[发明专利]电场-膜电极组合结构的燃料电池装置及其可逆式再生氢氧电解装置

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池应用领域，尤其涉及一种电场-膜电极组件(E-field MEA)结构的燃料电池装置及其可逆式再生氢氧电解装置。

背景技术

燃料电池是一种将氢和氧的化学能，通过电极反应直接转换成电能的 装置。这种装置的最大特点是由于反应过程中不涉及到燃烧，因此其能量转 换效率不受“卡诺循环”的限制，其能量转换率高达60％～80％，实际使用效 率则是普通内燃机的2～3倍。另外，它还具有燃料多样化、排气干净、噪 音低、环境污染小等优点。

当前燃料电池结构是由“阳极-电解质-阴极”所组成的三合一组件MEA (Membrane Electrode Assembly)。电解质的类型决定了燃料电池的工作温 度，而电极上所采用的催化剂是促进燃料剂与氧化剂的电化学反应速率。按 电解质划分，燃料电池大致可分为六种：碱性燃料电池(AFC)、质子交换 膜燃料电池(PEMFC)、甲醇燃料电池(DMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、 熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。

其中甲醇燃料电池(DMFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极和 阳极的催化材料是铂，当前工艺是将很小的Pt金属粒子担载在具有良好分 散性的碳粉表面，使Pt用量降低到0.2mg/cm²-0.1mg/cm²，极大降低了燃料 电池的成本。但是由于阴极和阳极的催化材料铂用量的减少，使得甲醇燃料 电池(DMFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)的功率密度在长期工作时 稳定性不好，造成发电效率逐渐下降，工作寿命缩短。

以下结合附图进一步说明现有技术的原理与不足。现有燃料电池基本结 构由“阳极-电解质-阴极”所组成的三合一组件MEA，以及工作原理参看图1、 图2所示。其中，(a)、(b)分别代表酸性和碱性电解质(PEM)燃料电池。

参看附图1、图2中，1.0为电解质；2.0为阳极；3.0为阴极。其中电解 质1.0包含有电解层1.1、催化层1.2与催化层1.3。7.0是外负载。电解层与 催化层分别与阳极2.0、阴极3.0的交界面紧密交接。阳极2.0与阴极3.0分 别有阳极导流槽2.1与阴极导流槽3.1。

酸性电解质(PEM)燃料电池的阴阳极反应和电子流：

阳极：2H₂→4H⁺+4e^-

阴极：O₂+4e^-+4H⁺→2H₂O

碱性电解质(AFC)燃料电池的阴阳极反应和电子流：

阳极：2H₂+4OH^-→4H₂O+4e^-

阴极：O₂+4e^-+2H₂O→4OH^-

由“阳极-电解质-阴极”所组成的燃料电池，其影响电压降的主要原因有： 活化损失、燃料的穿透和内部短路电流、欧姆损失、传质或浓度损失。

如在一个质子交换膜(PEM)燃料电池中，酸性电解质与阴阳电极总有 连续的电子流流向电解质或从电解质流出，形成活化损失。质子交换膜 (PEM)电解质是离子传导型电解质，但它总是可以发生少量的电子传导， 以及氢分子从阳极通过电解质渗漏到阴极，在阴极与氧反应，形成燃料的穿 透和内部短路电流。而欧姆损失是电极的电阻和质子交换膜(PEM)电解质 中离子流动遇到的阻力。

发明内容

为了克服现有“阳极-电解质-阴极”所组成的燃料电池装置，无法减少活 化损失、燃料的穿透和内部短路电流、欧姆损失，来提高燃料电池的性能。 本发明提供一种“电场-膜电极(E-field MEA)组合结构的燃料电池装置”，该电 场-膜电极(E-field MEA)组合结构的燃料电池装置，能有效的减少活化损失、 燃料的穿透和内部短路电流、欧姆损失。本发明的进一步目的是提供这种电 场-膜电极组合结构的燃料电池装置，以及在可逆式再生氢氧电解装置中的 应用。

实现本申请第一个发明任务的技术方案是：