CN101540409B - 电场-膜电极组合结构的燃料电池装置及其可逆式再生氢氧电解装置 - Google Patents
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Abstract
电场-膜电极组合结构的燃料电池装置及其可逆式再生氢氧电解装置，燃料电池装置结构是在阳极与阴极之间设有电解质，其特征在于，在所述的阳极外面设有与该阳极绝缘的电场正极；在所述阴极的外面设有与该阴极绝缘的电场负极；所述的电场正极、电场负极与一个直流电源连接。本发明的电场-膜电极组合结构的燃料电池装置，能有效的减少活化损失、燃料的穿透和内部短路电流，以及欧姆损失，提高了燃料电池的性能。克服了现有的燃料电池装置，无法减少活化损失等不足。本发明的这种电场-膜电极组合结构的燃料电池装置，在可逆式再生氢氧电解装置中的应用，同样减少了活化损失，提高了电解效率。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池应用领域，尤其涉及一种电场-膜电极组件(E-fieldMEA)结构的燃料电池装置及其可逆式再生氢氧电解装置。
背景技术
燃料电池是一种将氢和氧的化学能，通过电极反应直接转换成电能的装置。这种装置的最大特点是由于反应过程中不涉及到燃烧，因此其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，其能量转换率高达60％～80％，实际使用效率则是普通内燃机的2～3倍。另外，它还具有燃料多样化、排气干净、噪音低、环境污染小等优点。
当前燃料电池结构是由“阳极-电解质-阴极”所组成的三合一组件MEA(Membrane Electrode Assembly)。电解质的类型决定了燃料电池的工作温度，而电极上所采用的催化剂是促进燃料剂与氧化剂的电化学反应速率。按电解质划分，燃料电池大致可分为六种：碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、甲醇燃料电池(DMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。
其中甲醇燃料电池(DMFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极和阳极的催化材料是铂，当前工艺是将很小的Pt金属粒子担载在具有良好分散性的碳粉表面，使Pt用量降低到0.2mg/cm2-0.1mg/cm2，极大降低了燃料电池的成本。但是由于阴极和阳极的催化材料铂用量的减少，使得甲醇燃料电池(DMFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)的功率密度在长期工作时稳定性不好，造成发电效率逐渐下降，工作寿命缩短。
以下结合附图进一步说明现有技术的原理与不足。现有燃料电池基本结构由“阳极-电解质-阴极”所组成的三合一组件MEA，以及工作原理参看图1、图2所示。其中，(a)、(b)分别代表酸性和碱性电解质(PEM)燃料电池。
参看附图1、图2中，1.0为电解质；2.0为阳极；3.0为阴极。其中电解质1.0包含有电解层1.1、催化层1.2与催化层1.3。7.0是外负载。电解层与催化层分别与阳极2.0、阴极3.0的交界面紧密交接。阳极2.0与阴极3.0分别有阳极导流槽2.1与阴极导流槽3.1。
酸性电解质(PEM)燃料电池的阴阳极反应和电子流：
阳极：2H2→4H++4e-
阴极：O2+4e-+4H+→2H2O
碱性电解质(AFC)燃料电池的阴阳极反应和电子流：
阳极：2H2+4OH-→4H2O+4e-
阴极：O2+4e-+2H2O→4OH-
由“阳极-电解质-阴极”所组成的燃料电池，其影响电压降的主要原因有：活化损失、燃料的穿透和内部短路电流、欧姆损失、传质或浓度损失。
如在一个质子交换膜(PEM)燃料电池中，酸性电解质与阴阳电极总有连续的电子流流向电解质或从电解质流出，形成活化损失。质子交换膜(PEM)电解质是离子传导型电解质，但它总是可以发生少量的电子传导，以及氢分子从阳极通过电解质渗漏到阴极，在阴极与氧反应，形成燃料的穿透和内部短路电流。而欧姆损失是电极的电阻和质子交换膜(PEM)电解质中离子流动遇到的阻力。
