专利名称：具有质子传导膜的燃料电池或基于燃料电池技术的反应器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及具有至少一个包括阳极、阴极和中间质子传导膜的电池的燃 料电池或基于燃料电池技术的反应器。
本发明还涉及制造具有至少 一个包括阳极、阴极和中间质子传导膜的电 池的燃料电池或基于燃料电池技术的反应器的方法。
在本文中，术语阳极和阴极也用于表示当它们之上没有电压时的所述各 电极。
本文中的质子传导膜是指具有在其一侧上接收质子/水合氢离子和在其 另一侧上放出相应数量的质子的能力的膜。当一个质子从一侧进入膜时，另 一个质子被从另一侧推出。该膜还不容许电子在相反方向上的通过，并且除
H+/H3 0+之外的其它离子的通过是不期望的。
此外，在本文中DMFC理解为由液态曱醇驱动的燃料电池(直接曱醇燃 料电池)，该燃料电池包括具有阳极和用于阳极反应的催化剂的阳极侧、具 有阴极和用于阴极反应的催化剂的阴极侧、以及将阳极侧和阴极侧彼此隔开 的中间膜。
背景技术：
由直接曱醇驱动的燃料电池是先前已知的，参见例如在 http:〃www.wpi.edu/Pubs/ETD/Available/etd-051205-151955/unrestricted/A.Hac q.uard.pdf上公布的Alexandre Hacquard, Improving and Understanding Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) Performance(提交给 Worcester Polytechnic Institute教员的论文)。在可获得的优点中，可提及燃料是液态的，因此使 得能够快速加燃料；可紧凑设计的燃料电池以及曱醇两者可以低的成本生 产；以及燃料电池可设计用于许多不同的固定或者移动/便携式应用。此外， DMFC型燃料电池是环境友好的，仅排放出水和二氧化碳；不形成硫或者氮 的氧化物。
在上述出版物中，所公开的燃料电池中的阳极和阴极由石墨构成并且在它们各自的一侧上均设有通道系统等，在阳^ 1处用于供给液态曱醇-水混合 物并且在阴极处用于供给氧(纯氧或者空气氧)。在阳极和阴极之间有质子传 导膜，并且分别在膜与阳极和阴极之间具有所谓的气体扩散层。而且，气体 扩散层或者膜在阳极侧上载有Pt和Ru催化剂，并且在阴极侧上载有单独的 Pt催化剂。气体扩散层由碳布或碳纸构成。在阳极侧上，气体扩散层接收与 曱醇在阳极催化剂上的氧化有关的形成的co2并且容许其向上扩散到上端 面，在所述上端面处形成C02气泡。在阴极侧上，所供给的氧气通过气体扩
散层并且与通过膜的电子和质子反应以形成水。与用于由直接曱醇驱动的其
它燃料电池的膜类似，此处的膜由NafionTM(磺化的PTFE型聚合物)构成。 催化剂以有机溶剂、细粉状催化剂颗粒和Nafion 溶液的油墨形式涂布在气 体扩散层上或者膜上，之后让溶剂挥发。 一般认为对于质子向膜的有效传输， 具有Nafion 网络是必须的。此外,由此制备的气体扩散层用作电极。
然而，已经表明NafionTM不具有期望的耐曱醇性，而且当暴露于2M(约 6%)曱醇时已经开始溶解。而且，已知的DMFC型燃料电池由于曱醇在阳极 处緩慢的电化学氧化且曱醇能够穿过PEM膜(聚合物电解质膜)迁移到其中 氧化曱醇的阴极而具有太低的功率密度。这不仅导致燃料损失，而且导致所 形成的一氧化碳使在阴极处所使用的铂催化剂中毒，这导致降低的效率。反 应的复杂性使得难以获得令人满意的产率。
