CN1532968A - 燃料电池的混合电极结构 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池的混合电极结构，包括在电解质膜的两侧叠加燃料极和空气极，供应到燃料极和空气极的外侧的燃料和空气，经过燃料极和空气极产生水和电。对于具有结构的燃料电池，本发明的燃料电池的混合电极结构：其特征在于燃料极至少分离成两个以上的电极部，各个电极部由相互不同物质形成。由于燃料极由相互不同物质的多个电极部分离形成，所以在第2电极部能够再利用第1电极部反应过程中产生的氢气，由此提高燃料电池组的性能，同时提高燃料的利用效率。

Description

燃料电池的混合电极结构
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其涉及燃料电池的电极结构。
背景技术
人类使用的能源中大部分都来自于化石燃料。但是这种化石燃料的使用会导致大气污染和酸雨、地球温暖化等的对环境带来恶劣影响，并且能源使用效率也很低。
燃料电池是作为化石燃料的替代品而提出的，燃料电池与一般的电池(2次电池)不同，从外部向阴极(anode)供应燃料(氢气或者碳氢气体)；从外部向阳极(cathode)供应氧气，利用水的电解逆反应进行电化学反应产生电和热，作为电池系列实际上可以看作发电装置。
燃料电池进行发电的方法是：不经过燃料的燃烧(氧化)反应，通过氢气和氧气的电化学反应，将反应前后的能量差直接转换成电能的方法。
将燃料电池按照电解质的类型进行分类，则分为在200℃附近工作的磷酸型燃料电池，在60～110℃范围内工作的碱性电解质型燃料电池，在常温～80℃范围内工作的高分子电解质型燃料电池，在约500～700℃的高温下工作的熔融碳酸盐电解质型燃料电池，还有在1000℃以上的高温状态下工作的固体氧化物型燃料电池等。
下面参照后附图纸对现有技术的燃料电池进行说明。
如图1所示，现有燃料电池大体上包括燃料电池组(10)、燃料供应部(20)、空气供应部(30)和电能输出部(40)。燃料电池组(10)具备有燃料极(12)和空气极(13)，通常通过氢气和氧气的电化学反应生成电能；燃料供应部(20)将包含有氢气的水溶液状态的氢化硼((BH4)，实际上将氢气硼钠(NaBH4))供应给燃料极(12)；空气供应部(30)用于将包括氧气的空气供应给空气极(13)；电能输出部(40)将在燃料电池组(10)生成的电能供应给负荷。
上述燃料电池组(10)将多个单电池(single cell)叠加之后，利用长的固定结合螺杆将每个单电池贯穿进行组装，而每个单电池大体上包括电解质膜(11)、燃料极(12)和空气极(13)、分隔板(separator，或者bipolar plate)(14，15)。燃料极(12)和空气极(13)隔着电解质膜(11)，在两侧以高温高压方式叠加成一体；分隔板(separator，或者bipolar plate)(14，15)叠加在燃料极(12)和空气极(13)的外侧，使得燃料和空气分别接触在燃料极(12)和空气极(13)进行循环。在两端单电池的外面，集电板(current collector)(16，17)形成集电电极。
电解质膜(11)是能够传递H+离子的高分子材质的膜，比如说，在湿润状态下具有导电性的高分子离子交换膜。
燃料极(12)和空气极(13)由一个支撑体和叠加在支撑体整个两侧面的一个介质层构成，支撑体由金属性的镍型材(nickel form)构成，介质层最好涂覆氢气储藏合金(MH)系列的金属。
如图2所示，分隔板(14，15)采用了导电性良好耐腐蚀性强的石墨(graphite)等物质；分隔板(14)与燃料极(12)的内侧面相接处之处上形成有燃料流路(fuel channel)(Cf)，用于使燃料经过燃料流路(fuel channel)(Cf)；在分隔板(14)与空气极(13)的内侧面相接触之处形成有空气流路(air channel)(Co)，用于使空气经过空气流路(air channel)(Co)。另外设置在单电池之间的分隔板(14，15)的一侧形成燃料流路(Cf)，另一侧形成空气流路(Co)；设置在燃料电池组(10)两侧端部上的分隔板(14，15)只在内侧形成燃料流路(Cf)或者空气流路(Co)。
集电板(16，17)用于从燃料电池组(10)最终取出电能，通常作为终端采用铜材等导电体材质。
另外，附图中的符号21是燃料供应管，22是燃料罐，23是燃料泵，31是空气供应管，32是空气泵，M是膜组件(membrane)。
下面对具有上述结构的现有技术燃料电池组作为燃料供应B化合物时产生电能的过程进行详细说明。
也就是说，供应给分隔板(14，15)燃料流路(Cf)和空气流路(Co)的燃料和空气分别经过燃料极(阴极，anode)(12)和空气极(阳极，cathode)(13)，在上述过程中，燃料中的氢气和空气中的氧气产生电化学反应生成水，同时在两个电极之间产生电流。
进一步说明，燃料极(12)侧产生燃料电化学氧化反应
；
电解质膜(11)传递氧化/还原反应产生的离子；
