TW201222960A - Assembly for reversible fuel cell - Google Patents
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201222960 六、發明說明： 相關申請的交叉引用 本申請要求於2010年8月30日提交的歐洲申請號 101 74 543.8的優先權，出於所有的目的該申請的全部內容 藉由引用結合在此。 【發明所屬之技術領域】 本發明總體上是針對燃料電池並且更確切地說是針對 可逆燃料電池以及它們的部件。 【先前技術】 燃料電池係可以高效率地藉由燃料的氧化以及氧化劑 的還原而將燃料中儲存的能量轉化成電能的電化學裝置。 該燃料和氧化劑在兩個分開的電極處經歷一氧化還原反應 ，每個電極包含與一電解質相接觸的催化劑。該電解質位 於該等電極之間以防止這兩種反應物之間的直接反應並且 將離子從該電池的一側傳導至另一側。有利地該電解質可 以是一固體聚合物電解質。 在燃料電池中可以使用多種多樣的反應物。例如，該 燃料可以是基本上純的氫氣、一氣態的含氫重整油流束、 或直接甲醇燃料電池中的甲醇。該氧化劑可以是，例如， 基本上純的氧或一稀的氧流，如空氣。 另一方面，一電解池使用電力來生產不同的化學物種 ，例如由水或氯來生產氫和氧、用一鹼性鹽水來生產氫氧 -5- 201222960 化鈉和氫氣。一電解池主要涉及逆向運行的燃料電池。 允許逆向運行（使得使用電能作爲輸入物時被氧化的 燃料可以被還原回到未氧化的燃料）的燃料電池一般稱爲 “可逆的”或“再生的”燃料電池。產生電力並且再生燃 料的能力使得可逆燃料電池關於電能儲存係特別有吸引力 的。 特別引起興趣的是所謂的單元式再生燃料電池，即如 下的可逆燃料電池：其中在同一電池堆疊中進行能量產生 模式的運行（燃料電池模式）以及電解模式的運行二者。 因爲這樣一電池的電活性部件必須在電解以及燃料電池模 式二者下運行，則難以針對二者將它們進行優化。 例如 US 2003/0068544 A (CISAR，A.) 1 0/04/2003 揭 露了一單元式再生的氫氧燃料電池，其中氧電極包括一電 催化劑層，該電催化劑層包含一對於從水中釋放氧是活性 的催化劑以及對於將氧還原成水是活性的催化劑的一混合 物。該氧電極的氣體擴散層包括疏水的以及親水的區域。 然而，藉由這樣一構型，該水運輸進出該電極的該等不同 活性的電催化區域並未表現最佳。 因此，仍然需要能夠在燃料電池模式以及電解模式二 者下都以最高效率運行的單元式的再生式燃料電池。 【發明內容】 本發明的一第一目的係一用於可逆燃料電池中、特別 用於單元式再生式燃料電池中的裝配，該裝配具有優化的 -6 - 201222960 活性，在該電池在電解模式下以及在能量產生模式 時均是如此。本發明的另一目的係一包含該裝配的 料電池。 【實施方式】 本發明的第一目的係一用於可逆燃料電池的膜 配。表述“膜電極裝配”在此用來表示如下一裝配 配包括一離子導電膜，該膜被佈置在兩個電催化劑 ，每個電催化劑層包括一用於協助所希望的電化學 恰當催化劑、位於與該離子導電膜相鄰。 參見圖1，本發明的裝配1包括一離子導電膜 該膜具有第一和第二表面。一第一電催化劑層E1 的第一表面相接觸並且一第二電催化劑層E2與該 二表面相接觸。 第一電催化劑層E1包括至少一個不連續的電 區域（ELEli)以及至少一個不連續的能量產生活 (EGli )。第二電催化劑層包括至少一個不連續的 性區域（ELE2i )以及至少一個不連續的能量產生 域（EG2i)。第一電催化劑層El上的這個或該等 的電解活性區域ELEli中的每一者與第二電催化齊 上的這個或該等不連續的電解活性區域ELE2i中的 相對應並且對齊。