[发明专利]高性能膜电极单元和其在燃料电池中的用途

说明书

本专利申请是申请日为2005年2月20日，发明名称为“高性能膜电极单元和其在燃料电池中的用途”的中国专利申请200580012532.6（对应于PCT国际申请PCT/EP2005/001761）的分案申请。

技术领域

本发明涉及高性能膜电极单元，其可以特别用于所谓的聚合物电解质膜燃料电池中。

背景技术

燃料电池通常包含电解质和由该电解质隔离的两个电极，其中两个电极之一提供有燃料，例如氢气或者甲醇和水的混合物，另一个电极提供有氧化剂，例如氧气或者空气。在所述的方法中，通过得到的燃料氧化产生的化学能直接转变为电能。

所述电解质的一个要求是它可以渗透过氢离子即质子，但是不能渗透过如上所述的燃料。

通常，燃料电池包括若干单电池，所谓的MEUs(膜电极单元)，每个膜电极单元包含电解质和由该电解质隔离的二个电极。

作为燃料电池的电解质，应用固体例如聚合物电解质膜，或者液体例如磷酸。聚合物电解质膜作为燃料电池的电解质最近引起广泛关注。

含有碱性聚合物和强酸络合物的聚合物电解质膜例如公开于WO96/13872中。为制备这些聚合物电解质膜，用强酸例如磷酸处理碱性的聚合物例如聚苯并咪唑。

而且，同样已知一种燃料电池，其燃料电池膜包括用磷酸饱和的无机载体材料例如玻璃纤维织物或者玻璃纤维面网，例如公开于US-A-4,017,664。

在现有技术已知的碱性聚合物膜中，通常继形成聚唑膜之后加入使用的无机酸(大多数为浓磷酸)-以实现需要的质子电导率。这样做，作为电解质载体的聚合物由高浓磷酸组成。在该方法中，所述聚合物膜可以实现另外重要的功能，特别是，它必须显示高的机械稳定性，并作为在开头提到的两种燃料的隔离物。

这样用磷酸掺杂的膜的重要优点是存在如下的事实：在其中使用这样的聚合物电解质膜的燃料电池可以在大于100℃的温度下运行，而无需进行其他情况下的燃料的增湿作用。这应归于磷酸能够输送质子而不需要经由所谓的Grotthus机理额外补水的性能(K.-D.Kreuer,Chem.Mater.1996,8,610-641)。

所述燃料电池体系另外的优点可以通过在大于100℃温度下运行得以实现。一方面，Pt催化剂对气体杂质特别是CO的敏感性显著地减少。CO作为副产品在重整含碳化合物例如天然气，甲醇或者汽油中的富氢气体时形成，或者也作为甲醇直接氧化的中间产物。通常，所述燃料的CO含量在温度＜100℃时必须低于100ppm。然而，在150-200℃的温度下，10,000ppm的CO或更多也可以耐受(N.J.Bjerrum et.al.,Journal of Applied Electrochemistry,2001,31,773-779)。这导致上游重整过程的极大简化，并因此减少整个燃料电池系统的成本。

用这类膜生产的膜电极单元的输出公开于WO01/18894和Electrochimica Acta,Volume41,1996,193-197中，以铂负载量为0.5mg/cm²(阳极)和2mg/cm²(阴极)的总计小于0.2A/cm²，电压为0.6V。当使用空气代替氧，该值下降到小于0.1A/cm²。

燃料电池重要的优点在于：在电化学反应中，燃料的能量直接转变为电能和热。在该方法中，在阴极水作为反应产物形成。在电化学反应中，热量同样作为副产品产生。在仅利用动力运行的电动机的应用中，例如机动车的应用，或者作为电池系统的多用途代替品，在反应中产生的部分热量必须消散以防止系统过热。然后需要冷却进一步减少燃料电池总的电效率的另外的耗能器件。在固定的应用中，例如用于集中或者分散的发电和产热，通过现有技术例如热交换器可以有效利用热量。这样做，高温的目的用于增加效率。如果工作温度高于100℃，且环境温度和工作温度之间的温差很高，与必须在小于100℃运行的燃料电池相比，由于所述膜的增湿作用，更有效地冷却所述燃料电池系统是可能的，例如使用更小的冷却面，并无需另外的设备。

以上提出的膜电极单元已经显示出良好的特性，然而，已知的膜电极单元的性能，例如在高电压下的电流密度必须进一步改进。

本发明另外的目的是提供一种表现高性能的膜电极单元，特别是在宽的温度范围内分别具有高电流密度，或者在高电压下具有高电流密度。

另外，根据本发明的膜电极单元必须显示高的耐用性，特别是在需要大功率密度下长的使用寿命。