CN1901264A - 高温燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高温燃料电池系统。该高温燃料电池系统包括：上垫片和下垫片，其包括分别覆盖电解质膜的伸出部分的内部和彼此结合的外部，其中所述电解质膜的伸出部分从电极中露出来；橡胶垫，其布置在所述垫片的外部上，以密封导电板和垫片之间的空间；及粘合剂，其密封下垫片和上垫片的外部，其中所述上垫片和下垫片的内部的末端分别布置在电极的边缘与电解质膜之间。

Description

高温燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种在高温下使用的燃料电池系统，更具体地，本发明涉及一种在聚合物电解质膜中利用磷酸作为氢传导材料的燃料电池系统。

背景技术

一组燃料电池构成产能系统，其中氧和包含在烃-基物质如甲醇、乙醇或天然气中的氢之间的化学反应的能量直接转化成电能。根据所使用的电解液，燃料电池可以分为磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、固体氧化物型燃料电池、聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)、碱性燃料电池等。这些燃料电池基于相同的原理运行，但是具有不同的燃料、不同的工作温度、不同的催化剂、不同的电解液等。

与其它燃料电池相比，PEMFC具有更好的能量输出特性，更低的工作温度，更快的初始运行，及更快的响应。由于这些优点，所以PEMFC具有广泛的应用，包括汽车的便携式电源，家庭或公共建筑的分散电源，及电子器件的小型电源。

通常，PEMFC包括由聚合物电解液如全氟磺酸聚合物构成的聚合物电解质膜，例如，NAFIONTM。在这种情况下，值得注意的是，聚合物电解质膜通过浸渍适量的水获得高离子导电性。

为了防止PEMFC的聚合物电解质膜干燥，常规的PEMFC在100℃或更低的温度，例如约80℃下运行。然而，这种100℃或更低的低温导致下列问题。

作为PEMFC的主要燃料的富氢气体，可以通过重整有机燃料如天然气或甲醇得到。然而，在这种情况下，所述富氢气体包含作为副产品的CO以及CO₂。CO使包含在阴极和阳极中的催化剂中毒。当催化剂被CO毒化时，它的电化学活性大大降低，因而PEMFC的工作效率和寿命就显著降低。具体地，值得注意的是，随着PEMFC的工作温度降低，中毒的催化剂的量增加。

当PEMFC的工作温度升至约130℃或更高时，可以防止催化剂被CO毒化，并且可以容易控制PEMFC的水管理。因此，可以使燃料重整器小型化，并且可以简化冷却装置，因而可以使PEMFC的整个能量产生系统小型化。然而，由于高温下的水分蒸发，常规电解质膜，即聚合物电解液如全氟磺酸聚合物经历性能上的大幅下降。

用于高温燃料电池的电解质膜利用强酸如磷酸或硫酸代替水作为氢离子导电材料。因此，使用了浸有强酸如磷酸或硫酸的聚合物膜。浸有磷酸的膜布置在阳极和阴极之间形成膜电极组件(MEA)，然后将多个MEA堆叠在导电板上形成燃料电池组。将用作燃料的氢气和空气分别供应给阳极和阴极，以通过化学反应发电。重要的是防止所供应的燃料经过膜或者沿着MEA的侧面进入其它电极，而不与相应的催化剂反应。当燃料不与相应的催化剂反应并进入相对的电极时，因为电压下降，所以燃料效率降低并且功率密度降低。

可以通过形成良好的膜结构来防止燃料穿过膜，并且可以通过利用垫片密封MEA防止燃料沿着MEA的侧面移动。

US 6720103公开了具有垫片(sheet gasket)和橡胶垫(rubber gasket)的燃料电池。然而，因为浸有磷酸的膜为薄膜且是光滑的，并且具体地根据其环境收缩，所以US 6720103中公开的膜可以将垫片隔开。因此，凭借垫片进行密封是不可靠的。

