专利名称：使用水合的非全氟化碳氢化合物离子交换膜的燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及非全氟化碳氢化合物离子交换膜在燃料电池中的应用，其中所 述离子交换膜通过一个或多个多孔、亲水、水传输性反应物气体流场板而基本 100。/。7jC合，该流场板确保水合同时防止溢流，还涉及与其结合的铂和铂合^M 料电池催化剂。
背景技术：
因为紧凑和能够提供高电流密度而引起注意的燃料电池是固态聚合物电
解质燃料电池。上述电池通常也被称为"质子交换膜"(PEM)燃料电池。离子 交换膜，是固态聚合物电解质，最普遍地包含全氟化碳氢化合物离聚物，例如 Dupont以商标NAFIO,销售的。
然而，这些膜价格昂贵，并且由于过氧化物的形成和其后来由于氧气溶解 而产生的分解产物从而易于分解。另外，这些膜允许一些氢气跨过到达阴极， 这对燃料电池的效率带来负面作用。这在低功率操作过程(在车辆应用中经常 见到)中的低反应物流速下是特别重要的，因为氢气l tail率(crossoverrate) 不随^^然料^3I的变化而变化，因此M;更大百分比的燃料消费。
PEM燃料电池堆可以使用包含量级为10ppm到100ppm的一氧化碳的富氢 重整气体(合成气)做燃料。 一氧化碳的一部分附在阳极催化剂的铂上，抑制 铂催化齐啦点氧化氢气的能九腿而斷氐燃料电池性能。掛钌合金用作阳极 催化剂的使用提高了在典型PEM燃料电池操作纟显度下对一氧化碳的容许量。然 而，这种提高的性能是短期的，因为在阳极中的钌不稳定并趋向于迁移通过膜 直到它沉淀到阴l肚。在阴*肚的钌抑制阴极反应，导致燃料电池鹏g的降低。
发明内容
本发明的方面包括用于燃料电池的更低成本的质子効奂膜；用于带有改
进的耐久性和改进的一氧化碳容许量的燃料电池的质子交换膜；以及用于不需
4要难于控制的昂贵功率部件的燃料电池的低成本、高耐久性的质子交换膜。
本发明部分基于实现如下认恥包含不贵的和耐久的非全氟化 化合物 离聚物膜的燃料电池电解质由于在未完全水合时差的质子传导性而不能令人满 意，及其其通过反应物气体的外部加湿而产生的水合需要额外的水体积和难于 控制的昂贵的额外的设备。本发明还基于如下发现非全氟化的碳氢化合物离 聚物膜在用液态水水合时比用气态水水合时提供更好的燃料电池性能。本发明 部分基于如下认识M31入口反应物气流提供水来给膜加湿的普通水合方法需 要昂贵的、难以控制的复^体加湿及水管理系统。
本发明认识到，在燃料电池中形成并侵袭非全氟化膜的过氧化物自由基的 浓度可以通过在多孔亲水性反应物气体流场板中的水来降低(当所述水流过冷 却剂通道到水出口时)。
本发明还基于对如下事实的认识非全氟化的碳氢化合物离聚物膜可以比 全氟化的碳氢化合物离聚物膜具有少的钌溶解度，和能够比全氟化膜在性能不 损失的情况下操作更长时间，从而有利于改善fl/钌合金阳极催化剂的性能。
根据本发明，用作燃料电池电解质的非全氟化的碳氢化合物离聚物膜用液 态水水合。
依照本发明，燃料电池使用非全氟化的碳氢化合物离聚物膜与一个或多个 多孔亲水性7jC传输反应物气体流场板的组合，，所述流场板被设计为确保膜的充 分润湿而在所述膜的各面上没有电极的溢流，也没有进入的反应物气体的外部 加湿。
根据本发明，非全氟化的碳氢化合物离聚物膜可以夹在亲水性阳极气体扩 散层(任选地具有薄的子层)和相似的阴极气体扩散层之间。
本发明获得包含与水传输反应物气体流场板结合的碳氢化合物膜的耐久
的燃料电池包(ftiel cell package)。
本发明导致无需外部增湿性反应物和伴随的昂贵的、难于保持合适操作平 衡的功率部件，而获得非全氟化的碳氢化合物离聚物膜的足够性能(质子传导 率)。
由于7]C合变化，碳氢化合物膜比非全氟化的离聚物膜膨胀和收缩到更大的 程度，这进而可以导致由于机械应力的失效。所述多孔亲水性7]C传输反应物气 体流场板和多孔气体扩散层的改善的湿度控制，确保整个碳氢化合物膜的更完全、更稳定的水合，这增加尺寸稳定性 少机械应力。
