低增湿和耐久的燃料电池隔膜制造技术

提供了一种低增湿和耐久的燃料电池隔膜，它带有嵌埋于其中的吸水材料以便在潮湿条件下吸收水，并提供了水的储器以便在干燥条件下保持润湿的隔膜５。在吸水材料中提供了氢的氧化催化剂，它可催化横穿隔膜的氢和氧的反应，用来润湿隔膜并保持吸水材料充满水。按此，在操作系统中燃料电池组的增湿需求即可降低。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

0001本专利技术涉及从电化学反应生产电力的燃料电池体系，更具体 地说，是涉及这类燃料电池体系的4氐增温隔膜。
技术介绍
0002燃料电池体系常常包含由烃类燃料产生氢的燃料加工程序。 燃料电池体系通常包括许多燃料电池，后者通过由还原和氧化剂(例如 氢和一种氧化剂)反应产生的电化学能量转化来生产电力。0003燃料电池已经在许多应用中被作为电源，并且能提供比其它 电能来源更好的效率、可靠性、耐久性、成本以及环境方面的益处。作 为这些燃料电池超过其它能源改进的运作的结果，特别是降低了有害物 排放(即，实际是没有有害物排放)，把燃料电池驱动的电发动机用于 汽车和其它运栽工具以代替内燃机是^f艮有吸引力的。0004一种普通类型的燃料电池是质子交换隔膜(PEM)型燃料 电池，它使用一种很薄的聚合物隔膜，后者可以让质子渗透，但是不让 电子渗透。在PEM型燃料电池中的这种隔膜是隔膜电极装置(MEA) 的一部份，该电极装置的阳极在隔膜的一面，而阴极在隔膜的相反一面。 这种隔膜典型地是由离子交换树脂诸如全氟化的磺酸制成的。这种 MEA被夹在一对电导性元件之间，后者是作为阳极和阴极的电流收集 器用的，并含有适当的为把燃料电池的气态反应物分布到相应的阳极和 阴极催化剂表面上的通道和开口。0005在PEM型燃料电池中，氢(H2)是阳极反应物(即燃料) 而氧是阴极反应物(即氧化剂)。这种氧气可以是纯净的形态(即o2)，也可以是空气(即02和N2的混合物)，或者02与其它气体的结合。阳 极和阴极通常包含装栽在碳颗粒上的粉细催化剂颗粒，并与质子传导性 树脂掺和。这种催化剂颗粒典型地是贵金属颗粒，诸如，例如铂。00061这些MEAs也需要受控制的操作条件，以便改进操作效率并防止隔膜和催化剂的降解。这些操作条件包括合适的水控制和增湿。 具体地说，如果电解质隔膜的合适湿度水平不能维持，电池性能就会受 到影响(即质子传导性降低并且电池产生的电流也下降)。不能控制隔 膜的水浓度将可能妨碍隔膜适当地传导氢离子，从而导致由燃料电池产 生的电功率下降。例如，如果电池太干燥，质子的传导性就会降低。相 反，如果液体水在燃料电池中保留在阴极上，氧就不能穿过保留的水层 而到达阴极催化剂，从而也降低了燃料电池性能。0007]先有技术中燃料电池体系，典型地是利用极为湿化的空气流 来维持EMA隔膜的适当湿气水平。然而，从系统观点来看，往电池组 这样提供水是昂贵的，并且为使系统的复杂性和成本降至最低，希望能 提供尽可能小量的水。
技术实现思路
PEM (质子交换隔膜，也被称为聚合物电解质隔膜)燃料电 池使用一个简单的化学过程把氬和氧结合成水，同时在过程中产生电 流。在阳极上，氢分子给出电子并形成氢离子，这一过程是通过催化剂 才使其能够实现的。电子通过外电路流向阴极并产生电流。这一电流可 通过驱动电子装置而完成有用功。质子交换隔膜只允许质子流过，但不 让电子通过它。结果，在电子流经外电路的同时，氬离子直接流经质子 交换隔膜而到达阴极，在那里它和氧分子以及电子相结合而形成水。这 样，氢燃料被氧化并形成水的自然倾向就被用来产生电力，后者然后被 用来做功。没有污染产生，维一产生的产物是水和热。吸水材料12在潮湿条件下将吸收水，并提供水的储器，以 保持隔膜IO在干燥条件下受到润湿。这样，吸水材料12允许燃料电池 在"进气流汲湿"的期间存活而不会过度损失其传导性。最好是，吸水 颗料12的尺寸小于隔膜的厚度，从而使反应气体不致从阳极室沿经颗 粒的细线泄漏到阴极。 一种用于汽车应用中的优化的隔膜厚度，大约在 10-50微米范围内，而吸水颗粒12的尺寸则优选小于5微米。