[發(fā)明專利]一種燃料電池膜電極組件、制備方法及燃料電池

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010322762.9
• 申請日: 2020-04-22
• 公開（公告）號: CN111564648B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 俞海蛟;曹寅亮;徐乃濤;李文;范冬琪;孫健;徐淳川;徐鵬杰;林濱;趙海敏
• 申請（專利權(quán)）人: 天能電池集團(tuán)股份有限公司
• 主分類號: H01M8/1004
• 分類號: H01M8/1004;H01M4/88
• 代理公司: 杭州天勤知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 沈金龍

本發(fā)明公開了一種燃料電池膜電極組件，包括質(zhì)子交換膜，所述質(zhì)子交換膜的兩側(cè)分別設(shè)有一層保濕層，所述保濕層對應(yīng)于在裝配成燃料電池時(shí)形成氣體流道的位置具有避讓區(qū)，所述質(zhì)子交換膜的兩側(cè)、填充在保濕層的避讓區(qū)內(nèi)分別設(shè)有一層催化層，以及設(shè)于催化層外側(cè)的擴(kuò)散層，所述保濕層、催化層和擴(kuò)散層的親水性依次降低。本發(fā)明燃料電池膜電極組件中擴(kuò)散層和催化層相鄰層疊，并且保濕層、催化層和擴(kuò)散層的親水性依次降低，在不減少催化劑載量的同時(shí)，提升燃料電池的排水能力和氣體運(yùn)輸能力。擴(kuò)散層薄且具有較低的親水性，因此有利于燃料電池排水過程，有效防止水淹現(xiàn)象。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種燃料電池膜電極組件、制備方法及燃料電池。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池由于其工作溫度低、效率高、比能量大、無污染等優(yōu)勢，得到了各界廣泛關(guān)注，現(xiàn)已經(jīng)在乘用車領(lǐng)域被廣泛研究。隨著研究的不斷深入，對電堆的功率要求不斷提高，其中的膜電極組件是決定性能的關(guān)鍵之一。尤其在大電流密度的工況下，反應(yīng)物從流道擴(kuò)散到催化層進(jìn)行反應(yīng)的速度受到了傳質(zhì)速率的限制，從而影響了燃料電池性能。

傳統(tǒng)質(zhì)子交換膜燃料電池由陰陽極板、擴(kuò)散層、催化層、質(zhì)子交換膜組成，其中膜電極以擴(kuò)散層、催化層、質(zhì)子交換膜、催化層、擴(kuò)散層的順序?qū)訉又丿B壓緊組合。擴(kuò)散層需要承擔(dān)運(yùn)輸氣體反應(yīng)物和運(yùn)輸反應(yīng)產(chǎn)物水的功能，由于陰陽極板上的凸臺在裝配過程中對擴(kuò)散層的壓緊作用，降低了擴(kuò)散層的孔隙率，影響擴(kuò)散層的輸送能力，從而降低燃料電池性能。

比如，公開號為CN101271976A的發(fā)明公開了一種固體高分子型燃料電池中、能夠?qū)崿F(xiàn)高發(fā)電效率的燃料電池。具有：膜電極復(fù)合體，其包含：電解質(zhì)膜，分別設(shè)置在該電解質(zhì)膜兩側(cè)的陽極催化層及陰極催化層，分別設(shè)置在該陽極催化層及陰極催化層的與電解質(zhì)膜側(cè)相反的一側(cè)的陽極氣體擴(kuò)散層及陰極氣體擴(kuò)散層；陰極多孔體，其設(shè)置在陰極氣體擴(kuò)散層的與陰極催化層側(cè)相反的一側(cè)；陰極部件，其設(shè)置在陰極多孔體的與陰極氣體擴(kuò)散層側(cè)相反的一側(cè)，具有與陰極多孔體接觸的凸部，其中，由陰極部件向陰極多孔體施加壓力，以便凸部壓縮陰極多孔體。

公開號為CN101465434的發(fā)明公開了一種燃料電池膜電極，其包括：一質(zhì)子交換膜及分別設(shè)置在該質(zhì)子交換膜兩表面的電極，其中電極由氣體擴(kuò)散層和催化層組成，其中，所述的氣體擴(kuò)散層包括一碳納米管薄膜結(jié)構(gòu)，該碳納米管薄膜結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)碳納米管層，且該碳納米管層中的碳納米管沿同一方向擇優(yōu)取向排列。一種燃料電池膜電極的制備方法，其具體包括以下步驟：提供一碳納米管陣列；從上述碳納米管陣列中拉取獲得至少一碳納米管薄膜；采用上述碳納米管薄膜制備一氣體擴(kuò)散層；在上述氣體擴(kuò)散層表面形成一催化層，得到一電極；以及提供一質(zhì)子交換膜，將兩個(gè)上述電極分別設(shè)置在該質(zhì)子交換膜兩表面，從而得到一燃料電池膜電極。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種氣體傳遞效率高，排水能力強(qiáng)的燃料電池膜電極組件。

一種燃料電池膜電極組件，包括質(zhì)子交換膜，所述質(zhì)子交換膜的兩側(cè)分別設(shè)有一層保濕層，所述保濕層對應(yīng)于在裝配成燃料電池時(shí)形成氣體流道的位置具有避讓區(qū)，所述質(zhì)子交換膜的兩側(cè)、填充在保濕層的避讓區(qū)內(nèi)分別設(shè)有一層催化層，以及設(shè)于催化層外側(cè)的擴(kuò)散層，所述保濕層、催化層和擴(kuò)散層的親水性依次降低。

優(yōu)選的，所述保濕層的材料為碳布、碳紙、碳?xì)只蚺菽肌?/p>

優(yōu)選的，所述擴(kuò)散層由保濕層的對應(yīng)位置加入疏水劑處理形成。通過直接在作為保濕層的基底材料上加疏水劑處理獲得擴(kuò)散層，制備方式較為簡便。

所述疏水劑為聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、氟化乙烯共聚物、聚全氟乙丙烯中的至少一種。疏水劑可以使用噴涂的方式加入，通過使用擋板遮擋不需要噴涂疏水劑的地方，而留出需要噴涂疏水劑的位置，可以方便的進(jìn)行噴涂作業(yè)。噴涂上疏水劑后，再通過烘-燒結(jié)過程，將疏水劑附著于作為保濕層的基底材料對應(yīng)位置上，制成具有指定區(qū)域憎水性的擴(kuò)散層。