具有耐一氧化碳阳极的电化学电池及其制造方法技术

本申请涉及具有耐一氧化碳阳极的电化学电池及其制造方法。一种耐一氧化碳(CO)的膜电极组合件MEA包括离子导电质子交换膜；阳极，所述阳极接触所述膜的第一侧并且包括疏水粘合剂、离聚物粘合剂、第一催化剂颗粒、第二催化剂颗粒和阳极气体扩散层GDL；阴极，所述阴极接触所述膜的第二侧并且包括阴极GDL。所述第一催化剂颗粒被配置为优先催化CO的氧化，且所述第二催化剂颗粒被配置为优先催化氢离子的产生。二催化剂颗粒被配置为优先催化氢离子的产生。二催化剂颗粒被配置为优先催化氢离子的产生。

【技术实现步骤摘要】
具有耐一氧化碳阳极的电化学电池及其制造方法


[0001]本申请要求于2021年4月8日提交的印度临时申请第202111016645号的权益，所述申请以全文并入本文中。
[0002]领域
[0003]本公开大体上涉及电化学电池，并且更具体地涉及具有用于从燃料排出物中回收氢气的电化学电池的燃料电池系统。

技术介绍

[0004]燃料电池是一种电化学装置，可以将储存在燃料中的能量高效地转化为电能。高温燃料电池包括固体氧化物和熔融碳酸盐燃料电池。这些燃料电池可以使用氢气和/或烃燃料运行。有一些类别的燃料电池，例如固体氧化物再生燃料电池，也允许反向运行，从而可以使用电能作为输入将氧化的燃料还原为未氧化的燃料。
附图说明
[0005]图1、2和3A是根据本公开的各种实施例的燃料电池系统的示意图。
[0006]图3B是图3A的燃料电池系统的中心柱的截面透视图。
[0007]图4是根据本公开的各种实施例的PEM电化学电池的示意性侧面横截面透视图。
[0008]图5是根据本公开的各种实施例的包括电化学电池堆叠的泵分离器的示意性侧面横截面图。
[0009]图6绘示了根据本公开的各种实施例的形成膜电极组合件(MEA)的方法600。