发明内容
为了克服现有“阳极-电解质-阴极”所组成的燃料电池装置，无法减少活化损失、燃料的穿透和内部短路电流、欧姆损失，来提高燃料电池的性能。本发明提供一种“电场-膜电极(E-field MEA)组合结构的燃料电池装置”，该电场-膜电极(E-field MEA)组合结构的燃料电池装置，能有效的减少活化损失、燃料的穿透和内部短路电流、欧姆损失。本发明的进一步目的是提供这种电场-膜电极组合结构的燃料电池装置，以及在可逆式再生氢氧电解装置中的应用。
实现本申请第一个发明任务的技术方案是：
一种电场-膜电极(E-field MEA)组合结构的燃料电池装置，在阳极与阴极之间设有电解质，其特征在于，在所述的阳极外面设有与该阳极绝缘的电场正极；在所述阴极的外面设有与该阴极绝缘的电场负极；所述的电场正极及电场负极与一个直流电源连接。
换言之，本发明的电场-膜电极(E-field MEA)组合结构的燃料电池装置，是在现有技术“阳极-电解质-阴极”所组成的三合一组件中，阴阳电极外层电隔离组合一对电场负极与电场正极，而电场负极与电场正极连接一个隔离的直流电源，并为“阳极-电解质-阴极”所组成的三合一组件提供一个稳定或调控的内电场。
本发明所述的电场-膜电极(E-field MEA)组合结构的燃料电池装置，主要应用在中、低温工作的燃料电池中，如碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、甲醇燃料电池(DMFC)。
本发明的工作原理是：以本发明电场-膜电极(E-field MEA)组合结构的燃料电池装置构成的酸性电解质(PEM)燃料电池为例：阴、阳极反应和电子流：阳极：2H2→4H++4e-氢离子化，释放出电子并产生氢离子。阴极：O2+4e-+4H+→2H2O氧气结合电极上的电子和电解质中的氢离子形成水。酸性电解质燃料电池的阴阳极反应和形成电子流过程中，直流电源、电场正极、电场负极组合形成内电场E，方向从阳极指向阴极，在电场E中H+形成排斥电场力，使电解质中离子流动遇到的阻力减少，在电场E中的电子形成吸引电场力，阻止扩散的电子进入电解质中，减少电解质内部短路电流。同时电极催化剂与电解质接触面产生大量的电子与离子形成双电层，此时稳定的电场E增强位于电极-电解质界面或其附近的双电层，减少活化损失。
以本发明电场-膜电极(E-field MEA)组合结构的燃料电池装置构成的碱性电解质(AFC)燃料电池为例：的阴阳极反应和电子流：阳极：2H2+4OH-→4H2O+4e-氢氧根离子与氢反应，放出能量和电子并产生水。阴极：O2+4e-+2H2O→4OH-氧和电极上的电子与电解质的水反应，形成新的氢氧根离子。碱性电解质燃料电池的阴阳极反应和形成电子流过程中，直流电源6.0、电场正极、电场负极组合形成内电场E，方向从阳极指向阴极，在电场E中OH-形成吸引电场力，使电解质中氢氧根离子流动遇到的阻力减少，在电场E中的电子也形成吸引电场力，阻止扩散的电子进入电解质中，减少电解质内部短路电流。同时电极催化剂与电解质接触面产生大量的电子与离子形成双电层，此时稳定的电场E增强位于电极-电解质界面或其附近的双电层，减少活化损失。
以本发明电场-膜电极(E-field MEA)组合结构的燃料电池装置与现有的“阳极-电解质-阴极”所组成MEA燃料电池，典型工作电压变化曲线图，参看图7所示。本发明的输出电压明显高于传统燃料电池；与理论无损电压曲线更加接近。
本发明的优化方案中，多个本发明的燃料单电池装置可以串联形成一个高电压输出的电场-膜电极(E-field MEA)组合结构的燃料电池装置。
本申请的第2个发明任务，是上述的电场-膜电极(E-field MEA)组合结构的燃料电池装置，在可逆式再生氢氧电解装置中的应用。
即，本发明的电场-膜电极(E-field MEA)组合结构的燃料电池装置也可以组成氢氧水电解装置。注：在水电解装置中，正极通常称为阳极，负极通常称为阴极，这与燃料电池相反。由于同样的原理，作为氢氧水电解装置时，本发明稳定的电场E增强位于电极-电解质界面或其附近的双电层，减少活化损失，降低电解水的分解电压，提高电解效率。
本发明水电解池E-field MEA组件装置分解电压析出图，参看图8所示。本发明的初始电压与分解电压，均明显低于传统的水电解池。
