本發(fā)明涉及用于延長高溫聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(HT-PEM FC)的使用壽命的設(shè)備和方法。

背景技術(shù)：

隨著在燃料電池技術(shù)中開始將聚合物膜用作不變的固體電解質(zhì)(PEM燃料電池)，除了其它方面，注意力已經(jīng)轉(zhuǎn)向基于堿性聚合物諸如聚苯并咪唑的質(zhì)子傳導(dǎo)膜。

在后者中，質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物被用電解質(zhì)特別是強酸(諸如硫酸或磷酸)摻雜。此摻雜產(chǎn)生構(gòu)成單相系統(tǒng)(其中酸借助于聚合物被復(fù)合)的聚合物電解質(zhì)。

高溫聚合物電解質(zhì)膜(HT-PEM)-膜電極組件(MEA)或單個電池-包括聚合物膜位于其間的兩個電極。

例如，聚合物膜是具有聚合物支撐基體的聚苯并咪唑(PBI)或聚醚膜。液體磷酸被儲存為聚合物支撐基體中的電解質(zhì)。

電極和氣體擴散電極包括透氣性的并導(dǎo)電的氣體擴散襯底，在氣體擴散襯底上沉積有催化劑，通常為鉑。作為襯底，催化劑通常使用碳粒子諸如煙灰(soot)或具有導(dǎo)電性的無機物質(zhì)諸如碳化物。這種電極層通常還具有用于穩(wěn)定化并用于獲得良好的離子電導(dǎo)性的添加劑諸如聚四氟乙烯(PTFE)或PBI。此外，該結(jié)構(gòu)允許反應(yīng)物的良好供應(yīng)。

在氣體擴散襯底與電極層之間，能夠提供另外的層(多微孔層)，另外的層(多微孔層)由煙灰，和添加劑諸如PTFE(如有需要)組成。這用作催化劑層的襯底層。在合適的實施方式諸如由于高百分比的PTFE引起的高疏水程度下，這在燃料電池的操作期間減少了從電極層到氣體擴散襯底中的液體電解質(zhì)進入。

作為燃料電池的電極，提供了陽極氣體擴散電極(陽極GDE)和陰極氣體擴散電極(陰極GDE)。

電極包括氣體擴散襯底、催化劑層和可選地位于催化劑層下面的中間層。

陽極GDE和陰極GDE兩者都含有酸從而在電解質(zhì)系統(tǒng)(例如具有吸收的磷酸的PBI膜)與催化劑之間產(chǎn)生離子接觸。

為了供應(yīng)MEA，設(shè)置具有陽極通道結(jié)構(gòu)和陰極通道結(jié)構(gòu)的供應(yīng)板。供應(yīng)板是由其中設(shè)置有通道結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電材料諸如由包含石墨材料或金屬材料組成的板。如果陽極通道結(jié)構(gòu)和陰極通道結(jié)構(gòu)都被設(shè)置在板中，那么該板被稱為雙極板。介質(zhì)借助于例如由FKM(氟化橡膠)、PFA(全氟烷氧基烷烴)或PTFE(聚四氟乙烯)組成的密封框而被密封。

在燃料電池堆中，多個彼此連接的板具有用于供應(yīng)陽極的一個或多個通道和用于供應(yīng)陰極的一個或多個通道。

此外，從現(xiàn)有技術(shù)中已知磷酸燃料電池(PAFC)。在這些燃料電池中，催化劑(通常是鉑)被沉積在通常借助聚四氟乙烯(PTFE)而結(jié)合在一起的碳粒子上。磷酸被儲存在內(nèi)聚的、多孔的電極結(jié)構(gòu)中。磷酸為液態(tài)的且為高度濃縮的。作為電解質(zhì)系統(tǒng)，使用在其中液體或凝膠狀的磷酸被儲存在碳化硅中的基體。在大約200℃的操作溫度下，磷酸逐漸汽化，這導(dǎo)致以下事實：在整個使用壽命中，部分磷酸經(jīng)由陰極通道結(jié)構(gòu)蒸發(fā)。為了補充磷酸的供應(yīng)，通道結(jié)構(gòu)通常被形成由多孔石墨制成的板，將磷酸儲存在由于孔隙度而存在的間隙中。此磷酸基于毛細(xì)管效應(yīng)進入電極和電解質(zhì)系統(tǒng)。毛細(xì)管效應(yīng)是存在的，因為電解質(zhì)基體的孔在尺寸上比供應(yīng)板的孔小。為了防止電極腔室的泄露，雙極板的子區(qū)域被實施為無孔的或在多孔板之間使用具有不透氣性的板的板附件。

US 7 763 390 B2描述了意在延長磷酸燃料電池的使用壽命的設(shè)備。在這些設(shè)備中，在催化劑層和通道結(jié)構(gòu)之間，設(shè)置其中儲存磷酸的親水層。

JP 10 320 10和JP 11 016 589已經(jīng)公開了使用儲板的磷酸燃料電池。儲板的孔具有比催化劑層的孔更大的直徑。在這種情況下，磷酸被儲存在相應(yīng)的儲器和/或電解質(zhì)儲板的孔中。

此過量的磷酸應(yīng)該補償由于蒸發(fā)或電池構(gòu)件的吸收導(dǎo)致的磷酸的損失。特別地，儲板具有包括充滿磷酸的填料的通道。

磷酸的輸送應(yīng)該借助于毛細(xì)管效應(yīng)發(fā)生。例如，磷酸通過多孔的碳絨毛(fleece)而被吸收在多孔碳中并且被置于電極之間。

根據(jù)JP 09 035 727和JP 02 204 973，使用外部的磷酸儲罐并且借助于此，磷酸被供應(yīng)至儲板中的填料或碳絨毛。

JP 02 299 165描述了在其中將磷酸在磷酸儲罐中加熱從而產(chǎn)生磷酸蒸汽，然后以氣態(tài)形式供應(yīng)至燃料電池的系統(tǒng)。

在磷酸燃料電池中，多孔石墨板使得可以快速且容易地補充磷酸。然而，這樣的系統(tǒng)具有在電極中磷酸濃度高的缺點，其抑制反應(yīng)物向催化劑的供應(yīng)，特別是氧的供應(yīng)。此外，在催化劑(鉑)處的磷酸鹽吸附導(dǎo)致催化抑制。對動力學(xué)的該負(fù)面影響在低燃料電池電壓和/或低功率密度下顯露。

與在磷酸燃料電池中相比，在高溫聚合物電解質(zhì)膜燃料電池中，酸(通常是磷酸)更好地被結(jié)合，因為其以液體形式被儲存在PBI基體中并且直接或間接地被離子鍵地結(jié)合。此外，電極中的酸濃度更低。因此，與在磷酸燃料電池中相比，在高溫聚合物電解質(zhì)燃料電池中的操作期間的酸損失更少。

