[發明專利]高溫膜燃料電池電解質,HTM－燃料電池操作法和HTM－燃料電池組

無效

• 申請號: 00805685.4
• 申請日: 2000-03-03
• 公開（公告）號: CN1345471A
• 公開（公告）日: 2002-04-17
• 發明（設計）人: 阿明·達茨;烏爾里克·格布哈特;曼弗雷德·韋達斯
• 申請（專利權）人: 西門子公司
• 主分類號: H01M8/08
• 分類號: H01M8/08
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所
• 代理人: 范明娥

本發明涉及一種高溫膜(HTM)燃料電池電解質，HTM-燃料電池和燃料電池組的操作方法。

大家知道，聚合物-電解質-膜-燃料電池是以堿性聚合物作為電解質，它有賴于[-SO₃H]基。就此而言，電解質的傳導發生在水化質子。這種膜需要相應的液態的水，也就是說，在正常壓力下操作溫度低于100℃時可以保證質子的傳導性。由此產生的問題是超過大約65℃的溫度下流入過程的氣體必須是濕潤的。

有一種限制提高操作溫度的出發點，就是在含有[-SO₃H]基的膜上采用另一種膜(但也可以用離子交換膜處理)和/或一種有游離的和/或物理的和/或化學相結合的磷酸的基質作為燃料電池的電解質。這種燃料電池稱為高溫膜燃料電池。但在實施帶有游離磷酸的膜燃料電池時，溫度低于50℃，也就是在燃料電池設備起動之時，至少會出現一個問題，就是磷酸在42℃以下要析出結晶。在液態下，磷酸電解質的阻抗極小，所以電池的自供高溫是可能的，而在電解質中有結晶的磷酸存在時，阻抗突然升高，以致使電池組的起動沒有其他措施就會失靈。當燃料電池在起動/終止操作時，如移動電話使用時，這是一個重要問題。

因此，本發明的任務是提供一種高溫膜(HTM)燃料電池電解質，它含有磷酸，并在常溫環境下也能起動。此外，本發明的任務是提供一種可操作含有磷酸的電解質的HTM-燃料電池，使燃料電池可以在溫度低于40℃自供高溫。最后本發明的任務是提供一種含有磷酸的電解質的高溫膜電池組，促使電解質中的磷酸的凝固點下降。

本發明的主題是一種含有磷酸的HTM-燃料電池電解質，借此在磷酸內至少加一定量的水作為添加劑，這樣可以調節磷酸凝固點的下降。

此外，本發明的主題是一種HTM-燃料電池的操作方法，其中在電解質所含的磷酸中至少加水以作為添加劑，它的作用是使電解質中的磷酸的凝固點下降。

最后本發明的主題是一種HTM-燃料電池組，電池組包含至少一個燃料電池單元，該燃料電池單元在電解質中含有降低凝固點的磷酸。

任何燃料電池都可以作為高溫膜燃料電池，通常它含有一個電解質膜和/或一個作為基質的膜在物理和/或化學上采用電解質作為核心塊，其操作溫度高于慣常的PEM(光電磁效應)的燃料電池，也就是說高于80℃，優選的高于100℃。最高的操作溫度約在220℃。HTM燃料電池有一種電解質，在非水界質中，在上述溫度下具有良好的傳導性。

根據本發明的一個有利方案，是添加水，加水量為20～80％(重量)，優先為30～60％(重量)，特別優先為40～57％(重量)。在操作時，水毫無保留地蒸發掉。

根據本方法的有利方案，在燃料電池組冷卻時，如果電解質的溫度在100℃和45℃之間，則給電解質添加定量的水，通過選擇操作參數進行調節和/或利用鉑催化劑在電池中生產出水并調節到適當的稀釋。

利用鉑催化劑產生水是定量供給陽極以空氣和/或陰極以氫，從而催化劑作為催化劑燃燒器控制兩種氣體，使之重新組合，同時產生水，因此產物水當溫度低于100℃時不再是通過陰極排氣被排出的氣體，而是稀釋電解質。

為了控制水和/或添加劑的添加，應當對例如電池的電阻進行監視。依靠環境溫度，例如季節溫度，就能達到凝固點下降的目的，如考慮到相圖，則H₃PO₄/H₂O是可以調節的。為了調節凝固點的下降，可按照實施方式，使控制儀器至少預先輸入下列數據：所要求的凝固點、電池內的瞬時電解質阻抗和溫度。然后控制儀器就能調節(輸出)在電解質內所加的水量和/或持續的時間(必需時間接向陽極供氧化劑的量和/或向陰極供燃料的量)。

HTM燃料電池的電解質含有磷酸，其正常凝固點為42℃，通過添加至少一種添加劑，使凝固點降低到這樣的溫度，就象在移動電話中應用燃料電池所要求的那樣，使燃料電池進行起動/停止的操作。