專利名稱：燃料電池的膜電極組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池，更具體地涉及一種燃料電池的MEA(membrane electrode assembly，膜電極組)，其能夠促進燃料電極(正極)和空氣電極(負極)上發(fā)生的電化學氧化和還原反應(yīng)，其中在該燃料電極中提供燃料，在該空氣電極中提供空氣。
背景技術(shù)：
人們提出了用燃料電池作為礦物燃料的替代品。在燃料電池中，持續(xù)提供含氫的燃料，同時持續(xù)提供含氧的空氣，氫和氧進行電化學反應(yīng)，從而使反應(yīng)前后的能量差直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?br>
根據(jù)燃料的種類、工作溫度及催化劑等，燃料電池可分為多種類型。
圖1和圖2示出一種燃料電池的實例。如圖1和圖2所示，在該燃料電池中，MEA(膜電極組)200插在一對雙極板100之間。內(nèi)部流動流體的開口槽110、120分別形成在雙極板100的兩側(cè)或一側(cè)。用于使流體流入/流出開口槽110、120的流入路徑130、140和流出路徑150、160分別形成在雙極板100的兩側(cè)。在MEA 200中，與燃料接觸的燃料電極(正極)220形成在具有特定面積的電解質(zhì)膜210的一側(cè)，與空氣接觸的空氣電極(負極)230形成在電解質(zhì)膜210的另一側(cè)。
利用開口槽110、120，內(nèi)部流動燃料的燃料路徑和內(nèi)部流動空氣的空氣路徑分別形成在MEA 200的兩側(cè)。這里，燃料電極220設(shè)置在燃料側(cè)開口槽410、110上，空氣電極230設(shè)置在空氣側(cè)開口槽420、120上。
在上述燃料電池中，當燃料流進一個雙極板100的流入路徑130時，空氣同時流進另一雙極板100的流入路徑140。流入路徑130中的燃料流過開口槽110，再經(jīng)流出路徑150排出。流入路徑140中的空氣流過開口槽120，再經(jīng)流出路徑160排出。經(jīng)流出路徑150排出的燃料借助附加裝置流進流入路徑130并循環(huán)。
在使燃料在開口槽110中流動的過程中，在MEA 200的與開口槽110接觸的燃料電極220上發(fā)生電化學氧化反應(yīng)，氫離子經(jīng)電解質(zhì)膜210移動至空氣電極230，電子經(jīng)將燃料電極220與空氣電極230相連接的負載(未示出)移動至空氣電極230。同時，當空氣在開口槽中流動時，在MEA的與開口槽120接觸的空氣電極230上發(fā)生電化學還原反應(yīng)，氫離子與氧結(jié)合，從而產(chǎn)生水、反應(yīng)熱和其它副產(chǎn)品。通過持續(xù)該過程，電子從正極(燃料電極)經(jīng)負載移動至負極(空氣電極)，從而產(chǎn)生電能。
發(fā)生氧化和還原反應(yīng)的燃料電池的燃料電極220和空氣電極230通常構(gòu)造為催化劑電極，其具有用于活化反應(yīng)的催化劑。
標號300表示集流板(collector plate)。
圖3示出根據(jù)傳統(tǒng)技術(shù)的燃料電池的MEA。如圖3所示，在燃料電池的MEA中，催化劑層221、231分別涂覆在具有特定厚度和矩形面積的電解質(zhì)膜210兩側(cè)，涂層222、232分別涂覆在催化劑層221、231上。形成在電解質(zhì)膜210一側(cè)的催化劑層221和涂層222構(gòu)成燃料電極，形成在電解質(zhì)膜210另一側(cè)的催化劑層231和涂層232構(gòu)成空氣電極。
在該結(jié)構(gòu)中，當燃料和空氣分別流經(jīng)開口槽110、120時，在MEA的燃料電極220和空氣電極230上發(fā)生氧化和還原反應(yīng)的同時，燃料的反應(yīng)被催化劑層221的催化反應(yīng)所活化，氫離子經(jīng)電解質(zhì)膜210移動至空氣電極230。這里，在使用諸如NaBH4、KBH4、LiAlH4、KH和NaH等氫形成劑溶解在堿性水溶液中而形成的燃料時，由于該燃料是電解質(zhì)溶液，所以與氫離子一起產(chǎn)生的電子經(jīng)電解質(zhì)溶液和雙極板100移動至空氣電極230。
