫度和循環(huán)類型如表l所示變化，表1還顯示了所得的在0.6伏的功率密度和試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。在一些情況下，在相同的條件下進(jìn)行多次測(cè)試。在這樣的情況下，示出所得的在0.6伏的功率密度和試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的平均值。在這些情況下，在特定條件下進(jìn)行了三次或更多此測(cè)試，此時(shí)還測(cè)定了所測(cè)量數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，加或減一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差列于表中。圖2顯示了實(shí)施例2和比較例1中測(cè)得的0.6伏的電流密度隨時(shí)間的變化，顯示實(shí)施例2的本發(fā)明的方法具有較高的在0.6伏的功率密度，還具有較短的試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。比較例l用來顯示現(xiàn)有技術(shù)，使用一種試運(yùn)轉(zhuǎn)步驟測(cè)定5621MEA的在0.6伏的功率密度和試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，所述試運(yùn)轉(zhuǎn)步驟中，電池在0.6伏保持18小時(shí)，使用標(biāo)準(zhǔn)GDM,標(biāo)準(zhǔn)電池硬件和A系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)，進(jìn)入氣體的相對(duì)濕度設(shè)定為100%,電池溫度為7(^C,氫氣燃料和空氣氧化劑的化學(xué)計(jì)量比分別為1.2和2.0。因此，該比較例與實(shí)施例1和2在各發(fā)明都相同，其不同之處在于測(cè)試是使用現(xiàn)有技術(shù)的試運(yùn)轉(zhuǎn)過程進(jìn)行的。在此情況下的功率密度為507毫瓦厘米'2，試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為6.38小時(shí)(90%)和2.88小時(shí)(75%)?？蓪⑦@些數(shù)值與表1中所列的實(shí)施例1和2的本發(fā)明試運(yùn)轉(zhuǎn)過程所獲得的數(shù)值相比較。慢循環(huán)(實(shí)施例1)和快循環(huán)(實(shí)施例2)的在0.6伏的功率密度都高于比較例，試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間都少于比較例。圖2通過顯示實(shí)施例2測(cè)得的電流密度隨時(shí)間的變化，與比較例的情況相比較，顯示了本發(fā)明的方法相對(duì)于比較例的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明方法所得的在0.6伏的功率密度較高，試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間較短。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>當(dāng)顯示誤差值的時(shí)候，它們表示i一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差。實(shí)施例9-12:實(shí)施例9-I2顯示了使用表l所示實(shí)施例2和實(shí)施例8的條件，用5561和5510MEA得到的結(jié)果。該電池用標(biāo)準(zhǔn)硬件和氣體擴(kuò)散介質(zhì)構(gòu)建。又使用系統(tǒng)A型測(cè)試臺(tái)產(chǎn)生試驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此本發(fā)明的試運(yùn)轉(zhuǎn)步驟對(duì)于表1和表2中所有的全部三種MEA都很有效。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>實(shí)施例13-14和比較例2:實(shí)施例13和實(shí)施例14顯示了當(dāng)使用4%空氣滲漏的重整燃料代替純氫氣作為燃料時(shí)的數(shù)據(jù)。比較例2在相同的條件下進(jìn)行，但是沒有電壓循環(huán)。這些實(shí)施例表明本發(fā)明的試運(yùn)轉(zhuǎn)過程在使用其它燃料代替純氫氣的時(shí)候也是有效的。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>實(shí)施例15-18:這些實(shí)施例中顯示了在本發(fā)明的試運(yùn)轉(zhuǎn)過程中液態(tài)水的存在造成的影響。所有的電池都用5621MEA組裝。使用表4所示的條件對(duì)該MEA進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，實(shí)施例15與16、以及實(shí)施例17與18之間僅有的區(qū)別在于存在試運(yùn)轉(zhuǎn)過程中引入的水。相對(duì)于不存在液態(tài)水的相同過程，液態(tài)水的存在增大了在0.6V的功率密度，縮短了試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。