CN1297259A - 燃料电池 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池,至少包括下面的元件:a)两个电极,每个为反应气体至少提供有一个气体输送管道,b)液体电解质,电极各自的气体输送管道每个具有至少一个入口,并与由电极的排列决定的负载下的离子的移动方向垂直。

Description

燃料电池

本发明涉及燃料电池，特别是具有注入电解质的电极的不可分开的燃料电池。

燃料电池是将化学能转换成电能的能量转换器。在燃料电池中，电解的原理被颠倒过来。

现在已有各种类型的燃料电池，它们尤其是在工作温度上彼此不同。但是，所有类型燃料电池的结构基本上是相同的，尤其是包括：两个电极，即阳极和阴极，反应在其上发生；和两个电极之间的电解质。它具有三项功能。它建立离子接触，防止电接触，并且还用于分离注入电极的气体。电极通常被提供有进行氧化还原反应的气体。例如，阳极被提供有氢气而阴极被提供有氧气。为实现这一目的，电极被提供有导电的气体分布设备。这些通常是具有格子状表面结构的板，格子状表面结构由细通道的系统组成。一个例外是直接甲醇燃料电池，其中燃料不是气态，而是液态甲醇溶液。所有燃料电池中的整个反应可以被分成阳极子步骤和阴极子步骤。各种类型的电池由于工作温度、使用的电解质和可能的燃料气体而存在不同。

基本的差别在于低温燃料电池和高温系统之间。低温燃料电池通常具有很高的电效率。但是，它们释放的热量因为低温水平而使用困难。这样这些燃料电池只用于短程加热，并且不用于流动的能量转换过程。这样低温燃料电池适用于移动使用和分散的低功率应用。另一方面，可以高温系统下游安装发电级，来从产生的热量中产生电能，或利用后者作为过程加热。

燃料电池工艺的现今状态包括下面的工业相关类型：

AFC(alkaline fuel cell，即碱性燃料电池)

PEFC(polymer electrolyte fuel cell，即聚合体电解质燃料电池)

PAFC(phosphoric acid fuel cell，即磷酸燃料电池)

MCFC(molten carbonate fuel cell，即熔化碳酸盐燃料电池)

SOFC(solid oxide fuel cell，即固体氧化物燃料电池)

特别是聚合体电解质燃料电池和磷酸燃料电池，由于既用于固定应用又用于移动应用，而现在引起重大的兴趣，而且它们广泛的商业应用即将到来。另一方面，其它类型迄今为止，现在或从前只运行于少量的示范工厂，或用于特别应用，例如在太空飞行部门或用于军事目的。

根据现有技术，所有燃料电池具有气体渗透性、多孔性电极，作为三维电极为人所知。这些电极被统称为气体扩散电极(GDE)。通过这些电极，各自的反应气体被运送靠近电极(参考图1)。所有燃料电池中出现的电解质保证离子电荷在燃料电池中运输。它具有附加任务，在两个电极之间形成不漏气的屏障。而且，电解质保证并帮助稳定三相层的形成，电解反应可以在其中发生。

在碱性燃料电池中，电解质可以是液体。另一方面，在磷酸燃料电池和熔化碳酸盐燃料电池中，无机的、惰性的支持形式，与电解质一起，形成离子传导的和不漏气的基体。在固体氧化物燃料电池中，高温氧离子导体通常作为电解质并同时作为膜。聚合体电解质燃料电池使用有机离子交换膜，在工业应用的情况下使用预氟化的阳离子交换膜，作为电解质。

电极的结构和电解质的类型决定三相边界层。相反地，这些类型燃料电池的每个的边界相的结构，导致对气体扩散电极和电解质的特定需求。对于电流密度、温度条件，支持材料的使用和催化剂及助剂的使用予以限制。在阳极和阴极分离气体空间的密封导致结构复杂，这样也导致高成本和技术难度。

