CN100442589C - 燃料电池的膜电极组 - Google Patents
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Abstract
一种燃料电池的膜电极组包括：作为离子转移介质的电解质膜(500)，设置于具有燃料侧开口槽(410)的双极板(400)与具有空气侧开口槽(420)的双极板(400)之间，燃料在该燃料侧开口槽(410)中流动，空气在该空气侧开口槽(420)中流动，从而该电解质膜与该燃料侧开口槽(410)形成燃料路径，并与该空气侧开口槽(420)形成空气路径；以及催化剂电极(510)，插入该燃料侧开口槽中并与该电解质膜(500)相分离，从而利用该催化剂电极(510)的两侧形成燃料路径，并引发燃料的电化学氧化，通过在提供了燃料的燃料电极和提供了空气的空气电极上产生活化作用，能够提高电流产生效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，更具体地涉及一种燃料电池的MEA(membrane electrode assembly，膜电极组)，其能够促进燃料电极(正极)和空气电极(负极)上发生的电化学氧化和还原反应，其中在该燃料电极中提供燃料，在该空气电极中提供空气。
背景技术
人们提出了用燃料电池作为矿物燃料的替代品。在燃料电池中，持续提供含氢的燃料，同时持续提供含氧的空气，氢和氧进行电化学反应，从而使反应前后的能量差直接转变为电能。
根据燃料的种类、工作温度及催化剂等，燃料电池可分为多种类型。
图1和图2示出一种燃料电池的实例。如图1和图2所示，在该燃料电池中，MEA(膜电极组)200插在一对双极板100之间。内部流动流体的开口槽110、120分别形成在双极板100的两侧或一侧。用于使流体流入/流出开口槽110、120的流入路径130、140和流出路径150、160分别形成在双极板100的两侧。在MEA 200中，与燃料接触的燃料电极(正极)220形成在具有特定面积的电解质膜210的一侧，与空气接触的空气电极(负极)230形成在电解质膜210的另一侧。
利用开口槽110、120，内部流动燃料的燃料路径和内部流动空气的空气路径分别形成在MEA 200的两侧。这里，燃料电极220设置在燃料侧开口槽410、110上，空气电极230设置在空气侧开口槽420、120上。
在上述燃料电池中，当燃料流进一个双极板100的流入路径130时，空气同时流进另一双极板100的流入路径140。流入路径130中的燃料流过开口槽110，再经流出路径150排出。流入路径140中的空气流过开口槽120，再经流出路径160排出。经流出路径150排出的燃料借助附加装置流进流入路径130并循环。
在使燃料在开口槽110中流动的过程中，在MEA 200的与开口槽110接触的燃料电极220上发生电化学氧化反应，氢离子经电解质膜210移动至空气电极230，电子经将燃料电极220与空气电极230相连接的负载(未示出)移动至空气电极230。同时，当空气在开口槽中流动时，在MEA的与开口槽120接触的空气电极230上发生电化学还原反应，氢离子与氧结合，从而产生水、反应热和其它副产品。通过持续该过程，电子从正极(燃料电极)经负载移动至负极(空气电极)，从而产生电能。
发生氧化和还原反应的燃料电池的燃料电极220和空气电极230通常构造为催化剂电极，其具有用于活化反应的催化剂。
标号300表示集流板(collector plate)。
图3示出根据传统技术的燃料电池的MEA。如图3所示，在燃料电池的MEA中，催化剂层221、231分别涂覆在具有特定厚度和矩形面积的电解质膜210两侧，涂层222、232分别涂覆在催化剂层221、231上。形成在电解质膜210一侧的催化剂层221和涂层222构成燃料电极，形成在电解质膜210另一侧的催化剂层231和涂层232构成空气电极。
在该结构中，当燃料和空气分别流经开口槽110、120时，在MEA的燃料电极220和空气电极230上发生氧化和还原反应的同时，燃料的反应被催化剂层221的催化反应所活化，氢离子经电解质膜210移动至空气电极230。这里，在使用诸如NaBH4、KBH4、LiAlH4、KH和NaH等氢形成剂溶解在碱性水溶液中而形成的燃料时，由于该燃料是电解质溶液，所以与氢离子一起产生的电子经电解质溶液和双极板100移动至空气电极230。
