[发明专利]燃料电池组件

说明书

本发明涉及用于燃料电池中的组件(assembly)，并且更具体地， 涉及具有独特构造的膜电极组件(membrane electrode assembly)。

燃料电池是包括两个被电解质分隔开的催化电极(catalysed electrode)的电化学电池。将燃料特别是氢(包括含氢的“重整产物”) 或者甲醇供给阳极(anode)，而诸如氧气或空气的氧化剂则供给阴极 (cathode)。在电极处发生电化学反应，燃料和氧化剂的化学能转化为电 能和热。燃料电池是清洁高效的动力源，并且可以替代传统的动力源， 例如固定和机动车应用中的内燃机(包括燃气轮机)或便携式用电设备中 的储能电池组(energy storage battery)。目前，市场上燃料电池堆的第 一大应用是作为高端船只(high-end boat)和休闲交通工具的辅助动力 源。对燃料电池的广泛研究仍在继续，并且用燃料电池作为电池替代物 在膝上电脑、移动电话和类似的小型电子装置上提供更高能量密度的动 力源仍在讨论中。

燃料电池的基本类型是聚合物电介质膜(PEM)电池。在这种电池中， 电解质是电绝缘但具有离子传导性的固体聚合物膜。虽然正在研究许多 其他类型的膜，但是通常使用基于全氟磺酸材料的质子传导膜。阳极处 产生的质子跨膜传输到阴极，在该处它们与氧结合产生水。

PEM燃料电池的主要部件是膜电极组件(MEA)，而目前水平的MEA 具有5层。中心层是聚合物膜，该膜的任一侧上为电催化剂层，且根据 阳极和阴极的不同要求对所述电催化剂层进行定制。最后，邻近每一催 化剂层的是气体扩散基材(substrate)。该气体扩散基材必须允许反应物到 达所述电催化剂层，并且也必须传导电化学反应产生的电流。因此，所 述基材必须是多孔且导电的。这些部件结合并密封在一起形成MEA， 其与分布燃料和氧化剂气体并除水的刚性流场板(flow field plate)一起 构成完整的电池。多个包括MEA及其相关流场板的电池组装在一起形 成燃料电池堆(fuel cell stack)。

所述MEA可通过本领域公知的多种方法进行组装。可将电催化剂 (“催化剂”)层施加到气体扩散基材，以形成气体扩散电极。在膜两侧上 放置两个这种电极并层压在一起。另一种方法是在膜的两侧上涂覆两种 催化剂以形成催化剂涂覆的膜(CCM)，对该催化剂涂覆膜的两面上施加 气体扩散基材，随后层压。再一种方法是组合方法，使用具有气体扩散 基材的一侧催化剂涂覆的膜，并且在所述膜的另一侧上具有气体扩散电 极。

尽管在MEA和燃料电池上有了常规进展，但是仍然需要如下替换 性的构造：其提供进一步的效率，并且也满足进一步降低燃料电池堆成 本和/或尺寸的需要。

本发明了提供了MEA，包括：

(i)具有第一面和第二面的中心第一传导性(conductive)气体扩散基 材；

(ii)第一和第二催化剂层，每一催化剂层均具有第一和第二面，其 中第一催化剂层的第一面与所述气体扩散基材的所述第一面接触，且所 述第二催化剂层的所述第一面与所述气体扩散基材的所述第二面接触；

(iii)第一和第二电解质层，每一电解质层均具有第一和第二面，其 中第一电解质层的第一面与所述第一催化剂层的第二面接触，且第二电 解质层的第一面与所述第二催化剂层的第二面接触；

(iv)第三和第四催化剂层，每一催化剂层均具有第一和第二面，其 中第三催化剂层的第一面与所述第一电解质层的第二面接触，且第四催 化剂层的第一面与所述第二电解质层的第二面接触；以及

(v)第一和第二多孔集电流装置，每一装置均具有低于400μm的厚 度，且均具有第一和第二面，其中第一集电流装置的第一面与所述第一 催化剂层的第二面接触，且第二集电流装置的第一面与所述第四催化剂 层的第二面接触。

能够很容易看出这种MEA相当于一对常规MEA，但是部件更少。

在设计上，所述中心气体扩散基材既可以是平面的(planar)也可以是 管状的。图1显示了平面结构的例子，而图2是管状结构的例子。在两 幅图中，(1)为中心气体扩散基材。中心气体扩散基材的每一面都施加有 催化剂涂覆的膜(2)。该催化剂涂覆的膜由第一和第二电解质(3)、第一和 第二催化剂层(4)和第三和第四催化剂层(5)构成。对每一催化剂层(5)施 加集电流装置(6)。