典型地， 颗粒直径应比隔膜厚度小大约十倍(注在附图说明图1和图2中的颗粒为了说 明的目的没有按比例描绘)。0018氢氧化催化剂14可包括铂、金、钯、铑、铱、和钌，它们 可以单独使用或结合起来使用。最好是使用很高分散度的铂(分散度指Pt表面积/每克Pt这比率)。在隔膜里的氢氧化催化剂将催化横穿过隔膜IO的氢和氧的反应。这一反应形成水并将用来湿润隔膜IO并使吸水 材料12充满水。进一步，在隔膜10中包含一种氧化催化剂14，也将关 闭这类燃料电池的一种众所周知的衰变机制，后者涉及阳极上穿过的氧 反应形成过氧化物，它随后进攻并降解聚合物隔膜的主链。为使氬氧化 催化剂的效益达到最高，后者应以很高的分散度(即催化剂表面积/每克 催化剂这比率)存在，并且高分散度应在隔膜的整个生存期间被保持。 当沸石被用作吸水材料时，这种氢氧化催化剂可被安置在沸石的笼内。 催化剂沉积在高表面积的笼内，将为催化剂提供良好的分散度并防止催 化剂生长成颗粒，后者的尺寸将大于沸石笼的尺寸(在3-10帧之间)。10019]例如，当在高温和高压条件下运行的燃料电池转向H温和低 压的操作点时，低压可能会很快达到。然而由于燃料电池的热容量，要 建立起较低的温度条件则将需要较长时间。这样，燃料电池在温度降低 到较低的稳态值的同时将倾向于干涸，而按照本专利技术做成的隔膜将能緩 和这一效应。按照一种优选的实施方案，铂是通过离子交换过程被沉积在 沸石笼中。在这一过程中，含铂的阳离子(即以盐的形态存在的四胺 Pt，例如由硝酸盐或氯化物盐)与滞石在水溶液浆液中实施接触。铂阳 离子进入沸石笼中并固着在离子交换中心上，后者也被称为酸中心。这 些离子交换中心是基于沸石骨架结构中的负电荷中心，它们需要在所有 时间存在阳离子以符合电中性的物理定律。为最大限度地吸收铂，对于 沸石离子交换中心来说，重要的是在试图进行并入铂的步骤时先用质子 来中和。这是因为铂阳离子与中心的相互作用比与质子的相互作用更强，于是更容易进行交换而进入沸石上的一个固着点。本专利技术另一种供选择的"i更计是，把吸水颗粒12析离出来， 成为图2中所示那样的在隔膜20中的一层中心层。这可以通过把两层 均匀的不含吸水材料的铸塑隔膜22、 24层压在一层如图1显示和描述 的隔膜IO上来完成。这种构造可以保证穿越隔膜结构的气体量保持在 可以接受的水平。0024利用本专利技术，运行体系中的燃料电池组的增湿需要即可降 低。这将导致增湿需要的降低或取消，以及电池组下游冷凝需要的降低 或取消。体系的复杂性和成本于是大为降低。燃料电池组对于低进气流 温度期间的应答大为改进。此外，隔膜的耐久性也得以改进。通过把吸 水材料和催化剂结合成颗粒，然后并入隔膜中，使产生的水最初与吸水 材料接触并尽可能地充份维持其吸收水的能力。这样，催化剂14就使 吸水材料12的储器效应达到最大。孔径大小可以这样选择，即使得氢 氧化催化剂既可被装载在吸水材料晶体的外面，也可被装载在晶体内 部，只要使它能最有效地接触氢和氧就好。本专利技术的描述在性质上仅仅是示例说明性的，因此，打算把 那些并不偏离本专利技术要旨的变化都包括在本专利技术范围之内。这些变化不 被认为偏离了本专利技术的精神和范围。权利要求1. 一种用于燃料电池的质子交换隔膜，它包含:隔膜薄膜；嵌埋在所述隔膜薄膜中的沸石颗粒；以及在所述沸石颗粒嵌埋在所述隔膜薄膜之前装载在所述沸石的笼内的氢的氧化催化剂。2. 权利要求l的隔膜，其中所述沸石颗粒包括离子交换的沸石，所 述沸石在多个离子交换中心具有所述催化剂。3. 权利要求l的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池的质子交换隔膜，它包含：　隔膜薄膜；　嵌埋在所述隔膜薄膜中的沸石颗粒；以及　在所述沸石颗粒嵌埋在所述隔膜薄膜之前装载在所述沸石的笼内的氢的氧化催化剂。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：MF马赛厄斯，HA加斯泰格，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]