[發明專利]具有用于改善耐久性的優化操作的局部工程化的PEM電池部件

有效

• 申請號: 201780094054.0
• 申請日: 2017-06-19
• 公開（公告）號: CN110998936B
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發明（設計）人: A·卡薩萊諾;C·拉比西;L·格拉爾-曼德森
• 申請（專利權）人: 米蘭綜合工科大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;C25B9/23;H01M8/023;H01M8/0432;H01M8/0438;H01M8/04492;H01M8/1018
• 代理公司: 北京市中倫律師事務所 11410
• 代理人: 楊黎峰;王麗

本文公開了具有延長的壽命、改善的性能以及均勻且穩定的操作的PEM燃料或電解電池，其中膜電極組件(2)具有與在其操作期間對該電池的一個或多個控制參數的修改結合的一個或多個屬性的梯度。

技術領域

本發明涉及持久的PEM燃料或電解電池。

背景技術

燃料電池是將燃料的化學能直接轉換為直流(DC)電的電化學能轉換器。

燃料電池具有電解質以及負電極和正電極，并且其通過電化學反應生成DC電。

燃料電池具有反應物和氧化劑。燃料電池的典型反應物為氫和氧；然而，兩者均不必為其純形式。氫可以存在于具有他氣體(諸如CO₂、N₂和CO)的混合物中，或者存在于諸如天然氣、CH₄的碳氫化合物中，或者甚至存在于諸如甲醇、CH₃OH的液態碳氫化合物中。環境空氣包含足夠的氧以用在燃料電池中。

燃料電池生成熱和水作為廢棄物。

聚合物電解質膜或質子交換膜燃料電池(PEMFC)使用薄(50μm)質子導電聚合物膜(諸如全氟磺酸聚合物，下文也被稱為離聚物)作為電解質。催化劑通常為負載在碳上的載量約為0.3mg/cm²的鉑或其合金，如果氫氣供給包含微量CO，則使用Pt-Ru合金。操作溫度通常介于60℃和80℃之間。電池表面上的平均溫度值和溫度分布由合適的冷卻系統控制，該冷卻系統通常基于由惰性非導電液體冷卻劑供給的冷卻回路。被堆疊組裝以達到需求電力的PEM燃料電池是針對機動車應用以及小規模分布式固定發電和針對便攜式電力應用的重要候選者。

直接甲醇燃料電池(DMFC)基本上是使用液體甲醇-水混合物替代氫作為燃料的聚合物膜燃料電池。

在PEM燃料電池的核心處是聚合物膜，該聚合物膜具有不透氣但是能選擇性地傳導質子的一些獨特的能力。用作電解質的膜被擠壓在兩個多孔導電電極之間，每個電極由通常包括負載在碳和離聚物上的催化劑納米粒子的催化劑層和通常由碳布或碳紙制成的氣體擴散層組成。電化學反應發生在催化劑的表面上。供給在膜的一側上的氫被氧化成其主要成分質子和電子。質子遷移穿過膜，而電子遷移穿過導電電極、穿過集電器并且穿過外部回路而到達膜的相反側。此處，在催化劑位置處，它們最終與穿過膜的質子以及供給在膜的這一側上的氧反應。在電化學氧還原反應中生成水，然后用氮和剩余氧的氣流將水從電池中推出。

這些同時反應的凈結果是穿過外部回路的電子的直流，該直流表示燃料電池的有用工作。

PEM電解質或電解電池是非常相似于PEM燃料電池的設備，由相同部件構成，這些部件中的一些由不同的材料制成，其中操作是反向的：供應電能至設備，供應水并且分解成分別通過氫釋放和氧釋放的電化學反應產生的氫和氧。常規地，陽極電極和陰極電極被限定為分別發生氧化反應和還原反應的電極。

因此，在PEM燃料電池中，在氫側的負電極是陽極，而在燃料電池的氧側的正電極是陰極。

相反，在PEM電解電池中，在氫側的負電極為陰極，而在電解電池的氧側的正電極為陽極。

稍后使用術語PEM電池來指代PEM燃料電池和PEM電解電池兩者。

已知由PEM電池所提供的性能在電池有源表面上是不均勻分布的；此類不均勻分布趨于在電池操作期間進化，一般根據電流密度確定最有源域的收縮，增加局部操作條件的不均勻性。這一現象確定了在操作工作和操作條件下的強烈局部差異，這些差異在長期操作中累積，導致部件的局部不均勻老化：部件的最受應力區域將更早老化，從而限制整個設備的壽命。

在電池有源區域上的電流密度分布是諸如分布器的幾何形狀、反應物和產物兩者的分壓及其交叉、水存在和部件隨后的水合狀態、局部溫度的若干性能驅動參數之間復雜相互作用的結果，該若干性能驅動參數決定了在操作條件下的局部不均勻性。