然而，即使在高溫聚合物電解質(zhì)膜燃料電池下，特別是在一定的操作狀態(tài)和操作模式中，在工作期間發(fā)生酸損失。這是由于以下事實：在140℃至210℃的工作溫度下的工作期間(其中向燃料電池供應(yīng)空氣和氫氣)，在整個使用壽命中，膜電極組件(MEA)中的酸不斷地被從MEA排出。排出特別地經(jīng)由陰極排氣還經(jīng)由陽極排氣發(fā)生。當(dāng)被排出時，酸借助于蒸發(fā)從MEA釋放。該過程在高工作溫度和高陰極供應(yīng)λ(特別在空氣λ>2)下被促進。

此外，酸還能夠與作為氣態(tài)物質(zhì)的未轉(zhuǎn)化和/或未重整的燃料諸如三甲基酯形成酯，其然后作為氣態(tài)物質(zhì)出現(xiàn)。因此，膜和電極在其整個使用期中不斷地?fù)p失酸，這導(dǎo)致MEA的離子電導(dǎo)率下降。該酸損失繼續(xù)直到膜由于酸的缺少而不再能夠作為燃料電池電解質(zhì)為止，因為存在過高的離子電阻。這大大減少了使用壽命。

DE 199 14 247 A1了公開具有減少的電解質(zhì)流失的HTM燃料電池、HTM燃料電池組和用于啟動HTM燃料電池和/或HTM燃料電池組的方法。該設(shè)備的基本原理在于擷取已經(jīng)從燃料電池流失的電解質(zhì)并將其送回燃料電池。設(shè)備具有能夠暫時儲存已經(jīng)從電池流失的電解質(zhì)的儲器。在這種情況下，電解質(zhì)支撐體，例如多孔基體，或膜直接向具有邊緣區(qū)域的儲器內(nèi)突出；或毛細(xì)管和/或通道被集成至電解質(zhì)支撐體中以使地可以將電解質(zhì)送回?？商孢x地，能夠設(shè)置另外的線，另外的線以流失的電解質(zhì)能夠被擷取并且在建立平衡后能夠被自動送回電池的方式將儲器直接連接至膜。因此，特別地，在其中燃料電池堆還未達(dá)到其工作溫度的系統(tǒng)的啟動過程中，應(yīng)該可以減少發(fā)生的電解質(zhì)損失。

DE 11 2010 002 798 T5已經(jīng)公開用于減少液體電解質(zhì)從高溫聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的損失的方法。在這種情況下，用液體電解質(zhì)的蒸汽富化燃料流和/或空氣流；能夠借助于電化學(xué)反應(yīng)補充液體電解質(zhì)。方法還包括借助于一個或多個透氣性的陽極和透氣性的陰極向含聚合物電解質(zhì)膜的燃料電池供應(yīng)液體電解質(zhì)蒸汽。這應(yīng)該減少液體電解質(zhì)從燃料電池的膜的損失，這延長了燃料電池的使用壽命。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的目的是創(chuàng)建能夠延長高溫聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的設(shè)備和方法。

此目的用根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備和根據(jù)權(quán)利要求13的方法達(dá)成。有利的實施方式通過它們各自的從屬權(quán)利要求而被公開。

根據(jù)本發(fā)明，提供用于延長高溫聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的設(shè)備。此設(shè)備包括HT-PEM燃料電池堆，在其中每個電池包括具有陽極通道結(jié)構(gòu)的供應(yīng)板、陽極氣體擴散電極、含電解質(zhì)的聚合物膜、陰極氣體擴散電極和具有陰極通道結(jié)構(gòu)的供應(yīng)板。此外，設(shè)置至少一個充滿酸的酸儲器，酸儲器與基本上垂直于通道結(jié)構(gòu)在供應(yīng)板中延伸的分配通道連接，分配通道以以下方式與燃料電池堆的至少一個電池的氣體擴散電極和/或聚合物膜中的至少一個連接：酸能夠被供應(yīng)至燃料電池堆的至少一個電池的氣體擴散電極和/或聚合物膜中的至少一個。

因為設(shè)置基本上垂直于通道結(jié)構(gòu)在供應(yīng)板中延伸的分配通道，所以可以以簡單的方式向電池供應(yīng)電解質(zhì)或酸，因為酸能夠經(jīng)由在第一和/或最后一個供應(yīng)板附近被設(shè)置的連接件被供應(yīng)。這種供應(yīng)優(yōu)選為端面供應(yīng)。

如果要經(jīng)由平行于通道結(jié)構(gòu)的平面延伸的通道(即，通過燃料電池堆的橫向邊緣區(qū)域從燃料電池堆的里面延伸至外部的通道)，則在這些區(qū)域中可能發(fā)生泄漏問題，負(fù)面地影響操作可靠性。這是由于以下事實引起：燃料電池堆被實施為借助于按壓并且特別地借助于密封元件(諸如密封框)在它們的橫向邊緣區(qū)域中被密封。因此，從這些邊緣區(qū)域延伸出(具體地至每個電池)的通道的這種密封導(dǎo)致很多結(jié)構(gòu)問題。

在DE 199 14 247 A1中公開在膜中實施的這種通道(通過燃料電池堆的橫向邊緣區(qū)域延伸)。根據(jù)其中公開的實施方式，或者膜以不能有效供應(yīng)酸的方式被擠壓在兩個供應(yīng)板之間或者單個電池的所有組件必須在邊緣區(qū)域被密封，這可能是不可行的，因為在任何情況下，磷酸和/或反應(yīng)物將滲入不需要的區(qū)域。

優(yōu)選地，酸被供應(yīng)至每個電池。

在本發(fā)明的上下文中，酸被理解為適合于HT-PEM燃料電池的電解質(zhì)，特別是磷酸或硫酸。

優(yōu)選地，聚苯并咪唑(PBI)膜能夠被提供作為電解質(zhì)膜。

在實驗室條件下，在160℃的溫度和純水供應(yīng)下，在高溫聚合物電解質(zhì)燃料電池中實現(xiàn)超過一萬小時的運行時間。由于之前的應(yīng)用對使用壽命沒有增加需求，所以在高溫聚合物電解質(zhì)膜燃料電池中關(guān)于補充酸方面沒有付出研究工作。

除了其它方面，本發(fā)明以實現(xiàn)在開始/停止循環(huán)中特別地促進酸的排放為基礎(chǔ)。在主要使用HT-PEM燃料電池而不是磷酸燃料電池的移動應(yīng)用中，頻繁的開始/中止循環(huán)非常重要。

本發(fā)明的發(fā)明者已經(jīng)實現(xiàn)了，在HT-PEM燃料電池中補充酸使得能夠在固定的和移動的應(yīng)用(特別是具有頻繁的開始/中止循環(huán))中具有更長的使用壽命。

此外，可以簡化燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計，因為能夠消除或減少重整油清洗階段，所述重整油清洗階段在燃料進入燃料電池之前將其阻止從而抑制由于酸與燃料的反應(yīng)造成的酸流失。