技术实现思路

[0010]根据本公开的一个实施例，一种耐一氧化碳(CO)的膜电极组合件(MEA)包括离子导电质子交换膜；阳极，所述阳极接触所述膜的第一侧并且包括疏水粘合剂、离聚物粘合剂、第一催化剂颗粒、第二催化剂颗粒和阳极气体扩散层(GDL)；阴极，所述阴极接触所述膜的第二侧并且包括阴极GDL。所述第一催化剂颗粒被配置为优先催化CO的氧化，且所述第二催化剂颗粒被配置为优先催化氢离子的产生。
[0011]根据本公开的一个实施例，一种形成膜电极组合件(MEA)的方法包括：将第一阳极墨沉积在阳极气体扩散层(GDL)上，所述阳极墨包含第一催化剂颗粒和第一粘合剂；对所述第一阳极墨进行热处理以形成与所述阳极GDL粘合的第一阳极层；以及将所述阳极GDL热压到质子交换膜的阳极侧。
具体实施方式
[0012]应理解，当一个元件或层被称为“在”另一个元件或层上或“连接到”另一个元件或层时，它可以直接在另一个元件或层上或直接连接到另一个元件或层，或者可能存在中间的元件或层。相反，当一个元件被称为“直接在”或“直接连接到”另一个元件或层时，不存在
中间元件或层。应理解，出于本公开的目的，“X、Y以及Z中的至少一个”可以被理解为仅X、仅Y、仅Z或项目X、Y以及Z中的两个或大于两个的任何组合(例如XYZ、XYY、YZ、ZZ)。
[0013]在提供值范围的情况下，应理解，介于所述范围的上限与下限之间的每个中间值(除非上下文另外明确规定，否则到下限的单位的十分之一)以及所陈述范围中的任何其它所陈述的值或中间值均涵盖在本专利技术内。这些较小范围的上限和下限可以独立地包括在更小范围内并且也涵盖于本专利技术内，从属于所述范围内的任何具体排除限值。在所陈述的范围包括限值中的一个或两个的情况下，排除那些被包括在内的限值中的任一个或两个的范围也包括在本专利技术中。还应理解，术语“约”可指例如5至10％的微小测量误差。此外，本文所用的重量百分比(wt％)和原子百分比(at％)分别是指相应组合物的总重量百分比或原子总数百分比。
[0014]例如“之后”、“然后”、“下一步”等词语不一定旨在限制步骤的顺序；这些词可用于引导读者了解方法的描述。此外，以单数形式对权利要求要素的任何引用，例如，使用冠词“一个(种)(a/an)”或“所述”不应被解释为将要素限制为单数。
[0015]本专利技术的第一和第二实施例说明了电化学泵分离器如何与燃料电池系统，例如固体氧化物燃料电池系统一起使用。应注意，也可以使用其它燃料电池系统。
[0016]在第一实施例的系统中，燃料加湿器用于加湿提供给燃料电池堆叠的燃料入口流。在第二实施例的系统中，可以省略燃料加湿器。一部分燃料电池堆叠燃料排出流被直接再循环到燃料入口流中以加湿燃料入口蒸汽。另一部分燃料电池堆叠燃料排出流被提供给分离器，然后将分离的氢气提供给燃料入口流。
[0017]图1是显示根据本公开的第一实施例的燃料电池系统100的示意图。系统100含有燃料电池堆叠101，例如固体氧化物燃料电池堆叠(示意性地绘示以显示堆叠的一个固体氧化物燃料电池，其含有陶瓷电解质(例如氧化钇稳定的氧化锆(YSZ))、阳极电极(例如镍
‑
YSZ金属陶瓷)和阴极电极(例如锰酸锶镧))。
[0018]系统100还含有电化学泵分离器150，其从燃料排出流中电化学分离出氢气。泵分离器150可以包含任何合适的包含聚合物电解质的质子交换膜装置。优选地，泵分离器150包含耐一氧化碳电化学电池的堆叠，例如高温、低水合离子交换膜电池的堆叠。这些电池通常在高于100℃到约200℃范围内的温度下运行。因此，系统100中的热交换器优选地将燃料排出流保持在约120℃到约200℃，例如约160℃到约190℃的温度下。
[0019]系统100还含有燃料排出管道153，其将燃料电池堆叠101的燃料排出出口103可操作地(即，流体地)连接到泵分离器150的阳极入口151。系统100还含有产物管道157，其将泵分离器150的阴极出口158可操作地(即，流体地)连接到燃料入口管道111，所述燃料入口管道可操作地(即，流体地)将堆叠101的燃料入口105连接到外部燃料源。系统100还含有分离器排出管道159，其将泵分离器150的阳极出口152可操作地(即，流体地)连接到阳极尾气氧化器(ATO)140或大气排出口。
