TWI595699B - 用於可逆燃料電池之組合件 - Google Patents

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Description

用於可逆燃料電池之組合件 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10174543.8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。
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。
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(使得使用電能作為輸入物時被氧化的燃料可以被還原回到未氧化的燃料)的燃料電池一般稱為“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。因為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.)10/04/2003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。
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組合件，該組合件具有優 化的活性，在該電池在電解模式下以及在能量產生模式下運行時均是如此。本發明的另一目的係一包含該組合件的可逆燃料電池。
本發明的第一目的係一用於可逆燃料電池的膜電極組合件。表述“膜電極組合件”在此用來表示如下一組合件：該組合件包括一離子導電膜，該膜被佈置在兩個電催化劑層之間，每個電催化劑層包括一用於協助所希望的電化學反應的恰當催化劑、位於與該離子導電膜相鄰。
參見圖1，本發明的組合件1包括一離子導電膜ICM，該膜具有第一和第二表面。一第一電催化劑層E1與該膜的第一表面相接觸並且一第二電催化劑層E2與該膜的第二表面相接觸。
第一電催化劑層E1包括至少一個不連續的電解活性區域(ELE1i)以及至少一個不連續的能量產生活性區域(EG1i)。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(EG2i)。第一電催化劑層E1上的這個或該等不連續的電解活性區域ELE1i中的每一者與第二電催化劑層E2上的這個或該等不連續的電解活性區域ELE2i中的每一者相對應並且對齊。第一電催化劑層E1上的這個或該等不連續的能量產生活性區域EG1i中的每一者與第二電催化劑層E2上的這個或該等不連續的能量產生活性區域EG2i 中的每一者相對應並且對齊。
提及本發明的組合件的任意組合件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組合件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示出了本發明的組合件1的一實施方式，該組合件包括該離子導電膜(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ELE1i以及多於一個的能量產生活性區域EGi。
第一電催化劑層上的各個電解活性區域ELE1i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EG1i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 ELE1i)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 EG1i)與E2上的總的能量產生活性區域(Σ EG2i)相等。因此：Σ ELE1i=Σ ELE2i並且Σ EG1i=Σ EG2i。
對於本發明的組合件中的各種類型的EGi和ELEi區 域的數目、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組合件的尺寸，但典型地區域EGi和ELEi將具有至少0.01mm2、甚至至少0.1mm2、有可能甚至大於0.5mm2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 ELE1i(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 EG1i(或Σ EG2i)係相同或不同的。
在用於氫/氧燃料電池的一組合件的情況下，典型地Σ EG1i是大於Σ ELE1i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ELEi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，其特徵為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BRj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為與該等相鄰區域不相伺的電導率，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。
本發明組合件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組合件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E1
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活性區域ELE1i以及一或多個不連續的能量產生活性區域EG1i。各個不連續的電解活性區域ELE1i與各個能量產生活性區域EG1i藉由至少一個邊界區域BR1j而分開。
不受這種選擇的限制並且為了說明，將在下文中將第一電催化劑層描述為氫/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EG1i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ELE1i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EG1i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ELE1i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EG1i的適當催化劑可以選自金屬諸如鉑、鈀、銠以及它們的合金。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、石墨或活性炭作為載體。用於這個或該等能量產生活性區域EG1i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ELE1i的適當催化劑係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EG1i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ELE1i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。
在本發明的組合件的一實施方式中，第一電催化劑層E1上的區域EG1i和ELE1i可以另外在其親水性特徵方面不相同。為了改善在這個或該等電解活性區域ELE1i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EG1i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為一氫/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、或銠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，為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ELE2i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。
