[發(fā)明專利]質(zhì)子交換膜型燃料電池單元、膜電極組及氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200810099953.2
• 申請(qǐng)日: 2008-05-29
• 公開（公告）號(hào): CN101593840A
• 公開（公告）日: 2009-12-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 彭俊維;邱錦源
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 臺(tái)達(dá)電子工業(yè)股份有限公司
• 主分類號(hào): H01M8/10
• 分類號(hào): H01M8/10;H01M8/02;H01M4/86
• 代理公司: 隆天國際知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 陳 晨

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于燃料電池的氣體擴(kuò)散層(gas?diffusion?layer，GDL)結(jié)構(gòu)，尤指一種應(yīng)用于質(zhì)子交換膜型燃料電池(proton?exchange?membrane?fuelcell，PEMFC)的氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

隨著石化能源的價(jià)格高漲以及蘊(yùn)藏量的耗損，能源替代方案的尋找可說是方興未艾，而燃料電池便是頗被看好的一種替代方案。近年來，燃料電池的技術(shù)發(fā)展不論是在學(xué)理上的基礎(chǔ)研究，抑或是商品化的應(yīng)用開發(fā)上，均有長足顯著的進(jìn)步。而所謂的燃料電池(Fuel?Cell)是一種能源直接轉(zhuǎn)化裝置，將燃料中所存的化學(xué)能，經(jīng)由觸媒及電催化的反應(yīng)機(jī)制，直接轉(zhuǎn)換成電能。相較于傳統(tǒng)發(fā)電方式，燃料電池的發(fā)電技術(shù)具有低污染、低噪音、高能量密度以及高能量轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)點(diǎn)，是極具前瞻性的干凈能源，更廣泛地應(yīng)用于可攜式電子產(chǎn)品、家用或廠用發(fā)電系統(tǒng)、運(yùn)輸工具、軍用設(shè)備、太空工業(yè)以及大型發(fā)電系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域。

目前發(fā)展中的燃料電池依其所使用的電解質(zhì)的差異，可將其區(qū)分為堿液型燃料電池(Alkaline?Fuel?Cell，AFC)、磷酸型燃料電池(Phosphoric?Acid?FuelCell，PAFC)、熔融碳酸鹽型燃料電池(Molten?Carbonate?Fuel?Cell，MCFC)、固態(tài)氧化物型燃料電池(Solid?Oxide?Fuel?Cell，SOFC)及質(zhì)子交換膜型燃料電池(PEMFC)等。由于這些燃料電池所使用的電極與電解質(zhì)有所差異，且受到不同操作條件的影響，故其特色與應(yīng)用會(huì)有所不同。但其中，以使用高分子質(zhì)子交換膜做為電解質(zhì)的質(zhì)子交換膜型燃料電池(PEMFC)最受矚目，主要原因在于：質(zhì)子交換膜型燃料電池與其它型的燃料電池相比，具有較高的體積能量密度并且沒有電解液泄漏的缺點(diǎn)，而且發(fā)電時(shí)操作溫度接近常溫。

目前質(zhì)子交換膜型燃料電池系統(tǒng)的單一燃料電池單元的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中燃料電池單元主要包括質(zhì)子交換膜11、觸媒層12、氣體擴(kuò)散層13以及流場板14。質(zhì)子交換膜11可將陽極產(chǎn)生的質(zhì)子傳導(dǎo)至陰極。觸媒層12內(nèi)含觸媒與高分子單體，以作為反應(yīng)產(chǎn)生的所在。氣體擴(kuò)散層13可將燃料或氧氣(空氣)傳導(dǎo)至觸媒層12，將生成物導(dǎo)出，并將觸媒層12中產(chǎn)生的電子導(dǎo)至流場板14。流場板14則將燃料或氧氣(空氣)由外部導(dǎo)入，并進(jìn)一步將電子傳導(dǎo)至外部電路。而在整個(gè)質(zhì)子交換膜型燃料電池系統(tǒng)中，由陽極/陰極觸媒層12、質(zhì)子交換膜11及氣體擴(kuò)散層13所組合而成的膜電極組(Membrane?electrode?assembly，MEA)可說是其運(yùn)作的核心，整個(gè)系統(tǒng)的性能及成本多半是由膜電極組所決定。所以相關(guān)研究已投入大量心力在改善膜電極組的性能或降低其成本，以期早日實(shí)現(xiàn)燃料電池的商業(yè)化。

而在膜電極組中，氣體擴(kuò)散層13更扮演著重要的角色。就其功能性而言，氣體擴(kuò)散層13主控著(1)燃料或氧氣(空氣)的導(dǎo)入、(2)產(chǎn)物(水)的導(dǎo)出、(3)電子的傳導(dǎo)及(4)提供膜電極組的機(jī)械強(qiáng)度支撐等效能。其中第(1)項(xiàng)與第(2)項(xiàng)功能特別重要，尤其在應(yīng)用時(shí)更需考慮下列參數(shù)或情況：

1.燃料或氧氣(空氣)的導(dǎo)入快慢，決定了膜電極組的可操作極限電流(limit?current)，而可操作極限電流對(duì)于膜電極組的性能良莠則有決定性的影響。

2.氣體擴(kuò)散層的導(dǎo)水能力對(duì)于燃料電池的水管理有很大的影響，如果水不能順利排出，那么氣體通道都被水所堵塞，那么燃料與氧氧(空氣)皆無法順利達(dá)到反應(yīng)發(fā)生的地方，例如觸媒層，則整體效率就會(huì)變差。

3.質(zhì)子交換膜在傳導(dǎo)質(zhì)子時(shí)需要水的幫助，所以如果所有生成的水都被排出，則質(zhì)子交換膜得不到所需的水，整體效率同樣不佳，尤其是在反應(yīng)初期或反應(yīng)較慢的區(qū)域。

因此如何兼顧燃料的傳導(dǎo)性、排水能力與質(zhì)子交換膜的水需求，則成為氣體擴(kuò)散層改良的重要項(xiàng)目，特別是并非整個(gè)膜電極組上的各點(diǎn)或區(qū)域都有相同反應(yīng)速度(或溫度)，使此項(xiàng)工作更形困難。

基于考慮到膜電極組上各點(diǎn)或區(qū)域具有不同的反應(yīng)速率或溫度等變化現(xiàn)象，目前技術(shù)已開始放棄過去均勻氣體擴(kuò)散層的做法，而開始在氣體擴(kuò)散層上做出例如貫穿孔的分布。然而此方法有一缺點(diǎn)，即貫穿孔的存在易使觸媒層陷落其中，減少了觸媒層與質(zhì)子交換膜的接觸，進(jìn)而降低膜電極組的效能。

此外，貫穿孔分布密度的變化是呈線性的，也就是從入口到出口的方向增大或減小，但在實(shí)際應(yīng)用的許多情況下，反應(yīng)速率并非單純隨著流道進(jìn)行方向線性增加或減少，此時(shí)若引用前述已知技術(shù)，使氣體擴(kuò)散層的貫穿孔隨著流道入口到出口的距離增加而呈線性增加，則將產(chǎn)生下述缺點(diǎn)：