CN101295797A

CN101295797A - 燃料电池装置

Info

Publication number: CN101295797A
Application number: CNA2007101018888A
Authority: CN
Inventors: 康顾严; 戴椿河; 赖秋助; 许盈盈
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2007-04-25
Filing date: 2007-04-25
Publication date: 2008-10-29

Abstract

一种燃料电池装置，包括膜电极组、阴极多孔集电层、阳极多孔集电层及阴极吸水层。膜电极组具有质子传导膜、阴极电极及阳极电极，质子传导膜设置于阴极电极与阳极电极之间。阴极多孔集电层设置于阴极电极之上。阳极多孔集电层设置于阳极电极之上，并且相对于阴极多孔集电层。阴极吸水层设置于阴极多孔集电层之上，用以防止阴极多孔集电层表面形成水膜阻碍气体通过。

Description

燃料电池装置

技术领域

本发明涉及一种燃料电池装置，特别涉及一种可有效将阴极电极处多余的水分吸附及/或排除的燃料电池装置。

背景技术

一般来说，在直接利用甲醇(CH₃OH)为燃料的燃料电池(fuel cell)中，其阳极电极与阴极电极处的氧化还原反应分别为如下所示：

阳极电极：

阴极电极：

如上所述，在氧化还原反应发生时，阳极电极处会消耗1单位的水，而阴极电极处会产生3单位的水。

请参阅图1，已知的单极板燃料电池(monopolar fuel cell)1大致上包括有质子传导膜(proton exchange membrane)10、阳极触媒层11、阴极触媒层21、阳极气体扩散层(gas diffusion layer，GDL)12、阴极气体扩散层22、阳极集电板(current collector)13以及阴极集电板23。质子传导膜10是设置于阳极触媒层11与阴极触媒层21之间，阳极气体扩散层12及阴极气体扩散层22是分别设置于阳极触媒层11及阴极触媒层21之上，以及阳极集电板13及阴极集电板23是分别设置于阳极气体扩散层12及阴极气体扩散层22之上。此外，阳极触媒层11与阳极气体扩散层12可视为阳极电极，而阴极触媒层21与阴极气体扩散层22可视为阴极电极。

当燃料电池1内的氧化还原反应发生时，阳极电极处的甲醇(CH₃OH)会与1单位的水作用而产生6单位的氢质子(H⁺)及6单位的电子(e^-)，此6单位的氢质子(H⁺)会经由质子传导膜10传递至阴极电极处，而6单位的电子(e^-)则会经由外部回路传递至阴极电极处。在阴极电极处，外界氧气(O₂)会经由阴极集电板23及阴极气体扩散层22而传递至阴极触媒层21，并与6单位的氢质子(H⁺)及6单位的电子(e^-)作用而产生3单位的水。如上所述，阴极电极表面常会累积大量的水分，而过多的水分会在阴极集电板23或阴极气体扩散层22上形成水膜或水珠，因而会阻碍外界氧气(O₂)传递至阴极触媒层21，进而会影响燃料电池1的性能表现。

因此，如何将燃料电池的阴极电极处所累积的多余水分吸收或排除已成为重要课题。

在美国专利公开第2002/0076599号所披露的燃料电池中，其由聚酯纤维材料(polyester fiber material)所制成的亲水线材(hydrophilic thread)是设置在气体扩散层之下或之上(介于集电板与气体扩散层之间)，故很容易会造成膜电极组(membrane electrode assembly，MEA)中的电子传导受到亲水线材的影响。因此，亲水线材的纤维粗细及数量均会受到限制。

在JP 2004-165002A所披露的燃料电池中，吸水材料是设置在气体扩散层的上部及侧边上，故集电板无法与气体扩散层完全接触，因而容易造成燃料电池内的整体电阻增加。再者，为了要配合吸水材料的形状，集电板亦需为非平面式的结构，故会增加集电板制作上的困难度。另外，因为多出来的气体扩散层的面积会导致整体有效反应面积的比例下降，故燃料电池的发电功率密度亦会随的降低。此外，由于吸水材料是设置于膜电极组(MEA)的边缘上，故吸收膜电极组中央水分的路径会较长，进而会导致较差的排水性。

此外，在美国专利公开第2005/0026026号所披露的燃料电池中，其多孔网状导体是紧密地粘附于气体扩散层之上。然而，美国专利公开第2005/0026026号所披露的燃料电池并无披露任何可有效吸附多余水分的构造。

