[发明专利]用于电解装置的膜/电极组合件

说明书

本发明涉及通过电解生成气体，且尤其涉及用于使用质子交换膜以进行水的低温电解来生成氢的装置。

燃料电池被设想为用于未来大量生产的机动车辆以及用于许多应用的电源系统。燃料电池是将化学能直接转换成电能的电化学装置。氢(H₂)或分子氢用作燃料电池的燃料。分子氢在电池的一个电极上被氧化，并且来自空气的氧(O₂)或分子氧在电池的另一电极上被还原。该化学反应生成水。燃料电池的大的优点为，其避免在产生电的地方排放大气污染化合物。

开发这类燃料电池的主要困难之一在于二氢(或分子氢)的合成及供应。在地球上，除了与氧(以水的形式)、与硫(以硫化氢的形式)以及与氮(作为氨)或碳(化石燃料，例如天然气或石油)相结合以外，氢并不大量存在。因此，分子氢的生成需要消耗化石燃料，或者需要使用大量低成本能量，以便通过热手段或电化学手段从水的分解中获得这种氢。

用于由水生成氢的最普遍方法包括电解原理的使用。已知具有质子交换膜(PEM)的电解池用于实施这类方法。在这种电解池中，阳极和阴极固定在质子交换膜的任一侧上，并与水接触。在阳极和阴极之间施加电势差。因此，通过水的氧化而在阳极处生成氧。阳极处的氧化还生成H⁺离子，所述H⁺离子穿过质子交换膜到达阴极，且通过电源将电子送回到阴极。在阴极处，在阴极的水平上还原H⁺离子，以生成分子氢。

这种电解装置面对不希望的作用。例如，质子交换膜并非完全不透气的。因此，在阳极和阴极处生成的气体的一部分通过扩散穿过质子交换膜。这导致所生成气体的纯度问题，还导致安全问题。特别地，氢在氧中的比例必须保持绝对低于4%，该比例为氢在氧中爆炸的下限。

膜的气体透过性可以通过增加质子交换膜的厚度来降低。然而，这会通过使H⁺离子更难以穿过而导致电阻增加，并降低系统的性能。

为了限制质子交换膜的气体透过性，某些新发展的技术提议将催化剂颗粒沉积在质子交换膜内部。催化剂颗粒力图将穿过膜的分子氢与穿过膜的分子氧重组。从而减少到达阴极的分子氧和到达阳极的分子氢的数量。

然而，催化剂颗粒的重组反应是放热的并引起能量损失。此外，这种解决方案对于工业规模的应用来说并非最佳的，这是因为在阴极生成的分子氢的一部分总是会损耗在质子交换膜内部。此外，质子交换膜的分子氢透过性大于其分子氧透过性。因此，分子氢的一部分无论如何会到达阳极，这是因为对于布置在膜中的催化剂颗粒来说，分子氧的数量是不充足的。

本发明力图解决这些缺点中的一个或更多个。因此，本发明涉及一种用于电解装置的膜-电极组合件，其包括：

-质子交换膜；

-布置在所述膜的任一侧上的阳极和阴极；

-布置在所述质子交换膜内的导电催化剂；

-连接所述催化剂与所述阴极的导电接合部，所述导电接合部具有大于所述催化剂与所述阴极之间的膜的质子电阻的电阻。

根据一个变化方案，接合部的电阻至少是催化剂与阴极之间的所述质子电阻的20倍。

根据另一变化方案，接合部形成将质子交换膜保持在原位的外围框架。

根据又一变化方案，接合部包括在293.15K具有大于20μΩ.cm的电阻率的结构部件。

根据又一变化方案，催化剂能够氧化分子氢。

根据一个变化方案，催化剂包含固定到导电石墨载体的钛，所述导电石墨载体固定到质子交换膜的固定地附接到阴极的第一层和质子交换膜的固定地附接到阳极的第二层。

根据另一变化方案，第一质子交换层的质子电阻低于第二质子交换层的质子电阻。

根据又一变化方案，质子交换膜包括第一交换层、第二交换层和第三质子交换层，阴极固定到第一质子交换层，且阳极固定到第三质子交换层，所述催化剂为第一催化剂，布置在第一质子交换层和第二质子交换层之间，所述组合件还包括：

-布置在第二质子交换层和第三质子交换层之间的第二催化剂；

-连接第二催化剂和阳极的另外的导电接合部。

本发明还涉及一种用于电解水的装置，包括：如上所述的膜-电极组合件和在膜-电极组合件的阳极和阴极之间施加电势差的电源，该电势差适合于水解与阳极接触的水。

根据一个变化方案，催化剂和阴极之间的接合部的电阻值设置为使得催化剂的电压低于0.8V。

参考附图，根据以绝非穷尽性的指示在下文中给出的以下说明，本发明的其他特征和优点应该显得更加清楚，其中：