[发明专利]高温膜燃料电池电解质,HTM－燃料电池操作法和HTM－燃料电池组

说明书

本发明涉及一种高温膜(HTM)燃料电池电解质，HTM-燃料电池和燃料电池组的操作方法。

大家知道，聚合物-电解质-膜-燃料电池是以碱性聚合物作为电解质，它有赖于[-SO₃H]基。就此而言，电解质的传导发生在水化质子。这种膜需要相应的液态的水，也就是说，在正常压力下操作温度低于100℃时可以保证质子的传导性。由此产生的问题是超过大约65℃的温度下流入过程的气体必须是湿润的。

有一种限制提高操作温度的出发点，就是在含有[-SO₃H]基的膜上采用另一种膜(但也可以用离子交换膜处理)和/或一种有游离的和/或物理的和/或化学相结合的磷酸的基质作为燃料电池的电解质。这种燃料电池称为高温膜燃料电池。但在实施带有游离磷酸的膜燃料电池时，温度低于50℃，也就是在燃料电池设备起动之时，至少会出现一个问题，就是磷酸在42℃以下要析出结晶。在液态下，磷酸电解质的阻抗极小，所以电池的自供高温是可能的，而在电解质中有结晶的磷酸存在时，阻抗突然升高，以致使电池组的起动没有其他措施就会失灵。当燃料电池在起动/终止操作时，如移动电话使用时，这是一个重要问题。

因此，本发明的任务是提供一种高温膜(HTM)燃料电池电解质，它含有磷酸，并在常温环境下也能起动。此外，本发明的任务是提供一种可操作含有磷酸的电解质的HTM-燃料电池，使燃料电池可以在温度低于40℃自供高温。最后本发明的任务是提供一种含有磷酸的电解质的高温膜电池组，促使电解质中的磷酸的凝固点下降。

本发明的主题是一种含有磷酸的HTM-燃料电池电解质，借此在磷酸内至少加一定量的水作为添加剂，这样可以调节磷酸凝固点的下降。

此外，本发明的主题是一种HTM-燃料电池的操作方法，其中在电解质所含的磷酸中至少加水以作为添加剂，它的作用是使电解质中的磷酸的凝固点下降。

最后本发明的主题是一种HTM-燃料电池组，电池组包含至少一个燃料电池单元，该燃料电池单元在电解质中含有降低凝固点的磷酸。

任何燃料电池都可以作为高温膜燃料电池，通常它含有一个电解质膜和/或一个作为基质的膜在物理和/或化学上采用电解质作为核心块，其操作温度高于惯常的PEM(光电磁效应)的燃料电池，也就是说高于80℃，优选的高于100℃。最高的操作温度约在220℃。HTM燃料电池有一种电解质，在非水界质中，在上述温度下具有良好的传导性。

根据本发明的一个有利方案，是添加水，加水量为20～80％(重量)，优先为30～60％(重量)，特别优先为40～57％(重量)。在操作时，水毫无保留地蒸发掉。

根据本方法的有利方案，在燃料电池组冷却时，如果电解质的温度在100℃和45℃之间，则给电解质添加定量的水，通过选择操作参数进行调节和/或利用铂催化剂在电池中生产出水并调节到适当的稀释。

利用铂催化剂产生水是定量供给阳极以空气和/或阴极以氢，从而催化剂作为催化剂燃烧器控制两种气体，使之重新组合，同时产生水，因此产物水当温度低于100℃时不再是通过阴极排气被排出的气体，而是稀释电解质。

为了控制水和/或添加剂的添加，应当对例如电池的电阻进行监视。依靠环境温度，例如季节温度，就能达到凝固点下降的目的，如考虑到相图，则H₃PO₄/H₂O是可以调节的。为了调节凝固点的下降，可按照实施方式，使控制仪器至少预先输入下列数据：所要求的凝固点、电池内的瞬时电解质阻抗和温度。然后控制仪器就能调节(输出)在电解质内所加的水量和/或持续的时间(必需时间接向阳极供氧化剂的量和/或向阴极供燃料的量)。

HTM燃料电池的电解质含有磷酸，其正常凝固点为42℃，通过添加至少一种添加剂，使凝固点降低到这样的温度，就象在移动电话中应用燃料电池所要求的那样，使燃料电池进行起动/停止的操作。