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CN1519969A - 燃料电池及燃料电池的操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种包括单元电池组的燃料电池，每个单元电池包括：氢离子导电聚合物电解质膜；中间插入所述聚合物电解质膜的阳极和阴极；具有气体流路的阳极侧导电隔板，所述气体流路用于输入燃料气体到所述阳极并从其中排出；及具有气体流路的阴极侧导电隔板，所述气体流路用于输入氧化剂气体到所述阴极并从其中排出。其中所述阳极侧隔板和阴极侧隔板中的至少一个在其一个面上具有多个独立气体流道，所述气体流道构成所述气体流路。当所述燃料电池在低负载下操作时，所述燃料气体或氧化剂气体被输入所述多个独立气体流道中的一个或多个，从而所述燃料电池能获得足够的气体速度。

Description

燃料电池及燃料电池的操作方法
技术领域
本发明涉及用于便携式电源、电动车辆的电源、家用联合发电系统等的燃料电池，及更具体地说，涉及包括聚合物电解质膜的燃料电池及其操作方法。
背景技术
包括聚合物电解质膜的燃料电池通过含氢的燃料气与含氧的氧化性气体(如空气)发生电化学反应同时产生电能和热量。所述燃料电池主要包括一种有选择性地输送氢离子的聚合物电解质膜和在所述电解质膜的两侧形成的一对电极(阳极和阴极)。所述电极由在所述聚合物电解质膜的每侧形成的催化剂层和在所述催化剂层的外侧形成的气体扩散层组成。所述催化剂层主要由夹带铂系金属催化剂的碳粉组成，及所述气体扩散层具有优良的透气性和导电性。
为了防止输送的燃料气和氧化性气体渗出和相互混合，在所述电极的周围设置气体密封材料或垫圈从而把所述聚合物电解质膜夹在中间。所述气体密封材料或垫圈预先与所述电极和聚合物电解质膜整体相连。这种相连的结构被称为电解质膜-电极装置(MEA)。在所述MEA的外面设置了用于机械地固定所述MEA和将相邻MEA串联电连接的导电隔板。所述隔板与所述MEA接触的位置具有气体流道，该流道用于输送反应气到所述电极表面及排放生成的水和剩余气。虽然所述气体流道可以无关地与所述隔板设置，但是通常在所述隔板的表面上形成凹槽以提供气体流道。
为了向所述凹槽输送燃料气和氧化剂气体，需要使用管道型架(jig)，根据所述隔板的数量所述型架可以将所述燃料气或氧化剂气体的输送管道分为几路进入所述隔板各自的槽。所述型架被称作“歧管”，及上面所描述的将所述燃料气或氧化剂气体与所述隔板的凹槽相连的歧管类型被称作“外部歧管”。一种具有较简单结构的歧管被称作“内部歧管”。所述内部歧管包括在具有气体流道的隔板上形成的通孔。所述通孔与所述气体流道的入口和出口相连，从而所述燃料气或氧化剂气体从这些孔被直接输送到气体流道。
由于所述燃料电池在工作过程中会产生热量，需要用冷却水或类似冷却剂冷却所述燃料电池，从而保持所述电池在适宜的温度条件下。通常每1-3个单元电池提供一个供冷却水在其中流动的冷却段。一种类型的冷却结构是所述冷却段被插入所述不同隔板之间，另一种类型的冷却结构是在所述隔板的背面形成冷却水流道。后一种类型常常被使用。所述多个MEA、隔板和冷却段被交替地叠压在一起形成10-200个电池组成的电池组，及一个集流板和一个绝缘板被粘着在所述电池组的每一端。所得到的电池组被夹在端板之间并用夹杆将两端夹住。这是典型的燃料电池结构。
这种燃料电池的聚合物电解质膜一般由全氟化碳磺酸材料制成。由于这种聚合物电解质膜在用水湿润时会显示离子导电性，所以被输送的所述燃料气和氧化剂气体一般需要被加湿。另外，在阴极侧的反应会生成水。因此，如果输送气被湿化从而其露点温度高于所述燃料电池的操作温度，则会在所述电池内部气体流道上和所述电极内部出现冷凝。结果是所述电池的性能由于水的堵塞等问题而变得不稳定和性能下降。这种由于过湿而使电池性能下降和工作不稳定的现象一般被称作“浸水”现象。
当所述燃料电池被用作发电系统时，所述燃料电池需要与其他设备(例如输送气的增湿器)结合使用以形成一种系统。为了简化所述系统和提高该系统的效率，优选地降低所述输送气的湿度和降低它们的露点。
象上面所描述的，就防止浸水现象、提高系统的效率和简化整个系统来说，经常使用的方式是湿化所述输送气从而使它们的露点比所述电池温度稍低。
然而，为提高所述电池的性能需要改进所述聚合物电解质膜的离子导电性。因而优选地湿化所述输送气从而使它们的相对湿度接近于或高于100％。此外，本发明的发明者已经发现高度湿化的输送气可增加所述聚合物电解质膜的持久性。然而，相对湿度接近100％的输送气存在如下问题。
第一，出现前面所述的浸水现象。为避免浸水通常使用的办法是增加所述输送气的压力从而将冷凝水吹走。然而，所述输送气的压力损失的增加会极大地增加所述系统的辅助设备(例如鼓风机或压缩机)的能耗，因而引致系统效率的降低。
第二，所述气体扩散层和碳承载的催化剂层对水的湿润性(接触角)随着时间的变化而变化，从而所述冷凝水的排放效率随着时间的进行而降低，以致于影响电池的持久性。
第三，所述气体扩散层和碳承载的催化剂层对水的湿润性(接触角)随着时间的变化而变化，导致所述气体流过所述气体扩散层的流速与其流过所述隔板之气体流道的流速的比随着时间而变化。具体地说，所述气体扩散层的湿润性随着时间而增加，导致在所述气体扩散层不流动的冷凝水的量增加。因此，局部地阻碍了气体向所述电极的输送，使得在气体输送被阻碍的位置处电流密度降低。因此，在一个单元电池内电流密度的增加相应地降低了整个燃料电池的性能。
第四，流过所述气体扩散层的气体流速与流过所述隔板之气体流道的气体流速的比值随着时间变化而变化，这一变化改变了“底流”的比例。这里使用的术语“底流”指通过所述气体扩散层的气流，所述气体扩散层位于所述隔板的相邻流道之间。如果没有气体扩散层，全部输送气将会沿着所述气体流道流动。然而，实际上，因为在邻接气体流道的位置存在气体扩散层，所述输送气的一部分会流过位于相邻流道之间的气体扩散层，特别是在在使用螺旋形气体流道的情况下。例如，在一种由线性部件和旋转部件组成的连续性螺旋形气体流道中，流过一个线性部件的气体流向与流过相邻线性部件的气体流向相反。因此，流过所述气体扩散层的气体的底流以这种方式出现，从而平衡以下两个压力损失，一个压力损失是气体从上游到下游通过一个线性部件流动的压力损失，另一个压力损失是气体从上游到下游流过所述气体扩散层的压力损失，所述气体扩散层位于相邻线性部件之间的肋的下部。
然而，所述气体扩散层的湿润性随着时间而增加及相应地在气体扩散层不流动的冷凝水的量也增加，这阻碍了流过所述气体扩散层的气体底流。这种现象更经常地出现在如下区域：在相邻气体流道之间的气体的压力损失较小的地方。因此，在使用螺旋形流道的情况下，在接近所述气体流道的旋转部件的位置处通过气体扩散层的底流量会减少，因而导致在所述气体输送被阻碍的气体扩散层区域电流密度降低。因此，在一个单元电池内电流密度的差值增加，相应地降低了整个燃料电池的性能。