在所有现今的燃料电池中，反应气体从电极的相反一侧，也就是，在每种情况下从反电面对远处的一侧，通过气体分布系统提供给电化学活性区。在负载下，气体运输和离子移动与给出的电极形状垂直发生，且离子在电极之间的移动和气体向电极移动发生在相反一侧。这样在所有方式中，气体运输和离子运输平行进行(参考图1)。这会有这样的结果，如果不被特别提供的分离媒介，或者如在一些AFC中，通过限定电解质在电极上的流动来防止混合，好的气体运输到两个电极之间的边界，将导致反应气体在这一边界的混合。反应气体的混合由于安全原因必须被避免。而且，气体到另一个电极将导致在各自电极形成混合电势。这将导致功率急剧减小。但是，提供稳定运输和分离方法的困难，实质上限制了投入产出比和今天燃料电池的效率。而且，现今燃料电池的这一工作原理使燃料电池的水平衡和热量控制更困难。例如在PEFC的情况下，形成的水必须从电池中去掉，使气体扩散电极不会失效，而另一方面，系统必须保持足够潮湿来保证膜的导电性。而且，由于材料经受小的热应力，特别是离子交换膜，热量释放恐怕是电池长期有效性的重要标准。

本发明的一个目的是提供一种燃料电池，它避免了现有的燃料电池的上述工作原理中内在的缺点。

我们已经发现通过这样的电池可以实现这一目标，它包括至少下面的元件：

a)两个电极，每个为反应气体至少提供有一个气体输送管道，

b)液体电解质。

其中电极各自的气体输送管道具有至少一个入口，并与由电极的排列决定的负载下的离子移动方向垂直。

为了本发明的目的，“垂直”意味着气体输送管道与离子移动方向之间的夹角，在90°±45°的范围，最好是90°±20°，更好是90°±10°。

根据本发明作为反应气体被垂直于离子移动方向运输的结果，反应气体在两个电极之间的边界上的混合被避免，而不必有适当的分离媒介或，如在AFC的情况下，电极上适当的电解质的流动。相比于已知的燃料电池，这相当地提高了本发明的燃料电池的经济性和效率。这样，不再需要膜来使反应气体分离。

在本发明进一步的优选实施例中，两个电极是电解质注入电极或可以被注入电解质的电极。各自的电化学活性区这样不被限制于两个电极各自的表面，或两个电极之间相应的区域，视各自电极中的气体输送管道的结构而定，可以占据相当大的区域。本发明的燃料电池这样比以前的电池更经济，以前的电池只具有空间非常有限的电化学活性区。而且，不再需要使用气体扩散电极，也就是多孔的、气体透过性的主体，它使气体运输到电化学活性层。迄今为止使用的气体扩散电极是复杂的多部件系统，具有一组亲水性或厌水性、多孔性、催化剂负载或传导率。它们非常贵并有时也化学不稳定。去掉膜现在变得可能了，也相当地减小了成本。而且，根据本发明的结构也消除了电压的损耗，它迄今为止发生在气体扩散电极和在不可缺少的膜或其它分离媒介中。结果，本发明的燃料电池的能量产出及总效率，与现有技术相比增加了。

在本发明的优选实施例中，燃料电池是不可分开的电池，因为当使用本发明的原理时，电极空间的分离不再绝对必要，并且不再有反应气体以不受控方式彼此混合的危险。这样不再需要由于安全原因而分开的燃料电池。

在本发明的另一个实施例中，燃料电池具有分布系统，在每种情况下将至少一种反应气体引入两个电极的气体输送管道。这里给出的优先选择是使用原理上已知的结构。特别给出的优先选择是使用微混合器[V.Hessel,W.Ehrfeld,K.Golbig,V.Haverkamp,H.Loewe,T.Richter,Proceedingsof the 2nd International Conference on Microreaction Technology，New Orleans,1998]。根据本发明，分布系统被这样设计，使气泡的均匀的细流在电极中产生。这增加了系统的电流密度。作为反应气体，给出的优先选择是使用氧气和氢气。但是，这里使用甲醇或甲烷也可以考虑。在本发明的另一个优选实施例中，反应气体被至少一种合适的惰性的气体稀释。这里给出的优先选择是使用氮气。使用CO₂作为惰性的气体也是可以考虑的。最好以至少一种惰性的气体稀释的反应气体，最好从下面通过本发明的分布系统注入到燃料电池腔，并提供给各自电极中的相应气体输送管道，使它们被垂直于离子移动方向运输。例如这意味着，反应气体与两个电极之间的空隙，也就是，阳极和阴极之间的空隙平行地流动。

