[發明專利]一種改善電壓分布均一性的膜電極

有效

• 申請號: 201210513613.6
• 申請日: 2012-12-04
• 公開（公告）號: CN103855407A
• 公開（公告）日: 2014-06-11
• 發明（設計）人: 宋微;俞紅梅;邵志剛;衣寶廉
• 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
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

技術領域

本發明涉及一種能夠改善電極電壓分布均一性的電極結構，在長條形并流操作的電池中，通過憎水性的梯度分布，避免入口端增濕不足帶來的電壓偏低和出口端水淹造成的電壓衰減。

背景技術

燃料電池是一種能量轉化裝置，可以將氫能高效、清潔的轉化為電能。近年來，氫能燃料電池在世界范圍內得到大力的支持和發展，目前已經成功的示范應用于電動汽車、分布式電站、備用電源、航空等多個領域。其中，質子交換膜燃料電池以功率密度高、啟動速度快、轉換效率高、環境友好等優點受到更多的關注。

質子交換膜燃料電池的電池組通常由端板、集流板、雙極板、流場和膜電極組成，其中端板、雙極板的重量問題是影響電堆比功率的主要因素，流場的結構設計是影響電堆內部氣液分配以及長期運行穩定性的關鍵因素，而膜電極則是影響電堆輸出性能的核心部件。膜電極是由位于中間的質子交換膜和兩側的催化層、擴散層組成。膜電極中的質子交換膜負責由陽極向陰極傳導氫質子，膜的質子傳導率直接影響膜電極的歐姆電阻。常用的質子交換膜是杜邦公司生產的全氟磺酸根質子交換膜，其質子傳導率與膜的潤濕程度密切相關。膜電極中的催化層是氧還原和氫氧化兩種電化學反應發生的場所，其輸出性能由催化劑活性、物料配比以及微孔結構等決定，也需要有足夠的潤濕才能保證催化層中的質子傳導，但水量過大時，微孔堵塞也會造成性能衰減。膜電極中的擴散層是負責氣體傳輸分配和移除產物水，其孔道的憎水性和孔徑分布是影響電池性能的關鍵因素，當電池產生的水超過擴散層的除水能力時，會發生擴散層的水淹，進而阻礙氣體的傳輸，導致電壓下降。

成本、壽命、環境適應性等一直是影響燃料電池發展的幾大大關鍵問題，除此以外，電堆的均一性也越來越引起研究者的廣泛關注，電堆均一性包括各節之間的一致性，以及單片電極內部平面方向上的電壓均一性。在低溫質子交換膜燃料電池中，尤其是長條形的并流操作的電池中，其電池入口的位置，由于進氣增濕不足，膜的潤濕度往往不夠，進而造成膜的電導率偏低，形成局部的電壓偏低現象。在電池中部的位置，隨著電池反應產生的水逐漸增加，膜的潤濕程度逐漸提高，進而使膜的電導率逐漸提升，使電極的局部電壓升高。在電池出口的位置，隨著產物水的累積，會導致電極的催化層和氣體擴散層被過多的水覆蓋，造成氣體傳輸不暢，進而導致電壓降低。上述情況會導致燃料電池的電壓分布不均，造成電池均一性下降，影響輸出性能。

發明內容

本發明的目的，在于解決現有燃料電池存在的上述電極表面電壓分布不均的問題，提供一種可改善電壓均一性的膜電極結構。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：在處理擴散層中微孔層時，將微孔層從進氣端到出氣端平均分為若干個分區，每個分區分別刮涂不同PTFE濃度的漿料，實現憎水性梯度分布。在處理電極擴散層基底的憎水性時，將碳紙處理成憎水性均一的或者憎水性梯度分布的，前者將基底統一進行PTFE乳液的浸漬，后者將基底從進氣端到出氣端平均分為若干分區，每個分區分別浸漬不同濃度的PTFE，實現憎水性梯度分布。在處理電極催化層時，將催化層從進氣端到出氣端平均分為若干個分區，每個分區分別刮涂/噴涂不同PTFE濃度的漿料，實現憎水性梯度分布。最終實現現電極進氣端的憎水性低于電極出氣端，實現提高電壓均一性的目的。

本發明具有如下優點：

1.通過降低電極進氣段憎水性，改善膜的潤濕度，提高出口端憎水性，改善出口端水淹問題，進而改善電極表面電壓分布不均的問題。

2.通過改善電壓分布不均，可以提高電池整體輸出性能，提高電池運行穩定性。

附圖說明

圖1電極進氣端和出氣端示意圖；

圖2實施例1中憎水性梯度分布電極的電池性能；

圖3電壓分布探測示意圖；

圖4電壓分布曲線；

圖5憎水性梯度分布電極的電池穩定性。

具體實施方式

下面結合實例對本發明作進一步詳細說明。

本發明中催化劑為擔載量40~70wt.%Pt/C，下例采用50wt.%Pt/C；

實施例1：

碳紙憎水處理：取面積為10*30cm²的Toray?TGP-H060型碳紙，如圖1，將碳紙均勻的浸泡在2wt.%的PTFE乳液中，浸泡好的碳紙在氮氣保護下于240-340°下焙燒，實現憎水性。焙燒后PTFE占碳紙和PTFE總重量的5wt.%。