由于完全重整不再是絕對必需的，還通過提供酸的補充使得能夠減少系統(tǒng)中的重整單元的數(shù)量這一事實而允許簡單的系統(tǒng)架構(gòu)。

與磷酸燃料電池相反，在HT-PEM燃料電池中，因為與在磷酸燃料電池中相比酸更少移動，并且因為聚合物膜比磷酸燃料電池的電解質(zhì)基體更有力地結(jié)合酸，所以可以降低電極層中的酸負(fù)荷。其原因是磷酸與例如包含堿性咪唑基團的聚合物支撐基體的蛋白水解反應(yīng)。在電極中被降低的酸負(fù)荷獲得了更好的材料(例如空氣)供應(yīng)和降低的電極催化劑動力學(xué)抑制。然而，在HT-PEM燃料電池中，酸(例如磷酸)以酸/堿反應(yīng)與聚合物化學(xué)反應(yīng)，在磷酸燃料電池中磷酸僅被物理儲存。理想地，在HT-PEM燃料電池的電解質(zhì)系統(tǒng)中發(fā)生最佳酸負(fù)荷；具體而言，電極具有足夠的磷酸以獲得催化劑對電解質(zhì)系統(tǒng)的低阻離子結(jié)合，但不要太多，目的是對反應(yīng)物(即，大氣的氧和氫)的供應(yīng)造成最小的可能性妨礙。

基于該特征，HT-PEM燃料電池具有比磷酸燃料電池更強的動力學(xué)。但因為由于最佳濃度的改變造成的酸損失導(dǎo)致酸的不足，所以其降低了燃料電池的性能并且酸補充的不足減少了使用壽命。

由于HT-PEM燃料電池比磷酸燃料電池更強的電極動力學(xué)，電極/電解質(zhì)系統(tǒng)具有最佳酸量。由于酸排放，該最佳條件失去并且發(fā)生降低，這減少了使用壽命。

然而，為了確保HT-PEM燃料電池的長的使用壽命，使用過量的酸，通常伴有電極中初始過高的濃度和更厚的電解質(zhì)膜，其引起高的離子電阻。用于延長使用壽命的替選方案是在較低溫度(例如150℃)下操作HT-PEM燃料電池從而最小化酸的排放。然而，在低溫下，燃料電池的功率密度較低。

為了獲得低的或優(yōu)化的酸負(fù)荷，在其中儲存酸的多孔板或雙極板不能被用在HT-PEM燃料電池中。使用酸浸漬板在生產(chǎn)工藝方面也是更加復(fù)雜并更加昂貴的。因此，在HT-PEM燃料電池中，到目前為止重新使用蒸發(fā)的酸是不可能的，這與磷酸燃料電池相比導(dǎo)致明顯更短的使用壽命。

基于這種電解質(zhì)膜的PEM燃料電池在高于水的沸點的工作溫度下被操作。在電解質(zhì)系統(tǒng)中，質(zhì)子輸送不受水的存在的約束。在這些操作條件下，水以氣態(tài)形式存在。

然而，通過與低溫PEM燃料電池相比，基于摻雜磷酸的聚合物膜的燃料電池的明顯缺點在于以下事實：

-在以濃縮形式生成水的操作條件下，電解質(zhì)能夠被稀釋并排放同時被溶解在水中。

-在更高的溫度下，電解質(zhì)由于其蒸汽壓以氣態(tài)形式被排放。

-在用重整油氣操作燃料電池的情況下，電解質(zhì)能夠與未轉(zhuǎn)化的燃料形成化合物，例如能夠以氣態(tài)或液態(tài)形式被排放的三甲基磷酸酯。

該效果被稱為“瀝濾”。作為其結(jié)果，膜和/或電極的離子或質(zhì)子傳導(dǎo)性隨時間減少，這導(dǎo)致電池的內(nèi)電阻的增加，并因此導(dǎo)致電池性能的減少。

本發(fā)明基于以下實現(xiàn)：通過供應(yīng)或補充酸可以避免HT-PEM燃料電池的顯著的缺點，并保留其與磷酸燃料電池相比而在電極電解質(zhì)腔室中更有利的酸濃度的優(yōu)點。

根據(jù)本發(fā)明，燃料電池具有充滿酸的酸儲器，酸儲器能夠具有特別地向氣體擴散襯底的開口通道，經(jīng)由其液體形式的酸經(jīng)過氣體擴散襯底進入電極(電極層)中，并從那，被供應(yīng)至聚合物膜直到后者再次具有足夠百分比的酸為止。

在這種情況下，酸的平面分配借助于電極層、氣體擴散襯底和聚合物膜發(fā)生。特別地，在電極層與聚合物膜之間的邊界層中，酸的分配由于產(chǎn)物水的形成而發(fā)生，其在陰極中比陽極中更多。與酸供應(yīng)相反，部分酸通過或從膜到電極被釋放。

“開口通道”被理解為任何通道狀的結(jié)構(gòu)，即使其被實施為毛細(xì)管、輸送輔助件或供應(yīng)元件。

在本發(fā)明的上下文中，“酸儲器”被理解為充滿酸的儲罐、腔室或儲器；亦或被集成至具有不同線段或通道的供應(yīng)板中的系統(tǒng)，并且還特別是供應(yīng)通道或酸供應(yīng)儲器。

酸儲器能夠被集成至供應(yīng)板中并且能夠經(jīng)由線段被連接至儲罐。供應(yīng)設(shè)備諸如泵能夠被集成至線段中。

特別地，在PBI膜下，應(yīng)該向膜的活性區(qū)域即向質(zhì)子傳導(dǎo)發(fā)生的區(qū)域(質(zhì)子傳導(dǎo)發(fā)生在陽極和陰極反應(yīng)發(fā)生的電極的區(qū)域之間)中或至少向其邊緣區(qū)域中提供酸供應(yīng)，因為在電極中特別是在膜電極系統(tǒng)的活性區(qū)域中，酸輸送也是有效的。

因此，經(jīng)由下面更詳細(xì)地描述的相應(yīng)裝置至少向PBI膜的活性區(qū)域的邊緣區(qū)域中進行酸供應(yīng)，其中，需要用于反應(yīng)的酸。膜的擠壓顯著地減少了酸輸送。

設(shè)備能夠具有控制單元，其以使得能夠向燃料電池堆的各個電池中進行監(jiān)控的、控制的酸供應(yīng)的方式觸發(fā)供應(yīng)設(shè)備。能夠基于使用壽命和/或性能特性曲線而確定控制參數(shù)。

設(shè)備的集成分配系統(tǒng)能夠具有貫穿燃料電池堆的所有電池的垂直于陽極通道結(jié)構(gòu)和陰極通道結(jié)構(gòu)以及供應(yīng)板延伸的分配通道。從該分配通道分支出連接通道，其被實施在通道結(jié)構(gòu)的平面中、位于供應(yīng)板的邊緣區(qū)域中并被連接至同樣被實施在同一平面中的供應(yīng)通道。