但是，在該傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，當通過燃料電極220的催化劑層221的催化反應(yīng)產(chǎn)生的氫離子經(jīng)涂層222、催化劑層221和電解質(zhì)膜210移動至空氣電極230時，由于燃料電極220的催化劑層221涂覆在電解質(zhì)膜210上，因此所涂覆的催化劑層221擾亂了氫離子經(jīng)電解質(zhì)膜210朝向空氣電極230的移動，離子作用(催化作用)僅在催化劑層221的一側(cè)上產(chǎn)生，相反，在與電解質(zhì)膜210接觸的一側(cè)上不產(chǎn)生離子作用，從而降低了電流產(chǎn)生效率。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種燃料電池的MEA(膜電極組)，其能夠通過促進燃料電極和空氣電極上發(fā)生的電化學氧化和還原反應(yīng)來提高電流產(chǎn)生效率，其中該燃料電極中提供燃料，該空氣電極中提供空氣。
為了達到上述目的，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的MEA包括作為離子轉(zhuǎn)移介質(zhì)的電解質(zhì)膜，置于具有燃料側(cè)開口槽的雙極板與具有空氣側(cè)開口槽的雙極板之間，燃料在該燃料側(cè)開口槽中流動，空氣在該空氣側(cè)開口槽中流動，從而該電解質(zhì)膜與該燃料側(cè)開口槽形成燃料路徑，并與該空氣側(cè)開口槽形成空氣路徑；以及催化劑電極，插入該燃料側(cè)開口槽中并與該電解質(zhì)膜相分離，從而利用該催化劑電極的兩側(cè)形成燃料路徑，并引發(fā)燃料的反應(yīng)。
附圖是用以提供對于本發(fā)明的進一步理解，而且包含在說明書中并構(gòu)成說明書的一部分，附圖示出了本發(fā)明的實施例，并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。
在附圖中圖1為示出常用燃料電池的剖視圖；圖2為示出常用燃料電池的分解透視圖；圖3為示出根據(jù)傳統(tǒng)技術(shù)的燃料電池的MEA(膜電極組)的剖視圖；圖4為示出根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的MEA的剖視圖；圖5為示出根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的MEA的催化劑電極的立體圖；圖6和圖7為分別示出根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的MEA的催化劑電極的改型的立體圖；圖8為示出根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的MEA的工作狀態(tài)的剖視圖。
具體實施例方式
以下參照
本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
圖4為示出根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的MEA(膜電極組)的前剖視圖。
如圖4所示，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的MEA包括作為離子轉(zhuǎn)移介質(zhì)的電解質(zhì)膜500，其設(shè)置在具有燃料側(cè)開口槽410的雙極板400與具有空氣側(cè)開口槽420的雙極板400之間，其中燃料在燃料側(cè)開口槽410中流動，空氣在空氣側(cè)開口槽420中流動，從而該電解質(zhì)膜500與燃料側(cè)開口槽410形成燃料路徑，并與空氣側(cè)開口槽420形成空氣路徑；以及催化劑電極510，其插入燃料側(cè)開口槽410中并與電解質(zhì)膜500相分離，從而利用催化劑電極510的兩側(cè)形成燃料路徑，并引發(fā)燃料的電化學反應(yīng)。
在雙極板400中，具有特定深度和面積的燃料側(cè)開口槽410形成在具有特定厚度的矩形板430一側(cè)，燃料流進/流出燃料側(cè)開口槽410的流入路徑440和流出路徑450形成在板430上，空氣流進/流出空氣側(cè)開口槽420的流入路徑460和流出路徑470形成在板430上。燃料側(cè)開口槽410、流入路徑440和流出路徑450分別與空氣側(cè)開口槽420、流入路徑460和流出路徑470具有相同的形狀。
