CN101771162A

CN101771162A - 平面型燃料电池组

Info

Publication number: CN101771162A
Application number: CN200810190272A
Authority: CN
Inventors: 康顾严; 刘静蓉; 戴椿河; 赖秋助
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2008-12-30
Filing date: 2008-12-30
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2028-12-30
Also published as: CN101771162B

Abstract

一种平面型燃料电池组，其包括薄膜电极组、阳极集电层、阴极集电层、亲水阻气层以及气液分离层，其中阳极集电层与阴极集电层分别配置于薄膜电极组的二个相对侧，亲水阻气层则配置于阳极集电层上。此外，气液分离层配置于该亲水阻气层上，以使亲水阻气层位于气液分离层与阳极集电层之间，其中亲水阻气层与气液分离层接触。

Description

平面型燃料电池组

技术领域

本发明是涉及一种燃料电池(fuel cell)，且特别是涉及一种平面型燃料电池组(flat fuel cell assembly)，以自然力输送燃料的被动式燃料电池。

背景技术

随着工业的进步，传统能源如煤、石油及天然气的消耗量持续升高，由于天然能源的存量有限，因此必须研发新的替代能源以取代传统能源，而燃料电池便是一种重要且具实用价值的选择。

简单来说，燃料电池基本上是一种利用水电解的逆反应而将化学能转换成电能的发电装置。以质子交换膜燃料电池来说，其主要是由薄膜电极组(membrane electrode assembly，简称MEA)及二个电极板所构成。薄膜电极组是由质子传导膜(proton exchange membrane)、阳极触媒层、阴极触媒层、阳极气体扩散层(gas diffusion layer，GDL)以及阴极气体扩散层所构成。其中，上述的阳极触媒层与阴极触媒层分别配置于质子传导膜的两侧，阳极气体扩散层与阴极气体扩散层分别设置在阳极触媒层与阴极触媒层之上。另外，二个电极板包括阳极与阴极，其分别配置于阳极气体扩散层与阴极气体扩散层之上。

目前业界常见的质子交换膜燃料电池是直接甲醇燃料电池(DirectMethanol Fuel Cell，简称DMFC)，其是直接使用甲醇水溶液当作燃料供给来源，并经由甲醇与氧的相关电极反应来产生电流。直接甲醇燃料电池的反应式如下：

阳极：CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-

阴极：3/2O₂+6H⁺+6e^-→3H₂O

反应时，阳极会消耗1摩尔的水，阴极会产生3摩尔的水，而反应所产生的水以及二氧化碳要立即顺利移除，不可滞留在触媒层的表面上，如此才能够使燃料电池持续进行反应，以产生电流。

近来开发被动式燃料输送的燃料电池，以材料的自然力进行燃料输送或水管理，因此燃料电池系统是否运作稳定，系统内部的水管理设计是很重要的一环，关于燃料电池中的水管理设计，业界已提出多种方式。例如，美国专利申请案的早期公开号US 2004/0209136利用水管理层的设置以防止水分自阳极流失，而此处的水管理层是由至少一层以聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)为主的疏水微孔材料所构成；该层材料的特性为可供气态燃料通过，并阻止液态水通过。

在专利公开号WO 2005/112172A1中，其利用燃料气化层使液态的甲醇燃料被转换成气态，并利用设置在燃料气化层与薄膜电极组之间的阳极保湿层来抑制液态的甲醇燃料被稀释。其中，为避免阳极保湿层阻挡气态甲醇燃料的通过，将该层的定义为：依照JIS K7126-1987A法于摄氏25度测试的甲醇气体透过率在1×10⁵～1×10⁹cm³/m²·24hr·atm之间的材料。然而依此设计系统在长时间操作下，仍有系统不稳定内阻会上升的问题存在。

关于燃料电池中的二氧化碳排放设计，尚有专利公开号WO2006/040961以及JP 2006-134808提出相关的解决的道。值得注意的是，WO2005/112172A1、WO 2006/040961以及JP 2006-134808三者所披露的架构皆面临了长时间操作内阻增加的问题，其根源在于无法解决阳极侧有水积存的现象。此外US 2004/0209136专利公开案中的水管理层与JP 2006-134808的燃料气体扩散层均是疏水透气材料，当燃料电池倾斜操作于各个方向时，气态燃料来源会呈非均匀性分布，而WO 2005/112172A1透气的阳极保湿层亦有相同的问题。因此，如何改善气态燃料传送至阳极触媒层的均匀性，阳极侧积水以及内阻增加等长时间操作稳定性的问题，在燃料电池的制作上属于重要关键技术，俨然已成为目前业界关注的焦点之一。