供應(yīng)通道能夠位于通道結(jié)構(gòu)附近、緊挨其或在其周圍。

來自燃料電池外部的酸能夠經(jīng)由這些通道被供應(yīng)至燃料電池堆的各個電池。

在供應(yīng)板的垂直定向下，由于可能不期望由重力導(dǎo)致的酸從供應(yīng)通道(例如通過多孔氣體擴散襯底)排出而流入相鄰的下面的供應(yīng)通道中，供應(yīng)通道能夠優(yōu)先位于供應(yīng)板的下部(靠近燃料電池堆的支撐表面)中。

此外，儲器能夠被集成至連接通道和/或供應(yīng)通道中。儲器能夠被實施為供應(yīng)板中的凹處。該儲器充當(dāng)緩沖和/或配量輔助件。

儲器還能夠簡單地為連接通道和/或供應(yīng)通道的擴大部分。儲器的體積至少是0.01ml至0.5ml。

根據(jù)本發(fā)明，設(shè)備還可以不具有外部儲罐。然后，酸僅僅從至少一個內(nèi)部儲器被供應(yīng)。如果這些儲器是空的，那么作為酸服務(wù)的一部分，儲器能夠再充滿酸。例如，每個供應(yīng)板的各個儲器能夠經(jīng)由分配通道被彼此連接，使得儲器能夠經(jīng)由可閉漏斗頸全部一次性或一個接一個第被外部的酸充滿。根據(jù)電池區(qū)域的尺寸，相應(yīng)的儲器的體積為至少0.1ml至大約5ml，且特別地，為至少0.2至2.5ml。這種設(shè)備構(gòu)成發(fā)明的單獨的構(gòu)思。

用于酸供應(yīng)的各個組件-包括連接通道、儲器和供應(yīng)通道-還能夠在電池的密封框和/或構(gòu)成加強框的高分子膜(輔助墊片)中以腔室的形式被實施。

根據(jù)根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的另一個實施方式，加強框或聚合物膜例如PBI膜還可以具有周圍的邊緣部。在邊緣部中，設(shè)置彼此頂置堆疊的兩個或更多個高分子膜，其在其邊界層中形成毛細(xì)管(即，使得能夠通過毛細(xì)力輸送酸的膜之間的間隙和/或空間)。代替高分子膜，電解質(zhì)膜的邊緣區(qū)域還可以延伸至該區(qū)域中。在這種情況下，酸能夠經(jīng)由構(gòu)成如本發(fā)明所定義的供應(yīng)元件的毛細(xì)管被供應(yīng)至電池。邊緣部的一個區(qū)域延伸至分配通道的區(qū)域中使得酸能夠經(jīng)由該區(qū)域被補充至聚合物膜中，并且從那，還對應(yīng)地被補充至陽極氣體擴散電極和/或陰極氣體擴散電極中。

為了使得酸能夠直接在膜上更好或更快地分配，用于酸的輸送輔助件還能夠以燈芯或以平面的形式布置的網(wǎng)或合適定向的纖維的形式被置于電極和膜之間。纖維以它們輸送酸(并且如有可能吸收足夠的酸)使得它們不妨礙電解質(zhì)膜和輸送輔助件的組合的質(zhì)子傳導(dǎo)的方式被提供。為了最小化輸送輔助件(例如纖維)的離子電阻，后者被實施為細(xì)小的。代替纖維或網(wǎng)，還可以使用細(xì)絨毛或另一種酸傳導(dǎo)材料諸如碳化硅。為了避免酸向陰極的過度釋放，將該輸送輔助件置于陽極上，因此經(jīng)由膜供應(yīng)陰極是有利的。

輸送輔助件還能夠經(jīng)由供應(yīng)通道直接與酸接觸。

而且，根據(jù)該實施方式，相鄰的電極和膜經(jīng)由供應(yīng)通道并經(jīng)由酸儲器被供應(yīng)酸。膜進而向相對的電極層釋放酸。

根據(jù)另一個實施方式，還能夠在燃料電池堆中設(shè)置用于循環(huán)酸的通道結(jié)構(gòu)。

在這種情況下，能夠連續(xù)地或間斷地(例如以500工作小時的間隔)進行酸補充。該方法具有以下優(yōu)點：其確保所有的通道都被供以無氣泡的(即均勻的)形式的酸。該循環(huán)供應(yīng)能夠通過計量泵而供以濃酸。如果酸由于其吸濕性能而從電池介質(zhì)吸收水并且后者的酸濃度減少，這是特別有利的。

然而，根據(jù)構(gòu)成本發(fā)明的單獨構(gòu)思的另一個實施方式，還可以經(jīng)由平行于通道結(jié)構(gòu)的平面延伸的通道(即經(jīng)由從燃料電池堆內(nèi)側(cè)通過燃料電池堆的橫向邊緣區(qū)域向外延伸的通道)供應(yīng)酸。

該實施方式能夠根據(jù)在本發(fā)明的上下文中描述的實施方式被實施，區(qū)別在于，酸的供應(yīng)不基于位于供應(yīng)板中的分配通道而是經(jīng)由位于燃料電池堆外面的酸儲器或酸通道而發(fā)生。

因此，輸送輔助件、供應(yīng)元件或至少兩層高分子膜通過橫向邊緣區(qū)域延伸，從而向電池供應(yīng)酸。

在這種實施方式中，可以分別向各個電池供應(yīng)酸。為此可以設(shè)置相應(yīng)的計量泵。

根據(jù)所有的實施方式，利用膜電極組件的甚至是氣體擴散襯底的構(gòu)件的對酸的不同的親水性，從而在膜和電極層中都調(diào)整最佳的酸濃度。

下面描述用于延長高溫聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的使用壽命的方法。

在用于延長高溫聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的使用壽命的方法中，從酸儲器向燃料電池的至少一個電池供應(yīng)酸。

優(yōu)選地，在所有的電池中提供酸的補充供應(yīng)。在例外情況下，可以并非對所有的電池都配備有酸的補充，例如如果不均勻的溫度分配普遍存在，一些電池由于較低的溫度而具有較低的酸損失。

能夠借助于酸儲器或經(jīng)由具有開口通道的供應(yīng)通道以如下方式向GDE或向膜提供供應(yīng)：酸進入電極層并從那進入聚合物膜(反之亦然)。

在根據(jù)本發(fā)明的用于延長高溫聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的使用壽命的方法中，能夠以以下方式進行借助于酸儲器的供應(yīng)：酸經(jīng)由酸儲器的開口通道進入氣體擴散襯底，從那進入電極層并從那經(jīng)由擴散過程進入聚合物膜。

此外，一部分酸能夠被釋放至膜的相對側(cè)的GDE。

因為在大部分的膜電極組件中，氣體擴散襯底和/或電極層-由于其擴散性能(孔隙度，潤濕性)-比聚合物電解質(zhì)更好地傳導(dǎo)酸，所以電池中的酸的分配-即酸的輸送-主要發(fā)生在GDE中。