US-Bl-6444343(Prakash等)综述了在1959年就已经开始的许多不同的 PEM膜，那时建议通过苯酚磺酸和曱醛的缩合制造这样的用于112/02燃料电 池的膜。对于在H2/02燃料电池中的膜，还可使用部分磺化的聚苯乙烯，并 且该膜还可由具有惰性碳氟化合物基体的交联苯乙烯-二乙烯基苯制造，然 后磺化，或者由a，(3,(3-三氟苯乙烯-磺酸的均聚物制造。考虑到对于这样的材 料所提及的缺点，尤其是与DMFC型燃料电池的使用有关的缺点，在'343 中建议由在聚(偏二氟乙烯)惰性基体内的交联聚苯乙烯磺酸制造该膜。
在所有情况下，存在与将该膜安置在电池中有关的损坏该膜的风险，并 且容易出现在膜与电极之间的密封方面的问题。
发明内容
本发明的首要目的是获得其中消除了损坏膜的风险的问题和密封问题 的燃料电池或基于燃料电池技术的反应器。对于技术领域部分中所提及的燃料电池或基于燃料电池技术的反应器， 该目的通过在所述至少一个电池中的阳极和阴极之间原位模塑的膜实现。
在技术领域部分中所提及的方法的第一实施方式中，所述目的通过如下
实现将合适的单体与磺酸混合，之后加入交联剂，通过加入硬化剂(setting agent)引发实际的聚合反应，以及将所获得的混合物在所述至少 一个电池中 的阳极和阴极之间原位模塑以形成膜。通过原位模塑，完全消除了上述问题。 所述单体优选为丙烯酰胺。由此，所述膜由用磺酸改性的聚丙烯酰胺构
成，并且获得在DMFC型电池中不受反应物的侵蚀并且除质子/水合氢离子 之外的离子基本上不能透过的质子传导膜。磺酸具有容许质子/水合氢离子转 移通过凝胶、同时基本上防止其它离子通过的低pKa。
可使用所有可与酰胺氮结合的磺酸，但是例如1-氯四氟亚乙基磺酸 (1 -chlorotetrafluoroethylene sulfonic acid)昂贵和氯磺酸可形成不完全稳定的 产物。因此，磺酸优选由对-氯苯磺酸组成。
所述制造方法优选包括使用丙烯酰胺作为单体和使用对-氯苯磺酸作为 磺酸。将丙烯酰胺与对-氯苯磺酸在水中混合并且在搅拌的同时加热至沸点， 之后使该溶液緩慢冷却，并且在该溶液达到室温时加入交联剂(cross-binder)。 用对-氯苯磺酸改性的聚丙烯酰胺解决了较高含量的曱醇可侵蚀其它聚合物 材料的膜以及曱醇倾向于迁移穿过膜并由此损害电池效率的问题。如果如在 我们的DMFC型电池中那样在膜的另一侧上有液体，可几乎完全消除曱醇 穿过所述改性聚丙烯酰胺的膜的自发扩散，这意味着该类型的膜尤其相当适 合用于在两个半电池(cellhalves)中均具有液体的电池。此外，丙烯酰胺购买 便宜。
作为交联剂，N,N，-亚曱基-双-丙烯酰胺优选与N，N,N，,N，-四亚曱基二胺 (N，N,N， ，N，-tetramethylene diamine)组合使用，其为最终聚合物提供稳定的空 间构型，并且作为引发实际的聚合反应的硬化剂，使用过氧盐如过碳酸钠、 过苯曱酸钠等，但优选过硫酸铵(CAS No. 7727-54-0)。
因此可在电池中原位进行的模塑可在短时间，约40秒内完成。与嵌入 燃料电池或反应器内部的单独制造的膜相比，该实施方式导致与薄膜的安装 有关的损坏该薄膜的风险更小以及密封得以改善，并且同与压制有关的情况 比较起来，催化剂更好地"蠕动，，到膜壁内。
在所述方法的可选择的实施方式中，所述目的通过获得玻璃熔体而达到，将所获得的玻璃熔体在所述至少一个电池中的阳极和阴极之间原位模塑 以形成薄膜，并且在紧接在前的步骤中，如果需要的话，将所述至少一个电 池预热至不引起在电池中的原位模塑期间玻璃熔体的过早凝固的问题的足 够高的温度。通过所述原位模塑，消除了关于损坏膜的风险的问题和密封问题。
合适地，玻璃熔体通过如下获得将碳酸钠熔化，并在搅拌的同时将细 碎的二氧化硅逐步混合到该碳酸钠熔体中，由此二氧化硅溶解；在电池中原 位形成的玻璃膜优选用酸进行处理，所述酸将碳酸钠从玻璃中溶解出来，使 得剩下基本上由硅酸(二氧化硅)构成的基体。
