使用水合的非全氟化碳氫化合物離子交換膜的燃料電池的製作方法

2023-08-07 00:39:26 1

專利名稱：使用水合的非全氟化碳氫化合物離子交換膜的燃料電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及非全氟化碳氫化合物離子交換膜在燃料電池中的應用，其中所 述離子交換膜通過一個或多個多孔、親水、水傳輸性反應物氣體流場板而基本 100。/。7jC合，該流場板確保水合同時防止溢流，還涉及與其結合的鉑和鉑合^M 料電池催化劑。
背景技術：
因為緊湊和能夠提供高電流密度而引起注意的燃料電池是固態聚合物電
解質燃料電池。上述電池通常也被稱為"質子交換膜"(PEM)燃料電池。離子 交換膜，是固態聚合物電解質，最普遍地包含全氟化碳氫化合物離聚物，例如 Dupont以商標NAFIO,銷售的。
然而，這些膜價格昂貴，並且由於過氧化物的形成和其後來由於氧氣溶解 而產生的分解產物從而易於分解。另外，這些膜允許一些氫氣跨過到達陰極， 這對燃料電池的效率帶來負面作用。這在低功率操作過程(在車輛應用中經常 見到)中的低反應物流速下是特別重要的，因為氫氣l tail率(crossoverrate) 不隨^^然料^3I的變化而變化，因此M;更大百分比的燃料消費。
PEM燃料電池堆可以使用包含量級為10ppm到100ppm的一氧化碳的富氫 重整氣體(合成氣)做燃料。 一氧化碳的一部分附在陽極催化劑的鉑上，抑制 鉑催化齊啦點氧化氫氣的能九腿而斷氐燃料電池性能。掛釕合金用作陽極 催化劑的使用提高了在典型PEM燃料電池操作糹顯度下對一氧化碳的容許量。然 而，這種提高的性能是短期的，因為在陽極中的釕不穩定並趨向於遷移通過膜 直到它沉澱到陰l肚。在陰*肚的釕抑制陰極反應，導致燃料電池鵬g的降低。

發明內容
本發明的方面包括用於燃料電池的更低成本的質子効奐膜；用於帶有改
進的耐久性和改進的一氧化碳容許量的燃料電池的質子交換膜；以及用於不需
4要難於控制的昂貴功率部件的燃料電池的低成本、高耐久性的質子交換膜。
本發明部分基於實現如下認恥包含不貴的和耐久的非全氟化 化合物 離聚物膜的燃料電池電解質由於在未完全水合時差的質子傳導性而不能令人滿 意，及其其通過反應物氣體的外部加溼而產生的水合需要額外的水體積和難於 控制的昂貴的額外的設備。本發明還基於如下發現非全氟化的碳氫化合物離 聚物膜在用液態水水合時比用氣態水水合時提供更好的燃料電池性能。本發明 部分基於如下認識M31入口反應物氣流提供水來給膜加溼的普通水合方法需 要昂貴的、難以控制的復^體加溼及水管理系統。
本發明認識到，在燃料電池中形成並侵襲非全氟化膜的過氧化物自由基的 濃度可以通過在多孔親水性反應物氣體流場板中的水來降低(當所述水流過冷 卻劑通道到水出口時)。
本發明還基於對如下事實的認識非全氟化的碳氫化合物離聚物膜可以比 全氟化的碳氫化合物離聚物膜具有少的釕溶解度，和能夠比全氟化膜在性能不 損失的情況下操作更長時間，從而有利於改善fl/釕合金陽極催化劑的性能。
根據本發明，用作燃料電池電解質的非全氟化的碳氫化合物離聚物膜用液 態水水合。
依照本發明，燃料電池使用非全氟化的碳氫化合物離聚物膜與一個或多個 多孔親水性7jC傳輸反應物氣體流場板的組合，，所述流場板被設計為確保膜的充 分潤溼而在所述膜的各面上沒有電極的溢流，也沒有進入的反應物氣體的外部 加溼。
根據本發明，非全氟化的碳氫化合物離聚物膜可以夾在親水性陽極氣體擴 散層(任選地具有薄的子層)和相似的陰極氣體擴散層之間。
本發明獲得包含與水傳輸反應物氣體流場板結合的碳氫化合物膜的耐久
的燃料電池包(ftiel cell package)。
本發明導致無需外部增溼性反應物和伴隨的昂貴的、難於保持合適操作平 衡的功率部件，而獲得非全氟化的碳氫化合物離聚物膜的足夠性能(質子傳導 率)。
由於7]C合變化，碳氫化合物膜比非全氟化的離聚物膜膨脹和收縮到更大的 程度，這進而可以導致由於機械應力的失效。所述多孔親水性7]C傳輸反應物氣 體流場板和多孔氣體擴散層的改善的溼度控制，確保整個碳氫化合物膜的更完全、更穩定的水合，這增加尺寸穩定性 少機械應力。