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組合件中。
任何合適的離子導電的聚合物材料都可用于本發明的組合件中。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，該等單體包含用於磺酸的一先質基團，如F2C=CF-O-CF2-CF2-SO2F、F2C=CF-O-[CF2-CXF-O]n-CF2-CF2-SO2F其中X=Cl、F或CF3並且n=1-10、F2C=CF-O-CF2-CF2-CF2-SO2F、F2C=CF-O-CF2-CF2-CF2-CF2-SO2F、F2C=CF-Ar-SO2F，其中Ar係一芳香環。適當的材料係例如由E.I.DuPont以商品名Nafion®推向市場的那些、由solvay Solexis以商品名Aquivion®推向市場的那些、或由Asahi Glass Co.以商品名Flemion®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1700g/eq、更典型地不大於1500g/eq、更典型地不大於1200g/eq、並且最典型地不大於1000g/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380g/eq、較佳的是至少500g/eq、更佳的是至少600g/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組合件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 5635041描述了一浸漬的膜，該膜包括一膨脹的聚四氟乙烯載體。浸漬的膜也在US 4849311中進行了描述。
在本發明的組合件的第一實施方式中，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(ELE1i和ELE2i)以及各個能量產生活性區域對(EG1i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為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為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E1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BR1j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，其特徵為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為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ICMBRj可特徵為比各個相鄰區域ICMELEi和ICMEGi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為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。
本發明的組合件可以進一步包括：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)之第一氣體擴散層GDL1；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(GDL1ELEi)以及各個能量產生活性區域(GDL1EGi)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為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為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BR1j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成或形態上的改變而產生的氣體擴散層中的一簡單的中斷。替代地，該邊界區域GDLBRj可以是一不連續區域，其特徵為與任何一個相鄰的區域GDLELEi和GDLEGi的組成不相同的一組成。
該邊界區域GDLBRj可以有利地具有與各個相鄰的區域GDLELEi和GDLEGi不同的組成。該邊界區域可以特徵為與該等相鄰區域不相同的電導率，例如沒有電導率或可忽略的電導率。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GDLBRj可特徵為與各個相鄰區域GDLELEi和GDLEGi相比沒有或可忽略的導電性。
在圖4所示的具體實施方式中，氣體擴散層GDL1包括一電解活性區域GDL1ELE以及一能量產生活性區域GDL1EG，它們被一邊界區域GDL1BR分開。
為了改進水到電解活性區域ELE1的傳輸，區域GDL1ELE較佳的是親水的。氣體擴散層GDL1EG上的能量產生活性區域可以有利地是疏水的。
類似地，氣體擴散層GDL2包括一電解活性區域GDL2ELE以及一能量產生活性區域GDL2EG，它們被一邊界區域GDL2BR分開。區域GDL2ELE和GDL2EG可以具有相同或不同的組成和/或特性。電解活性區域GDL2ELE可以是親水的並且氣體擴散層上的能量產生活性區域 GDL2EG可以有利地是疏水的。
典型地，將對GDL2EG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。
組合件的製備
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為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續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US3807918中描述的那些)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，包含該組合件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)以及該組合件的所有該等電解活性部分(即ELE1/ICMELE/ELE1或GDL1ELE/ELE1/ICMELE/ELE2/GDL2ELE)的子組合件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之間的膜電極組合件1的組合件，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。
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。
包含一膜電極組合件、多個氣體擴散層以及多個雙極板的一組合件典型地被稱為燃料電池堆。較佳的是本發明的燃料電池堆係一個單一塊體。
在本發明的組合件或堆疊中可以存在另外的組合件，如墊片、密封件以及類似物，如本領域中照慣例已知的。
本發明的組合件適用於可逆燃料電池中。
已經參考附圖按一平面組合件對本發明的組合件進行了描述，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：其中該組合件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組合件的圓周進行安排。
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。