第一電催化劑層E1上的這個或 連續的能量產生活性區域EGli中的每一者與第二 劑層E2上的這個或該等不連續的能量產生活性區ί 下運行 可逆燃 電極裝 :該裝 層之間 反應的 ICM > 與該膜 膜的第 解活性 性區域 電解活 活性區 不連續 1層Ε2 每一者 該等不 電催化 或 EG2j 201222960 中的每一者相對應並且對齊。 提及本發明的裝配的任意裝配上的一不連續區域的表 述“與……相對應並且對齊”在此用來表示該區域與該離 子導電膜的表面上的一對應區域或者與該離子導電膜的相 反一側上的等效裝配的表面上的一對應區域具有相同的尺 寸和形狀並且是與之對齊的。 圖2示出了本發明的裝配1的一實施方式，該裝配包 括該離子導電膜（ICM)以及第一和第二電催化劑層E1 和E2。在圖2所示的實施方式中，每個電催化劑層都包 括一不連續的電解活性區域（ELE1和ELE2 )以及一能量 產生活性區域（EG1和EG2 )。 各個電催化劑層（E1和E2)可以包括多於一個的電 解活性區域ELE 1 i以及多於一個的能量產生活性區域EGi 〇 第一電催化劑層上的各個電解活性區域ELE 1 i與第二 電催化劑層E2上的各個電解活性區域ELE2i相對應並且 對齊，並且各個能量產生活性區域£(}1;與各個能量產生 活性區域EG2i相對應並且對齊。 E1上的總的電解活性區域（Σ ELEli)與E2上的總 的電解活性區域（Σ ELE2i )相等，並且E1上的總的能量 產生活性區域（Σ EG 1 i )與E2上的總的能量產生活性區 域（EEG2i)相等。因此〔XELEli^ZELESi 並且 Σ EG1 i = Σ EG2(。 對於本發明的裝配中的各種類型的EGi和ELEi區域 201222960 的數目、尺寸和形狀沒有限制，只要它們形成不連續的、 各自不同的區域。一般各個區域的尺寸將取決於該裝配的 尺寸，但典型地區域EGi和ELEi將具有至少〇.〇1 mm2、 甚至至少0.1 mm2、有可能甚至大於0.5 mm2的表面。 各種類型的區域的數目i將典型地範圍從1至100、 較佳的是從1至50、更佳的是從1至20。該等區域可以 具有任何形狀，儘管規則的形狀可以是較佳的。 所有該等不連續的電解活性區域的總和Σ ELEli (或 Σ ELE2i)在i = 1時是對應於電解活性區域ELE1的範圍 ，可以與各個電催化劑層上的不連續的能量產生活性區域 的總和Σ EGh (或Σ EG2i )係相同或不同的。 在用於氫/氧燃料電池的一裝配的情況下，典型地 Σ EGli是大於Σ ELEli並且因此Σ EG2i是大於Σ ELE2i。 較佳的是Σ EGi/Σ ELEi之比的範圍係從1.5: 1至5: 1、 更佳的是從2: 1至4.5: 1、甚至更佳的是從2.5: 1至4 :1。一甚至更佳的比率可以是從2.8: 1至3.5: 1。 在其他類型的可逆燃料電池中，各個電催化劑層上的 能量產生活性區域與電解活性區域之比可以是不同的並且 將典型地取決於藉由該電池的兩種運行模式中的反應而產 生的電壓。 各個不連續的電解活性區域E L E i與各個能量產生活 性區域EGi藉由至少一個邊界區域BRj而分開。邊界區域 的數目j將取決於能量產生活性區域和電解活性區域的數 目並且取決於它們在該等電催化劑層上的安排。該邊界區 -9- 201222960 域可以是由這個或該等電解活性區域與相鄰的這個或該等 能量產生活性區域之間的組成或形態上的改變而產生的電 催化劑層中的一簡單的中斷。 替代地，該邊界區域BRj可以是一不連續區域，其特 徵爲與任何一個相鄰的區域ELEi和EGi的組成不相同的 一組成。該邊界區域B Rj可以有利地具有與各個相鄰的區 域ELEi和EGi不同的組成。該邊界區域可以特徵爲與該 等相鄰區域不相同的電導率，即沒有電導率或可忽略的電 導率。 在可用於可逆燃料電池中的該等系統之中，最具環境 吸引力的是氫/氧/水的系統。