[發明專利]電場-膜電極組合結構的燃料電池裝置及其可逆式再生氫氧電解裝置

有效

• 申請號: 200910031035.0
• 申請日: 2009-04-22
• 公開（公告）號: CN101540409A
• 公開（公告）日: 2009-09-23
• 發明（設計）人: 郭建國;毛星原
• 申請（專利權）人: 郭建國;毛星原
• 主分類號: H01M8/08
• 分類號: H01M8/08;H01M8/10;H01M8/04;H01M8/24;H02J7/00;C25B1/04;C25B9/10
• 代理公司: 南京知識律師事務所
• 代理人: 栗仲平

技術領域

本發明涉及燃料電池應用領域，尤其涉及一種電場-膜電極組件(E-field MEA)結構的燃料電池裝置及其可逆式再生氫氧電解裝置。

背景技術

燃料電池是一種將氫和氧的化學能，通過電極反應直接轉換成電能的 裝置。這種裝置的最大特點是由于反應過程中不涉及到燃燒，因此其能量轉 換效率不受“卡諾循環”的限制，其能量轉換率高達60％～80％，實際使用效 率則是普通內燃機的2～3倍。另外，它還具有燃料多樣化、排氣干凈、噪 音低、環境污染小等優點。

當前燃料電池結構是由“陽極-電解質-陰極”所組成的三合一組件MEA (Membrane?Electrode?Assembly)。電解質的類型決定了燃料電池的工作溫 度，而電極上所采用的催化劑是促進燃料劑與氧化劑的電化學反應速率。按 電解質劃分，燃料電池大致可分為六種：堿性燃料電池(AFC)、質子交換 膜燃料電池(PEMFC)、甲醇燃料電池(DMFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、 熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)。

其中甲醇燃料電池(DMFC)、質子交換膜燃料電池(PEMFC)陰極和 陽極的催化材料是鉑，當前工藝是將很小的Pt金屬粒子擔載在具有良好分 散性的碳粉表面，使Pt用量降低到0.2mg/cm²-0.1mg/cm²，極大降低了燃料 電池的成本。但是由于陰極和陽極的催化材料鉑用量的減少，使得甲醇燃料 電池(DMFC)、質子交換膜燃料電池(PEMFC)的功率密度在長期工作時 穩定性不好，造成發電效率逐漸下降，工作壽命縮短。

以下結合附圖進一步說明現有技術的原理與不足。現有燃料電池基本結 構由“陽極-電解質-陰極”所組成的三合一組件MEA，以及工作原理參看圖1、 圖2所示。其中，(a)、(b)分別代表酸性和堿性電解質(PEM)燃料電池。

參看附圖1、圖2中，1.0為電解質；2.0為陽極；3.0為陰極。其中電解 質1.0包含有電解層1.1、催化層1.2與催化層1.3。7.0是外負載。電解層與 催化層分別與陽極2.0、陰極3.0的交界面緊密交接。陽極2.0與陰極3.0分 別有陽極導流槽2.1與陰極導流槽3.1。

酸性電解質(PEM)燃料電池的陰陽極反應和電子流：

陽極：2H₂→4H⁺+4e^-

陰極：O₂+4e^-+4H⁺→2H₂O

堿性電解質(AFC)燃料電池的陰陽極反應和電子流：

陽極：2H₂+4OH^-→4H₂O+4e^-

陰極：O₂+4e^-+2H₂O→4OH^-

由“陽極-電解質-陰極”所組成的燃料電池，其影響電壓降的主要原因有： 活化損失、燃料的穿透和內部短路電流、歐姆損失、傳質或濃度損失。

如在一個質子交換膜(PEM)燃料電池中，酸性電解質與陰陽電極總有 連續的電子流流向電解質或從電解質流出，形成活化損失。質子交換膜 (PEM)電解質是離子傳導型電解質，但它總是可以發生少量的電子傳導， 以及氫分子從陽極通過電解質滲漏到陰極，在陰極與氧反應，形成燃料的穿 透和內部短路電流。而歐姆損失是電極的電阻和質子交換膜(PEM)電解質 中離子流動遇到的阻力。

發明內容

為了克服現有“陽極-電解質-陰極”所組成的燃料電池裝置，無法減少活 化損失、燃料的穿透和內部短路電流、歐姆損失，來提高燃料電池的性能。 本發明提供一種“電場-膜電極(E-field?MEA)組合結構的燃料電池裝置”，該電 場-膜電極(E-field?MEA)組合結構的燃料電池裝置，能有效的減少活化損失、 燃料的穿透和內部短路電流、歐姆損失。本發明的進一步目的是提供這種電 場-膜電極組合結構的燃料電池裝置，以及在可逆式再生氫氧電解裝置中的 應用。

實現本申請第一個發明任務的技術方案是：