CN108539209A - 用于可逆燃料电池的组件 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于可逆燃料电池的组件。用于可逆燃料电池中的一种膜电极组件包括：离子传导膜，该膜具有第一和第二表面；与该膜的第一表面相接触的第一电催化剂层，所述第一电催化剂层包括至少一个离散的电解活性区域(ELE1i)以及至少一个离散的产能活性区域(EG1i)。第二电催化剂层被放置为与该膜的第二表面相接触，所述第二电催化剂层包括至少一个离散的电解活性区域(ELE2i)以及至少一个离散的产能活性区域(EG2i)。电解活性区域(ELE1i)中的每一个与电解活性区域(ELE2i)中的每一个相对应并对齐，并且产能活性区域(EG1i)中的每一个与产能活性区域(EG2i)中的每一个相对应并对齐。

Description

用于可逆燃料电池的组件
本申请是申请日为2011年8月23日、申请号为″201180052562.5″、名称为″用于可逆燃料电池的组件″的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2010年8月30日提交的欧洲申请号10174543.8的优先权，出于所有的目的该申请的全部内容通过引用结合在此。
技术领域
本发明总体上是针对燃料电池并且更确切地说是针对可逆燃料电池以及它们的部件。
背景技术
燃料电池是可以高效率地通过燃料的氧化以及氧化剂的还原而将燃料中储存的能量转化成电能的电化学装置。该燃料和氧化剂在两个分开的电极处经历一种氧化还原反应，每个电极包含与一种电解质相接触的催化剂。该电解质位于这些电极之间以防止这两种反应物之间的直接反应并且将离子从该电池的一侧传导至另一侧。有利地该电解质可以是一种固体聚合物电解质。
在燃料电池中可以使用多种多样的反应物。例如，该燃料可以是基本上纯的氢气、一种气态的含氢重整油流束、或直接甲醇燃料电池中的甲醇。该氧化剂可以是，例如，基本上纯的氧或一种稀的氧流，如空气。
另一方面，一种电解池使用电力来生产不同的化学物种，例如由水或氯来生产氢和氧、用一种碱性盐水来生产氢氧化钠和氢气。一种电解池主要涉及逆向运行的燃料电池。
允许逆向运行(使得使用电能作为输入物时被氧化的燃料可以被还原回到未氧化的燃料)的燃料电池一般称为“可逆的”或“再生的”燃料电池。产生电力并且再生燃料的能力使得可逆燃料电池关于电能储存是特别有吸引力的。
特别引起兴趣的是所谓的单元式再生燃料电池，即如下的可逆燃料电池：其中在同一个电池堆叠中进行产能模式的运行(燃料电池模式)以及电解模式的运行二者。因为这样一个电池的电活性部件必须在电解以及燃料电池模式二者下运行，则难以针对二者将它们进行优化。
例如US 2003/0068544 A(CISAR，A.)10/04/2003披露了一种单元式再生的氢氧燃料电池，其中氧电极包括一个电催化剂层，该电催化剂层包含一种对于从水中释放氧是活性的催化剂以及对于将氧还原成水是活性的催化剂的一个混合物。该氧电极的气体扩散层包括疏水的以及亲水的区域。然而，通过这样一种构型，该水运输进出该电极的这些不同活性的电催化区域并未表现最佳。
因此，仍然需要能够在燃料电池模式以及电解模式二者下都以最高效率运行的单元式的再生式燃料电池。
发明内容
本发明的一个第一目的是一种用于可逆燃料电池中、特别用于单元式再生式燃料电池中的组件，该组件具有优化的活性，在该电池在电解模式下以及在产能模式下运行时均是如此。本发明的另一个目的是一种包含该组件的可逆燃料电池。
附图说明
图1是本发明的一种膜电极组件的示意性截面图。
图2和3是根据本发明的第一和第二实施方案的一种膜电极组件的这些部件的示意图。
图4是根据本发明另一个实施方案的一种组件的这些部件的示意图，该组件包含一个膜电极组件以及多个气体扩散层。
图5是根据本发明另一个实施方案的一种燃料电池堆的这些部件的示意图，该燃料电池堆包含一个膜电极组件、多个气体扩散层以及多个双极板。
具体实施方式
本发明的第一目的是一种用于可逆燃料电池的膜电极组件。表述“膜电极组件”在此用来表示如下一种组件：该组件包括一个离子传导膜，该膜被布置在两个电催化剂层之间，每个电催化剂层包括一种用于协助所希望的电化学反应的恰当催化剂、位于与该离子传导膜相邻。