此外，如果在阳极侧出现浸水现象，所述燃料电池会变质，这种情况对所述电池来说是致命的。在缺乏所述燃料气的情况下，如果负载电流被强行地从所述电池引出，在没有燃料的情况下会产生电子和质子。这些电子和质子的产生是由于碳承截的阳极催化剂与周围环境中的水反应。结果由于碳从所述催化剂层损失使所述阳极催化剂层被毁坏。因此，要万分地注意避免阳极侧浸水。
另外，还期望所述燃料电池系统既能低负载操作以根据电量的需要减少输出，还能进行额定输出操作。所述低负载操作一定要在与额定操作同样的燃料气和氧化剂气体的使用速度下进行以保持所述电池的效率。具体地说，例如，如果所述负载被降至所述额定操作的一半，则所述燃料气体和氧化剂气体的流速一定也要被降至为所述额定操作同样数值的一半；否则，额外的燃料和氧化剂气体将要被使用，这样会降低发电效率。然而，如果所述低负载操作以气体使用速率常数进行，所述气体流过所述气体流道的速度降低，从而所述冷凝水和生成的水没有被排至所述隔板的外部。因此，出现上面所描述的浸水现象，及所述电池的性能下降或不稳定。
发明内容
针对上面的问题，本发明的一个目的是提供一种高度可靠的聚合物电解质燃料电池，所述电池能够避免由于水堵塞气体流道而造成电池性能下降或不稳定，所述水是在低负载操作过程中的冷凝水和生成水。
为了解决上面的问题，本发明提供了一种高度可靠的聚合物电解质燃料电池，通过在隔板的一面形成多个独立的气体流道及在低负载操作条件下限制所述气体输送区域而使所述燃料电池保持足够的气速。
根据本发明的一种燃料电池是由多个单元电池构成的电池组。每个单元电池包括：氢离子导电性聚合物电解质膜，将所述聚合物电解质膜夹在中间的阳极和阴极。阳极侧导电隔板具有将燃料气体输送到所述阳极及将其从述阳极排出的气体流道；及阴极侧导电隔板具有将氧化剂气体输送到所述阴极及将其从所述阴极排出的气体流道。所述阳极侧和阴极侧隔板中的至少一个在其一面上具有多个独立的气体流道，所述气体流道构成气体流路。提供供气转换控制器以将所述燃料气或氧化剂气体输送至多个独立气体流道中的一个或多个。
所述独立气体流道分布的区域在面积(尺寸)上可以是不同或相同的，这根据需要确定。所述“面积”指所述流道在所述隔板面上的投影。如果所述不同流道的横断面大致是相同的，则不同的投影面积意味着所述流道具有不同的长度。无论如何，所述流道具有相同或不同的总体积。
所述阳极和阴极包括催化剂层和气体扩散层，与所述阳极侧隔板和阴极侧隔板中的至少一个邻接的阳极或阴极的催化剂层和/或气体扩散层被分成多个与所述多个独立气体流道相对应的段。
所述独立气体流道可以被设置在所述阳极侧隔板或阴极侧隔板上，或者被同时设置在上述两个隔板上。
根据本发明的燃料电池还包括连接隔板。所述连接隔板包括上面描述的阳极侧隔板和阴极侧隔板，所述阳极侧隔板还有分布在所述气体流路背面的冷却水流路及所述阴极侧隔板还有分布在所述气体流路背面的冷却水流路。这些阳极侧和阴极侧隔板被连接在一起，从而它们的冷却水流路被连接在一起形成一个完整的冷却水流路。所述完整的冷却水流路包括与多个独立气体流道相对应的多个独立流道。
本发明还提供了一种操作所述燃料电池的方法，其中所述燃料气体或氧化剂气体通过供气转换控制器被输送到所述多个独立气体流道中的一个或多个以实施低负载操作。
操作所述燃料电池的方法包括如下步骤：在低负载操作下以某一时间间隔转换所述多个独立气体流道中的一个或多个，所述燃料气体或氧化剂气体被输送至所述气体流道。
因为本发明可以减少在低负载操作下水对所述气体流道的堵塞，所以在低负载操作下可能防止电池性能下降或不稳定。
本发明还提供了用于燃料电池的隔板。所述隔板包括其中设置了多个独立气体流道的第一板面和其中设置了多个独立气体流道的第二板面。
本发明还提供了用于燃料电池的隔板装置，所述装置包括隔板和流体调节器，所述隔板具有其中配置多个独立流体流路的第一板面，所述流体调节器可选择性地给所述流体流路的子设备提供流体。
本发明还提供了一种具有隔板和电极的燃料电池，所述隔板设置了多个独立气体流道及所述电极具有多个物理分离的电极段，其中每一段与所述多个独立气体流道中的单个相对应，从而使通过对应气体流道提供的气体发生反应。
虽然本发明的新颖性特征被特别地描述在权利要求书中，但是通过下面结合附图作出的详细说明，本发明的构造和内容及其它目的和特征将会被更好地理解。
附图的简要说明
图1是本发明实施方案1中燃料电池的导电隔板阳极侧的前视图。
图2是图1中隔板阴极侧的前视图。
图3是包括冷却段的本发明实施方案1中燃料电池的导电隔板阳极侧的后视图。
图4是显示燃料气体流过本发明实施方案1中的燃料电池的三维示意图。
图5是本发明实施方案2中燃料电池的导电隔板阳极侧的前视图。
图6是图5中隔板阴极侧的前视图。
图7是本发明实施方案3中燃料电池的导电隔板阳极侧的前视图。
图8是图7中隔板阴极侧的前视图。
图9是本发明实施方案4中燃料电池的导电隔板阳极侧的前视图。
图10是图9中隔板阴极侧的前视图。
图11是本发明实施方案5中燃料电池的导电隔板阳极侧的前视图。
图12是图11中隔板阴极侧的前视图。
图13是本发明实施方案6中燃料电池的导电隔板阳极侧的前视图。
图14是图13中隔板阴极侧的前视图。
图15是本发明实施方案7中燃料电池的导电隔板阳极侧的前视图。
图16是图15中隔板阴极侧的前视图。
图17是本发明实施方案8中燃料电池的导电隔板阳极侧的前视图。
图18是图17中隔板阴极侧的前视图。
图19是本发明实施方案9中燃料电池的导电隔板阳极侧的前视图。
图20是图19中隔板阴极侧的前视图。
图21是本发明实施方案10中燃料电池的导电隔板阳极侧的前视图。
图22是图21中隔板阴极侧的前视图。
图23是本发明实施方案11中燃料电池的导电隔板阳极侧的前视图。
图24是图23中隔板阴极侧的前视图。
图25是对比实施例中燃料电池的导电隔板阳极侧的前视图。
图26是图25中隔板阴极侧的前视图。
图27是实施例1和对比实施例中燃料电池的平均电池电压随着时间变化的曲线图。
图28介绍了根据本发明操作燃料电池的方法。
图29介绍了根据本发明操作燃料电池的另一种方法。
具体实施方式
根据本发明的燃料电池包括在隔板一个面上形成的多个独立气体流道。通过限制气体在低负载操作中的输送区域所述燃料电池在所述隔板通道中能获得足够的气速。
燃料电池的相关技术的隔板被这样构造以使得燃料气体和氧化剂气体都从一个入口侧歧管孔输入至隔板的气流通道并从出口侧歧管孔排出。
在商业上需要燃料电池发电系统，所述系统能改变所述燃料电池的负载而不会降低发电效率，这依赖于对电能的需要。为此目的，当参照额定输出量增加负载时，期望相应地增加所述燃料气体和氧化剂气体的流速以操作所述燃料电池，当参照额定输出量减少负载时，期望相应地降低所述燃料气体和氧化剂气体的流速。