在空气极(13)产生空气(氧气)的电化学还原反应
。
于是燃料极(12)和空气极(13)之间产生电动势，电动势通过由多个的单电池叠加而成的燃料电池组(10)的两端的集电板(16，17)输出，从集电板(16，17)输出的电流供应给负荷。
但是，在现有技术燃料电池组中，如图2至图4所示，燃料极(12)由单一体形成，但是在燃料电池组(10)的内部存在两种以上相互不同的反应物质时，由于电极特性不同，所以不能将所有物质有效利用，尤其是BFC时，采用氢气储藏合金作为电极，则不能有效利用反应过程中产生的氢气，直接排出，所以存在不能有效利用燃料的问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述缺点，本发明提供一种燃料电池的混合电极结构，以在燃料电池组的内部存在多种反应物质(BFC)时，能够更有效地利用反应过程中产生的氢气。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种燃料电池的混合电极结构，包括在电解质膜的两侧叠加燃料极和空气极，供应到所述燃料极和空气极的外侧的燃料和空气经过所述燃料极和空气极产生水和电；其特征在于，燃料极至少分离成两个以上的电极部，所述各个电极部由相互不同物质形成。
前述的燃料电池的混合电极结构，其中在燃料极中，电极部的表面积不同。
前述的燃料电池的混合电极结构，其中在燃料极中，与燃料首先接触的电极部的表面积比最后与燃料接触的电极部的表面积大。
前述的燃料电池的混合电极结构，其中在燃料极中，相互不同的电极部相互对接设置。
本发明解决其技术问题还可采用如下技术方案：
一种燃料电池的混合电极结构，包括在高分子电解质膜两侧分别叠加燃料极和空气极，向所述燃料极供应水溶液状态的氢化硼(BH4)，向所述空气极供应空气，最终所述燃料和空气经过燃料极和空气极产生水和电；其特征在于，所述燃料极由第1电极部和第2电极部分离形成；所述第1电极部的介质层由氢气储藏合金形成；所述第2电极部的介质层由白金形成。
前述的燃料电池的混合电极结构，其中在燃料极中，第1电极部的表面积比第2电极部的表面积大。
前述的燃料电池的混合电极结构，其中在燃料极中，第1电极部和第2电极部相互对接，连续配置。
本发明的燃料电池的混合电极结构可以带来如下效果：由于燃料极由相互不同物质的多个电极部分离形成，所以在第2电极部能够再利用第1电极部反应过程中产生的氢气，由此提高了燃料电池组的性能，同时提高了燃料的利用效率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是现有技术燃料电池的实施例的示意图。
图2是现有技术燃料电池组的一部分的分解立体示意图。
图3是现有技术燃料电池组的膜-电极结合体(MEA：MEMBRANE-ELECTRODEASSEMBLY)实施例的纵断面图。
图4是现有技术燃料电池组的膜-电极结合体(MEA：MEMBRANE-ELECTRODEASSEMBLY)实施例的正视图。
图5是本发明燃料电池组的一部分的立体示意图。
图6是本发明燃料电池组的膜-电极结合体(MEA：MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY)实施例的纵断面图。
图7是本发明燃料电池组的膜-电极结合体(MEA：MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY)实施例的正视图。
图中标号说明：
110：电解质膜                          120：燃料极
121：第1电极部                         122：第2电极部
130：空气极
具体实施方式
如图5、6、7所示，在本发明的燃料电池组中，燃料极(120)和空气极(130)可以设置在电解质膜(110)两侧，但是所述燃料极(120)至少要由2种以上不同物质构成的多个电极部(121)(122)构成。
所述电解质膜(110)是能够传递H+离子的高分子材质的膜，比如说，在湿润状态下具有导电性的高分子离子交换膜。
所述燃料极(120)和空气极(130)由支撑体和叠加在所述支撑体两侧面的介质层构成。
其中，所述燃料极(120)由第1电极部(121)和第2电极部(122)构成，所述第1电极部(121)和第2电极部(122)分别由分离成多个的支撑体和介质层构成。所述第1电极部(121)的支撑体由金属性的镍型材形成，所述第1电极部(121)的介质层由氢气储藏合金形成，以便能够将水溶液状态的BH4作为燃料使用。另外，为了能够利用经过第1电极部(121)产生的氢气作为燃料使用，所述第2电极部(122)支撑体由多孔性碳素纸(carbon paper)或者碳素布(carbon cloth)形成，介质层由白金形成。
为了在所述第2电极部(122)之前与燃料(水溶液状态的BH4)接触，所述第1电极部(121)最好与下面将要说明的分隔板(140)的燃料流路(Cf)入口相对应。另外，如果考虑到经过第1电极部(121)产生的氢气量比最初供应的燃料的量少，最好将第1电极部(121)的表面积设计成比第2电极部(122)的表面积宽。
