CZ2003346A3 - Hydrogen permeable membrane for use in fuel cells, and partial reformate fuel cell system having reforming catalysts in the anode fuel cell compartment - Google Patents
Hydrogen permeable membrane for use in fuel cells, and partial reformate fuel cell system having reforming catalysts in the anode fuel cell compartment Download PDFInfo
- Publication number
- CZ2003346A3 CZ2003346A3 CZ2003346A CZ2003346A CZ2003346A3 CZ 2003346 A3 CZ2003346 A3 CZ 2003346A3 CZ 2003346 A CZ2003346 A CZ 2003346A CZ 2003346 A CZ2003346 A CZ 2003346A CZ 2003346 A3 CZ2003346 A3 CZ 2003346A3
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- fuel cell
- chemical
- proton conductor
- temperature
- energy
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Elektronově izolační protonový vodič (C) je přilepen nebo nanesen jako film na protony propouštějící materiál (D) s hustou fází, v takové tloušťce, aby kombinace C/D měla protonovou vodivost ve výhodném středním rozsahu teplot 175 - 550 °C. Kombinace C/D je začleněna do soustavy membránové elektrody (MEA) s vysokoteplotním elektrolytem, která je začleněna do palivového článku, který může pracovat v tomto středně teplotním rozsahu. Palivový článek je na druhou stranu začleněn do soustavy palivového článku, která má reformátor paliva v průtočném poli směsi paliva, vstupující do palivového článku nebo do soustavy, u které se palivo přivádí do palivového článku z externího reformátoru.The electronically insulating proton conductor (C) is bonded or applied as film on protons permeable material (D) with a dense phase, in such a thickness that the C / D combination has proton conductivity at a preferred medium temperature range 175-550 ° C. The C / D combination is integrated into the system high temperature membrane electrode (MEA) an electrolyte that is incorporated into the fuel cell; can operate in this medium temperature range. Fuel the cell, on the other hand, is incorporated into the fuel system a cell that has a fuel reformer in the flow field of the mixture fuel entering the fuel cell or system, u which fuels the fuel cell from an external fuel cell reformer.
Description
Membrána propustná pro vodík pro použití u palivových článků a soustava palivového článku s částečným reformátem, mající reformující katalyzátory v anodovém prostoru palivového článkuHydrogen-permeable membrane for use in fuel cells and a partial reformate fuel cell assembly having reforming catalysts in the anode space of the fuel cell
Příbuzné přihláškyRelated Applications
V této přihlášce se uplatňuje priorita z prozatímní přihlášky č. 60/222 128 podané 31. července 2000 o názvu: Partial Reformáte Fuel Cell a prozatímní přihlášky č. 60/244 208 podané 31. října 2000 o názvu A Proton Exchange Membrána, A Partial Reformáte Fuel Cell, And A Partial Reformáte Fuel Cell System With A Reformer In The Flow Field, na které jsou zde uvedeny odkazy.Priority Application No. 60/222 128 filed July 31, 2000 for the title: Partial Fuel Cell Reformate and Provisional Application No. 60/244 208 filed on October 31, 2000 for the title A Proton Exchange Membrane, A Partial applies to this application. Fuel Cell Reformate, And A Partial Fuel Cell Reformate With A Reformer In The Flow Field, which are hereby incorporated by reference.
Oblast technikyTechnical field
Předložený vynález se týká systému složeného elektrolytu pro použití bud' jako samostatného palivového článku se střední teplotou nebo v systémech palivových článků s katalyzátory reformujícími metanol uvnitř anodovém prostoru. Složený elektrolytický systém obsahuje nosnou fólii nebo pletivo z hydridu kovu, které jsou neseny elektronově izolovanými protonovými vodiči na jedné nebo obou stranách nosné fólie.The present invention relates to a composite electrolyte system for use either as a separate medium temperature fuel cell or in fuel cell systems with methanol reforming catalysts within the anode space. The composite electrolytic system comprises a carrier film or metal hydride mesh which is supported by electronically insulated proton conductors on one or both sides of the carrier film.
Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION
Palivové články jsou elektrochemická zařízení, která přeměňují chemickou energii reakce přímo na elektrickou energii. Chemická energie je rozdíl mezi výchozími chemikáliemi a energií vyrobených chemikálií. Reakce je proces, při kterém se chemikálie přeměňují z výchozích chemikálií na chemikálie produktu, přičemž se zachovává stejná celková hmota. V palivových článcích, reakce na anodě je oxidační reakce a reakce na katodě je redukční reakce. Oxidační reakce zahrnuje ztrátu elektronů, zatímco získávání elektronů je redukční reakce. Palivový článek je galvanický článek. Galvanický článek je zařízení pro získávání energie z reakce jako elektrické práce. Maximální elektrická práce se rovná přeměně ve volnou energii, která nastává v průběhu reakce.Fuel cells are electrochemical devices that convert the chemical energy of a reaction directly into electrical energy. Chemical energy is the difference between the starting chemicals and the energy of the chemicals produced. The reaction is a process in which chemicals are converted from the starting chemicals to the chemicals of the product while maintaining the same total mass. In fuel cells, the anode reaction is an oxidation reaction and the cathode reaction is a reduction reaction. The oxidation reaction involves loss of electrons, while electron recovery is a reduction reaction. The fuel cell is a galvanic cell. The galvanic cell is a device for extracting energy from the reaction as electrical work. Maximum electrical work is equivalent to the conversion into free energy that occurs during the reaction.
Například, standardní volná energie reakceFor example, the standard free energy reaction
2H2 (plyn) + 02 (plyn) -> 2H2O (kapalina) je změna ve volnou energii, když dva moly čistého vodíku při 1 baru reagují s 1 molem čistého kyslíkového plynu při 1 baru, aby se vyrobila kapalná voda o stejném tlaku. Standardní změna volné energie pro tuto reakci je -474,26 kilojoulů. To je kolik energie je k dispozici pro neexpanzní práci, která zahrnuje elektrickou práci. Kapalina je kondenzovaná fáze. Změna volné energie pro reakci palivového článku jako je vytvoření vody z vodíku a kyslíku je vztažena k potenciálu článku podle následující reakce:2H 2 (gas) + 0 2 (gas) -> 2H 2 O (liquid) is a change in free energy when two moles of pure hydrogen at 1 bar react with 1 mole of pure oxygen gas at 1 bar to produce liquid water of of the same pressure. The standard free energy change for this reaction is -474.26 kilojoules. This is how much energy is available for non-expansion work that involves electrical work. The liquid is a condensed phase. The change in free energy for a fuel cell reaction, such as the formation of water from hydrogen and oxygen, is related to the cell's potential according to the following reaction:
ÁG = nFE kde n je množství elektronů (v molech) přenesených mezi elektrodami, když nastane stechiometrická reakce. F je Faradayova konstanta 96500 coulombů na mol a E je napětí článku. Elektrická práce, která se provede když dráhy náboje z anody na katodu se rovná součinu napětí článku a hnacího proudu násobeného odtaženým proudem.ÁG = nFE where n is the amount of electrons (in moles) transferred between the electrodes when a stoichiometric reaction occurs. F is the Faraday constant of 96500 coulombs per mole and E is the cell voltage. The electrical work that is performed when the charge paths from the anode to the cathode is equal to the product of the cell voltage and the drive current multiplied by the withdrawn current.
Baterie je zařízení pro uskladnění energie. Maximální energie, která je k dispozici je dána množstvím chemické reakční složky uskladněné v baterii jako takové. Baterie přestane vyrábět elektrickou energii když jsou chemické reakční složky spotřebovány (tj. vyprázdněny). V sekundární baterii, znovu nabití regeneruje reakční složky, čímž se dodá energie do baterie z externíhoA battery is a power storage device. The maximum energy available is given by the amount of chemical reactant stored in the battery itself. The battery stops producing electricity when the chemical reactants are consumed (ie emptied). In the secondary battery, recharging regenerates the reactants, thereby supplying energy to the battery from an external
Β «Β «
• · ♦ · · · ♦ BB ΒΒΒΒΒΒΒ * Β • · · · · · * « · * Α · *« zdroje. Palivový článek je na druhé straně zařízení pro přeměnu energie, které teoreticky má schopnost vyrábět elektrickou energii po tak dlouhou dobu, dokud se palivo a oxidační činidlo přivádí na elektrody. Ve skutečnosti, odbourávání, primární koroze, nesprávná činnost součástí omezuje praktickou provozní životnost palivových článků.• ♦ BB ΒΒΒΒΒΒΒ * Β Β zdroje zdroje zdroje zdroje zdroje zdroje zdroje zdroje zdroje zdroje. The fuel cell, on the other hand, is an energy conversion device that theoretically has the ability to generate electricity for as long as the fuel and oxidizing agent are fed to the electrodes. In fact, degradation, primary corrosion, component malfunction limits the practical operating life of the fuel cells.
Palivové články vytvářejí energii pro kosmickou dopravu (raketoplány) po pár desetiletí. Avšak palivo používané v palivových článcích užívaných v raketoplánech je čistý, kapalný vodík.Fuel cells have been generating energy for space travel (shuttles) for decades. However, the fuel used in the shuttle fuel cells is pure, liquid hydrogen.
V běžných palivových článcích je elektrolyt katalyzován na obou lícních plochách dvourozměrné membrány. Jedna lícní plocha je anodová strana, kde se palivo oxiduje a opačná lícní plocha je katodová strana, kde se kyslík redukuje. U palivových článků s polymerním elektrolytem se tento třívrstvý systém obvykle ooznačuje jako membránová elektrodová soustava (MEA). Tři vrstvy je polymerní elektrolyt vložený mezi dvě katalytické vrstvy.In conventional fuel cells, the electrolyte is catalyzed on both faces of a two-dimensional membrane. One face is the anode side where the fuel is oxidized and the opposite face is the cathode side where the oxygen is reduced. For polymer electrolyte fuel cells, this three-layer system is commonly referred to as a membrane electrode system (MEA). The three layers is a polymer electrolyte sandwiched between two catalyst layers.
Benzin, nafta, metan a alkoholy nemají přiměřenou elektrochemickou aktivitu, aby mohly být použity přímo u dosud známých palivových článků s polymerním elektrolytem (PEFC) pro vysoko energetická použití. Je potřeba použít katalyticko-chemický palivový procesor pro přeměnu těchto paliv na palivové plyny bohaté na vodík. Palivový procesor pro automobilové motory s palivovým článkem musí být schopen nastartovat velice rychle, potom rychle odebírat energii a pracovat účinně přes široký rozsah konverzních rychlostí. Konverze paliva také potřebuje být v podstatě dokonalá přes celý rozsah zatížení. Hladina kysličníku uhelnatého ve zpracovávaném palivu, vstupujícího do šachty musí být velmi nízká, aby se zabránilo otrávení anodových katalyzátorů.Gasoline, diesel, methane, and alcohols do not have adequate electrochemical activity to be used directly with the prior art polymer electrolyte (PEFC) fuel cells for high energy applications. There is a need to use a catalytic-chemical fuel processor to convert these fuels into hydrogen-rich fuel gases. The fuel processor for automotive fuel cell engines must be able to start very quickly, then quickly draw energy and operate efficiently over a wide range of conversion speeds. Fuel conversion also needs to be substantially perfect over the entire load range. The level of carbon monoxide in the treated fuel entering the shaft must be very low to prevent poisoning of the anode catalysts.
* 0 · 0 0 0 0 0 0« «* 0 · 0 0 0 0 0 0
0 000 00 0 0000 000 0 0* 0 00 0 0000 00 00 ·0 « 00 000 000 00 0 0000 000 0 0 * 0 00 0 0000 00 00 · 0000
Chemické reakce, které ovlivňuji konstrukci palivového procesoru pro dvě alternativní reakce, použité v prvním kroku pro konverzi metanolu, tj . H3COH nebo benzinu {např. H3C (CH2) eCH3) , jsou uvedeny dále:The chemical reactions that affect the fuel processor design for the two alternative reactions used in the first methanol conversion step, i. H 3 COH or gasoline {e.g. H 3 C (CH 2 ) and CH 3 ) are listed below:
Vytvoření páry (1) 2 H3COH + H20 (pára) + teplo -> 5 H2 + CO + C02 (2) H3C(CH2)6CH3 + 12 H2O(para) + teplo —> 21 H2 + 4 CO + 4 C02 Steam generation (1) 2 H 3 COH + H 2 0 (steam) + heat -> 5 H 2 + CO + CO 2 (2) H 3 C (CH 2 ) 6 CH 3 + 12 H 2 O (para) + heat -> 21 H 2 + 4 CO + 4 CO 2
Částečná oxidace (3) 2 H3COH + 02 (vzduch) -> 3 H2 + CO + C02 H20 + teplo (2) H3C(CH2)6CH3 + 71 02 (vzduch) -4 e H2 + 4 CO + 4 C02 + 3 H20 + teploPartial oxidation (3) 2 H 3 COH + 0 2 (air) -> 3 H 2 + CO + CO 2 H 2 0 + heat (2) H 3 C (CH 2 ) 6 CH 3 + 71 0 2 (air) -4 e H 2 + 4 CO + 4 CO 2 + 3 H 2 0 + heat
Reakce parního štěpení (parního reformování) popsané ve shora uvedených rovnicích potřebují katalyzátor. Katalyzátory jsou zahrnuty do katalytického-chemického-palivového procesoru. Pro účely této patentové přihlášky, reformující katalyzátor je každý katalyzátor, který zvyšuje rychlost tvoření vodíku. Ten bude obsahovat katalyzátory pro konverzi vodního plynu, které konvertují CO a vodu na vodík a C02. Reakci (1) lze považovat za kombinaci krakování metanolu a konverze vodního plynu. Reakci (1) lze rozložit na (1A) a (IB).The steam reforming reactions described in the above equations need a catalyst. Catalysts are included in the catalytic-chemical-fuel processor. For the purposes of this patent application, a reforming catalyst is any catalyst that increases the rate of hydrogen formation. This will include water gas conversion catalysts that convert CO and water to hydrogen and CO 2 . Reaction (1) can be considered as a combination of methanol cracking and water gas conversion. Reaction (1) can be decomposed into (1A) and (IB).
(IA) 2H3COH -> 2 CO + 4 H2 (IB) 2C0 + 2H20 -> 2C0 + 2H2 (IA) 2H 3 COH -> 2 CO + 4 H 2 (IB) 2 CO + 2H 2 0 -> 2 CO + 2H 2
Avšak u systémů v praxi, se druhá reakce nedokončí. To je proč není reformní palivo kontaminováno CO. Jak (IA) tak (IB) vyžadují katalyzátory. (IA) je krakovací reakce metanolu, zatímco (IB) je konverzní reakce vodního plynu. Proto se pro konverzi • ♦ · Β Β Β · · Β Β » Β ··* Β Β » ·ΒΒ· · Β · · «Β · · Β Β Β Β · «However, in systems in practice, the second reaction is not completed. That is why the reform fuel is not contaminated with CO. Both (IA) and (IB) require catalysts. (IA) is the cracking reaction of methanol, while (IB) is the water gas conversion reaction. Therefore, for conversion • ♦ · Β · · · · · · · · · · · · · · «« «« «« «
II II ·Β Β · Β Β Β metanolu na vodík, katalyzátory které aktivují krakovací reakci, katalyzátory konverze vodního plynu nebo katalyzátory s dvojí funkcí, které umožňují obě reakce, všechny označují jako reformující katalyzátory. Tyto katalyzátory mohou být začleněny do samostatného reaktoru mimo palivový článek nebo mohou být začleněny do palivového článku jako takového. Když je katalyzátor začleněn do palivového článku, označujeme to jako interní reformování. Reaktor nebo sada reaktorů, které chemicky přeměňují palivo na vodík se také nazývají Syngas generátor reaktoru. Vždycky vznikají vedlejší produkty včetně C02 a CO. Jiné vedlejší produkty mohou být rovněž vyráběny.II to vodík které Β · reakci Β Β methanol to hydrogen, catalysts that activate the cracking reaction, water gas conversion catalysts, or dual function catalysts that allow both reactions, all referred to as reforming catalysts. These catalysts may be incorporated into a separate reactor outside the fuel cell or may be incorporated into the fuel cell itself. When the catalyst is incorporated into the fuel cell, this is referred to as internal reforming. A reactor or set of reactors that chemically convert fuel to hydrogen is also called a Syngas reactor generator. By-products are always produced, including CO 2 and CO. Other by-products may also be manufactured.
Obsah H2 v reformovaném metanolu nebo benzinu je asi 0,189 kg nebo 0,430 kg H2/kg paliva. Reformní proces dává H2 zředěný C02 a nízké hladiny CO. V rozsahu pracovních teplot (T) palivových článků s polymerním elektrolytem, reformát před konverzí vodního plynu (WGS) a přednostní oxidační (PROX) reaktor obsahuje CO na úrovni pph, což je postačující pro zastavení katalyzátoru z Pt slitiny. Výtěžek WGS obsahuje asi 1 % CO, což je stále postačující pro zastavení anody. Jednotka PROX se používá pro další redukci obsahu CO na toleranční limit asi 10-ppm typického anodového katalyzátoru (PtRu). Vývoj anod které snášejí CO, odstraňuje potřebu jedotek PROX a WGS. Dnes neexistují anodové katalyzátory, které by mohly snášet 1% obsah CO výstupu z WGS reaktoru při provozní teplotě palivového článku s polymerním elektrolytem. Nejvíce obvykle používaný anodový katalyzátor je uhlík na nosiči PtRu. Byly zkoumány i alternativy jako je PtMo, avšak otázka stability s PtMo vyžaduje výzkum. Proto hledání lepšího katalyzátoru by se mělo rozšířit na výzkum elektrolytických systémů pro vyšší teploty (HTE). Palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC) nevyžadují jednotku PROX, protože pracují při 20 0 °C. I když CO není palivoThe H 2 content in the reformed methanol or gasoline is about 0.189 kg or 0.430 kg H 2 / kg fuel. The reform process gives H 2 diluted CO 2 and low CO levels. Within the operating temperature (T) range of the polymer electrolyte fuel cells, the water gas reformate (WGS) and the preferred oxidation (PROX) reactor contain CO at the pph level, which is sufficient to stop the Pt alloy catalyst. The WGS yield contains about 1% CO, which is still sufficient to stop the anode. The PROX unit is used to further reduce the CO content to a tolerance limit of about 10 ppm of a typical anode catalyst (PtRu). The development of CO-tolerant anodes eliminates the need for PROX and WGS units. Today, there are no anode catalysts that could withstand a 1% CO content of the WGS reactor output at the operating temperature of the polymer electrolyte fuel cell. The most commonly used anode catalyst is carbon on a PtRu support. Alternatives such as PtMo have also been explored, but the stability issue with PtMo requires research. Therefore, the search for a better catalyst should be extended to research on High Temperature Electrolytic Systems (HTE). Phosphoric acid fuel cells (PAFCs) do not require a PROX unit because they operate at 20 ° C. Although CO is not a fuel
4 4 9 9 9 9 4 4 9 94 4 9 9 9 4
9 «99 φ* V «49« * 4 9 4 • · 4 4·· 4 · 9 4 • 9 «9 9» 9 «9 49 při 200 °C, není to jed. Avšak PACF trpí problémy koroze spojenými s elektrolytem z kyseliny fosforečné.9 99 99 φ * V 49 49 * 4 4 4 · 4 · 4 9 9 • 9 9 9 9 9 9 49 49 at 200 ° C, it is not poison. However, PACF suffers from corrosion problems associated with phosphoric acid electrolyte.
