[发明专利]用于燃料电池组件的氟化物离子清除剂

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池、膜电极组合件(MEA)和质子交换膜，质子交换膜也称为聚合物电解质膜(PEM)。本发明尤其涉及带有含氟聚合物电解质膜的燃料电池以及这种膜释放的氟化物阴离子的净化。

背景技术

燃料电池是被开发用于产生移动和固定电能的电化学电池。一种燃料电池的设计利用固体聚合物电解质(SPE)膜或质子交换膜(PEM)来提供阳极和阴极之间的离子传递。使用能够提供质子的气体和液体燃料。实例包括氢和甲醇，优选用氢。氢供给燃料电池的阳极。氧(如空气)是电池的氧化剂，供给电池的阴极。电极由能够使燃料分布于面对燃料供给电极的膜的整个表面的多孔导电材料，例如织物石墨、石墨化板或碳纸形成。每个电极担载细碎的催化剂颗粒以促进阳极上的氢和阴极上的氧的离子化。质子通过离子传导聚合物膜从阳极流到阴极，在阴极与氧离子结合形成水，并从电池中排出。导电板带走阳极上形成的电子。典型的燃料电池在美国专利5,272,017和美国专利5,316,871(Swathirajan等)中有描述。

现在，PEM燃料电池的现有技术是使用全氟化离聚物例如DuPont’sNafion制造的膜。离聚物担载有用于通过膜从阳极到阴极传导质子的可离子化侧基(例如磺酸基团)。但是产生在电池内部的不希望的氧化反应从聚合物膜中释放氟化物阴离子。并且氟化物阴离子促进了金属导电板和催化剂颗粒的腐蚀。这种损坏干扰膜的功能并缩短燃料电池的工作寿命。

发明内容

根据本发明对燃料电池改性使其包含掩蔽剂以捕获和容纳电池内产生的氟化物阴离子来限制或延迟氟化物阴离子与电池内部金属表面的反应。掩蔽剂适当的基团的实例是氮杂冠化合物。

其中全部或大部分氧原子被氮原子取代的冠醚称为氮杂冠(aza-crown)。适当的氮杂冠实例是1，4，7，10-环氮杂十二烷。像冠醚一样，氮杂冠分子是环状结构，但是氮原子大致位于环的内部。在酸性环境中这些氮原子质子化并形成相当于的铵离子冠。这些带正电的离子簇紧密连接到卤化物离子上，如氟化物阴离子上，并将从燃料电池电解质中将它们掩蔽。这会减低自由氟化物离子的浓度，从而将减低基底金属(base metal)导电板或催化剂金属的腐蚀速率。

氮杂冠一般溶于水。因此，为了用作燃料电池中卤化物离子的清除剂，氮杂冠部分优选结合到离聚物上，无论是在它的聚合物骨架上还是作为接枝侧链。这是通过化学侧基连接到聚合物骨架中或沿聚合物链连接的进行的氮杂冠改性适当完成的。可选择地，离子清除剂可以锚固在膜电极组合件中的或邻近膜电极组合件的其他聚合物或非水溶性成分上。因此，锚固的悬垂氮杂冠部分将掩蔽从电解质膜释放到水性环境中的氟化物离子并限制它们促使对内电池腐蚀的有效性。因此，锚固的氮杂冠部分在燃料电池的整个寿命中保持可获得。

在本发明的另一实施方案中，氮杂冠可以以微溶分子形式周期地注入到电池中并随着电池运行产生的水副产物逐步地从电池中清除。

本发明的氟化物清除剂可以与电池中其他不期望的离子或基的清除物结合使用。

从下面优选实施方案的描述中本发明的其他目的和优点将变得更加明显。

附图说明

图1是根据本发明的具有膜电极组合件(MEA)的未组装电化学燃料电池的示意图。

图2是图解示出根据本发明的MEA的截面图解。

图3是图解示出图2中具有石墨板的MEA的图解。

图4是示出图2中阴极侧部分放大视图的图解。

图5是示出质子化1，4，7，10-环氮杂十二烷(CADD)的二维分子冠结构。

图6是氟化物离子F^-毫摩尔mM浓度相对质子化氮杂冠(CADD)mM浓度的曲线图。其中实心的圆形数据点表示溶液中F^-总浓度，实心的菱形数据点表示自由F^-离子浓度，即没有被CADD掩蔽的。

图7是在酸性水溶液中氮杂冠CADD对氟化物离子的掩蔽效率相对质子化氮杂冠mM浓度的曲线图。

具体实施方式

下面对优选实施方案的描述仅仅是示例性质的，并不意在限定本发明、或其应用或使用。