[发明专利]燃料电池组和燃料电池系统

说明书

技术领域

本公开涉及一种通过堆叠多个单元燃料电池而构成的燃料电池组，更具体地讲，涉及一种燃料效率提高且容易保持期望的反应温度的燃料电池组。

背景技术

通常，燃料电池是一种发电系统，它通过氢和氧之间的电化学反应直接将化学能转化为电能。可以向燃料电池供应纯氢，或者可以向燃料电池供应源于甲醇、乙醇、天然气的氢。可以向燃料电池系统供应纯氧，或者可以向燃料电池系统供应来自于例如由空气泵提供的空气等的氧。

在燃料电池的工作机理中，通过将诸如氢、天然气、甲醇等燃料氧化，在阳极处形成电子和氢离子。在阳极处产生的氢离子通过电解质膜移动到阴极，在阳极处产生的电子通过导线或线供应到外部电路。氢离子与通过外部电路移动到阴极的电子结合，并与氧或空气中的氧结合，从而生成水。

根据燃料电池中使用的电解质的种类，可将燃料电池分为聚合物电解质膜燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池。根据燃料电池的类型，组成部件的材料和工作温度不同。

根据燃料进料工艺，也可将燃料电池分为外部重整型和内部重整型。外部重整型燃料电池在将燃料传送到阳极之前利用燃料重整器将燃料转变为富氢气体。内部重整型燃料电池，也被称为直接燃料电池，将气体或液体燃料直接供给到阳极中。

直接燃料电池的代表性示例是直接甲醇燃料电池(DMFC)。在直接甲醇燃料电池中，将甲醇水溶液或水和甲醇的混合蒸气供应到阳极中。因为直接甲醇燃料电池不需要外部重整器并具有优良的燃料处理特性(fuel handlingproperty)，所以与其它类型的燃料电池相比，直接甲醇燃料电池可更容易被小型化。

燃料电池的单位发电元件称作膜电极组(MEA)。这里，MEA具有这样的结构，即阳极(也称作“燃料极”或“氧化电极”)和阴极(也称作“空气极”或“还原电极”)相互附着，并且在阳极和阴极之间具有能够传输氢离子的电解质膜。

直接甲醇燃料电池中涉及的MEA电化学反应包括用于氧化燃料的阳极反应和用于还原氢离子的阴极反应，如式1中所示。

式1

阳极    CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-

阴极    3/2O₂+6H⁺+6e^-→3H₂O

如式1中所示，甲醇和水相互反应，在阳极处生成二氧化碳、六个氢离子和六个电子。生成的氢离子通过氢离子传导性电解质膜移动到阴极。在阴极处，氢离子、来自外部电路的电子和氧反应生成水。直接甲醇燃料电池(DMFC)的总反应生成水和二氧化碳，与甲醇的燃烧热对应的大部分能量被转化为电能。在阳极和阴极处提供的催化剂促进这些反应。

氢离子传导性电解质膜用作在阳极处由氧化反应生成的氢离子可通过其被传递到阴极的通道。同时，氢离子传导性电解质膜用作用于使阳极和阴极分离的隔膜。

在聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)和直接甲醇燃料电池(DMFC)中，氢离子传导性聚合物电解质膜主要用作氢离子传导性电解质膜。通常，氢离子传导性聚合物电解质膜为亲水性，在存在适量水的情况下传导离子。

膜电极组(MEA)根据氢离子传导性电解质膜的种类具有各种特性，在直接甲醇燃料电池中，广泛地使用磺化四氟乙烯共聚物(sulfonatedtetrafluorethylene copolymer)(Nafion^，DuPont)类电解质膜和烃类聚合物电解质膜。

使用Nafion^类电解质膜的Nafion类膜电极组(在下文中，称作Nafion类MEA)和使用烃类聚合物电解质膜的烃类膜电极组(在下文中，称作烃类MEA)具有对应的优点和缺点。

Nafion类MEA的优点在于保持适于燃料电池反应(为放热反应)进行的温度。然而，因为由于甲醇窜透(methanol crossover)导致不能使用高浓度燃料，所以Nafion类MEA通常具有需要以单独的混合箱通过将来自于燃料电池组的排放物的水与高浓度燃料混合来生成稀释燃料的缺点。

因为甲醇窜透较低，所以烃类MEA可使用高浓度燃料，这样减小了整个系统的体积。然而，烃类MEA通常需要单独的加热装置以获得用于燃料电池反应的温度。