這個系統當在能量產生模式 (或燃料電池模式）下運行時使用氫與氧的電化學反應來 生產水。當該電池在電解模式下運行時氫和氧可以藉由水 的電解得到再生。 氫/氧燃料電池可以在酸性環境下使用一氫離子導電 膜來運行、並且可以在鹼性環境中使用一氫氧離子導電膜 來運行。. 本發明裝配的該等部件將參照氫/氧燃料電池進行詳 細說明’但很好理解的是本發明的裝配不以任何方式被限 制於用於基於氫/氧的可逆燃料電池中。 第一電催化劑層E 1 第一電催化劑層E1與該離子導電膜ICM的第一表面 相接觸。第一電催化劑層E1包括一或多個不連續的電解 -10- 201222960 活性區域ELEli以及一或多個不連續的能量產生活性區域 EG h。各個不連續的電解活性區域ELEli與各個能量產生 活性區域EGli藉由至少一個邊界區域BRlj而分開。 不受這種選擇的限制並且爲了說明，將在下文中將第 一電催化劑層描述爲氫/氧燃料電池中的氧電極。當該電 池以燃料電池模式運行時，在這個或該等能量產生活性區 域EGli處氧將被還原而產生水。當該電池以電解模式運 行時，在這個或該等電解活性區域ELEli處水將被氧化而 產生氧。 一般，已知的用於氧還原的高活性催化劑係對於水的 氧化和氧的釋放而言差的催化劑。因此，用於這個或該等 能量產生活性區域EG 1 i中的催化劑將典型地與用於該氧 電極的這個或該等電解活性區域ELE 1 i中的催化劑不相同 。催化劑的選擇也將根據該電池的運行環境是酸性還是鹼 性而不同。 當該電池在酸性環境中運行時，一用於這個或該等能 量產生活性區域EGli的適當催化劑可以選自金屬諸如鉑 '鈀、铑以及它們的合金。該等催化活性的金屬或金屬合 金還可以包含其他元素，如釕、鈷、鉻、鎢、鉬、釩、鐵 、銅、鎳。該等金屬可以是非負載的或負載在穩定的導電 的顆粒上。可以有利地使用碳黑、石墨或活性炭作爲載體 。用於這個或該等能量產生活性區域EGli的一較佳催化 劑係負載在碳黑上的鉑。 用於這個或該等電解活性區域ELEli的適當催化劑係 -11 - 201222960 混合金屬或混合的金屬氧化物’包括例如釕和銥的氧化物 、或銥和鈦的氧化物，可隨意地負載在碳黑上或如上討論 的任何其他適當的載體上。 當該電池在鹼性環境中運行時’ 一用於這個或該等能 量產生活性區域E G 1 i的適當催化劑係例如銀’負載的以 及非負載的二者。用於這個或該等電解活性區域ELEli的 一適當催化劑係選自負載的或非負載的鎳。適當的載體係 如上所討論的。 典型地該電催化劑層除該催化劑之外還包括一粘合劑 。該粘合劑可以選自全氟化的離子導電的聚合物之中，該 等聚合物也適用於製備離子導電膜。 在本發明的裝配的一實施方式中，第一電催化劑層 E1上的區域EGli和ELEli可以另外在其親水性特徵方面 不相同。爲了改善在這個或該等電解活性區域ELEh的表 面處的水的存在（在這裡水被氧化而產生氧），一親水的 表面係較佳的。另一方面，一或多個能量產生活性區域 EGli較佳的是疏水的，以協助去除藉由在電催化劑層處 發生的氧的還原所產生的水。該等不同的特性可以例如藉 由在該電催化劑層上的各個不連續區域的製備中使用不同 的粘合劑而獲得。 第二電催化劑層E2 第二電催化劑層E2與該離子導電膜ICM的第二表面 相接觸。第二電催化劑層E2包括一或多個不連續的電解 -12- 201222960 活性區域ELE2i以及一或多個不連續的能量產生活性區域 EG2i。各個不連續的電解活性區域ELE2i與各個能量產生 活性區域EG2i藉由至少一個邊界區域BR2j而分開。 第二電催化劑層將在下文中被描述爲一氫/氧燃料電 池的氫電極。因此，當該電池以燃料電池模式運行時，在 這個或該等能量產生活性區域EG2i處氫將被氧化而產生 氫離子。當該電池以電解模式運行時，在這個或該等電解 活性區域ELE2i處氫離子將被還原而產生氫氣。 