在本发明的优选实施例中，两个或更多电极可以被注入至少一种电解质。在本发明中，使用的电解质是传导离子的液体。这里给出的优先选择是水性碱金属氢氧化物溶液或水性矿物酸溶液，例如硫酸、磷酸或氢卤酸。在本发明的另一个优选实施例中，使用了有机电解质。这里给出的优先选择是氢氧化四泾基铵或盐化四泾基铵、磺酸或磷酸。但是，也可以使用所有其它合适的电解质。

在本发明的优选实施例中，水用作溶剂。在另一个实施例中，使用了水溶性溶剂如羧酸、酒精、羧酸氨和/或取代的尿素塑料类。在本发明进一步的实施例中，使用了液体的和/或熔化的盐，例如丁烷铵盐，1,3-二烷咪唑盐，和/或四氯化铝复盐，例如NaAlCl₄。

为了本发明的目的，电极各自的气体输送管道可以彼此或者平行，或者逆平行，也就是彼此逆流布置。

在本发明进一步的优选实施例中，两个电极不垂直排列，而是可以有任何角度的倾斜，并甚至可以水平排列。燃料电池这样可以以制成它所需要的适当方式构成。它可以被做得非常紧凑，这样节省空间。

两个或更多的电极之间的空隙最好具有平坦的几何形状。但是，在本发明的另一个实施例中，除了平坦的几何形状，空隙可以具有其它几何形状，例如两个或更多的电极可以彼此相对排列，来形成环形空隙。

电极对各自的气体运送管道具有入口，并且最好也至少具有一个相应的出口。

在本发明进一步的优选实施例中，电极的宽度在各自的气体输送管道的入口到相应气体输送管道的出口不同。入口最好比相应出口宽，因为作为消耗的结果，大量的气体穿过入口而少量的气体穿过出口。这样，例如电极/间隙组件形成截头棱锥体、截头圆锥体或具有例如梯形剖面。但是，其它的几何排列也被考虑。

在本发明进一步的优选实施例中，两个或多个电极的至少一个包括一组单独的部件。在本发明的一个实施例中，包括一组平行板，结合形成薄片结构。在这样形成的中间空间中，气体被与外边缘平行地从一个端面运输到相反的端面。分布系统提供气泡，并再次吸收剩余的气体。在循环的电解质系统中，气泡保持在电极中。

这样的电极可以从DE 41 20 679中获知。那里，这些被称作毛细管间隙电极。但是，与本发明相反，气体被从电极的相反侧提供给系统，使离子与气体运输在平行方向发生，其结果是当使用这些毛细管间隙电极时上面提到的缺点也发生。而且，DE 41 19 836清楚地说明气体运输在“表面区域”比在各自电极内部容易，而且并非反之亦然。由于这个原因，分开的燃料电池这里也绝对必要。本发明的优选实施例与这些燃料电池不同之处在于，两个电极薄片之间的电解质空间这样构成，使气体运输与离子运输垂直发生。在本发明的优选实施例中，电极的表面构成来形成通道，其方向与气体输送管道的方向相同。通道的剖面可以是半圆形、矩形、三角形或任何其它形状。通道最好通过碾压、蚀刻和/或其它技术形成在固体电极材料中。在本发明的另一个优选实施例中，通道通过金属薄片或网适当地起皱产生。在本发明进一步的优选实施例中，通道通过电镀技术产生，其中需要的金属或合金被沉积在基底上，基底被模板装置适当地覆盖。而且，也可以考虑其它结构如槽型管、线束或钻孔的多孔金属实体或这些结构适当的连接排列。