在GDE中的酸傳導(dǎo)下，在襯底中和在電極層的多微孔結(jié)構(gòu)中發(fā)生輸送。通常，在電極層下面提供高孔隙度的碳的另外的層。

該輸送路徑由電極層和氣體擴散襯底的降解過程(例如碳腐蝕)輔助，其導(dǎo)致碳表面的更加親水的特性。在陰極產(chǎn)生的產(chǎn)物水和在陽極產(chǎn)生的含水介質(zhì)還促進該擴散路徑，因為這增加了電極中酸的體積。因為用酸潤濕了電極層，所以其能夠具有好的潤濕能力(盡管可能有高百分比的疏水性粘結(jié)劑諸如PTFE)。

根據(jù)本發(fā)明，表面活性物質(zhì)(例如異丙醇、表面活性劑)能夠被添加至酸中，從而加速通過氣體擴散襯底。

為了促進電極中的輸送，酸傳導(dǎo)構(gòu)件(例如玻璃纖維)還能夠被集成至電極層中。這例如可以通過將特定纖維(例如玻璃纖維)插入或送入擴散襯底，特定纖維(例如玻璃纖維)很好地傳導(dǎo)酸并不充分地(以少量)向襯底(例如中空纖維)釋放其，從而使得經(jīng)由纖維基本上能夠進行酸輸送。特定纖維具有足夠大的網(wǎng)格寬度，以很難對氣體輸送有任何負(fù)面影響。這種纖維的網(wǎng)還能夠被置于在流場與氣體擴散襯底之間。此外，層(例如，具有較低百分比的PTFE)還能夠被集成至GDE中。

氣體擴散襯底還能夠具有疏水性能高(例如，較低百分比的PTFE)的地方。

用于供應(yīng)酸的通道或切口還能夠被實施在氣體擴散電極中。例如，這些可以是鑿除狀區(qū)域、簡單的切口或狹窄的腔室(<1mm)。能夠借助于等離子處理或借助于激光、化學(xué)或物理表面處理而獲得促進磷酸輸送的氣體擴散電極的親水化區(qū)域。特別地在用磷酸潤濕的電極的區(qū)域中提供這些預(yù)防措施。

經(jīng)由氣體擴散襯底在燃料電池堆中補充酸的該擴散路徑的使用特別適合于HT-PEM燃料電池。在磷酸燃料電池中，經(jīng)由多孔SiC電解質(zhì)的路徑主要用于補充磷酸，因為這些燃料電池在與濃磷酸的直接接觸發(fā)生時(特別在高溫下)，不會存在在HT-PEM聚合物膜中發(fā)生膜溶脹的問題。此外，在HT-PEM聚合物膜中，在聚合物基體(在其中酸分子被復(fù)合內(nèi))內(nèi)的酸遷移僅當(dāng)在磷酸燃料電池的SiC電解質(zhì)層的孔內(nèi)的酸輸送被毛細(xì)力驅(qū)動時才非常緩慢地發(fā)生。

根據(jù)該方法，酸還可以經(jīng)由與來自酸儲器的酸接觸的聚合物膜的至少一部分從酸儲器直接進入聚合物膜。為了防止聚合物膜的溶脹，酸能夠例如被親水性高沸點液體(諸如乙二醇)稀釋。

如果到MEA中的酸供應(yīng)緩慢地發(fā)生，這通常是有用的，因為不然，太多的酸會局部地滲入氣體擴散襯底中或MEA中。太高的供應(yīng)速度導(dǎo)致結(jié)果如下：

如果太多的酸進入電極，這能夠抑制氣體供應(yīng)，特別是氧氣供應(yīng)，其導(dǎo)致電極動力學(xué)劣化。

如果太多的酸進入電極，其能夠從氣體擴散襯底返回并流入介質(zhì)通道(陽極和陰極通道)。這應(yīng)該被避免，因為其能夠以無規(guī)律的形式阻塞各個通道或至少減少其流動截面。這導(dǎo)致電池之間的介質(zhì)的不均勻分配。

如果在電解質(zhì)系統(tǒng)(由例如PBI和酸組成)的部分中，因為在電解質(zhì)系統(tǒng)中的酸輸送太慢導(dǎo)致酸濃度太高，那么這能夠引起電解質(zhì)膜的高溶脹。因此，膜變得機械地不穩(wěn)定并且這可能會導(dǎo)致破裂。

為了防止在快速供應(yīng)酸時堵塞供應(yīng)板的通道，能夠以以下方式設(shè)置供應(yīng)板(優(yōu)選地，陰極流場)：其通道具有足夠大的橫截面，從而不會發(fā)生隨著酸的補充由于通道墻的潤濕而阻塞通道；不然，通道的橫截面能夠足夠小，使得在酸阻塞的情況下，酸通過介質(zhì)的流動被驅(qū)出通道從而在通道中的介質(zhì)供應(yīng)不會被中斷。

為了防止上述問題，供應(yīng)速度能夠借助于以下措施被降低：

借助于重力：如果儲器位于供應(yīng)通道下面或與其同高度，壓力的力較低(連通管)并且酸的流動比酸的液位較高時更慢。

借助于例如由于相應(yīng)的細(xì)小的連接通道而發(fā)生的流阻。

借助于吸收酸并緩慢釋放其的主體。該主體能夠被置于儲器中。借助于具有高擴散阻力的主體，例如由于其孔隙度使得能夠吸收的主體。然而，由于主體的毛細(xì)力的吸收小于電極/電解質(zhì)系統(tǒng)的酸親和力。這種主體應(yīng)該被置于MEA的上游區(qū)域或儲器中。例如，主體能夠從MEA空間地劃分供應(yīng)通道。主體能夠被置于供應(yīng)通道或酸儲器中。主體還能夠被置于供應(yīng)系統(tǒng)(分配通道、連接通道、儲器)中。

主體或供應(yīng)元件或輸送輔助件可以是膜元件、燈芯、無紡布、網(wǎng)、一種或多種纖維、絨毛或聚合物膜之間的毛細(xì)管。

供應(yīng)元件能夠被置于聚合物膜和氣體擴散電極之間或與兩者之一鄰接的區(qū)域中。

此外，酸的快速供應(yīng)還可以是有利的。例如，可以考慮或可以策劃酸從供應(yīng)通道到供應(yīng)通道中的流動(當(dāng)燃料電池處于停工狀態(tài)時)；例如，在幾個小時內(nèi)，酸被吸收至GDE中并且能夠遍布整個電極層和/或膜。

附圖說明

下面將基于附圖更詳細(xì)地解釋本發(fā)明。在附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的示意性示意性描述，具有帶有酸儲器的燃料電池堆、儲罐、線段和供應(yīng)設(shè)備，

圖2是帶有根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的酸儲器的供應(yīng)板的示意性描述的頂視圖，

圖3是帶有根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的酸儲器的供應(yīng)板的另一個實施方式的示意性描述的頂視圖，

圖4是帶有根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的酸儲器的供應(yīng)板的另一個實施方式的示意性描述的頂視圖，

圖5是帶有根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的氣體擴散電極、聚合物膜、密封框和酸儲器的供應(yīng)板的另一個實施方式的示意性描述的頂視圖，

圖6示出來自圖5的實施方式沿A–A線橫切的視圖，

圖7是圖5中示出的實施方式的另一個實施方式的示意性描述的頂視圖，

圖8是帶有根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的聚合物膜、氣體擴散電極、密封框和酸儲器的供應(yīng)板的另一個實施方式的示意性描述的頂視圖，