本發明應用低反應物溶解性的優點來提高被潮溼的非全氟化碳氫化合物離聚物膜在燃料電池中的耐久性，來獲得耐久性的、低成本的PEM燃料電池。本發明ifiM降低氫氣擴iliI率(crossoverrate)提高了燃料電池效率，特別在低功率運行下的燃料電池效率。
根據本發明，PEM燃料電池中的非全氟化的碳氫化合物離聚物膜允許使用比與蟲鈾具有更好性能的鈾/釕合金催化劑，而沒有耐久性的M^、。
如附圖所示，根據下面對本發明的示例性實施方案的詳細描述，本發明的其它方面、特徵和優點將更加明顯。


圖1為使用本發明的燃料電池的側視剖面圖，為了清楚而忽略了剖面線。
圖2為圖1的燃料電池的進一步詳細的部分^l軍圖。
圖3為(a)具有非全氟化碳氫化合物離聚物膜和固態反應物流場板的燃料電池(消耗在夕卜部溼潤的反應物)和(b)根據本發明具有非全氟化的碳氫化合物離聚物膜和液態水傳輸部件的燃料電池的性能比較圖。
具體實施例方式
參照圖l，示出了一對燃料電池8、 9的一部分。每^M料電池具有成套的電極組件12、多孔親水的燃料反應物氣體流場板13和多孔親水的氧化劑反應物氣體流場板14。燃料反應物氣體流場板13包含燃料流動通道17和凹槽18，其與氧化劑反應物氣體流場板14中的凹槽19 一起形成通道20，所i^il道20用於7JC合所述膜的液態水和用於從陰極去除產物水。氧化劑反應物氣體流場板14有氧化劑反應物氣#^場通道23 。
通道20可以為大橫截面，足夠傳送足夠的水以ffi)l將顯熱(sensibleheat)傳輸給水來對流^4卩燃料電池。這可以通過冷卻劑泵、熱交換器和控制項來實現，或者這可以在沒有水泵、依靠對流或其它被動水循環的被動系統中實現。另一方面，所述通道可以為小橫截面，僅傳送足以水合J燃料電池堆中的膜的水，所述燃料電池堆具有散布於其中的分離的冷卻板，其通常使用降低冰點的混合物，例如二醇。小通道可以應用在蒸髮式冷卻系統中，僅傳送足夠防止陰極溢流、提供膜水合和替代蒸發的水的水。本發明可以應用在所有上述類型的系統中。
參照圖2， ^成套電極組件12包含非全氟化的碳氫化合物離聚物膜26，所述膜26上面具有陽極催化劑27和陰極催化劑28並且夾在一對子層29、 30之間，每個子層被相應的氣體擴散層31、 32支撐。膜26不是全氟化的，故較便宜，潛在的更耐久，和支撐各種鉬和鉑合金用作陽極催化劑。
根據本發明，在通道20中流動的液態7jC通過陽極反應物氣體流場板13和陰極反應物氣體流場板14兩者來7K合所述膜。流場板13、 14的孔隙率、孔的大小和、在反應物氣體和通道20中的7jC之間確定的壓差都能被選擇從而保證反應物氣體和水都到達在成套電極組件12中的膜26。通過氣體擴散層31、 32和雙層29、 30的液態水的流動能夠如專利公開US2004-0106034描述的方式被控制；在冷卻齊御水之間的壓差在該專利公開和在專利US5700595中被描述。
參照圖3，使用非全氟化的碳氫化合物離聚物膜和固態反應物氣體流場板的燃料電池的性能123被繪圖。在導致性能圖123的操作中，反應物(基本純的氫氣和空氣)，在65攝氏度在外部用水飽和，相對溼度為100%。可以看出在電流密度為1000毫安/平方釐米處電壓陶氐到大約0.56伏。另一方面，本發明的使用非全氟化的碳氫化合物離聚物膜和多孔親水的7K傳輸反應物氣體流場板13、 14以及多孑L氣體擴散層31、 32的燃料電池的操作，其導致性能曲線124，利用了 65攝氏度糊離溼的反應物氣體。很明顯使用本發明的燃料電池的電壓保持高於大約0.67伏。
性能曲線123、 124都是使用鉑陽極催化劑取得的。
子層29、 30，尤其是陽極子層29，可以做成可潤溼的(親水的)，或者部分可潤溼的，從而允許水通過以水合非全氟化膜26的陽極面。或者所艦層可以部分疏水的或親水的(不可潤溼的)並依靠溼氣氣相傳輸到膜。然而，在這種情況中，水仍然以液相通過該多孔親水性水傳輸反應物氣體流場板被提供給每一個燃料電池。調整所述雙層的可潤溼性可以用現有技術中已知的多種方法完成； 一種方法在前述專利公開第0053和0055段(在那裡稱作"擴散層")中描述。如果需要，子層29可以從陽極側省略，和如果需要，子層30可以從陰
