[发明专利]质子交换膜型燃料电池单元、膜电极组及气体扩散层结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于燃料电池的气体扩散层(gas diffusion layer，GDL)结构，尤指一种应用于质子交换膜型燃料电池(proton exchange membrane fuelcell，PEMFC)的气体扩散层结构。

背景技术

随着石化能源的价格高涨以及蕴藏量的耗损，能源替代方案的寻找可说是方兴未艾，而燃料电池便是颇被看好的一种替代方案。近年来，燃料电池的技术发展不论是在学理上的基础研究，抑或是商品化的应用开发上，均有长足显著的进步。而所谓的燃料电池(Fuel Cell)是一种能源直接转化装置，将燃料中所存的化学能，经由触媒及电催化的反应机制，直接转换成电能。相较于传统发电方式，燃料电池的发电技术具有低污染、低噪音、高能量密度以及高能量转换效率等优点，是极具前瞻性的干净能源，更广泛地应用于可携式电子产品、家用或厂用发电系统、运输工具、军用设备、太空工业以及大型发电系统等各个领域。

目前发展中的燃料电池依其所使用的电解质的差异，可将其区分为碱液型燃料电池(Alkaline Fuel Cell，AFC)、磷酸型燃料电池(Phosphoric Acid FuelCell，PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC)、固态氧化物型燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)及质子交换膜型燃料电池(PEMFC)等。由于这些燃料电池所使用的电极与电解质有所差异，且受到不同操作条件的影响，故其特色与应用会有所不同。但其中，以使用高分子质子交换膜做为电解质的质子交换膜型燃料电池(PEMFC)最受瞩目，主要原因在于：质子交换膜型燃料电池与其它型的燃料电池相比，具有较高的体积能量密度并且没有电解液泄漏的缺点，而且发电时操作温度接近常温。

目前质子交换膜型燃料电池系统的单一燃料电池单元的结构如图1所示，其中燃料电池单元主要包括质子交换膜11、触媒层12、气体扩散层13以及流场板14。质子交换膜11可将阳极产生的质子传导至阴极。触媒层12内含触媒与高分子单体，以作为反应产生的所在。气体扩散层13可将燃料或氧气(空气)传导至触媒层12，将生成物导出，并将触媒层12中产生的电子导至流场板14。流场板14则将燃料或氧气(空气)由外部导入，并进一步将电子传导至外部电路。而在整个质子交换膜型燃料电池系统中，由阳极/阴极触媒层12、质子交换膜11及气体扩散层13所组合而成的膜电极组(Membrane electrode assembly，MEA)可说是其运作的核心，整个系统的性能及成本多半是由膜电极组所决定。所以相关研究已投入大量心力在改善膜电极组的性能或降低其成本，以期早日实现燃料电池的商业化。

而在膜电极组中，气体扩散层13更扮演着重要的角色。就其功能性而言，气体扩散层13主控着(1)燃料或氧气(空气)的导入、(2)产物(水)的导出、(3)电子的传导及(4)提供膜电极组的机械强度支撑等效能。其中第(1)项与第(2)项功能特别重要，尤其在应用时更需考虑下列参数或情况：

1.燃料或氧气(空气)的导入快慢，决定了膜电极组的可操作极限电流(limit current)，而可操作极限电流对于膜电极组的性能良莠则有决定性的影响。

2.气体扩散层的导水能力对于燃料电池的水管理有很大的影响，如果水不能顺利排出，那么气体通道都被水所堵塞，那么燃料与氧氧(空气)皆无法顺利达到反应发生的地方，例如触媒层，则整体效率就会变差。

3.质子交换膜在传导质子时需要水的帮助，所以如果所有生成的水都被排出，则质子交换膜得不到所需的水，整体效率同样不佳，尤其是在反应初期或反应较慢的区域。

因此如何兼顾燃料的传导性、排水能力与质子交换膜的水需求，则成为气体扩散层改良的重要项目，特别是并非整个膜电极组上的各点或区域都有相同反应速度(或温度)，使此项工作更形困难。

基于考虑到膜电极组上各点或区域具有不同的反应速率或温度等变化现象，目前技术已开始放弃过去均匀气体扩散层的做法，而开始在气体扩散层上做出例如贯穿孔的分布。然而此方法有一缺点，即贯穿孔的存在易使触媒层陷落其中，减少了触媒层与质子交换膜的接触，进而降低膜电极组的效能。

此外，贯穿孔分布密度的变化是呈线性的，也就是从入口到出口的方向增大或减小，但在实际应用的许多情况下，反应速率并非单纯随着流道进行方向线性增加或减少，此时若引用前述已知技术，使气体扩散层的贯穿孔随着流道入口到出口的距离增加而呈线性增加，则将产生下述缺点：