CN2891308Y - 既可电解水又可发电的再生式燃料电池堆 - Google Patents

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CN2891308Y CNU2005200450781U CN200520045078U CN2891308Y CN 2891308 Y CN2891308 Y CN 2891308Y CN U2005200450781 U CNU2005200450781 U CN U2005200450781U CN 200520045078 U CN200520045078 U CN 200520045078U CN 2891308 Y CN2891308 Y CN 2891308Y
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Abstract

本实用新型提供了一种既可电解水又可发电的再生式燃料电池堆，由至少一个单电池和两电池端板组成，每个单电池包括膜电极和两冲孔导电板，膜电极为由质子交换膜、催化剂和多孔导电材料组成的三合一膜电极，两冲孔导电板分别设置在膜电极的两侧，其特点是，每个单电池还包括强疏水性透气不透液的两微孔薄膜，该两微孔薄膜分别设置在两冲孔导电板的外侧。本实用新型将电解电池与燃料电池集成为一体，微孔薄膜的应用解决了燃料电池电极在用做电解电池时结构的不稳定性，提高了水的电解效率，大大降低了燃料电池极板材料抗腐蚀性能的要求。同时大大提高了燃料电池电解－发电的稳定性。可广泛应用于以H2为储能介质的系统中。

Description

既可电解水又可发电的再生式燃料电池堆
技术领域
本实用新型涉及燃料电池，尤其涉及一种既可电解水又可发电的再生式燃料电池堆。
背景技术
随着社会的进步和人们生活水平的提高，人们的生存环境意识日渐增强，人们对能源的需求不断增加。目前作为能源最大来源的石油资源正面临枯竭，而且以石油作为能源还对环境造成严重的污染，因此寻找环境友好的新能源越来越成为人们关注的重要课题。
燃料电池是将氢气和氧气反应的化学能转化成电能的一种装置，其反应产物为水，无污染。氢这种元素在地球上含量非常丰富，但大部分以化合态存在。游离态的氢可以通过核能，太阳能等来生产。太阳能是一种取之不尽的清洁能源，也是人类赖以生存的一次能源。因此充分利用太阳能具有深远的战略意义。太阳能电池是一种将太阳能转化为电能的装置，不过太阳能电池离不开太阳光，因此其发电情况受外界天气状况的影响比较大，不能白天黑夜的连续发电。在人造卫星上，卫星的正常运行也是靠太阳能电池提供动力，但当卫星处于地球的背阳面时，太阳能电池由于得不到太阳光而不能工作。因此在人造卫星上非常需要一个储能装置，以便在白天将一部分太阳能储存起来，供夜晚将这部分能量释放出来维持人造卫星的正常工作。这种储能装置的储能介质一般为氢，白天利用太阳能电池产生的电能的一部分来电解水，生成氢气和氧气；夜晚则将氢气和氧气化合为水，将化学能转变成电能。再生式燃料电池就是这样一种装置，它可以作为电解装置将水电解为氢气和氧气，又可以作为发电装置将氢气和氧气化合为水，产生电能。
在质子交换膜燃料电池中，一般用质子交换膜作为H+(质子)的导体，并将反应气体氢气和氧气分隔在膜的两边。质子交换膜两面都涂有催化剂，质子交换膜及其两面的催化剂构成了膜三合一电极。在催化剂的表面再紧压一层多孔碳纸，以保证反应气体很容易到达催化层并收集反应产生的电流。现有技术一般采用微孔膜材料如石棉隔膜浸渍碱性电解液的方式来电解水，例如中国专利(申请号：93111178.1)提到的方式，这种情况下材料被腐蚀的问题比较容易解决。采用酸性质子交换膜SPE做隔膜的电解电池是一种比较先进的零极距电解电池。该种类型电解电池同碱性电解液电池相比具有安全，无污染，便于操作，结构紧凑，效率高等优点，倍受人们的青睐。但在这种条件下，电解电池阳极导电板部分腐蚀比较严重。人们常采用防腐处理的导电板，在导电板表面涂布可导电的金属氧化物如RuO2、SnO2等，这些处理一般比较麻烦。目前用做发电的PEMFC燃料电池结构并不能直接用于电解水，这主要是因为结构和材料问题。水的理论分解电压为1.23V，实际上，因为电极上气体析出过电势的影响，电解水一般在大于1.5V-1.8V的电压下进行。在这样的电压下，阳极催化剂层和碳纸集流层及导电板腐蚀严重，因而不能直接用于电解电池。所以人们一般利用两个独立的部分来发电和电解。
实用新型内容
本实用新型的目的，在于提供一种将电解电池与燃料电池集成为一体的既可电解水又可发电的再生式燃料电池堆。
本实用新型的目的是这样实现的：一种既可电解水又可发电的再生式燃料电池堆，由至少一个单电池和两电池端板组成，每个单电池包括膜电极和两冲孔导电板，膜电极为由质子交换膜、催化剂和多孔导电材料组成的三合一膜电极，两冲孔导电板分别设置在膜电极的两侧，其特点是，每个单电池还包括强疏水性透气不透液的两微孔薄膜，该两微孔薄膜分别设置在两冲孔导电板的外侧。
所述的微孔薄膜包括选自由聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)、PI、PFA、ETFE、THV或聚偏氟乙烯(PVDF)中的一种材料制成的疏水性微孔薄膜，其微孔孔径为0.03-500微米，薄膜厚度为1-1000微米。