在所述方法的另一实施方式中，所述目的通过如下实现在搅拌的同时 将细碎的二氧化钛逐步混合到水玻璃(偏硅酸钠，CAS No. 6834-98-0)中，将 该混合物在所述至少 一个电池中的阳极和阴极之间原位模塑以形成薄膜，并 且此后将该混合物转变为含有二氧化钛的硅酸网络。这是简单且成本划算的 方法。
在上述两种情况下，所获得的薄玻璃膜就质子传导性和离子-及电子阻 挡性能而言具有优异的性能，并且如果它们是原位模塑的，则它们没有暴露 于不均匀作用的夹紧力等、使膜破裂的风险，其可为与预制的膜的安装有关
的情况。
在下面，将参照优选实施方式和附图更详细地描述本发明。
图1为显示DMFC型燃料电池装置的原理流程图，其中在燃料电池中
液态曱醇逐步氧化以形成二氧化碳和水。
图2为根据图1的燃料电池装置的横截面视图，显示电极、中间膜和流
体通道的优选布置。
图3-4为两个不同流型的平面视图，其中可将反应物引导至各装置内部。 图5是所制备的用于在电极之间模塑质子传导膜的电池的简化的横截面图。
具体实施例方式
在图1中的原理流程图中所示的DMFC型燃料电池装置中，液态甲醇在燃料电池中逐步氧化为二氧化碳和水。所示燃料电池装置包括流动状态串 联连接的三个燃料电池l、 2和3,用于在三个单独的步骤中进行逐步氧化。
各个燃料电池包括阳极11、阴极12和将它们彼此隔开的膜13。在阳极侧上， 在第一个步骤1中曱醇氧化为曱酪，在第二个步骤2中所获得的曱醛氧化为 曱酸，并且在第三个步骤3中所获得的曱酸氧化为二氧化碳。在阴极侧上， 新鲜供应的过氧化氢在各步骤1-3中还原以形成水。适当控制对不同步骤的
此化学计量平衡。因此，所述反应可更加可靠地精制和控制以增加产率。
所述三个燃料电池l、 2和3还是串联电连接的。两个电子从步骤1中 的阳极11 ，经由以灯泡形式显示的负载15去往步骤3中的阴极123;两个电 子从步骤3中的阳极113去往步骤2中的阴极122;并且两个电子从步骤2 中的阳极112去往步骤1中的阴极12,。在所有的三个电池l、 2和3中，所 形成的质子/水合氢离子从阳极11穿过膜13去往阴极12。
图2是根据图1的燃料电池装置的横截面视图，显示电极11、 12、中 间膜13和流体通道16的优选布置。阳极11、阴极12和膜13由彼此附着以 形成组(package)或者堆(pile)的薄板或者片形成。在常规的燃料电池装置中， 接合可为机械的，例如通过连杆(未示出)，或者使用合适的胶水例如硅酮型 胶水的接合(未示出)以将所述板/片保持在一起。在膜13和阳极11之间以及 在膜13和阴极12之间布置表面结构16，所述表面结构16将在基本上板的 整个侧面上提供最优化的液体流动。图1中所示的在单独的燃料电池1、 2 和3之间的流线由在板组/堆中形成的流动连接以及图2中所示的位于外部的 流动连接构成。
根据本发明，膜13由在燃料电池中的阳极11和阴极12之间原位模塑 的薄片构成。通过原位模塑，避免了与将膜13安装在电池中有关的损坏膜 13的风险，并且没有关于在膜13与电极11、 12之间的密封的问题。
根据第一实施方式，原位模塑的膜由容许质子/水合氢离子从膜13的一 侧迁移至另 一侧的聚合物材料构成。
如在下面进一步描述的，该聚合物材料有利地由用磺酸改性的聚丙烯酰 胺组成。聚丙烯酰胺用磺酸的改性不会将该聚合物的稳定性破坏至任何明显 的程度；其会经得住许多溶剂和过氧化氢的侵蚀。而且就电学而言，该材料 具有诸如高电阻(对电子)、高的质子透过性以及能够经得住高电压的有益性能。磺酸具有容许质子/水合氢离子转移通过凝胶、同时基本上防止其它离子
通过的低pKa。通过用磺酸进行改性，据此获得在DMFC型电池中不受反应 物的侵蚀并且除质子/水合氢离子之外的离子基本上不能透过的质子传导膜。