Existují ještě další důvody pro zvyšování FC pracovní teploty i při použití H2. Při vysokých účinnostech (vysokonapěúové články), polarizace na anodě by mohla být méně než 30 mV, posud je napětí článku stovky mV z termodynamické hodnoty z důvodů polarizace katody (nebo ztrát na katodě). Redukční kinetiky čtyř elektronového kyslíku by se podstatně zlepšily, kdyby se vyvinuly vysokoteplotní elektrolytické systémy. Proto jsou dva klíčové důvody pro vývoj vysokoteplotních elektrolytických systémů (1) zmírnění otrávení CO a (2) zlepšení kinetiky redukce O2. Vysoké teploty systémů elektrolytu by podstatně snížily objem systému palivový procesor/FC (PROX jednotka by mohla být vypuštěna a mohla by se zmenšit velikost reformátoru vodního plynu nebo by mohl být možná i vyloučen). Úspěšný vývoj vysokoteplotních elektrolytů by mohl poskytnout uvolnění požadavků na výkon palivových reformátorů. Použití takových soustav membránových elektrolytů (MEA) i při vyšší teplotě by mělo mimořádný vliv na konstrukci kompaktních systémů pro přenosnou, přepravní a stacionární energii.There are other reasons for increasing the FC working temperature even when using H 2 . At high efficiencies (high voltage cells), the polarization at the anode could be less than 30 mV, judging the cell voltage of hundreds of mV from the thermodynamic value due to cathode polarization (or cathode losses). The reduction kinetics of the four electron oxygen would be substantially improved if high temperature electrolytic systems were developed. Therefore, there are two key reasons for the development of high temperature electrolytic systems (1) to reduce CO poisoning and (2) to improve the O 2 reduction kinetics. High temperatures of the electrolyte systems would significantly reduce the volume of the fuel processor / FC system (the PROX unit could be drained and the size of the water gas reformer could be reduced or possibly eliminated). Successful development of high temperature electrolytes could provide a relaxation of the fuel reformer performance requirements. The use of such membrane electrolyte systems (MEA) even at higher temperatures would have an extraordinary effect on the design of compact systems for portable, transport and stationary energy.
Protonové vodiče v pevném stavu jsou kandidáti do snímačů, baterií, palivových článků, elektrolyzérů atd. Stručný přehled typů a principů protonových vodičů v tuhém stavu a teplotních závislostech těchto vodičů je uvedeno v publikaci Norby: Solidstate prototic conductors: principles, properties, progress and prospects, Solid State Ionics, 125, str. 1 až 11 (1999), která je zde uvedena v odkazech. Norby uvádí v anotaci, že je velmi potřebné vyvíjet elektrody pro vysoko a středně teplotní protonové vodiče. Shora zmíněné vydání Solid State Ionics je z jednání 9. Mezinárodní konference o protonových vodičích v pevném stavu.Solid state proton conductors are candidates for sensors, batteries, fuel cells, electrolysers, etc. A brief overview of the solid state types and principles of proton conductors and temperature dependencies of these conductors is given in Norby's publication: Solidstate Protective Conductors: Principles, Properties, Progress and Prospects Solid State Ionics, 125, pp. 1-11 (1999), which are incorporated herein by reference. Norby states in the annotation that it is very necessary to develop electrodes for high- and medium-temperature proton conductors. The above-mentioned edition of Solid State Ionics is from the 9th International Conference on solid state proton conductors.
4 4 · * 444 4 44 4 * 444 4 4
4 44 «4 * «4 4«4 44
Jednání obsahuje přes 50 článků o protonových vodičích v pevném stavu.The meeting contains over 50 articles on solid state proton conductors.
Dosud známé palivové články s polymerním elektrolytem obvykle používají vodivé polymery jako elektrolytickou membránu v MEA. Známé polymery vodící protony jsou nízkoteplotní vodiče, pracující pod 100 °C. Na druhou stranu, střední a vysokoteplotní protonové vodiče pracují v teplotních rozsazích 1000 až 650 °C a resp, 650 °C a více.The prior art polymer electrolyte fuel cells typically use conductive polymers as an electrolyte membrane in MEA. Known proton-guiding polymers are low temperature conductors operating below 100 ° C. On the other hand, medium and high temperature proton conductors operate in temperature ranges of 1000 to 650 ° C and 650 ° C or more.
MEA je jádro palivového článku. Polymery vodící protony se používají jako elektrolyt v PEFPC. Nafion™ je příklad polymeru, vodícího protony. I když elektrolyty pro palivové články jsou nutně vodiče protonů, nevodí elektrony {tj. jsou elektronové izolátory). Tento Nafion je příklad elektronově izolačního protonového vodiče. EIPC je materiál, který vede protony nebo vodík, ale nevede elektrony. PEFC obvykle pracují při teplotách pod 100 °C. Horní hranice je dána vlastnostmi polymerního elektrolytu (obvykle perfluorované sulfonované polymery jako je Nafion™) , který dehydratuje při teplotě nad 100 °C. Udržování vody (vodní hospodářství) v polymeru je nutné pro vysokou vodivost protonů. Když se teplota zvyšuje nad bod varu vody, polymerní membrána dehydratuje. Dehydratace membrány snižuje vodivost.MEA is the core of the fuel cell. Proton-guiding polymers are used as electrolyte in PEFPC. Nafion ™ is an example of a proton-guiding polymer. Although electrolytes for fuel cells are necessarily proton conductors, they do not conduct electrons {i. are electron insulators). This Nafion is an example of an electronically insulated proton conductor. EIPC is a material that conducts protons or hydrogen but does not conduct electrons. PEFCs usually operate at temperatures below 100 ° C. The upper limit is given by the properties of the polymer electrolyte (usually perfluorinated sulfonated polymers such as Nafion ™) which dehydrates at a temperature above 100 ° C. Maintaining water (water management) in the polymer is necessary for high conductivity of protons. When the temperature rises above the boiling point of water, the polymer membrane dehydrates. Dehydration of the membrane reduces conductivity.
U známých PEFC se vodivost snižuje jak se zvyšuje teplota. Zejména se protonová vodivost Nafionu™ snižuje jak se zvyšuje teplota. Obvykle je tlouščka Nafionu, použitá v palivových článcích je mezi 0,0508 mm až 0,1778 mm (2 až 7 mil, kde mil je tisícina palce, tj.0,0254 mm). Tak silné vrstvy jsou volně stojící filmy. Je možno udržet hydrataci membrány zvyšováním tlaku. Zvyšování tlaku je způsob působení na vodní hospodářství, protože «•«9 9 9 9 · 99 * * 9 999 *9 9 9999 9 9 9 9With known PEFCs, the conductivity decreases as the temperature increases. In particular, the proton conductivity of Nafion ™ decreases as the temperature increases. Typically, the thickness of Nafion used in fuel cells is between 0.0508 mm to 0.1778 mm (2 to 7 miles, where miles is a thousandth of an inch, ie, 0.0254 mm). Such thick layers are free-standing films. It is possible to maintain the hydration of the membrane by increasing the pressure. Increasing pressure is a way of affecting water management because «•« 9 9 9 9 · 99 * * 9 999 * 9 9 9999 9 9 9 9
9* 9 99 9 99999 9 9 9 9999
99 99 9 99 «φ bod varu vody se zvyšuje se zvyšováním tlaku. Nicméně provoz palivového článku při vyšším tlaku vyžaduje použití parazitní energie pro činnost kompresorů. Udržování vyššího tlaku by snižovalo hustotu energie systému palivového článku.99 99 9 99 «φ The boiling point of water increases with increasing pressure. However, operating the fuel cell at higher pressure requires the use of parasitic energy to operate the compressors. Maintaining a higher pressure would reduce the energy density of the fuel cell system.
Připojený obr. 1 je obr. 1 z Norbyho. Znázorňuje vybrané údaje pro protonovou vodivost jako funkci převrácené hodnoty teploty. Norby uvádí, že mnoho tříd protonových vodičů jsou členy, které mají protonové vodivosti až 10'3 až 10'2 S/cm při určité teplotě. Protonové vodivosti znázorněné na obr. 1 u Nafionu a roztoků HCL a H3PO4 jsou v rozsazích, ve kterých jsou tyto materiály použitelné jako protonové vodiče.The attached Fig. 1 is Fig. 1 from Norby. It shows selected data for proton conductivity as a function of the inverted temperature value. Norby states that many classes of proton conductors are members that have a proton conductivity of up to 10 -3 to 10 -2 S / cm at a certain temperature. The proton conductivity shown in Figure 1 for Nafion and HCL and H 3 PO 4 solutions are in the ranges in which these materials are useful as proton conductors.
Protonové vodiče obsahující Nafion, HCI a H3PO4 mají několik nevýhod. Nafion vyžaduje vodu. Palivové články s kyselinou fosforečnou mají matrici, např. legovaný polybenzimidazol nasáklý kyselinou fosforečnou. Pracovní teplota těchto kyselin je také omezen jejich těkavostí. Také anion (nebo konjugovaná báze) kyseliny fosforečné (tj. fosforečnan) otravuje platinový katodový katalyzátor.Proton conductors containing Nafion, HCl and H 3 PO 4 have several disadvantages. Nafion requires water. Phosphoric acid fuel cells have a matrix such as alloyed polybenzimidazole soaked with phosphoric acid. The working temperature of these acids is also limited by their volatility. Also, the anion (or conjugate base) of phosphoric acid (i.e., phosphate) poisones the platinum cathode catalyst.
Norby uvádí, že při vyšších teplotách se protonické vodivosti snižují, z důvodu (1) reverzibilní nebo nereverzibilní ztráty vehikulární vody (např. v protony vodících polymerech), (2) z důvodu rozkladu nebo tavení hydrátů, hydroxidů nebo solí kyselin, nebo (3) z důvodu reverzibilní ztráty protonů (vody) z oxidů. Proto jsou protonové vodivosti obvykle funkční přes poměrně úzké rozsahy teplot.Norby states that at higher temperatures the protonic conductivity decreases due to (1) reversible or irreversible loss of vehicle water (eg, in proton-conducting polymers), (2) due to decomposition or melting of hydrates, hydroxides or acid salts, or (3) ) due to reversible loss of protons (water) from oxides. Therefore, proton conductivities are usually functional over relatively narrow temperature ranges.
Jednotky vodivosti jsou S/cm. kde S je Siemens. Siemens je obrácená hodnota Ohmu (tj. 1/Ω) . S odkazem na obr. 1, Norby dochází k závěru, že v současnosti, pevné protonové vodiče nejsou »*«· · · · · v 9 9 • 9 99# 9 9 9 ·99· · * * 9 *9 · 9 · 9 9 · · 9 «9 9 · 9 9 9 ·· ·· srovnatelné s nej lepšími vodiči kyslíkových iontů (s vodivostí > l S/cm). Avšak protonové vodiče v podstatě pracují při podstatně nižších teplotách a mohou nabídnout nejvyšší vodivosti při středních a nízkých teplotách. Ale neexistují žádné protonové vodiče, pracující uspokojivě v mezeře mezi asi 200 až 500 °C, jak je znázorněno na obr.l.l když se mezera může zdát malá v Arhéniově diagramu, překrývá nej důležitější a nejvíc žádaný rozsah pracovních teplot jak pro chemické procesy tak pro konverzní procesy. Zúžení této mezery je prvořadým zájmem při vývoji protonových vodičů pro praktické použití.The conductivity units are S / cm. where S is Siemens. Siemens is the inverse of Ohm (ie 1 / Ω). Referring to Fig. 1, Norby concludes that at present, solid proton conductors are not »9 9 • 9 99 # 9 9 9 · 99 · · * * 9 * 9 · 9 · 9 9 · 9 9 9 9 · 9 9 9 · atelné · · atelné atelné · · atelné atelné · atelné s s · However, proton conductors essentially operate at substantially lower temperatures and can offer the highest conductivity at medium and low temperatures. However, there are no proton conductors operating satisfactorily in the gap between about 200-500 ° C, as shown in Fig. 11, when the gap may seem small in the Arhnian diagram, it overlaps the most important and most desirable operating temperature range for both chemical processes and conversion processes. Narrowing this gap is of primary concern in developing proton conductors for practical use.
Proto je potřeba vytvořit systém, mající protonovou vodivost v oblasti mezery z obr. 1. Zejména pak je potřeba nalézt elektronově izolační protonový vodič neobsahující žádnou kapalnou fázi, jako je voda v Nafionu nebo H3PO4 vsáknutý do matrice, mající protonovou vodivost v oblasti mezery z obr. 2.Therefore, there is a need for a system having a proton conductivity in the region of the gap of Fig. 1. In particular, it is necessary to find an electronically insulating proton conductor containing no liquid phase, such as water in Nafion or H 3 PO 4 the gaps of FIG. 2.
Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION
Provedení podle předloženého vynálezu je elektronově izolační protonový vodič, mající vodivost uvnitř mezery z obr. 1.An embodiment of the present invention is an electron insulating proton conductor having a conductivity within the gap of Fig. 1.
Jiné provedení je elektronově izolačního protonového vodiče, majícího protonovou vodivost v mezeře z obr. 2, přičemž elektronově izolační protonový vodič neobsahuje žádnou kapalnou fázi.Another embodiment is an electron insulating proton conductor having a proton conductivity in the gap of Fig. 2, wherein the electron insulating proton conductor contains no liquid phase.
Další provedení se týkají protonově vodivé membrány, obsahující elektronově izolační protonový vodič, mající protonovou vodivost uvnitř mezery z obr. 1 nebo obsahující protonově vodivou membránu, mající protonovou vodivost uvnitř mezery z obr. 2, přičemž • · Β · ·Further embodiments relate to a proton conductive membrane comprising an electronically insulated proton conductor having a proton conductivity within the gap of Fig. 1 or comprising a proton conductive membrane having a proton conductivity within the gap of Fig. 2, wherein:
Φ Φ ·*· · · v φ · · φ · *Φ Φ · * · · · · ·
elektronově izolační protonový vodič neobsahuje žádnou kapalnou fázi.the electronically insulated proton conductor contains no liquid phase.
Provedení tohoto vynálezu je palivový článek, obsahující protonově vodivou membránu, obsahující elektronově izolační protonový vodič, mající protonovou vodivost uvnitř mezery z obr. 1 nebo mající protonovou vodivost uvnitř mezery z obr. 2, přičemž elektronově izolační protonový vodič neobsahuje žádnou kapalnou fázi.An embodiment of the present invention is a fuel cell comprising a proton conductive membrane, comprising an electronically insulated proton conductor having a proton conductivity within the gap of Figure 1 or having a proton conductivity within the gap of Figure 2, wherein the electronically insulating proton conductor contains no liquid phase.
Další provedení je systém palivových článku, obsahující palivový reformátor a palivový článek, obsahující protonově vodivou membránu, mající protonovou vodivost uvnitř mezery z obr. 2, přičemž elektronově izolační protonový vodič neobsahuje žádnou kapalnou fázi.Another embodiment is a fuel cell system comprising a fuel reformer and a fuel cell comprising a proton conductive membrane having a proton conductivity within the gap of Fig. 2, wherein the electronically insulated proton conductor comprises no liquid phase.
Další výhody tohoto vynálezu budou odborníkům zřejmé z následujícího podrobného popisu, kde jsou popsána a znázorněna pouze nej lepší příkladná provedení předloženého vynálezu. Ale je zřejmé, že vynález je možno realizovat jako ještě další a různá provedení, a jejich detaily je možno měnit z mnoha různých aspektů, aniž by se odchýlilo z rozsahu vynálezu. Proto výkresy a popis je nutno považovat pouze za ilustrující povahu vynálezu a nikoliv za omezující.Other advantages of the invention will be apparent to those skilled in the art from the following detailed description, where only the best exemplary embodiments of the present invention are described and illustrated. However, it is to be understood that the invention may be practiced as yet other and various embodiments, and the details thereof may be varied from many different aspects without departing from the scope of the invention. Therefore, the drawings and description are to be considered as illustrative only and not restrictive.
Přehled obrázků na výkresechBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Příkladné provedení předloženého vynálezu je znázorněno na připojených výkresech, kde obr. 1 znázorňuje vybrané údaje protonové vodivosti jako funkce obrácené hodnoty teploty pro některé materiály;An exemplary embodiment of the present invention is illustrated in the accompanying drawings, wherein Fig. 1 shows selected proton conductivity data as a function of the inverse temperature value for some materials;
* · · · «··· · · * * · ··· · · · ···· · · · · • » · · β « » · · 0 «« *· ·· « ·· ·♦ obr. 2 znázorňuje vybrané údaje protonové vodivosti jako funkci obrácené hodnoty teploty pro některé materiály,obr. 3 znázorňuje příklad elektrodové soustavy s vysokoteplotní elektrolytickou membránou;* * Β β β β β β 0 0 0 0 0 0 0 fig. Fig. 2 shows selected proton conductivity data as a function of inverse temperature for some materials; 3 shows an example of an electrode assembly with a high temperature electrolyte membrane;
obr. 4 znázorňuje tloušťku jako funkci obrácené hodnoty teploty různých materiálů, majících protonovou vodivost, která se rovná vodivosti Nafionu 117 při 80 °C;Fig. 4 shows a thickness as a function of the inverse temperature of various materials having a proton conductivity equal to the conductivity of Nafion 117 at 80 ° C;
obr, 5 znázorňuje příklad palivového článku se soustavou membránové elektrody;Fig. 5 shows an example of a fuel cell with a membrane electrode assembly;
obr. 6 znázorňuje schematicky provedení soustavy palivového článku pro střední teplotu;Fig. 6 shows schematically an embodiment of a medium temperature fuel cell assembly;
obr. 7 znázorňuje schematicky reakce probíhající při přípravě částic kysličníku křemičitého podle jednoho provedení vynálezu; obr. 8 znázorňuje Pd fólii s pěti vrstvami EIPC na jedné straně, visící na rámovém stojanu po 20 hodinách sušení v atmosféře NH3; obr. 9 znázorňuje změny ASR (D.cm3) s tloušťkou EIPC v pm (mikronech);Figure 7 shows schematically the reactions taking place in the preparation of silica particles according to one embodiment of the invention; Fig. 8 shows a Pd film with five layers of EIPC on one side, hanging on a frame rack after 20 hours of drying in an NH 3 atmosphere; Fig. 9 shows changes in ASR (D.cm 3 ) with EIPC thickness in µm (microns);
obr. 11 znázorňuje systém palivového článku s Částečným reformátem;Fig. 11 shows a fuel cell system with a partial reformate;
obr. 12 znázorňuje rozdělení produktu vnitřním reformováním v provedení podle vynálezu.Fig. 12 shows the product distribution by internal reforming in an embodiment of the invention.