第1电极部(121)和第2电极部(122)在平面上连续配置，并且在第1电极部(121)和第2电极部(122)的对应面对接的状态下，将两侧面利用上述分隔板(140)等连续压紧进行固定，使得经过第1电极部(121)的燃料直接连续经过第2电极部(122)。
空气极(130)可以与燃料极(120)相同，由多个的电极部构成，但是考虑到生产效率方面，最好由一个支撑体和叠加在支撑体两侧面的一个介质层构成。
另外，上述空气极(130)可以与上述燃料极(120)的第1电极部(121)相同，用金属性的镍型材形成支撑体，用氢气储藏合金形成介质层；也可以与上述第2电极部(122)相同，用多孔性碳素纸或者碳素布形成支撑体，用白金形成介质层。
二个分隔板(140)最好采用导电性良好耐腐蚀性强的石墨(graphite)等物质，分隔板(140)与燃料极(120)和空气极(130)相接触的内侧面分别形成燃料经过的燃料流路(fuel channel)(Cf)和空气经过的空气流路(air channel)(Co)。设置在单电池之间的分隔板(140)一侧形成上述燃料流路(Cf)，另一侧形成上述空气流路(Co)，设置在燃料电池组的两侧端部上的分隔板(140)只有内侧面形成燃料流路(Cf)或者空气流路(Co)。
集电板(图中未示)用于最终从燃料电池组获取电能，采用通常作为终端使用的铜材质等导电体制成。
附图中与现有技术相同的部分赋予相同的符号。
下面对具有上述结构的本发明燃料电池的混合电极结构的作用和效果进行详细说明。
也就是说，向上述燃料极(120)供应水溶液状态的氢化硼钠(NaBH4)，同时向空气极(130)供应包含氧气的空气，使得在燃料极(120)的第1电极部(121)与电解质膜(110)反应，产生离子。上述离子引起电化学反应形成水的过程中，燃料极(120)的第1电极部(121)生成电子，向空气极(130)移动产生电流。一方面，在上述过程中产生的氢气再经过第2电极部(122)与电解质膜(110)进行反应生成离子，离子也引起电化学反应生成水，同时电子移动形成电流。
进一步说明则，在燃料极(120)的第1电极部(121)侧产生电化学氧化反应
在电解质膜(110)传递通过氧化/还原反应产生的离子；
在空气极(130)产生空气(氧气)的电化学还原反应
。
在上述反应持续的过程中，燃料极(120)的第1电极部(121)侧产生
等副反应，从燃料(NaBH4水溶液)中产生氢气。
在第1电极部(121)生成的氢气再经过第2电极部(122)产生H2的电化学氧化反应
电解质膜(110)传递通过氧化/还原反应生成的离子，在空气极(130)产生空气(氧气)的电化学还原反应
。
于是，燃料极(120)和空气极(130)之间产生电动势，电动势通过由多个单电池而成的燃料电池组的两端的集电板(图中未示)输出，从集电板输出的电流供应给负荷。
于是，供应作为燃料的氢化硼(BH4，更确切地说是氢化硼钠)时的副反应生成氢气，通过再利用氢气，
在第1电极部(121)中的
反应过程中获取1.64V的电压；
在第2电极部(122)中
的反应过程中获取1.23V的电压，
一共能够获取2.87V的电压。
发明的效果
本发明的燃料电池的混合电极结构可以带来如下效果：由于燃料极由相互不同物质的多个电极部分离形成，所以在第2电极部能够再利用第1电极部反应过程中产生的氢气，由此提高燃料电池组的性能，同时提高燃料的利用效率。

Claims (7)

1、一种燃料电池的混合电极结构，包括在电解质膜的两侧叠加燃料极和空气极，供应到所述燃料极和空气极的外侧的燃料和空气经过所述燃料极和空气极产生水和电；其特征在于，
燃料极至少分离成两个以上的电极部，所述各个电极部由相互不同物质形成。
2、根据权利要求1所述的燃料电池的混合电极结构，其特征在于在所述燃料极中，电极部的表面积不同。
3、根据权利要求2所述的燃料电池的混合电极结构，其特征在于在所述燃料极中，与燃料首先接触的电极部的表面积比最后与燃料接触的电极部的表面积大。
4、根据权利要求1或2或3所述的燃料电池的混合电极结构，其特征在于在所述燃料极中，相互不同的电极部相互对接设置。
5、一种燃料电池的混合电极结构，包括在高分子电解质膜两侧分别叠加燃料极和空气极，向所述燃料极供应水溶液状态的氢化硼(BH4)，向所述空气极供应空气，最终所述燃料和空气经过燃料极和空气极产生水和电；其特征在于，
所述燃料极由第1电极部和第2电极部分离形成；所述第1电极部的介质层由氢气储藏合金形成；所述第2电极部的介质层由白金形成
6、根据权利要求5所述的燃料电池的混合电极结构，其特征在于在所述燃料极中，第1电极部的表面积比第2电极部的表面积大。
7、根据权利要求5或6所述的燃料电池的混合电极结构，其特征在于在所述燃料极中，第1电极部和第2电极部相互对接，连续配置。
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