在导电隔板上形成的气体流道应该被这样设计以使得所述气速在相关输出量上是最佳的。因此，当所述能量负载增加时，气流速度也增加以提高所述气体流过气体流道的速度，及当所述能量负载降低时，气流速度也降低以减少所述气体流过气体流道的速度。当所述气体流过气体流道的速度增加时，冷凝水和在所述隔板气体流道中生成的水可以被有效地除去，从而浸水现象不会出现。然而，当所述气体速度以这种方式增加时，由于输送气的压力损失增大，辅助设备能量的降低会略微地降低发电效率。另一方面，当所述能量负载减小时，所述气体流速的减小会降低所述气速。当气体流过气体流道的速度被降低时，难以有效地除去冷凝水和在所述隔板气体流道中生成的水，这依赖于所述气速降低的程度，从而所述浸水现象出现。当所述能量负载被减小时，如果所述输送气的流速未被减小，辅助设备的能量与功率输出的比相对于它们额定功率输出的比增加，导致整个发电系统发电效率降低。
本发明的燃料电池通过在隔板的一个面上形成多个独立的气体流道可防止或有效地降低所述浸水问题，尤其是在低负载操作条件下。例如，当所述负载被设想仅仅在额定功率输出的一半到两倍范围之间变化时，所述隔板的结构可以被构造为在其一个面上具有四个独立的气体流道。因此，当所述燃料电池在其额定功率的条件下操作时，气体被输送到所述四个气体流道中的两个，及当所述燃料电池在其两倍额定功率的条件下操作时，气体被输送到所述全部气体流道。及当所述燃料电池在其一半额定功率条件下操作时，气体被输送到所述四个气体流道中的一个。这使得即使所述负载变化时也可能在全部气体流道保持几乎同样的气速。当实际负载从两倍额定负载到一半额定负载变化时，例如，期望既控制气体被输送至此的气体流道的数量又控制所述气体流速，从而保持各个气体流道中的气速尽可能地保持恒定。
对于另一个实施例，当所述负载仅仅在额定功率输出和最低功率输出之间变化时，如一半或四分之一的额定发电量时，所述隔板可以被设置为在其一个面上具有四个独立的气体流道。当所述燃料电池在其额定发电量操作时，所述气体被输送至全部四个气体流道，及当其在一半额定发电量下操作时，所述气体被输送至所述四个气体流道中的两个。在四分之一低负载下操作时，所述气体被输送至所述四个气体流道中的一个。这使得即使在低负载下操作也可能在全部气体流道中保持同样的气速。因此，所述气体的供气流速不需要高于与所述负载相对应的流速，以致于可能改变所述电力负荷同时又保持最佳的发电效率。
所述气体通过一个或多个流道被输送至电极的一部分(即电极反应在此发生的电极部分)，所述一个或多个流道从所述多个独立气体流道中选择，期望在阳极侧和阴极侧的相应位置和面积处该电极部分基本上是相同的。还期望提供多个独立的冷却水流道，从而供冷却水输入的部分基本上具有相同的相应位置和面积，所述部分作为电极反应发生的部分。如果所述冷却水被输送至邻接所述电极部件的冷却水流道，而所述气体没有被输入及在这里不会发生电极反应，所述冷却水不能有效地吸收所述反应产生的热量，因为在所述电极部件没有发生电极反应因而没有热量产生。因此，当所述冷却水被用作联合发电系统等的热源及被输送至电极反应未发生的区域时，所述冷却系统的除热效率更低。
在未被提供气体的电极表面，所述电极反应不会发生。如果气体从所述供气体输入的独立气体流道渗出，通过所述气体扩散层等，到达邻接所述气体流道(气体没有输入到此)的电极表面，会产生随着渗出气体量而变化的电流密度分布，因为所述电极通过整个表面被保持在同样的电势。因此，过量的电流不会通过所述电极表面(气体不输送到此)流动，因而不会发生由于氧化和还原而产生的电极变坏的问题。
此外，在未提供气体的电极表面，所述电极反应不会发生，因而几乎没有所述气体的流动。因此，如果在长时间内不向特定的独立气体流道输送气体而发电又持续进行，则水会滞流在没有被输入气体的气体流道及与之邻接的气体扩散层。因此，下一次气体被输送至该特定气体流道以发电时，需要花费大量的时间除去滞流的水及恢复所述湿电极表面。因此在所述燃料电池的操作过程中期望变换所述气体流道，所述气体以规定的时间间隔被输送至此，从而避免在长时间内不输送气体至特定的独立气体流道。为了在所述电极表面的湿度显著增加之前补充该湿电极表面，该电极表面邻接的气体流道未被输入气体，通过变换所述气体流道(所述气体以规定的时间间隔被输送至此)仅抑制某一特定电极表面湿润度的增加是可能的。
下面参照附图描述本发明的实施方案。
实施方案1
图1、2和3介绍了这种实施方案的隔板。图1所述隔板10面向阳极侧的前视图，及图2是其后视图及其面向阴极侧的前视图。图3是包括冷却段的阳极侧隔板10P的面向阴极侧前视图。
隔板10具有燃料气体入口侧歧管孔11a和11b，燃料气体出口侧歧管孔13a和13b，氧化剂气体入口侧歧管孔12a和12b，氧化剂出口侧歧管14a和14b，冷却水入口侧歧管孔17a和17b及冷却水出口侧歧管孔18a和18b。在所述隔板10的面向阳极侧具有分别与入口侧歧管孔11a和11b及出口侧歧管孔13a和13b相连的独立的燃料气体流道15a和15b。在所述面向阴极侧，所述隔板10具有分别与入口侧歧管孔12a和12b及出口侧歧管孔14a和14b相连的独立的氧化剂气体流道16a和16b。所述膜电极组件(MEA)的电极与被虚线1E围绕的部件接触。
在该实施方案中，隔板10的燃料气体流道被分成两个独立的燃料气体流道15a和15b，及相应的氧化剂气体流道被分成两个独立的氧化剂气体流道16a和16b。
隔板10同时作为阳极侧导电隔板和阴极侧导电隔板。
具有冷却段的隔板包括阳极侧隔板和阴极侧隔板的结合。阳极侧隔板10P的面向阳极侧具有图1所示隔板10同样的结构，及图3显示了隔板10P的后面，也即是面向阴极侧。所述面向阴极侧具有两个分别与入口侧歧管孔17a和17b及出口侧歧管18a和18b相连的独立的冷却水流道19a和19b，如图3所示。所述面向阴极侧隔板的面向阴极侧具有图2所示隔板10同样的结构，其后面(即所述面向阳极侧)是图3的映射图形并具有两个与入口侧歧管和出口侧歧管以相同方式相连的独立的冷却水流道。所述结合的隔板包括相互连接的阳极侧隔板和阴极侧隔板，从而它们的后面具有彼此相对的冷却水流道。
为了装配一个电池组，例如，所述MEA和既作为阳极侧隔板又作为阴极侧隔板的隔板被交替地叠压在一起。每两个电池，具有冷却段的合并隔板被插入以代替既作为阳极侧隔板又作为阴极侧隔板的隔板。
每种气体的输入管和排放管被连到包含上述电池组的燃料电池的各自歧管孔。每根管在所述燃料电池的入口/出口的前/后立即分成两个支管。每根管的两个支管具有同样的尺寸，从而使得所述气体被均匀地分配到每个电池的两个气体流道。另外，在每根管上装置电磁阀。通过关闭各自管上的两个阀中的一个，气体可以被输入所述两个独立气体流道中的仅仅一个及从其中排出。为了平衡所述两个支管的压力，重要的是每根管的支管的长度相等。就提供均匀的气体分配来说，还重要的是所述隔板的两个独立气体流道的长度是相等的，从而平衡所述两个独立气体流道中的压力损失。