在优化方案中，所述的氢氧水电解池装置可以多个装置并联，形成的一个产气率高的氢氧水电解装置。
本发明的电场-膜电极组合结构的燃料电池装置，能有效的减少活化损失、燃料的穿透和内部短路电流，以及欧姆损失，提高了燃料电池的性能。克服了现有的燃料电池装置，无法减少活化损失、燃料的穿透和内部短路电流，以及欧姆损失不足。本发明的这种电场-膜电极组合结构的燃料电池装置，在可逆式再生氢氧电解装置中的应用，同样减少了活化损失，降低电解水的分解电压，提高了电解效率。
附图说明
图1为现有燃料电池MEA组件工作原理示意图；
图2为现有燃料电池MEA组件结构示意图；
图3为本发明燃料电池E-field MEA组件工作原理示意图；
图4为本发明燃料电池E-field MEA组件结构示意图；
图5为本发明水电解池E-field MEA组件工作原理示意图；
图6为本发明水电解池E-field MEA组件结构示意图；
图7为燃料电池E-field MEA组件与MEA组件工作电压曲线图；
图8为本发明水电解池E-field MEA组件装置分解电压析出图。
具体实施方式
实施例1
参照图3所示，一种电场-膜电极(E-field MEA)组合结构的燃料电池装置是由电解质1.0、阳极2.0、阴极3.0、电场正极4.0、电场负极5.0主要部件所组成。其中直流电源6.0是电场正极4.0、电场负极5.0的供电电源，主要功能是为膜电极MEA所组成的三合一组件提供稳定或调控的内电场E。负载7.0是燃料电池供电的外负载。其中，(A)、(B)分别代表酸性和碱性电解质燃料电池。
参照图3所示，本实施例一种电场-膜电极(E-field MEA)组合结构的燃料电池装置的工作原理是：
酸性电解质(PEM)燃料电池的阴阳极反应和电子流：阳极：2H2→4H++4e-氢离子化，释放出电子并产生氢离子。阴极：O2+4e-+4H+→2H2O氧气结合电极上的电子和电解质中的氢离子形成水。酸性电解质燃料电池的阴阳极反应和形成电子流过程中，直流电源6.0、电场正极4.0、电场负极5.0组合形成内电场E，方向从阳极指向阴极，在电场E中H+形成排斥电场力，使电解质中离子流动遇到的阻力减少，在电场E中的电子形成吸引电场力，阻止扩散的电子进入电解质中，减少电解质内部短路电流。同时电极催化剂与电解质接触面产生大量的电子与离子形成双电层，此时稳定的电场E增强位于电极-电解质界面或其附近的双电层，减少活化损失。
碱性电解质(AFC)燃料电池的阴阳极反应和电子流：阳极：2H2+4OH-→4H2O+4e-氢氧根离子与氢反应，放出能量和电子并产生水。阴极：O2+4e-+2H2O→4OH-氧和电极上的电子与电解质的水反应，形成新的氢氧根离子。碱性电解质燃料电池的阴阳极反应和形成电子流过程中，直流电源6.0、电场正极4.0、电场负极5.0组合形成内电场E，方向从阳极指向阴极，在电场E中OH-形成吸引电场力，使电解质中氢氧根离子流动遇到的阻力减少，在电场E中的电子也形成吸引电场力，阻止扩散的电子进入电解质中，减少电解质内部短路电流。同时电极催化剂与电解质接触面产生大量的电子与离子形成双电层，此时稳定的电场E增强位于电极-电解质界面或其附近的双电层，减少活化损失。
参照图4所示，本实施例“一种电场-膜电极(E-field MEA)组合结构的燃料电池装置”是由：电解层1.1、催化层1.2、催化层1.3、阳极2.0、阳极导流槽2.1、阴极3.0、阴极导流槽3.1、电场正极板4.1、绝缘层4.2、电场负极板5.1、绝缘层5.2、直流电源U6.0、负载7.0所组成的燃料单电池装置。而多个燃料单电池装置可以串联形成一个高电压的电场-膜电极(E-field MEA)组合结构的燃料电池装置。
本实施例“一种电场-膜电极(E-field MEA)组合结构的燃料电池装置”主要发明特征为：燃料电池由“电场正极-阳极-电解质-阴极-电场负极”所组成的五合一组件。该五合一组件是在现有技术的燃料电池“阳极-电解质-阴极”所组成的三合一组件中，阴阳电极外层电隔离组合电场负极与电场正极。该电场-膜电极(E-field MEA)组合结构的燃料电池装置的工作原理，能有效的减少活化损失、燃料的穿透和内部短路电流及欧姆损失。