本发明的燃料电池的一个特别的优点是，就电催化活性电极表面而言提供了新的自由度。由于单独的子电极，也就是单独的薄片，可以在结合形成整个电极之前以任何方式对待，它们可以通过催化剂以任何适当的方式活化。这通过涂电催化活性材料，例如贵金属如铂、钯、银、钌或铱或这些的组合物来实现。特别地，这可以通过电解涂层或非电解沉积金属实现。特别有利的过程在，例如DE 199 15 681.6中描述。

在本发明进一步的优选实施例中，燃料电池还具有至少一个间隔装置，它以这样的方式排列，它与电极在功能上相互影响。在燃料电池中，电极与间隔装置结合，使由一组单独元件组成的电极被使用。电极特别最好包括平行排列的板，它们结合形成薄片结构。单独导电薄片被间隔装置分开，保证气体在电极中穿过。根据本发明，这样的间隔装置具有至少下面的要素：

a)确定间隔的框架，

b)窗子，

c)气体屏障。

确定间隔的框架定义并保证单独薄片的间隔。窗子保证气体和电解质不受阻碍地在电极的薄片之间流动。气体屏障由阳极和阴极的窗子之间的编织物组成，并防止气泡进入各自反电的区域。编织物可以以各种方式构成，例如它可以具有褶皱或折叠结构。在本发明的特别优选实施例中，编织物被提供有进一步的分隔元件，使整个电极/间隔装置单元的功能性结构更加稳定。进一步的优点和可能的使用，通过本发明的燃料电池在下面的实施例的描述，与附图一同来说明。在图中：

图1：示意地画出了根据现有技术的燃料电池的结构；

图2：示意地画出了根据本发明的燃料电池的一个实施例，是前视图(图2a)和上面的斜视图(图2b)；

图3：示意地画出了根据本发明的进一步的燃料电池；

图4：示意地画出了根据本发明的燃料电池的实施例的间隔装置的各种可能的结构。

图1示意地根据现有技术的燃料电池1。通常的，这样的燃料电池1包括两个气体渗透性的、多孔的电极2，通过气体扩散电极(GDE)方式已知，彼此相对安排。它们包括多孔的、导电的基底3和电催化层4。膜6位于提供在电极2之间的空隙5内。膜6同时与电解质合成一体。电解质保证了燃料电池中的离子电荷运输。在两个电极2之间形成了不漏气的屏障，这样保证了电化学活性区，电解可以发生其中。电解质可以是液体。在磷酸燃料电池和熔化碳酸盐燃料电池中，无机的、惰性的支持与电解质一起形成不漏气的基体，它传导离子。在固体氧化物燃料电池的情况下，高温氧离子导体通常作为膜。聚合体电解质燃料电池使用氧离子交换膜，例如预氟化阳离子交换膜。膜与气体扩散电极之间的紧密接触通过复杂技术实现，例如热挤压及进一步的子步骤。反应气体7从电极2的相反一侧，也就是，在每种情况下从反电面对远处的一侧，通过气体分布系统被注入电化学活性区。这样，气体运输(宽箭头指向一个方向)和离子运输(宽双头箭头)在平行的方向发生。

图2a示意地画出了根据本发明的燃料电池1，画出了两个电极段2’和其间的间隙5。它是一个整体的燃料电池，也就是没有膜或其它的分离设备出现，将阳极空间与阴极空间分离。电极段2’被注入电解质6，它也出现在电极段2’之间的空隙或中间空间5中。电解质6是液体，它传导离子，例如水性碱金属氢氧化物溶液或水性矿物酸溶液如硫酸、磷酸或卤酸。有机电解质如丁烷铵氢氧化物或丁烷铵盐，可以相似地使用硫酸或磷酸。在各自的电极段2’中，提供有平行于电极段2’之间的空隙5的气体输送管道8，使气体运输在与离子运输垂直的方向上发生。这防止了反应气体不受控的混合。电极段2’的每个被提供有气体供给7，由此被注入各自的反应气体，最好是氢气或氧气，最好被惰性的气体如氮气稀释。