参见图1，本发明的组件1包括一个离子传导膜ICM，该膜具有第一和第二表面。一个第一电催化剂层E1与该膜的第一表面相接触并且一个第二电催化剂层E2与该膜的第二表面相接触。
第一电催化剂层E1包括至少一个离散的电解活性区域(ELE1i)以及至少一个离散的产能活性区域(EG1i)。第二电催化剂层包括至少一个离散的电解活性区域(ELE2i)以及至少一个离散的产能活性区域(EG2i)。第一电催化剂层E1上的这个或这些离散的电解活性区域ELE1i中的每一个与第二电催化剂层E2上的这个或这些离散的电解活性区域ELE2i中的每一个相对应并且对齐。第一电催化剂层E1上的这个或这些离散的产能活性区域EG1i中的每一个与第二电催化剂层E2上的这个或这些离散的产能活性区域EG2i中的每一个相对应并且对齐。
提及本发明的组件的任意元件上的一个离散区域的表述“与......相对应并且对齐”在此用来表示该区域与该离子传导膜的表面上的一个对应区域或者与该离子传导膜的相反一侧上的等效元件的表面上的一个对应区域具有相同的尺寸和形状并且是与之对齐的。
图2示出了本发明的组件1的一个实施方案，该组件包括该离子传导膜(ICM)以及第一和第二电催化剂层E1和E2。在图2所示的实施方案中，每个电催化剂层都包括一个离散的电解活性区域(ELE1和ELE2)以及一个产能活性区域(EG1和EG2)。
各个电催化剂层(E1和E2)可以包括多于一个的电解活性区域ELE1i以及多于一个的产能活性区域EGi。
第一电催化剂层上的各个电解活性区域ELE1i与第二电催化剂层E2上的各个电解活性区域ELE2i相对应并且对齐，并且各个产能活性区域EG1i与各个产能活性区域EG2i相对应并且对齐。
E1上的总的电解活性区域(∑ELE1i)与E2上的总的电解活性区域(∑ELE2i)相等，并且E1上的总的产能活性区域(∑EG1i)与E2上的总的产能活性区域(∑EG2i)相等。因此：∑ELE1i＝∑ELE2i并且∑EG1i＝∑EG2i。
对于本发明的组件中的各种类型的EGi和ELEi区域的数目、尺寸和形状没有限制，只要它们形成离散的、各自不同的区域。一般各个区域的尺寸将取决于该组件的尺寸，但典型地区域EGi和ELEi将具有至少0.01mm2、甚至至少0.1mm2、有可能甚至大于0.5mm2的表面。
各种类型的区域的数目i将典型地范围从1至100、优选从1至50、更优选从1至20。这些区域可以具有任何形状，尽管规则的形状可以是优选的。
所有这些离散的电解活性区域的总和∑ELE1i(或∑ELE2i)在i＝1时是对应于电解活性区域ELE1的范围，可以与各个电催化剂层上的离散的产能活性区域的总和∑EG1i(或∑EG2i)是相同或不同的。
在用于氢/氧燃料电池的一种组件的情况下，典型地∑EG1i是大于∑ELE1i并且因此∑EG2i是大于∑ELE2i。优选地∑EGi/∑ELEi之比的范围是从1.5∶1至5∶1、更优选从2∶1至4.5∶1、甚至更优选从2.5∶1至4∶1。一个甚至更优选的比率可以是从2.8∶1至3.5∶1。
在其他类型的可逆燃料电池中，各个电催化剂层上的产能活性区域与电解活性区域之比可以是不同的并且将典型地取决于通过该电池的两种运行模式中的反应而产生的电压。
各个离散的电解活性区域ELEi与各个产能活性区域EGi通过至少一个边界区BRj而分开。边界区的数目j将取决于产能活性区域和电解活性区域的数目并且取决于它们在这些电催化剂层上的安排。该边界区可以是由这个或这些电解活性区域与相邻的这个或这些产能活性区域之间的组成或形态上的改变而产生的电催化剂层中的一种简单的中断。
替代地，该边界区BRj可以是一种离散区域，其特征为与任何一个相邻的区域ELEi和EGi的组成不相同的一种组成。该边界区BRj可以有利地具有与各个相邻的区域ELEi和EGi不同的组成。该边界区可以特征为与这些相邻区域不相同的电导率，例如没有电导率或可忽略的电导率。
在可用于可逆燃料电池中的这些系统之中，最具环境吸引力的是氢/氧/水的系统。这个系统当在产能模式(或燃料电池模式)下运行时使用氢与氧的电化学反应来生产水。当该电池在电解模式下运行时氢和氧可以通过水的电解得到再生。