燃料側(cè)開口槽410的底部是平的。此外，作為改型，直通(straight)路徑可形成在燃料側(cè)開口槽410的底部上。
電解質(zhì)膜500形成為與雙極板400尺寸相似的金屬片。
電解質(zhì)膜500位于兩個雙極板400之間。
通過這對雙極板中的一個雙極板400的燃料側(cè)開口槽410以及電解質(zhì)膜500面向燃料側(cè)開口槽410的一側(cè)，形成內(nèi)部流動燃料的燃料路徑；通過這對雙極板中的另一個雙極板的空氣側(cè)開口槽420以及電解質(zhì)膜500的另一側(cè)，形成內(nèi)部流動空氣的空氣路徑。
催化劑電極510形成為具有特定厚度和面積。催化劑電極510插入由電解質(zhì)膜500和燃料側(cè)開口槽410形成的燃料路徑中，并與電解質(zhì)膜500相分離。通過將催化劑電極510插入燃料側(cè)開口槽410中，由燃料側(cè)開口槽410和電解質(zhì)膜500形成的燃料路徑在以催化劑電極510為中心的兩側(cè)都具有路徑。
如圖5所示，在催化劑電極510的一種改型中，催化劑電極510形成為具有特定厚度和面積的波紋形，從而增加與燃料的接觸面積。催化劑電極510具有特定厚度和多個半球形上下連接的截面，而沿長度方向形成波紋。另外，多個通孔(H)可以形成在催化劑電極510的兩端或內(nèi)部。
如圖6所示，在催化劑電極510的另一種改型中，催化劑電極510形成為具有特定厚度和面積的彎折形(folded shape)，從而增加與燃料的接觸面積。催化劑電極510具有特定厚度，其截面形成為鋸齒形，而在截面中沿長度方向形成彎折(fold)。另外，多個通孔(H)可以形成在催化劑電極510的兩端或內(nèi)部。
如圖7所示，在催化劑電極510的再一種改型中，其截面沿長度方向形成為矩形。另外，多個通孔(H)可以形成在催化劑電極510的兩端或內(nèi)部。
催化劑電極510是由纖維材料制成的，更具體地說，是由鎳微纖維材料制成的。
在另一實施例中，催化劑電極510可由儲氫合金制成。
燃料優(yōu)選為具有氫形成劑的電解質(zhì)溶液。
空氣側(cè)開口槽420上的空氣電極520附著于電解質(zhì)膜500上。更具體地說，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似，為了使空氣電極520置于空氣側(cè)開口槽420上，上面涂覆了催化劑的催化劑層521和用于覆蓋催化劑層521的涂層522形成在電解質(zhì)膜500的一側(cè)。
空氣電極520可單獨制造并插入空氣側(cè)開口槽420中，并與電解質(zhì)膜500相分離。
燃料側(cè)開口槽410的底部是平的。
多個雙極板400和電解質(zhì)膜500通過附加組合裝置而組合起來，雙極板400的數(shù)量可以是兩個(一對)或不少于兩個。當具有一對雙極板400時，燃料側(cè)開口槽410、流入路徑440和流出路徑450形成在一個雙極板400的一側(cè)，空氣側(cè)開口槽420、流入路徑460和流出路徑470形成在另一雙極板400的一側(cè)。
以下說明根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的MEA的工作。
下面說明使用諸如NaBH4、KBH4、LiAlH4、KH和NaH等氫形成劑溶解在堿性水溶液中而形成燃料的情況。當燃料流進一個雙極板400的流入路徑440時，空氣同時流進另一雙極板400的流入路徑460。
流進流入路徑440的燃料流經(jīng)由燃料側(cè)開口槽410和電解質(zhì)膜500形成的燃料路徑，同時與插入燃料側(cè)開口槽410的催化劑電極510的兩側(cè)、即催化劑電極510的整個表面相接觸。這里，當通過催化劑電極510在燃料中發(fā)生電化學氧化反應(yīng)時，產(chǎn)生氫離子和電子，電子移動至空氣電極520，而氫離子經(jīng)作為電解液的燃料和電解質(zhì)膜500移動至空氣電極520。
同時，當流入路徑460中的空氣流經(jīng)由空氣側(cè)開口槽420和電解質(zhì)膜500形成的空氣路徑時，在電解質(zhì)膜500的空氣電極520上發(fā)生氫離子和氧的電化學還原反應(yīng)。
通過燃料路徑的燃料經(jīng)流出路徑450流出，通過空氣路徑的空氣經(jīng)空氣側(cè)流出路徑470流出，通過燃料側(cè)流出路徑450的燃料借助附加裝置流進流入路徑440，從而反復(fù)進行循環(huán)過程。