图2a描述了本发明的燃料电池1的实施例的剖面，图2b画出了上面的斜视图。可以看到电极2由一组相同类型的电极段2’组成，并且两个这样的电极2依次结合形成整个系统，也就是燃料电池1。这里，例如每个第二段可以是每个邻近的段的镜像。电极段2’可以被在两端或只在一端提供有通道。但是，如果另一个电极段的形状需要这样或使其可能的话，通道结构也可以从每个第二个电极段上去掉。

图3示意地画出了根据本发明的燃料电池1的又一个实施例，从上方斜视。电极2由一组单独的部件组成，即电极段2’。电极段2’这里包括平行排列的板，并结合形成薄片结构。间隔装置9将单独的导电板分开保持一个距离，保证气体通过。

图4画出了在本发明的燃料电池1的优选实施例中的间隔装置9的各种可能的结构。间隔装置9包括三种类型的功能部件，即确定间隔的框架10、窗子11和气体屏障12。确定间隔的框架10定义并保证单独板的间隔。窗子11保证气体和电解质不受阻碍地在电极2的板之间流动。气体屏障12包括在阳极和阴极的窗子11之间的编织物，并防止气泡进入各自反电的区域。编织物12可以是平的(参考图4a)，或可以是褶皱的或折叠的(参考图4B)，或可以提供有分隔元件13(参考图4c)来保证一组膜彼此固定。在图4b中描述的优选实施例中，气体注入设备7与间隔装置9形成整体。

Claims (16)

1．燃料电池，它包括至少下面的元件：

a)两个电极，每个为反应气体至少提供有一个气体输送管道，

b)液体电解质，

其中电极各自的气体输送管道每个具有至少一个入口，并与由电极的排列决定的负载下的离子的移动方向垂直。

2．如权利要求1的燃料电池，它是整体的电池。

3．如权利要求1或2的燃料电池，其中电极的气体输送管道每个具有至少一个出口。

4．如权利要求1的燃料电池，其中两个或更多的电极可以被注入电解质。

5．如权利要求3的燃料电池，其中两个或更多的电极可以被注入电解质。

6．如权利要求1的燃料电池，它具有分散系统，在每种情况下将至少一种反应气体引入两个电极的气体输送管道。

7．如权利要求3的燃料电池，它具有分散系统，在每种情况下将至少一种反应气体引入两个电极的气体输送管道。

8．如权利要求6的燃料电池，其中反应气体被至少一种惰性的气体稀释。

9．如权利要求7的燃料电池，其中反应气体被至少一种惰性的气体稀释。

10．燃料电池，它包括至少下面的元件：

a)两个电极，每个为反应气体至少提供有一个气体输送管道，

b)液体电解质，

其中电极各自的气体输送管道每个具有至少一个入口，并与由电极的排列决定的负载下的离子的移动方向垂直，并且其中两个电极各自的气体输送管道彼此是逆平行布置的。

11．如权利要求1的燃料电池，其中两个电极各自的气体输送管道彼此平行。

12．如权利要求10的燃料电池，其中两个电极各自的气体输送管道彼此平行。

13．燃料电池，它包括至少下面的元件：

a)两个电极，每个为反应气体至少提供有一个气体输送管道，

b)液体电解质，

其中电极各自的气体输送管道每个具有至少一个入口，并与由电极的排列决定的负载下的离子的移动方向垂直，其中两个电极的至少一个包括一组单独的部件，最好一组平行板结合形成薄片结构。

14．如权利要求1的燃料电池，其中两个电极的至少一个具有至少一个通道，最好一组通道，与电极的气体输送通道方向相同。

15．如权利要求13的燃料电池，其中两个电极的至少一个具有至少一个通道，最好一组通道，与电极的气体输送通道方向相同。

16．如权利要求1的燃料电池，还具有至少一个间隔装置，它这样排列，使它与电极功能上相互影响。

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