表4<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>實(shí)施例19-20:在這些實(shí)施例中使用了本發(fā)明的另一種變化。首先在陽極側(cè)和陰極側(cè)用濕潤的N2在9(TC(也在9(TC的目標(biāo)露點(diǎn)下)對(duì)MEA處理過夜，約14小時(shí)。然后執(zhí)行實(shí)施例l中采用的試運(yùn)轉(zhuǎn)過程。0.6伏的功率密度高于比較例1，試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間小于比較例l的十分之一。表5<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>實(shí)施例21在此實(shí)施例中，說明了在初始的試運(yùn)轉(zhuǎn)之后使用本發(fā)明作為調(diào)節(jié)過程。如前文所述使用5621MEA組裝電池。試運(yùn)轉(zhuǎn)和測(cè)試條件與比較例l相同，即試運(yùn)轉(zhuǎn)包括在0.6伏的電壓下保持18小時(shí)。在試運(yùn)轉(zhuǎn)之后，發(fā)現(xiàn)0.6伏的功率密度為601毫瓦/厘米2。然后電池在0.6伏保持7.6小時(shí)，以模擬實(shí)際的燃料電池運(yùn)行。然后記錄下極化曲線。功率密度為629毫瓦/厘米2。此時(shí)，執(zhí)行實(shí)施例8中描述的本發(fā)明調(diào)節(jié)過程4小時(shí)。該過程之后即刻的后續(xù)極化曲線給出的功率密度為694毫瓦/厘米2,相對(duì)于進(jìn)行本發(fā)明調(diào)節(jié)之前的功率密度，提高了大約10%。然后，該電池在恒定的0.6伏的電壓下再運(yùn)行大約88小時(shí)，觀察到功率密度減小，得到極化曲線后計(jì)算功率密度為680毫瓦/厘米2。此時(shí)再進(jìn)行與第一次本發(fā)明調(diào)節(jié)過程相同的另一次本發(fā)明的調(diào)節(jié)過程。觀察到功率密度定性來說有所增加，但是使用標(biāo)準(zhǔn)步驟并未能定量地測(cè)得。該電池在15psig、8(TC下保持16小時(shí)。然后其在Opsig、0.6伏、7(^C下再保持25小時(shí)，在此過程中得到三條不同的極化曲線。這三條極化曲線得到的平均功率密度為633毫瓦/厘米2。因此，在產(chǎn)生電能大約175小時(shí)之后，功率密度已從694毫瓦/厘米2的初始值減小到633毫瓦/厘米2,這表明電池的功能隨時(shí)間降低。最后進(jìn)行與前兩次調(diào)節(jié)相同的調(diào)節(jié)。由調(diào)節(jié)之后得到的極化曲線計(jì)算得到的功率密度為684毫瓦/厘米2。該數(shù)值非常接近694毫瓦/厘米2的初始的充分試運(yùn)轉(zhuǎn)后的數(shù)值，這說明在燃料電池運(yùn)行一段時(shí)間之后，通過本發(fā)明的調(diào)節(jié)過程能夠恢復(fù)很大一部分的能量損失。權(quán)利要求1.一種調(diào)節(jié)燃料電池的方法，所述燃料電池包括提供有燃料的陽極、提供有氧化劑的陰極，所述方法包括以下步驟i.對(duì)所述燃料電池施加第一外部負(fù)荷，以產(chǎn)生小于開路電壓的第一電壓，持續(xù)約小于20分鐘的第一段時(shí)間；ii.去除所述第一外部負(fù)荷，持續(xù)約小于2分鐘的第二段時(shí)間；iii.對(duì)所述燃料電池施加第二外部負(fù)荷，以產(chǎn)生小于開路電壓的第二電壓，持續(xù)約小于20分鐘的第三段時(shí)間。2.如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述燃料電池包括聚合物電解質(zhì)膜燃料電池。3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，對(duì)所述第一和第二外部負(fù)荷進(jìn)行選擇，使得所述第一電壓不同于所述第二電壓。4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述調(diào)節(jié)方法是在所述燃料電池運(yùn)作的最初約24小時(shí)過程中施用于所述燃料電池的。5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述調(diào)節(jié)方法是在所述燃料電池運(yùn)作約24小時(shí)之后，施用于所述燃料電池的。6.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一段時(shí)間約大于5秒。7.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二段時(shí)間約大于5秒。8.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述第三段時(shí)間約大于5秒。9.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，該方法還包括在任意過程步驟中對(duì)所述燃料電池施加液態(tài)水。10.