但是，在该传统结构中，当通过燃料电极220的催化剂层221的催化反应产生的氢离子经涂层222、催化剂层221和电解质膜210移动至空气电极230时，由于燃料电极220的催化剂层221涂覆在电解质膜210上，因此所涂覆的催化剂层221扰乱了氢离子经电解质膜210朝向空气电极230的移动，离子作用(催化作用)仅在催化剂层221的一侧上产生，相反，在与电解质膜210接触的一侧上不产生离子作用，从而降低了电流产生效率。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种燃料电池的MEA(膜电极组)，其能够通过促进燃料电极和空气电极上发生的电化学氧化和还原反应来提高电流产生效率，其中该燃料电极中提供燃料，该空气电极中提供空气。
为了达到上述目的，根据本发明的燃料电池的MEA包括：作为离子转移介质的电解质膜，置于具有燃料侧开口槽的双极板与具有空气侧开口槽的双极板之间，燃料在该燃料侧开口槽中流动，空气在该空气侧开口槽中流动，从而该电解质膜与该燃料侧开口槽形成燃料路径，并与该空气侧开口槽形成空气路径；以及催化剂电极，插入该燃料侧开口槽中并与该电解质膜相分离，从而利用该催化剂电极的两侧形成燃料路径，并引发燃料的反应，其中燃料是具有氢形成剂的电解质溶液。
附图说明
附图是用以提供对于本发明的进一步理解，而且包含在说明书中并构成说明书的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
在附图中：
图1为示出常用燃料电池的剖视图；
图2为示出常用燃料电池的分解透视图；
图3为示出根据传统技术的燃料电池的MEA(膜电极组)的剖视图；
图4为示出根据本发明的燃料电池的MEA的剖视图；
图5为示出根据本发明的燃料电池的MEA的催化剂电极的立体图；
图6和图7为分别示出根据本发明的燃料电池的MEA的催化剂电极的改型的立体图；
图8为示出根据本发明的燃料电池的MEA的工作状态的剖视图。
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的优选实施例。
图4为示出根据本发明的燃料电池的MEA(膜电极组)的前剖视图。
如图4所示，根据本发明的燃料电池的MEA包括：作为离子转移介质的电解质膜500，其设置在具有燃料侧开口槽410的双极板400与具有空气侧开口槽420的双极板400之间，其中燃料在燃料侧开口槽410中流动，空气在空气侧开口槽420中流动，从而该电解质膜500与燃料侧开口槽410形成燃料路径，并与空气侧开口槽420形成空气路径；以及催化剂电极510，其插入燃料侧开口槽410中并与电解质膜500相分离，从而利用催化剂电极510的两侧形成燃料路径，并引发燃料的电化学反应。
在双极板400中，具有特定深度和面积的燃料侧开口槽410形成在具有特定厚度的矩形板430一侧，燃料流进/流出燃料侧开口槽410的流入路径440和流出路径450形成在板430上，空气流进/流出空气侧开口槽420的流入路径460和流出路径470形成在板430上。燃料侧开口槽410、流入路径440和流出路径450分别与空气侧开口槽420、流入路径460和流出路径470具有相同的形状。
燃料侧开口槽410的底部是平的。此外，作为改型，直通(straight)路径可形成在燃料侧开口槽410的底部上。
电解质膜500形成为与双极板400尺寸相似的金属片。
电解质膜500位于两个双极板400之间。
通过这对双极板中的一个双极板400的燃料侧开口槽410以及电解质膜500面向燃料侧开口槽410的一侧，形成内部流动燃料的燃料路径；通过这对双极板中的另一个双极板的空气侧开口槽420以及电解质膜500的另一侧，形成内部流动空气的空气路径。
催化剂电极510形成为具有特定厚度和面积。催化剂电极510插入由电解质膜500和燃料侧开口槽410形成的燃料路径中，并与电解质膜500相分离。通过将催化剂电极510插入燃料侧开口槽410中，由燃料侧开口槽410和电解质膜500形成的燃料路径在以催化剂电极510为中心的两侧都具有路径。
如图5所示，在催化剂电极510的一种改型中，催化剂电极510形成为具有特定厚度和面积的波纹形，从而增加与燃料的接触面积。催化剂电极510具有特定厚度和多个半球形上下连接的截面，而沿长度方向形成波纹。另外，多个通孔(H)可以形成在催化剂电极510的两端或内部。
如图6所示，在催化剂电极510的另一种改型中，催化剂电极510形成为具有特定厚度和面积的弯折形(folded shape)，从而增加与燃料的接触面积。催化剂电极510具有特定厚度，其截面形成为锯齿形，而在截面中沿长度方向形成弯折(fold)。另外，多个通孔(H)可以形成在催化剂电极510的两端或内部。
如图7所示，在催化剂电极510的再一种改型中，其截面沿长度方向形成为矩形。另外，多个通孔(H)可以形成在催化剂电极510的两端或内部。
催化剂电极510是由纤维材料制成的，更具体地说，是由镍微纤维材料制成的。