用於一在酸性環境中運行的氫氧燃料電池的一或多個 能量產生活性區域EG2i的適當催化劑係例如鉑、或铑以 及釕的氧化物的等莫耳混合物。所述催化劑可以是如上所 討論的非負載型或負載型的。此外，爲了協助氫到達這個 或該等能量產生活性區域EG2i，所述區域可以具有高的 氣體透過性。用於這個或該等電解活性區域ELE2i的一適 當的催化劑係負載在碳黑上的鉑。 當該氫氧燃料電池在鹼性環境中運行時，用於這個或 該等能量產生活性區域EG2i以及這個或該等電解活性區 域ELE2 i的一適當催化劑係鎳，如上所討論的非負載的或 負載的。 第二電催化劑層E2上的區域EG2i和ELE2i可以另外 在其他特性方面不相同，該等特性係例如它們的親水性特 徵或它們的氣體傳輸特性，如以上提及的。該等不同的特 性可以例如藉由在該電催化劑層的該等不同區域的製備中 使用不同的粘合劑或黏合劑而獲得。 -13- 201222960 離子導電膜 電化學電池中電解質的作用係有利地允許離子從電池 的一側通向另一側以維持電池每一側上的中性平衡而不允 許該等活性物種的直接反應。該電解質、或較佳的是該離 子導電膜’可以在性質上是陽離子的或陰離子的。 在酸性環境中運行的一氫/氧燃料電池的第一設計中 ’該離子導電膜必須允許氫離子穿過它而同時產生一針對 氫和氧從電池一側透過至另一側的一障礙。因此，在這樣 一電池中，該電解質在性質上是陰離子的。 在鹼性環境中運行的一氫/氧燃料電池的第二設計中 ’該離子導電膜必須允許氫離子穿過它而同時產生一針對 .該等反應物的一障礙。因此，在這樣一電池中，該電解質 在性質上是陽離子的。 典型地該離子導電膜包括一離子導電的聚合物材料， 儘管由液體或凝膠製成的離子導電膜也可以用於本發明的 裝配中。 任何合適的離子導電的聚合物材料都可用于本發明的 裝配中。一般’較佳的是由於其化學耐蝕性和耐熱性而將 全氟化的含離子基團的聚合物用作燃料電池中的離子導電 材料。 陰離子的聚合物材料普遍選自四氟乙烯與一或多種氟 化的單體的共聚物之中，該等單體包含一離子交換基團， 如磺酸、羧酸、磷酸的基團。更普遍的陰離子的聚合物材 料可以選自四氟乙烯與一或多種氟化單體的共聚物之中， -14- 201222960 該等單體包含用於磺酸的—先質基團，如F2c = CF-〇-CF2-CF2-S〇2F、F2C = CF-0-[CF2-CXF-0]n-CF2-CF2-S〇2F 其中 X =Cl、F 或 CF3 並且 n = ι_1〇、f2C = CF-0-CF2-CF2-CF2-SO2F、F2C = CF-0-CF2-CF2-CF2-CF2-S02F、F2C = CF-Ar-S〇2F’其中Ar係一芳香環。適當的材料係例如由E.I. DuPont以商品名Nafi〇n®推向市場的那些、由s〇lvay
Solexis以商品名Aquivion®推向市場的那些、或由Asahi Glass Co.以商品名Flemio η®推向市場的那些。也可以使 用無氟的離子導電聚合物材料如磺化的聚醚酮或芳基酮或 酸摻雜的聚苯並咪唑。 陽離子聚合物材料一般選自包含氨基或丙烯酸離子交 換基團的聚合物’較佳的是氟化的聚合物。 該離子導電的聚合物材料具有的當量重量典型地是不 大於1700 g/eq、更典型地不大於150〇 g/eq、更典型地不 大於1 200 g/eq、並且最典型地不大於1〇〇〇 g/eq。該離子 導電的聚合物材料具有的當量重量典型地是至少3 80 g/eq 、較佳的是至少500 g/eq、更佳的是至少600 g/eq。 EP-A-1323744、EP-A-1179548、EP-A-1167400、EP-A-1589062、 EP-A-1702670、 EP-A-1702688 揭露了 適當的 用於本發明的裝配中的離子導電的聚合物材料以及離子導 電膜。 