可使用所有可与酰胺氮结合的磺酸，但优选磺酸由对-氯苯磺酸组成。 1-氯四氟亚乙基磺酸例如是昂贵的且氯磺酸可形成不完全稳定的产物。此 外，用磺酸改性的聚丙烯酰胺基本上阻止其它离子和分子如曱醇的通过，并 且其不导电，这意味着来自阴极12的电子不能穿过膜13到达阳极11。因此， 不能发生曱醇从阳极11到阴极12的明显迁移，这意味着不存在由于曱醇迁 移引起的明显燃料损失和没有在阴极12处的一氧化碳的形成，所述一氧化 碳的形成否则可降低此处任选使用的铂催化剂的效率。
根据第二实施方式，原位模塑的膜由容许质子/水合氢离子从膜13的一 侧迁移至另一侧的玻璃构成。如在下面进一步描述的，该玻璃可有利地由钠 玻璃熔体形成，在模塑后将碳酸钠合适地从所述钠玻璃熔体中溶解出来。剩 下的二氧化硅基体经得住许多溶剂和过氧化氢的侵蚀。而且就电学而言，该 材料具有诸如高电阻(对电子)、高的质子透过性以及能够经得住高电压的有 益性能。根据可选择的实施方式，起点是已向其中混入了细碎的二氧化钛的 水玻璃。在电极11、 12之间原位模塑混合物后，将该混合物中和并使水挥 发，由此各分子自己排列形成掺杂有二氧化钛的二氧化硅网络、硅胶，其中 二氧化钛用作所需反应的催化剂。这样的膜具有与以上由熔体制造的玻璃膜 相同的性能和优点。自然地，可使用其它和/或额外的催化剂代替二氧化钛， 并且如果需要，还可将这样的催化剂引入到由其模塑所述膜的玻璃熔体中。
在图2中所示的实施方式中，阳极11和阴极12具有小于lmm的厚度， 并且膜13具有小于5mm的厚度，对于塑料，膜13具有优选小于约2.5mm 的厚度，和对于玻璃，膜13具有优选小于约O.lmm的厚度。阳极11以及阴 极12具有一个平面侧，并且所述表面结构16布置在阳极11以及阴极12上， 而中间膜13的两侧是平面的，所述表面结构16在基本上所述板的整个侧面 上提供最优化的液体流动。然后图1中所示的燃料电池装置中的电池l中的 阴极12i的平面侧与电池2中的阳极112的平面侧邻接接触等等。自然地， 电池1中的阴极12,以及电池2中的阳极112例如可由单板构成，所述板可 在两侧上设有所述表面16。
合适地，阳极11以及阴极12由导电并且耐反应物的材料如不锈钢的薄金属片构成，所述薄金属片的厚度大小为0.6mm下至O.lmm,优选0.3mm。 阳极11和阴极12中的表面结构可由波形横截面的通道16形成。合适地， 通道16具有大小为2mm上至3mm的宽度和大小为0.5mm下至0.05mm的 深度。阳极和阴极板11、 12中的表面结构16优选通过绝热成型(也称为高冲 击成型)产生。这种成型的一个实例公开于US-B2-6821471中。
在阳极11与膜13之间以及在阴极12与膜13之间，存在薄的多孔的催 化剂载体14，其优选为碳纤维毡的形式，其中施加了适合于电池中的所需反 应的催化剂。这样，促进了具有包括一个平面侧和具有表面结构的一侧的相 同薄板形状的电极ll、 12的燃料电池1、 2、 3的紧凑堆的构造，由此可获 得高的功率密度。
图3和4显示两个不同的表面结构或者流型，其在基本上板的整个侧面 上提供最优化的液体流动。在图3中，平行通道16反复地横向贯穿，使得 整个表面结构由以格子样式布置的肩(shoulder)构成，形成通道16的格栅样 式。最后，图4显示还可使用平行运行的曲流状的通道16。在包括不同的可 能流径的所有情况中，应该争取使它们从入口到出口是等长的。