本发明应用低反应物溶解性的优点来提高被潮湿的非全氟化碳氢化合物离聚物膜在燃料电池中的耐久性，来获得耐久性的、低成本的PEM燃料电池。本发明ifiM降低氢气扩iliI率(crossoverrate)提高了燃料电池效率，特别在低功率运行下的燃料电池效率。
根据本发明，PEM燃料电池中的非全氟化的碳氢化合物离聚物膜允许使用比與虫铀具有更好性能的铀/钌合金催化剂，而没有耐久性的M^、。
如附图所示，根据下面对本发明的示例性实施方案的详细描述，本发明的其它方面、特征和优点将更加明显。
图1为使用本发明的燃料电池的侧视剖面图，为了清楚而忽略了剖面线。
图2为图1的燃料电池的进一步详细的部分^l军图。
图3为(a)具有非全氟化碳氢化合物离聚物膜和固态反应物流场板的燃料电池(消耗在夕卜部湿润的反应物)和(b)根据本发明具有非全氟化的碳氢化合物离聚物膜和液态水传输部件的燃料电池的性能比较图。
具体实施例方式
参照图l，示出了一对燃料电池8、 9的一部分。每^M料电池具有成套的电极组件12、多孔亲水的燃料反应物气体流场板13和多孔亲水的氧化剂反应物气体流场板14。燃料反应物气体流场板13包含燃料流动通道17和凹槽18，其与氧化剂反应物气体流场板14中的凹槽19 一起形成通道20，所i^il道20用于7JC合所述膜的液态水和用于从阴极去除产物水。氧化剂反应物气体流场板14有氧化剂反应物气#^场通道23 。
通道20可以为大横截面，足够传送足够的水以ffi)l将显热(sensibleheat)传输给水来对流^4卩燃料电池。这可以通过冷却剂泵、热交换器和控件来实现，或者这可以在没有水泵、依靠对流或其它被动水循环的被动系统中实现。另一方面，所述通道可以为小横截面，仅传送足以水合J燃料电池堆中的膜的水，所述燃料电池堆具有散布于其中的分离的冷却板，其通常使用降低冰点的混合物，例如二醇。小通道可以应用在蒸发式冷却系统中，仅传送足够防止阴极溢流、提供膜水合和替代蒸发的水的水。本发明可以应用在所有上述类型的系统中。
参照图2， ^成套电极组件12包含非全氟化的碳氢化合物离聚物膜26，所述膜26上面具有阳极催化剂27和阴极催化剂28并且夹在一对子层29、 30之间，每个子层被相应的气体扩散层31、 32支撑。膜26不是全氟化的，故较便宜，潜在的更耐久，和支撑各种钼和鉑合金用作阳极催化剂。
根据本发明，在通道20中流动的液态7jC通过阳极反应物气体流场板13和阴极反应物气体流场板14两者来7K合所述膜。流场板13、 14的孔隙率、孔的大小和、在反应物气体和通道20中的7jC之间确定的压差都能被选择从而保证反应物气体和水都到达在成套电极组件12中的膜26。通过气体扩散层31、 32和双层29、 30的液态水的流动能够如专利公开US2004-0106034描述的方式被控制；在冷却齐御水之间的压差在该专利公开和在专利US5700595中被描述。
参照图3，使用非全氟化的碳氢化合物离聚物膜和固态反应物气体流场板的燃料电池的性能123被绘图。在导致性能图123的操作中，反应物(基本纯的氢气和空气)，在65摄氏度在外部用水饱和，相对湿度为100%。可以看出在电流密度为1000毫安/平方厘米处电压陶氐到大约0.56伏。另一方面，本发明的使用非全氟化的碳氢化合物离聚物膜和多孔亲水的7K传输反应物气体流场板13、 14以及多孑L气体扩散层31、 32的燃料电池的操作，其导致性能曲线124，利用了 65摄氏度糊離湿的反应物气体。很明显使用本发明的燃料电池的电压保持高于大约0.67伏。
性能曲线123、 124都是使用铂阳极催化剂取得的。
子层29、 30，尤其是阳极子层29，可以做成可润湿的(亲水的)，或者部分可润湿的，从而允许水通过以水合非全氟化膜26的阳极面。或者所舰层可以部分疏水的或亲水的(不可润湿的)并依靠湿气气相传输到膜。然而，在这种情况中，水仍然以液相通过该多孔亲水性水传输反应物气体流场板被提供给每一个燃料电池。调整所述双层的可润湿性可以用现有技术中已知的多种方法完成； 一种方法在前述专利公开第0053和0055段(在那里称作"扩散层")中描述。如果需要，子层29可以从阳极侧省略，和如果需要，子层30可以从阴
