[發明專利]用于高分子膜燃料電池的濕潤裝置

無效

• 申請號: 00807647.2
• 申請日: 2000-05-17
• 公開（公告）號: CN1351769A
• 公開（公告）日: 2002-05-29
• 發明（設計）人: 加布里勒·馬祖奇利;瑪斯莫·布拉姆比拉;加恩·P·弗里巴;安東尼奧·馬吉奧
• 申請（專利權）人: 紐韋拉燃料電池歐洲有限責任公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所
• 代理人: 李德山

本發明涉及一種燃料電池，更準確地說涉及一種使用高分子膜作為電解質的燃料電池。

燃料電池是直流電形式的電能的電化學發電機(electrochemicalgenerator)，也就是說，它們將燃料(例如或者含有氫或者含有如甲醇或乙醇這類輕質醇的氣態混合物)和氧化劑(例如空氣或氧)反應的自由能進行轉換而不將它完全降解為熱能，因此不受Carnot循環的限制。為了完成所需的化學能對電能的轉換，燃料在電池的陽極被氧化，同時釋放出電子和H⁺離子；而氧化劑則在陰極被還原，在那里H⁺離子被消耗；該發電機的兩個極必須由合適的電解質隔離開，以允許H⁺離子連續從陽極流到陰極，與此同時阻止電子從一極轉移到另一極，從而使它們的電位差達到最大。這個電位差事實上表示過程本身的推動力。燃料電池被認為是產生電力的常規系統的優異替代者，尤其是從極其有利的環境影響的觀點來看(沒有污染排放和噪聲)，作為唯一的副產品而形成的只有水)，它們既用于各種規模的靜止電力生產領域(發電站、備用發電機等)同時也用于移動應用領域(電動車應用、汽車能量生產或空間、潛艇及海軍應用的輔助能源)。

高分子膜燃料電池比起其它燃料電池將提供更多的優點，這是因為它們的快速起動和迅速達到最優運行條件，高的功率密度，與既缺少運動部件又沒有腐蝕現象和嚴峻的熱力循環相聯系的內在的可靠性；事實上，在所有已有技術的燃料電池中，聚合物電解質的燃料電池表現出總體上最低的工作溫度(通常為70-100℃)。

為此目的使用的高分子電解質是一種離子交換膜，更準確地說是一種陽離子交換膜，這是一種化學上惰性的聚合物主鏈，部分地以官能團作了改性使其能夠進行酸堿水解而導致電荷的分離；這種水解更準確地說包括釋放正離子(陽離子)和在聚合物主鏈上形成固定的負電荷。多孔的電極加在膜的表面上，它允許反應劑在那里穿過并到達膜的界面。在電極及/或在膜一側的這樣的界面上施加催化劑，例如鉑黑，它增加了燃料氧化或氧化劑還原的相應的半反應速率。這種安排當在膜的兩個表面之間建立起電位梯度且外部的電路同時被閉合時還提供陽離子的連續流動；在這種情況下轉移的陽離子是H⁺離子，如前面所述那樣，在把具有較低電化學電位的物質送到陽極和把具有較高電化學電位的物質送到陰極所產生的電位差在外電路閉合時就立即建立起跨越膜的質子傳導和跨越該外電路的電子流(即電流)。

質子傳導是燃料電池工作的一個主要條件，并且是評估其效率的決定性參數之一。不充分的質子傳導在電路與利用所產生的電力輸出的外電阻負載接通時就引起燃料電池電極上的電位差的顯著下降。這又引起熱能反應中能量的加大的降解，因而導致燃料的轉化效率的降低。

若干種表現最優質子傳導特性的陽離子交換膜在市場上是可以得到的，并廣泛用于工業化的燃料電池中，例如美國Dupont?de?Nemours生產的商標名為Nafion^、美國Gore的Gore?Select^，日本的Asahi?ChemicalsAciplex^等產品。所有這些膜都由于與它們的工作機理相關聯的內在過程限制而受到負面的影響：使得質子傳導成為可能的是由于水解作用所建立的電荷分離，因此這些膜只有在具有液態水時才能發揮它們的導電性。雖然水的生成是燃料電池工作的內在后果，但它的程度幾乎總是不足以維持膜所需要的水合狀態，尤其是工作在足夠高的電流密度下。

在高電流密度下的運行涉及在給定的功率輸出下降低投資成本，但是也會降低能量效率同時還產生更大量的熱。工作在實際使用的電流密度(例如150和1500mA/cm²之間)的燃料電池中所產生的大量的熱必須被有效地排出，以允許該系統熱力調整，不僅是出于離子交換膜的有限的熱穩定性的觀點，它們通常不適于工作在100℃以上，而且也是為了盡可能限制產生的水的蒸發和隨后因惰性成份和未轉換的反應劑從電池內排放而引起的水的排出。此外，由于單個燃料電池的電壓對于允許實際應用而言太低，所以這些電池通常是通過雙極連接在電氣上串聯，并按壓濾器結構組裝而讓反應劑并行饋入，如美國專利3,012,086中所說明的。在這樣的燃料電池組結構中，即通常所述的堆中，排走熱量的問題相對于單個電池的情況更加強化了，因為對于單個電池來說有可能利用通過外壁的熱對流。