图4是显示燃料气体通过燃料电池流动的三维示意图。燃料气体入口管1在交换装置4处被分为两个管1A和1B，所述交换装置在所述燃料气体的不同流道之间切换。管1A与隔板10的入口侧歧管孔11a相连，而管1B与隔板10的入口侧歧管孔11b相连。因此，输入到管1A的燃料气体通过与管1A相连的入口侧歧管流动，如箭头A1所示，而输入到管1 B的燃料气体通过与管1B相连的入口侧歧管流动。所述未反应的气体和副产品通过出口侧歧管流动(如箭头A2所示)并从出口管3A排出。同样地，从图中箭头B1所示的气体流路，所述燃料气体通过电池隔板10的气体流道15b流动，及未反应的气体和副产品通过出口侧歧管流动，如箭头B2所示，并且从出口管(图中未显示)排出。与出口侧歧管相连的两个管以与入口管1同样的方式在交换装置处与出口管相连。入口管1的交换装置和出口管的交换装置被一个控制器5控制，从而所述燃料气被输入箭头A1和B1所示的一个或两个流道并且从所述出口管排出，该操作依赖于所述交换装置的切换位置。如果在隔板的一个面上提供三个或多个气体流道，所述入口管在交换装置被分为许多个与所述隔板中气体流道数目相对应的支管。
虽然图4显示的只是所述燃料气在所述隔板的流动，所述氧化剂气体和冷却水也可以以与所述燃料气相同的方式被控制。
实施方案2
该实施方案描述了一种将所述燃料气体流道和氧化剂气体流道都分为两部分的实施例，从而所述两个独立气体流道的流道区域的面积比为2∶1。所述独立气体流道分布的流道区域在面积(尺寸)上根据需要是不同的或相同的。在这里使用的术语“流道区域”指每个流道在隔板上分布的区域。所述面积比是基于所述流道投影在所述隔板面上的面积。所述不同流道的横断面可以是相同或不同的。如果所述横断面是相同的，面积比2∶1意味着长度比也约为2∶1。无论如何，所述流道可以具有相同或不同的总体积，及通过改变所述流道的长度或横断面可以提供相同或不同的总体积。
图5是该实施方案的隔板阳极侧的前视图，及图6是其后视图及阴极侧的前视图。由于图1、2中同样的参数代表同样的组成部件，在该实施方案及下面的实施方案中将省略这些说明。
所述气体流道15b和16b的结构应使得其中流速是所述气体流道15a和16a中流速的2倍。因此，每种气体的输入管和排放管在所述燃料电池的入口/出口的前/后立即分成两个支管，所述输入管和排放管与各自的歧管孔相连，及所述支管的结构应使得它们横截面积与所述两个气体流道的流道区域的面积比为2∶1。另外，在所述两个支管的入口侧和出口侧都装配了电磁阀，及通过关闭两个阀中的一个，所述气体可以被输入所述两个独立气体流道中的一个及从其中排出。在该实施方案中，所述冷却水流道不是被分成两个，但是对于本领域技术人员来说，根据需要，冷却水流道可以按照所述气体流道同样的方式进行分割。
实施方案3
图7和8显示了该实施方案的隔板。这是一个将MEA的电极根据所述两个分离的气体流道分为两个物理分离段的实施例。在两个电极段之间进行物理分离可以防止或缩小水和反应气从一个电极段迁移至另一电极段。所述物理分离可通过位于所述电极段之间的空气隙实现，或通过在电极段之间插入不透水的材料或不透反应气的材料。所述MEA的一个电极段1Ea的配置与所述燃料气体流道15a和氧化剂气体流道16a相符合，而电极段1Eb的配置与所述燃料气体流道15b和氧化剂气体流道16b相符合。除了这些电极段1Ea和1Eb之外，所述实施方案具有与实施方案1同样的结构。
实施方案4
图9和10介绍了该实施方案的隔板10B。所述燃料气体流道和氧化剂气体流道以与实施方案1同样的方式被分成两个部件。然而，燃料气体出口侧歧管孔13被所述气体流道15a和15b共用
实施方案5
图11和12介绍了该实施方案的隔板10C。所述燃料气体流道和氧化剂气体流道以与实施方案1同样的方式被分成两个部件。然而，燃料气体入口侧歧管孔11被所述气体流道15a和15b共用
实施方案6
图13和14介绍了该实施方案的隔板10D。所述燃料气体流道和氧化剂气体流道以与实施方案1同样的方式被分成两个部件。然而，燃料气体流道15a和15b的主要部分与氧化剂气体流道16a和16b的主要部分垂直。
实施方案7
虽然以上实施方案描述的隔板具有螺旋形气体流道，但是该实施方案描述的隔板具有直线型气体流道。图15和16介绍了该实施方案的隔板。
隔板30的阳极面上具有燃料气体流道35a和35b。所述燃料气体流道35a和35b包括7个平行的线型槽，所述线型槽分别与入口侧歧管孔31a和31b及出口侧歧管孔33a和33b相连。在所述阴极面上，所述隔板30具有分别与入口侧歧管孔32a和32b及出口侧歧管孔34a和34b相连的氧化剂气体流道36a和36b。所述气体流道36a和36b包括从所述歧管孔和线性槽46延伸的线性凹部42，所述线性槽46被肋48分成几个区并与所述凹部42相连。肋44被装配在所述凹部42上。数字37代表冷却水入口侧歧管孔，及数字38代表冷却水出口侧歧管孔。虚线3E包围的区域是所述电极与之接触的区域。
由于所述气体流道基本上都是线性的，每个气体流道的总长度变短。因此，所述气体输送的压力损失和额定操作中的气速降低。为了增加所述气速，因此相对于螺旋形流道来说需要缩小所述气体流道的槽宽。
实施方案8
该实施方案描述了一种将所述隔板的每个燃料气体流道和氧化剂气体流道分成三部分的实施例，从而使得所述三个分离流道的流道区域具有相同的面积。如图17和18所示，隔板10E具有燃料气体入口侧歧管孔11a、11b和11c，燃料气体出口侧歧管孔13a、13b和13c，氧化剂气体入口侧歧管孔12a、12b和12c，及氧化剂气体出口侧歧管孔14a、14b和14c。因此，每种气体的输入管和排放管在所述燃料电池的入口/出口的前/后立即分成三个部分，所述输入管和排放管与各自的歧管孔相连，及所述三个支管具有同样的直径从而所述气体被均匀地分配到所述支管。另外，在所述三个支管的入口侧和出口侧都装配了电磁阀，及通过关闭三个阀中的一个或两个，所述气体可以仅仅被输入所述三个独立气体流道中的一个或两个及从其中排出。为了平衡所述三个气流管道中的压力损失，重要的是所述三个支管的长度应相等。另外重要的是，就均匀地分配气体来说，三个分离的气体流道15a、15b和15c及16a、16b和16c的长度应相等以平衡所述三个独立气体流道中的压力损失。
实施方案9
该实施方案描述了一种将所述隔板的每个燃料气体流道和氧化剂气体流道分成四部分的实施例，从而使得所述四个分离流道的流道区域具有相同的面积。如图19和20所示，隔板10F具有燃料气体入口侧歧管孔11a、11b和11c，燃料气体出口侧歧管孔13a、13b和13c，氧化剂气体入口侧歧管孔12a、12b和12c，及氧化剂气体出口侧歧管孔14a、14b和14c。以与实施方案8相同的方式，每种气体的输入管和排放管在所述燃料电池的入口/出口的前/后立即分成四个部分，所述输入管和排放管与各自的歧管孔相连，及所述四个支管具有同样的直径从而所述气体被均匀地分配到所述支管。另外，在所述四个支管的入口侧和出口侧都装配了电磁阀，及通过关闭四个阀中的一个、两个或三个，所述气体可以仅仅被输入所述四个独立气体流道中的三个、两个或一个及从其中排出。另外，与实施方案8描述的方案一样，应特别地小心以确保所述气体被均匀地分配到所述四个独立的气体流道。
