[發明專利]一體式可再生燃料電池膜電極組合件及其制備方法

有效

• 申請號: 201110428553.3
• 申請日: 2011-12-19
• 公開（公告）號: CN103165904A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發明（設計）人: 張華民;董明全;邱艷玲;張益寧
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

發明領域

本發明涉及燃料電池關鍵材料及其制備方法，具體涉及一種一體式可再生燃料電池膜電極組合件及其制備方法。

背景技術

燃料電池是一種將燃料的化學能直接轉變為電能的電化學裝置。它不受卡諾熱機循環的限制，能量轉換效率高，無污染、比功率大、使用壽命長，因此在航空航天，交通運輸，移動電源等領域有著廣泛的應用前景。一體式可再生燃料電池(URFC)集成了燃料電池和水電解兩種功能于一體，在一個電池中可分別實現燃料電池發電和水電解兩個過程，具有發電和能量儲存雙重功能。該電池系統高度集成，電池比功率大，系統比能量高，是一種極具發展前景的高效儲能裝置。

膜電極(MEA)是URFC燃料電池的核心部件，它是燃料和氧化劑發生電化學反應產生電能的場所，同時還是水電解產生氫氣和氧氣的場所。其性能、可靠性和穩定性的高低直接決定了燃料電池和水電解性能的優劣，高性能膜電極組合件及其制備對URFC燃料電池性能的提高和實用化進程的推進至關重要。URFC燃料電池膜電極的組成如下：它中間是離子交換膜，離子交換膜的兩側分別是陰極雙效催化層與陽極催化層，陰、陽極催化層的外側分別是陰極擴散層與陽極擴散層，該MEA合計由五層解構組成。通常，制備MEA時將帶有催化層的擴散層和離子交換膜或將擴散層和帶有催化層的離子交換膜切割到適當尺寸，五層對齊疊在一起在一定溫度和壓力下熱壓、冷卻定型形成膜電極(MEA)。MEA中只有陰、陽兩極催化層和擴散層垂直重疊的部分才是膜電極的真正有效活性面積。此外，由于單個燃料電池的電壓較低，通常要將多節單電池按壓濾機方式組合成電池組。在電池組中MEA夾在兩片雙極板中間，MEA的周邊和雙極板之間用密封材料密封?？梢?，在URFC燃料電池膜電極(MEA)內不僅有燃料和氧化劑發生電化學反應產生電能的過程，另外，在水電解時膜電極內還進行水電解產生氫氣和氧氣的過程，水電解過程產生大量的氫氣和氧氣從電極催化層內釋放出來，其對MEA的沖擊力非常大，如果MEA密封性能不好，不僅增加氫氧互竄的風險，降低電池開路，而且給MEA在電池組中的整體密封和穩定運行帶來不便。另一方面如果MEA密封區強度不高，在電池組裝過程中擴散層會形變剝離質子交換膜，電極陷入流道，堵塞物料或氧化劑在流道中的傳遞。另外在電池組裝壓緊力的作用下，膜電極邊緣密封區受應力變形、易產生微裂痕、微孔甚至大面積撕裂，降低電池的性能甚至導致電池完全失效。因此保證MEA密封可靠性對燃料電池電池組的組裝和性能來說都至關重要。