^n果需要，本發明可以用一個固態反應物氣體流場板(伏選在陰極側)和一個多孔的親水性7jC傳輸反應物氣體流場板(優選在陽極側)來實施。
7傳統的脫離子劑(有時稱為"脫礦物質劑")可以被用來除去冷卻劑水中的過氧化物自由基。
權利要求
1、燃料電池(8，9)，其特徵在於非全氟化的碳氫化合物離聚物膜(26)，在所述膜的相對表面上設置有陽極催化劑(27)和陰極催化劑(28)，在所述催化劑每一的附近設置有多孔氣體擴散層(31、32)；第一多孔的親水性水傳輸反應物氣體流場板(13、14)，鄰近所述氣體擴散層(31、32)之一；以及第二反應物氣體流場板(14、13)，鄰近所述氣體擴散層(32、31)的另一個。
2、 如權利要求1所述的燃料電池(89)，進一步特徵在於 所述氣體擴散層(31、 32)是親水性的。
3、 如權禾腰求1所述的燃料電池(8， 9)，進一步特徵在於子層(29、 30)，位於至少一個所述催化劑(27、 28)和相應的一個所述流 場板(13、 14)之間。
4、 如權利要求1所述的燃料電池(8， 9)，進一步特徵在於 所述第二反應物氣體流場板(14、 13)為多孔的親水性水傳輸反應物氣體流場板。
5、 如權利要求1所述的燃料電池(8， 9)，進一步特徵在於 所述第二反應物氣體流場板(14、 13)為固態反應物氣體流場板。
6、 如權利要求1所述的燃料電池(8， 9)，進一步特徵在於 至少一個所述催化劑(27、 28)包含鉑合金。
7、 如權利要求1所述的燃料電池(8， 9)，進一步特徵在於 至少一個所述催化劑(27、 28)包含鉬/釕合金。
8、 如權利要求1所述的燃料電池(8， 9)，進一步特徵在於 所述陽極催化劑(27)包含掛釕合金。
9、 燃料電池膜(26)，其特徵在於所述膜包含非全氟化的碳氫化合物離聚物膜(26)，所述離聚物膜用以液相 提供(13、 14、 20、 31、 32)給所述膜的水完全水合。
10、 具有非全氟化的碳氫化合物離聚物膜(26)的燃料電池(8， 9)的操作方法，其特徵在於用以液相提供(20)給所述燃料電池的水完全水合(13、 14、 31、 32)所 述膜(26)。
11、 如權禾腰求10所述的方法，進一步特徵在於用以液相提供(13、 14、 20、 31、 32)給所述膜的水完全水合(13、 14、 31、 32)所述膜(26)。
12、 燃料電池(8， 9)，包括 非全氟化的碳氫化合物離聚物膜(26);其特徵在於用於用以液相提供(20)給所述燃料電池的7jC完全7K合所述膜的裝置(13、 14、 31、 32)。
13、 如權利要求12所述的燃料電池(8， 9)，進一步特徵在於 用於用以液相提供(13、 14、 20、 31、 32)給所述膜(26)的水來完全水合所述膜的裝置(13、 14、 31、 32)。
全文摘要
燃料電池(9)包括成套電極組件(12)，所述成套電極組件(12)具有在其相對面上設置陽極和陰極催化劑(27、28)的非全氟化的碳氫化合物離聚物交換膜(26)。接近所述催化劑，各自任選的子層(29、30)可以用相應的氣體擴散層(31、32)來支撐，具有鄰近的多孔親水性水傳輸反應物氣體流場板(13，14)，所述氣體流場板含有各自的燃料(17)和氧化物(23)反應物氣體流場通道。水通道(18、19、20)水合膜(26)，清除陰極(28、30、32)的產物水、衝洗過氧化物自由基，和也可以冷卻燃料電池。改進的性能(124)(在更高電流密度下更高電壓)與源自全氟化膜的氧溶解度的過氧化物分解產物的降解傾向的排除一起取得。鉑/釕合金陽極催化劑改善了性能，同時沒有全氟化膜時產生的降解。
文檔編號H01M4/86GK101473470SQ200680054760
公開日2009年7月1日 申請日期2006年5月30日 優先權日2006年5月30日
發明者L·V·普羅特塞洛, R·M·達林, S·M·古普塔 申請人:Utc電力公司