实施方案10
图21和22介绍了该实施方案的隔板。在隔板50的面向阳极侧具有与入口侧歧管孔51a和出口侧歧管孔53a相连的燃料气体流道55a及与入口侧歧管51b和出口侧歧管53b相连的燃料气体流道55b。在所述隔板50的面向阴极侧具有与入口侧歧管孔52a和出口侧歧管孔54a相连的氧化剂气体流道56a及与入口侧歧管52b和出口侧歧管54b相连的氧化剂气体流道56b。所述气体流道55a和55b包括具有大量肋63的凹部61。同样地，所述气体流道56a和56b包括具有大量肋64的凹部62。数字57代表冷却水入口侧歧管孔，及数字58代表冷却水出口侧歧管孔。由虚线5E围绕的部分是电极将要接触的区域。
由于所述燃料气体流道和氧化剂气体流道包括具有许多肋的凹部，每个气体流道的总长度变短。因此，所述气体输送的压力损失和相关操作的气速降减小。因此期望在所述隔板的气体流道形成肋63和64，从而使得所述气速与实施方案1中的一样。
实施方案11
图23、24介绍了该实施方案的隔板。所述隔板70的面向阳极侧具有与入口侧歧管孔71a和出口侧歧管孔73a相连的燃料气体流道75a及与入口侧歧管孔71b和出口侧歧管孔73b相连的燃料气体流道75b。在所述隔板70的阴极面具有与入口侧歧管孔72a和出口侧歧管孔74a相连的氧化剂气体流道76a及与入口侧歧管72b和出口侧歧管74b相连的氧化剂气体流道76b。每对气体流道75a和75b与气体流道76a和76b相互交错和平行地排列且都是螺旋形的。上面所述结构是将与所述电极接触的隔板区域分成两个区域，作为这种结构的替代方式，这些流道具有如下结构：在同一区域的相邻流道彼此是独立的。数字77代表冷却水入口侧歧管孔。被虚线7E包围的部分是将与所述电极接触的区域。
本发明的实施例被描述在下面。
实施例1
通过在乙炔黑碳粉上放置25％(重量)的铂颗粒制备阴极侧催化剂，所述铂颗粒的平均粒径为约30埃()。通过在乙炔黑碳粉上放置25％(重量)的铂-钌合金颗粒制备阳极侧催化剂，所述合金颗粒的平均粒径约为30埃。这些催化剂的每一种分散在异丙醇中形成的分散相与全氟化碳磺酸粉末在乙醇中的分散相相混合以形成浆状油墨。通过丝网印刷法将所述油墨印在250微米厚碳纤维无纺织物的一边。通过这种方式制备阴极侧催化剂层和阳极侧催化剂层。在所述催化剂层的每一边，催化剂金属的含量是0.3毫克/平方厘米(mg/cm2)，及全氟化碳磺酸的含量是1.2mg/cm2。
一对电极是具有这些催化剂层的碳纤维无纺织物，通过热压法将这对电极粘结在氢离子导电聚合物电解质膜的中心部件的两侧，所述电解质膜具有比所述电极略大的面积，通过这种方式所述催化剂层被粘结在所述电解质膜上。通过将250微米厚的全氟化碳橡胶切成片制备预定尺寸的垫圈，所述垫圈被配合并热压到所述电解质膜的外围裸露部分，从而制备电解质膜电极组件(MEA)。所述氢离子导电聚合物电解质是厚度为30微米的全氟化碳磺酸薄膜。
实施方案1的导电隔板被使用。这些具有气体流道和歧管孔的隔板是通过加工3毫米(mm)厚的同向石墨材料制成的。所述气体流道具有厚度为2毫米和深度为1毫米的通道，及相邻通道之间的肋宽为1毫米。
所述MEA和隔板被交替地叠压在一起形成由50个电池组成的电池组。象实施方案1解释的那样，具有冷却段的连接隔板被插入每两个电池之间。由镀金铜板制成的电流集电板和由聚苯硫醚(PPS)制成的绝缘板被连接在所述电池组的每一端。所得到的电池组被夹在不锈钢端板之间并用紧固棒夹紧。所述夹紧压力是每电池面积为10千克英尺/平方厘米(kgf/cm2)。所得到的燃料电池被安装以使得所述隔板在垂直方向立着。
虽然所述燃料电池被保持在70℃，经湿化和加热后露点温度为70℃的燃料气体被输入所述阳极，及经湿化和加热后露点温度为70℃的空气被输入所述阴极。所述燃料气体包括80％的氢气、20％的二氧化碳和10ppm的一氧化碳。所述燃料电池的相应操作条件是：75％的燃料利用率，40％的氧气利用率，及0.3安培/平方厘米(A/cm2)的电流密度。
所述燃料电池在0.15A/cm2电流密度下经受低负载耐久性测试，所述低负载是额定负载的50％，具有与额定负载情况下同样的气体使用率。在该实施例中，通过操作安装在两个支管的入口侧和出口侧的电磁阀，每种气体在预定流速下仅仅被输入所述两个分离气体流道中的一个。此时，供所述燃料气体输入的气体流道和供所述氧化剂气体输入的气体流道被设置在同一侧。供所述气体输入的气体流道以每小时一次的速度切换以避免在长时间内不向特定的气体流道输入气体。图27显示了该实施例中燃料电池的平均电压随着时间变化的曲线图。所述电池电压的表达是通过将初始阶段的电压定义为100％。
该实施例的燃料电池可保持稳定的电池特性，即使经过3000小时相对于初始阶段也保持不变。从该结论可以确信在所述燃料电池的低负载操作中，由于未被供入所述气体及几乎不产生电能的电极部件具有与发电部件同样的电势，所以电池性能不会变坏。还确认在该实施例燃料电池的低负载操作中，所述气体不容易通过所述入口歧管输入所述电极部件，但是所述电极部件接收了很少量的气体，这是由于所述气体通过所述气体扩散层发生底流，以及该电极部件产生一些电能。
然后，经过3000小时之后，每种气体仅仅被输入所述两个分离气体流道中的一个，在预定流速下再经过1000小时以进行发电测试，在此过程中没有在所述气体流道之间进行切换。在所述测试过程中，所述电池性能保持不变。然后，随着所述负载转换到额定条件(0.3A/cm2)，每种气体被输入所述两个分离的气体流道。在这种情况下，所述电池性能在下降之后逐渐地恢复并显示初始的发电性能，但是所述恢复需要一天时间。这是由于所述两个分离气体流道中的一个在长时间内未被输入气体，这个气体流道会被冷凝水堵塞，在重新输入所述气体之后要花费一天的时间才能充分地恢复至其初始未被堵塞的状态。因此，当所述操作从低负载切换到额定负载时，被冷凝水堵塞的气体流道区域不能发电，因为所述气体不可能立即被输入该区域。
这些结果意味着通过在规定的时间间隔内在所述气体输送区域之间切换开关，从而排放滞留在所述气体流道之间的冷凝水，当在所述气体流道之间切换时可能消除负载变化的影响。