Příklady provedení vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Zde použitý výraz protonový vodič znamená každé těleso schopné věsti protony. Těleso může být jeden materiál nebo složený materiál. Složený materiál je soustava materiálů složená ze směsi nebo kombinace dvou nebo více makro složek, lišících se tvarem a/nebo složením materiálu a které v podstatě nejsou vzájemně v sobě rozpustné.As used herein, the term proton conductor means any body capable of producing protons. The body may be a single material or a composite material. A composite material is a set of materials composed of a mixture or combination of two or more macro components differing in the shape and / or composition of the material and which are substantially not soluble in each other.
• 4 • * · 9 9 9 9 9 ·• 9 • 9 9 9 9 9
999 · 9 9 9999 « 9 · 9 9 9 9 ·999 · 9,999,999 «9 · 9 9 9 9 ·
99 ·9 9 99 »>99 · 9 9 99
Pro účely tohoto vynálezu. MEA sestává a alespoň jedné vrstvy elektrody, např. anody nebo katody, kde chemická látka se oxiduje nebo resp. redukuje a protější elektrody, např. katody nebo anody, kde se oxidační činidlo redukuje nebo resp. se palivo oxiduje. MEA má také EIPC, který vede protony, ale nevede elektrony. EIPC podle tohoto vynálezu by mohl být samostatnou součástí MEA nebo může být začleněn do přechodové vrstvy, která je elektronově izolační, ale přesto protonově vodivá na jedné lícní ploše a je smíšený elektron-protonový vodič na opačné straně. Smíšená vodivá oblast slouží jako katalytická oblast a elektronově izolační oblast slouží jako elektrolyt nebo EIPC. Katalytická vrstva je podepřena na EIPC straně přechodové vrstvy. To by tvořilo 2 vrstvou MEA.For the purposes of this invention. The MEA consists of at least one electrode layer, eg an anode or cathode, wherein the chemical is oxidized or resp. reducing and opposing electrodes, e.g., cathodes or anodes, where the oxidizing agent is reduced or resp. the fuel is oxidized. MEA also has an EIPC that conducts protons but does not conduct electrons. The EIPC of the present invention could be a separate MEA component or incorporated into a transition layer that is electronically insulating yet proton conductive on one face and is a mixed electron-proton conductor on the opposite side. The mixed conductive region serves as a catalytic region and the electron insulating region serves as an electrolyte or EIPC. The catalytic layer is supported on the EIPC side of the transition layer. This would consist of 2 layers of MEA.
Tato dvouvrstvá MEA bude obvykle pracovat při vysoké teplotě tak, že jedna strana protonově vodivé složené membrány MEA nebude potřebovat katalytickou vrstvu, protože reakce na nekatalytické straně je klidná vzhledem k vysoké teplotě. Všeobecná představa MEA je: anoda/EIP/C/katoda. Dvouvrstvá MEA bude ta, u které má jedna z elektrodových oblastí postupně se měnící rozhraní, oddělující oblast EIPC od oblasti elektrody. Tento vynález zahrnuje několik provedení MEA.This two-layer MEA will typically operate at high temperature such that one side of the MEA proton-conductive composite membrane will not need a catalytic layer because the reaction on the non-catalytic side is calm due to the high temperature. The general concept of MEA is: anode / EIP / C / cathode. The dual-layer MEA will be one in which one of the electrode regions has a gradually changing interface separating the EIPC region from the electrode region. The present invention includes several embodiments of MEA.
U jiného provedení dvou-vrstvé MEA jsou elektroda a protielektroda uspořádané jako sandvič a rozhraní mezi elektrodou a protielektrodou tvoří EIPC. Provedení třívrstvého systému bude mít EIPC s katalytickými vrstvami elektrody a protielektrody na obou stranách EIPC. MEA palivového článku s polymerním elektrolytem používající Nafion s katalytickými vrstvami na obou stranách Nafionu je příkladem třívrstvé MEA.In another embodiment of the two-layer MEA, the electrode and counterelectrode are configured as a sandwich and the interface between the electrode and the counterelectrode is an EIPC. An embodiment of the three-layer system will have an EIPC with catalytic electrode and counter electrode layers on both sides of the EIPC. A polymer electrolyte MEA fuel cell using Nafion with catalytic layers on both sides of Nafion is an example of a three-layer MEA.
U jiného provedení 5 vrstvě MEA, je anodová katalytická vrstva nesena na EIPC, který je naopak nesen na fólii z hydridu kovu. Lícní plocha fólie, ležící proti anodě může mít vrstvu EIPC • · · · 4 4 4 4 · * 4 • 4 ··· 4 4 * 4·*· «44 4 · 4 w 4444In another embodiment 5 of the MEA layer, the anode catalyst layer is supported on an EIPC, which in turn is supported on a metal hydride film. The face of the foil facing the anode may have an EIPC layer. 4 4 4 4 4 4 4 4 4 44 44 44 44
44 «* 4 4* «4 nanesenou na povrchu, který leží proti katodové katalytické vrstvě. Jiné provedení, 4 vrstvé MEA, bude mít EIPC pouze na jedné straně fólie z hydridu kovu.44 * 4 * 4 «4 4 deposited on a surface facing the cathode catalyst layer. Another embodiment, a 4-layer MEA, will have an EIPC on only one side of the metal hydride foil.
Obvykle je MEA součást palivového článku která obsahuje elektrolytický systém vložený mezi anodovou a katodovou katalytickou vrstvu. Elektrolytický systém muže obsahovat matrici, která nese elektrolyt v kapalné fázi, polymerní fázi, anorganickou fázi, která vede kyslík, uhličitan nebo protony. Elektrolyt může být vícesložkový systém. Anodový katalyzátor by mohl být smíšený kovový katalyzátor platina/ruthenium (PtRu) s velkou povrchovou plochou a katoda může být katalyzátor z platinových sazí s velkou povrchovou plochou. Zkráceně se MEA, mající PtRu anodu, EIPC a Pt katodu označuje: PtRu/EIPC/Pt.Typically, the MEA is part of a fuel cell that includes an electrolytic system sandwiched between the anode and cathode catalyst layers. The electrolyte system may comprise a matrix that carries the electrolyte in a liquid phase, a polymer phase, an inorganic phase that conducts oxygen, carbonate, or protons. The electrolyte may be a multi-component system. The anode catalyst could be a high surface area platinum / ruthenium (PtRu) mixed metal catalyst and the cathode can be a large surface area platinum black catalyst. Briefly, an MEA having a PtRu anode, an EIPC, and a Pt cathode is referred to as: PtRu / EIPC / Pt.
Různá provedení tohoto vynálezu, jednoduše pomocí ilustrace nejlepšího způsobu provedení tohoto vynálezu, jsou následující.Various embodiments of the invention, simply by illustrating the best mode of carrying out the invention, are as follows.
Elektronově izolační protonový vodič soustavy membránové elektrody, který je schopný přeměnit chemickou energii reakce na elektrickou energii při teplotě 220 °C až 550°C. Elektronově izolační protonový vodič soustavy membránové elektrody, který je schopen přeměnit chemickou energii reakce na elektrickou energii při teplotě asi 175 °C až asi 550 °C, elektronově izolační protonový vodič obsahující kapalnou fázi neobsahující kyselinu.Electronically insulating proton conductor of a membrane electrode assembly capable of converting the chemical energy of a reaction into electrical energy at a temperature of 220 ° C to 550 ° C. An electronically insulated proton conductor of a membrane electrode assembly capable of converting the chemical energy of the reaction into electrical energy at a temperature of about 175 ° C to about 550 ° C, an electronically insulating proton conductor comprising an acid-free liquid phase.
Protonově vodivá složená membrána obsahující elektronově izolační protonový vodič soustavy membránové elektrody, která je schopná přeměnit chemickou energii reakce na elektrickou energii při teplotě asi 220 °C až asi 550 °C, Protonově vodivá složená membrána obsahující elektronově izolační protonový vodič soustavy membránové elektrody, která je schopná přeměnit chemickou energiiA proton conductive composite membrane comprising an electronically insulating proton conductor of a membrane electrode assembly capable of converting a chemical reaction response into electrical energy at a temperature of about 220 ° C to about 550 ° C. able to convert chemical energy
I » Φ ·♦· * * • Φ ΦI »Φ · ♦ · * * Φ Φ
ΦΦ ΦΦ • Φ « ν ΦΦ· Φ · Φ Φ· Φ • · φ φ · φ φ ·· «φ reakce na elektrickou energii při teplotě asi 175 °C až asi 550 °C, elektronově izolační protonový vodič, neobsahující žádnou kyselinu, aby se udržela vodivost.Reaction to electrical energy at a temperature of about 175 ° C to about 550 ° C, an electronically insulating proton conductor containing no acid, to maintain conductivity.
Soustava membránové elektrody, obsahující elektronově izolační protonový vodič a která je schopná přeměnit chemickou energii reakce na elektrickou energii při teplotě asi 220 °C až 550 °C. Soustava membránové elektrody, obsahující elektronově izolační protonový vodič a která je schopná přeměnit chemickou energií reakce na elektrickou energii při teplotě asi 175 °C až asi 550 °C, soustava membránové elektrody neobsahuje kyselinu, aby se udržela vodivost. Soustava membránové elektrody může mít měrný odpor plochy v rozsahu asi 0,01 až 100 ohm.cm2.A membrane electrode assembly comprising an electronically insulating proton conductor and capable of converting the chemical energy of a reaction into electrical energy at a temperature of about 220 ° C to 550 ° C. The membrane electrode assembly comprising an electronically insulated proton conductor and which is capable of converting chemical energy reactions into electrical energy at a temperature of about 175 ° C to about 550 ° C, the membrane electrode assembly does not contain acid to maintain conductivity. The membrane electrode assembly may have a surface area resistivity in the range of about 0.01 to 100 ohm.cm 2 .
Soustava membránové elektrody může obsahovat podpěru z hydridu kovu a elektronově izolační protonový vodič na podpěře z hydridu kovu. Elektronicky izolační protonový vodič může být katalyzován.The membrane electrode assembly may include a metal hydride support and an electronically insulating proton conductor on the metal hydride support. The electronically insulating proton conductor can be catalyzed.
Jiné provedení je palivový článek, obsahující elektronicky izolační protonový vodič, palivový článek je schopen přeměnit chemickou energii reakce na elektrickou energii při teplotě asi 220 °C až asi 550 °C. Ještě jiné provedení je palivový článek, obsahující elektronicky izolační protonový vodič, palivový článek je schopný přeměnit chemickou energii reakce na elektrickou . energii při teplotě asi 175 °C až asi 550 °C, elektronově izolační protonový vodič, neobsahující žádnou kyselinu, aby se zachovala vodivost. Palivový článek může obsahovat hydrid kovu nebo směsný vodič schopný vést elektrony a protony. Palivový článek může obsahovat reformující katalyzátor.Another embodiment is a fuel cell comprising an electronically insulating proton conductor, the fuel cell being capable of converting the chemical energy of the reaction into electrical energy at a temperature of about 220 ° C to about 550 ° C. Yet another embodiment is a fuel cell comprising an electronically insulating proton conductor, the fuel cell being capable of converting the chemical energy of a reaction into an electrical one. energy at a temperature of about 175 ° C to about 550 ° C, an electronically insulated proton conductor containing no acid to maintain conductivity. The fuel cell may comprise a metal hydride or a mixed conductor capable of conducting electrons and protons. The fuel cell may comprise a reforming catalyst.
Jiné provedení je palivový článek, obsahující elektrody a prostředky citlivé na vystavení nejméně jedné chemické látce, pro • · « · · · · · · · • · ·*· · * · ««·· · · · · • · · ·*· ♦ ♦ · · ·· ·· ·· ♦ ·· 94 přeměnu chemické energie na elektrickou energii při teplotě asi 220 °C až 550 °C. Ještě jiné provedení je palivový článek obsahující elektrody a prostředky citlivé na vystavení alespoň jedné chemické látce, pro přeměnu chemické energie na elektrickou energii při teplotě asi 175 °C až asi 550 °C, elektronově izolační protonový vodič, neobsahující žádnou kyselinu, aby se zachovala vodivost. Palivový článek může obsahovat soustavu membránové elektrody, má měrný odpor plochy materiálu, majícího tloušťku asi 175 mikronů a protonovou vodivost uvnitř mezery z obr. 1 nebo obr.Another embodiment is a fuel cell, comprising electrodes and means susceptible to exposure to at least one chemical, for use in the treatment of at least one chemical. 94 conversion of chemical energy into electrical energy at a temperature of about 220 ° C to 550 ° C. Yet another embodiment is a fuel cell comprising electrodes and means susceptible to exposure to at least one chemical, to convert chemical energy to electrical energy at a temperature of about 175 ° C to about 550 ° C, an electronically insulated proton conductor containing no acid to maintain conductivity . The fuel cell may comprise a membrane electrode assembly, has a specific surface area resistivity having a thickness of about 175 microns, and a proton conductivity within the gap of FIG. 1 or FIG.
2.2.
Jedno provedení je soustava pro vytváření elektřiny, obsahující palivový reformátor a palivový článek, palivový článek je schopen přeměnit chemickou energii reakce na elektrickou energii při teplotě asi 220 °C až asi 550 °C. Jiné provedení je systém pro vytváření elektřiny, obsahující reformátor paliva a soustavu membránové elektrody, obsahující elektronově izolační protonový vodič, soustava membránové elektrody je schopná přeměnit chemickou energii do elektrickou energii při teplotě asi 175 °C až asi 55 0 °C, elektronově izolační protonový vodič, neobsahující žádnou kyselinu, aby se zachovala vodivost. V systému může být palivovým reformátorem generátor syntetického plynu. Palivový reformátor může obsahovat reformující katalyzátor v palivovém článku a/nebo externí reformátor. Generátor syntetického plynu je schopen vytvářet vodík. Systém může dále obsahovat reaktor pro konverzi vodního plynu a/nebo oxidační jednotku.One embodiment is an electricity generating system comprising a fuel reformer and a fuel cell, the fuel cell being capable of converting chemical reaction energy into electrical energy at a temperature of about 220 ° C to about 550 ° C. Another embodiment is an electricity generating system comprising a fuel reformer and a membrane electrode assembly comprising an electronically insulating proton conductor, the membrane electrode assembly being capable of converting chemical energy into electrical energy at a temperature of about 175 ° C to about 55 ° C, an electronically insulating proton conductor. containing no acid to maintain conductivity. In the system, the fuel reformer may be a synthetic gas generator. The fuel reformer may comprise a reforming catalyst in the fuel cell and / or an external reformer. The synthetic gas generator is capable of generating hydrogen. The system may further comprise a water gas conversion reactor and / or an oxidation unit.
Elektronově izolační protonový vodič se vybere ze skupiny obsahující Ba3 Ca1.1eNb1.82Oe.73 - H2O (BCN 18; CsH2PO4(CDP); Sr[Zr0.9Yo.i]03-s{SZYO) ; polyfosfátové sloučeniny obsahujícíElectronically insulating proton conductor is selected from the group consisting of Ba 3 Ca1.1eNb1.82Oe.73 - H2O (BCN 18; CSH 2 PO 4 (CDP) Sr [Zr .9Yo.i 0] 0 3 -S {SZYO) ; polyphosphate compounds containing
19,96 %hmot. NH4 +, 29,3 fchmot. P, 1,51 %hmot. Si; La0.9Sr0.iSCo.9Mgo.i19.96% wt. NH 4 + , 29.3%. P, 1.51 wt. Si; La 0 . 9 Sr 0 .iSCo.9Mgo.i
• * ♦• * ♦
03 (LSSM) ; a BaCe0.9-xZrxMo.iO3-6/ kde M je Gd nebo Wd a x = 0 až 0,4 (BCZMO). V protonově vodivé složené membráně se hydridy kovu zvolí ze skupiny obsahující z Pd a Pd slitiny, V/Ni/Ti, V/Ni, V/Ti, PdAg, PdCu, Ti, LaNi5, TiFe a CrV5. Anoda A/nebo katoda může obsahovat vzácný kov a/nebo nevzácný kov. Anoda a/nebo katoda může obsahovat vrstvu, která umožňuje difúzi plynu a vedení elektronů. Vrstva se vybere ze skupiny obsahující uhlíkovou tkaninu a kovovou tkaninu.0 3 (LSSM); 0 .9 and BACE-x Zr x Mo.iO3-6 / wherein M is Gd or Wd and x = 0 to 0.4 (BCZMO). In the proton conductive composite membrane, the metal hydrides are selected from the group consisting of Pd and Pd alloys, V / Ni / Ti, V / Ni, V / Ti, PdAg, PdCu, Ti, LaNi 5 , TiFe and CrV 5 . The anode A / or cathode may comprise a noble metal and / or a non-noble metal. The anode and / or cathode may comprise a layer which permits gas diffusion and electron conduction. The layer is selected from the group consisting of carbon fabric and metal fabric.
Další provedení je způsob přeměny chemické energie reakce na elektrickou energii, obsahující vystavení elektronově izolačního protonového vodiče chemické látce při teplotě asi 220 °C až asi 550 °C a vytvoření elektromotorické síly (emf) přes elektronově izolační protonový vodič. Ještě další provedení je způsob přeměny chemické energie reakce na elektrickou energii, obsahující vystavení elektronově izolačního protonového vodiče chemické látce při teplotě asi 175 °C až asi 550 °C a vytvoření elektromotorické síly (emf) přes elektronově izolační protonový vodič; přičemž elektronově izolační protonový vodič neobsahuje žádnou kyselinu, aby se zachovala vodivost. Tyto způsoby mohou dále obsahovat vystavení elektronově izolačního protonového vodiče oxidačnímu činidlu a/nebo vytvoření chemické látky reformováním jiné chemické látky.Another embodiment is a method of converting a chemical energy reaction into electrical energy, comprising exposing the electronically insulating proton conductor to a chemical at a temperature of about 220 ° C to about 550 ° C and generating an electromotive force (emf) through the electron insulating proton conductor. Yet another embodiment is a method of converting a chemical energy reaction into electrical energy comprising exposing an electronically insulating proton conductor to a chemical at a temperature of about 175 ° C to about 550 ° C and generating an electromotive force (emf) through the electron insulating proton conductor; wherein the electronically insulated proton conductor contains no acid to maintain conductivity. The methods may further comprise exposing the electronically insulating proton conductor to an oxidizing agent and / or forming a chemical by reforming another chemical.