1‧‧‧組合件
E1‧‧‧第一電催化劑層
E2‧‧‧第二電催化劑層
ICM‧‧‧離子導電膜
EG1i‧‧‧能量產生活性區域
EG1‧‧‧能量產生活性區域
EG2i‧‧‧能量產生活性區域
EG2‧‧‧能量產生活性區域
ELE1i‧‧‧電解活性區域
ELE1‧‧‧電解活性區域
ELE2i‧‧‧電解活性區域
ELE2‧‧‧電解活性區域
BR1‧‧‧邊界區域
BR2‧‧‧邊界區域
ICMBR‧‧‧邊界區域
ICMELE‧‧‧離子導電膜的與電催化劑層上的電解活性區域相接觸的區域
ICMEG‧‧‧離子導電膜的與電催化劑層上的能量產生活性區域相接觸的區域
GDL1‧‧‧第一氣體擴散層
GDL2‧‧‧第二氣體擴散層
GDL1ELE‧‧‧電解活性區域
GDL2ELE‧‧‧電解活性區域
GDL1EG‧‧‧能量產生活性區域
GDL2EG‧‧‧能量產生活性區域
GDL1BR‧‧‧邊界區域
GDL2BR‧‧‧邊界區域
BP1‧‧‧第一雙極板
BP2‧‧‧第二雙極板
圖1係本發明的一膜電極組合件的示意性截面圖。
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組合件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組合件的該等部 件的示意圖，該組合件包含一膜電極組合件以及多個氣體擴散層。
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組合件、多個氣體擴散層以及多個雙極板。
1‧‧‧組合件
E1‧‧‧第一電催化劑層
E2‧‧‧第二電催化劑層
ICM‧‧‧離子導電膜
EG1i‧‧‧能量產生活性區域
EG2i‧‧‧能量產生活性區域
ELE1i‧‧‧電解活性區域
ELE2i‧‧‧電解活性區域

Claims (20)

  1. 一種用於電化學電池的組合件，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一電催化劑層(E1)，所述第一電催化劑層(E1)包括至少一個不連續的電解活性區域(ELE1i)以及至少一個不連續的能量產生活性區域(EG1i)；與該膜的第二表面相接觸的一第二電催化劑層(E2)，所述第二電催化劑層(E2)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(EG2i)；其中所述第一電催化劑層(E1)上的該至少一個不連續的電解活性區域(ELE1i)中每一者與所述第二電催化劑層(E2)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(E1)上的該至少一個不連續的能量產生活性區域(EG1i)中每一者與所述第二電催化劑層(E2)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，其中各個不連續的電解活性區域(ELE1i和ELE2i)與各個能量產生活性區域(EG1i和EG2i)藉由至少一個邊界區域(BRj)而分開，所述邊界區域(BRj)之特徵為與該等相鄰之不連續的電解活性區域及能量產生活性區域不相同的電導率，且所述邊界區域(BRj)沒有電導率或可忽略的電導率，及其中該離子導電膜的與該第一電催化劑層(E1)和該第二 電催化劑層(E2)上的該等電解活性區域相接觸的區域表示為(ICMELE)，而該離子導電膜的與該第一電催化劑層(E1)和該第二電催化劑層(E2)上的該等能量產生活性區域相接觸的區域表示為(ICMEG)，其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(ICMBRj)對應於該第一電催化劑層和該第二電催化劑層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(分別是BR1j和BR2j)，該邊界區域(ICMBRj)之特徵為與該等相鄰之不連續的電解活性區域及能量產生活性區域不相同的離子電導率，且所述邊界區域(ICMBRj)沒有離子電導率或可忽略的離子電導率。
  2. 如申請專利範圍第1項之組合件，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(ELE1i和ELE2i)中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(EG1i和EG2i)中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項之組合件，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電膜相接觸，之第一氣體擴散層(GDL1)；以及與所述第二電催化劑層的表面相接觸，而該表面不與該離子導電膜相接觸，之第二氣體擴散層(GDL2)。
  4. 如申請專利範圍第3項之組合件，其中所述第一氣 體擴散層(GDL1)包括：至少一個與該第一電催化劑層上的該至少一個電解活性區域中的每一者相對應並且對齊的不連續的電解活性區域(GDL1ELEi)、以及至少一個與該第一電催化劑層上的該至少一個能量產生活性區域中的每一者相對應並且對齊的不連續的能量產生活性區域(GDL1EGi)。
  5. 如申請專利範圍第4項之組合件，其中所述第二氣體擴散層(GDL2)包括：至少一個與該第二電催化劑層上的該至少一個電解活性區域中的每一者相對應並且對齊的不連續的電解活性區域(GDL2ELEi)、以及至少一個與該第二電催化劑層上的該至少一個能量產生活性區域中的每一者相對應並且對齊的不連續的能量產生活性區域(GDL2EGi)。
  6. 如申請專利範圍第5項之組合件，其中在該第一和/或第二氣體擴散層上的該至少一個不連續的電解活性區域係親水的，並且其中在該第一和/或第二氣體擴散層上的該至少一個不連續的能量產生活性區域係疏水的。
  7. 如申請專利範圍第6項之組合件，包括與該第一氣體擴散層相接觸的第一雙極板以及與該第二氣體擴散層相接觸的一第二雙極板，所述第一和第二雙極板各自可隨意地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7項之組合件，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。
  9. 如申請專利範圍第8項之組合件，其中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。
  10. 如申請專利範圍第9項之組合件，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。
  11. 如申請專利範圍第10項之組合件，其中該比率係在從2.8：1至3.5；1的範圍內。
  12. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之組合件，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。
  13. 如申請專利範圍第12項之組合件，其中所述第一和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項之組合件，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。
  15. 如申請專利範圍第14項之組合件，其中該比率係在從2.8：1至3.5：1的範圍內。
  16. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之組合件，其係用於燃料電池。
  17. 如申請專利範圍第9項之組合件，其係用於燃料電池。
  18. 如申請專利範圍第10項之組合件，其係用於燃料電池。
  19. 如申請專利範圍第13項之組合件，其係用於燃料電池。
  20. 如申請專利範圍第14項之組合件，其係用於燃料電池。
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