氢/氧燃料电池可以在酸性环境下使用一种氢离子传导膜来运行、并且可以在碱性环境中使用一种氢氧离子传导膜来运行。
本发明组件的这些部件将参照氢/氧燃料电池进行详细说明，但很好理解的是本发明的组件不以任何方式被限制于用于基于氢/氧的可逆燃料电池中。
第一电催化剂层E1
第一电催化剂层E1与该离子传导膜ICM的第一表面相接触。第一电催化剂层E1包括一个或多个离散的电解活性区域ELE1i以及一个或多个离散的产能活性区域EG1i。各个离散的电解活性区域ELE1i与各个产能活性区域EG1i通过至少一个边界区BR1j而分开。
不受这种选择的限制并且为了说明，将在下文中将第一电催化剂层描述为氢/氧燃料电池中的氧电极。当该电池以燃料电池模式运行时，在这个或这些产能活性区域EG1i处氧将被还原而产生水。当该电池以电解模式运行时，在这个或这些电解活性区域ELE1i处水将被氧化而产生氧。
一般，已知的用于氧还原的高活性催化剂是对于水的氧化和氧的释放而言差的催化剂。因此，用于这个或这些产能活性区域EG1i中的催化剂将典型地与用于该氧电极的这个或这些电解活性区域ELE1i中的催化剂不相同。催化剂的选择也将根据该电池的运行环境是酸性还是碱性而不同。
当该电池在酸性环境中运行时，一种用于这个或这些产能活性区域EG1i的适当催化剂可以选自金属诸如铂、钯、铑以及它们的合金。这些催化活性的金属或金属合金还可以包含其他元素，如钌、钴、铬、钨、钼、钒、铁、铜、镍。这些金属可以是非负载的或负载在稳定的导电的颗粒上。可以有利地使用碳黑、石墨或活性炭作为载体。用于这个或这些产能活性区域EG1i的一种优选催化剂是负载在碳黑上的铂。
用于这个或这些电解活性区域ELE1i的适当催化剂是混合金属或混合的金属氧化物，包括例如钌和铱的氧化物、或铱和钛的氧化物，任选地负载在碳黑上或如上讨论的任何其他适当的载体上。
当该电池在碱性环境中运行时，一种用于这个或这些产能活性区域EG1i的适当催化剂是例如银，负载的以及非负载的二者。用于这个或这些电解活性区域ELE1i的一种适当催化剂是选自负载的或非负载的镍。适当的载体是如上所讨论的。
典型地该电催化剂层除该催化剂之外还包括一种粘合剂。该粘合剂可以选自全氟化的离子导电的聚合物之中，这些聚合物也适用于制备离子传导膜。
在本发明的组件的一个实施方案中，第一电催化剂层E1上的区域EG1i和ELE1i可以另外在其亲水性特征方面不相同。为了改善在这个或这些电解活性区域ELE1i的表面处的水的存在(在这里水被氧化而产生氧)，一个亲水的表面是优选的。另一方面，一个或多个产能活性区域EG1i优选地是疏水的，以协助去除通过在电催化剂层处发生的氧的还原所产生的水。这些不同的特性可以例如通过在该电催化剂层上的各个离散区域的制备中使用不同的粘合剂而获得。
第二电催化剂层E2
第二电催化剂层E2与该离子传导膜ICM的第二表面相接触。第二电催化剂层E2包括一个或多个离散的电解活性区域ELE2i以及一个或多个离散的产能活性区域EG2i。各个离散的电解活性区域ELE2i与各个产能活性区域EG2i通过至少一个边界区BR2j而分开。
第二电催化剂层将在下文中被描述为一个氢/氧燃料电池的氢电极。因此，当该电池以燃料电池模式运行时，在这个或这些产能活性区域EG2i处氢将被氧化而产生氢离子。当该电池以电解模式运行时，在这个或这些电解活性区域ELE2i处氢离子将被还原而产生氢气。
用于一个在酸性环境中运行的氢氧燃料电池的一个或多个产能活性区域EG2i的适当催化剂是例如铂、或铑以及钌的氧化物的等摩尔混合物。所述催化剂可以是如上所讨论的非负载型或负载型的。此外，为了协助氢到达这个或这些产能活性区域EG2i，所述区域可以具有高的气体透过性。用于这个或这些电解活性区域ELE2i的一种适当的催化剂是负载在碳黑上的铂。
当该氢氧燃料电池在碱性环境中运行时，用于这个或这些产能活性区域EG2i以及这个或这些电解活性区域ELE2i的一种适当催化剂是镍，如上所讨论的非负载的或负载的。
第二电催化剂层E2上的区域EG2i和ELE2i可以另外在其他特性方面不相同，这些特性是例如它们的亲水性特征或它们的气体传输特性，如以上提及的。这些不同的特性可以例如通过在该电催化剂层的这些不同区域的制备中使用不同的粘合剂或黏合剂而获得。
