[发明专利]生产膜电极单元的方法

说明书

本申请是申请日为2005年7月14日、申请号为200580030958.4的中国国家专利申请的分案申请。

本发明涉及生产膜电极单元的方法，特别是生产那些具有高性能、能特别用于所谓的高分子电解质膜燃料电池中的膜电极单元的方法，所述的高分子电解质膜燃料电池其中将一个或多个质子导电聚合物膜与两个或多个电极压制到一起。

燃料电池通常包含电解质和由电解质分开的二个电极，其中二个电极之一提供有燃料，比如氢气或甲醇和水的混合物，另一个电极提供有氧化剂，比如氧气或空气。在所述过程中，通过由此导致的燃料氧化产生的化学能直接转变为电能。

对所述电解质的一个要求是它可以渗透过氢离子即质子，但是不能渗透过上述的燃料。

通常，燃料电池包括若干个单电池，所谓的MEUs(膜电极单元)，每个膜电极单元包含电解质和和由电解质分开的二个电极。

作为燃料电池的电解质，固体比如高分子电解质膜，或液体比如磷酸是适用的。高分子电解质膜作为燃料电池的电解质最近已经引起广泛关注。

具有碱性聚合物和强酸复合物的高分子电解质膜例如见WO96/13872中。为产生这些，用强酸比如磷酸处理碱性聚合物例如聚苯并咪唑。

而且，同样已知一种燃料电池，其燃料电池膜包括用磷酸饱和的无机载体材料，例如玻璃纤维织物或者玻璃纤维面网，例如公开于US-A-4,017,664。

在现有技术已知的碱性聚合物膜中，使用无机酸(大多数为浓缩磷酸)-以实现需要的质子电导率-通常继形成聚吡咯膜之后加入。这样，作为电解质载体的聚合物由高度浓缩的磷酸组成。在所述方法中，所述聚合物膜进一步满足重要的功能，特别是，它必须显示出高度的机械稳定性，并作为在开头提到的两种燃料的隔板。

这类用磷酸掺杂的膜的重要优点在于如下的事实：其中使用这类高分子电解质膜的燃料电池可以在大于100℃的温度下运行，而无需另外进行燃料的增湿。这应归于磷酸能够输送质子而不需要经由另外的水通过所谓的Grotthus机理的特征(K.-D.Kreuer，Chem.Mater.1996，8，610-641)。

由可在大于100℃的温度下操作，获得燃料电池体系另外的优点。一方面，Pt催化剂对气体杂质特别是CO的敏感性被大幅减少。在转化来自含碳化合物比如天然气，甲醇或汽油的富氢气体过程中，CO作为副产物形成，或在甲醇直接氧化中作为中间产物形成。通常，所述燃料的CO含量在温度＜100℃时必须低于100ppm。然而，在150-200℃的温度下，10,000ppm或更多的CO也可以耐受(N.J.Bjerrum et.al.，Journal of Applied Electrochemistry，2001，31，773-779)。这导致上游转化过程相当大的简化，并因此减少了整个燃料电池系统的成本。

用这样的膜制造的膜电极单元的输出功率描述于WO01/18894和Electrochimica Acta，Volume 41，1996，193-197中，对于0.5mg/cm²(阳极)和2mg/cm²(阴极)的铂负载量和电压为0.6V下，输出功率量小于0.2A/cm²。当使用空气代替氧时，该值下降到小于0.1A/cm²。

燃料电池显著的优点是如下的事实，在电化学反应中，燃料的能量直接转变为电能和热量。在所述过程中，在阴极水作为反应产物形成。在所述电化学反应中热量同样作为副产物产生。在其中仅使用动力用于电动机操作的应用场合中，比如在机动车的应用场合，或作为电池体系的多用途置换，在所述反应中产生的一部分热量必须驱散以防止所述体系过热。那么需要冷却另外的进一步降低燃料电池总电效率的耗能装置。在不动的应用场合，例如集中或分散的发电和产热，通过现有的技术比如热交换器可以有效利用所述热量。这样做，高温的目的是增加效率。如果工作温度高于100℃，则环境温度和工作温度温差很高，与由于所述膜的增湿作用必须在小于100℃操作的燃料电池相比，可以更有效地冷却燃料电池体系，例如使用更小的冷却表面和可省去另外的设备。