圖9是根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的供應(yīng)板的另一個實施方式的示意性描述的頂視圖，

圖10是具有酸儲器的供應(yīng)板的可替選實施方式的示意性描述的頂視圖，

圖11是具有酸儲器的供應(yīng)板的可替選實施方式的示意性描述的頂視圖，

圖12是根據(jù)另一個實施方式的燃料電池堆的電池的示意性、橫向截取詳圖，

圖13是根據(jù)另一個實施方式的燃料電池堆的電池的示意性、橫向截取詳圖，和

圖14是根據(jù)另一個實施方式的燃料電池堆的電池的示意性、橫向截取詳圖。

具體實施方式

根據(jù)本發(fā)明的用于延長HT-PEM燃料電池的使用壽命的設(shè)備1包括HT-PEM燃料電池和酸儲器。燃料電池8優(yōu)選是由多個電池組成的燃料電池堆(圖1)。

燃料電池8的單個電池包括具有陽極通道結(jié)構(gòu)3的供應(yīng)板2、陽極氣體擴散電極17、含電解質(zhì)的聚合物膜13、陰極氣體擴散電極17和具有陰極通道結(jié)構(gòu)3的供應(yīng)板2。

供應(yīng)板2按照根據(jù)下面描述的本發(fā)明的供應(yīng)板2而被實施。

在燃料電池堆中，供應(yīng)板2的分配通道部4形成由單獨的分配通道部4組成并相對于外部液密且氣密的分配通道9(圖2至圖4)。

分配通道9經(jīng)由線段10被連接至儲罐11。

供應(yīng)設(shè)備12諸如泵被集成至線段10中并且被實施為將酸從儲罐11泵入分配通道9中。

線段10、供應(yīng)設(shè)備12和儲罐構(gòu)成供應(yīng)系統(tǒng)18。

設(shè)置控制單元(未示出)以控制向燃料電池堆中的酸供應(yīng)或計量。

下面描述根據(jù)本發(fā)明的供應(yīng)板2的第一實施方式，其具有通道結(jié)構(gòu)3和酸供應(yīng)儲器16(圖2)。

通道結(jié)構(gòu)3可以是陽極通道結(jié)構(gòu)或陰極通道結(jié)構(gòu)。

供應(yīng)板被實施為具有兩個表面?zhèn)群退膫€端面的板狀并由導(dǎo)電材料諸如石墨或含石墨的材料構(gòu)成。

其還可以由合適的金屬材料構(gòu)成。此外，通道結(jié)構(gòu)3可以被實施在供應(yīng)板的僅一個表面?zhèn)然蛟谄鋬蓚?cè)。

通道結(jié)構(gòu)3向表面?zhèn)乳_口并例如以曲徑的形式延伸。

在供應(yīng)板2的至少一個拐角處，設(shè)置以通孔的形式實施的分配通道部4。

分配通道部4垂直于其中通道結(jié)構(gòu)3被實施的面就位。

分配通道部4經(jīng)由連接通道5被連接至用于容納酸的儲器7，連接通道5在與通道結(jié)構(gòu)3相同的平面中延伸并同樣地被實施為向表面?zhèn)乳_口。

例如，儲器7是半球形或矩形開口或向表面?zhèn)乳_口的更寬的和/或擴大的通道。

從儲器7分支出供應(yīng)通道6，供應(yīng)通道6大約延伸至通道結(jié)構(gòu)3中間的區(qū)域中并同樣地被實施為向表面?zhèn)乳_口。

根據(jù)該實施方式，供應(yīng)通道6是酸供應(yīng)儲器16，經(jīng)由其酸的補充流被供給燃料電池堆8的電池。因為供應(yīng)通道中的酸與氣體擴散襯底直接接觸，所以進行補充。

下面描述根據(jù)本發(fā)明的供應(yīng)板2的第二實施方式(圖3)，其具有通道結(jié)構(gòu)3和酸供應(yīng)儲器16。假如在此沒有相反描述，此供應(yīng)板具有與上述根據(jù)第一實施方式的供應(yīng)板具有相同的特征。

根據(jù)第二實施方式，儲器7位于供應(yīng)板一側(cè)并同樣地被連接至連接通道5。

再次構(gòu)成酸供應(yīng)儲器16的供應(yīng)通道6在連接通道5的大約一半長度處分支在通道結(jié)構(gòu)3的區(qū)域中并延伸至后者中。

下面將描述根據(jù)本發(fā)明的供應(yīng)板2的第三實施方式(圖4)，其具有通道結(jié)構(gòu)3和酸供應(yīng)儲器16。假如在此沒有相反描述，此供應(yīng)板與根據(jù)第二實施方式的供應(yīng)板2具有相同的特征。

被構(gòu)建到系統(tǒng)中的燃料電池堆常常具有向地面定位的支撐側(cè)A。根據(jù)該實施方式，支撐側(cè)是圖4中示出的下端面，即支撐側(cè)正交于供應(yīng)板所位于的平面延伸。

在本發(fā)明的上下文中，支撐側(cè)還可以平行于供應(yīng)板所位于的平面延伸。

圖4中的虛線表示氣體擴散電極17的支撐區(qū)域。

連接通道5具有兩個部分。供應(yīng)通道6或酸供應(yīng)儲器16在這兩個部分之間延伸。

與供應(yīng)板的兩個上述示例性實施方式形成對比，連接通道5的部分延伸至氣體擴散襯底17被支撐的區(qū)域中。

供應(yīng)通道6這樣的布置防止酸由于重力而進入供應(yīng)板2的通道結(jié)構(gòu)3中。

下面將描述供應(yīng)板2的第四實施方式，其具有氣體擴散電極17、高分子膜(輔助墊片)19、密封框20和酸供應(yīng)儲器16(圖5和圖6)。假如這里沒有相反描述，此供應(yīng)板具有與上述供應(yīng)板相同的特征。

根據(jù)該實施方式，聚合物膜13并不是終止于與氣體擴散電極17的邊緣區(qū)域幾乎齊平，而是具有從氣體擴散電極17的區(qū)域的周邊突出的邊緣部21。

在頂部和底部，聚合物膜13的邊緣部21被框形的加強框19(聚合物膜)覆蓋。高分子膜19具有接近25μm的厚度。

靠著高分子膜19和供應(yīng)板2分別設(shè)置密封框20。

供應(yīng)板2具有經(jīng)由連接通道5被連接至酸供應(yīng)儲器16的分配通道部4。

連接通道5被實施為密封框20中的開口。

酸供應(yīng)儲器16在頂部由供應(yīng)板2、在側(cè)面由密封框20和在底部由具有開口22的加強框19和聚合物膜13的邊緣部分21界定。

加強框19的開口22允許酸從酸供應(yīng)儲器16穿過而進入聚合物膜13的邊緣部分21。以這種方式，酸能夠從酸供應(yīng)儲器16進入聚合物膜13并從那進入氣體擴散電極17。