离子传导膜
电化学电池中电解质的作用是有利地允许离子从电池的一侧通向另一侧以维持电池每一侧上的中性平衡而不允许这些活性物种的直接反应。该电解质、或优选地该离子传导膜，可以在性质上是阳离子的或阴离子的。
在酸性环境中运行的一个氢/氧燃料电池的第一设计中，该离子传导膜必须允许氢离子穿过它而同时产生一个针对氢和氧从电池一侧透过至另一侧的一种障碍。因此，在这样一个电池中，该电解质在性质上是阴离子的。
在碱性环境中运行的一个氢/氧燃料电池的第二设计中，该离子传导膜必须允许氢离子穿过它而同时产生一个针对这些反应物的一种障碍。因此，在这样一个电池中，该电解质在性质上是阳离子的。
典型地该离子传导膜包括一种离子导电的聚合物材料，尽管由液体或凝胶制成的离子传导膜也可以用于本发明的组件中。
任何合适的离子导电的聚合物材料都可用于本发明的组件中。一般，优选地由于其化学耐蚀性和耐热性而将全氟化的含离子基团的聚合物用作燃料电池中的离子导电材料。
阴离子的聚合物材料普遍选自四氟乙烯与一种或多种氟化的单体的共聚物之中，这些单体包含一个离子交换基团，如磺酸、羧酸、磷酸的基团。更普遍的阴离子的聚合物材料可以选自四氟乙烯与一种或多种氟化单体的共聚物之中，这些单体包含用于磺酸的一种前体基团，如F2C＝CF-O-CF2-CF2-SO2F、F2C＝CF-O-[CF2-CXF-O]n-CF2-CF2-SO2F其中X＝Cl、F或CF3并且n＝1-10、F2C＝CF-O-CF2-CF2-CF2-SO2F、F2C＝CF-O-CF2-CF2-CF2-CF2-SO2F、F2C＝CF-Ar-SO2F，其中Ar是一个芳香环。适当的材料是例如由E.I.DuPont以商品名推向市场的那些、由Solvay Solexis以商品名推向市场的那些、或由Asahi GlassCo.以商品名推向市场的那些。也可以使用无氟的离子导电聚合物材料如磺化的聚醚酮或芳基酮或酸掺杂的聚苯并咪唑。
阳离子聚合物材料一般选自包含氨基或丙烯酸离子交换基团的聚合物，优选氟化的聚合物。
该离子导电的聚合物材料具有的当量重量典型地是不大于1700g/eq、更典型地不大于1500g/eq、更典型地不大于1200g/eq、并且最典型地不大于1000g/eq。该离子导电的聚合物材料具有的当量重量典型地是至少380g/eq、优选至少500g/eq、更优选至少600g/eq。
EP-A-1323744、EP-A-1179548、EP-A-1167400、EP-A-1589062、EP-A-1702670、EP-A-1702688披露了适当的用于本发明的组件中的离子导电的聚合物材料以及离子传导膜。
该离子传导膜可以由聚合物电解质组成或者它可以包括被浸渍或涂覆在一种适当的多孔载体上的聚合物电解质。例如，US 5635041描述了一种浸渍的膜，该膜包括一种膨胀的聚四氟乙烯载体。浸渍的膜也在US 4849311中进行了描述。
在本发明的组件的第一实施方案中，该离子传导膜在其整个范围内具有相同的组成。
在一个第二实施方案中，该离子传导膜被分成多个离散区域，这些区域典型地是与该离子传导膜的第一以及第二表面上的电催化剂层E1和E2上各个电解活性区域对(ELE1i和ELE2i)以及各个产能活性区域对(EG1i和EG2i)相对应并且对齐。这些区域可以具有相同或不同的组成。
参照图3，该离子传导膜的与电催化剂层E1和E2上的这些电解活性区域相接触的区域表示为ICMELE，而该离子传导膜的与电催化剂层E1和E2上的这些产能活性区域相接触的区域表示为ICMEG。应理解该离子传导膜上的区域ICMELE和ICMEG的数目将对应于电催化剂层E1和E2中的电解活性区域和产能活性区域的数目。
例如，在该离子传导膜的电解活性区域和产能活性区域ICMELEi和ICMEGi中可以使用具有不同当量重量的离子导电的聚合物材料。
在另一个实施方案中，各个电解活性区域ICMELEi与各个产能活性区域ICMEGi通过一个边界区ICMBRj而分开，该边界区将典型地对应于这些电催化剂层(分别是BR1j和BR2j)上的各个电解活性区域与各个产能活性区域之间的边界区。
