[发明专利]燃料电池所产生的液态水的被动回收

说明书

本申请按照35U.S.C.§119(e)要求2006年11月7日提交的序列号为 60/864,767以及2007年9月4日提交的序列号为60/969,890的美国临时申请 的权益，通过引用将所述临时申请清楚地并入本文。

技术领域

公开了新颖的高分子电解质膜和/或阴极，它们能够被动回收在燃料电池 的阴极所产生的液态水。

发明背景

在燃料电池，例如直接甲醇燃料电池(DMFC)中使用的高分子电解质膜 (PEM)所存在的众所周知的问题是对来自阴极的水的回收，所述水既用于 PEM本身的水合又用于再引入到阳极燃料反应物流中，其中对于DMFC的 情况，它同时用作甲醇燃料的反应物和稀释剂。水也用作其它类型的PEM 燃料电池的燃料反应中的反应物质之一，这些类型包括在燃料电池外部有反 应(如烃类燃料的重整)的那些或化合物(如硼氢化钠)与水反应产生氢的那 些。水还能够用来对进入燃料电池的阳极腔室中的反应物气体流进行增湿。

对这一问题的常规“主动”解决方案包括将冷凝器和液体分离器放置在 阴极排出物流(exhaust stream)上，以便收集液态水，然后将该水计量返 回阳极回路。

发明概述

本发明的目的是回收以下水中的至少一部分：(1)阴极处的电化学反应中 所产生的水；(2)随着从阳极到阴极的离子流动而从阳极迁移到阴极催化剂层 的水；和/或(3)其它形式存在于阴极的水，可能来自于从阳极侧扩散跨过 (across)PEM的燃料的直接氧化。该水在本文有时称作“阴极水”。可将 阴极水引导至阳极本身，用于反应或用于燃料增湿目的，或将其引导至燃料 反应腔室，以用于燃料反应中。

燃料电池膜电极组件(MEA)含有从离子导电聚合物制造的高分子电解质 膜(PEM)。该PEM经改性含有在PEM的相对(opposite)表面之间的小通 道。这些通道使液态水能在足够的压力下从PEM的阴极侧流到PEM的阳极 侧。该PEM有时称作透水性(water permeable)PEM

PEM具有相对的阳极和阴极表面。为了产生引起水迁移(transport)通 过PEM通道所需要的压力，PEM的阴极侧上存在液态水阻隔(LWB)层。该 层是导电的，具有高的气体扩散性，以允许氧气到达阴极催化剂层，但是对 液态水流动具有明显的阻抗。在操作过程中，该燃料电池在PEM的阴极侧 上产生水。在该实施方案中，LWB层单独足以能够减少液态水从阴极到阴极 氧化剂流的流动，由此产生足够的液压背压(hydraulic back pressure)，导 致液态水从阴极通过PEM通道流到PEM的阳极侧。

在另一个实施方案中，气体扩散阻隔(GDB)层与LWB层结合使用。在许 多实施方案中GDB层是导电性的。然而，在采用平面内(in-plane)电流收 集的一些实施方案中不需要它是导电的。GDB层能够限制水蒸气流向阴极氧 化剂流。然而，它具有足够的气体扩散率，以允许氧气穿过它到达阴极催化 剂层。

在一些情况下，PEM的阴极表面与LWB层之间存在液态水分布(LWD) 层。该层是导电性的，并允许液态水在与PEM的阴极表面平行的平面上侧 向移动。该层能够用于促进水移动到PEM通道和/或用于提供对残留水的侧 向收集(lateral collection)。如果将催化剂添加到LWD层中，则它还用作 阴极氧还原反应或其它阴极界面化学反应的催化剂层。

标准气体扩散层(GDL)能够与这些层中的任何一个或全部结合使用，且 一般远离PEM阴极表面放置，以避免与阴极氧化剂流相互作用。

本发明还包括能与标准PEM或在本文公开的透水性PEM结合用来控制 阴极水流动的阴极。

在一个实施方案中，阴极从GDB层和LWB层制备。在另一个实施方案 中，可制备单层阴极，它具有GDB和LWB层的性能。这种单层阴极也可以 与LWD层和/或GDL一起使用。或者，可以使用GDB/LWB油墨在标准 GDL表面上形成该单层。

在另一个实施方案中，阴极从GDL和GDB层制备。该阴极可进一步含 有LWB层，其位置使得GDB层位于GDL和LWB层之间。该阴极还可包 含LWD层，其位置使得LWB层位于LWD层和GDB层之间。

在另一个阴极实施方案，阴极含有单独的或与GDL结合的LWB层和 LWD层。