[发明专利]调湿燃料电池用膜电极组件的方法

说明书

本发明涉及调湿燃料电池用膜电极组件的方法，其中所用的膜电极组件的输出可以被增加，并且因此，所形成的聚合物电解质膜燃料电池的效率可以被改进。

燃料电池通常包含电解质和由该电解质分隔的两个电极，其中两个电极中的一个被供以燃料，例如氢气，或甲醇和水的混合物，和另一个电极被供以氧化剂，例如氧气或空气。在该过程中，由所形成的燃料氧化产生的化学能被直接转化成电能。

所述电解质的一个要求是其对氢离子，即质子可渗透，但不能渗透过上述燃料。

典型地，燃料电池包括若干个单电池，所谓的MEA(膜电极组件)，其中的每一个均包含电解质和由该电解质分隔的两个电极。

作为燃料电池用电解质，采用固体，例如聚合物电解质膜，或液体，例如磷酸。聚合物电解质膜作为燃料电池用电解质最近已引起了广泛关注。

例如，WO96/13872公开了具有碱性聚合物与强酸的复合物的聚合物电解质膜。为制备这些物质，用强酸如磷酸处理碱性聚合物，如聚苯并咪唑。

此外，还公开了燃料电池，其中它们的膜包含无机支撑体材料，例如用磷酸饱和的玻璃纤维织物或玻璃纤维网(参见US-A-4,017,664)。

在现有技术中已知的碱性聚合物膜中，为获得所需要的质子导电性所使用的无机酸(多数为浓磷酸)，通常在所述聚吡咯膜形成之后加入。这样，所述聚合物用作由高浓磷酸组成的电解质的支撑体。在该工艺中，所述聚合物膜满足另外的基本功能，特别是，其必须显示出高机械稳定性，并用作开始提到的两种燃料的隔板。

这种用磷酸掺杂的膜的主要优势在于，其中使用这种聚合物电解质膜的燃料电池可于大于100℃温度下运行，除非必要无需另外进行燃料的增湿。这是由于磷酸能够在没有补充水的情况下通过所谓的Grotthus机理(K.-D.Kreuer，Chem.Mater，1996，8，610-641)传输质子的性能。

所述燃料电池系统另外的优点通过在高于100℃的温度下运行的可能性而获得。一方面，Pt催化剂对气体杂质，特别是CO的敏感性被大幅降低。CO形成为由含碳化合物，如天然气、甲烷或汽油向富氢气体的重整过程中的副产物，或者还形成为在甲醇的直接氧化中的中间产物。典型地，在温度＜100℃时，所述燃料的CO含量必须低于100ppm。然而，当温度在150-200℃时，10,000ppm或更多的CO也是允许的(N.J.Bjerrum.，Journal of Applied Electrochemistry，2001，31，773-779)。这使得上游的重整工艺大大简化，并因此降低了整个燃料电池系统的成本。

用这种膜制成的膜电极组件的输出在WO 01/18894和Electrochimica Acta，第41卷，1996，193-197中有描述，当铂负载量为0.5mg/cm²(阳极)和2mg/cm²(阴极)和电压为0.6V时，输出量低于0.2A/cm²。当使用空气代替氧气时，该值降低到小于0.1A/cm²。

燃料电池重要优势在于，在电化学反应中，所述燃料的能量被直接转化成电能和热能。在该过程中，水作为反应产物在阴极形成。在电化学反应中还产生热量作为副产物。在其中仅使用动力用于电动机操作的应用中，例如在机动车的应用中，或作为电池体系的多用途置换，在所述反应中产生的一部分热量必须被驱散以防止系统过热。随后则需要用于冷却的额外电能消耗组件，其进一步降低了所述燃料电池总的电能效率。在固定的应用(stationary application)中，例如集中或分散的发电和产热，热量可通过现有技术，如热交换器得以有效利用。这样做，高温的目的是提高效率。如果操作温度高于100℃，和环境温度与操作温度之间的温度差增大，与由于所述膜的增湿作用而必须在低于100℃下操作的燃料电池相比，就可以更有效地冷却燃料电池系统，例如使用更小的冷却表面和省去另外的装置。

上面提到的膜电极组件已显示出良好的性能，然而，已知膜电极组件的性能，例如高压电流密度必须进一步改进。

另一个目的是提供膜电极组件，其显示出高性能，特别是在宽温度范围内，分别显示出高电流密度或高压高电流密度。

此外，根据本发明的膜电极组件必须表现为高耐用性，特别是在需要高功率密度时，表现为长的使用寿命。

所有膜电极组件的发展目标是降低催化剂的量以减小生产成本，而性能无显著降低。有利地是，用少量的气流和/或用低过量压力操作膜电极组件以获得高功率密度应该是可行的。