CN1697222A

CN1697222A - 燃料电池

Info

Publication number: CN1697222A
Application number: CNA2005100057759A
Authority: CN
Inventors: 权京重; 吴世荣
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2004-05-11
Filing date: 2005-01-25
Publication date: 2005-11-16
Also published as: KR20050108047A; JP2005327726A; US20050255371A1

Abstract

本发明提供一种具有防止催化剂利用率降低的结构的燃料电池。该燃料电池包括阳极；阴极；介于阳极与阴极之间的电解液膜；其一侧形成有将燃料提供给阳极的燃料流动区的隔板，该燃料流动区具有燃料通道部和支撑部；以及其一侧形成有将氧化剂提供给阴极的氧化剂流动区的隔板，该氧化剂流动区具有氧化剂通道部和支撑部；其中阳极具有与燃料通道部一致的图案，或者阴极具有与氧化剂通道部一致的图案，或者阳极和阴极分别具有与燃料通道部和氧化剂通道部相一致的图案。

Description

燃料电池

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，包括阳极、阴极、电解液膜和隔板。

背景技术

燃料电池是突出的下一代能量转化单元，因为它们具有高发电效率并且是环境友好的。燃料电池根据所用电解液类型分为聚合物电解液膜燃料电池(PEMFC)，磷酸燃料电池(PAFC)，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，固体氧化物燃料电池(SOFC)等。

燃料电池的工作温度、构件材料等可根据所用电解液的类型而变化。常规燃料电池具有图1所示的结构。图1示出了常规燃料电池的局部断面图。

在下文中，将参照图1说明燃料电池的工作原理。隔板100包括燃料通道110，其是供要提供给阳极200的燃料流动的路径。燃料的实例包括氢，天然气与水蒸汽的混合蒸气，甲醇水溶液，或者甲醇与水的混合蒸气。燃料流经燃料通道110，并扩散到阳极200中。阳极200是多孔的并包含催化剂。扩散到阳极200中的燃料与催化剂接触并进行电化学反应。隔板500包括氧化剂通道510，其是供要提供给阴极400的氧化剂流动的路径。氧化剂的实例包括氧，空气，或者氧(或空气)与二氧化碳的混合物。氧(或空气)与二氧化碳的混合物主要用于MCFC。氧化剂流经氧化剂通道510，并扩散到阴极400中。阴极400是多孔的并包含催化剂。扩散到阴极400中的氧化剂与催化剂接触并进行电化学反应。电解液膜300充当离子导体。换言之，电解液膜300将在阳极200产生的离子转移至阴极400，或者将在阴极400产生的离子转移至阳极200。在阳极200产生的电致提供给外电路，接着返回阴极。

不同类型的燃料电池中，阳极和阴极的电化学反应如下：

<SOFC>

阳极：

阴极：

<MCFC>

阳极：

阴极：

<PAFC和PEMFC>

阳极：

阴极：

<DMFC>

阳极：

阴极：

图2示出了图1所示电池结构中经隔板通道流入电极的反应物的扩散。

在多数燃料电池中，电极包括扩散层和催化剂层。扩散层由多孔的导电材料构成。一般地，扩散层的孔比催化剂层的大。参照图2，阳极200包括扩散层210和催化剂层220。阴极400具有与图2所示阳极200相同的结构。

扩散层210不仅为燃料顺利地流入刚好位于燃料通道110之下的催化剂层220部分提供路径，而且还为燃料顺利地流入位于隔板100的支撑部120之下的催化剂层220部分提供路径。扩散层210不仅为刚好形成于燃料通道110之下的催化剂层220部分的产物顺利地排出到燃料通道110提供通道，而且还为形成于隔板100的支撑部120之下的催化剂层220部分的产物顺利地排出到燃料通道110提供通道。

然而，尽管存在扩散层210，但是刚好位于燃料通道110之下的催化剂层220部分中的传质速度，仍然不同于位于隔板100的支撑部120之下的催化剂层220部分中的传质速度。在图2中，途径“a”和“c” 代表位于隔板100的支撑部120之下的催化剂层220部分的传质途径，途径“b”代表刚好位于燃料通道110之下的催化剂层220部分的传质途径。如图2所示，途径“a”和“c”分别长于途径“b”。这样，经过途径“a”和“c”的传质速度低于经过途径“b”的传质速度。

因而，位于隔板100的支撑部120之下的催化剂层220部分的电流密度，低于刚好位于燃料通道110之下的催化剂层220部分的电流密度。这意味着，位于隔板100的支撑部120之下的催化剂层220部分的催化剂利用率，低于刚好位于燃料通道110之下的催化剂层220部分的催化剂利用率。较低的催化剂利用率导致昂贵催化剂的浪费，而且是增加燃料电池制造成本的关键因素，这种现象同样存在于阴极。