如上面所提及的，膜13是根据本发明通过在阳极11和阴极12之间的 原位模塑而施加在电池中的。这更详细地显示在图5中，图5是所制备的用 为在阳极11和阴极12之间原位模塑膜13的燃料电池装置中的电池的横截 面图。为了更好地说明本发明，电极ll、 12和用于待模塑的膜13的中间空 间用高度放大的厚度绘制。在所显示的燃料电池装置中的电池中，两个电极 11、 12在它们彼此面对并且面对用于膜的空间的侧上设有通道形式的表面结 构16。多孔催化剂载体14紧靠两个电极11、 12各自的设有表面结构16的 侧面，该多孔催化剂载体14优选为碳纤维毡的形式，其中施加最优化以用 于电池中的所需反应的催化剂。
在阳极11和阴极12之间以及在与它们的密封接触中，在各电池中布置 有向上开口的、基本上为U形的间隔框17,间隔框17具有限定待在电池中 原位模塑的膜13的厚度的厚度。间隔框17的材料可选自许多不同的材料， 但优选使用聚丙烯酸酯。形成燃料电池装置的基础的电极堆11、 12和间隔 框17可通过粘结而保持在一起，但是在示于图5中的实施方式中，使用四 个贯穿螺栓18(示出了其中的两个)，在电极板的每个角里有一个贯穿螺栓。 因此，在电池中的两个催化剂载体14之间形成空间，该空间是侧向的(sideways)和深度由间隔框17限定，以及是向上开口的并且将在其中模塑膜 13。
为了所述模塑，将合适的单体与磺酸混合，之后加入交联剂，通过加入 硬化剂引发实际的聚合反应，并将所获得的混合物在阳极和阴极11、 12之 间的向上开口的空间中原位模塑以形成膜。
如本领域技术人员将直接且无需创造性劳动地认识到的，存在适于使用 的许多单体，其中可提及四氟乙烯以及在以上提及的US-B1 -6444343(Prakash
等)中所建议的那些(将该文献引入本文作为参考)，但优选该单体由丙烯酰胺 组成。由此，膜由用磺酸改性的聚丙烯酰胺构成，并且获得在DMFC型电 池中不受反应物侵蚀并且除质子/水合氢离子之外的离子基本上不能透过的 质子传导膜。
磺酸具有容许质子/水合氢离子转移通过凝胶、同时基本上防止其它离子 通过的低pKa。可使用所有可与酰胺氮结合的石黄酸，但优选石黄酸由对-氯苯磺 酸组成。1-氯四氟亚乙基磺酸例如是昂贵的且氯磺酸可形成不完全稳定的产物。
磺酸。将丙烯酰胺与对-氯苯磺酸在水中混合并且在搅拌的同时加热至沸点， 之后使该溶液緩慢冷却，并且在该溶液达到室温时加入交联剂。然而，如果 需要，其也可较早加入。用对-氯苯磺酸改性的聚丙烯酰胺解决了较高含量 的曱醇可侵蚀其它聚合物材料的膜以及曱醇倾向于迁移穿过膜并由此损害 电池效率的问题。如果如在DMFC型电池中那样在膜的另一侧上有液体， 可几乎完全消除曱醇穿过所述改性聚丙烯酰胺的膜的自发扩散，这意味着该
酰胺购买^_宜。
作为交联剂，N,N，-亚曱基-双-丙烯酰胺优选与N,N,N，，N，-四亚曱基二胺 组合使用，其为最终聚合物提供稳定的空间构型，并且作为引发实际的聚合 反应的硬化剂，使用过氧盐如过碳酸钠、过苯曱酸钠等，但优选使用过硫酸铵。
在加入硬化剂后，将混合物在燃料电池中或在基于燃料电池技术的反应 器中原位模塑以形成膜。据此在电池中原位进行的模塑在短时间，约40秒 内完成。与嵌入燃料电池或反应器内部的单独制造的膜相比，该实施方式导致密封得以改善以及消除了与薄膜的安装有关的损坏该薄膜的风险，并且同 与压制有关的情况比较起来，催化剂更好地"蠕动"到膜壁内。
将用于图1中所示的曱醇驱动燃料电池装置的催化剂最优化将例如导致
所述第一催化剂由以下形成对于如下反应的60-94 %Ag、 5-30 %Te和/或 Ru、和l-10%Pt，单独的或者与Au和/或Ti02组合，优选以约90:9:1的比 例
CH3OH h HCHO + 2 tf+2 e- (a) 对于如下反应的Si02和Ti02与Ag组合
HCHO + H20 h HCOOH + 2e- (b) 对于如下反应的Ag单独的或者与TK)2和/或Te组合 HCOOH " C02 + 2 HT+2 e- (c) 然后所述第二催化剂由对于如下反应的例如炭粉(炭黑)、蒽醌和Ag以 及酚醛树脂形成