Jiné provedení je způsob výroby soustavy membránové elektrody, obsahující nanesení prekursoru z elektronově izolačního protonového vodiče na smíšený vodič, schopný vést elektrony a protony a ohřátí prekursoru, aby se prekursor přeměnil na elektronově izolační protonový vodič, přičemž soustava membránové elektrody je schopná měnit chemickou energii reakce na elektrickou energii při teplotě asi 220 °C až asi 550 °C. Ještě další provedení je způsob výroby soustavy membránové elektrody, obsahující • · · · ««·· · · · • · ··· » · *···· · » · • * · · · · ·· ·· ·♦ ·· ♦ ·♦ ·· nanesení prekursoru z elektronově izolačního protonového vodiče na smíšený vodič, schopný vést elektrony a protony a ohřátí prekursoru, aby se přeměnil prekursor na elektronově izolační protonový vodič, přičemž soustava membránové elektrody je schopná měnit chemickou energii reakce na elektrickou energii při teplotě asi 175 °C aš asi 550 °C, elektronově izolační protonový vodič neobsahuje žádnou kyselinu , aby se zachovala vodivost. Nanášení prekursoru se provádí natíráním štětkou nebo nanášením s pomocí vzduchu. Smíšený vodič je Pd fólie. Ohřívání prekursoru se provádí v atmosféře NH3. Ohřívání je při teplotě v rozsahu od asi 100 °C do asi 600 °C, s výhodou asi v rozsahu 100 °C aš 400 °C.Another embodiment is a method of manufacturing a membrane electrode assembly comprising applying a precursor from an electronically insulated proton conductor to a mixed conductor capable of conducting electrons and protons and heating the precursor to convert the precursor into an electronically insulating proton conductor, wherein the membrane electrode assembly is capable of altering the chemical energy of the reaction. to electrical energy at a temperature of about 220 ° C to about 550 ° C. Yet another embodiment is a method of manufacturing a diaphragm electrode assembly, comprising a diaphragm electrode assembly, comprising: a. Applying a precursor from an electronically insulated proton conductor to a mixed conductor capable of conducting electrons and protons and heating the precursor to convert the precursor to an electronically insulating proton conductor, wherein the membrane electrode system is capable of changing the chemical energy of the reaction to electrical energy at temperature of about 175 ° C to about 550 ° C, the electronically insulated proton conductor contains no acid to maintain conductivity. The precursor is applied by brushing or by air application. The mixed conductor is Pd foil. The precursor is heated in an NH 3 atmosphere. The heating is at a temperature in the range of about 100 ° C to about 600 ° C, preferably in the range of about 100 ° C to 400 ° C.
Způsob výroby MEA může dále obsahovat přípravu elektronově izolačního protonového vodiče, katalyzaci soustavy membránové elektrody, přičemž příprava elektronově izolačního protonového vodiče obsahuje přípravu částic kysličníku křemičitého, přípravu polyfosfátu a smíchání částic kysličníku křemičitého a polyfosfátu, aby se připravil prekursor.The method of manufacturing an MEA may further comprise preparing an electronically insulating proton conductor, catalyzing the membrane electrode assembly, wherein preparing the electronically insulating proton conductor comprises preparing the silica particles, preparing the polyphosphate, and mixing the silica particles and the polyphosphate to prepare the precursor.
U výrobků a způsobů podle tohoto vynálezu, soustava membránové elektrody je schopná přeměnit chemickou energii reakce na elektrickou energii při teplotě asi X °C až asi Y °C, kde Y jeIn the products and methods of the invention, the membrane electrode assembly is capable of converting a chemical reaction energy into electrical energy at a temperature of about X ° C to about Y ° C, where Y is
Také u výrobků a způsobů podle tohoto vynálezu, soustava membránové elektrody, která je schopná měnit chemickou energii reakce na elektrickou energii při teplotě X °C až asi Y °C, kde Y je větší než X a X a Y jsou zvoleny ze skupiny obsahující 175, 180, 190, 200, 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290, 300, • · · · 4 · · * · 4 • · ♦ ·· · · *·«·· · · · φ • * · · 4 · · · 4 4 ·· 4« 44 4 ·· 44Also in the products and methods of the present invention, a membrane electrode assembly capable of altering the chemical energy response to electrical energy at a temperature of X ° C to about Y ° C, wherein Y is greater than X and X and Y are selected from the group consisting of 175 , 180, 190, 200, 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290, 300, 4, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 · · Φ · 4 · · 4 · 4 · 44 · 4 · · 44 ·
310, 320, 330, 340, 350, 360, 370, 380, 390, 400, 410, 420, 430,310, 320, 330, 340, 350, 360, 370, 380, 390, 400, 410, 420, 430
440, 450, 460, 470, 480, 490, 500, 510, 520, 530 a 540, elektronově izolační protonový vodič neobsahuje žádnou kyselinu obsahující kapalnou fázi.440, 450, 460, 470, 480, 490, 500, 510, 520, 530 and 540, the electronically insulated proton conductor contains no liquid phase-containing acid.
Jak bylo vysvětleno shora, obvyklá MEA používá Nafion jako EIPC. Protonová konduktivita Nafionu se snižuje monotónně jakmile se teplota zvýší nad 100 °C. Vodivost lze udržovat zvyšováním tlaku, čímž se zvyšuje bod varu vody a udržováním hydratace membrány. To je energeticky nákladný návrh.As explained above, conventional MEA uses Nafion as EIPC. The Nafion proton conductivity decreases monotonously as the temperature rises above 100 ° C. Conductivity can be maintained by increasing the pressure, thereby increasing the boiling point of the water and maintaining the hydration of the membrane. This is an energy-intensive proposal.
Zatímco běžné palivové články používají Nafion nebo kyseliny, které vykazují ztrátu protonové vodivosti uvnitř oblasti mezery z obr. 1, vysoko teplotní elektrolyt MEA podle tohoto vynálezu má protonovou vodivost uvnitř oblasti mezery z obr. 1, která se zvyšuje monotónně při zvyšování teploty nad 100 ”0. Podobně, na rozdíl od jiných konkurenčních elektrolytů, polybenzimidazol s příměsí kyseliny fosforečné (PBI), protože i když PBI s příměsí kyseliny je nestabilní nad 250 °C, protonová vodivost vysoce teplotního elektrolytu MEA popsaného v tomto vynálezu pokračuje ve zvyšování teploty až nad 400 °C. Rozdíl mezi soustavou vysokoteplotního elektrolytu MEA popsanou v tomto vynálezu a Nafionem nebo PBI {oba polymerní elektrolyty) je ten. že vysokoteplotní elektrolyt MEA nevyžaduje (a) zvlhčování, kdežto Nafion ano nebo (b) kyselinu fosforečnou nebo jinou volnou kyselinu, kterou PBI potřebuje pro udržování vodivosti.While conventional fuel cells use Nafion or acids that exhibit a loss of proton conductivity within the gap region of Fig. 1, the high temperature MEA electrolyte of the present invention has proton conductivity within the gap region of Fig. 1 which increases monotonously as the temperature rises above 100 ". 0. Similarly, unlike other competing electrolytes, polybenzimidazole with phosphoric acid (PBI) admixture, because although the acid-added PBI is unstable above 250 ° C, the proton conductivity of the high temperature MEA electrolyte described in the present invention continues to rise to above 400 ° C. The difference between the high temperature electrolyte system MEA described in the present invention and Nafion or PBI (both polymer electrolytes) is that. that the high temperature electrolyte MEA does not require (a) humidification, whereas Nafion does, or (b) phosphoric acid or other free acid that PBI needs to maintain conductivity.
To co je dlouhodobě potřeba v této oblasti techniky jsou MEA pro vyšší teplotu. MEA, které pracují při nebo nad 150 °C zmírňují otravu CO anodových katalyzátorů. MEA pracující nad 300 °C odstraňuje potřebu WGS reaktorů a preferenční oxidační jednotky.What is needed in the art in the long term are MEAs for higher temperatures. MEAs operating at or above 150 ° C alleviate CO poisoning of the anode catalysts. MEAs operating above 300 ° C eliminate the need for WGS reactors and preferential oxidation units.
♦ ··· ··· · 99 ··· ··· · 9
9 999 99 9 9999 999 99,999,999 9,999,999 9
9 9« 9 99999 9 «9 9999
99 «9 9 ·* 9«98 «9 9 · * 9«
Tak vznikne mnohem kompaktnější systém a dovoluje zavádět částečně reformovaný metanol do středně teplotního palivového článku. Vysoce teplotní palivové články jsou v tomto kontextu definovány jako palivové články s taveným uhlíkem pracující při 650 °C, zatímco nízko teplotní palivové články jsou definovány jako palivové články pracující pod 100 °C {např. dosud známé palivové • články s polymerním elektrolytem). Středně teplotní palivové články jsou podstatou této patentové přihlášky. Pro účely této přihlášky, výhodný středně teplotní režim palivového článku je 150 °C ž 400 °C. Tento teplotní režim obsahuje teploty, při kterých vnitřní reformování metanolu lze vést uvnitř toku polí palivového článku. Výhoda vysoko teplotního elektrolytického systému spočívá v tom, že odstraňuje potřebu objemných reaktorů WGS a PROX.This results in a much more compact system and allows the introduction of partially reformed methanol into the medium temperature fuel cell. High temperature fuel cells in this context are defined as fused carbon fuel cells operating at 650 ° C, while low temperature fuel cells are defined as fuel cells operating below 100 ° C {e.g. hitherto known fuel cells with polymer electrolyte). Medium temperature fuel cells are the essence of this patent application. For purposes of this application, a preferred medium temperature fuel cell mode is 150 ° C to 400 ° C. This temperature mode includes temperatures at which methanol internal reforming can be conducted within the fuel cell field flow. The advantage of the high temperature electrolysis system is that it eliminates the need for bulky WGS and PROX reactors.
Problém nemožnosti připravit robustní membrány z EIPC jako ten popsaný v odkazech na Norbyho, je vyřešen použitím nosiče, který vede protony. V této patentové přihlášce se na nosič odkazuje jako na součást D. Fólie z hydridu kovu obsahují materiály jako Pd,The problem of being unable to prepare robust membranes from EIPC as described in the reference to Norby is solved by using a proton-guiding carrier. In this patent application, the carrier is referred to as component D. Metal hydride films comprise materials such as Pd,
PdAg, PdCu, Ti, LaNi5, TiFe a CrV2 jsou velmi robustní a mohou sloužit jako separátory paliva a oxidačního činidla i s podstatnými rozdíly tlaku. Tyto materiály naopak absorbují vodík. Vodíkové atomy mohou difundovat z povrchu do objemu a přemístí se do mezilehlých poloh čtyřstěnů nebo osmistěnů. Absorpce vodíku do objemu těchto materiálů má za následek vytvoření hydridu. Tyto fólie z hydridy kovu jsou husté fáze, které dovolují, aby atomy vodíku přes ně difundovaly, protože jsou membrány elektronové vodiče, musí být odvráceny s vrstvami EIPC. Avšak protože fólie z hydridu kovu slouží jako nosič a separátor, potřeba robustních filmů pro anorganický EIPC odpadá. EIPC vrstvy potřebují zabránit, aby se sběrače proudu palivového článku nedotkly elektronově vodivé kovové fólie (nebo součásti D) . Proto není možné použití fólie z hydridu kovu jako nosiče pro vysokoteplotní « Β 9 · * « Β · · · Β • Β Β·Β Β Β Β···· ΒΒΒ ΒPdAg, PdCu, Ti, LaNi 5 , TiFe and CrV 2 are very robust and can serve as fuel and oxidizing agent separators even with substantial pressure differences. These materials in turn absorb hydrogen. Hydrogen atoms can diffuse from the surface to the volume and move to intermediate positions of tetrahedra or octahedron. Absorption of hydrogen into the bulk of these materials results in hydride formation. These metal hydride films are dense phases that allow hydrogen atoms to diffuse therethrough, since they are electron conductor membranes, they must be facing with EIPC layers. However, since the metal hydride foil serves as a carrier and separator, the need for robust films for inorganic EIPC is eliminated. The EIPC layers need to prevent the fuel cell current collectors from touching the electronically conductive metal foil (or component D). Therefore, it is not possible to use a metal hydride foil as a carrier for a high-temperature Β Β · · · · · · · · · · · · · ·
Φ Β Β A Β Β «ΒΒΒΒ Β Β A Β Β «ΒΒΒ
BB BB BB Β Β· ·ΒBB BB BB Β Β · · Β
EIPC, který nemůže být vyroben do robustních membrán. Volíme protonové vodiče z hydridu kovu z následujícího důvodu. Když jsou protony vypouštěny z katalytického povrchu anody, protony mohou chemisorbovat jako vodík do povrchu kovu. Aby se hydridní systém udržoval neutrální, protony se vystřelují z protilehlé plochy dvourozměrné fólie. Chemisorbováný vodík může difundovat do objemu kovu a difundovat přes fólii na opačnou stranu. Jak vodík difunduje do objemu, je nahrazen nově chemisorbovaným vodíkem, protože anoda pokračuje ve vytváření více protonů. Protony jsou vytvářeny, když molekulární vodík je rozdělen do dvou elektronů poskytujících dva protony, které proniknou soustavou membránové elektrody a dva elektrony, které se vypustí do vnějšího obvodu. Pd kov má fcc (plošně středovou krychlovou) soustavu s parametrem prostorové mřížky 0,3887 nanometrů. Při absorpci vodíku se mřížka rozpíná izotropicky a zachovává si fcc soustavu. Při nízkém rovnovážném tlaku vodíku, se vodík rozpouští ve zředěnou a fázi.EIPC that cannot be manufactured into robust membranes. We choose proton conductors from metal hydride for the following reason. When protons are discharged from the catalytic surface of the anode, protons can chemisorb as hydrogen into the metal surface. In order to keep the hydride system neutral, protons are ejected from the opposite surface of the two-dimensional film. Chemisorbed hydrogen can diffuse into the metal volume and diffuse through the film to the opposite side. As hydrogen diffuses to volume, it is replaced by newly chemisorbed hydrogen as the anode continues to form more protons. Protons are formed when molecular hydrogen is divided into two electrons providing two protons that penetrate the membrane electrode assembly and two electrons that are discharged into the outer circuit. The Pd metal has an fcc (area center cubic) system with a spatial lattice parameter of 0.3887 nanometers. Upon hydrogen absorption, the lattice expands isotropically and retains the fcc system. At low hydrogen equilibrium pressure, hydrogen dissolves in the diluted and phase.
Když je poměr H/Pd 0,015 při 298 °K, Pd se stává β fází hydridu, když je parametr mřížky o 11 % vyšší než parametr mřížky kovu.When the H / Pd ratio is 0.015 at 298 ° K, Pd becomes the β phase of the hydride when the grid parameter is 11% higher than the metal grid parameter.
Tento zvýšený parametr mřížky způsobí, že difuzivita vodíku se zvýší. Vodík difunduje poměrně rychle do Pd. Tento fenomén je to, co umožňuje použití Pd jako nosiče pro výrobu složených systémů, které mohou sloužit jako soustavy membránových elektrod pro palivové články.This increased grid parameter causes hydrogen diffusivity to increase. Hydrogen diffuses relatively rapidly into Pd. This phenomenon is what allows the use of Pd as a carrier for the production of composite systems that can serve as membrane electrode assemblies for fuel cells.
Vlastností vysoce teplotních elektrolytů MEA popsaných v tomto vynálezu je to, že není potřeba přidávat žádnou kapalnou fázi (např. vodu nebo volné kyseliny), aby se zachovala protonová vodivost.It is a feature of the high temperature MEA electrolytes described herein that there is no need to add any liquid phase (eg, water or free acids) to maintain the proton conductivity.
Vlastnosti vysoce teplotního elektrolytu soustavy MEA lze vyčíslit následujícím způsobem:The properties of the high temperature electrolyte of the MEA system can be quantified as follows:
(1) Vodivost se zvyšuje při zvyšování teploty nad 100 °C.(1) Conductivity increases when the temperature rises above 100 ° C.
• ·· · «ΦΦΦ φφ I • Φ ΦΦΦ · « φ ΦΦΦΦ ΦΦΦ · • · Φ · φ Φ ΦΦΦ«• ·· · ΦΦΦ φφ I · Φ ΦΦΦ · φ · · · φ · φ ΦΦΦ ΦΦΦ «
Φ· «Φ ·Φ Φ ·Φ φφ (2) Není potřeba přidávat žádné další kapaliny, aby se udržela vodivost.(2) No additional liquids need to be added to maintain conductivity.
(1) Soustava vysoce teplotního membránového elektrolytu(1) High temperature membrane electrolyte system
Příklad vysoce teplotního elektrolytu MEA je znázorněn na obr.An example of a high temperature electrolyte MEA is shown in FIG.
3, kde je schematicky zobrazen nepolymerní středně teplotní palivový článek. Tento diagram není proveden v měřítku. Použitá Pd fólie pro součást D byla 25 μπι tlustá.3, wherein a non-polymer medium temperature fuel cell is schematically illustrated. This diagram is not to scale. The Pd film used for component D was 25 μπι thick.
V tomto schématu složený systém C/D/C tvoří EIPC. Součásti C a D jsou obě protonové vodiče, také nazvané protonové vodiče. Když je součást D také elektronový vodič, může být potřeba vícevrstvý systém. Součásti C jsou vrstvy EIPC, které jsou sériově rozhraním k D. Kompozice C/D je, především, EIPC kompozice, která vede protony a proto, elektronově izolační protonový vodič.In this scheme, the composite C / D / C system constitutes the EIPC. Components C and D are both proton conductors, also called proton conductors. When component D is also an electron conductor, a multi-layer system may be required. Components C are EIPC layers which are serially interfaces to D. The C / D composition is, in particular, an EIPC composition that conducts protons and therefore, an electronically insulating proton conductor.
Na obr. 3 součást A je porézní plyn difundující vrstva a součást B je elektrokatalytická vrstva. Mezi různými provedeními součásti A, které mohou být použity u tohoto vynálezu, jsou karbonové papíry, karbonové látky, kovová síta nebo každý elektronově vodivý porézní materiál. Účelem součásti A je sloužit jak jako sběrač proudu tak jako difuzní vrstva, která dovoluje topnému plynu difundovat katalytickou vrstvou. mezi několik provedení součásti B, které je možno použít v tomto vynálezu, jsou vzácné kovy jako je Pt, Pd, Ru, jednoduché fáze a smíšené fáze obsahující shora uvedené vzácné kovy a nikl, chrom, molybden, osmium, rhodium, iridium, rhenium, a jednoduché fáze a smíšené fáze obsahující všechny shora uvedené složky.In Fig. 3, component A is a porous gas diffusing layer and component B is an electrocatalytic layer. Among the various embodiments of component A that may be used in the present invention are carbon papers, carbon fabrics, metal screens or each electronically conductive porous material. The purpose of component A is to serve both as a current collector and as a diffusion layer which allows the fuel gas to diffuse through the catalytic layer. among several embodiments of component B that may be used in the present invention are noble metals such as Pt, Pd, Ru, single phases and mixed phases containing the above noble metals and nickel, chromium, molybdenum, osmium, rhodium, iridium, rhenium, and single phases and mixed phases containing all the above components.