設(shè)置多個例如四個小開口22的事實防止了能夠?qū)е铝芽p和分離的膜的大面積溶脹。

這種酸供應(yīng)儲器優(yōu)選平行于燃料電池堆的支撐表面就位，從而防止酸被排入供應(yīng)板的通道結(jié)構(gòu)。

因此，酸一方面能夠進入聚合物膜，另一方面還能夠進入在高分子膜19或輔助墊片和聚合物膜之間形成的邊界層，此流動由毛細(xì)力產(chǎn)生。

此外，高分子膜用于在邊緣區(qū)域增強膜。

下面描述根據(jù)本發(fā)明的供應(yīng)板2的第五實施方式(圖7)。假如在此沒有相反描述，其具有與圖5中示出的實施方式相同的特征。

根據(jù)該實施方式，密封框20具有還界定酸儲器16的隔離件23。此隔離件23(其幾乎平行于支撐表面從密封框20的一側(cè)延伸至與這一側(cè)相對的一側(cè))借助于從密封框傳出的壓力可以防止膜的溶脹和到供給通道中的不期望的酸流入。

根據(jù)該實施方式，還設(shè)置儲器7；虛線表示靠在密封框頂部的供應(yīng)板(未示出)中相應(yīng)的開口。儲器7被集成至連接通道5中。

下面描述供應(yīng)板2的另一個實施方式(圖8)，假如在此沒有相反描述，其具有與上述供應(yīng)板2相同的特征。

根據(jù)該實施方式，分配通道部4被實施在供應(yīng)板2中。

密封框20具有以連接通道5的形式實施的開口。根據(jù)該實施方式，因為開口由聚合物膜19界定，所以開口22、連接通道5或供應(yīng)通道6構(gòu)成酸供應(yīng)儲器16，且因此，包含在酸供應(yīng)儲器16中的酸與高分子膜19的邊緣部21直接接觸并因此與聚合物膜13直接接觸。此外，酸另外地或可替選地與氣體擴散電極17直接接觸。

下面描述供應(yīng)板的另一個實施方式(圖9)。假如在此沒有相反描述，此供應(yīng)板具有與上述供應(yīng)板相同的特征。

在供應(yīng)板2中，設(shè)置經(jīng)由連接通道5向同樣被實施為供應(yīng)板中的腔的儲器7中進料的分配通道部4。供應(yīng)通道6構(gòu)成從儲器7或儲器7的通道到氣體擴散電極17并到聚合物膜13的開口或通道。

供應(yīng)通道6位于高分子膜19的邊緣部21中的區(qū)域構(gòu)成酸供應(yīng)儲器16。

玻璃纖維燈芯24從氣體擴散電極17通過連接通道5的部分延伸至儲器7中，根據(jù)該實施方式，玻璃纖維燈芯24是酸供應(yīng)儲器16的組件。

因此，已經(jīng)被引入儲器7中的酸由毛細(xì)力通過燈芯24(例如玻璃纖維燈芯)被引入氣體擴散電極的電極層和/或膜中。

根據(jù)下面描述的供應(yīng)板2的可替選實施方式(圖10)，供應(yīng)板2具有兩個分配通道部4。

這些分配通道部4經(jīng)由各自的連接通道5分別被連接至供應(yīng)通道6。

根據(jù)該實施方式，設(shè)置循環(huán)設(shè)備(未示出)諸如泵；一個分配通道部4被實施為供應(yīng)分配通道使得酸借助于循環(huán)設(shè)備進入供應(yīng)分配通道；并且另一個分配通道部4對應(yīng)地被實施為排放分配通道，經(jīng)由其酸被排出。

根據(jù)該實施方式，酸不僅被供應(yīng)并補充，而且經(jīng)由分配通道9(被實施為分配通道部4)在燃料電池堆中循環(huán)。

在構(gòu)成酸供應(yīng)儲器的供應(yīng)通道6中的酸又直接與氣體擴散電極17和/或聚合物膜13接觸。

下面描述帶有輔助墊片19的本發(fā)明的其他實施方式，假如在此沒有相反描述，其與上述帶有輔助墊片19的實施方式相對應(yīng)(圖12至圖14)。

根據(jù)這些實施方式中的一個，酸經(jīng)由分配通道部4和/或分配通道9被供應(yīng)至電池。

根據(jù)一個實施方式，輔助墊片19(高分子膜；加強框)分別在聚合物膜13的上面和下面延伸至分配通道4中。

在分配通道9的區(qū)域中，在輔助墊片19中設(shè)置相應(yīng)的開口25(即，孔)，以免妨礙通過分配通道9的酸的流動。

在輔助墊片19彼此接觸的邊界層中，設(shè)置毛細(xì)管26，經(jīng)由其酸進入電池的氣體擴散電極17和/或聚合物膜13的反應(yīng)區(qū)域中。

這些毛細(xì)管26是如本發(fā)明定義的輸送輔助件。

根據(jù)另一個實施方式，膜13和至少一個輔助墊片19還能夠延伸至分配通道9中(圖13)。

在分配通道9的區(qū)域中，相應(yīng)的開口25(即，孔)又在輔助墊片和膜中被實施。

在輔助墊片19和膜13彼此接觸的邊界層中，設(shè)置毛細(xì)管26，經(jīng)由其酸進入電池的氣體擴散電極17和/或聚合物膜13的反應(yīng)區(qū)域中。

根據(jù)該實施方式，分別位于聚合物膜13上面和下面的輔助墊片19以及膜13本身能夠延伸至分配通道9中。然后，在膜13與輔助墊片19之間，在膜13的上面和下面設(shè)置毛細(xì)管26。

為了促進酸的引入，根據(jù)另一個實施方式，能夠在邊界層之間設(shè)置輸送輔助件諸如網(wǎng)、羊毛、燈芯或類似的分配結(jié)構(gòu)，圖14。

下面描述根據(jù)本發(fā)明的用于延長高溫聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的使用壽命的方法的各種實施方式。

在下文中，示出酸的主動補充與酸的被動補充之間的區(qū)別。

在酸的主動補充下，泵12將酸從儲罐11經(jīng)由線段10泵入分配通道中，并從那泵入儲器7中。

這被進行直到儲器7完全由酸充滿為止。然后，酸從儲器7流入供應(yīng)通道6中。這具有以下優(yōu)點：發(fā)生與各個電池的位置無關(guān)的均勻的磷酸分布，因為首先，在供應(yīng)板中各自具有相同的體積的儲器7完全被充滿，并且在它們已經(jīng)被充滿之后，發(fā)生向膜中的最大部分的酸供應(yīng)。

然后，酸從供應(yīng)通道6或酸供應(yīng)儲器緩慢地并且特別地經(jīng)由氣體擴散襯底主要僅在氣體擴散襯底與供應(yīng)通道接觸的區(qū)域中-還以局部受限的方式-流入氣體擴散電極并從那流入含電解質(zhì)的聚合物膜13從而替代在那被消耗的電解質(zhì)(磷酸，硫酸)。然后，酸從含電解質(zhì)的聚合物膜13和/或電極層以平面方式被分配在電池的整個活性表面，然后被部分地釋放到相對的電極層。