本实施例“一种电场-膜电极(E-field MEA)组合结构的燃料电池装置”主要发明特征为：主要应用在中、低温工作的燃料电池中，如碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、甲醇燃料电池(DMFC)。
参照图5所示，本实施例2“一种电场-膜电极(E-field MEA)组合结构的燃料电池装置”可以逆式工作方式，形成氢氧水电解装置。
本实施例2“一种电场-膜电极(E-field MEA)组合结构的水电解池装置”是由电解质1.0、阳极2.0、阴极3.0、电场正极4.0、电场负极5.0主要部件所组成。其中直流电源6.0是电场正极4.0、电场负极5.0的供电电源，主要功能是为膜电极MEA所组成的三合一组件提供稳定或调控的内电场E。电源7.0是水电解池电解电源。
本实施例2“一种电场-膜电极(E-field MEA)组合结构的水电解池装置”的工作原理是：在正极，水被氧化放出电子2H2O→O2+4H++4e-反应产生氧。在负极H+从电解质中移出，电源7.0提供电子，4H++4e-→2H2反应产生氢气。其中直流电源6.0、电场正极4.0、电场负极5.0组合形成内电场E，方向从阳极指向阴极。在电场E中H+形成排斥电场力，使电解质中离子流动遇到的阻力减少。同时电场E增强位于正电极-电解质界面或其附近的水偶极子变形拉长，电偶极子相位增强，导电性提高，增强电解效率。
本实施例2“一种电场-膜电极(E-field MEA)组合结构的水电解池装置”是在申报的发明专利“稳定强电场恒电流电解池及其电解装置”，专利申请号：200910025631.8的基础上，提出的另一种电场-膜电极(E-field MEA)组合结构的单氢氧水电解池装置。
参照图6所示，本实施例2“一种电场-膜电极(E-field MEA)组合结构的水电解池装置”结构是由电解层1.1、催化层1.2、催化层1.3、阴极2.0、阴极导流槽2.1、阳极3.0、阳极导流槽3.1、电场负极板4.1、绝缘层4.2、电场正极板5.1、绝缘层5.2、直流电源U6.0、电解电源7.0所组成的单氢氧水电解池装置。该单氢氧水电解池装置可以串联组成多组形式的氢氧水电解装置。注：在氢氧水电解装置中，正极通常称为阳极，负极通常称为阴极，这与燃料电池相反。
Claims (4)
1.一种电场-膜电极组合结构的燃料电池装置，在阳极与阴极之间设有电解质，其特征在于，在所述的阳极外面设有与该阳极绝缘的电场正极板；在所述阴极的外面设有与该阴极绝缘的电场负极板；所述的电场正极板及电场负极板与一个直流电源连接；
所述的电池装置为碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池，或甲醇燃料电池；
所述的电场-膜电极组合结构的燃料电池装置的具体结构，是由电解质层(1.1)、催化层-1(1.2)、催化层-2(1.3)、阳极(2.0)、阳极导流槽(2.1)、阴极(3.0)、阴极导流槽(3.1)、电场正极板(4.1)、绝缘层-1(4.2)、电场负极板(5.1)、绝缘层-2(5.2)、直流电源U(6.0)、负载(7.0)所组成。
2.一个高电压输出的电场-膜电极组合结构的燃料电池装置，其由多个根据权利要求1所述的电场-膜电极组合结构的燃料电池装置串联而成。
3.一种电场-膜电极组合结构的燃料电池装置构成的可逆式再生氢氧电解装置，其特征在于，所述电解装置的具体结构是由：电解质层(1.1)、催化层-1(1.2)、催化层-2(1.3)、阴极(2.0)、阴极导流槽(2.1)、阳极(3.0)、阳极导流槽(3.1)、电场负极板(4.1)、绝缘层-1(4.2)、电场正极板(5.1)、绝缘层-2(5.2)、直流电源U(6.0)、电解电源(7.0)所组成；
所述的阴极(2.0)与阳极(3.0)之间设有电解质层(1.1)；在所述的阳极外面设有与该阳极绝缘的电场正极板；在所述阴极的外面设有与该阴极绝缘的电场负极板；所述的电场正极板及电场负极板与直流电源U连接。
4.一个产气率高的氢氧水电解装置，其由多组根据权利要求3所述的电场-膜电极组合结构的燃料电池装置构成的可逆式再生氢氧电解装置并联而成。
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