Jedno provedení vysokoteplotního elektrolytu je schematicky označeno C/D/C. Když se vysoko teplotní elektrolyt katalýzuje • · t · · Φ 9 9 · · · • · «9* · 9 9 >9*9 9 * 9 · · 4 4 · · 9 4 4 *· 99 4* 9 99 *« katalytickými vrstvami (Β) , soustava je schematicky označena jako B/C/D/C/B a bude se na ní odkazovat jako na provedení MEA.One embodiment of the high temperature electrolyte is schematically designated C / D / C. When high temperature electrolyte is catalysed 9 9 9 9 9 9 9 9 9 4 9 99 4 4 99 99 catalytic layers (Β), the system is schematically designated as B / C / D / C / B and will be referred to as an MEA design.
Jiné provedení je dvouvrstvá elektrolytická soustava, kde D je elektronově vodivý protonový vodič a C je EIPC. Schéma takové soustavy bude (a) C/D nebo (b) D/C, kde u (a) je anodová katalytická vrstva v kontaktu s vrstvou EIPC au (b) je katodová katalytická vrstva v kontaktu s EIPC. Úplná schémata těchto dvou možností jsou:Another embodiment is a two-layer electrolytic system wherein D is an electron conductive proton conductor and C is an EIPC. A scheme of such a system will be (a) C / D or (b) D / C wherein u (a) the anode catalyst layer is in contact with the EIPC layer and (b) the cathode catalyst layer is in contact with the EIPC. The complete schemes of these two options are:
(a) Banoda/C/D/Bfcatoda (b) Banoda/D/C/Bkatoda (a) Banode / C / D / B cathode (b) B anode / D / C / B cathode
U shora uvedených dvou případů (a) a (b), kompozice D/C nebo D/C jsou obě EIPC kompozice, protože vrstva C blokuje elektronovou vodivost přes kompozici.In the above two cases (a) and (b), the D / C or D / C compositions are both EIPC compositions because layer C blocks electron conductivity through the composition.
Jeden způsob výroby vysoko teplotního elektrolytu MEA, znázorněného na obr. 3 je následující.One method of producing the high temperature electrolyte MEA shown in Figure 3 is as follows.
První hustá fáze materiálu propustného pro protony musí být zvolena jako součást D. Výraz hustá fáze materiálu propustného pro protony je každý materiál, který je propustný pro protony, ale není propustný pro chemické třídy vyšší než atomový vodík. Nosič pro vrstvy EIPC je součást D. Nosič je propustný pro atomy vodíku. Nosič by neměl být elektronový izolátor a dává se přednost tomu, když není. Nosič je propustný pro vodík a stabilní při teplotách přesahujících 350 °C. Nosič je dvourozměrný stabilní membrána, schopná sloužit jako nosič pro materiály EIPC. Když je nosič elektronově izolační, není potřeba žádný další EIPC. Příklady nosičů obsahují Pd, Pd slitiny a vanadové slitiny.The first dense phase of the proton-permeable material must be selected as part of D. The term dense phase of the proton-permeable material is any material that is proton-permeable but not permeable for chemical classes higher than atomic hydrogen. The carrier for the EIPC layers is part D. The carrier is permeable to hydrogen atoms. The carrier should not be an electron insulator and is preferred when not. The carrier is hydrogen permeable and stable at temperatures in excess of 350 ° C. The carrier is a two-dimensional stable membrane capable of serving as a carrier for EIPC materials. When the support is electronically insulated, no additional EIPC is needed. Examples of carriers include Pd, Pd alloys and vanadium alloys.
• «fcfc fc··· fcfc fc fc fc ·»· fcfc · fcfcfcfc · fc « · «· · fcfcfc fcfc·· • fc fcfc fcfc · fcfc ·«• «fcfc fc ··· fcfc fc fc fc ·» · fcfc · fcfcfcfc · fc «·« · · fcfcfc fcfc ·· • fc fcfc fcfc · fcfc · «
V jednom provedení tohoto vynálezu, materiál propustný pro protony s hustou fází obsahuje fólii z hydridu kovu. Příklad fólie z hydridu kovu je Pd. Ostatní příklady obsahují slitiny Pd (např. slitiny PdAg) a V/Ni/Ti, V/Ni, V/Ti, kde V je vanad, Ni je nikl a Ti je titan. Tyto materiály tvoří součást D. Tloušťka fólie součásti D by mohla být v rozsahu 5 až 1000 gm a výhodněji v rozsahu 10 až 200 gm a nejlépe v rozsahu 20 až 100 gm. V jednom příkladu byla tloušťka Pd fólie 25gm.In one embodiment of the invention, the dense phase proton permeable material comprises a metal hydride sheet. An example of a metal hydride film is Pd. Other examples include Pd alloys (eg, PdAg alloys) and V / Ni / Ti, V / Ni, V / Ti, where V is vanadium, Ni is nickel, and Ti is titanium. These materials form part D. The film thickness of part D could be in the range of 5 to 1000 gm and more preferably in the range of 10 to 200 gm, and most preferably in the range of 20 to 100 gm. In one example, the Pd film thickness was 25 gm.
Za druhé, rozhraní součásti C s jednou nebo oběma plochami součásti D tvoří složený elektrolytický systém. Po volbě součásti D následuje volba materiálu EIPC (součást C) . Součást C se pak přilepí nebo nanese na jednu nebo obě plochy součásti D a tvoří dvou vrstvý resp. třívrstvý elektrolyt.Second, the interface of component C with one or both surfaces of component D forms a composite electrolytic system. The selection of part D is followed by the choice of EIPC material (part C). The component C is then glued or applied to one or both surfaces of the component D to form two layers or two layers. three-layer electrolyte.
EIPC je každý materiál schopná vést protony, ale který je elektronově izolační. Elektronově izolační znamená, že nevede elektrony. Nízkoteplotní EXPC mohou obsahovat Nafion, kyselinu fosforečnou legovanou PBI a každý protonově vodivý polymer. Vysokoteplotní EIPC jsou obvykle anorganické nebo sloučeniny anorganických materiálů a polymerní (organická) pojivá. Příklady anorganických a složených organicko/anorganických systémů obsahuj í:EIPC is any material capable of conducting protons but which is electronically insulating. Electronically insulating means that it does not conduct electrons. Low temperature EXPCs may contain Nafion, PBI alloyed phosphoric acid, and each proton-conductive polymer. High temperature EIPCs are usually inorganic or compounds of inorganic materials and polymeric (organic) binders. Examples of inorganic and composite organic / inorganic systems include:
Anorganické systémy s vodou:Inorganic water systems:
1. Mezoporézní fosfát zirkonu pyrofosfát Zr(P2O7)0.ei1. Mesoporous zirconium phosphate pyrophosphate Zr (P 2 O 7 ) 0 . e i
Superprotonická voda nestechiometrické fáze M2Hy (AO4) (X+y) ·χΗ20 . Ba3Cai,i8Nbi.e2O8.73-H2OSuperprotonic water of non-stoichiometric phase M 2 H y (AO 4 ) ( X + y ) · χΗ 2 0. Ba 3 Cai, and Nbi.e2O8.73 8 - H 2 O
4. CssH3(SO4)4 *0,5 H2O4. Cs with H 3 (SO 4 ) 4 * 0.5 H 2 O
5. Organický-anorganický hybrid (ICS-PPG), složený z5. Organic-inorganic hybrid (ICS-PPG), composed of
3.isokyanato propyl-trietoxysilanu (ICS) a glykol)bis-(2-amino-propyleteru) (2-APPG), póly(propylen smíšeným s peroxopolywolfrámovými kyselinami3.Iisocyanato propyl-triethoxysilane (ICS) and glycol) bis- (2-amino-propylether) (2-APPG), poles (propylene mixed with peroxy-tungstic acids)
PTA/ICS-PPG)PTA / ICS-PPG)
6. Hydráty SnCl2 • · · 4 • 4 444 4 * * • 4 446. Hydrates of SnCl 2 • · · 4 • 4 444 4 * * • 4 44
4 4 4 ·4 44 4 4 4
4 ···· 444 ·4 ···· 444 ·
4 4 4 4 βΒ
4 44 (W-PTA) , (zkráceně WAnorganické systémy bez vody4 44 (W-PTA), (abbreviated WAinorganic systems without water
1. Jodid stříbrný čtyřwolframan Ag26IiBW40ie 1. Silver iodide quatungstate Ag 26 Ii B W 4 0i e
2. CSi-xdlHJxHaPCU, Csi-X{ND4) XD2PO4 a Κ!.Χ(ΝΗ4)ΧΗ2ΡΟ4 2. CSi-xd1HJxHaPCU, Csi- X (ND 4 ) X D 2 PO 4 and Κ !. Χ (ΝΗ 4 ) Χ Η 2 ΡΟ 5
3. KH2PO4 KH 2 PO 4
4. Tetraamonium dihydrogen triselenát (NH4) 4H2 (SeO4) 3 CsDSO4 4. Tetraammonium dihydrogen triselenate (NH 4 ) 4 H 2 (SeO 4 ) 3 CsDSO 4
Materiály použité pro součást C stanovují vysokoteplotní limit činnosti vysokoteplotního elektrolytu MEA. Materiál součásti lze zvolit ze skupiny: Ba3Cai.18Nbi,82OB.73-H2O(BCN 18); CsH2PO4(CDP) ; SrfZro.gYo.iJOs-stSZYO) ; polyf osf átová sloučenina obsahující 19,96 % hmot. P, 1,51 %hmot. Si; Lao.9Sro.jSco.9Mgo.1O3 (LSSM) ; aThe materials used for component C set the high temperature limit of operation of the high temperature electrolyte MEA. The part material can be selected from: Ba 3 Cai. NBI 18, 82 O-B .73 H2O (BCN 18); CsH 2 PO 4 (CDP); SrfZro.gYo.iJOs-stSZYO); % polyphosphate compound containing 19.96 wt. P, 1.51 wt. Si; Lao.9Sro.jSco.9Mgo.1O3 (LSSM); and
BaCeo.9-xZrxM0.i03-s kde Gd nebo Wd a x = 0 až 0,4 (BCZMO) . Všechny tyto materiály součásti C jsou schopny pracovat při teplotách v rozsahu uvnitř mezery z obr. 2.BaCeo.9- x Zr x M 0 .i0 3 -s wherein Gd or Wd and x = 0 to 0.4 (BCZMO). All of these materials of component C are capable of operating at temperatures within the gap of Figure 2.
Součást C se přilepí nebo nanese jako film na součást D v takové tloušťce, aby EIPC složený z C a D měl protonovou vodivost uvnitř oblasti mezery z obr. 2. Jednotky vodivosti jsou S/cm kde S je Siemens. Siemens je obrácená hodnota ohmu (tj. l/Ω) . Vodivost materiálu je vnitřní vlastnost materiálu.Component C is adhered or applied as a film to component D at a thickness such that the EIPC composed of C and D has proton conductivity within the gap region of Figure 2. The conductivity units are S / cm where S is Siemens. Siemens is the inverse of ohm (ie l / Ω). The conductivity of the material is an intrinsic property of the material.
Pd fólie má při zvyšování teploty stále vyšší vodivost, protože mřížka se roztahuje a propustnost pro vodík se zvyšuje. Avšak kdykoliv se přidá vrstva v sérii odpor se vždycky zvyšuje. Avšak jakmile má jedna součást podstatně vyšší odpor, potom sériový odpor je v podstatě odpor materiálu, který má vyšší odpor. Součást s nejvyšším odporem budou součásti z EIPC. Když vrstva součásti C • * · · · · · * · » * • * ··* · · · *··« · » · * • * ·· ···» ·« ·« · · ·* · je stykovou plochou k fólii, kompozice C/D bude alespoň tak dobrá jako Nafion. Výpočty se zjistí tloušťka, která bude potřeba k tomu, aby tomu tak bylo. Jiný způsob jak na to pohlížet je následující. Co se stane s odporem, když se přidá Pd k EIPC? Při nejvyšší teplotě, zvýšení odporu bude zanedbatelné. Při nejnižších teplotě, odpor kompozice bude o něco vyšší než odpor filmu EIPC samotného. Avšak EIPC bude limitujícím odporníkem při teplotě uvnitř oblasti mezery z obr. 1 a 2, když palivo s vysokým parciálním tlakem vodíku se přivede k anodovému proudu palivového článku, obsahujícímu kompozici C/D.The Pd film has an increasingly higher conductivity as the temperature rises, as the grid expands and the hydrogen permeability increases. However, whenever a layer is added in series the resistance always increases. However, once one component has a significantly higher resistance, then the series resistance is essentially the resistance of the material having the higher resistance. The component with the highest resistance will be components from the EIPC. When part C of the layer C is in contact with the layer C flat to the film, the C / D composition will be at least as good as Nafion. The calculations will determine the thickness that will be required to do so. Another way to look at it is as follows. What happens to the resistor when Pd is added to the EIPC? At the highest temperature, the increase in resistance will be negligible. At the lowest temperature, the resistance of the composition will be slightly higher than the resistance of the EIPC film itself. However, the EIPC will be a limiting resistor at the temperature within the gap region of Figures 1 and 2 when fuel with high hydrogen partial pressure is fed to the anode current of the fuel cell containing the C / D composition.
Materiál EIPC, t j. součást C, je ve styku s fólií z hydridu kovu, sloužící jako pojivový materiál. Pojivový materiál může být anorganický nebo organický. Polybenzimidazol (PBI) je stabilní nad 300 °C, pokud není nasáklý kyselinou fosforečnou. Rozpuštěný PBI polymer může být obsažen v EIPC disperzi. Tato disperze se označuje jako EIPC inkoust. Inkoust se nanáší na fólii z hydridu kovu a kompozice se tepelně zpracuje. Příprava inkoustu může být optimalizována pro každý zvolený EIPC a pro každou zvolenou součást D. Jindy může být vrstva EIPC pára nanesená na povrch součásti D. Použité způsoby nanášení páry obsahují způsoby vakuového nanášení, stejně tak jako způsoby nanášení při atmosférickém tlaku.The EIPC material, i.e., part C, is in contact with the metal hydride sheet serving as a binder material. The binder material may be inorganic or organic. Polybenzimidazole (PBI) is stable above 300 ° C unless soaked with phosphoric acid. The dissolved PBI polymer may be contained in an EIPC dispersion. This dispersion is referred to as EIPC ink. The ink is applied to the metal hydride foil and the composition is heat treated. The ink preparation may be optimized for each selected EIPC and for each selected component D. Alternatively, the EIPC vapor layer may be deposited on the surface of component D. The steam deposition methods used include vacuum deposition methods as well as atmospheric pressure deposition methods.
Elektrolytický systém se pak katalýzuje na obou lícních plochách elektrolytického systému. Když se připraví dvou vrstvý nebo třívrstvý složený systém, vnější plochy jsou katalyzovány anodovým katalyzátorem ze strany paliva a katodovým katalyzátorem ze strany oxidačního činidla. Anodové materiály mohou obsahovat vzácné kovy, slitiny vzácných kovů a smíšené fáze smíšených kovových katalyzátorů. Katodová strana může obsahovat vzácné kovy, • ·« · ···· · · · • · ·*· · · · ·*«* v * « · ·· » · · · ···· ·· ·· ·· · ·· ·· smíšené kovové katalyzátory, přechodové kovové katalyzátory, ruthenany, pyrochlory a jiné katalytické materiály.The electrolysis system is then catalysed on both faces of the electrolysis system. When a two-layer or three-layer composite system is prepared, the outer surfaces are catalyzed by the anode catalyst on the fuel side and the cathode catalyst on the side of the oxidizing agent. The anode materials may include precious metals, precious metal alloys, and mixed phase mixed metal catalysts. The cathode side may contain precious metals, in which the precious metals may be present. Mixed metal catalysts, transition metal catalysts, ruthenates, pyrochlores and other catalytic materials.
Výsledkem je soustava MEA, jehož použití a provedení bude dále popsáno s použitím soustavy MEA v palivovém článku s částečným reformátem, znázorněným na obr. 5.The result is an MEA system whose use and performance will be described below using the MEA system in the partial reformate fuel cell shown in Figure 5.
(2) Palivový článek s částečným reformátem(2) Partial reformate fuel cell
Shora zmíněná MEA může být přímo začleněna do palivového článku. Použití vysokoteplotních součástí C dává soustavu vysokoteplotní membránové elektrody popsané v této přihlášce, jako vysokoteplotního systému elektrolytu MEA. Součást D z hydridu kovu není omezující faktor vzhledem k teplotě, protože tento materiál může odolávat vyšším teplotám než součást C (např. vyšším než 1000 °C) .The aforementioned MEA can be directly incorporated into the fuel cell. The use of the high temperature components C gives the high temperature membrane electrode assembly described in this application as a high temperature electrolyte MEA system. The metal hydride component D is not a limiting factor with respect to temperature, as this material can withstand higher temperatures than component C (e.g., greater than 1000 ° C).
Základní fyzická konstrukce nebo stavební blok palivového článku obsahuje vrstvu elektrolytu ve styku s porézní anodou nebo katodou na protilehlých plochách elektrolytické soustavy. Schematické znázornění palivového článku s reakčním činidlem/plyny produktu a směry toku vedení iontů článkem jsou zobrazeny na obr.The basic physical structure or fuel cell building block comprises an electrolyte layer in contact with the porous anode or cathode on opposite surfaces of the electrolytic system. A schematic representation of the reagent fuel cell / product gases and ion flow directions through the cell are shown in FIG.
5. U typického palivového článku, plynová paliva jsou vedeny plynule do anodového (záporná elektroda) prostoru a oxidační činidlo (tj . kyslík ze vzduchu) se plynule přivádí do katodového (kladná elektroda) prostoru; elektrochemická reakce nastává na elektrodách, aby se vyrobil elektrický proud.5. In a typical fuel cell, the gas fuels are fed continuously to the anode (negative electrode) space and the oxidizing agent (ie, oxygen from the air) is continuously fed to the cathode (positive electrode) space; an electrochemical reaction occurs at the electrodes to produce electric current.
MEA je začleněna do technického vybavení palivového článku. Technické vybavení může obsahovat bipolární desky s palivovým plenem na anodové straně a vzduchové plénum na katodové straně.MEA is incorporated into the fuel cell hardware. The technical equipment may comprise bipolar plates with a fuel diaphragm on the anode side and an air plenum on the cathode side.
Tyto desky jsou elektronově vodivé desky, které mají drážky (tj.These plates are electronically conductive plates having grooves (i.e.