发明内容

本发明提供一种平面型燃料电池组，其可有效地改善气态燃料传送至阳极触媒层的均匀性以及长时间操作稳定性的问题。

本发明提出一种平面型燃料电池组，其包括薄膜电极组、阳极集电层、阴极集电层、亲水阻气层、气液分离层，其中阳极集电层与阴极集电层分别配置于薄膜电极组的二个相对侧，亲水阻气层配置于阳极集电层上，而气液分离层则配置于亲水阻气层上，以使亲水阻气层位于气液分离层与阳极集电层之间，其中亲水阻气层至少有部分与气液分离层接触。另外，本发明可选择性地将吸水透气层配置于亲水阻气层与阳极集电层间，以增加阳极侧的保水率。

基于上述，由于本发明的平面型燃料电池组采用亲水阻气层与气液分离层部分接触的搭配设计，因此本发明可以有效避免已知技术所面临的内阻增加所造成的不稳定性。此外，亲水阻气层具有吸收通过气液分离层的甲醇燃料并再行分布一次的功能，以避免高浓度燃料直接进入阳极反应区，而此方法相较其他如气态燃料收容室的设计，更可避免阳极侧积水的问题。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是依照本发明实施例的平面型燃料电池组的剖面示意图。

图2是依照本发明另一实施例的平面型燃料电池组的剖面示意图。

附图标记说明

100：平面型燃料电池组

110：薄膜电极组

111：质子传导膜

112：阳极触媒层

113：阴极触媒层

114：阳极气体扩散层

115：阴极气体扩散层

120：阳极集电层

130：阴极集电层

140：吸水透气层

150：亲水阻气层

160：阴极阻气层

162：开孔

170：气液分离层

180：燃料供应单元

190：框架

192：气体排放通道

F：液态燃料

P：路径

具体实施方式

图1是依照本发明实施例的平面型燃料电池组的剖面示意图。请参照图1，本实施例的平面型燃料电池组100包括薄膜电极组(MEA)110、阳极集电层120、阴极集电层130、亲水阻气层150以及气液分离层170，其中阳极集电层120与阴极集电层130分别配置于薄膜电极组110的二个相对侧，亲水阻气层150配置于阳极集电层120上，而气液分离层170则配置于亲水阻气层150上，以使亲水阻气层150位于气液分离层170与阳极集电层120之间，且亲水阻气层150至少有部分材料与气液分离层170接触。

在本实施例中，薄膜电极组110具有质子传导膜111、阳极触媒层112、阴极触媒层113、阳极气体扩散层114与阴极气体扩散层115，而阳极触媒层112与阴极触媒层113分别配置于质子传导膜111的两侧，阳极气体扩散层114与阴极气体扩散层115分别设置在阳极触媒层112与阴极触媒层113上。上述的阳极触媒层112的材料例如是铂/钌合金(Pt/Ru)、外镀铂/钌合金的碳材微粒、外镀铂的碳材微粒或其他合适的材料，阴极触媒层113的材料例如是铂合金、外镀铂合金的碳材微粒、外镀铂的碳材微粒或其他合适的材料。质子传导膜111是用来当作传输质子的电解质膜，质子传导膜111的材料例如是高分子膜，其例如是使用美国杜邦(DuPont)公司生产的Nafion膜(商品名)。

在本发明实施例中，阳极集电层120的材料为导电材料，例如钛金属或钛镀金等。此外，阴极集电层130的材料与阳极同亦为导电材料。

值得注意的是，亲水阻气层150在吸水后具有不透气的特性，此处的吸水后不透气是指该层在吸水后的透气度小于特定值，本发明并不限定此特定值必须为0。具体而言，亲水阻气层150在吸水后的透气度依据CNS 1357的透气性试验规范在30秒/100ml以上。在本实施例中，亲水阻气层150的材料例如是亲水处理的不织布其他如亲水碳纤、织布、纸类、等亲水材料，具有亲水的特性，并于经如水的液体湿润后具有阻气效果，进而能够阻挡气态燃料与阳极产生的二氧化碳气体直接穿透，例如本实施例使用的亲水阻气层厚度为100μm，孔径为0.1μm。

