[發明專利]一種改善質子交換膜燃料電池陽極水管理的膜電極

有效

• 申請號: 201210513631.4
• 申請日: 2012-12-04
• 公開（公告）號: CN103855408A
• 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;H01M4/92
• 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質子交換膜燃料電池陽極水管理的膜電極結構，在傳統燃料電池膜電極結構的基礎上，通過調整陽極催化層、陽極側膜的組分，以及調變陰陽極微孔層的孔特性，實現改善陽極水管理的目的。

背景技術

燃料電池是一種環境友好的、能量轉化率高、功率密度大的能量轉化裝置，它以氫氣和氧氣/空氣作為反應氣，通過電池內部的電化學過程轉化，將貯存在氫氣中的化學能轉化為電能釋放出來，能量轉化過程無噪音，零污染。經過幾十年的發展，燃料電池目前已經在汽運交通、備用電站領域示范運行，并應用于航空航天等領域上。

燃料電池包括固體電解質膜以及兩側的陽極和陰極，陽極和陰極又分布包括由Pt等貴金屬與電解質混合而成的催化層，以及多孔材料組成的氣體擴散層。由于所采用的固體電解質需要被水潤濕才能傳導質子，因此電池內部必須具有一定的濕度，濕度是通過協調氣體增濕條件以及電池運行產生水量得以控制的。燃料電池工作時，氫氣被通入到陽極，在催化劑的作用下分解成為電子和氫質子，質子經由質子交換膜傳遞到陰極，電子經由外電路傳遞到陰極，在陰極，氧氣與氫質子、電子反應被還原為水。陰極產生的水，一部分經由陰極擴散層進入到陰極流場中，隨著反應氣尾氣排出電池外，一部分在濃差擴散推動力下由膜進入到陽極，同時陽極的部分水在電遷移作用下再回到陰極。根據上述反應特性可以看出，燃料電池的陰極在電池運行過程中會有大量的水產生，這些水除用于潤濕電極以外，多余的水如果駐留在氣體擴散層或者流場中，將會影響氣體的正常傳輸，進而導致反應效率的下降。為了有效的排除陰極產生的大量的水，陰極通常采用過量倍數的反應氣，一方面為反應提供氧化劑，一方面多余的氣體可以快速的帶出產物水。由于陽極會在濃差擴散的作用下帶過來一部分水，這部分水往往也需要過量的氫氣來排除，這樣就導致氫氣的利用率下降，造成能量轉化效率降低。

相關專利

為了解決燃料電池中水管理問題，避免流場中液滴對氣體的阻礙，公開號為CN101373842A的專利從電極結構的角度提出了一種解決方案，該專利提出在電極氣體擴散層的表面再加一層碳布、碳氈等材料組成的親水層，該親水層可以使流場表面無液滴存在，進而保證氣體的有效傳輸。

此外，公開號為CN101689651A的專利提出，在燃料電池的陽極側設有陽極氣體流路部件，其中第一多孔流路層和具有貫通孔的噴淋板被層疊。該噴淋板設置在陽極側，并且在噴淋板的更接近陽極的一側設置有拒水層。拒水層抑制從陰極側移動到陽極側的水進入陽極氣體流路部件內部，并且降低反應氣體流被水阻止的可能性。

發明內容

上面兩篇專利分別從改進表面親水性以及加設噴淋板的角度，改進電池流場中的水管理問題。通過改進氣體擴散層表面的親水性，使流場中無液滴形態的水，進而改善氣體傳輸，這種方法在低電流、短時間內是有效的，但是經過長時間運行后，表面親水層中的孔會被水填滿，進而增加的氣體進入氣體擴散層的阻力。第二種改進方案中，在陽極側加設噴淋板，這種方案可以有效的改變陽極側水的分布，避免過多的水進入到陽極流場中。但噴淋板的引入勢必增加燃料電池的復雜性，尤其是在上百節的電池堆中，噴淋板的引入勢必會造成電堆復雜性以及比功率的下降。

上面兩篇專利的共同點是在燃料電池原有結構的基礎上，在流場與電極之間增設薄層或部件。與上面兩篇專利不同的是，本發明沒有增設其他組件，而是在原有結構的基礎上，對電極內部結構進行了改進。具體的改進方案是：在靠近陽極一側膜中、陽極催化層中摻雜磺化SiO₂（S-SiO₂）等氧化物，使進入到陽極的水被鉚定在膜以及催化層中，減少進入流場的量。提高陽極側微孔層中導電粉體的石墨化程度和顆粒，石墨化程度的提升可以提高陽極側微孔層的憎水性并降低電阻，顆粒度的提升，可以降低微孔層與催化層界面上的毛細力，減少被毛細里吸收到擴散層中的水量。通過在陽極微孔層中加入造孔劑而且不在陰極微孔層中加入造孔劑，控制陽極微孔層的孔大于陰極，使液態水更容易向陰極遷移。

本發明的目的在于提供一種能夠減少進入陽極氣腔水量的膜電極，通過提高陽極側催化層以及膜對水的鉚定作用，提升陽極側微孔層的憎水性，降低毛細作用力，使進入陽極的液態水量大幅減少，進而避免高頻率的氫氣脈沖排放，提升氫氣的利用率。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：在膜電極的陽極側催化層及膜中摻入具有鎖水特性的氧化物，同時，陽極側的微孔層由憎水性強的微米級石墨粉與聚四氟乙烯組成。