一个或多个边界区ICMBRj可以是由这个或这些电解活性区域与相邻的这个或这些产能活性区域之间的组成或形态上的改变而产生的离子传导膜中的一种简单的中断。替代地，该边界区ICMBRj可以是一种离散区域，其特征为与任何一个相邻的区域ICMELEi和ICMEGi的组成不相同的一种组成。
该边界区ICMBRj可以有利地具有与各个相邻的区域ICMELEi和ICMEGi不同的组成。该边界区可以特征为与这些相邻区域不相同的离子电导率，例如没有离子电导率或可忽略的离子电导率。替代地，该边界区可以具有与相邻区域不相同的亲水特性。仍然可替代地，该边界区可以具有不同的气体传输特性。例如，一个或多个边界区ICMBRj可特征为比各个相邻区域ICMELEi和ICMEGi更低的离子电导率以及更低的吸水特性。
气体扩散层
在一种典型的燃料电池设计中，多个气体扩散层被放置为与各个电催化剂层相接触，以将气态反应物(如氧气和氢气)带入这些电催化剂层并且同时产生与该燃料电池的剩余部件(例如双极板)的电接触。这些气体扩散层典型地是多孔的以允许气态反应物通过并且它们包括导电颗粒以给予导电性。
本发明的组件可以进一步包括：与电催化剂层E1的不接触该离子传导膜的这个表面相接触的一个第一气体扩散层GDL1、以及与电催化剂层E2的不接触该离子传导膜的这个表面相接触的一个第二气体扩散层GDL2。
气体扩散层GDL1和GDL2可以具有相同的组成和结构或者它们可以是不同的。
在本发明的一个实施方案中，与电催化剂层E1相接触的气体扩散层GDL1被分成多个离散区域，这些区域典型地与该第一电催化剂层E1上的各个电解活性区域(GDL1ELEi)以及各个产能活性区域(GDL1EGi)在尺寸上相对应并且与之对齐。
参照图4，该气体扩散层的与各个电催化剂层上的这些电解活性区域相接触的区域表示为GDLELE，而该气体扩散层的与各个电催化剂层上的这些产能活性区域相接触的区域表示为GDLEG。应理解的上，当存在时，这些气体扩散层上的区域GDLELE和GDLEG的数目将对应于这些电催化剂层中的电解活性区域和产能活性区域的数目。
各个电解活性区域GDLELEi与各个产能活性区域GDLEGi通过一个边界区GDLBRj而分开，该边界区将典型地对应于各个电催化剂层(分别是BR1j和BR2j)上的各个电解活性区域与各个产能活性区域之间的边界区。
一个或多个边界区GDLBRj可以是由这个或这些电解活性区域与相邻的这个或这些产能活性区域之间的组成或形态上的改变而产生的气体扩散层中的一种简单的中断。替代地，该边界区GDLBRj可以是一种离散区域，其特征为与任何一个相邻的区域GDLELEi和GDLEGi的组成不相同的一种组成。
该边界区GDLBRj可以有利地具有与各个相邻的区域GDLELEi和GDLEGi不同的组成。该边界区可以特征为与这些相邻区域不相同的电导率，例如没有电导率或可忽略的电导率。替代地，该边界区可以具有与相邻区域不相同的亲水特性。仍然可替代地，该边界区可以具有不同的气体传输特性。例如，一个或多个边界区GDLBRj可特征为与各个相邻区域GDLELEi和GDLEGi相比没有或可忽略的导电性。
在图4所示的具体实施方案中，气体扩散层GDL1包括一个电解活性区域GDL1ELE以及一个产能活性区域GDL1EG，它们被一个边界区GDL1BR分开。
为了改进水到电解活性区域ELE1的传输，区域GDL1ELE优选是亲水的。气体扩散层GDL1EG上的产能活性区域可以有利地是疏水的。
类似地，气体扩散层GDL2包括一个电解活性区域GDL2ELE以及一个产能活性区域GDL2EG，它们被一个边界区GDL2BR分开。区域GDL2ELE和GDL2EG可以具有相同或不同的组成和/或特性。电解活性区域GDL2ELE可以是亲水的并且气体扩散层上的产能活性区域GDL2EG可以有利地是疏水的。
典型地，将对GDL2EG提供比GDL2ELE更高的气体传输特性以允许氢朝产能活性区域EG2的表面流动。
组件的制备
可以通过不同的常规方法将电催化剂层E1和E2施加到该离子传导膜或这些气体扩散层GDL1和GDL2上。
可以通过标准涂覆或印刷技术将电催化剂层E1和E2施加到该离子传导膜的第一和第二表面上，使用对于各个电解活性区域ELEi和各个产能活性区域EGi而言不同的组成。