9 99 9
99999 9 9 průtoková pole), která slouží pro směrování paliva a oxidačního činidla na anodu a resp. katodu. Dále, tyto desky vedou elektřinu k dalšímu článku v sérii ve stohu. Oblasti průtokových polí (také známé jako zevnější nebo nejvyšší plochy průtokového pole) se dotýkají plyn difundující vrstvy (např. součásti A z obr. 3. Součást A je potom ve styku s katalytickými vrstvami (vrstvy B)). Katalytické vrstvy se dotýkají přímo bud' vrstvy C nebo vrstvy D. Další podrobnosti technického vybavení palivového Článku lze získat z Fuel Cell Handbook, 4, vydání, vydané U.S.Department of Energy, Office of Fossiů Energy, Federal Energy Technology Center, Morgantown, WV/Pitsburg, PA k dispozici na www.fetc.doe.gov. což je zde zahrnuto v odkazech.99999 9 9 to direct the fuel and oxidant to the anode and resp. cathode. Further, these plates conduct electricity to the next cell in series in the stack. The flow field regions (also known as outer or highest flow field areas) are in contact with the gas diffusing layer (eg, component A of Figure 3). The component A is then in contact with the catalytic layers (layers B). The catalytic layers directly contact either layer C or layer D. Further details of the fuel cell hardware can be obtained from Fuel Cell Handbook, 4 edition, published by the USDepartment of Energy, Office of Fossi Energy, Federal Energy Technology Center, Morgantown, WV. Pitsburg, PA available at www.fetc.doe.gov. which is incorporated herein by reference.
TYPY- u kterých lze vysokoteplotní elektrolyt MEA použít obsahuje následující typy:TYPY- which can use high temperature electrolyte MEA contains the following types:
(1) V samostatně stojícím palivovém článku nebo svazku palivových článků.(1) In a free-standing fuel cell or fuel cell stack.
(2) V palivovém článku s reformačními katalyzátory v průtokových polích bipolárních desek.(2) In the fuel cell with reforming catalysts in the bipolar plate flow fields.
(3) V palivovém článku tepelně integrovaném s externím reformátorem, majícím reformátor, preferenční oxidační jednotku a reaktor pro konverzi vodního plynu.(3) In a fuel cell thermally integrated with an external reformer having a reformer, a preferential oxidation unit and a water gas conversion reactor.
(4) V palivovém článku tepelně integrovaném pouze s reformátorem.(4) In a fuel cell thermally integrated with the reformer only.
(5) V palivovém článku s reformačním katalyzátorem v průtokových polích v kombinaci s externím palivovým procesorem, kde palivový procesor obsahuje reformátor, konvertor vodního plynu a preferenční oxidační jednotku.(5) In a fuel cell with reforming catalyst in the flow fields in combination with an external fuel processor, wherein the fuel processor comprises a reformer, a water gas converter, and a preferential oxidation unit.
(6) Regenerační palivové články.(6) Regenerative fuel cells.
(7) Elektrochemické organické chemické transformační reaktory.(7) Electrochemical organic chemical transformation reactors.
4 9 99·· 9» 94 9 99 · 9 9 9
9 999 «9 9 9999 9 9 9 9 • 9 9 99 « 99999,999 «9,999,999 9 9 9 9 • 9,999« 9999
94 9· 9 ·· β*93 9 · 9 ·· β *
Palivové články používající vysokoteplotní elektrolyt budou mnohem lepší než známé palivové články s polymerním elektrolytem, protože provozní teplota je vyšší. Vysokoteplotní provoz zlepší výkon katodové strany, protože se katodová kinetika (redukce kyslíku) zlepšuje se zvyšující se teplotou. To je vlastnost Arhéniovy kinětiky. Také výkon anody bude zvýšen, protože otrava anodového katalyzátoru CO je zmírněna tím, že se operace provádí při vysoké teplotě. Použijí-li se součásti C, které jsou stabilní při teplotě nad 250 °C, lze metanol reformovat přímo v palivovém článku stejně tak jako v externím reformátoru. Protože palivový článek pracuje při vyšší teplotě, usnadní se tepelná integrace palivového článku s palivovým procesorem (např. reformátor metanolu). Když palivový článek pracuje při 150 °C, zmírní se otrávení CO, ale nelze volit vnitřní reformaci.Fuel cells using a high temperature electrolyte will be much better than the known polymer electrolyte fuel cells because the operating temperature is higher. High temperature operation will improve the performance of the cathode side as the cathode kinetics (oxygen reduction) improves with increasing temperature. This is a characteristic of Arhenia's kinetics. Also, the anode performance will be increased because CO poisoning of the anode catalyst is alleviated by the operation being carried out at high temperature. If components C that are stable at temperatures above 250 ° C are used, methanol can be reformed directly in the fuel cell as well as in an external reformer. Since the fuel cell operates at a higher temperature, thermal integration of the fuel cell with the fuel processor (e.g., a methanol reformer) is facilitated. When the fuel cell is operated at 150 ° C, CO poisoning is alleviated, but internal reformation cannot be selected.
Palivový článek podle jednoho provedení tohoto vynálezu je znázorněn na obr. 6.A fuel cell according to one embodiment of the present invention is shown in Fig. 6.
Příprava součástí palivového článku a jednoho provedení palivového článku podle tohoto vynálezu bude popsáno dále.The preparation of the fuel cell components and one embodiment of the fuel cell of the present invention will be described below.
(A) Příprava EIPC(A) Preparation of EIPC
Složky EIPC jsou polyfosforečnan amonný a kysličník křemičitý. Polyfosforečnan amonný a kysličník křemičitý jsou připraveny samostatně a potom se smíchají, aby se vytvořil směsný materiál EIPC jako bude popsáno dále.The components of EIPC are ammonium polyphosphate and silicon dioxide. Ammonium polyphosphate and silica are prepared separately and then blended to form a mixed EIPC material as described below.
(i) Příprava kysličníku křemičitého(i) Preparation of silica
Příprava částic kysličníku křemičitého je založena na chemické reakci tetraesterů kyseliny křemičité (tetraalkylsilikát) v roztocích obsahujících metanol nebo eltanol nebo jiné alkoholy.The preparation of the silica particles is based on the chemical reaction of tetra-esters of silicic acid (tetraalkyl silicate) in solutions containing methanol or ethanol or other alcohols.
«4*4 *44* 4 * * * 4 »44 4 · * 4444 4 4 · 4«4 * 4 * 44 * 4 * * * 4» 44 4
4 44 4 444* *4 44 44 4 44 4*4,444 4,444 * * 4,444 44,444 4 *
Vytvoření částic kysličníku křemičitého reakcí tetraetylsilikátu v roztoku vody za přítomnosti určitých zásad je popsán v publikaci Kolbe,G., Das komplexchemische Verhalten der Kiesselsaure, disertace, Jena (1956). Způsob použitý u tohoto provedení je způsob Stober-Fink.Bohn, popsaná v článku Werner Stober, Arthur Fink a Ennst Bohn, Controlled Growth of Monodisperse Silica Spheres in the Micron Size Range, Journal of Colloid a Interface Science 26, 62-69 (1968) .The formation of silica particles by the reaction of tetraethyl silicate in a solution of water in the presence of certain bases is described in Kolbe, G., Das complexchemische Verhalten der Kiesselsaure, dissertation, Jena (1956). The method used in this embodiment is the Stober-Fink.Bohn method described in Werner Stober, Arthur Fink and Ennst Bohn, Controlled Growth of Monodisperse Silica Spheres in the Micron Size Range, Journal of Colloid and Interface Science 26, 62-69 (1968). ).
Reakční činidla potřebná pro vytvoření kysličníku křemičitého podle jednoho provedení tohoto vynálezu jsou následující:The reagents required to form the silica of one embodiment of the present invention are as follows:
Metanol, etanol, n-propanol a n-butanol, které mají kvalitu analytického reakčního činidla a jsou použita jako rozpouštědla;Methanol, ethanol, n-propanol and n-butanol, which are of analytical reagent quality and are used as solvents;
tetraestery kyseliny křemičité (tetraalkyl silikáty) technické třídy (např. tetrametyl silikát, tertraetyl silikát, atd);silicic acid tetraesters (tetraalkyl silicates) of technical grade (eg tetramethyl silicate, tertraethyl silicate, etc.);
bezvodý čpavek (99,9% čistota); a hydroxid amonný, 26 °Be (Baumé (měřítko hustoty)) třídy USP (United States Pharmacopeia grade).anhydrous ammonia (99.9% purity); and ammonium hydroxide, 26 ° Be (Baumé) for the United States Pharmacopeia grade.
Čistý alkohol nebo směs alkoholů, nasycený roztok čpavku v alkoholu, hydroxid amonný a voda byly smíchány v Erlenmeyrově baňce (reakční nádoba) se zabroušenou zátkou nebo gumou těsněné vstřikovací baňce v požadované koncentraci čpavku a vody. 1 mol ~ molů čpavku bylo použito jako katalyzátor, aby se vytvořily sférické částice kysličníku křemičitého. Bylo přidáno do směsí alkoholu přidáním nasycených alkoholických roztoků čpavku do reakční nádoby. Když byly požadovány v alkoholických směsích vysoké koncentrace čpavku, byl použit nasycený roztok hydroxidu amonného. Koncentrace čpavku ve směsi alkoholů byla měřena odtažením malých vzorků a titrováním s IN kyselině chlorovodíkové. Celkový obsah vody se spočítal sečtením frakčních množství vody, přivedené všemi složkami do reakční nádoby.Pure alcohol or a mixture of alcohols, saturated ammonia in alcohol solution, ammonium hydroxide and water were mixed in an Erlenmeyr flask (reaction vessel) with a ground stopper or rubber sealed injection flask at the desired ammonia-water concentration. 1 mol-mol of ammonia was used as a catalyst to form spherical silica particles. It was added to the alcohol mixtures by adding saturated alcoholic ammonia solutions to the reaction vessel. When high concentrations of ammonia were desired in alcoholic mixtures, a saturated ammonium hydroxide solution was used. The concentration of ammonia in the mixture of alcohols was measured by drawing off small samples and titrating with 1N hydrochloric acid. The total water content was calculated by adding the fractional amounts of water introduced into the reaction vessel by all components.
4 4 44 4 4
4444 · 44445 · 4
4 4 4 4 * 4 444 4 4 • 4 4 44 4 4·444 4 4 4 * 4 444 4 4 • 4 4 44 4 4 44
4* 44 44 4 ·4 444 * 44 44
Potom se přidal alkyl silikát do reakční nádoby, upevněné bud' na šejkru nebo v ultrazvukové vodní lázni. Po počáteční fázi, kdy nastane neviditelná hydrolytická reakce, vytvářející kyselinu křemičitou, byla zjištěna druhá fáze, kondenzace přesycené kyseliny křemičité, zvýšením opalescence směsi, která začínala 1 minutu až 5 minut po přidání tetraalkyl silikátu. Schémata procesu, ilustrující první a druhou fázi reakce jsou znázorněna na obr. 7. Bílá suspenze kysličníku křemičitého se pak roztoku odfiltruje.The alkyl silicate was then added to the reaction vessel, mounted either on a shaker or in an ultrasonic water bath. After an initial phase of invisible silica-forming hydrolytic reaction, a second phase, the condensation of the supersaturated silica, was found by increasing the opalescence of the mixture, which began 1 minute to 5 minutes after addition of the tetraalkyl silicate. Process diagrams illustrating the first and second phases of the reaction are shown in Figure 7. The white silica slurry is then filtered off the solution.
(ii) Příprava polyfosforečnanu amonného(ii) Preparation of ammonium polyphosphate
Pentaoxid fosforitý 98% čistoty, třídy ACS (American Chemical Society), se přidal ke kyselině fosforečné (85 %hmot., třídy ACS), gramů pentaoxidu fosforitého (P2O5) a 4,64 ml kyseliny fosforečné bylo smícháno v 250 ml kádince při pokojové teplotě. 4,64 ml kyseliny fosforečné bylo založeno na následujících výpočtech:Phosphorus pentaoxide 98% pure, ACS class (American Chemical Society), was added to phosphoric acid (85 wt%, ACS class), grams of phosphorus pentaoxide (P 2 O 5 ) and 4.64 ml of phosphoric acid were mixed in 250 ml beakers at room temperature. 4.64 ml of phosphoric acid was based on the following calculations:
Počet molů 98% čistého P2O5 = (10*0,98)/142 = 0,069 molů.The number of moles of 98% pure P 2 O 5 = (10 * 0.98) / 142 = 0.069 moles.
Počet molů kyseliny fosforečné = 0,069 molů;Number of moles of phosphoric acid = 0.069 moles;
Zásaditost kyseliny fosforečné = 3Basicity of phosphoric acid = 3
Je známo, že normální koncentrace kyseliny fosforečné je 44,6 NThe normal concentration of phosphoric acid is known to be 44.6 N
Molarita kyseliny fosforečné = 44,6/3 = 14,866 M = 14,866 mol/litrMolarity of phosphoric acid = 44.6 / 3 = 14.866 M = 14.866 mol / liter
Objem kyseliny fosforečné = 0,069/14,866 = 4,64 mlPhosphoric acid volume = 0.069 / 14.866 = 4.64 ml
Magnetická míchací tyč byla vložena do kádinky. Olejová lázeň (DirecTorr Gold vakuové olejové čerpadlo - Welch, tlak par @ 25 °C je 5*107 Torr) byla připravena na varné plotýnce a udržována při 2 00 °C. Kádinka s P2O5 a kyselinou fosforečnou byla umístěna do lázně a nepřetržitě míchána dokud se všechen P205 úplně nerozpustil, aby se vytvořila kyselina fosforečná (HPO3) . TeplotaA magnetic stir bar was placed in a beaker. An oil bath (DirecTorr Gold Vacuum Oil Pump - Welch, vapor pressure @ 25 ° C is 5 * 10 7 Torr) was prepared on a hotplate and kept at 200 ° C. A beaker of P 2 O 5 and phosphoric acid was placed in a bath and stirred continuously until all of the P 2 O 5 was completely dissolved to form phosphoric acid (HPO 3 ). Temperature
9*99 9 · · · · · 9 · 999 9 9 · ·«·· a · · «9 * 99 9 · · · · 9 · 999 9 9 ·
9 9 9 9 9 · 9 «9 *9 ·· 9 ·9 ·· lázně se snížila na 150 °C a přebytečné množství močoviny 99%+ čistoty, třídy ACS, v molárním poměru 2:1 a kyselina fosforečná, se pomalu přidávaly do kádinky při neustálém míchání. Přidávání močoviny se provádělo pomalu po dobu asi 45 minut tak, aby se nevytvořila pěna následkem uvolňování C02. V kádince se vytvořil surový polyfosforečnan.9 9 9 9 9 · 9 9 9 * 9 · 9 · 9 · The bath was reduced to 150 ° C and excess urea 99% + purity, grade ACS, in a 2: 1 molar ratio and phosphoric acid, was slowly added into a beaker with constant stirring. The urea addition was carried out slowly over a period of about 45 minutes so as not to foam as a result of CO 2 release. Crude polyphosphate was formed in the beaker.
Surový polyfosforečnan byl vyčištěn následujícím způsobem. Surový polyfosforečnan se rozpustil v horké vodě, která se pak ochladila na pokojovou teplotu. Přidalo se stejné množství metanolu, aby se srazil polyfosforečnan. Bílé krystaly polyfosforečnanu se oddělily za asi 1 hodinu a odfiltrovaly se s použitím filtračního čerpadla Millipore (Micron Separations lne. Magna Nylon, Supported Plain, filtrační papíry 0,45 mikronů). Bílý prášek se sušil ve vakuu při asi 120 °C po asi 2 hodiny a potom vypalován v trubkové peci (Thremolyne, Model # 21100) v atmosféře čpavku při 300 °C po 20 hodin, aby se dokončila reakce všech zbytkových polykyselin na fosforečnan amonný. Ohybový obrazec X paprsky konečného produktu potvrdil, že je to fosforečnan amonný.The crude polyphosphate was purified as follows. The crude polyphosphate was dissolved in hot water, which was then cooled to room temperature. An equal amount of methanol was added to precipitate the polyphosphate. The white polyphosphate crystals were collected in about 1 hour and filtered using a Millipore filter pump (Micron Separations Inc. Magna Nylon, Supported Plain, 0.45 micron filter papers). The white powder was dried under vacuum at about 120 ° C for about 2 hours and then baked in a tube furnace (Thremolyne, Model # 21100) under ammonia atmosphere at 300 ° C for 20 hours to complete the reaction of any residual polyacids to ammonium phosphate. The X-ray diffraction pattern of the final product confirmed that it was ammonium phosphate.
(B) Příprava EIPC(B) Preparation of the EIPC
EIPC podle jednoho provedení vynálezu je sloučenina získaná roztavením směsi polyfosforečnanu a kysličníku křemičitého v nanoměřítku (490 nm) při 400 °C po 20 hodin v atmosféře čpavku, (Cl...příprava MEAAn EIPC according to an embodiment of the invention is a compound obtained by melting a mixture of polyphosphate and silica at nanoscale (490 nm) at 400 ° C for 20 hours in an ammonia atmosphere (Cl ... preparation of MEA
V jednom provedení, MEA obsahuje elektrochemicky zpracovanou Pd fólii, na jejíž katodovou stranu je nanesen EIPC. Obr. 8 znázorňuje Pd fólii s pěti vrstvami EIPC na jedné straně, pověšenou na rámovém stojanu po 20 hodinách vypalování v atmosféře tttttt* * · « tt · · « • e ··· · · · ··«* · · · * ·· tt ·· « ·*··In one embodiment, the MEA comprises an electrochemically processed Pd film having an EIPC on the cathode side. Giant. 8 shows a Pd foil with five layers of EIPC on one side, suspended on a frame stand after 20 hours of firing in an atmosphere tttttt tttttt ··
4· ·· «« · ·* «·4 · ··
NH3. Toto provedení je označeno jako Pd/ElPC. Pd/ElPC je pak vložen mezi dvě katalyzované plyn difundující vrstvy, jak je znázorněno na obr. 6.NH 3 . This embodiment is referred to as Pd / ElPC. The Pd / ElPC is then sandwiched between two catalyzed gas diffusing layers as shown in Figure 6.
(i) Příprava Pd fólie(i) Preparing the Pd film
Fólie z paládia o tloušťce 0, 0254 mm (0,001 palce), získaná od Johnoson Matthey, byla nařezána na čtvercové kusy o velikosti 3,5 x 3,5 cm2. Potom byla ožehnuta plamenem s použitím vodíkového hořáku a nalisována mezi dva plechy z nerezové ocele s použitím lisu Carver s tlakem 810 kg (1800 lb) , aby byla fólie měkká a plochá. V rozích byly vyraženy 4 malé otvory.A 0.001 inch thick palladium film, obtained from Johnoson Matthey, was cut into 3.5 x 3.5 cm 2 square pieces. It was then flamed using a hydrogen torch and pressed between two stainless steel sheets using a Carver press of 1800 kg (1800 lb) to make the film soft and flat. Four small holes were punched in the corners.
Byl připraven roztok PdCl2 50 g/1, NH4C1 30 g/1 a byla přidán HCI, aby se vytvořil roztok o pH 0,1 až 0,5 jak je uvedeno v publikaci PALLADIUM AND PALLADIUM-ALLOY PLATING, Ronald J. Morrisey, vydavatel Michael Murphy, METAL FINISHING 2000 Guidebook and Directory Iasue, Leden 2000, díl 98, číslo 1, str. 289 až 290.A solution of PdCl2 50 g / 1 NH4 C1 30 g / 1 HCl was added to form a solution of pH from 0.1 to 0.5 as specified in the publication PALLADIUM AND PALLADIUM-ALLOY PLATING, Ronald J. Morrisey, edited by Michael Murphy, METAL FINISHING 2000 Guidebook and Directory Iasue, January 2000, Volume 98, Number 1, pp. 289-290.