在本实施例中，气液分离层170可以确保液态燃料F无法直接与阳极触媒层112接触，并可用以控制气态燃料的输送量。液态燃料F气化的气体通过气液分离层170后抵达亲水阻气层150处，由于亲水阻气层150经水的液体湿润后具有阻气效果，故前述的液态燃料F气化的气体将再次溶于亲水阻气层150内，并以液态的型式扩散穿过亲水阻气层150，这过程将有助于燃料分布的均匀化，之后燃料再次气化通过阳极集电层120与阳极气体扩散层114，抵达阳极触媒层112进行反应。亲水阻气层150的设计有助于燃料分布均匀化，可以解决已知技术所面临的气态燃料供应不均匀的问题。

另一方面，燃料电池在长时间的操作下，阳极集电层120与气液分离层170之间可能会有液体凝结，这液体凝结的现象对于已知技术而言，除了造成气态燃料供应不均匀之外，也会造成薄膜电极组110内阻增加，在本实施例中，亲水阻气层150至少有部分材料与气液分离层170接触，甚至可以完全接触，因此该液体凝结现象会因亲水阻气层150的亲水特性，将液体吸收并均匀分布，不会对气态燃料供应造成影响。此外，为了有效达成此目的，在亲水阻气层150与气液分离层170之间可以插入其他亲水或吸水材，以确保其接触的稳定性。相较于美国专利申请案的早期公开号US 2004/0209136中所使用的疏水性水管理层(聚四氟乙烯，PTFE)，本实施例的水管理层不但可防止水分自阳极流失，而且不会有疏水性水管理层所面临的积水及内阻增加的问题。

图2是依照本发明另一实施例的平面型燃料电池组的剖面示意图。请参照图2，本发明实施例的平面型燃料电池组100还可进一步包括吸水透气层(water-absorbent and gas-permeable layer)140，此吸水透气层140配置于阳极集电层120与亲水阻气层150之间，用以吸附阳极区域多余的水分或燃料，当燃料电池操作环境或操作条件改变时，吸水透气层140可以具有维持膜电极组110内阻与调节燃料量的功能，增加燃料电池运作的稳定性。由于吸水透气层140在吸水后仍透气，因此并不会影响气态燃料传送到阳极触媒层112的均匀性，吸水透气层140在吸水后的透气度依据CNS 1357的透气性试验规范必须在15秒/100ml以下，吸水透气层140的材料例如是织布、不织布、纸类、泡绵、发泡PU等亲水材料，其具有吸附液体的特性，并且此材料可为多孔结构，但其孔径必须大至无法形成水膜，以维持其透气度。

具体而言，吸水后仍透气的吸水透气层140具有阻挡液态水离开阳极、维持湿度以及让燃料穿透的功能，在此处的功能，主要在增加此设计的保水率，进一步提升整体的稳定度。而吸水后不透气的亲水阻气层150则具有引导二氧化碳排放、燃料吸收后再气化(均匀化)以及消弭气液分离层170上积水的功能。

本实施例的平面型燃料电池组100还可进一步包括阴极阻气层160，此阴极阻气层160配置于阴极集电层130上，且阴极阻气层160与阴极集电层130相接触。阴极阻气层160的材料可为聚脂类高分子或聚烯烃类高分子。具体而言，聚脂类高分子例如是聚对苯二甲酸乙二脂(polyethyleneterephthalate，PET)或聚丙烯氰(polyacrylonitrile，PAN)，而聚烯烃类高分子例如是聚乙烯(polyethylene，PE)、聚丙烯(polypropylene，PP)或其他可作开孔加工的阻气材料。阴极阻气层160的厚度例如是介于10μm～5mm之间。在本发明的实施例中，阴极阻气层160的厚度例如约为100μm。阴极阻气层160的主要作用是在于控制反应后阴极触媒层113所产生的水的蒸发速率，使阴极触媒层113中的水可经质子传导膜110扩散至阳极触媒层112，而使阴极触媒层113的水可提供给阳极触媒层112反应所使用。