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，該方法還包括以下步驟對(duì)所述聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的陽極施加約大于lpsig的燃料壓力，并對(duì)所述聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的陰極施加與所述燃料壓力相近的氧化劑壓力。11.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，該方法還包括在任意的過程步驟中，將燃料電池的溫度保持在大約60-9(TC。12.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，該方法還包括重復(fù)步驟i至iii至少兩次。13.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，該方法還包括重復(fù)步驟i至iii至少三次。14.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，該方法還包括氫氣燃料。15.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，該方法還包括甲醇燃料。16.—種膜電極組件，通過權(quán)利要求2所述的方法進(jìn)行調(diào)節(jié)。17.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，對(duì)所述第一外部負(fù)荷進(jìn)行選擇，使得所述第一電壓約為0.4伏至開路電壓。18.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，對(duì)所述第二外部負(fù)荷進(jìn)行選擇，使得所述第二電壓約為0.0-0.6伏。19.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，對(duì)所述第一外部負(fù)荷和所述第二外部負(fù)荷進(jìn)行選擇，使得所述第一電壓約為0.6伏，所述第二電壓約為0.3伏。20.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，該方法包括以下另外的步驟去除所述第二外部負(fù)荷，持續(xù)約小于2分鐘的第四段時(shí)間。21.如權(quán)利要求I9所述的方法，其特征在于，所述第一段時(shí)間約為15分鐘，所述第二段時(shí)間約為l分鐘，所述第三段時(shí)間約為15分鐘。22.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述第一段時(shí)間約為5-120秒,所述第二段時(shí)間約為5-120秒，所述第三段時(shí)間約為5-120秒。23.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，對(duì)所述第一外部負(fù)荷和所述第二外部負(fù)荷進(jìn)行選擇，使得所述第一電壓約為0.6伏，所述第二電壓約為0.3伏。24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述第一段時(shí)間約為15分鐘，所述第二段時(shí)間約為l分鐘，所述第三段時(shí)間約為15分鐘，所述第四段時(shí)間約為l分鐘。25.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述第一段時(shí)間約為5-120秒,所述第二段時(shí)間約為5-120秒，所述第三段時(shí)間約為5-120秒，所述第四段時(shí)間約為5-120秒。26.—種膜電極組件，通過權(quán)利要求19所述的方法進(jìn)行調(diào)節(jié)。27.如權(quán)利要求26所述的膜電極組件，其特征在于，所述膜電極組件包括具有與聚合物主鏈相連的離子酸官能團(tuán)的聚合物，以及任選的膨脹的聚四氟乙烯。28.如權(quán)利要求27所述的膜電極組件，其特征在于，所述離子酸官能團(tuán)選自磺酸、磺酰亞氨酸和膦酸。29.—種膜電極組件，通過權(quán)利要求20所述的方法進(jìn)行調(diào)節(jié)。30.如權(quán)利要求29所述的由所述方法進(jìn)行調(diào)節(jié)的膜電極組件，其特征在于，所述膜電極組件包括具有與聚合物主鏈相連的離子酸官能團(tuán)的聚合物，以及任選的膨脹的聚四氟乙烯。31.如權(quán)利要求30所述的膜電極組件，其特征在于，所述離子酸官能團(tuán)選自磺酸、磺酰亞氨酸和膦酸。32.—種膜電極組件，通過權(quán)利要求21所述的方法進(jìn)行調(diào)節(jié)。33.如權(quán)利要求32所述的由所述方法進(jìn)行調(diào)節(jié)的膜電極組件，其特征在于，所述膜電極組件包括具有與聚合物主鏈相連的離子酸官能團(tuán)的聚合物，以及任選的膨脹的聚四氟乙烯。34.如權(quán)利要求33所述的膜電極組件，其特征在于，所述離子酸官能團(tuán)選自磺酸、磺酰亞氨酸和膦酸。35.—種膜電極組件，通過權(quán)利要求22所述的方法進(jìn)行調(diào)節(jié)。36.如權(quán)利要求35所述的由所述方法進(jìn)行調(diào)節(jié)的膜電極組件，其特征在于，所述膜電極組件包括具有與聚合物主鏈相連的離子酸官能團(tuán)的聚合物，以及任選的膨脹的聚四氟乙烯。37.如權(quán)利要求36所述的膜電極組件，其特征在于，所述離子酸官能團(tuán)選自磺酸、磺酰亞氨酸和膦酸。