与操作燃料电池的方法有关的装置制造方法及图纸

本发明专利技术描述了一种方法和相关装置，让供给有空气和含氢和至少１００ｐｐｍ的一氧化碳的气体的膜燃料电池的电池堆随着时间稳定工作，其特征在于它以自调节的连续方式或以依次断开的方式在所述电池的阳极侧提供了氧化条件。描述了本发明专利技术的不同实施方式，其中通过以下方式获得氧化条件：向含有氢和一氧化碳的气体中添加由与燃料电池堆结合在一起的电解槽中产生的氧；或者让空气流过在双基板中获得的多孔区域；或者采用高扩散速率膜，其中，通过调节在空气和含氢和一氧化碳的气体之间存在的压力差，在两种情况下调节空气流速。根据本发明专利技术另一个实施例，通过依次短路设置有连接到控制单元的外部接点的燃料电池堆，获得氧化条件。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
与操作燃料电池的方法有关的装置本申请是申请日为2002年3月6日、申请号为02805460.1、专利技术名称为“对供给有含氢和氧化碳气体的燃料电池进行操作的方法以及与其有关的装置”的专利技术专利申请的分案申请。
本专利技术涉及对供给有含氢和氧化碳气体的燃料电池进行操作的方法以及与其有关的装置。
技术介绍
人们早就知道用作电化学装置的燃料电池，它允许从化学反应的自由能向电能的直接转换。这样，燃料电池不受Carnot循环典型限定条件的影响，它们的能量转换效率明显高于以燃烧为基础的系统例如Otto和Diesel型马达以及通常用于民用的加热器和工业加热系统。此外，燃料电池工作的特点是没有有害的释放物，例如一氧化碳、芳香族多环碳氢化合物、氧化氮和相反作为内部燃烧系统常量的粉末。目前人们普遍认识到的这两个正面特性和在大城市密集、环境质量逐步恶化的问题增加了人们对燃料电池的兴趣，今天，已经获得了用于燃料电池内部关键部件的新的、先进的结构材料，以及在限定成本的情况下，用于大批量生产的可行的新生产方法。在各种已知的类型中，薄膜燃料电池看上去相当接近于商用阶段。这些电池主要由两个多孔电极构成，这两个电极设置有合适的催化剂的并包括插入的薄质子导电膜。该组件设置在两个导电板之间，这两个导电板具有向两个电极输送反应物、防止反应物释放到外部环境以及取回由催化剂催化的化学反应产生的电能的多种功能。为了获-->得常规应用所需要的高电流密度，将多个单电池组装成真正的电池，目前称作“电池堆”。为了使这种类型的电池堆正常工作，质子导电膜必须表现出高导电性，以便尽可能地减小由于欧姆降引起的电能流失。目前采用的薄膜基于磺化聚合物，尤其是全氟化聚合物，必须保持在高的水合条件。此目标通过将操作温度限制到60-90摄氏度并仅在适当加湿之后输送上述气体而得以实现。使膜组件工作的反应物由输送到正极(阴极)的含氧气体(最好是空气)构成，以及由输送到负极(阳极)的含氢气体构成。对于空气而言，没有遇到明显的不能供应的限制条件，仅有的问题关系到减少粉末的要求和压力值，尤其对于汽车应用，此值优选高于大气压。对于氢而言，可以在瓶中、在压力下以纯氢方式提供，或者在具有高效热绝缘性的特殊容器中以低温液体的方式提供。然而，如今不再直接使用纯氢，这当然表示对于燃料电池普及的决定性障碍，至少对于批量应用，例如为了在民用和工艺建筑中产生电能和热量的固定应用，以及用于汽车的应用。这些应用获得了最大的工业兴趣，对于研制和随后的试验阶段需要证明获得最大利润的事实。为此，如今的技术趋向于借助现有的吸热或热自动补偿重整工艺从碳氢化合物例如甲烷、LPG、汽油和醇类例如甲醇和乙醇得到氢的原位产物。因此，此处的燃料电池系统由电池堆、重整反应器、辅助组件例如风扇/压缩机、循环泵、热交换器、阀和控制电子元件构成。在碳氢化合物或醇和水之间的蒸汽重整反应在第一高温步骤中生成氢、一氧化碳、二氧化碳、水、在某些情况下的碳的混合物，随后这些混合物以比较低的温度转化为氢、二氧化碳、剩余的水和在某些情况下的碳(此操作通常称为“CO-转变”)。这种最终的混合物仍含有少量的一氧化碳，根据在CO转变过程中采用的条件下通常在0.5-1％之间。二氧化碳没有负面影响，反之存在一氧化碳(CO)会给结合到电池堆中的催化剂的正常工作带来严重问题，这是因为CO能够吸收到活性位置上，因此不能再进行与氢的所需反应。在原有技术膜燃料-->电池的工作温度下，典型为60-90摄氏度，吸收是特别明显的，仅当来自重整单元的气体中CO的含量特别小时，尤其低于百万分之十(10ppm)，才能消除吸附。