如上所述，用于所述第二个步骤的最优化的催化剂合适地由Si02、 Ti02 和Ag组成。
蒽醌(CAS no.84-65-l)是具有286°C的熔点并且在水和醇中不溶但是在 硝基苯和苯胺中可溶的结晶粉末。催化剂可通过如下制造将炭粉(炭黑)、 蒽醌和《艮与例如酚醛树脂混合，之后将其成型并使之凝固。然后将成型的产 物与其载体分离，将其粉碎并且细磨，之后将所获得的粉末在合适的溶剂中 制成浆料，涂布在所需处，之后让溶剂挥发。
将8g丙烯酰胺与2g对-氯苯磺酸(p-CBSA)在80ml水中混合并在搅拌的 同时在电板上加热至沸点，之后使该溶液在该板上緩慢冷却。由此通过丙烯 酰胺中的酰胺氮在丙烯酰胺和p-CBSA之间形成结合产物，并且还形成在沸 腾期间脱气的HC1。当该溶液达到室温时，加入交联剂，在该情况下为与0.5ml N，N,N，,N，-四亚曱基二胺组合的2gN，N，-亚曱基-双-丙烯酰胺，其为最终聚合 物提供稳定的结构。为了模塑膜，取出四分之一的所得产物并且由过氧盐引 发实际的聚合反应，在该情况下过氧盐为过硫酸铵，其为刮勺(spatula)尖的 量就足够了。聚合反应在40秒后开始，这意味着有充足时间将产物转移到
H202 + 2H +2 e—H2H20
实施例已组装的燃料电池中，其中膜的模塑在竖直方向上进行。在燃料电池中模塑 的膜显示出提供无瑕疵的密封。还显示，同与压制有关的情况比较起来，催 化剂更好地"蠕动"到膜壁内，并且对膜没有损坏。
该原位模塑的膜在DMFC型燃料电池中具有优异的功能。该膜未被甲
醇溶解，功率密度高并且不存在由曱醇迁移穿过该膜引起的燃料损失的问 题，这意味着保持了高的效率以及产率是令人满意的。
合适地，将钠玻璃熔体用于原位模塑的玻璃膜的制造。首先，将碳酸钠
(Na2CCb)熔化，然后在继续加热期间将细碎的二氧化硅(Si02)逐步混合到其 中以准备好熔体。当已将熔体引入到其在燃料电池中的预定空间(如果需要， 可对所述燃料电池进行预热)中时，让其冷却，之后用弱酸将碳酸钠从该玻 璃膜中溶解出来，由此剩下二氧化硅基体。所剩下的二氧化硅基体经得住许 多溶剂和过氧化氢的侵蚀。而且就电学而言，该材料具有诸如高电阻(对电 子)、高的质子透过性以及能够经得住高电压的有益性能。
根据可选择的实施方式，起点是已经向其中混入了细碎的二氧化钛的水 玻璃。在电极之间原位模塑混合物后，将该混合物中和并使水挥发，由此分 子自己排列形成掺杂有二氧化钛的二氧化硅网络，硅胶。这样的膜具有与以 上由熔体制造的玻璃膜相同的性能和优点。
尽管已经在上面参照优选实施方式描述了本发明，但是显然，本领域技 术人员可提出本发明在所附权利要求范围内的许多变型而无需创造性劳动。 如果原位模塑的膜将要用在不同于DMFC型燃料电池的燃料电池或基于燃 料电池技术的反应器中，则原位模塑的膜中的材料可能例如需要进行改变。 如果需要，当然可将一种或多种合适的催化剂，如单独的或者与1102和/或 Te组合的Ag混合在钠玻璃熔体中，并且当使用水玻璃时，如果需要，也可 用 一种或多种额外的合适的催化剂如Ag和/或Te补充Ti02，或者将Ti02变 成这些催化剂。
权利要求
1.具有至少一个包括阳极(11)、阴极(12)和中间质子传导膜(13)的电池的燃料电池或基于燃料电池技术的反应器，其特征在于所述膜(13)是在所述至少一个电池中的阳极(11)和阴极(12)之间原位模塑的。
2. 根据权利要求1的燃料电池或反应器，其特征在于，所述膜(13)由容 许质子/水合氢离子从所述膜的 一侧迁移到另 一侧的用磺酸改性的聚丙烯酰 胺的薄板构成。
3. 根据权利要求2的燃料电池或反应器，其特征在于，所述磺酸为对-氯苯磺酸。