可替代地，可以使用对于各个电解活性区域ELEi和各个产能活性区域EGi而言不同的组成来施加各个电催化剂层E1和E2，首先施加到对应的气体扩散层(GDL1或GDL2)的表面上并接着使用已知的热压制或层压技术来将其布置为与该离子传导膜的第一或第二表面相接触。
可以使用几种方法来制造具有离散的电解活性区域以及产能活性区域ICMELE和ICMEG的离子传导膜。例如，在包含一种浸渍到多孔载体上的离子导电聚合物的膜的情况下，可以使用不同的离子导电聚合物溶液或分散体来浸渍该多孔载体的不同区域。
可替代地，当该离子传导膜是由该离子导电聚合物的一个挤出的薄膜制成的，可以通过将不同类型的离子导电聚合物挤出穿过适当的挤出模具(如在US3807918中描述的那些)而直接得到平行的离散的电解活性区域以及产能活性区域。
可以得到包含离散的电解活性区域以及产能活性区域的气体扩散层，例如通过将疏水的和亲水的气体扩散材料的交替条带结合到一种电催化剂涂覆的膜上而产生一种带条纹的图案。可以将具有不同特性的气体扩散材料的交替条带沉积到一种常见的基底上。
可替代地，包含该组件的所有这些产能活性部分(即EG1/ICMEG/EG2或任选地GDL1EG/EG1/ICMEG/EG2/GDL2EG)以及该组件的所有这些电解活性部分(即ELE1/ICMELE/ELE1或GDL1ELE/ELE1/ICMELE/ELE2/GDL2ELE)的子组件可以单独地制造并且接着通过适当的黏合剂或垫片而组装在一起。
本发明的包含夹在气体扩散层GDL1与GDL2之间的膜电极组件1的组件，可以进一步包括第一和第二双极板(BP1和BP2)，这些双极板位于每一侧上并且分别与第一和第二气体扩散层相接触，如图5中所示。
双极板适当地是由不透过这些电池反应物的导电材料(如石墨或金属)制成的成型片材。双极板典型地配备有多个槽和/或通道用于将反应物分布到这些电催化剂层上。
第一和第二双极板可以各自包括至少一个离散的电解活性区域(BPELEi)以及至少一个离散的产能活性区域(BPEGi)，这些区域各自与第一和第二气体扩散层上的各个电解活性区域(GDLELEi)以及各个产能活性区域(GDLEGi)在尺寸上相对应并且与之对齐。
包含一个膜电极组件、多个气体扩散层以及多个双极板的一种组件典型地被称为燃料电池堆。优选地本发明的燃料电池堆是一个单一块体。
在本发明的组件或堆叠中可以存在另外的元件，如垫片、密封件以及类似物，如本领域中照惯例已知的。
本发明的组件适用于可逆燃料电池中。
已经参考附图按一种平面组件对本发明的组件进行了描述，然而其他构型也是有可能的并且是在本权利要求书的范围之内，特别是如下一种构型：其中该组件的离散的产能活性的以及电解活性的部分将围绕一个柱形组件的圆周进行安排。
若任何通过引用结合在此的专利、专利申请、以及公开物中的披露内容与本申请的说明相冲突的程度至它可能使一个术语不清楚，则本说明应该优先。
本申请可以包括以下实施方案：
1.一种用于电化学电池的组件，包括：具有第一和第二表面的离子传导膜；与该膜的第一表面相接触的第一电催化剂层，所述第一电催化剂层包括至少一个离散的电解活性区域(ELE1i)以及至少一个离散的产能活性区域(EG1i)；与该膜的第二表面相接触的第二电催化剂层，所述第二电催化剂层包括至少一个离散的电解活性区域(ELE2i)以及至少一个离散的产能活性区域(EG2i)；其中所述第一电催化剂层上的该至少一个离散的电解活性区域(ELE1i)中的每一个与所述第二电催化剂层上的该至少一个离散的电解活性区域(ELE2i)中的每一个相对应并且对齐，并且其中所述第一电催化剂层上的该至少一个离散的产能活性区域(EG1i)中的每一个与所述第二电催化剂层上的该至少一个离散的产能活性区域(EG2i)中的每一个相对应并且对齐。
2.根据方案1所述的组件，其中该离子传导膜包括：至少一个与所述第一和第二电催化剂层上的所述电解活性区域(ELE1i和ELE2i)的每一个相对应并且对齐的离散区域、以及至少一个与所述第一和第二电催化剂层上的所述产能活性区域(EG1i和EG2i)的每一个相对应并且对齐的离散区域。