所述的微孔薄膜为双向拉伸膨体聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜。
所述的催化剂采用Pt、Ru、Os、Ir、Rh、Ti或Pd中的一种或几种的混合物或它们的氧化物中的一种或几种的混合物。
所述的多孔导电材料采用碳纸、碳布或金属毡。
本实用新型将电解电池与燃料电池集成为一体，微孔薄膜的应用解决了燃料电池电极在用做电解电池时结构的不稳定性，提高了水的电解效率，大大降低了燃料电池极板材料抗腐蚀性能的要求。同时大大提高了燃料电池电解-发电的稳定性。可广泛应用于以H2为储能介质的系统中。
附图说明
图1是本实用新型中仅由一个单电池组成的既可电解水又可发电的再生式燃料电池堆的结构示意图；
图2是普通不具有微孔结构的薄膜材料和具有微孔结构的薄膜材料的电解稳定性性能曲线图。
具体实施方式
配合参见图1，本实用新型既可电解水又可发电的再生式燃料电池堆，由至少一个单电池和两电池端板组成，每个单电池包括膜电极1、两冲孔导电板2和两强疏水性透气不透液的微孔薄膜3。其中的膜电极与普通燃料电池的膜电极类似，采用由质子交换膜、催化剂和多孔导电材料组成的三合一膜电极。其中催化剂采用Pt、Ru、Os、Ir、Rh、Pd、Ti中的一种或几种的混合物或它们的氧化物中的一种或几种的混合物；多孔导电材料采用碳纸、碳布或金属毡。两冲孔导电板2分别设置在膜电极1的两侧，两微孔薄膜3分别设置在两冲孔导电板2的外侧，两电池端板4分别设置在电池堆的两端。在由仅一个单电池组成的燃料电池堆中(如图1所示)，两电池端板4分别设置在两微孔薄膜3的外侧。微孔薄膜3采用由聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)、PI、PFA、ETFE、THV或聚偏氟乙烯(PVDF)制成的疏水性薄膜，最好是采用双向拉伸膨体PTFE微孔薄膜，微孔孔径在0.03-500微米之间选择，薄膜厚度在1-1000微米之间选择。
在本实用新型的再生式燃料电池堆中，非常关键的材料就是微孔薄膜材料的应用，因为这种材料只能通过气体，所以H2、O2非常容易的通过薄膜达到碳纸和催化剂层，发生反应生成水，这部分水多以气态形式存在，大部分能够在气流中被带走。在用作电解电池时，微孔膜一面的液态水有一定的蒸气压，部分水蒸汽能够透过薄膜，到达电解电池催化层，被分解成H2和O2。因为电解的是气态水，所以该过程提高了水的电解效率。本实用新型中采用的微孔薄膜材料是高度疏水的，所以在导电板、碳纸及催化剂中不存在液体水，这样就大大降低了极板及碳纸材料的腐蚀，解决了燃料电池电极用做电解水结构的不稳定性，大大降低了燃料电池极板材料抗腐蚀性能的要求。因为在电极中利用了气态水电解，电解过程中只存在气体，避免了电极中因液态水存在对电极催化层的冲刷作用，提高了催化剂层的结构稳定性，从而提高了燃料电池的电解-发电-电解-发电循环过程的稳定性。
本实用新型的再生式燃料电池堆在用作电解电池时，在电池端板和微孔薄膜之间可以充满液态水，因为部分水以气态形式存在，气态水可以透过高度疏水的微孔薄膜和冲孔导电板进入膜电极阳极(或阴极)，冲孔导电板外接电源。在电场作用下，H2O被催化分解为H2和O2。因为微孔薄膜高度疏水，所以液态水很容易排除。当液态水被排出后即可进行发电，H2和O2分别顺利通过两微孔薄膜达到膜电极上，在冲孔导电板上连接负载即可产生电流。
对于普通的导电板，在电解电池中，阳极很短时间内便会被氧化腐蚀，腐蚀后产生的金属离子能够迁移到膜电极的催化剂层和质子交换膜中，造成膜电极在短时间内出现性能大幅度衰减。但是在上述我们的实用新型结构中，膜电极电解性能非常稳定。
图2给出了普通不具有微孔结构的薄膜材料和具有微孔结构的薄膜材料的电解稳定性性能曲线，由图2可见，具有微孔结构的薄膜材料的电解稳定性性能好，其电解电流密度基本上不随时间的变化而波动，不具有微孔结构的薄膜材料的电解稳定性性能则很差，其电解电流密度在极短时间内即下降至零。

Claims (3)

1、一种既可电解水又可发电的再生式燃料电池堆，由至少一个单电池和两电池端板组成，每个单电池包括膜电极和两冲孔导电板，膜电极为由质子交换膜、催化剂和多孔导电材料组成的三合一膜电极，两冲孔导电板分别设置在膜电极的两侧，其特征在于：每个单电池还包括强疏水性透气不透液的两微孔薄膜，该两微孔薄膜分别设置在两冲孔导电板的外侧。
2、如权利要求1所述的既可电解水又可发电的再生式燃料电池堆，其特征在于：所述的微孔薄膜包括选自由聚四氟乙烯或聚丙烯或聚偏氟乙烯制成的疏水性微孔薄膜，其微孔孔径为0.03-500微米，薄膜厚度为1-1000微米。
3、如权利要求1或2所述的既可电解水又可发电的再生式燃料电池堆，其特征在于：所述的微孔薄膜为双向拉伸膨体聚四氟乙烯微孔薄膜。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN101325266B (zh) * 2008-07-24 2010-06-02 华南理工大学 一种微型组合再生式燃料电池电源系统
CN102074718A (zh) * 2009-11-19 2011-05-25 上海空间电源研究所 一体式可再生燃料电池结构
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