[发明专利]保护碱性燃料电池内不受空气中CO2干扰的系统和方法

说明书

相关申请

本申请与2009年8月24日提交的美国临时申请系列号61/236,282有关，并要求其优先权，其全部内容在此作为参考被并入。

发明领域

本发明提供了用于碱性燃料电池的空气CO₂过滤/吸收配件和系统，以减少提供给燃料电池阴极的空气流中CO₂的水平。本发明还提供了通过对碱性燃料电池应用净化电流的电化学清除方法，以实现从燃料电池中去除电化学CO₂。本发明是为了对包含碱性水电解质或者无液态电解质的OH^-离子导电聚合物膜的碱性燃料电池进行空气过滤/吸收。

背景

碱性膜燃料电池(AMFCs)与其它的低温燃料电池相比具有重要的优势，包括不需要贵金属催化剂和不需要添加液体电解质的运行性能。但是，实施这种燃料电池技术的一个重大挑战在于当CO₂进入电池时会导致性能损失。当碱性膜燃料电池(AMFC)通过氢燃烧运行时，阴极供气中的CO₂是一种值得关注的特定来源，因为供气中含有约400ppm CO₂。只要这种未处理的空气被供应到阴极，“空气中的CO₂”将通过电池阴极不断进入到电池中。在这样的条件下，CO₂以约10^-4P_空气的分压持续流入电池阴极，并从阴极流入电池，从而记录到明显的碱性膜燃料电池(AMFC)电压损失。在恒定电流密度为约0.2A/cm²-0.4A/cm²时，发现电池的电压低了0.1V-0.3V(对比用不含CO₂阴极供气运行的相同电池)，并且显示出能量转换效率降低了20％-60％。

这种碱性膜燃料电池(AMFC)性能下降的原因之一据悉是酸-碱过程。进入电池的CO₂与聚合物电解质的碱性官能团重组，根据下式用HCO₃^-(碳酸氢盐)离子传导官能团置换OH^-离子传导官能团：

(1)CO₂+(R₄N⁺OH^-)＝(R₄N⁺HCO₃)

R₄N⁺是四烷基铵离子，为碱性离聚物中典型的固定阳离子基团。在以气态形式进入电池的阴极后，CO2能以水溶解的形式透过电池的厚尺度迁移，并且能如方程(1)所示的通过电池的膜和阳极传播“碳化过程”。

透过电池的厚尺度传播碳化过程的另一种模式是阴离子置换过程。在这种情况下，碳酸氢根离子在电流下透过离聚物迁移，根据下式置换OH^-阴离子：

(2)HCO₃^-+(R₄N⁺OH^-)＝(R₄N⁺HCO₃^-)+OH^-

这在AMFC中的OH^-离子向电池阳极迁移时出现，并且阳极过程根据下式消耗OH^-：

(3)H₂+2OH^-＝2H₂O+2e

其中HCO₃^-阴离子在普通的AMFC运行条件下不会在阳极反应。

因此，在阳极消耗体OH^-离子发生的离子置换过程(2)将结束大部分阴离子部位的持续碳化。

OH^-阴离子被HCO₃^-置换由于两个原因会引起显著的碱性膜燃料电池(AMFC)损失。首先，碳酸氢根离子的迁移率约比OH^-离子的小4倍，导致电池膜和内电极离聚物元件的导电性均下降。由于OH^-离子在阳极过程中作为反应物，降低了其对阳极过程的可用性，如式(3)所示，导致阳极过电位的显著增加。