[發明專利]燃料電池膜電極的活化方法

有效

• 申請號: 200610090751.2
• 申請日: 2006-06-30
• 公開（公告）號: CN101098009A
• 公開（公告）日: 2008-01-02
• 發明（設計）人: 楊新勝;董俊卿
• 申請（專利權）人: 比亞迪股份有限公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M8/02
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司
• 代理人: 王鳳桐;魏振華

技術領域

本發明是關于一種膜電極的活化方法，更具體地說，是關于一種燃料電池膜電極的活化方法。

背景技術

燃料電池是一種能量轉換裝置，它按電化學原理，把貯存在燃料(如氫氣、低級醇等)和氧化劑(氧氣)內的化學能轉化成電能。燃料電池具有能量轉換率高、環境友好等優點，而質子交換膜燃料電池(Proton?ExchangeMembrane?Fuel?Cell，PEMFC)更具有可低溫運行、比功率高等優點，是一種廣泛應用的新型動力源。

以甲醇作為燃料的燃料電池的陽極反應和陰極反應的反應式分別如反應式(1)和(2)所示，在陰極上用作氧化劑的氧氣通常來自空氣。與以氫氣作為燃料的燃料電池相同，將陽極產生的質子轉移到陰極的離子傳導需要通過膜電極的質子交換膜來完成。

CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-????(1)

3/2O₂+6H⁺+6e^-→3H₂O???????(2)

膜電極(Membrane?Electrode?Assembly，MEA)是燃料電池的核心部件，是燃料和氧化劑發生電化學反應產生電能的部位。如圖1所示，膜電極包括陽極1，陰極2及位于陽極1和陰極2之間的質子交換膜3，陽極1包括陽極氣體擴散層6、陽極催化層7，陽極催化層7位于陽極氣體擴散層6和質子交換膜3之間，陰極2包括陰極氣體擴散層8、陰極催化層9，陰極催化層9位于陰極氣體擴散層8和質子交換膜3之間。

為了使燃料電池能達到或快速達到最佳工作狀態，并提高膜電極中催化劑的利用率，一般都需要對燃料電池的膜電極進行活化。膜電極的催化層是燃料電池反應的核心區域，而陰極催化層又是反應最復雜的地方，因為在陰極不僅有反應氣向電極內傳輸，還有產物水向外排出，如果反應氣不能充分地滿足反應的需要，或者產物水不能及時排出，都會在很大程度上影響反應的效率，使燃料電池無法達到滿意的功率輸出。實際上，在制備膜電極的過程中，膜電極的結構并沒有達到最優化。這是因為：(1)催化層一般由全氟磺酸(nafion)和催化劑兩種主要物質組成，全氟磺酸(nafion)起傳導質子以及粘接催化劑的作用。在兩者的混合過程中，會有部分催化劑的活性表面被全氟磺酸(nafion)覆蓋，使陽極反應氣無法達到催化劑表面。(2)在催化劑/全氟磺酸(nafion)漿料的涂布過程中，隨著溶劑的揮發可以使催化劑表面產生一定量的空隙，這些空隙的存在有利于氣體的傳輸。但在催化層的制備過程中，往往需要多次涂布才能達到需要的催化劑載量，因此有一部分空隙會在涂布過程中被堵塞，在催化劑表面形成了封閉孔和半封閉孔，而陽極的反應氣很難進到這些孔內與催化劑接觸。(3)在膜電極的熱壓過程中，由于催化層被壓縮，也會封閉一些孔。反應氣主要是依靠膜電極內部的孔向內傳輸的，但是由于上述問題使催化層的孔被封閉導致催化層的空隙率降低，增加了陽極反應氣的傳輸障礙，使得陽極反應氣無法完全被催化劑催化并與陰極燃料反應，造成燃料電池無法達到理想的功率輸出。改善這一問題的重要方法之一是優化膜電極的孔結構，對燃料電池的膜電極進行活化，使氣體傳輸順利進行。

對燃料電池的膜電解進行活化的一般方法為采用大電流強制放電的方法對燃料電池的膜電極進行活化。即通過對燃料電池施加電流密度大于1200毫安/厘米²的電流，來實現膜電極的活化。這種活化方法的原理是：在高電流密度下，生成水的量相應增大，產物水向外擴散，可以改善陰極的孔結構，使水和氣體的傳導更加順暢；產物水也向陽極進行反擴散，使質子膜的水合程度提高，在降低內阻的同時，可以降低質子傳導阻抗。但這種方法也存在一定缺點，如，此方法的控制比較復雜，因為，在大電流放電的過程中，膜電極溫度升高較快，雖然隨著水的反擴散量的增加，電池內阻變化不大，但是一旦電流密度下降，電池溫度可能過高，在散熱不及時的情況下，容易造成質子膜的脫水，膜電極內阻急劇升高，導致膜電極的性能下降，影響活化效果。因此該方法需要嚴格地控制膜電極的溫度與內阻的平衡。另外，膜電極在大電流工作時，陰極催化層容易積累大量水，造成催化層的“水淹”，雖然在降低電流密度時，“水淹”現象可以得到改善，但催化層內的結構并不能處于最佳狀態，大量的水影響了氣體的傳導，所以這種方法的活化效率很有限。