发明内容

本发明提供一种具有防止催化剂利用率降低的结构的燃料电池。

一方面，本发明提供一种燃料电池，包括：阳极；阴极；介于阳极与阴极之间的电解液膜；其一侧形成有将燃料提供给阳极的燃料流动区的隔板，燃料流动区具有燃料通道部和支撑部；以及其一侧形成有将氧化剂提供给阴极的氧化剂流动区的隔板，氧化剂流动区具有氧化剂通道部和支撑部；其中阳极具有与燃料通道部一致的图案，或者阴极具有与氧化剂通道部一致的图案，或者阳极和阴极分别具有与燃料通道部和氧化剂通道部相一致的图案。

在根据本发明实施方案的燃料电池中，电极沿着通道而不是沿着支撑部布置，因而不存在经过电极的无效传质区域。因而，可以使燃料电池中的催化剂利用率最大化。

附图说明

通过参照附图详述其示例性的实施方案，本发明的上述及其它特征和优点将会更加显而易见，在附图中：

图1是常规燃料电池基本结构的断面图；

图2是图1所示常规燃料电池结构中反应物扩散途径的示意图；

图3是根据本发明实施方案的燃料电池的结构的断面图；

图4A是用于根据本发明实施方案的燃料电池中的隔板的俯视图；

图4B是用于根据本发明实施方案的燃料电池中的电极的俯视图；

图5A是用于根据本发明另一实施方案的燃料电池中的隔板的俯视图；

图5B是用于根据本发明另一实施方案的燃料电池中的电极的俯视图；

图6是通过层叠根据本发明实施方案的燃料电池而得到的燃料电池组的断面图；及

图7是根据本发明实施方案的燃料电池及对比性燃料电池的性能的曲线图。

具体实施方式

本文所用术语“隔板”的意思是包括双极板、端板和冷却板。

本领域中众所周知的是，双极板具有供燃料和空气流动的通道，并且充当膜电极组件(MEA)之间传递电子的电子导体。一般地，双极板是非多孔性的，以便能够将燃料与空气相隔离，并且具有优异的导电性。此外，双极板具有足以承受夹紧燃料电池时所施加的力的机械强度，并且具有强的抗腐蚀性。本领域中众所周知的是，端板是这样的导电板，仅其一侧具有燃料或氧化剂通道，并且以放置在燃料电池组两端的形式附着在MEA上。本领域中众所周知的是，冷却板是这样的导电板，其一侧具有燃料或氧化剂通道，而另一侧具有冷却流体通道。在本发明的实施方案中，术语“隔板”广义地包括双极板、端板和冷却板，除非具体地指明。

在本发明中，术语“流动区”是指隔板的表面区域，其包括通道和支撑部。通道是位于隔板表面的沟槽，充当提供或排出电极反应物或产物的路径。支撑部介于通道之间并且支撑MEA。

在本发明中，阳极、阴极或者阳极和阴极没有覆盖隔板的整个流动区的片状形状，但却具有与流动区中的通道区域相一致的预定的图案。

在根据本发明实施方案的燃料电池，阳极具有与燃料流动区的通道图案相一致的外形，且燃料流动区的支撑部与电解液膜接触，因而，阳极被引入到燃料流动区的通道中，且阳极的边缘与燃料流动区的支撑部接触；或者

阴极具有与氧化剂流动区的通道图案相一致的外形，且氧化剂流动区的支撑部与电解液膜接触，因而，阴极被引入到氧化剂流动区的通道中，且阴极的边缘与氧化剂流动区的支撑部接触；或者

阳极具有与燃料流动区的通道图案相一致的外形，且燃料流动区的支撑部与电解液膜接触，因而，阳极被引入到燃料流动区的通道中，且阳极的边缘与燃料流动区的支撑部接触；及阴极具有与氧化剂流动区的通道图案相一致的外形，且氧化剂流动区的支撑部与电解液膜接触，因而，阴极被引入到氧化剂流动区的通道中，且阴极的边缘与氧化剂流动区的支撑部接触。

按照这种方式，本发明的技术构思可以应用于阳极与阴极中的一种，也可以应用于阳极和阴极。图3是燃料电池的结构的断面图，本发明的技术构思被应用于阳极和阴极。图3所示的隔板是端板型的隔板。

参照图3，电解液膜300具有附着在一侧的阳极2000和附着在另一侧的阴极4000。位于阳极一侧上的隔板100覆盖阳极2000。阳极2000与隔板100的通道110匹配并且被引入其中。阳极2000的边缘与支撑部120的横向侧面接触，从而在隔板100与阳极2000之间提供电连接。类似地，位于阴极一侧上的隔板500覆盖阴极4000。阴极4000与隔板500的通道510匹配并且被引入其中。阴极4000的边缘与支撑部520的横向侧面接触，从而在隔板500与阴极4000之间提供电连接。