有鉴于此，本发明的目的是要提供一种燃料电池装置，其乃是将阴极吸水层设置于阴极多孔集电层之上，以将阴极电极处多余的水分有效排除，并避免产生额外电子阻抗的问题。

发明内容

本发明基本上采用如下所详述的特征以为了要解决上述的问题。也就是说，本发明包括膜电极组，具有质子传导膜、阴极电极以及阳极电极，其中，该质子传导膜设置于该阴极电极与该阳极电极之间；阴极多孔集电层，设置于该阴极电极之上；阳极多孔集电层，设置于该阳极电极之上，并且相对于该阴极多孔集电层；阴极吸水层，设置于该阴极多孔集电层之上，用以防止水分在阴极多孔集电层或阴极电极表面累积。

同时，根据本发明的燃料电池阴极水管理装置，该阴极吸水层具有多个透孔，空气经由该等透孔及该阴极多孔集电层而传递至该阴极电极，因此阴极吸水层的开孔大小必须具有防止再次造成淹水的问题，而经验上开孔表面的水珠要避免其堵住开孔的最低要求，为开孔的半径必须大于阴极吸水层的厚度。

本发明的阴极吸水层设计，除了具有避免提高阴极多孔集电层与气体扩散层间的接触电阻的效果外，另外还有提升阴极气体渗透扩散效率的功能，已知技术如JP 2004-165002A、US 2002/0076599考虑将吸水线材设计在气体扩散层(GDL)中或其部分表面上，是考量不要让气体扩散层内部沉积液态水，阻碍气体的扩散，然而考量所谓单极式燃料电池的设计，在气体扩散层外所设计的阴极多孔集电层，一般较气体扩散层材料更为亲水；而且以整体燃料电池的温度分布而言，阴极多孔集电层表面温度较低，较容易使水气凝结下来，而造成较大面积的淹水情况，其严重效应通常较气体扩散层内部或表面局部淹水所造成的阻碍更大，再者气体扩散层中有亲水材质存在，其实只是将液体从碳材移到亲水材质，除非加以移除，否则并没有办法提升气体扩散的速率。

因此本发明将该阴极吸水层披覆在阴极集电层的表面，因为阴极吸水层为多孔材质，其物理表面积较几何表面积大，可以加速水气的再蒸发，或是由其他方式排除的机会，可以有效减低长时间操作阴极出现液态水的问题。再者阴极吸水层可以以涂布或转印方式披覆在阴极集电层表面及其孔洞的侧边上，如此可以利用其毛细力将阴极集电层与气体扩散层接触压合区域可能累积的液态水，拉至阴极集电层的上方，有效提升阴集电层与气体扩散层接触面间气体的扩散效率，可提升气体供应的均匀度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例并配合附图做详细说明。

附图说明

图1是显示已知的单极板燃料电池的剖面示意图；以及

图2是显示本发明的第一实施例的燃料电池装置的剖面示意图；

图3是显示本发明的第二实施例的燃料电池装置的剖面示意图；以及

图4是显示本发明的第三实施例的燃料电池装置的部份剖面示意图。

附图标记说明

1单极板燃料电池 10、111质子传导膜

11、113a 阳极触媒层 12、113b阳极气体扩散层

13、130阳极多孔集电层 21、112a 阴极触媒层

22、112b阴极气体扩散层 23、120阴极多孔集电层

100、100’、100”燃料电池装置 110膜电极组

112阴极电极 113阳极电极

121集电层压板 140阴极吸水层

150框架 160储水区

170流体传递元件

具体实施方式

兹配合图式说明本发明的优选实施例。

第一实施例

请参阅图2，本实施例的燃料电池装置100主要包括有膜电极组110、阴极多孔集电层120、阳极多孔集电层130、阴极吸水层140以及框架150。框架150是用来固定膜电极组110。

膜电极组110具有质子传导膜111、阴极电极112以及阳极电极113，质子传导膜111是设置于阴极电极112与阳极电极113之间。更详细的来说，阴极电极112具有阴极触媒层112a及阴极气体扩散层112b，而阳极电极113具有阳极触媒层113a及阳极气体扩散层113b。质子传导膜111乃是设置于阴极触媒层112a与阳极触媒层113a之间。阴极气体扩散层112b是设置于阴极触媒层112a之上，而阳极气体扩散层113b是设置于阳极触媒层113a之上。

阴极多孔集电层120是设置于阴极电极112之上。更详细的来说，阴极多孔集电层120是设置于阴极电极112的阴极气体扩散层112b之上。

阳极多孔集电层130是设置于阳极电极113之上。更详细的来说，阳极多孔集电层130是设置于阳极电极113的阳极气体扩散层113b之上，并且阳极多孔集电层130是相对于阴极多孔集电层120。