阴极阻气层160中具有至少一个开孔162，以控制气体透气量，本实施例绘示出多个开孔162以作为例子进行说明。然而，本发明并不对开孔162的形状与数量作特别的限定。由于，本发明的平面型燃料电池组100在反应时会在阴极触媒层113处产生水，因此阴极阻气层160的开孔162的尺寸必须具有防止造成积水的效果。经验上，若要避免水造成开孔162堵塞，开孔162的最小孔径通常须大于阴极阻气层160的厚度的两倍。意即，若开孔162为圆形开孔，则其直径需大于阴极阻气层160的厚度的两倍，而在本实施例中，开孔116的直径例如大于200μm。若开孔116为长方形开孔，则其短边的长度必须大于阴极阻气层160厚度的两倍，而在本实施例中，开孔162的短边的长度例如大于200μm。此外，阴极阻气层160中的整体的开孔率介于0.5％～60％之间，在优选实施例中，阴极阻气层160的开孔率例如约为5％左右。

本实施例的平面型燃料电池组100还可进一步包括燃料供应单元180，用以储存液态燃料F，且燃料供应单元180、阳极集电层120以及亲水阻气层150皆位于薄膜电极组110的同一侧。

本实施例的平面型燃料电池组100还可进一步包括框架190，用以固定前述的薄膜电极组110、阳极集电层120、阴极集电层130、吸水透气层140以及亲水阻气层150。值得注意的是，框架190具有气体排放通道192，此气体排放通道192使亲水阻气层150与外界连通，以使气体沿着路径P排放。具体而言，阳极侧所产生的二氧化碳会先穿过吸水透气层140，之后二氧化碳会受到亲水阻气层150的引导而流动至气体排放通道192以排放至外界。

承上述，气体排放通道192的设计以能够暴露出部分亲水阻气层150为原则，本发明不限定其尺寸、型态、数量以及分布情况。

实验例1

平面型燃料电池组的实验条件：供应99％以上体积浓度的甲醇溶液以作为液态燃料，并于设定的温度下进行实验。实验结束后，再一次以A结构放电确认膜电极组性能与初始实验相同。

实施例A：本发明图1的平面型燃料电池组，亲水阻气层厚度为100微米。

实施例B：本发明图1的平面型燃料电池组，亲水阻气层厚度为400微米。

实施例C：本发明图2的平面型燃料电池组，亲水阻气层厚度为100微米，吸水透气层厚度为200微米。

比较例1：从实施例C结构中移除亲水阻气层

比较例2：在实施例C结构中以疏水层取代亲水阻气层

表一

从表一可清楚得知，与比较例1、2相较，本发明的平面型燃料电池组(实施例A、B、C)有优选的表现。

虽然本发明已以实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，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，故本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims

1.一种平面型燃料电池组，包括：

薄膜电极组；

阳极集电层；

阴极集电层，其中该阳极集电层与该阴极集电层分别配置于该薄膜电极组的二个相对侧；

至少一亲水阻气层，配置于该阳极集电层上；以及

气液分离层，配置于该亲水阻气层上，以使该亲水阻气层位于该气液分离层与该阳极集电层之间，其中该亲水阻气层与该气液分离层接触。

2.如权利要求1所述的平面型燃料电池组，还包括亲水材料层，配置于该亲水阻气层与该气液分离层之间，以增加该亲水阻气层与该气液分离层的接触部分。

3.如权利要求1所述的平面型燃料电池组，还包括吸水透气层，配置于该阳极集电层与该亲水阻气层之间。

4.如权利要求3所述的平面型燃料电池组，其中该吸水透气层为具有通气孔的亲水材料。

5.如权利要求3所述的平面型燃料电池组，其中该吸水透气层的材料包括织布、不织布、纸类、泡绵、发泡PU等具毛细吸附力的材料。

6.如权利要求1所述的平面型燃料电池组，其中该亲水阻气层的材料包括织布、不织布、纸类等亲水或亲水化处理的材料。

7.如权利要求1所述的平面型燃料电池组，还包括阻气层，配置于该阴极集电层上，其中该阻气层具有至少一开孔，以控制气体透气量。

8.如权利要求7所述的平面型燃料电池组，其中该阻气层的开孔率介于0.5％～60％之间。

9.如权利要求1所述的平面型燃料电池组，还包括框架，用以固定该薄膜电极组、该阳极集电层、该阴极集电层以及该亲水阻气层。

10.如权利要求1所述的平面型燃料电池组，其中该框架具有气体排放通道，以引导气体的排放。

11.如权利要求1所述的平面型燃料电池组，还包括燃料供应单元，其中该燃料供应单元适于储存液态燃料，且燃料供应单元、该阳极集电层、该气液分离层以及该亲水阻气层位于该薄膜电极组的同一侧。