4. 根据权利要求1的燃料电池或反应器，其特征在于，将钠玻璃熔体用 于所述膜(13)的模塑，并且所述膜足够薄以容许质子/水合氢离子从所述膜的 一侧迁移到另一侧。
5. 根据权利要求4的燃料电池或反应器，其特征在于，在所述模塑之后， 用酸处理所述膜(13)，所述酸将碳酸钠从所述玻璃中溶解出来，使得剩下基 本上由硅酸(二氧化硅)构成的基体。
6. 根据权利要求1的燃料电池或反应器，其特征在于，所述膜(13)由用 细碎的二氧化钛掺杂的偏硅酸钠(CAS No. 6834-98-0)构成，并且所述膜足够 薄以容许质子/水合氬离子从所述膜的一侧迁移到另 一侧。
7. 制造具有至少一个包括阳极(ll)、阴极(12)和中间质子传导膜(13)的电 池的燃料电池或基于燃料电池技术的反应器的方法，其特征在于-将合适的单体与磺酸混合，-加入交联剂，其为最终聚合物提供稳定的空间构型， -通过加入硬化剂引发实际的聚合反应，和-将获得的混合物在所述至少 一个电池中的阳极(11 )和阴极(12)之间原 位模塑以形成膜(13)。
8. 根据权利要求7的方法，其特征在于 -使用丙烯酰胺作为所述单体，-使用对-氯苯磺酸作为所述磺酸，-将丙烯酰胺与对-氯苯磺酸在水中混合并且在搅拌的同时加热至沸点，之后让该溶液緩慢冷却，和-当所述溶液达到室温时加入交联剂。
9. 根据权利要求7或8的方法，其特征在于，使用与N,N,N，,N，-四亚曱 基二胺组合的N,N，-亚甲基-双-丙烯酰胺作为所述交联剂。
10. 权利要求7-9中任一项的方法，其特征在于，使用过氧盐作为所述 硬化剂。
11. 根据权利要求10的方法，其特征在于，所述过氧盐为过硫酸铵。
12. 制造具有至少一个包括阳极(ll)、阴极(12)和中间质子传导膜(13)的-获得玻璃熔体，-将获得的玻璃熔体在所述至少一个电池中的阳极(11)和阴极(12)之间 原位模塑以形成薄膜(13)，-在紧接在前的步骤中，如果需要，将所述至少一个电池预热到不引起 在所述电池中的原位模塑期间所述玻璃熔体的过早凝固的问题的足够高的溫度。
13. 根据权利要求12的方法，其特征在于，所述玻璃熔体通过如下获得 将碳酸钠熔化，并将细碎的二氧化硅逐步混合到碳酸钠熔体中，使得二氧化硅溶解。
14. 根据权利要求13的方法，其特征在于，用酸处理在所述电池中原位 形成的所述玻璃膜(13),所述酸将碳酸钠从所述玻璃中溶解出来，使得剩下 基本上由硅酸(二氧化硅)构成的基体。
15. 制造具有至少一个包括阳极(ll)、阴极(12)和中间质子传导膜(13)的 电池的燃料电池或基于燃料电池技术的反应器的方法，其特征在于-在搅拌的同时将细碎的二氧化钛逐步混合到水玻璃(偏硅酸钠，CAS No. 6834-98-0)中，-将混合物在所述至少一个电池中的阳极(11)和阴极(12)之间原位模塑 以形成薄膜(13),和-之后将所述混合物转变为含有二氧化钛的二氧化硅网络。
全文摘要
在燃料电池中的膜(13)的安装中，存在大的损坏该膜的风险并且容易出现在膜与电极之间的密封方面的问题。这些问题通过在电池中的原位模塑膜(13)而消除。对于DMFC型电池，可将单体如丙烯酰胺与磺酸、优选对-氯苯磺酸混合。作为交联剂，N，N’-亚甲基-双-丙烯酰胺合适地与N，N，N’，N’-四亚甲基二胺组合使用，并且硬化反应由过氧盐、合适地为过硫酸铵引发。或者，从钠玻璃熔体模塑膜(13)，之后用酸溶解出碳酸钠。膜(13)还可由与二氧化钛混合的水玻璃模塑，并且在将该混合物中和后，除去水，由此各分子自身排列形成二氧化硅网络，硅胶。
文档编号H01M8/10GK101589500SQ200780037407
公开日2009年11月25日 申请日期2007年9月11日 优先权日2006年10月6日
发明者奥洛夫·达尔伯格, 阿尔夫·拉森 申请人:莫菲克科技股份公司