該離子導電膜可以由聚合物電解質組成或者它可以包 括被浸漬或塗覆在一適當的多孔載體上的聚合物電解質。 例如，US 563 5 04 1描述了一浸漬的膜，該膜包括—膨脹 -15- 201222960 的聚四氟乙烯載體。浸漬的膜也在us 4849311中進行了 描述。 在本發明的裝配的第一實施方式中，該離子導電膜在 其整個範圍內具有相同的組成。 在一第二實施方式中，該離子導電膜被分成多個不連 續區域，該等區域典型地是與該離子導電膜的第一以及第 二表面上的電催化劑層E1和E2上各個電解活性區域對 (ELEli和ELE2i)以及各個能量產生活性區域對（EGli 和EG2i )相對應並且對齊。該等區域可以具有相同或不 同的組成。 參照圖3，該離子導電膜的與電催化劑層E1和E2上 的該等電解活性區域相接觸的區域表示爲ICMELE，而該 離子導電膜的與電催化劑層E1和E2上的該等能量產生 活性區域相接觸的區域表示爲ICMEG。應理解該離子導電 膜上的區域ICMELE和ICMEG的數目將對應於電催化劑層 E 1和E2中的電解活性區域和能量產生活性區域的數目。 例如，在該離子導電膜的電解活性區域和能量產生活 性區域ICMELEi和ICMEGi中可以使用具有不同當量重量 的離子導電的聚合物材料。 在另一實施方式中，各個電解活性區域ICMELEi與各 個能量產生活性區域ICMEGi藉由一邊界區域ICMBRj而分 開’該邊界區域將典型地對應於該等電催化劑層（分別是 BRlj和BR2j )上的各個電解活性區域與各個能量產生活 性區域之間的邊界區域。 -16- 201222960 —或多個邊界區域ICMBRj可以是由這個或該等電解 活性區域與相鄰的這個或該等能量產生活性區域之間的組 成或形態上的改變而產生的離子導電膜中的一簡單的中斷 。替代地，該邊界區域ICMBRj可以是一不連續區域，其 特徵爲與任何一個相鄰的區域ICMELEi和ICMEGi的組成 不相同的一組成。 該邊界區域ICMBRj可以有利地具有與各個相鄰的區 域ICMELEi和ICMEGi不同的組成。該邊界區域可以特徵 爲與該等相鄰區域不相同的離子電導率，例如沒有離子電 導率或可忽略的離子電導率。替代地，該邊界區域可以具 有與相鄰區域不相同的親水特性。仍然可替代地，該邊界 區域可以具有不同的氣體傳輸特性。例如，一或多個邊界 區域ICM:BRj可特徵爲比各個相鄰區域ICMELEi和lCMEGi 更低的離子電導率以及更低的吸水特性。 氣體擴散層 在一典型的燃料電池設計中.，多個氣體擴散層被放置 爲與各個電催化劑層相接觸，以將氣態反應物（如氧氣和 氫氣）帶入該等電催化劑層並且同時產生與該燃料電池的 剩餘部件（例如雙極板）的電接觸。該等氣體擴散層典型 地是多孔的以允許氣態反應物通過並且它們包括導電顆粒 以給予導電性。 本發明的裝配可以進一步包括：與電催化劑層E1的 表面相接觸（而該表面不與該離子導電膜相接觸）之第一 -17- 201222960 氣體擴散層GDLl ;以及與電催化劑層E2的表面相接觸 (而該表面不與該離子導電膜相接觸）之第二氣體擴散層 GDL2 » 氣體擴散層GDL1和GDL2可以具有相同的組成和結 構或者它們可以是不同的。 在本發明的一實施方式中，與電催化劑層E1相接觸 的氣體擴散層GDL1被分成多個不連續區域，該等區域典 型地與該第一電催化劑層E1上的各個電解活性區域（ GDLlELEi)以及各個能量產生活性區域（GDLlEGi)在尺 寸上相對應並且與之對齊。 參照圖4，該氣體擴散層的與各個電催化劑層上的該 等電解活性區域相接觸的區域表示爲GDLele，而該氣體 擴散層的與各個電催化劑層上的該等能量產生活性區域相 接觸的區域表示爲GDLeg。應理解的上，當存在時，該等 氣體擴散層上的區域GDLele和GDLeg的數目將對應於該 等電催化劑層中的電解活性區域和能量產生活性區域的數 目。 