3.根据方案1或2所述的组件，进一步包括：与所述第一电催化剂层的不接触该离子传导膜的表面相接触的第一气体扩散层(GDL1)、以及与所述第二电催化剂层的不接触该离子传导膜的表面相接触的第二气体扩散层(GDL2)。
4.根据方案3所述的组件，其中所述第一气体扩散层(GDL1)包括：至少一个与该第一电催化剂层上的该至少一个电解活性区域中的每一个相对应并且对齐的离散的电解活性区域(GDL1ELEi)、以及至少一个与该第一电催化剂层上的该至少一个产能活性区域中的每一个相对应并且对齐的离散的产能活性区域(GDL1EGi)。
5.根据方案3或4所述的组件，其中所述第二气体扩散层(GDL2)包括：至少一个与该第二电催化剂层上的该至少一个电解活性区域中的每一个相对应并且对齐的离散的电解活性区域(GDL2ELEi)、以及至少一个与该第二电催化剂层上的该至少一个产能活性区域中的每一个相对应并且对齐的离散的产能活性区域(GDL2EGi)。
6.根据方案4或5所述的组件，其中在该第一和/或第二气体扩散层上的该至少一个离散的电解活性区域是亲水的并且其中在该第一和/或第二气体扩散层上的该至少一个离散的产能活性区域是疏水的。
7.根据方案3至6中任一项所述的组件，包括与该第一气体扩散层相接触的第一双极板以及与该第二气体扩散层相接触的第二双极板，所述第一和第二双极板各自任选地包括至少一个离散的产能活性区域以及至少一个离散的电解活性区域，这些区域与该第一和第二气体扩散层上的该至少一个电解活性以及产能活性区域中的每一个相对应并且对齐。
8.根据以上方案中任一项所述的组件，包括在所述第一和第二电催化剂层上的、和/或在所述离子传导膜上的和/或在所述第一和第二气体扩散层上的和/或在所述第一和第二双极板上的每一个离散的产能活性区域以及每一个离散的电解活性区域之间的至少一个边界区。
9.根据方案8所述的组件，其中所述至少一个边界区具有与相邻的产能活性区域和电解活性区域中的任何一个的组成不相同的组成。
10.根据以上方案中任一项所述的组件，其中所述第一和第二电催化剂层上的所述电解活性区域包括适合用于水的电解的催化剂。
11.根据以上方案中任一项所述的组件，其中所述第一和第二电催化剂层上的所述产能活性区域包括适合用于由氢和氧来产生水的催化剂。
12.根据方案9或10所述的组件，其中所述第一或第二电催化剂层上的所有所述离散的产能活性区域的总和、与所述第一或第二电催化剂层上的所有所述离散的电解活性区域的总和之比是在从1.5∶1至5∶1的范围内。
13.根据方案11所述的组件，其中该比是在从2.8∶1至3.5∶1的范围内。
14.包含根据方案1至13中任一项所述的组件的燃料电池。
15.根据方案1至13中任一项所述的组件在可逆燃料电池中的用途。

Claims (16)

1.用于电化学电池的组件，包括：具有第一和第二表面的离子传导膜；与该膜的第一表面相接触的第一电催化剂层E1，所述第一电催化剂层E1包括至少一个离散的电解活性区域ELE1i以及至少一个离散的产能活性区域EG1i；与该膜的第二表面相接触的第二电催化剂层E2，所述第二电催化剂层E2包括至少一个离散的电解活性区域ELE2i以及至少一个离散的产能活性区域EG2i；其中所述第一电催化剂层E1上的该至少一个离散的电解活性区域ELE1i中的每一个与所述第二电催化剂层E2上的该至少一个离散的电解活性区域ELE2i中的每一个相对应并且对齐，并且其中所述第一电催化剂层E1上的该至少一个离散的产能活性区域EG1i中的每一个与所述第二电催化剂层E2上的该至少一个离散的产能活性区域EG2i中的每一个相对应并且对齐，
其中各个离散的电解活性区域ELEi与各个离散的产能活性区域EGi通过至少一个边界区BRj而分开,所述边界区BRj的特征为与相邻的离散的电解活性区域与产能活性区域不相同的电导率，并且所述边界区BRj没有电导率或有可忽略的电导率，并且
其中该离子传导膜的与电催化剂层E1和E2上的这些电解活性区域相接触的区域表示为ICMELE，而该离子传导膜的与电催化剂层E1和E2上的这些产能活性区域相接触的区域表示为ICMEG，