在设置有非常特殊催化剂的附加可选的氧化反应器中的最下游CO单元获得此结果：在添加适当的特制量空气之后，将含有氢、二氧化碳、水、在某些情况下的碳的气体注入到反应器的内部，在反应器中，含在空气中的氧将CO氧化成二氧化碳。这种装置有一系列不利的负面效应，具体来说：氢的损失，即使仅有一部分氢与氧结合形成了水，随后也存在着可选的氧化反应器温度升高的危险，利用空气中所含的氮稀释，临界值的调整，随着时间引起了对工作可靠性的质疑，在可能达到电池堆的CO含量的重峰的情况下控制的可能损失，系统的附加成本。R.A.Lemons在Journal of Power Source，29(1990)，第251页中描述了一种用于操作膜燃料电池的可选溶液，该燃料电池中的重整气体含有的CO浓度远远地超过10ppm的严格限制：添加有适量空气的重整气立即使上游电池堆显示出非常接近于完全没有CO的气体的性能。然而，由Lemons公开的方法需要非常精密的调整系统，随着时间的推移该系统被证明不是完全可靠的，并且它增加了整个系统的成本。空气注入装置的失效会引起许多后果，例如，可能导致阳极温度增加，这使催化剂不可逆地失去活性，在更坏的一种情况下，在电池堆中形成爆炸性氢氧混合物。允许避免空气流动调整装置的这一构思的可选实施方式在DE19646354中描述。对于CO氧化所必需的氧在水电解池中产生并添加到含氢和一氧化碳的气体中：在这种情况下，即使当由电池堆产生的电能输出发生变化时，通过适当的调整输送到水电解池中的电流，也能保持氧的百分比恒定。因此必须应用合适的调整装置，这再一次带来了成本以及类似于与注入空气流动的调节有关的上述问题。DE19710819描述了一种用于使受到在含氢气体中存在的一氧化碳引起的性能失效的影响的燃料电池重新活化的方法，该方法基于在-->工作过程中电池的周期性短路。假设在短路过程中阳极的电化学电位增加至一定值，其中在阳极界面中存在的水转化为完全吸附到催化颗粒表面的OH-和O:自由基(radical)。这些自由基将堵塞催化位置的CO转化为不吸附的惰性二氧化碳。在短路结束时，催化剂可以正常工作；然而，在缺乏连续性保护的情况下，性能再次恶化。这就需要周期性的重复短路步骤。显然将这种方法应用于商业系统中的电池堆操作会导致电流输出的周期性变化，这对使用者来说是无法接受的。为了克服与上述方法有关的问题，用于研制膜燃料电池技术的大部分努力都集中在阳极催化剂的最佳化，这些阳极催化剂对于在来自重整和一氧化碳转化单元的气体中存在的至少100ppm的一氧化碳浓度具有固有的抵制性。这些催化剂有与其它贵金属或非贵金属混合的Pt构成，例如钌和钼，后者在US6165636中描述。这些配方基于两方面的原则：减弱一氧化碳吸收能量，加强氢吸收能量，多亏了这些合金的电子结构，在通过所添加的金属如在钌和钼的情况下提供的催化位置上增加了吸收氧化物质的形成例如OH-。这些催化剂显示出相当的脆弱：例如钼可以进行可逆的氧化，在过高的电流输出下或者当保持重整气体流速方面的问题是从经验中得出时，这种可逆的氧化会破坏其所有的抵制性能。在最有利的假设中，最有利的数据表明以抑制催化剂中毒为基础的方法允许采用含高达约100ppmCO的气体：在此情况下，重整和CO转化单元必须配置有可选的氧化反应器，随着设计的简化，甚至对所生成的气体纯度的要求可以不再那么严格。然而在切断或性能失效的过程中万一出现影响组成的强烈的异常，破坏的可能性还是不能消除，其消除需要对电池堆和/或重整和CO转化反应器的附加控制。解决由一氧化碳所引起的中毒问题的另一种本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压滤机结构，包括至少一个用于产生氢和氧的水电解池和多个在阳极供给有含至少１００ｐｐｍ的一氧化碳的燃料的燃料电池，其特征在于，所述至少一个电解池和所述燃料电池通过相同的电流供给系统以串联的方式电连接，且传送由所述至少一个水电解池产生的氧的导管连接到向所述燃料电池的阳极供给燃料的气体分布管道。

【技术特征摘要】
IT 2001-3-6 MI01A0004591.一种压滤机结构，包括至少一个用于产生氢和氧的水电解池和多个在阳极供给有含至少100ppm的一氧化碳的燃料的燃料电池，其特征在于，所述至少一个电解池和所述燃料电池通过相同的电流供给系统以串联的方式...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱赛佩费塔，恩瑞克拉姆尼，
申请(专利权)人：纽韦拉燃料电池欧洲有限责任公司，
类型：发明
国别省市：IT[意大利]