各個電解活性區域GDLELEi與各個能量產生活性區域 GDLEGi藉由一邊界區域GDLBRj而分開，該邊界區域將典 型地對應於各個電催化劑層（分別是BRlj和BR2j)上的 各個電解活性區域與各個能量產生活性區域之間的邊界區 域。 一或多個邊界區域GDLBRj可以是由這個或該等電解 活性區域與相鄰的這個或該等能量產生活性區域之間的組 -18- 201222960 成或形態上的改變而產生的氣體擴散層中的一簡單的中 。替代地，該邊界區域GDLBRj可以是一不連續區域， 特徵爲與任何一個相鄰的區域GDLELEi和GDLEGi的組 不相同的一組成。 該邊界區域GDLBRj可以有利地具有與各個相鄰的 域GDLELEi和GDLEGi不同的組成。該邊界區域可以特 爲與該等相鄰區域不相同的電導率，例如沒有電導率或 忽略的電導率。替代地，該邊界區域可以具有與相鄰區 不相同的親水特性。仍然可替代地，該邊界區域可以具 不同的氣體傳輸特性。例如，一或多個邊界區域GDL 可特徵爲與各個相鄰區域GDLELEi和GDLEGi相比沒有 可忽略的導電性。 在圖4所示的具體實施方式中，氣體擴散層GDL1 括一電解活性區域GDL1ele以及一能量產生活性區 GDLIeg，它們被—邊界區域GDL1BR分開。 爲了改進水到電解活性區域 ELE1的傳輸，區 GDL1ele較佳的是親水的。氣體擴散層GDL1ecj上的能 產生活性區域可以有利地是疏水的。 類似地，氣體擴散層GDL2包括一電解活性區 GDL2ele以及一能量產生活性區域GDL2eg，它們被一 界區域GDL2BR分開。區域GDL2ele和GDL2eg可以具 相同或不同的組成和/或特性。電解活性區域GDL2ele 以是親水的並且氣體擴散層上的能量產生活性區 GDL2 EG可以有利地是疏水的。 斷 其 成 丨品 徵 可 域 有 B Rj 或 包 域 域 且 里 域 邊 有 可 域 -19- 201222960 典型地，將對GDL2E(3提供比GDL2ele更高的氣體傳 輸特性以允許氫朝能量產生活性區域EG2的表面流動》 裝配的製備 可以藉由不同的常規方法將電催化劑層E1和E2施 加到該離子導電膜或該等氣體擴散層GDL1和GDL2上。 可以藉由標準塗覆或印刷技術將電催化劑層E1和E2 施加到該離子導電膜的第一和第二表面上，使用對於各個 電解活性區域ELEi和各個能量產生活性區域EGi而言不 同的組成。 可替代地，可以使用對於各個電解活性區域ELEi和 各個能量產生活性區域EGi而言不同的組成來施加各個電 催化劑層E1和E2，首先施加到對應的氣體擴散層（ GDL1或GDL2)的表面上並接著使用已知的熱壓製或層 壓技術來將其佈置爲與該離子導電膜的第一或第二表面相 接觸。 可以使用幾種方法來製造具有不連籲的電解活性區域 以及能量產生活性區域ICMELE和ICMEG的離子導電膜。 例如，在包含一浸漬到多孔載體上的離子導電聚合物的膜 的情況下，可以使用不同的離子導電聚合物溶液或分散體 來浸漬該多孔載體的不同區域。 可替代地，當該離子導電膜係由該離子導電聚合物的 一擠出的薄膜製成的，可以藉由將不同類型的離子導電聚 合物擠出穿過適當的擠出模具（如在US3 8 079 1 8中描述 -20- 201222960 的那些）而直接得到平行的不連續的電解活性區域以及能 量產生活性區域。 可以得到包含不連續的電解活性區域以及能量產生活 性區域的氣體擴散層，例如藉由將疏水的和親水的氣體擴 散材料的交替條帶結合到一電催化劑塗覆的膜上而產生一 帶條紋的圖案。可以將具有不同特性的氣體擴散材料的交 替條帶沉積到一常見的基底上。 