图28介绍了根据上面的描述操作燃料电池的方法。根据该方法，在步骤S2801中流体被提供给多个独立流体流道的第一子设备，所述流道在隔板的一个面上形成，所述隔板被用在所述燃料电池中。在实践中，该方法可以应用于燃料电池组内电池单元的阴极和阳极，或者该方法仅仅应用于所述单元电池中阴极和阳极的一个。另外，所述流体可以是被提供给所述隔板的冷却剂、燃料气体、或者氧化剂气体。当第一时间段在步骤S2803结束之后，不再向流体流道的第一子设备输送流体，及在步骤S2805中被替代性地提供给所述独立流体流道的第二子设备。同样地，当第二时间段在步骤S2807结束之后，不再向流体流道的第二子设备输送流体，及在步骤S2801中被提供给所述独立流体流道的第一子设备。所述操作可以根据所期望的第一和第二时间段重复多次，所述第一时间段和第二时间段可以是相同的及可以随着时间变化。
对比实施例
图25和26介绍了该对比实施例中燃料电池的导电隔板。在隔板20的面向阳极侧具有两个平行的流道25，所述流道用于使燃料气体与入口侧歧管孔21和出口侧歧管孔23相连。在所述隔板20的面向阴极侧具有两个平行的流道26，所述流道用于使氧化剂气体与入口侧歧管孔22和出口侧歧管孔24相连。数字27代表冷却水入口侧歧管孔，及数字28代表冷却水出口侧歧管孔。被虚线2E包围的部分是与所述电极接触的区域。这些气体流道的流道宽度为2毫米及深度为1毫米，相邻槽之间的肋的宽度为1毫米。隔板的冷却水流道构成冷却区域，冷却水流道不象气体流道那样被分割开。除了这些指明的差异以外，燃料电池以与实施例1相同的方式被装配。
当该实施例的燃料电池被保持在70℃时，所述燃料气体和空气都以与实施例1相同的条件被提供。所述燃料电池经受电流密度为0.15A/cm2的低负载耐久性测试，所述负载是额定负载的50％。所述气体利用率与所述额定负载的一样，及所述气体流速被减为一半。图27显示了所述燃料电池的平均电池电压随着时间变化的曲线图。
虽然实施例1的燃料电池即使经过3000小时之后相对于初始阶段也保持稳定的电池性能，但是对比实施例的燃料电池经过500小时之后突然出现了电压下降，从而输出功率不能被维持。
其中原因如下。实施例1中燃料电池在50％低负载下操作时，所述气体输送面积被减为额定操作的一半，从而所述气体流道中的气速被成功地保持不变，即使与所述额定操作的情况保持同样的气体利用率。相比之下，除了50％的低负载操作之外，对比实施例的燃料电池使用与额定操作同样的气体流道和气体使用率。结果在所述气体流道中的气速降至用于额定发电下的一半。结果在对比实施例中，在高湿化的操作条件下，所提供的气体具有100％的相对湿度，难以排放冷凝水和生成的水。所述水一般积累在所述气体流道和气体扩散层，阻碍了所述气体向反应位置的输送，因而导致电池性能的快速下降。
然后，经过上述耐久性测试的燃料电池在额定条件下被操作。结果对比实施例中燃料电池的电压相对于初始电压被降为80％或更小。相比之下，实施例1的燃料电池即使经过3000小时之后还能保持相当于初始阶段的电池性能。
实施例2
除了使用实施方案2描述的隔板之外该实施例的燃料电池以与实施例1相同的方式制备。
所述燃料电池在实施例1描述的同样额定条件下操作，及在33％和66％额定值的低负载条件下操作。在额定操作中，每种气体被输入所述隔板的全部两个分离气体流道，及通过在额定流速下提供气体进行10000小时的耐久性测试。在所述33％低负载操作条件下，每种气体仅仅被输入具有较小分配比的气体流道，即所述气体流道15a和16a，及通过提供流速为33％额定值的气体进行10000小时的耐久性测试。另外，在所述66％低负载操作条件下，每种气体仅仅被输入具有较大分配比的气体流道，即所述气体流道15b和16b，及通过提供流速为66％额定值的气体进行1000小时的耐久性测试。结果在全部这些测试中，稳定的电池性能被保持，在经过10000小时使用之后电压下降的比例相对于初始电压约为2％。因此，已经发现通过任意地改变所述分离气体流道面积的比，不同的操作条件是可能的，及根据所述负载的比例结合所述气体输入区域。
实施例3
在该实施例中，具有MEA的燃料电池被制备，其中催化剂层和气体扩散层也根据气体流道区域相应地被分配，如实施方案3所说的那样。除了这一区别之外，所述燃料电池具有实施例1同样的组成。
在与实施例1相同的操作条件下及以同样的方式限制所述气体输入区域，在一半的额定负载下操作所述燃料电池使其经受50％低负载的耐久性测试。结果得到实施例1指示的结果。在实施例1的燃料电池中，每种反应性气体通过沿着所述气体扩散层底流而被分配至所述气体流道，所述气体不容易通过输入歧管被输送，由于所述分配气中水的冷凝使所述气体流道被堵塞。然而，在包括该实施例MEA的燃料电池中，因为所述气体扩散层的分配，这种气体通过气体扩散层的底流不会发生。在经过耐久性测试之后没有观察到未输入所述气体的气体流道被堵塞，及可能平稳地改变所述负载。因此，不需要交替地改变所述气体输入区域以消除气体堵塞，这对于简化系统的操作规则是有效的，所述系统装有该燃料电池。
实施例4
在该实施例中，燃料电池被制备，其中仅仅在所述隔板的阳极侧具有两个独立的气体流道，如实施方案1介绍的那样。所述隔板的阴极侧具有未分离的气体流道，如图26所示。所述阴极侧气体流道的宽度被改为1毫米，从而使得额定操作下的气速为对比实施例中阴极侧隔板中气速的两倍，从而保持足够的气速以防止冷凝水及低负载操作下生成的水堵塞所述气体流道。除了这些差异之外，燃料电池以与实施例1相同的方式制备。由于所述阴极侧气体流道没有被分割，一个气体管道被用来输送所述气体至所述阴极。
该燃料电池在与实施例1同样的操作条件下被操作。所述燃料气体以与实施例1同样的方式被输送到限制性气体输送区域，其值为额定操作下流速的一半。空气被输入所述气体流道的整个区域，但是所述空气的流速被降为额定操作下的一半。以这种方式，50％低负载操作耐久性测试在一半的额定负载下进行。结果得到与实施例1同样的结果。然而，当所述操作然后被换回所述额定负载操作时，所述电池特征与实施例1中的相当，但是在所述阴极侧压力损失是实施例中的两倍或多倍，因为所述隔板的设计方式以致于所述空气的速度是两倍大。
然后，在所述燃料电池中仅仅阴极侧气体流道被分割而阳极侧气体流道未被分割，以同样的方式测试所述电池的低负载操作特性。结果就特征性和耐久性来说得到同样的结果，但是在额定负载操作下在阳极侧的压力损失变大。
实施例5
使用实施方案4的隔板制备燃料电池。由于这些隔板具有一个出口侧燃料气体歧管孔，所述出口侧燃料气体管道由一根管组成。
通过在一半的额定负载下操作所述燃料电池，所述燃料电池经受50％的低负载操作耐久性测试，操作条件与实施例1的一样，及以额定操作的一半流速将每种气体输入所述阳极侧和阴极侧的限制性气体输送区域。
结果得到如实施例1所示的同样结果。然后，使用具有一个共同的出口侧氧化剂气体歧管孔的多个隔板制备燃料电池。所得到的结果是一样的。
实施例6
使用实施例5的隔板制备燃料电池。由于这些隔板具有一个入口侧燃料气体歧管孔，所述入口侧燃料气体管道由一根管组成。