发明内容

本发明提供一种高温燃料电池系统，考虑到其中膜的收缩和膨胀，该高温燃料电池系统具有改善的密封性。

根据本发明的一个方面，提供一种高温燃料电池系统，其包括多个膜电极组件(MEA)，该膜电极组件包括布置在电解质膜各个侧面的阳极和阴极，多个分别与电极接触的导电板，且所述电解质膜含有磷酸作为氢传导材料，所述高温燃料电池系统包括：上垫片和下垫片，其包括分别覆盖电解质膜的伸出部分的内部和彼此结合的外部，其中所述电解质膜的伸出部分从电极中露出来；橡胶垫，其布置在所述垫片的外部上，以密封导电板与垫片之间的空间；及粘合剂，其密封所述下垫片和上垫片的外部，其中该上垫片和下垫片的内部末端分别布置在电极的边缘和电解质膜之间。

所述垫片可以由具有高于130℃的玻璃化转变温度和高于200℃的热分解温度的耐热性聚合物构成。

所述垫片可以由选自聚酰亚胺、聚苯并咪唑、聚(酰胺酰亚胺)和聚(亚芳基醚膦)氧化物(poly(arylene ether phosphine)oxide)中的材料制成。

所述粘合剂可以为耐热性粘合剂，该耐热性粘合剂由选自硅-基树脂、氟-基树脂和酰胺-基树脂中的树脂构成。

所述橡胶垫可以由氟-基树脂构成。

附图说明

通过参照附图详述其示例性实施方案，本发明的上述及其它特征和优点将变得更加显而易见，附图中：

图1为根据本发明实施方案的高温燃料电池的剖视图的一部分；及

图2和3为在根据本发明实施方案的单元电池中结合垫片与电解质膜的方法的俯视图。

                       具体实施方式

在下文中，将参照附图更充分地描述本发明，附图中图示了本发明的示例性实施方案。在附图中，为了清楚，放大各层和区域的尺寸和厚度。

图1为根据本发明实施方案的高温燃料电池单元电池的剖视图。在高温燃料电池中，可以堆叠数十个至数百个单元电池。高温燃料电池的每个单元电池包括膜电极组件(MEA)，其中阳极20和阴极30分别位于电解质膜10的各个侧面上。导电板41和42分别位于阳极和阴极20和30上。在各导电板41和42中形成燃料通道(未示出)，燃料即氢气或作用氧化剂的空气经过该燃料通道供应给相应的阳极和阴极20和30。

因为电解质膜10在高温例如130℃下使用，所以电解质膜10包括作为氢传导材料的酸代替水。电解质膜10会由于高温而收缩，其长度可能收缩约1～2％。电解质膜10包括从阳极和阴极20和30中露出来的伸出部分12。

燃料电池系统包括垫片51和52，其次包括橡胶垫71和72，以密封燃料。

所述垫片51和52为上垫片51和下垫片52。该垫片51和52分别包括被粘合剂60连接起来的外部53和54，及与电解质膜10的侧面接触的内部55和56。内部55和56的末端可以分别排列在电解质膜10与相应的阳极和阴极20和30的边缘之间。当电解质膜10收缩时，内部55和56的这种排列，保持了阳极和阴极20和30与垫片51和52之间的良好密封。

因为上垫片和下垫片51和52暴露于强酸如磷酸，所以上垫片和下垫片51和52是由高耐酸的材料构成的。上垫片和下垫片51和52具有约1～300μm的厚度。当垫片51和52具有小于1μm的厚度时，难于对垫片51和52进行处理。当上垫片和下垫片51和52具有大于300μm的厚度时，阳极和阴极20和30与电解质膜10之间的密封恶化。另外，垫片51和52的玻璃化转变温度优选高于130℃。如果垫片51和52的玻璃化转变温度低于130℃，则垫片51和52会逐渐变形并且密封恶化。因为垫片51和52的内部55和56与电解质膜10接触，所以垫片51和52必须具有高的耐酸性。另外，因为垫片51和52长时间暴露于高温下，所以垫片51和52的热分解温度要高于200℃。垫片51和52的热分解温度优选高于例如400℃。垫片51和52可以由例如聚酰亚胺，聚苯并咪唑，聚(酰胺酰亚胺)，或者聚(亚芳基醚膦氧化物)构成。所述粘合剂60固定上垫片和下垫片51和52。粘合剂60可以在室温下固定上垫片和下垫片51和52，可以在室温下附着于上垫片和下垫片51和52之后通过高温处理硬化，并且可以在高温下熔化压缩以附着于上垫片和下垫片51和52上。所述高温处理和熔化-压缩是复杂的，并且会挥发酸中的水。因此，在本发明的实施方案中，粘合剂60优选在室温下附着于上垫片和下垫片51和52上。另外，因为粘合剂60长时间暴露于高温下，所以粘合剂60优选具有高的热分解温度。当与利用热压的密封相比时，在室温下处理的粘合剂60的粘合性在附着力方面可能较低。为了补偿该限制，可以将橡胶垫61和62布置在上垫片和下垫片51和52上以增强密封。粘合剂60可以为能够在高温下保持粘合性的耐热性粘合剂，其由例如硅-基、氟-基或酰胺-基树脂构成。粘合剂60可以在室温下附着于垫片51和52上。