可替代地，包含該裝配的所有該等能量產生活性部分 (即 EG1/ICMeg/EG2 或可隨意地 GDL1eg/EG1/ICMeg/EG2 /GDL2eg )以及該裝配的所有該等電解活性部分（即 ELEI/ICMele/ELEI 或 GDL 1 ele/ELE 1/ICMELe/ELE2/GDL2ELe )的子裝配可以單獨地製造並且接著藉由適當的黏合劑或 墊片而組裝在一起。 本發明的包含夾在氣體擴散層GDL1與GDL2之間的 膜電極裝配1的裝配，可以進一步包括第一和第二雙極板 (BP1和BP2)，該等雙極板位於每一側上並且分別與第 一和第二氣體擴散層相接觸，如圖5中所示。 雙極板適當地是由不透過該等電池反應物的導電材料 (如石墨或金屬）製成的成型片材。雙極板典型地配備有 多個槽和/或通道用於將反應物分佈到該等電催化劑層上 〇 第一和第二雙極板可以各自包括至少一個不連續的電 解活性區域（BPELEi )以及至少一個不連續的能量產生活 性區域（BPEGi )，該等區域各自與第一和第二氣體擴散 -21 - 201222960 層上的各個電解活性區域（GDLELEi )以及各個能量產生 活性區域（GDLEGi)在尺寸上相對應並且與之對齊。 包含一膜電極裝配、多個氣體擴散層以及多個雙極板 的一裝配典型地被稱爲燃料電池堆。較佳的是本發明的燃 料電池堆係一個單一塊體。 在本發明的裝配或堆疊中可以存在另外的裝配，如墊 片、密封件以及類似物，如本領域中照慣例已知的。 本發明的裝配適用於可逆燃料電池中。 已經參考附圖按一平面裝配對本發明的裝配進行了描 述，然而其他構型也是有可能的並且是在本申請專利範圍 的範圍之內，特別是如下一構型：其中該裝配的不連續的 能量產生活性的以及電解活性的部分將圍繞一柱形裝配的 圓周進行安排。 若任何藉由引用結合在此的專利案、專利申請案、以 及公開物中的揭露內容與本申請案的說明相衝突的程度至 它可能使一術語不清楚，則本說明應該優先。 【圖式簡單說明】 圖1係本發明的一膜電極裝配的示意性截面圖。 圖2和3係根據本發明的第一和第二實施方式的一膜 電極裝配的該等部件的示意圖。 圖4係根據本發明另一實施方式的一裝配的該等部件 的示意圖，該裝配包含一膜電極裝配以及多個氣體擴散層 -22- 201222960 圖5係根據本發明另一實施方式的一燃料電池堆的該 等部件的示意圖，該燃料電池堆包含一膜電極裝配、多個 氣體擴散層以及多個雙極板。 -23-
Claims (1)
- 201222960 七、申請專利範圍： 1. 一種用於電化學電池的裝配，包括：離子導電膜， 該膜具有第一和第二表面；與該膜的第一表面相接觸的第 —電催化劑層，所述第一電催化劑層包括至少一個不連續 的電解活性區域（ELEli )以及至少一個不連續的能量產 生活性區域（EG li);與該膜的第二表面相接觸的一第二 電催化劑層，所述第二電催化劑層包括至少一個不連續的 電解活性區域（ELE2i )以及至少一個不連續的能量產生 活性區域（EG2;):其中所述第一電催化劑層上的該至少 一個不連續的電解活性區域（ELEli )中每一者與所述第 二電催化劑層上的該至少一個不連續的電解活性區域（ ELE2i )中每一者相對應並且對齊，並且其中所述第一電 催化劑層上的該至少一個不連續的能量產生活性區域（ EGli)中每一者與所述第二電催化劑層上的該至少一個不 連續的能量產生活性區域（EG2i)中每一者相對應並且對 齊。 2. 如申請專利範圍第1項之裝配，其中該離子導電膜 包括：至少一個與所述第一和第二電催化劑層上的該等電 解活性區域（E L E 1 i和E L E 2 i )的每一者相對應並且對齊 的不連續區域、以及至少一個與所述第一和第二電催化劑 層上的該等能量產生活性區域（EG h和EG2i)的每一者 相對應並且對齊的不連續區域。 3 .如申請專利範圍第2項之裝配，進一步包括：與所 述第一電催化劑層的表面相接觸，而該表面不與該離子導 -24- 201222960 電膜相接觸，之第一氣體擴散層（GDLl 第二電催化劑層的表面相接觸，而該表面 膜相接觸，之第二氣體擴散層（GDL2 )。 