通过在一半的额定负载下操作所述燃料电池，所述燃料电池经受50％的低负载操作耐久性测试，操作条件与实施例1的一样，及以额定操作的一半流速将每种气体输入所述阳极侧和阴极侧的限制性气体输送区域。结果得到如实施例1所示的同样结果。然后，使用具有共同的入口侧氧化剂气体歧管孔的多个隔板制备燃料电池。所得到的结果是一样的。
实施例7
除了使用实施方案6的隔板之外以与实施例1同样的方式制备燃料电池。当该实施例的燃料电池被保持在70℃，被湿化和加热到露点为65℃燃料气体(80％氢气、20％二氧化碳和10ppm一氧化碳)的燃料气体被输入所述阳极及被湿化和加热到露点为65℃的空气被输入所述阴极。所述燃料电池的额定操作条件是：80％燃料使用率，50％氧化使用率，及0.3A/cm2的电流密度。所述电池在0.15A/cm2的电流密度下经受低负载耐久性测试，该电池密度是额定负载的一半，以与额定条件相同的气体使用率。
该实施例燃料电池的耐久性测试以下述方式进行：在预定的流速下将所述燃料气体和氧化剂气体仅仅输入同侧两个分离气体流道中的一个。结果所述燃料电池在经过10000小时之后显示为98％初始电压的高电压，这证实了所述燃料电池具有优良的耐久性。在如下操作条件下：所述输入气的露点稍微低于所述燃料电池的操作温度，将所述阳极侧和阴极侧气体流道主要地互相垂直设置，从而在单元电池内部均匀地分配所述湿气。
然后，在如下条件进行耐久性测试，其中燃料利用率为75％，氧气利用率为40％，及电流密度为0.075A/cm2。所述负载约为额定负载的25％。由于额定操作条件下的气体利用率被设得略高一些，甚至在25％负载下也可能进行稳定的操作，气体利用率没有显著地下降。结果所述燃料电池经过10000小时之后显示了97％初始电压的高电压。
实施例8
在该实施例中，使用实施方案7的隔板制备燃料电池。所述气体流道的槽宽和深度被调整为0.5毫米，从而所述气速与实施例1中隔板的气速一样。除了这些差异之外，所述燃料电池具有与实施例1同样的组成。
通过在一半的额定负载下操作所述燃料电池使其经受50％低负载的耐久性测试，操作条件与实施例1的一样，及以额定操作的一半流速将每种气体输入所述阳极侧和阴极侧的限制性气体输送区域。结果得到如实施例1所示的同样结果。
实施例9
在该实施例中，使用实施方案8的隔板制备燃料电池。
通过在66％额定负载下操作所述燃料电池使其经受66％低负载的耐久性测试，操作条件与实施例1的一样，及以2/3的额定流速将每种气体输入阳极侧和阴极侧的限制性气体输送区域，即仅仅输送所述气体至三个分离气体流道中的两个。结果所述电池显示了优良的耐久性，与实施例1所示的一样。
接下来，通过在33％的额定负载下操作所述燃料电池使其经受33％低负载的耐久性测试，操作条件与实施例1的一样，及以1/3额定流速将每种气体输入阳极侧和阴极侧的限制性气体输送区域，即仅仅将所述气体输入三个分离气体流道中的一个。结果所述燃料显示了优良的耐久性，与实施例1的一样。
图29描述了一种如上所述操作燃料电池的方法。根据所述方法，由所述燃料电池产生的输出功率被标示在步骤S2901中。然后，在步骤S2903中选择多个独立气体流道的子设备以接收试剂气体。根据前面的描述，对所述气体流道子设备的选择应使得子设备内独立气体流道的尺寸总和(例如体积)与全部独立气体流道的尺寸总和的比约等于所述燃料电池的指定输出功率与最大输出功率的比。一旦选择了气体流道的子设备，气体在步骤S2905被提供给这些通道以产生指定数量的输出功率。在实践中，该方法可适用于燃料电池组内单元电池的阴极和阳极，或者仅仅适用于所述单元电池的阳极和阴极中的一个。此外，所述气体可以是燃料气体或氧化剂气体，该气体对于所述特定电极是适宜的及被提供给所述电极。
实施例10
在该实施例中，使用实施方案9的隔板制备燃料电池。
通过在75％额定负载下操作所述燃料电池使其经受75％低负载的耐久性测试，操作条件与实施例1的一样，及以3/4的额定流速将每种气体输入阳极侧和阴极侧的限制性气体输送区域，即仅仅输送所述气体至四个分离气体流道中的三个。结果所述电池显示了优良的耐久性，与实施例1所示的一样。
接下来，通过在一半的额定负载下操作所述燃料电池使其经受50％低负载的耐久性测试，操作条件与实施例1的一样，及以一半额定流速将每种气体输入阳极侧和阴极侧的限制性气体输送区域，即仅仅将所述气体输入四个分离气体流道中的二个。结果所述燃料显示了优良的耐久性，与实施例1的一样。
然后，通过在25％额定负载下操作所述燃料电池使其经受25％低负载的耐久性测试，操作条件与实施例1的一样，及以1/4的额定流速将每种气体输入阳极侧和阴极侧的限制性气体输送区域，即仅仅输送所述气体至四个分离气体流道中的一个。结果所述电池显示了优良的耐久性，与实施例1所示的一样。
实施例11
在该实施例中，使用实施方案10的隔板制备燃料电池。
通过在一半的额定负载下操作所述燃料电池使其经受50％低负载的耐久性测试，操作条件与实施例1的一样，及以一半的额定流速将每种气体输入阳极侧和阴极侧的限制性气体输送区域，即仅仅输送所述气体至二个分离气体流道中的一个。结果所述电池显示了优良的耐久性，与实施例1所示的一样。
实施例12
在该实施例中，使用实施方案11的隔板制备燃料电池。
通过在一半的额定负载下操作所述燃料电池使其经受50％低负载的耐久性测试，操作条件与实施例1的一样，及以一半的额定流速将每种气体输入阳极侧和阴极侧的限制性气体输送区域，即仅仅输送所述气体至二个分离气体流道中的一个。结果所述电池显示了优良的耐久性，与实施例1所示的一样。
已经确定，在该实施例的燃料电池的低负载操作中，虽然未通过所述输入歧管提供所述气体，然而由于气体通过所述气体扩散层的底流，所述电极仍然被提供了所述气体，虽然它的量很少。结果该电极部件产生一些电能。
然后，经过3000小时之后，每种气体在预定流速下仅仅被提供给一个分离的气体流道，没有在所述气体流道之间进行切换，再经过1000小时，以进行发电测试。在该测试过程中，所述电池性能保持不变。然后，随着所述负载被换回额定负载(0.3A/cm2)，每种气体被输入全部两个分离的气体流道。
在实施例1中，电池的性能下降之后逐渐地恢复并显示了初始的额定功率发生性能，但是该恢复过程需要一天时间。也就是说，由于所述两个分离气体流道中的一个在长时间内未被提供气体，由于气体的底流使所述流道被冷凝水堵塞，所以在重新输送气体之后需要一天的时间充分地恢复到初始状态。
然而，在实施例12中，由于两个分离气体流道彼此接近，气体通过所述气体扩散层底流的数量大于在实施例1中试验的数量。因此，来自相应的输入歧管流向所述流道的较大流速(即底流速度)的气体足以吹扫所述流道(该流道没有接收气体)中由气体底流而产生的冷凝水。
实施例13
在实施例1中使用的燃料电池50％额定负载的低负载下操作，具有与实施例1同样的操作条件。在该实施例中，通过打开或关闭仅仅位于输入侧的电磁阀控制所述气体输送的切换。也就是说，位于排放侧的电磁阀都被打开。已经确定这种控制方法可以成功地切换所述气体输送。所述燃料电池显示了优良的稳定性，与实施例1的方式一样。