供應(yīng)板2中所有的儲器7具有相同的體積。當(dāng)單個電池具有不同的操作溫度時，存在特例。然后，還可以提供具有不同體積的儲器，從而能夠補償不同的酸消耗。儲器7用于使向燃料電池堆的每個單個電池酸供應(yīng)均勻。以這種方式，由含電解質(zhì)的聚合物膜和具有應(yīng)用于氣體擴散襯底的催化劑的氣體擴散電極組成的每個膜電極組件(MEA)接收相同量的酸。

在酸的被動補充下，可以消除供應(yīng)設(shè)備12。

在這種供應(yīng)下，來自燃料電池堆外邊的儲罐的酸的補充流被自動供應(yīng)至燃料電池堆，例如由于來自電池的吸水造成的酸的體積增加。這使得可以提供連續(xù)供應(yīng)。

根據(jù)這種實施方式，儲器7還能夠用作儲罐11，使其可以完全消除儲罐和其他外部設(shè)備。

根據(jù)另一個這種實施方式，還可以消除分配通道9和供應(yīng)通道6。然后，酸從被實施為儲罐的儲器7經(jīng)由氣體擴散層或氣體擴散襯底直接進入電極層并從那進入含電解質(zhì)的聚合物膜，從而替代已經(jīng)從燃料電池被除去的電解質(zhì)。

因此，儲器7被實施為供應(yīng)板2和/或密封框20中的獨立界定的空間(圖11)。在密封框中的實施方式下，這種酸儲器還能夠被視為封閉的分配通道部5。這種具有單獨的儲器7的實施方式構(gòu)成本發(fā)明的單獨的構(gòu)思。

因此，根據(jù)本發(fā)明，酸能夠被主動泵至氣體擴散電極或通過重力、通過體積增加、通過粘附力或毛細(xì)力或通過由于酸溶液的吸濕性能而吸水而造成的體積增加而被被動地輸送。燃料電池的產(chǎn)物水的水吸附伴隨著體積增加，其通過壓力的力而促進引入。

根據(jù)本發(fā)明，來自酸儲器-或來自在供應(yīng)板中實施的并充滿酸的腔室-的酸經(jīng)過疏水的氣體擴散襯底并經(jīng)過氣體擴散層進入電極層，并由于膜的高酸親和力或親水性而從那進入電解質(zhì)膜。

電解質(zhì)的親和力不僅基于其吸收能力和其包含的水，還基于電解質(zhì)的堿性基團，其例如吸附氫離子并借助于產(chǎn)生的正電荷而吸引酸根離子。因此，通道流空并能夠連續(xù)地或間斷地再次被再充滿。

為了降低酸的粘度或表面張力或為了將氣體擴散電極的表面實施為更加有吸收性，能夠提供添加劑諸如醇或能夠使用稀酸。這促進到氣體擴散電極的多孔結(jié)構(gòu)中的酸的滲透。由于濃酸與PBI膜的接觸能夠由于在聚合物基體中局部過度的酸吸收而引起聚合物膜的溶脹發(fā)生，并且這能夠?qū)е略谌剂想姵氐牟僮髦械牟灰?guī)則的電流密度分布并導(dǎo)致膜損傷，所以可以用高沸點的溶劑(例如，乙二醇)來稀釋酸。

根據(jù)另一個實施方式，酸還能直接被供應(yīng)至聚合物膜。在這種情況下，酸經(jīng)由供應(yīng)元件諸如在膜上被實施或在其上一體形成的邊緣部21、膜帶、片狀件或單獨的構(gòu)件(諸如膜段或燈芯)從儲器進入膜。各種各樣的設(shè)計可以用于使酸接觸膜。下面將簡單地解釋它們。

為了使酸能夠直接在膜上更好或更快地分配，可以將燈芯、以平面形式布置的網(wǎng)或具有合適的定向的纖維置于電極和膜之間作為用于酸的輸送輔助件。以以下方式制作纖維：它們傳導(dǎo)酸并且如有可能，吸收足夠的酸使得它們不妨礙電解質(zhì)膜和輸送輔助件的組合的質(zhì)子傳導(dǎo)。這些輸送輔助件還能夠被實施為使得它們接觸酸儲器或儲器。

還能夠提供向聚合物膜的區(qū)域的供應(yīng)，所述供應(yīng)例如被在供應(yīng)板中實施并且酸經(jīng)由氣體擴散電極中的孔直接進入膜中。

向聚合物膜的區(qū)域的酸供應(yīng)還能夠借助于位于電池表面的邊緣處并與膜接觸或置于其上的高分子膜(“輔助墊片”)，經(jīng)由位于兩個或更多個高分子膜之間或高分子膜與膜之間的腔利用毛細(xì)力發(fā)生。

為了避免例如，酸從供應(yīng)通道通過氣體擴散層流出到相鄰的供應(yīng)通道中，可以設(shè)置部分氣體擴散層的完全的或部分的密封或壓縮。氣體擴散層能夠例如通過用交聯(lián)聚合物的粘合腔或通過用PTFE顆粒將其填充而密封。供應(yīng)板中的隔離件或聚合物密封允許將附加壓力選擇性地施加于氣體擴散層，其壓縮氣體擴散層并降低該區(qū)域中的孔隙度。

供應(yīng)通道在供應(yīng)板的下區(qū)域中的定位是有利的，用于避免酸由于重力而從供應(yīng)通道流出到下面的進料通道中。

然而，酸例如從供應(yīng)通道流出到相鄰進料通道中，還能夠用于酸在整個電極表面上的更加廣泛的分配。在這種情況下，除了其它方面，酸從進料通道經(jīng)過進入氣體擴散電極或聚合物膜中。

當(dāng)向燃料電池進料和不進料反應(yīng)物、存在電流和不存在電流以及存在和不存在回火時，都能夠發(fā)生磷酸的供應(yīng)。

替代磷酸，還可以使用不同的電解質(zhì)諸如硫酸或含電解質(zhì)的混合物(例如，磷酸與乙二醇和離子液體)，且對于聚合物膜，可以使用合適的HT-PEM膜諸如交聯(lián)的AB-PBI、對-PBI或芳香族聚醚。電解質(zhì)還能夠包含添加劑(例如，鹽、表面活性劑、PBI)。

附圖標(biāo)記列表

1 設(shè)備

2 供應(yīng)板

3 通道結(jié)構(gòu)

4 分配通道部

5 連接通道

6 供應(yīng)通道

7 儲器

8 燃料電池/燃料電池堆

9 分配通道

10 線段

11 儲罐

12 供應(yīng)設(shè)備

13 含電解質(zhì)的聚合物膜

14 片狀件

15 端部

16 酸儲器

17 氣體擴散電極

18 供應(yīng)系統(tǒng)

19 高分子膜

20 密封框

21 邊緣部

22 開口

23 隔離件

24 燈芯

25 開口

26 毛細(xì)管