在另一实施例中，催化剂电极510可由储氢合金制成。
燃料优选为具有氢形成剂的电解质溶液。
空气侧开口槽420上的空气电极520附着于电解质膜500上。更具体地说，与传统结构相似，为了使空气电极520置于空气侧开口槽420上，上面涂覆了催化剂的催化剂层521和用于覆盖催化剂层521的涂层522形成在电解质膜500的一侧。
空气电极520可单独制造并插入空气侧开口槽420中，并与电解质膜500相分离。
燃料侧开口槽410的底部是平的。
多个双极板400和电解质膜500通过附加组合装置而组合起来，双极板400的数量可以是两个(一对)或不少于两个。当具有一对双极板400时，燃料侧开口槽410、流入路径440和流出路径450形成在一个双极板400的一侧，空气侧开口槽420、流入路径460和流出路径470形成在另一双极板400的一侧。
以下说明根据本发明的燃料电池的MEA的工作。
下面说明使用诸如NaBH4、KBH4、LiAlH4、KH和NaH等氢形成剂溶解在碱性水溶液中而形成燃料的情况。当燃料流进一个双极板400的流入路径440时，空气同时流进另一双极板400的流入路径460。
流进流入路径440的燃料流经由燃料侧开口槽410和电解质膜500形成的燃料路径，同时与插入燃料侧开口槽410的催化剂电极510的两侧、即催化剂电极510的整个表面相接触。这里，当通过催化剂电极510在燃料中发生电化学氧化反应时，产生氢离子和电子，电子移动至空气电极520，而氢离子经作为电解液的燃料和电解质膜500移动至空气电极520。
同时，当流入路径460中的空气流经由空气侧开口槽420和电解质膜500形成的空气路径时，在电解质膜500的空气电极520上发生氢离子和氧的电化学还原反应。
通过燃料路径的燃料经流出路径450流出，通过空气路径的空气经空气侧流出路径470流出，通过燃料侧流出路径450的燃料借助附加装置流进流入路径440，从而反复进行循环过程。
如图8所示，在该过程中，因为催化剂电极510与电解质膜500相分离并置于燃料侧开口槽410上，所以催化剂电极510的两侧、即催化剂电极510的整个表面与燃料接触，从而可在更宽广的面积上产生催化作用。另外，因为催化剂电极510与电解质膜500相分离并置于燃料侧开口槽410上，所以由催化剂电极510产生的氢离子可经电解质膜500的整个面积移动至空气电极，而不会被由催化剂电极510产生的氢离子扰乱，从而可增加氢离子的可移动区域。
另外，当催化剂电极510形成为波纹形或弯折形时，催化剂电极510与燃料之间的接触面积增加。此外，当催化剂电极510形成为波纹形或弯折形时，由波纹或弯折形成燃料流动路径，则无需在燃料侧开口槽410的底部上形成附加路径。
工业实用性
如上所述，在根据本发明的燃料电池的MEA(膜电极组)中，通过增加燃料与发生电化学氧化反应的催化剂电极之间的接触面积而发生催化反应，能够活化离子生成，其中氢离子移动至空气电极的区域、即电解质膜上的区域增加，氢离子的迁移性提高，因此能够进一步活化空气电极上的反应，从而能够提高电能的产生效率。
Claims (10)
1、一种燃料电池的膜电极组，包括：
作为离子转移介质的电解质膜，置于具有燃料侧开口槽的双极板与具有空气侧开口槽的双极板之间，燃料在该燃料侧开口槽中流动，空气在该空气侧开口槽中流动，从而该电解质膜与该燃料侧开口槽形成燃料路径，并与该空气侧开口槽形成空气路径；以及
催化剂电极，插入该燃料侧开口槽中并与该电解质膜相分离，从而利用该催化剂电极的两侧形成燃料路径，并引发燃料的反应，
其中，燃料是具有氢形成剂的电解质溶液。
2、如权利要求1所述的膜电极组，其中该催化剂电极形成为具有特定厚度和面积的波纹形，以增加与燃料的接触面积。
3、如权利要求2所述的膜电极组，其中该催化剂电极具有特定厚度和多个半球形上下连接的截面。
4、如权利要求1所述的膜电极组，其中该催化剂电极形成为具有特定厚度和面积的弯折形，以增加与燃料的接触面积。
5、如权利要求4所述的膜电极组，其中该催化剂电极具有特定厚度和锯齿形的截面。
6、如权利要求4所述的膜电极组，其中该催化剂电极具有特定厚度，而且其截面沿长度方向形成为矩形。
7、如权利要求1所述的膜电极组，其中该催化剂电极由纤维材料制成。
8、如权利要求1所述的膜电极组，其中该催化剂电极由镍微纤维材料制成。
9、如权利要求1所述的膜电极组，其中该催化剂电极由储氢合金制成。
10、如权利要求1所述的膜电极组，其中位于该空气侧开口槽上的空气电极附着在该电解质膜上或者与该电解质膜分离。
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