[發(fā)明專利]燃料電池的電極和膜電極組件及包括它的燃料電池系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810178017.0
• 申請日: 2005-11-03
• 公開（公告）號: CN101442132A
• 公開（公告）日: 2009-05-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 金熙卓;李鐘基;金占迪;尹海權(quán);權(quán)鎬真;樸英美
• 申請（專利權(quán)）人: 三星SDI株式會社
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M4/86;H01M8/10
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務(wù)所
• 代理人: 宋 莉

本申請是中國發(fā)明申請(發(fā)明名稱：燃料電池的電極和膜電極組件及包 括它的燃料電池系統(tǒng)，申請日：2005年11月3日；申請?zhí)枺?00510131511.8) 的分案申請。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種燃料電池的電極和膜電極組件，及包括它的燃料電池 系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及一種電極，其能夠保持聚合物電解液膜的吸 濕性(moisture?hygroscopicity)在預定水平，釋放在陰極產(chǎn)生的水，從而防止 膜的孔隙被水堵塞，及快速提高電流密度。

背景技術(shù)

燃料電池是通過氧化劑和燃料如氫氣或諸如甲醇、乙醇、天然氣等的 烴-基材料的電化學氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生電能的發(fā)電系統(tǒng)。

根據(jù)所使用的電解液的種類，燃料電池可以分為磷酸型、熔融碳酸鹽 型、固體氧化物型、聚合物電解液型或堿性的燃料電池。雖然每種燃料電 池基本上按照相同的原理工作，但是可以根據(jù)電池的類型，選擇燃料的種 類、工作溫度、催化劑和電解液。

近來，已經(jīng)開發(fā)出聚合物電解液膜燃料電池(PEMFC)。它們具有優(yōu)于 常規(guī)燃料電池的功率特性，較低的工作溫度，及較快的啟動和響應(yīng)特性。 因此，PEMFC具有廣泛的應(yīng)用如汽車的可移動電源，住宅和公共建筑的分 散電源，及電子器件的小電源。

該燃料電池系統(tǒng)包括基本上發(fā)電的電池組，電池組包括至少一個發(fā)電 單元。

發(fā)電的電池組的結(jié)構(gòu)中，各自具有膜電極組件(MEA)和隔板(也稱作 “雙極板”)的幾個單元電池彼此鄰近串聯(lián)堆疊。MEA由被聚合物電解液膜分 隔的陽極(也稱作“燃料電極”或“氧化電極”)和陰極(也稱作“空氣電極”或“還 原電極”)構(gòu)成。陽極和陰極由接觸聚合物電解液膜的催化劑層和接觸催化劑 層的氣體擴散層(GDL)構(gòu)成。每個隔板包含提供燃料給陽極并提供氧化劑給 陰極的氣體流路。位于電池組最外端的隔板為端板。

隔板充當提供反應(yīng)所需的燃料和氧化劑給陽極和陰極的通道，以及串 聯(lián)每個MEA中的陰極和陽極及串聯(lián)一個MEA的陰極和鄰近MEA的陽極 的導體。

氫或燃料經(jīng)過隔板提供給陽極，氧化劑經(jīng)過隔板提供給陰極。在陽極 發(fā)生燃料的電化學氧化反應(yīng)，在陰極發(fā)生氧的電化學還原反應(yīng)，作為氧化/ 還原反應(yīng)產(chǎn)生的電子遷移的結(jié)果，產(chǎn)生了電能、熱和水分。反應(yīng)如下。

在陽極：H₂→2H⁺+2e^-或CH₃OH+H₂O→6H⁺+CO₂+6e^-

在陰極：2H⁺+1/2O₂+2e^-→H₂O

在反應(yīng)圖解中，水在陰極反應(yīng)中產(chǎn)生。因為在該區(qū)域中反應(yīng)速度較高， 所以在隔板的氧化劑入口相對產(chǎn)生較多的水。所產(chǎn)生的水應(yīng)該立即經(jīng)過出 口除去。如果沒有立即除去水，那么經(jīng)過隔板提供的氧化劑的壓力增加， 膜電極組件的聚合物電解液膜的吸濕性也增加。

通常，隨著聚合物電解液膜的吸濕性增加，質(zhì)子導電性增加。因而， 聚合物電解液膜必須包含預定水平的水分。然而，過多水分可能引起氣體 擴散層或隔板的氣流堵塞，氣體擴散從而減少，導致電池性能的惡化。因 此，為了制造具有高性能的燃料電池，聚合物電解液膜應(yīng)該安全快速地除 去過量水分，同時保持適宜的濕狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的示例性實施方案提供一種燃料電池的電極，其能夠保持聚合 物電解液膜的吸濕性在預定水平，釋放在陰極產(chǎn)生的水從而防止膜的孔隙 被水堵塞，及快速提高電流密度。本發(fā)明的另一個實施方案提供一種包括 該電極的燃料電池的膜電極組件。本發(fā)明的另一個實施方案提供一種包括 該電極的燃料電池系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案，提供一種燃料電池的電極，其包括催化 劑層和支撐該催化劑層的電極基底。該電極基底包含彼此分隔的親水區(qū)和 疏水區(qū)。

電極基底可以包含以濃度梯度存在的疏水聚合物。

該疏水聚合物具有其濃度自電極基底接觸催化劑層的表面至電極基底 的另一表面遞增的濃度梯度。

電極基底在它的表面上可以包含已構(gòu)圖的疏水聚合物層。該疏水聚合 物層可以存在于電極基底的僅一側(cè)或每一側(cè)。

電極基底可以包含釋放水的親水通道，疏水聚合物可以存在于除了親 水通道以外的區(qū)域。