隔板100和500的支撑部120和520均与电解液膜300接触。支撑部120和520与电解液膜300之间的这种接触可以提供气密密封。在图3中，尽管省略了燃料电池的周围部分，但是在燃料电池的周围部分一般均布置有预定的气密密封结构。根据本发明实施方案的燃料电池可以因为这种接触而不必一定要有单独的气密密封结构。

在图3中，燃料通道110和氧化剂通道510沿相同的方向形成。在本发明的另一实施方案中，燃料通道110和氧化剂通道510可以沿不同方向形成。

图4A是根据本发明实施方案的燃料电池中所用的隔板100的俯视图，其示出了通道图案的实例。图4B是根据本发明实施方案的燃料电池中所用电极2000的俯视图，其示出了与图4A中所示隔板100相匹配的电极图案的实例。参照图4A，隔板100具有平行流动型的流动区，该流动区包括以斜线标记的支撑部120，及空白的通道110。参照图4B，以斜线标记的电极2000附着在电解液膜300上，并且具有平行的条纹状。

图5A是根据本发明另一实施方案的燃料电池中所用隔板100的俯视图，其示出了通道110的串联流动型的图案。图5B是根据本发明另一实施方案的燃料电池中所用电极2000的俯视图，其示出了与图5A所示隔板1 00相匹配的电极图案的实例。参照图5A，隔板100具有串联流动型的流动区，该流动区包括以斜线标记的支撑部120，及空白的通道110。参照图5B，以斜线标记的电极2000附着在电解液膜300上，并且具有连续的弯曲条纹状。

图4A和5A中所示的通道图案仅仅是举例说明，也可以使用其它不同类型通道图案。具有这种不同通道图案以及与之匹配的电极图案的燃料电池，同样包括在本发明的范围内。

图6是通过层叠根据本发明实施方案的燃料电池而得到的燃料电池组的断面图，燃料电池组包括端板100和500，双极板600，及冷却板710和720。

双极板型的隔板600具有形成于其一侧的用于将燃料提供给阳极2000的燃料流动区，而且具有形成于其相反一侧的用于将氧化剂提供给阴极4000的氧化剂流动区。

换言之，双极板型的隔板600具有形成于其一侧的氧化剂流动区，用于向阴极4000提供氧化剂，而且具有形成于其相反一侧燃料流动区，用于向阳极2000提供燃料。

冷却板型的隔板720的一侧形成有向阳极2000提供燃料的燃料流动区，及形成于其相反一侧的供冷却介质流动的冷却介质流动区。

冷却板型的隔板710具有形成于其一侧的将氧化剂提供给阴极4000的氧化剂流动区，而且具有形成于其相反一侧的供冷却介质流动的冷却介质流动区。

在根据本发明示例性实施方案的燃料电池中，阳极和阴极仅布置在隔板通道的内部，因而，阳极和阴极可以不必一定包括透气层。因此，阳极和阴极均可仅由催化剂层构成。

另外，在根据本发明另一实施方案的燃料电池中，阳极和阴极可以包括催化剂层和透气层。透气层可以附着在催化剂层的表面，所述催化剂层附着在电解液膜上，催化剂层的表面朝向通道。透气层涂布在催化剂层上，以防止催化剂层的构成材料遗失。透气层可以由导电的透气膜(如碳纸、碳纤维和金属网)构成。

透气层可以具有覆盖整个通道部和支撑部的片状形状。这种情况下，在组装的燃料电池中，透气层具有凹入部分和凸出部分，所述凹入部分具有通道部的图案，所述凸出部分具有支撑部的图案。而且，在这种情况下，透气层应当具有足够的导电性。

作为根据本发明实施方案的燃料电池的隔板、阳极、阴极和电解液膜的材料，可以使用本领域中公知的任何材料。

根据本发明实施方案的燃料电池可以采用本身已经公知的常规技术制备，只是还包括以通道的形式将电极印刷在电解液膜上的工艺。

下文中，将通过引入下面的实施例更详细地说明本发明。这些实施例仅用于说明，而不是对本发明的范围的限制。

实施例

实施例1：聚合物电解液膜燃料电池(PEMFC)的制备

首先，制备具有燃料流动区的隔板和具有氧化剂流动区的隔板。使用非多孔的石墨板作为隔板的材料。燃料流动区和氧化剂流动区具有图4A所示的平行流动型结构。通道110的宽度和深度以及支撑部120的宽度和高度均为相同的762mm。

然后，40g的5％重量的Nafion分散液(得自Aldrich)与3g的Pt/C催化剂(得自Johnson Matti，铂含量：20％重量)混合。向所得混合物中加入15g的水和60g的甘油，得到催化剂层的油墨。

