[发明专利]改进的膜电极单元和具有长使用寿命的燃料电池

说明书

本发明涉及改进的膜电极单元和具有长使用寿命的燃料电池，其具有两个由聚合物电解质膜隔开的电化学活性电极。

现今，作为聚合物电解质膜(PEM)燃料电池中的质子传导膜，磺酸改性的聚合物几乎是唯一使用的。在此，主要使用全氟聚合物。来自DuPont de Nemours，Willmington，USA的Nation^TM是其中突出的实例。为了传导质子，在该膜中需要相对较高的水含量，其含量通常为4～20分子水/磺酸基团。不仅所需的水含量，而且该聚合物在酸性水和反应气体氢气和氧气中的稳定性，将该PEM燃料电池组的操作温度限制在80～100℃。在不降低该燃料电池性能的情况下，不可能实现更高的操作温度。在高于特定压力水平下水的露点的温度下，该膜会完全干燥，且随着膜的电阻增大到很高的值以致于不再产生明显的电流时，该燃料电池不会再提供电力。

例如在US5,464,700中描述了基于上述提出的技术的具有集成垫片的膜电极单元。其中，在该膜电极单元的外部区域中，在没有被电极覆盖的膜的表面上设有由弹性体制成的薄膜，所述电极同时作为双极板和外部空间的垫片。

通过使用这种方法，可以实现对非常昂贵的膜材料的节约。通过使用这种结构可以实现的其他优点涉及到膜污染的问题。US5,464,700中没有说明对长期稳定性的改进。这也是由于非常低的操作温度所致。在US5,464,700中提出的发明描述中，指出电池的操作温度被限制到高达80℃的温度。弹性体通常也仅适用于高达100℃的长期使用温度。用弹性体不可能达到更高的操作温度。因此，该文献所述的方法不适用于具有高于100℃的操作温度的燃料电池。

然而，由于系统的特定原因，在燃料电池中需要高于100℃的操作温度。在较高的操作温度下，在膜电极单元(MEU)中所含的基于贵金属的催化剂的活性会显著提高。

特别是在使用所谓的烃的重整油时，重整装置气体含有相当大量的一氧化碳，通常必须使用精心设计的气体处理或气体纯化方法将其除去。在较高的操作温度下，催化剂对CO杂质的耐受性会增加。

此外，在燃料电池的操作过程中会产生热量。然而，将这些系统冷却至低于80℃会是极复杂的。根据能量输出，可将冷却装置的构造大大简化。这意味着显然可以更好地利用在高于100℃温度下操作的燃料电池系统中的废热，因此可以提高燃料电池系统的效率。

为达到这些温度，通常使用具有新传导机理的膜。实现此的一种方法是使用不利用水就表现出离子传导性的膜。在文献WO96/13872中提出了在这方面第一个有前景的研发。

在该文献中，也描述了用于制备膜电极单元的第一种方法。为此，将两个电极压在膜上，两个电极中的每一个电极仅覆盖该膜的两个主要表面的一部分。将PTFE垫片压在电池中的膜的主要表面的剩余暴露部分上，从而阳极和阴极的气体通道相对于彼此及环境被密封。然而，发现按这种方法制备的膜电极单元仅对于1cm²的极小电池表面积表现出较高的耐久性。如果制备较大的电池，特别是表面积至少为10cm²的电池，那么在高于150℃的温度时下该电池的耐久性被限制为小于100小时。

在文献JP-A-2001-1960982中公开了另一种高温燃料电池。在该文献中，公开了一种具有聚酰亚胺垫片的电极膜单元。然而，这种结构的问题在于需要密封两个膜，在两者之间设置有由聚酰亚胺制成的密封环。由于从技术原因考虑，膜的厚度必须选择地尽可能小，在JP-A-2001-196082中所述的两个膜之间的密封环的厚度受到极大限制。在长期测试中发现，这种结构在超过1000小时周期时同样是不稳定的。

此外，由DE 10235360可知一种膜电极单元，其包含用于密封的聚酰亚胺层。然而，这些层具有均匀的厚度，使得边缘区域比与膜接触的区域更薄。

上述的膜电极单元通常与平面双极板相连，该平面双极板包括用于使气流磨到(mill into)所述板中的通道。由于该膜电极单元的一部分比上述垫片具有更高的厚度，在该膜电极单元和该双极板的垫片之间插入通常由PTFE制成的垫片。

现在发现上述燃料电池的使用寿命受到了限制。

因此，本发明的一个目的是提供改进的MEU和使用其操作的燃料电池，其优选应当具有以下特征：

·  该电池应当在高于100℃温度下的操作过程中具有较长的使用寿命。

·  单个电池在高于100℃的温度下在较长的时段内应当表现出稳定或改进的性能。

·  就此而论，该燃料电池在较长的操作时间后应当具有较高的开路电压以及较低的气体渗透。