38.—種膜電極組件，通過權(quán)利要求23所述的方法進(jìn)行調(diào)節(jié)。39.如權(quán)利要求38所述的由所述方法進(jìn)行調(diào)節(jié)的膜電極組件，其特征在于，所述膜電極組件包括具有與聚合物主鏈相連的離子酸官能團(tuán)的聚合物，以及任選的膨脹的聚四氟乙烯。40.如權(quán)利要求39所述的膜電極組件，其特征在于，所述離子酸官能團(tuán)選自磺酸、磺酰亞氨酸和膦酸。41.一種膜電極組件，通過權(quán)利要求24所述的方法進(jìn)行調(diào)節(jié)。42.如權(quán)利要求41所述的由所述方法進(jìn)行調(diào)節(jié)的膜電極組件，其特征在于，所述膜電極組件包括具有與聚合物主鏈相連的離子酸官能團(tuán)的聚合物，以及任選的膨脹的聚四氟乙烯。43.如權(quán)利要求42所述的膜電極組件，其特征在于，所述離子酸官能團(tuán)選自磺酸、磺酰亞氨酸和膦酸。44.一種膜電極組件，通過權(quán)利要求25所述的方法進(jìn)行調(diào)節(jié)。45.如權(quán)利要求44所述的由所述方法進(jìn)行調(diào)節(jié)的膜電極組件，其特征在于，所述膜電極組件包括具有與聚合物主鏈相連的離子酸官能團(tuán)的聚合物，以及任選的膨脹的聚四氟乙烯。46.如權(quán)利要求45所述的膜電極組件，其特征在于，所述離子酸官能團(tuán)選自磺酸、磺酰亞氨酸和膦酸。47.—種調(diào)節(jié)燃料電池的方法，該方法包括以下步驟i.組裝燃料電池，所述燃料電池包括陽極、陰極、電解質(zhì)和向所述陽極與陰極提供氣體的裝置；ii.在大約60-9(TC的溫度下，使用惰性氣體載體對(duì)所述燃料電池的陽極和陰極施加液態(tài)水；iii.使所述電池在所述溫度下保持約大于l小時(shí)的時(shí)間。48.—種膜電極組件，通過權(quán)利要求47所述的方法進(jìn)行調(diào)節(jié)。49.如權(quán)利要求48所述的由所述方法進(jìn)行調(diào)節(jié)的膜電極組件，其特征在于，所述膜電極組件包括具有與聚合物主鏈相連的離子酸官能團(tuán)的聚合物，以及任選的膨脹的聚四氟乙烯。50.如權(quán)利要求49所述的膜電極組件，其特征在于，所述離子酸官能團(tuán)選自磺酸、磺酰亞氨酸和膦酸。51.—種運(yùn)作燃料電池的方法，所述方法包括以下步驟i.組裝燃料電池，該燃料電池包括陽極、陰極以及介于所述陽極與陰極之間的聚合物電解質(zhì)，ii.實(shí)施試運(yùn)轉(zhuǎn)過程，所述試運(yùn)轉(zhuǎn)過程的90%試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約小于4小時(shí)。52.如權(quán)利要求51所述的方法，其特征在于，所述90%試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約小于2小時(shí)。53.如權(quán)利要求52所述的方法，其特征在于，所述卯％試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約小于1小時(shí)。54.—種運(yùn)作燃料電池的方法，所述方法包括以下步驟i.組裝燃料電池，該燃料電池包括陽極、陰極以及介于所述陽極與陰極之間的聚合物電解質(zhì)，ii.實(shí)施試運(yùn)轉(zhuǎn)過程，所述試運(yùn)轉(zhuǎn)過程的75%試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約小于2小時(shí)。55.如權(quán)利要求54所述的方法，其特征在于，所述75%試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約小于1小時(shí)。56.如權(quán)利要求55所述的方法，其特征在于，所述75%試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約小于0.5小時(shí)。57.—種設(shè)備，該設(shè)備包括i.用來對(duì)所述燃料電池施加第一外部負(fù)荷，以產(chǎn)生小于開路電壓的第一電壓約小于20分鐘的第一段時(shí)間的裝置；ii.用來去除所述外部負(fù)荷約小于2分鐘的第二段時(shí)間的裝置；iii.用來對(duì)所述燃料電池施加第二外部負(fù)荷，以產(chǎn)生小于開路電壓的第二電壓約小于20分鐘的第三段時(shí)間的裝置。全文摘要一種調(diào)節(jié)燃料電池的方法，所述燃料電池包括提供有燃料的陽極和提供有氧化劑的陰極，所述方法包括以下步驟(i)對(duì)所述燃料電池施加第一外部負(fù)荷以產(chǎn)生小于開路電壓的第一電壓，持續(xù)約小于20分鐘的第一段時(shí)間；(ii)去除外部負(fù)荷，持續(xù)約小于2分鐘的第二段時(shí)間；(iii)對(duì)所述燃料電池施加第二外部負(fù)荷，以產(chǎn)生小于開路電壓的第二電壓，持續(xù)約小于20分鐘的第三段時(shí)間。文檔編號(hào)H01M8/04GK101156269SQ200580047070公開日2008年4月2日申請(qǐng)日期2005年12月15日優(yōu)先權(quán)日2005年1月24日發(fā)明者C·A·巴克茲克韋,M·莫西,N·T·斯索弗三世申請(qǐng)人:戈?duì)柶髽I(yè)控股股份有限公司