如圖8所示，在該過程中，因為催化劑電極510與電解質(zhì)膜500相分離并置于燃料側(cè)開口槽410上，所以催化劑電極510的兩側(cè)、即催化劑電極510的整個表面與燃料接觸，從而可在更寬廣的面積上產(chǎn)生催化作用。另外，因為催化劑電極510與電解質(zhì)膜500相分離并置于燃料側(cè)開口槽410上，所以由催化劑電極510產(chǎn)生的氫離子可經(jīng)電解質(zhì)膜500的整個面積移動至空氣電極，而不會被由催化劑電極510產(chǎn)生的氫離子擾亂，從而可增加氫離子的可移動區(qū)域。
另外，當催化劑電極510形成為波紋形或彎折形時，催化劑電極510與燃料之間的接觸面積增加。此外，當催化劑電極510形成為波紋形或彎折形時，由波紋或彎折形成燃料流動路徑，則無需在燃料側(cè)開口槽410的底部上形成附加路徑。
工業(yè)實用性如上所述，在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的MEA(膜電極組)中，通過增加燃料與發(fā)生電化學氧化反應(yīng)的催化劑電極之間的接觸面積而發(fā)生催化反應(yīng)，能夠活化離子生成，其中氫離子移動至空氣電極的區(qū)域、即電解質(zhì)膜上的區(qū)域增加，氫離子的遷移性提高，因此能夠進一步活化空氣電極上的反應(yīng)，從而能夠提高電能的產(chǎn)生效率。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池的膜電極組，包括作為離子轉(zhuǎn)移介質(zhì)的電解質(zhì)膜，置于具有燃料側(cè)開口槽的雙極板與具有空氣側(cè)開口槽的雙極板之間，燃料在該燃料側(cè)開口槽中流動，空氣在該空氣側(cè)開口槽中流動，從而該電解質(zhì)膜與該燃料側(cè)開口槽形成燃料路徑，并與該空氣側(cè)開口槽形成空氣路徑；以及催化劑電極，插入該燃料側(cè)開口槽中并與該電解質(zhì)膜相分離，從而利用該催化劑電極的兩側(cè)形成燃料路徑，并引發(fā)燃料的反應(yīng)。
2.如權(quán)利要求1所述的膜電極組，其中該催化劑電極形成為具有特定厚度和面積的波紋形，以增加與燃料的接觸面積。
3.如權(quán)利要求2所述的膜電極組，其中該催化劑電極具有特定厚度和多個半球形上下連接的截面。
4.如權(quán)利要求1所述的膜電極組，其中該催化劑電極形成為具有特定厚度和面積的彎折形，以增加與燃料的接觸面積。
5.如權(quán)利要求4所述的膜電極組，其中該催化劑電極具有特定厚度和鋸齒形的截面。
6.如權(quán)利要求4所述的膜電極組，其中該催化劑電極具有特定厚度，而且其截面沿長度方向形成為矩形。
7.如權(quán)利要求1所述的膜電極組，其中該催化劑電極由纖維材料制成。
8.如權(quán)利要求1所述的膜電極組，其中該催化劑電極由鎳微纖維材料制成。
9.如權(quán)利要求1所述的膜電極組，其中燃料是具有氫形成劑的電解質(zhì)溶液。
10.如權(quán)利要求1所述的膜電極組，其中該催化劑電極由儲氫合金制成。
11.如權(quán)利要求1所述的膜電極組，其中位于該空氣側(cè)開口槽上的空氣電極附著在該電解質(zhì)膜上或者與該電解質(zhì)膜分離。
全文摘要
一種燃料電池的膜電極組包括作為離子轉(zhuǎn)移介質(zhì)的電解質(zhì)膜(500)，設(shè)置于具有燃料側(cè)開口槽(410)的雙極板(400)與具有空氣側(cè)開口槽(420)的雙極板(400)之間，燃料在該燃料側(cè)開口槽(410)中流動，空氣在該空氣側(cè)開口槽(420)中流動，從而該電解質(zhì)膜與該燃料側(cè)開口槽(410)形成燃料路徑，并與該空氣側(cè)開口槽(420)形成空氣路徑；以及催化劑電極(510)，插入該燃料側(cè)開口槽中并與該電解質(zhì)膜(500)相分離，從而利用該催化劑電極(510)的兩側(cè)形成燃料路徑，并引發(fā)燃料的電化學氧化，通過在提供了燃料的燃料電極和提供了空氣的空氣電極上產(chǎn)生活化作用，能夠提高電流產(chǎn)生效率。
文檔編號H01M8/06GK1879245SQ200380110792
公開日2006年12月13日 申請日期2003年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月5日
發(fā)明者趙太憙, 樸明碩, 崔弘, 金奎晸, 李明浩, 金哲歡, 黃龍俊, 高承兌, 許成根 申請人:Lg電子株式會社