接着，将具有燃料流动区图案的Teflon掩膜覆盖在坯膜(Teflon薄膜)上，并利用涂漆法将催化剂层油墨涂布在该坯膜。将具有氧化剂流动区图案的Teflon压模覆盖在另一坯膜上，并将催化剂层油墨涂布在该坯膜上。然后，将所涂布的坯膜在135℃的烘箱中干燥1小时。

干燥之后，通过热压，将干燥的坯膜分别附着在电解液膜(Nafion 117，得自Dupon)的两侧，确保催化剂层与电解液膜接触。热压的操作条件如下：温度125℃，压力80大气压，施压时间90秒。接着，剥离坯膜，得到膜电极组件(MEA)。

其后，将隔板附着在所得MEA的两侧，使得具有燃料流动区的隔板放置在具有燃料流动区图案的催化剂层上，及具有氧化剂流动区的隔板放置在具有氧化剂流动区图案的催化剂层上，进而制得单元电池。具有燃料流动区图案的催化剂层为阳极，具有氧化剂流动区图案的催化剂层为阴极。各催化剂层均与各自流动区的通道相匹配。

对比例1：PEMFC的制备

按与实施例1相同的方式制备单元电池，所不同的是，催化剂层油墨在不使用掩模的情况下涂布在整个坯膜上。因而，由对比例1得到的电极不具有与通道相同的图案，而具有覆盖整个通道部和支撑部的片状形状。

由实施例1和对比例1得到的单元电池的电极仅包括催化剂层，不含透气层。尽管得自实施例1的单元电池的实际电极面积与对比例1的不同，但是，得自实施例1的单元电池单位电极面积所用的催化剂量却与对比例1的相同，均为0.35mg/cm²。

<评价结果>

利用氢(相对湿度：100％)作为燃料、空气(相对湿度：50％)作为氧化剂，在80℃的工作温度下，操作单元电池。图7示出了实施例1和对比例1的单元电池的性能曲线。

如图7所示，在相同的电池电压下，得自实施例1的单元电池的电流密度比得自对比例1的高很多。从这些结果可以确认，根据本发明实施方案的燃料电池明显较高的催化剂利用率。换言之，当使用比常规燃料电池量少的催化剂时，根据本发明实施方案的燃料电池可以产生与常规燃料电池相同量的电能。

在根据本发明实施方案的燃料电池中，电极沿着通道而不是沿着支撑部布置，因而不存在经过电极的无效传质区域。因此，燃料电池中的催化剂利用率可以最大化。而且，在根据本发明实施方案的燃料电池中，由于支撑部与电解液膜之间的接触可以提供气密密封，所以燃料电池不必一定要有单独的气密密封结构。

尽管已经参照其示例性实施方案具体地给出和说明了本发明，但是本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离权利要求书中所定义的本发明的构思和范围的情况下，可以对其形式和内容作出各种替换。

Claims

1.一种燃料电池，包括：

阳极；

阴极；

介于阳极与阴极之间的电解液膜；

其一侧形成有将燃料提供给阳极的燃料流动区的隔板，该燃料流动区具有燃料通道部和支撑部；以及

其一侧形成有将氧化剂提供给阴极的氧化剂流动区的隔板，该氧化剂流动区具有氧化剂通道部和支撑部，

其中阳极具有与燃料通道部一致的图案，或者阴极具有与氧化剂通道部一致的图案，或者阳极和阴极分别具有与燃料通道部和氧化剂通道部相一致的图案。

2.根据权利要求1的燃料电池，其中所述其一侧形成有将燃料提供给阳极的燃料流动区的隔板，具有形成于相反一侧的以将氧化剂提供给阴极的氧化剂流动区。

3.根据权利要求1的燃料电池，其中所述其一侧形成有将氧化剂提供给阴极的氧化剂流动区的隔板，具有形成于相反一侧的以将燃料提供给阳极的燃料流动区。

4.根据权利要求1的燃料电池，其中所述其一侧形成有将燃料提供给阳极的燃料流动区的隔板，具有形成于相反一侧的供冷却介质流动的冷却介质流动区。

5.根据权利要求1的燃料电池，其中所述其一侧形成有将氧化剂提供给阴极的氧化剂流动区的隔板，具有形成于相反一侧的供冷却介质流动的冷却介质流动区。

6.根据权利要求1的燃料电池，其中所述阳极和阴极都仅由催化剂层组成。

7.根据权利要求1的燃料电池，其中所述阳极和阴极均包括催化剂层和透气层，该透气层附着在催化剂层的表面。

8.根据权利要求7的燃料电池，其中所述透气层具有覆盖整个通道部和支撑部的片状形状。