4 ·如申請專利範圍第3項之裝配，其 擴散層（GDL1 )包括：至少一個與該第 的該至少一個電解活性區域中的每一者相 不連續的電解活性區域（GDLlELEi)、以 第一電催化劑層上的該至少一個能量產生 一者相對應並且對齊的不連續的能量屋 GDLlEGi)。 5 .如申請專利範圍第4項之裝配，其 擴散層（GDL2 )包括：至少一個與該第 的該至少一個電解活性區域中的每一者相 不連續的電解活性區域（GDL2ELEi)、以 第二電催化劑層上的該至少一個能量產生 —者相對應並且對齊的不連續的能量I GDL2EGi)。 6 ·如申請專利範圍第5項之裝配，3 或第二氣體擴散層上的該至少一個不連續 係親水的，並且其中在該第一和/或第二 該至少一個不連續的能量產生活性區域係 7.如申請專利範圍第6項之裝配，包 擴散層相接觸的第一雙極板以及與該第二 觸的一第二雙極板，所述第一和第二雙極 ):以及與所述 不與該離子導電 中所述第一氣體 一電催化劑層上 對應並且對齊的 及至少一個與該 活性區域中的每 I生活性區域（ 中所述第二氣體 二電催化劑層上 對應並且對齊的 及至少一個與該 活性區域中的每 I生活性區域（ 霉中在該第一和/ 的電解活性區域 氣體擴散層上的 疏水的。 括與該第一氣體 氣體擴散層相接 板各自可隨意地 -25- 201222960 包括至少一個不連續的能量產生活性區域以及至少一個不 連續的電解活性區域，該等區域與該第一和第二氣體擴散 層上的該至少一個電解活性的以及能量產生活性的區域中 的每一者相對應並且對齊。 8. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之裝配，包括 在所述第一和第二電催化劑層上、和/或在所述離子導電 膜上的和/或在所述第一和第二氣體擴散層上的和/或在所 述第一和第二雙極板上的各個不連續的能量產生活性區域 以及各個不連續的電解活性區域之間的至少一個邊界區域 〇 9. 如申請專利範圍第8項之裝配，其中所述至少一個 邊界區域具有一組成，該組成與該等相鄰的能量產生活性 區域和電解活性區域中任何一個的組成不相同。 1 〇 .如申請專利範圍第9項之裝配，其中所述第一或 第二電催化劑層上的所有該等不連續的能量產生活性區域 的總數與所述第一或第二電催化劑層上的所有該等不連續 的電解活性區域的總數之間的比率係在從1 .5 : 1至5 : 1 的範圍內。 1 1.如申請專利範圍第1 0項之裝配，其中該比率係在 從2.8: 1至3.5: 1的範圍內。 1 2.如申請專利範圍第1至7項中任一項之裝配，其 中所述第一和第二電催化劑層上的所述電解活性區域包括 適合用於電解水的催化劑。 1 3 .如申請專利範圍第1 2項之裝配，其中所述第一和 -26- 201222960 第二電催化劑層上的所述能量產生活性區域包括適合用於 由氫和氧來產生水的催化劑。 14.如申請專利範圍第13項之裝配，其中所述第一或 第二電催化劑層上的所有該等不連續的能量產生活性區域 的總數與所述第一或第二電催化劑層上的所有該等不連續 的電解活性區域的總數之間的比率係在從1 .5 : 1至5 : 1 的範圍內。 1 5 ·如申請專利範圍第1 4項之裝配，其中該比率係在 從2.8: 1至3.5: 1的範圍內。 1 6·—種包含如申請專利範圍第丨至7項中任—項之 裝配之燃料電池。 17·—種包含如申請專利範圍第9項之裝配之燃料電 池。 18. —種包含如申請專利範圍第1〇項之裝配之燃料電 池。 19. 一種包含如申請專利範圍第13項之裝配之燃料電 池。 20. —種包含如申請專利範圍第14項之裝配之燃料電 池。 -27-
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