已经确定通过保持气体输入侧的电磁阀开放和控制气体排放侧的电磁阀，可以成功地切换所述气体输送。
虽然已经根据优选的实施方案对本发明做出了描述，但是应该理解到这种公开不应被当作对本发明的限制。对于本领域技术人员来说，看了上面公开的内容之后对本发明所做的替代或修改同样落在本发明的保护范围之内。因此，附加的权利要求书应该被解释为覆盖了本发明实质精神和范围之内的全部替代和修改。

Claims (18)

1、一种燃料电池，包括：
(a)多个叠压的单元电池，每个单元电池包括膜电极组件，所述膜电极组件包括阳极、阴极和插入所述阳极和阴极之间的氢离子导电聚合物电解质膜；
(b)装配在每个相邻单元电池之间的多个隔板，所述隔板中的至少一个包括：
具有气体流路的阳极侧导电隔板，所述气体流路用于输入燃料气体到所述阳极并从其中排出，及
具有气体流路的阴极侧导电隔板，所述气体流路用于输入氧化剂气体到所述阴极并从其中排出，
其中所述阳极侧隔板和阴极侧隔板中的至少一个在其一个面上具有多个独立气体流道，所述气体流道构成所述气体流路，及
(c)用于将所述燃料气体和氧化剂气体中的一种输入一个或多个所述独立气体流道的供气转换控制器。
2、根据权利要求1的燃料电池，其中所述多个独立气体流道包括面积比不为1∶1的第一和第二独立气体流道。
3、根据权利要求1的燃料电池，其中所述阳极侧隔板具有所述的多个独立气体流道，所述阳极包括催化剂层和气体扩散层，与所述阳极侧隔板邻接的所述阳极催化剂层和气体扩散层中的一个包括多个与所述独立气体流道相对应的部分。
4、根据权利要求1的燃料电池，其中所述阴极侧隔板具有所述的多个独立气体流道，所述阴极包括催化剂层和气体扩散层，与所述阴极侧隔板邻接的所述阴极催化剂层和气体扩散层中的一个包括多个与所述独立气体流道相对应的部分。
5、根据权利要求1的燃料电池，其中所述阳极侧隔板具有多个独立气体流道。
6、根据权利要求1的燃料电池，其中所述阴极侧隔板具有多个独立气体流道。
7、根据权利要求1的燃料电池，所述燃料电池还包括连接隔板，所述连接隔板包括所述阳极侧隔板和阴极侧隔板，所述阳极侧隔板还具有分布在其背面的冷却水流路，所述阴极侧隔板还具有分布在其背面的冷却水流路，所述阳极侧隔板和阴极侧隔板被连接在一起，从而所述冷却水流路被连接在一起形成一个整体的冷却水流路，其中所述整体的冷却水流路包括与所述多个独立气体流道相对应的多个独立流道。
8、一种操作燃料电池的方法，包括(a)多个叠压的单元电池，每个单元电池包括膜电极组件，所述膜电极组件包括阳极、阴极和插入所述阳极和阴极之间的氢离子导电聚合物电解质膜；(b)多个装配在每两个相邻单元电池之间的隔板，所述隔板中的至少一个包括具有气体流路的阳极侧导电隔板，所述气体流路用于输入燃料气体到所述阳极并从其中排出；及具有气体流路的阴极侧导电隔板，所述气体流路用于输入氧化剂气体到所述阴极并从其中排出，其中所述阳极侧隔板和阴极侧隔板中的至少一个在其一个面上具有多个独立气体流道，所述气体流道构成所述气体流路，及(c)用于将所述燃料气体和氧化剂气体中的一种输入一个或多个所述独立气体流道的供气转换控制器，所述方法包括利用所述供气转换控制器，通过将所述燃料气体和氧化剂气体中的一种输送至所述多个独立气体流道的一个或多个以实施低负载操作。
9、根据权利要求8的操作所述燃料电池的方法，其中实施所述低负载操作包括以某一时间间隔转换所述多个独立气体流道中的各个气体流道，所述燃料气体或氧化剂气体被输送至所述气体流道。
10、一种操作燃料电池的方法，所述电池包括包括隔板和控制器，所述隔板具有其中设置有多个独立气体流道的第一板面，所述控制器可选择性地给所述多个气体流道中的一个或多个提供气体，所述方法包括：
(a)在第一时间段内仅仅给所述独立气体流道的第一子设备提供气体；及
(b)在第二时间段内仅仅给所述独立气体流道的第二子设备提供气体，所述第二子设备不同于第一子设备。
11、根据权利要求10的方法，其中所述第一和第二子设备没有共同的气体流道。
12、根据权利要求10的方法，还包括重复地按顺序操作(a)步骤和(b)步骤多次。
13、根据权利要求10的方法，其中所述燃料电池还包括膜-电极装置，所述膜-电极装置包括阳极、阴极及插入二者之间的电解质膜，所述阳极和阴极包括催化剂层和气体扩散层，所述催化剂层和气体扩散层被设置在邻接所述隔板第一板面的位置，及其中：
所述第一时间段小于所述催化剂层和气体扩散层的主体部分被显著浸水所需要的时间，所述催化剂层和气体扩散层与气体流道的第二子设备相对放置；及
所述第二时间段小于所述催化剂层和气体扩散层的主体部分被显著浸水所需要的时间，所述催化剂层和气体扩散层与气体流道的第一子设备相对放置。
14、根据权利要求13的方法，其中所述方法阻止由从接收气体之气体流道的子设备流到所述催化剂层和气体扩散层的部分的气体的底流而产生的浸水，所述催化剂层和气体扩散层与不接收气体之气体流道的子设备相对放置。
15、根据权利要求10的方法，其中所述燃料电池产生的输出功率与其最大输出功率的比基本上等于接收气体之气体流道的子设备体积与气体流道全部设备体积的比。
16、根据权利要求10的方法，其中所述燃料电池产生的输出功率与其最大输出功率的比基本上等于接收气体之气体流道的子设备体积与气体流道全部设备体积的比，燃料和氧化剂气体具有同样的气体利用率，同样的露点，向每个接收气体的气体流道提供同样的气体压力，及所述燃料电池在各个输出功率条件下具有相同的操作温度。
17、根据权利要求10的方法，还包括：
在第一和第二时间段内基本上提供各自相同的燃料和氧化剂气体利用率；
在第一和第二时间段内基本上提供各自相同的燃料和氧化剂气体的露点；
在第一和第二时间段内向每一接收气体的气体流道提供基本上相同的气体压力；及
在第一和第二时间段内基本上在同样的温度下操作所述燃料电池。
18、一种操作燃料电池的方法，所述电池包括隔板和气体调节器，所述隔板具有其中分布多个独立气体流道的第一板面，及所述调节器可选择性地给所述独立气体流道的子设备提供气体，其中所述燃料电池产生的输出功率与其最大输出功率的比基本上等于接收气体之气体流道的子设备体积与独立气体流道的全部设备体积的比，燃料和氧化剂气体具有相同的气体利用率，同样的露点，向每个接收气体的独立气体流道提供相同的气体压力，及所述燃料电池在各个输出功率条件下具有相同的操作温度，所述方法包括：
确定特定燃料电池将产生的输出功率；及
选择所述气体流道的子设备以使所述子设备内独立气体流道的总体积与全部独立气体流道的总体积的比基本上等于所确定的输出功率与所述燃料电池最大输出功率的比；及
给独立气体流道的选定子设备提供气体。
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