其中各个电解活性区域ICMELEi与各个产能活性区域ICMEGi通过边界区ICMBRj而分开，该边界区对应于这些电催化剂层上的各个电解活性区域与各个产能活性区域之间的边界区，所述边界区ICMBRj特征为与相邻的离散的电解活性区域ICMELEi与产能活性区域ICMEGi不相同的离子电导率，并且所述边界区ICMBRj没有离子电导率或有可忽略的离子电导率，以及其中所述第一电催化剂层E1的所述至少一个离散的电解活性区域ELE1i包含与所述第一电催化剂层E1的所述至少一个离散的产能活性区域EG1i不同的催化剂，
其中该离子传导膜包括：至少一个与所述第一和第二电催化剂层上的所述电解活性区域ELE1i和ELE2i的每一个相对应并且对齐的离散区域、以及至少一个与所述第一和第二电催化剂层上的所述产能活性区域EG1i和EG2i的每一个相对应并且对齐的离散区域。
2.根据权利要求1所述的组件，进一步包括：与所述第一电催化剂层的不接触该离子传导膜的表面相接触的第一气体扩散层GDL1、以及与所述第二电催化剂层的不接触该离子传导膜的表面相接触的第二气体扩散层GDL2。
3.根据权利要求2所述的组件，其中所述第一气体扩散层GDL1包括：至少一个与该第一电催化剂层上的该至少一个电解活性区域中的每一个相对应并且对齐的离散的电解活性区域GDL1ELEi、以及至少一个与该第一电催化剂层上的该至少一个产能活性区域中的每一个相对应并且对齐的离散的产能活性区域GDL1EGi。
4.根据权利要求2所述的组件，其中所述第二气体扩散层GDL2包括：至少一个与该第二电催化剂层上的该至少一个电解活性区域中的每一个相对应并且对齐的离散的电解活性区域GDL2ELEi、以及至少一个与该第二电催化剂层上的该至少一个产能活性区域中的每一个相对应并且对齐的离散的产能活性区域GDL2EGi。
5.根据权利要求3所述的组件，其中在该第一和/或第二气体扩散层上的该至少一个离散的电解活性区域是亲水的并且其中在该第一和/或第二气体扩散层上的该至少一个离散的产能活性区域是疏水的。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的组件，包括与该第一气体扩散层相接触的第一双极板以及与该第二气体扩散层相接触的第二双极板，所述第一和第二双极板各自任选地包括至少一个离散的产能活性区域以及至少一个离散的电解活性区域，这些区域与该第一和第二气体扩散层上的该至少一个电解活性以及产能活性区域中的每一个相对应并且对齐。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的组件，其中所述边界区BRj没有电导率。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的组件，其中所述边界区ICMBRj没有离子电导率。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的组件，其中所述至少一个边界区具有与相邻的产能活性区域和电解活性区域中的任何一个的组成不相同的组成。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的组件，其中所述第一和第二电催化剂层上的所述电解活性区域包括适合用于水的电解的催化剂，并且其中所述第一和第二电催化剂层上的所述产能活性区域包括适合用于由氢和氧来产生水的催化剂。
11.根据权利要求9所述的组件，其中所述第一或第二电催化剂层上的所有所述离散的产能活性区域的总和、与所述第一或第二电催化剂层上的所有所述离散的电解活性区域的总和之比是在从1.5 : 1至5 : 1的范围内。
12.根据权利要求10所述的组件，其中所述第一或第二电催化剂层上的所有所述离散的产能活性区域的总和、与所述第一或第二电催化剂层上的所有所述离散的电解活性区域的总和之比是在从1.5 : 1至5 : 1的范围内。
13.根据权利要求11所述的组件，其中该比是在从2.8 : 1至3.5 : 1的范围内。
14.根据权利要求12所述的组件，其中该比是在从2.8 : 1至3.5 : 1的范围内。
15.包含根据权利要求1至14中任一项所述的组件的燃料电池。
16.根据权利要求1至14中任一项所述的组件在可逆燃料电池中的用途。
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