Pd Fólie byla zavěšena na hák vyrobený z Pd drátu, který také sloužil jako pracovní elektrodové přívodní vedení a ponořen do Pd roztoku. Další Pd drát byl použit jako proti elektroda. Pokovovací proud o 0,1 A působil po 20 sekund na obou stránách Pd Fólie s použitím potenciostatu (VersaStat™ od G&G Princetown Applied Research).Pd The film was hung on a hook made of Pd wire, which also served as a working electrode lead and immersed in a Pd solution. Another Pd wire was used as a counter electrode. A 0.1 A plating current was applied for 20 seconds on both sides of the Pd Film using a potentiostat (VersaStat ™ from G&G Princetown Applied Research).
Fólie s naneseným palladiem byla opláchnuta a zavěšena na doma vyrobený rám ve čtyřech rozích tenkým měděným drátem, aby se zabránilo zvlnění fólie během ohřívání.The palladium-coated film was rinsed and suspended on a home-made frame at four corners with thin copper wire to prevent the film from curling during heating.
(ii) Nanesení EIPC na katodovou stranu fólie to to to to «·· « toto·* to · · to • to ···· **· • to «* ·* · *·(ii) Applying the EIPC to the cathode side of the film to to to this to to to ** to to
EIPC a gel kysličníku křemičitého se smíchaly v molárním poměru 4:1. Poměr 4:1 byl založen na stechiometrickém poměru reakce:EIPC and silica gel were mixed in a 4: 1 molar ratio. The 4: 1 ratio was based on the stoichiometric reaction:
4(NH4)2HPO4 + Sio2 -» (NH4)2SÍP40i3 + 6NH3 + 5 NH3 + 5 H204 (NH 4 ) 2 HPO 4 + SiO 2 - (NH 4 ) 2 SIP 4 0i3 + 6NH 3 + 5 NH 3 + 5 H 2 0
Přidal se metanol a suspenze se stále míchala, aby se zabránilo usazení EIPC a kysličníku křemičitého. Suspenze byla nanesena pomocí vzduchu s použitím Aztek, model A320, vzduchového nanášecího zařízení, na jednu stranu Pd fólie pod infračervenou lampou, takže se metanol mohl odpařovat rychle a EIPC a gel kysličníku křemičitého mohl být dispergován stejnoměrně přes Pd fólii.Methanol was added and the suspension was constantly stirred to prevent the deposition of EIPC and silica. The slurry was applied by air using Aztek, model A320, air dispensing equipment, to one side of the Pd film under an infrared lamp so that methanol could evaporate rapidly and the EIPC and silica gel could be dispersed uniformly over the Pd film.
Jakmile byla dispergována jedna vrstva, Pd fólie se vypalovala v peci pod atmosférou NH3 při 400 °C po dobu dvou hodin a potom ochlazena na pokojovou teplotu. Potom se nastříkala vzduchem druhá vrstva na první vrstvu a potom byla spékána ve čpavku při 400 °C po 2 hodiny. Tento proces byl opakován dokud nebyly nastříkány 4 vrstvy. Po nanesení páté vrstvy, Pd fólie byla podrobena vypalování v atmosféře NH3 při 400 °C po 20 hodin. Pak byla snížena na 300 °C za jednu hodinu, 200 °C za jednu hodinu, 100 °C za jednu hodinu a nakonec na pokojovou teplotu.Once one layer was dispersed, the Pd film was baked in an oven under an atmosphere of NH 3 at 400 ° C for two hours and then cooled to room temperature. The second layer was then sprayed with air onto the first layer and then sintered in ammonia at 400 ° C for 2 hours. This process was repeated until 4 layers were sprayed. After deposition of the fifth layer, the Pd film was subjected to baking in an NH 3 atmosphere at 400 ° C for 20 hours. It was then reduced to 300 ° C in one hour, 200 ° C in one hour, 100 ° C in one hour and finally to room temperature.
(iii) Katalyzace EIPC nanesenému na Pd fólii(iii) Catalyzing EIPC on Pd film
Pd fólie byla vložena mezi dvě vysokoteplotní plochá těsnění, získaná od Dewal industry, RI. Platinový inkoust (Pt ink), vyrobený smícháním Pt sazí, získaných od Johnson Matthey, třídy palivových článků a 10 %hmot. EIPC prášku s isopropanolem, byl nastříkán na Pd fólii na stranu s EIPC vrstvou. Pt saze jsou vysoce dispergované platinové částice bez nosiče s typickou povrchovou plochou 65 m2 na gram platiny.The Pd film was sandwiched between two high temperature gaskets obtained from Dewal industry, RI. Platinum ink (Pt ink), made by mixing Pt carbon black, obtained from Johnson Matthey, fuel cell class and 10 wt. The EIPC powder with isopropanol was sprayed onto the Pd film on the EIPC layer side. Pt carbon black is a highly dispersed unsupported platinum particle with a typical surface area of 65 m 2 per gram of platinum.
V 9 9 · · Β 9 99 « * 9 9«9 9 9 9 9999 9 9 9 · (iv) Katalyzace plyn difundujících vrstevV 9 9 · · Β 9 99 «* 9 9« 9 9 9 9 9999 9 9 9 · (iv) Catalyst of gas diffusing layers
Elat je obchodní název značky karbonové tkaniny. Oboustranný Elat (E-Tek, lne.) se rozřezal na čtverce o straně 2 cm. Celková plocha Čtverců je 4 cm2. Oboustranná Elat je komerčně dostupná plyn difundující elektroda. Sestává z tkané karbonové textilie 116 g/cm2 (3,4 oz/yd2). Tlouštka této tkaniny byla 0,36 mm. Strana GDL, která je obrácená ke straně plynu, je odolná proti vlhkosti díky hydrofobní fluorokarbon/karbonové vrstvě. Komerčně dostupná tkanina Elat byl modifikován následujícím způsobem. Pt inkoust potom nanesen na jednu stranu dvou oboustranných tkanin Elat (ETek, lne.), z nichž každá měla velikost 4 cm2. Obě oboustranné Elat se usušily v peci při teplotě 120 °C po dobu 1 hodiny, aby se vyrobila katalyzovaná plyn difundující vrstva (GDL).Elat is the brand name of the carbon fabric brand. Two-sided Elat (E-Tek, Inc.) Was cut into 2 cm squares. The total area of the squares is 4 cm 2 . Bilateral Elat is a commercially available gas diffusing electrode. It consists of a woven carbon fabric of 116 g / cm 2 (3.4 oz / yd 2 ). The thickness of this fabric was 0.36 mm. The GDL side facing the gas side is moisture resistant due to the hydrophobic fluorocarbon / carbon layer. The commercially available Elat fabric was modified as follows. The Pt ink was then applied to one side of two Elat double-sided fabrics (ETek, Inc), each having a size of 4 cm 2 . Both bilateral Elat were dried in an oven at 120 ° C for 1 hour to produce a catalytic gas diffusing layer (GDL).
(C) Zkouška palivového článku (i) Soustava palivového článku(C) Fuel Cell Test (i) Fuel Cell System
Dvě katalyzované GDL se umístily do okna plochého těsnění s katalyzovanou stranou ve styku s Pd/EIPC. Pd/EIPC se vloží mezi dvě katalyzované GDL, čímž se dostane struktura označená jako GDL/Pd/EIPC/GDL. Tato složená soustava se pak vloží mezi PTFE těsnění s oknem z PTFE plochých těsnění vystaveným oblastem GDL, jak je znázorněno na obr. 6.Soustava obsahujícíTwo catalyzed GDLs were placed in the gasket side window with the catalyzed side in contact with Pd / EIPC. The Pd / EIPC is inserted between two catalyzed GDLs to give a structure designated as GDL / Pd / EIPC / GDL. This composite assembly is then inserted between the PTFE gaskets with the PTFE gaskets window exposed to the GDL areas as shown in FIG.
PTFE/GDL/Pd/EIPC/GDL/PTFE je potom vložena mezi dva grafitové bloky s průtočnými poli, -vyříznutými do ploch (viz koncové bloky z obr. 6), aby se vytvořila soustava palivového článku. Každý grafitový blok je označován jako průtočné pole (FF). Palivový článek je označen jako FF/PTFE/GDL/Pd/EIPC/GDL/PTFE/FF. Grafitové bloky průtočného pole grafitového článku jsou připevněny do « · φ * «·· φ • » · · * ···· · * • I · ι 2 «« příslušné polohy s použitím dvou válečků jako vyrovnávacích čepů. EIPC byl umístěn na katodové straně.PTFE / GDL / Pd / EIPC / GDL / PTFE is then sandwiched between two graphite blocks with flow fields cut into faces (see end blocks of Figure 6) to form a fuel cell assembly. Each graphite block is referred to as a flow field (FF). The fuel cell is designated as FF / PTFE / GDL / Pd / EIPC / GDL / PTFE / FF. The graphite blocks of the flow field of the graphite cell are mounted in the appropriate position using two rollers as alignment pins. The EIPC was placed on the cathode side.
(ii) Činnost palivového článku(ii) Fuel cell operation
Soustava palivového článku byla umístěna do vytápěného lisu (Carver lne. Model C), s vytápěnými tlačnými deskami a byla slisována tak, aby bloky palivového článku se přesně dotýkaly horkých desek. Dva fólie z Kaptonu (obchodní název pro polyimid) byly použity, aby elektricky izolovaly grafitové průtočné kanály od horkých desek lisu.The fuel cell assembly was placed in a heated press (Carver Inc. Model C), with heated pusher plates, and was pressed so that the fuel cell blocks accurately touch the hot plates. Two Kapton films (trade name for polyimide) were used to electrically isolate graphite flow channels from hot press plates.
Proudy vodíku a kyslíku obsahující 100 standardních kubických centimetrů za minutu (sccm) vodíku a 180-sccm kyslíku byly použity jako proud paliva. Proud paliva byl navlhčen při teplotě kropítka, před tím než se se přivede do soustavy palivového článku, průchodem proudu paliva zásobníky s vodou. Tyto zásobníky byly nazvány kropítko. Kropítko je zásobník, který je naplněn vodou. Plyn se zavádí do vody fritou. Účelem frity je dispergovat plyn do vody vytvořením malých bublinek. Plyn pak vystupuje z kropítka a potom se přivádí do reaktoru. Účelem kropítka je nasytit plyn vodou. Anodové a katodové kropítka byla předehřátá na 70 °C a rychlost proudu vzduchu kropítky byla 50 standardních kubických centimetrů za minut (sccm).Hydrogen and oxygen streams containing 100 standard cubic centimeters per minute (sccm) of hydrogen and 180-sccm oxygen were used as the fuel stream. The fuel stream was moistened at the temperature of the sprinkler before it was fed into the fuel cell assembly by passing the fuel stream through the water reservoirs. These magazines were called sprinklers. The sprinkler is a container that is filled with water. The gas is fed to the water. The purpose of the frit is to disperse the gas into water by forming small bubbles. The gas then exits the sprinkler and is then fed to the reactor. The purpose of the sprinkler is to saturate the gas with water. The anode and cathode sprinklers were preheated to 70 ° C and the air flow rate through the sprinklers was 50 standard cubic centimeters per minute (sccm).
Činnost palivového článku pro Test (1) a (2), popsaný dále, byl následující. Dusík nejprve procházel jak k anodovému tak katodovému průtokovému poli přes kropítko. Předehřívač vzduchu byl také použit mezi kropítky a palivovým článkem, který byl předehřát na 100 °C. Horké desky na anodové a katodové straně palivového článku byly ohřáté na 100 °C a potom na 200 °C a síla 22,5 kg (50 ·««* · · » · » · · • · ··· ♦ · * ·♦·· » · · * • Β · ··· *··· • v «* «· * ·· ·* liber) působila na vnější plochy bloky průtočných polí palivového článku.The operation of the fuel cell for Tests (1) and (2) described below was as follows. Nitrogen first passed to both the anode and cathode flow fields through the sprinkler. An air preheater was also used between the sprinklers and the fuel cell, which was preheated to 100 ° C. The hot plates on the anode and cathode sides of the fuel cell were heated to 100 ° C and then to 200 ° C and a 22.5 kg force (50 ° C). In the pounds (*), the fuel cell blocks have flow fields on the outer surfaces.
Test (1): Předehřívač kyslíku byl udržován na 250 °C. Jakmile se dosáhl ustálený stav teploty grafitových desek anodového průtočného pole na 200 °C, palivo a oxidační proud vodíku a kyslíku byly přivedeny na anodu a resp. katodu palivového článku s použitím regulátorů průtoku hmoty Unit Instrument Series 700 a digitální ovládací jednotky DX-5. Regulátor průtoku hmoty Unit Instruments a digitální ovládací jednotka DX-5 byly zakoupeny u Unit Instruments, lne. Yorba Linda, CA.Test (1): The oxygen preheater was maintained at 250 ° C. Once the steady state temperature of the graphite plates of the anode flow field was reached at 200 ° C, the fuel and the oxidation stream of hydrogen and oxygen were fed to the anode and resp. the fuel cell cathode using the Unit Instrument Series 700 mass flow controllers and the DX-5 digital control unit. The Unit Instruments Mass Flow Controller and DX-5 Digital Controller were purchased from Unit Instruments, Inc. Yorba Linda, CA.
Test (2) : Předehřívač kyslíku byl udržován na teplotě 250 °C. Jakmile se dosáhl ustálený stav teploty grafitových bloků průtočných polí na 250 °C dosáhla se provozní údaje jako u testu (1), s výjimkou, že teplota článku byla 250 °C.Test (2): The oxygen preheater was maintained at 250 ° C. Once the steady-state temperature of the graphite flow field blocks reached 250 ° C, the operating data as in Test (1) was reached except that the cell temperature was 250 ° C.
Zkoušky polarizace palivového Článku byly provedeny jak pro Test {lí tak (2) s Autolabem (EchpChemie B.V.) PGSTAT poteciostat. Křivky proudu versus napětí byly zaznamenány při teplotě 200 °C (test 1) a 250 °C (test 2) použitím různých potenciálů mezi 0,7 V a 0,1 V po dobu 60 s při každém potenciálu. Následující obrázek znázorňuje I-V polarizační křivku při 200 °C a 250 °C. Vodík ztrácí elektrony na katalytické ploše anody. Každá dvojatomová molekula vodíku ztrácí dva elektrony a získává dva protony. Dva elektrony jsou předány do vnějšího obvodu. Protony procházejí Pd fólií a potom vrstvou EIPC na straně katody. Elektrony procházejí vnějším obvodem, kde se dá provádět práce a potom na katalytickou plochu katody. Na katalytické katodové ploše, protony přicházející z MEA, elektrony z vnějšího obvodu a kyslík z plynové fáze všechny se • « *Fuel Cell Polarization Tests were performed for both Autolab (EchpChemie B.V.) PGSTAT potentiostat test (2) and (2). Current versus voltage curves were recorded at 200 ° C (test 1) and 250 ° C (test 2) using different potentials between 0.7 V and 0.1 V for 60 s at each potential. The following figure shows the I-V polarization curve at 200 ° C and 250 ° C. Hydrogen loses electrons on the catalytic surface of the anode. Each diatomic hydrogen molecule loses two electrons and acquires two protons. Two electrons are transferred to the outer circuit. The protons pass through the Pd film and then through the cathode side EIPC layer. The electrons pass through an external circuit where work can be performed and then onto the catalytic surface of the cathode. On the catalytic cathode surface, protons coming from the MEA, electrons from the outer circuit, and oxygen from the gas phase all se • «*
• · * ft · » * ·• · * ft
spojí dohromady a vytvoří vodu. Chemické reakce popsané shora lze popsat následujícími reakcemi:they combine to form water. The chemical reactions described above can be described by the following reactions:
Reakce na anodě: H2 -> 2H+ + 2e'Anode reaction: H 2 -> 2H + + 2e '
Reakce na katodě: l/2O2 + 2H+ + 2e' -> H20Cathode reaction: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e '-> H 2 O
Celá reakceThe whole reaction
H2 + l/2O2 —> H20H 2 + 1 / 2O 2 -> H 2 0
Hnací síla pro shora uvedené reakce je volná energie reakce pro spalování metanolu s kyslíkem, což je spontánní reakce. Rychlost reakce je dána proudem jako funkcí potenciálu. Křivky provedení pro test 1 a test 2 jsou znázorněny na obr. 9.The driving force for the above reactions is the free energy of the reaction for burning methanol with oxygen, which is a spontaneous reaction. The rate of reaction is given by current as a function of potential. The performance curves for test 1 and test 2 are shown in Figure 9.
(D) Technické údaje o palivovém Slánku(D) Fuel Cell Technical Data
Obr. 9 znázorňuje křivky technických údajů palivového článku. Údaje dokazují, že lze podle tohoto vynálezu získat výkonové křivky palivového článku při teplotách vyšších než u palivových článku s kyselinou fosforečnou a alkalických palivových Článků, a ještě při teplotách nižších než u palivových článků s roztaveným uhličitanem. Shora uvedené údaje také ukazují, že výkon MEA se zlepšuje se zvyšujícími se teplotami. Před tímto vynálezem, výkonové křivky žádného palivového článku se nezískaly při asi 250 °C.Giant. 9 shows the fuel cell technical data curves. The data demonstrate that, according to the present invention, fuel cell power curves can be obtained at temperatures higher than phosphoric acid fuel cells and alkaline fuel cells, and still at temperatures lower than molten carbonate fuel cells. The above data also show that MEA performance improves with increasing temperatures. Prior to the present invention, no fuel cell power curves were obtained at about 250 ° C.
Vodivost EIPC palivového článku, jehož výkonové křivky jsou znázorněny na obr. 9 je 1,0 x 104 S/cm. Z dané hodnoty vodivosti EIPC, byla vypočítána tloušfka, která poskytne film se zvoleným specifickým odporem plochy (ASR). Použitá kritéria byla taková, aby specifický odpor plochy MEA byl srovnatelný se specifickým odporem plochy Nafionu při 80 °C, který má protonovou vodivost podobnou jako má materiál, který bude v oblasti mezery z obr. 1 a 2. Volba tloušéky filmu EIPC tak, aby MEA měla dostatečnou » · a · · a · » a* a • a aaa a a *a*a aaa a a a a · · a aaaa aa aa aa a ·· ·* protonovou vodivost stejnou jako Nafion při 80 °C, byla provedena následovně:The conductivity of the EIPC of the fuel cell whose power curves are shown in Figure 9 is 1.0 x 10 4 S / cm. From a given EIPC conductivity value, the thickness was calculated to provide a film with the selected specific area resistance (ASR). The criteria used were such that the specific MEA surface resistance was comparable to that of Nafion at 80 ° C, which has a proton conductivity similar to that of the material that will be in the region of the gaps of Figures 1 and 2. The MEA had sufficient and aaa and aaa and aaa aaaa and aaaa aa aa aa and a proton conductivity equal to Nafion at 80 ° C, as follows:
Vodivost σ (v S/cm) = L/(RA) kde L je tloušťka v cm, R je odpor v Ω a A je plocha v cm2.Conductivity σ (in S / cm) = L / (RA) where L is the thickness in cm, R is the resistance in Ω and A is the area in cm 2 .