^n果需要，本发明可以用一个固态反应物气体流场板(伏选在阴极侧)和一个多孔的亲水性7jC传输反应物气体流场板(优选在阳极侧)来实施。
7传统的脱离子剂(有时称为"脱矿物质剂")可以被用来除去冷却剂水中的过氧化物自由基。
权利要求
1、燃料电池(8，9)，其特征在于非全氟化的碳氢化合物离聚物膜(26)，在所述膜的相对表面上设置有阳极催化剂(27)和阴极催化剂(28)，在所述催化剂每一的附近设置有多孔气体扩散层(31、32)；第一多孔的亲水性水传输反应物气体流场板(13、14)，邻近所述气体扩散层(31、32)之一；以及第二反应物气体流场板(14、13)，邻近所述气体扩散层(32、31)的另一个。
2、 如权利要求1所述的燃料电池(89)，进一步特征在于 所述气体扩散层(31、 32)是亲水性的。
3、 如权禾腰求1所述的燃料电池(8， 9)，进一步特征在于子层(29、 30)，位于至少一个所述催化剂(27、 28)和相应的一个所述流 场板(13、 14)之间。
4、 如权利要求1所述的燃料电池(8， 9)，进一步特征在于 所述第二反应物气体流场板(14、 13)为多孔的亲水性水传输反应物气体流场板。
5、 如权利要求1所述的燃料电池(8， 9)，进一步特征在于 所述第二反应物气体流场板(14、 13)为固态反应物气体流场板。
6、 如权利要求1所述的燃料电池(8， 9)，进一步特征在于 至少一个所述催化剂(27、 28)包含铂合金。
7、 如权利要求1所述的燃料电池(8， 9)，进一步特征在于 至少一个所述催化剂(27、 28)包含钼/钌合金。
8、 如权利要求1所述的燃料电池(8， 9)，进一步特征在于 所述阳极催化剂(27)包含掛钌合金。
9、 燃料电池膜(26)，其特征在于所述膜包含非全氟化的碳氢化合物离聚物膜(26)，所述离聚物膜用以液相 提供(13、 14、 20、 31、 32)给所述膜的水完全水合。
10、 具有非全氟化的碳氢化合物离聚物膜(26)的燃料电池(8， 9)的操作方法，其特征在于用以液相提供(20)给所述燃料电池的水完全水合(13、 14、 31、 32)所 述膜(26)。
11、 如权禾腰求10所述的方法，进一步特征在于用以液相提供(13、 14、 20、 31、 32)给所述膜的水完全水合(13、 14、 31、 32)所述膜(26)。
12、 燃料电池(8， 9)，包括 非全氟化的碳氢化合物离聚物膜(26);其特征在于用于用以液相提供(20)给所述燃料电池的7jC完全7K合所述膜的装置(13、 14、 31、 32)。
13、 如权利要求12所述的燃料电池(8， 9)，进一步特征在于 用于用以液相提供(13、 14、 20、 31、 32)给所述膜(26)的水来完全水合所述膜的装置(13、 14、 31、 32)。
全文摘要
燃料电池(9)包括成套电极组件(12)，所述成套电极组件(12)具有在其相对面上设置阳极和阴极催化剂(27、28)的非全氟化的碳氢化合物离聚物交换膜(26)。接近所述催化剂，各自任选的子层(29、30)可以用相应的气体扩散层(31、32)来支撑，具有邻近的多孔亲水性水传输反应物气体流场板(13，14)，所述气体流场板含有各自的燃料(17)和氧化物(23)反应物气体流场通道。水通道(18、19、20)水合膜(26)，清除阴极(28、30、32)的产物水、冲洗过氧化物自由基，和也可以冷却燃料电池。改进的性能(124)(在更高电流密度下更高电压)与源自全氟化膜的氧溶解度的过氧化物分解产物的降解倾向的排除一起取得。铂/钌合金阳极催化剂改善了性能，同时没有全氟化膜时产生的降解。
文档编号H01M4/86GK101473470SQ200680054760
公开日2009年7月1日 申请日期2006年5月30日 优先权日2006年5月30日
发明者L·V·普罗特塞洛, R·M·达林, S·M·古普塔 申请人:Utc电力公司