阴极吸水层140是设置于阴极多孔集电层120之上，与阴极集电层120相较，阴极吸水层140具有较为亲水的特性，可以迅速将水吸附或引导至其他区域，以避免水分在阴极集电层120或阴极电极112处累积。阴极吸水层140可为多孔亲水材质，例如织布、不织布、纸类、泡绵、发泡聚氨酯等多孔材质，亦可以涂布的方式将多孔亲水材质如聚氨酯直接附着于阴极多孔集电层120之上。值得注意的是，阴极吸水层140乃是位于阴极多孔集电层120的外部上，故阴极吸水层140的设置并不会影响阴极多孔集电层120与阴极气体扩散层112b之间的电性接触，进而不会使得燃料电池阴极水管理装置100内的整体电阻增加。此外，阴极吸水层140具有适当尺寸大小的网孔，网孔大小的设计越小越好，开孔率则越大越好，因为可以有效提升空气的穿透率，而网孔的大小由该阴极吸水层的表面能决定，以不形成水膜为原则，以免妨碍阴极反应所需的氧气进入，其最简单的设计基准为开孔的半径必须比阴极吸水层的厚度还大，以免位于边缘的两水珠连结形成水膜堵住开孔。

第二实施例

在本实施例的中，与第一实施例相同的元件均以相同的符号所标示。

请参阅图3，本实施例与第一实施例最大的差别是在于本实施例的燃料电池装置100’的阴极集电层120是另以刚性较佳的集电层压板121下压固定，以降低阴极集电层120与阴极气体扩散层112b之间的接触电阻，阴极吸水层140可以是设置在集电层压板121的表面或孔洞侧边，以增加阴极吸水层140与阴极水分接触的机会。另外集电层压板121亦可以是多孔亲水材质，可以吸附或排除阴极多余水分。

至于本实施例的燃料电池装置100’的其他元件构造、特征或运作方式均与第一实施例的燃料电池装置100相同，故为了使本案的说明书内容能更清晰易懂起见，在此省略其重复的说明。

第三实施例

请参阅图4，本实施例与第一实施例最大的差别是在于本实施例的燃料电池装置100”的阴极吸水层140是透过毛细力或重力的作用，将阴极产生的水引导至储水区160，而储水区160可以是吸水材料，例如泡绵或其他多孔材料，亦可以是储水容器，以储存收集到的阴极水。此外，流体传递元件170(例如，泵浦或压缩机等)是连接于储水区160，其可以在适当或设定的时间内将储水区160内的水输送至阳极燃料区或回收水区(未显示)，以与甲醇混合当作燃料使用。在可以利用重力的场合，例如当储水区160的位置是高于阳极燃料区的情形下，流体传递元件170可以是电磁阀、单向阀或者只是导管，以让储水区160内的水透过重力的效应而流至阳极燃料区作适当的应用。

至于本实施例的燃料电池装置100”的其他元件构造、特征或运作方式均与第一实施例的燃料电池装置100相同，故为了使本案的说明书内容能更清晰易懂起见，在此省略其重复的说明。

如上所述，本实施例的燃料电池装置100”除了可有效排除在阴极电极112中会影响反应的多余水分外，其还可将阴极电极112中的多余水分回收或传递至阳极电极113的中，以供阳极电极113反应所需，因而可达成燃料电池装置100”进行长时间运作的功效。

虽然本发明已以优选实施例披露于上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

Claims

1.一种燃料电池装置，包括：

膜电极组，具有质子传导膜、阴极电极以及阳极电极，其中，该质子传导膜设置于该阴极电极与该阳极电极之间；

阴极多孔集电层，设置于该阴极电极之上；

阳极多孔集电层，设置于该阳极电极之上，并且相对于该阴极多孔集电层；

阴极吸水层，设置于该阴极多孔集电层的上方，用以吸附或引导该阴极电极的水分。

2.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中，该阴极吸水层由多孔亲水材质所制成。

3.如权利要求2所述的燃料电池装置，其中，该多孔亲水材质为吸水线材、灯芯、织布、不织布、纸类、泡绵或发泡聚氨酯。

4.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中，该阴极吸水层以涂布或转印的方式披覆于该阴极多孔集电层的上方。

5.如权利要求1所述的燃料电池装置，还包括集电层压板，设置于该阴极集电层上方，用以固定该阴极集电层。

6.如权利要求5所述的燃料电池装置，其中，该阴极吸水层设置于该集电层压板的上方。

7.如权利要求5所述的燃料电池装置，其中，该集电层压板由多孔亲水材质所制成。

8.如权利要求1所述的燃料电池装置，还包括储水区，连接于该阴极吸水层，其中，该阴极吸水层将该阴极电极的水分引导至该储水区。