橡胶垫71和72可以由耐热材料例如氟-基材料构成。橡胶垫71和72密封形成防止燃料泄漏的第二道屏障。橡胶垫71和72可以由具有良好的耐热性和化学稳定性的材料，例如硅-基或氟-基材料构成。

电解质膜10为薄膜并浸有磷酸，因而其力学强度非常低。另外，因为垫片51和52的末端分别插入到阳极和阴极20和30与电解质膜10之间，所以不能采用常规方法，例如垫片51和52结合到电解质膜10的两个表面上。

图2和3为在根据本发明实施方案的单元电池中结合垫片51和52与电解质膜10的方法的俯视图。

参照图2，粘合剂60沉积在下垫片52的外部54上。粘合剂60可以沉积在聚对苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜(未示出)上，将该PET薄膜对准在下垫片52上并将其从垫片52上移除，从而将布置在PET薄膜上的粘合剂60转移到垫片52上。

参照图3，将电解质膜10排列在下垫片52的内部56上。电解质膜10不与布置在外部54上的粘合剂60接触。

接着，将上垫片51与下垫片52对准，并压缩上垫片和下垫片51和52，使得上垫片和下垫片51和52的外部53和54在室温下通过粘合剂60结合到一起。将电解质膜10布置在垫片51和52之间。将阳极和阴极20和30附着于电解质膜10上。阳极和阴极20和30的边缘可以布置在垫片51和52的内部末端上。垫片51和52的末端插入到阳极和阴极20和30的边缘与电解质膜10之间。因为橡胶垫71和72与导电板41和42可以利用常规方法结合到MEA以及垫片51和52上，所以将不对其进行详细描述。上述过程都是在室温下进行的。

如上所述，当电解质膜膨胀或收缩时，根据本发明的高温燃料电池系统可以保持良好的密封性。

尽管已经参照其示例性实施方案具体地说明和描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将会理解，其中可以进行各种形式和细节上的变化，而不脱离由所附的权利要求书限定的本发明的构思和范围。

Claims (6)

1.一种高温燃料电池系统，其包括多个具有布置在电解质膜各侧面的阳极和阴极的膜电极组件(MEA)，多个分别与电极接触的导电板，且所述电解质膜含有磷酸作为氢传导材料，该高温燃料电池系统包括：

上垫片和下垫片，包括分别覆盖电解质膜的伸出部分的内部和彼此相连的外部，其中所述电解质膜的伸出部分自电极中暴露出来；

橡胶垫，其布置在所述垫片的外部上，以密封导电板和垫片之间的空间；及

粘合剂，其密封下垫片和上垫片的外部，

其中所述上垫片和下垫片的内部末端分别布置在各电极边缘与电解质膜之间。

2.根据权利要求1的高温燃料电池系统，其中所述垫片由玻璃化转变温度高于130℃和热分解温度高于200℃的耐热性聚合物形成。

3.根据权利要求2的高温燃料电池系统，其中所述垫片由选自下列的材料制成：聚酰亚胺，聚苯并咪唑，聚(酰胺酰亚胺)，及聚(亚芳基醚膦)氧化物。

4.根据权利要求2的高温燃料电池系统，其中所述垫片的厚度为1～300μm。

5.根据权利要求1的高温燃料电池系统，其中所述粘合剂为耐热性粘合剂，该耐热性粘合剂由选自硅-基树脂、氟-基树脂和酰胺-基树脂中的树脂形成。

6.根据权利要求1的高温燃料电池系统，其中所述橡胶垫由氟-基树脂形成。

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