[0020]系统100进一步包括燃料加湿器119，所述燃料加湿器可操作地连接到燃料入口管道111和分离器排出管道159。在运行中，燃料加湿器119使用含有输出到分离器排出管道159的分离器排出物的水蒸气加湿燃料入口管道111中的燃料，所述燃料包括再循环的氢气。燃料加湿器119可以包含聚合膜加湿器，例如膜加湿器、焓轮或多个水吸附剂床，如例如美国专利第6,106,964号和美国申请第10/368,425号中所述，所述专利均以全文
引用的方式并入本文中。举例来说，一种合适类型的加湿器包含可从博纯有限责任公司(Perma Pure LLC)购得的基于的传递水蒸气和焓的透水膜。燃料加湿器119将来自燃料排出流的水蒸气和焓被动地转移到燃料入口流中，以在燃料入口流中提供2到2.5的蒸汽与碳之比。燃料加湿器119可将燃料入口管道111中的燃料温度升高到约80到约90℃。
[0021]系统100还含有可操作地连接到燃料入口管道111和燃料排出管道153的回热式热交换器121(例如，阳极回热器)。燃料热交换器121使用从燃料排出出口103(例如管道)中的燃料排出物提取的热量加热燃料入口管道111中的燃料。燃料热交换器121有助于提高进入的燃料的温度并降低燃料排出物的温度，从而使其可以在冷凝器中进一步冷却并且不会损坏燃料加湿器119。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耐一氧化碳(CO)的膜电极组合件MEA，其包含：离子导电质子交换膜；阳极，所述阳极接触所述膜的第一侧并且包含阳极气体扩散层GDL、疏水粘合剂、离聚物粘合剂、第一催化剂颗粒和第二催化剂颗粒；以及阴极，所述阴极接触所述膜的第二侧并且包含第三催化剂颗粒和阴极GDL；其中：所述第一催化剂颗粒被配置为优先催化CO的氧化；且所述第二催化剂颗粒被配置为优先催化氢离子的产生。2.根据权利要求1所述的MEA，其中所述阳极包含：第一阳极层，其包含所述第一催化剂颗粒和所述疏水粘合剂；和第二阳极层，其包含所述第二催化剂颗粒和所述离聚物粘合剂，其中所述第二阳极层位于所述第一阳极层与所述膜之间。3.根据权利要求2所述的MEA，其中：所述第一催化剂颗粒包含第一Pt
‑
Ru合金；且所述第二催化剂颗粒包含具有比所述第一Pt
‑
Ru合金高的Pt:Ru比的第二Pt
‑
Ru合金。4.根据权利要求3所述的MEA，其中：所述第一阳极层与所述阳极GDL粘合；所述第二阳极层与所述第一阳极层以及与所述膜粘合；所述第一Pt
‑
Ru合金具有在约60:40到约40:60范围内的Pt:Ru比；且所述第二Pt
‑
Ru合金具有在约55:45到约70:30范围内的Pt:Ru比。5.根据权利要求3所述的MEA，其中：所述第一Pt
‑
Ru合金具有约50:50的Pt:Ru比；且所述第二Pt
‑
Ru合金具有约66:33的Pt:Ru比。6.根据权利要求2所述的MEA，其中：所述疏水粘合剂包含聚四氟乙烯(PTFE)；所述第一阳极层包含负载量在约0.8mg/cm2到约1.2mg/cm2范围内的所述第一催化剂颗粒；所述第二阳极层包含负载量在约0.5mg/cm2到约0.9mg/cm2范围内的所述第二催化剂颗粒；且所述第一催化剂颗粒的所述负载量高于所述第二催化剂颗粒的所述负载量。7.根据权利要求6所述的MEA，其中所述阴极包括负载量在约0.025mg/cm2到约0.75mg/cm2范围内的所述第三催化剂颗粒。8.根据权利要求1所述的MEA，其中所述阳极进一步包括安置在所述阳极GDL的面向所述膜的表面上的微孔层，所述微孔层包含碳材料和疏水材料。9.根据权利要求8所述的MEA，其中所述微孔层包含炭黑和聚四氟乙烯(PTFE)的混合物。10.根据权利要求1所述的MEA，其中：所述阳极为单层结构；所述阳极具有与所述阳极GDL相邻的相对高浓度的所述第一催化剂颗粒和与所述膜相
邻的相对低浓度的所述第一催化剂颗粒；且所述阳极具有与所述膜相邻的相对高浓度的所述第二催化剂颗粒和与所述阳极GDL相邻的相对低浓度的所述第二催化剂颗粒。11.根据权利要求10所述的MEA，其中：所述第一催化剂颗粒包含第一Pt
‑
Ru合金；且所述第二催化剂颗粒包含具有比所述第一Pt
‑
Ru合金高的Pt:Ru比的第二Pt
‑
Ru合金。12.根据权利要求10所述的MEA，其中：所述疏水粘合剂包含聚四氟乙烯(PTFE)；所述阳极与所述阳极GDL相邻的相对高PTFE浓度和与所述膜相邻的相对低PTFE浓度；且所述阳极具有与所述膜相邻的相对高浓度的所述离聚物粘合剂和与所述阳极GDL相邻的相对低...

【专利技术属性】
技术研发人员：V，
申请(专利权)人：博隆能源股份有限公司，
类型：发明
国别省市：