Specifický odpor plochy (ASR) v D.cm2 - RA = L/σSpecific area resistance (ASR) in D.cm 2 - RA = L / σ
U Nafionu 117 při 80 °C, je v instrukce uveden odpor elektrolytu 30 πιΩ na 5 cm2 palivového článku.For Nafion 117 at 80 ° C, the instruction states an electrolyte resistance of 30 πιΩ per 5 cm 2 of fuel cell.
Proto ASR u Nafionu při 80 °C při normálním provozu palivového článku = 0,150 Ω. cm2.Therefore, the ASR of Nafion at 80 ° C in normal fuel cell operation = 0.150 Ω. cm 2 .
Pro EIPC byla tloušťka L stanovena tak, aby vyhovovala ASR pro Nafion 117 při normálních provozních podmínkách podle vzorce:For EIPC, the thickness L was determined to meet the ASR for Nafion 117 under normal operating conditions according to the formula:
L = (ASR) .σL = (ASR)
Obrázek 10 znázorňuje jiný ASR (Ω.στη2) s tloušťkou EIPC v gm (mikronech) pro membránu z Nafionu 117 @ 80 °C a MEA z Testu 2, která byla testována při 250 °C. Z křivky I-V MEA z Testu 2 (obr. 9), odpor k protonové vodivosti byl vypočítán ze sklonu ohmického odporu při 19 ohmech. Bylo vypočítáno, že ASR pro tuto 76 μπτι EIPC membránu je 75 Ω. cm2. Aby se vyhovělo kritériu, aby ASR byl podobný odporu Nafionu 117 při 80 °C, musí být ASR asi 0,150 Ω. cm2 (jako Nafion na obr. 10). Zmenšováním tloušťky EIPC membrány MEA z Testu 2 ze 76 μπι (Příklad 1 z obr. 10) na asi 0,15 μπι (Příklad 13 z obr. 10) , tomuto kritériu pro ASR bylo vyhověno jak je znázorněno na obr. 10, kde ITE membrána označuje MEA z Testu 2.Figure 10 shows another ASR (στ.στη 2 ) with an EIPC thickness in gm (microns) for a Nafion 117 @ 80 ° C membrane and an MEA from Test 2 that was tested at 250 ° C. From the IV MEA curve of Test 2 (Fig. 9), the resistance to proton conductivity was calculated from the slope of the ohmic resistance at 19 ohms. The ASR for this 76 μπτι EIPC membrane was calculated to be 75 Ω. cm 2 . To meet the criterion that the ASR should be similar to that of Nafion 117 at 80 ° C, the ASR must be about 0.150 Ω. cm 2 (as Nafion in Fig. 10). By reducing the EIPC thickness of the MEA membrane from Test 2 from 76 μπι (Example 1 of Figure 10) to about 0.15 μπι (Example 13 of Figure 10), this ASR criterion was met as shown in Figure 10, where ITE membrane denotes MEA from Test 2.
♦ toto to to tototo • to to·· · to · ··· « * to to ♦ i toto ·« ·« · • toto • · to • · · to toto to«♦ to tot tot tot • * * * * * * * * * * * * toto toto toto toto «« ««
Tloušťka EIPC MEA plochy pro Příklady 1 j sou uvedeny dále:The thickness of the EIPC MEA area for Examples 1 are given below:
z Testu 2 a odpovídající specifický odpor az 13, které jsou vyhodnoceny na obr. 10,from Test 2 and the corresponding specific resistance up to 13, which are evaluated in Figure 10,
76,2 gm; Specifický odpor plochy=75,97Ω. cm2 50,8 gm; Specifický odpor plochy=50,64Ω. cm2 25,4 gm; Specifický odpor plochy=25,32Ω,cm2 2,54 μπι; Specifický odpor plochy=0,253Ω.cm2 0,23 gm; Specifický odpor plochy=0,23Ω.οιη2 0,203gm; Specifický odpor plochy=0,202Ω.σιη2 0,178gm; Specifický odpor plochy=0,177Q.cm2 O,152gm; Specifický odpor plochy=0,152Ω.cm2 0,127gm; Specifický odpor plochy=0,126Ω. cm2 0,102 gm; Specifický odpor plochy=0, ΙΟΐΩ-cm2 0,076gm; Specifický odpor plochy=0,076Ω.cm2 0,051gm; Specifický odpor plochy=0,051Ω.cm2 76.2 gm; Specific surface resistance = 75.97Ω. cm 2 50.8 gm; Specific surface resistance = 50.64Ω. cm 2 25.4 gm; Specific surface resistance = 25,32Ω, cm 2 2,54 μπι; Specific surface resistance = 0.253Ω.cm 2 0.23 gm; Specific surface resistance = 0.23Ω.οιη 2 0,203gm; Specific surface resistance = 0.202Ω.σιη 2 0.178gm; Specific surface area = 0.177Q.cm 2 0.152gm; Specific surface resistance = 0.152Ω.cm 2 0.127gm; Specific surface resistance = 0.126Ω. cm 2 0.102 gm; Specific area resistance = 0, ΙΟΐΩ-cm 2 0.076 gm; Specific surface resistance = 0,076Ω.cm 2 0,051gm; Specific surface resistance = 0.051Ω.cm 2
0,025gm; Specifický odpor plochy=0,025Ω. cm2 (3) Soustava palivového článku s částečným reformátem0,025gm; Specific surface resistance = 0.025Ω. cm 2 (3) Fuel cell system with partial reformate
Obr. 11 je schematické znázornění soustavy částečného reformátu, kde palivovým procesor je mimo palivový článek. Obr. 11 znázorňuje středně teplotní palivový článek, který dodává teplo reformátu, upozorňujeme na nepřítomnost WGS a jednotky PROX. Základem shora uvedené soustavy je struktura vysokoteplotní membránové elektrody, která muže pracovat při teplotě 2 50 až 400 °C. To dovoluje, Že se vysokokvalitní teplo předává z palivového článku na reformátor. Reformátor vyžaduje přívod tepla, protože reformní reakce je endotermická. Je dobře známo, že zvyšování pracovní teploty (150 až 350 °C) palivového článku snižuje požadavky na katalýzu. Lze ·· použít nikl jako katalyzátor anody. Výhoda této koncepce je, že středně teplotní palivový článek může být tepelně integrován s reformátorem. Při dostatečně vysokých teplotách, metanol, CO a vodík jsou všechno paliva. Reformátor potřebuje pouze vytvářet dostatečně vysoký parciální tlak vodíku, aby se zatížila fólie. Proto tato soustava odstraňuje potřebu měnič a PROX jednotku. Dále, exotermický palivový článek může vysílat teplo do reformátoru.Giant. 11 is a schematic representation of a partial reformate system wherein the fuel processor is outside the fuel cell. Giant. 11 shows a medium temperature fuel cell that supplies the reformate heat, noting the absence of WGS and PROX. The above-mentioned system is based on the structure of the high temperature membrane electrode, which can operate at a temperature of 2550 ° C to 400 ° C. This allows high-quality heat to be transferred from the fuel cell to the reformer. The reformer requires heat input because the reform reaction is endothermic. It is well known that increasing the working temperature (150 to 350 ° C) of a fuel cell reduces the catalysis requirements. Nickel can be used as the anode catalyst. The advantage of this concept is that the medium temperature fuel cell can be thermally integrated with the reformer. At sufficiently high temperatures, methanol, CO and hydrogen are all fuels. The reformer only needs to generate a sufficiently high hydrogen partial pressure to load the film. Therefore, this system eliminates the need for a drive and a PROX unit. Further, the exothermic fuel cell may transmit heat to the reformer.
Palivový článek s částečným reformátem může být vyroben standardními technologiemi zahrnujícími palivové procesory. Protože palivový článek pracuje při zvýšených teplotách, reaktory WGS a jednotky PROX lze odstranit. Palivový článek s částečným reformátem podle tohoto vynálezu má vysokoteplotní elektrolytický systém, který umožňuje, aby soustava s částečným reformátem pracovala při zvýšených teplotách palivového článku.The partial reformate fuel cell can be manufactured using standard technologies including fuel processors. Because the fuel cell operates at elevated temperatures, WGS reactors and PROX units can be removed. The partial reformate fuel cell of the present invention has a high temperature electrolytic system that allows the partial reformate system to operate at elevated fuel cell temperatures.
Palivový Článek s částečným reformátem podle obr. 10 se použije následovně. Metanol a voda se přivede do reformátoru. Endotermický reformátor se ohřeje spalováním nepoužitého paliva z anodového zbytkového plynu a teplem vysílaným z palivového článku do reformátoru. Vodík, CO a některý nereformovaný metanol opouští reformátor a přivádí se na anodové plénum palivového článku. Vodík se oxiduje na anodě. CO neotráví anodu, protože teplota je příliš vysoká. Neoxidovaný metanol a CO odchází ze zbytkového plynu a slouží jako spalovací palivo, spolu s vodíkem, který nezreagoval, aby se přivedlo teplo do reformátoru. Neexistuje žádný předchozí případ tohoto při nárokované pracovní teplotě v rozsahu 250 °C a 400 °C, protože MEA pracující v rozsahu této teploty byl již dříve popsána.The partial reformate fuel cell of Figure 10 is used as follows. Methanol and water are fed to the reformer. The endothermic reformer is heated by combustion of unused fuel from the anode residual gas and heat transmitted from the fuel cell to the reformer. Hydrogen, CO and some unreformed methanol leave the reformer and are fed to the anode plenum of the fuel cell. Hydrogen is oxidized at the anode. CO does not poison the anode because the temperature is too high. The non-oxidized methanol and CO leave the residual gas and serve as the combustion fuel, along with the hydrogen that has not reacted to bring heat to the reformer. There is no previous case of this at the claimed operating temperature between 250 ° C and 400 ° C, since MEAs operating at this temperature range have been previously described.
• « * · · • tttttt· » • · ··· tttt tt ·«·· tt · • tt tttttttt tt tttt tttt tttt · ttttTttt tt tt ttt ttt ttt ttt ttt ttt ttt ttt ttt ttt ttt ttt
Vnitřní reformováníInternal reforming
Metanol se reformuje při teplotě mezi 250 °C a 350 °C. Protože palivový Článek podle tohoto vynálezu může pracovat při těchto teplotách, katalyzátor pro reformování metanolu může být zahrnut přímo do průtočných polí anodového pléna. Proto může být vodní metanol přiváděn na anodové průtočné pole a může být přeměněn na vodík přímo v průtočném poli. Když je potom vodík oxidován na anodě rovnováha pro reformní reakci se přesune na stranu produktu (tj. více vodíku se vytváří když je vodík spotřebováván na anodě. Koncepce vkládání katalyzátoru reformujícího metanol do průtočného pole není nový. Tato strategie se používá v průmyslu palivových článků s roztaveným uhličitanem. V tomto průmyslu jsou katalyzátory reformující metan začleněn do anodových průtočných polích. Metan se reformuje vnitřně a je oxidován na anodě. Prováděly se pokusy reformovat metanol vnitřně v palivových článcích s polymerním elektrolytem. Výsledky byly velmi špatné, protože pracovní teplota byla příliš nízká. Horní mez pracovní teploty byla vždy dána horní mezí polymerního elektrolytu. Protože koncepce tohoto vynálezu dovoluje operaci soustavy membránové elektrody při vyšší teplotě, kinetika reformního procesu se značně zlepší. Proto koncepce vynálezu umožňuje technologii vnitřní reformace u palivových článků uvnitř mezery teplot mezi palivovým článkem s roztaveným uhličitanem a palivovým článkem s kyselinou fosforečnou. Údaje o reformním procesu jsou obsaženy na obr. 12, který ukazuje, že vnitřní reformní výkon je skoro stejný od 200 °C do 300 °C při dvou různých průtočných rychlostech přívodu vodního metanolu. Téměř všechno z výkonu lze spočítat podle vodíku a C02.The methanol is reformed at a temperature between 250 ° C and 350 ° C. Since the fuel cell of the present invention can operate at these temperatures, the methanol reforming catalyst can be included directly in the flow fields of the anode plenum. Therefore, the aqueous methanol can be fed to the anode flow field and can be converted to hydrogen directly in the flow field. When hydrogen is then oxidized at the anode, the equilibrium for the reforming reaction moves to the product side (ie more hydrogen is generated when hydrogen is consumed at the anode. The concept of inserting methanol reforming catalyst into the flow field is not new. In this industry, methane reforming catalysts are incorporated into anode flow fields, methane is internally reformed and is oxidized at the anode, attempts have been made to reform methanol internally in polymer electrolyte fuel cells, and the results were very poor because the working temperature was too low The upper limit of the working temperature has always been given by the upper limit of the polymer electrolyte Since the concept of the present invention allows the operation of the membrane electrode assembly at a higher temperature, the kinetics of the reforming process is greatly improved. the logic of internal reformation for fuel cells within the temperature gap between the molten carbonate fuel cell and the phosphoric acid fuel cell. The reform process data is shown in Figure 12, which shows that the internal reform performance is nearly the same from 200 ° C to 300 ° C at two different water methanol feed rates. Almost all of the power can be calculated according hydrogen and C0 second
Shora uvedený popis je uveden proto, aby odborníci v oblasti techniky mohli vyrobit a použít vynález a je poskytnut v kontextu určitého uplatnění a jeho požadavků. Odborníkům bude také zřejmé,The above description is provided to enable those skilled in the art to make and use the invention and is provided in the context of a particular application and its requirements. It will also be apparent to those skilled in the art
Φ · Φ » *««· 9 « Φ ··· · Φ ΦΦΦ· · ΦΦ · Φ * * * * * * 9 9 9 9 9 9 · ·
Φ · · Φ φ Φ · «· · Φ 9 ΦΦ Φ· že je možno provést různé úpravy výhodných provedení a zde uvedené všeobecné principy lze uplatnit u jiných provedení a použití, aniž by došlo k odchýlení od ducha a rozsahu vynálezu. Proto tento vynález není určen k omezení na popsaná provedení, ale musí se shodovat s nej Širším rozsahem, který souhlasí se zde popsanými principy a znaky.It will be appreciated that various modifications of the preferred embodiments may be made and the general principles set forth herein may be applied to other embodiments and uses without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the present invention is not intended to be limited to the embodiments described, but must be within the broadest scope consistent with the principles and features described herein.
V této přihlášce jsou uvedeny některá omezení číselných rozsahů. Odborníkům je jasné, že v uvedených číselných rozsazích jsou zahrnuty všechny rozsahy spadající do uvedených číselných rozsahů, i když přesné rozsahové omezení není výslovně uvedeno v popisu tohoto vynálezu, protože předložený vynález může být provozován v celých uvedených číselných rozsazích. Držet se opaku by nechalo formu triumfovat nad podstatou a dovolilo by, aby požadavek písemného popisu vyčlenil nároky, které mohou být jednoduše zúženy během řízení, protože je přihlašovatelé v této přihlášce široce popsaly, ale mohou pak své nároky zúžit během řízení. Konečně, všechny v této přihlášce uvedené patenty a publikace jsou zde zahrnuty v odkazech.In this application some limitations of the number ranges are given. It will be appreciated by those skilled in the art that all ranges falling within said numerical ranges are included within said numerical ranges, although the exact range limitation is not explicitly stated in the description of the invention, since the present invention may be operated throughout the entire numerical ranges. Adhering to the opposite would allow the form to triumph over substance and would allow the requirement of a written description to set aside claims that can be simply narrowed during the proceedings, since the applicants have broadly described them in this application but can then narrow their claims during the proceedings. Finally, all patents and publications cited in this application are incorporated herein by reference.
Claims (57)
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US22212800P | 2000-07-31 | 2000-07-31 | |
US14420800A | 2000-10-31 | 2000-10-31 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CZ2003346A3 true CZ2003346A3 (en) | 2003-09-17 |
Family
ID=27807362
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CZ2003346A CZ2003346A3 (en) | 2000-07-31 | 2001-06-22 | Hydrogen permeable membrane for use in fuel cells, and partial reformate fuel cell system having reforming catalysts in the anode fuel cell compartment |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CZ (1) | CZ2003346A3 (en) |
-
2001
- 2001-06-22 CZ CZ2003346A patent/CZ2003346A3/en unknown
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7923165B2 (en) | Electrolyte components for use in fuel cells | |
AU2001271398A1 (en) | Hydrogen permeable membrane for use in fuel cells, and partial reformate fuel cell system having reforming catalysts in the anode fuel cell compartment | |
US6602630B1 (en) | Membrane electrode assemblies for electrochemical cells | |
US6117581A (en) | Fuel cell electrode comprising conductive zeolite support material | |
CN100438160C (en) | Pt/Ru alloy catalyst for fuel cell | |
US7144652B2 (en) | Membrane-electrode assembly for polymeric membrane fuel cell | |
US20060099482A1 (en) | Fuel cell electrode | |
KR101520119B1 (en) | Catalyst layer | |
US20230366109A1 (en) | Solid acid electrochemical cells for the production of hydrogen | |
JPH05258755A (en) | Manufacture of solid polyelectrolyte fuel cell | |
JP2002110180A (en) | Film-electrode unit for polyelectrolyte fuel cell, method for making the same, and ink for making the same | |
US7887940B2 (en) | Electrolyte membrane, electrode, and fuel cell | |
US20040247992A1 (en) | Fuel cell | |
KR20110001004A (en) | Catalyst for fuel cell and low-humidified mea | |
JP2002231265A (en) | Fuel cell | |
CN104205458A (en) | Fuel cell | |
JP2004512652A (en) | Cathode layer structure for solid polymer fuel cell and fuel cell containing such structure | |
EP2102928A1 (en) | Fuel cell catalyst, fuel cell cathode and polymer electrolyte fuel cell including the same | |
Scherer | Fuel cell types and their electrochemistry | |
JP2013514873A (en) | Hydrogen or oxygen electrochemical pumping catalyst membrane reactor and use thereof | |
KR100524819B1 (en) | High Temperature Proton Exchange Membrane Using Ionomer/Soild Proton Conductor, Preparation Method Thereof and Fuel Cell Containing the Same | |
CZ2003346A3 (en) | Hydrogen permeable membrane for use in fuel cells, and partial reformate fuel cell system having reforming catalysts in the anode fuel cell compartment | |
JP2009070733A (en) | Manufacturing method of single-chamber fuel cell and modified manganese oxide | |
JP2003282095A (en) | Electrolyte membrane for fuel cell and production process thereof | |
JP2006278231A (en) | Proton conductive film for fuel cell, film electrode complex and fuel cell |