[實(shí)用新型]一種用于燃料電池的膜電極以及燃料電池

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202020264562.8
• 申請(qǐng)日: 2020-03-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN212230540U
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-12-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄒裕民
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海濟(jì)平新能源科技有限公司
• 主分類號(hào): H01M8/1004
• 分類號(hào): H01M8/1004;H01M8/0258
• 代理公司: 上海京滬專利代理事務(wù)所(普通合伙) 31235
• 代理人: 馬強(qiáng)

本實(shí)用新型提供了一種用于燃料電池的膜電極，包括陰極氣體擴(kuò)散層、CCM和陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層；其中，陰極氣體擴(kuò)散層和陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層具有相同的結(jié)構(gòu)，各自包括碳基底以及涂抹在碳基底兩面的第一微孔層和第二微孔層。其中，第一微孔層和第二微孔層包括碳微粒和粘結(jié)劑；第一微孔層的重量大于第二微孔層的重量。陰極氣體擴(kuò)散層的第一微孔層與CCM的陰極催化劑層相鄰；陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層的第一微孔層與CCM的陽(yáng)極催化劑層相鄰。本實(shí)用新型在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)陰極和陽(yáng)極的氣體擴(kuò)散層進(jìn)行簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，顯著提升了其水管理性能和燃料電池的整體性能，尤其是在高濕度和大電流運(yùn)行條件下的性能得到大大的改善。

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型屬于電化學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種用于燃料電池的膜電極以及一種燃料電池。

背景技術(shù)

氣體擴(kuò)散層(Gas Diffusion Layer，GDL)通常應(yīng)用于電化學(xué)領(lǐng)域，如燃料電池和電解槽，特別是在那些應(yīng)用離子交換膜作為分離器或電解質(zhì)的設(shè)備中。氣體擴(kuò)散層通常用一個(gè)具網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的物體作為基底及支撐，然后將漿液涂于基底上，形成微孔層(Micro-porous Layer，MPL)，經(jīng)加熱后二者成一體，成為氣體擴(kuò)散層。氣體擴(kuò)散層是輸送水、氣和電流的渠道。燃料電池堆供電的基本單元是膜電極(Membrane Electrode Assembly，MEA)，一般有兩種制作膜電極的方法：氣體擴(kuò)散電極法(GDE)和催化劑涂膜法。前者將含有催化劑和粘結(jié)劑的涂層涂于氣體擴(kuò)散層(GDL)的頂部，通過(guò)熱處理與GDL熔融形成GDE，隨后將GDE通過(guò)熱壓膜層壓形成膜電極。而后者則是先將含有催化劑和粘結(jié)劑的涂層經(jīng)涂抹及熱壓與膜結(jié)合形成催化層/膜的復(fù)合體(Catalyst-coated Membrane，CCM)，然后再將CCM與GDL結(jié)合成膜電極。

對(duì)于大多數(shù)技術(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，GDL的構(gòu)造包括一個(gè)多孔電流導(dǎo)電載體(如碳布、碳紙或金屬網(wǎng))，然后在此載體上涂上微米孔電流導(dǎo)電層。同時(shí)，GDL也需要作為均勻輸送氣體的通道，同時(shí)還要防止催化劑層中的水以液體形式滲入氣體擴(kuò)散層內(nèi)。由于水溶液中氧、氫氣體分子的溶解度和擴(kuò)散速率低，若液態(tài)水在GDL中形成，能有效地阻斷氣體擴(kuò)散，甚至造成水淹現(xiàn)象，完全破壞其運(yùn)行。甚至過(guò)量的水蒸氣也應(yīng)該被控制，因?yàn)樗材軠p緩氫/氧的輸送。

由于GDL在允許快速氣體輸送和抑制水滲透方面的關(guān)鍵作用，所以必須要能夠控制GDL的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能目標(biāo)，例如通過(guò)調(diào)整微孔層的孔隙分布及疏水性來(lái)控制。其基本原理是利用孔隙大小及疏水性所形成的毛細(xì)管壓力來(lái)防止水滴的穿透力：在孔隙中的毛細(xì)管壓力P、表面張力γ(與疏水性有關(guān))、接觸角θ、孔隙半徑a之間的關(guān)系可由下列方程表示：P＝2*γ*cosθ/a。

在一般的實(shí)踐中，GDL的涂層首先是通過(guò)混合導(dǎo)電碳粒子和防濕化學(xué)劑，如聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、聚偏氟乙烯(PVDF)等，來(lái)制備油墨配方。這些含氟防濕化學(xué)劑可在GDL多孔結(jié)構(gòu)中引入疏水性特性，以利于控制水的輸送。

美國(guó)專利US6103077和US6444602公開(kāi)了用自動(dòng)工業(yè)涂布機(jī)在炭布上制造氣體擴(kuò)散層(GDLs)和氣體擴(kuò)散電極(GDEs)，包括這些產(chǎn)品的成分和制作方法。美國(guó)專利US7923172公開(kāi)了特殊氣體擴(kuò)散層和氣體擴(kuò)散電極的結(jié)構(gòu)，其中多層氣體擴(kuò)散層或多層催化劑層或兩者都被應(yīng)用于碳布上，而且這些多層結(jié)構(gòu)還設(shè)計(jì)了孔隙度和疏水性的梯度。在上述被引用的文件中，涂層由碳粒子混合物和疏水性粘結(jié)劑，如聚四氟乙烯，組成氣體擴(kuò)散層，或催化劑微粒和疏水性粘結(jié)劑組成催化劑層。在體現(xiàn)孔隙度和疏水性梯度的氣體擴(kuò)散層和氣體擴(kuò)散電極的制作中則是采用了加入不同的相對(duì)量的碳和粘結(jié)劑材料，或在各個(gè)層使用不同類型的碳，或在各個(gè)層使用不同的催化劑顆粒和粘結(jié)劑材料的組合。美國(guó)專利申請(qǐng)US20110183232 公開(kāi)了優(yōu)化水管理的雙層陰極結(jié)構(gòu)和調(diào)合甲醇催化劑利用率/抑制甲醇膜滲透的雙層陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，以達(dá)成優(yōu)化甲醇燃料電池中性能的目的。然而，在所有這些文獻(xiàn)中，沒(méi)有對(duì)微孔層應(yīng)如何在網(wǎng)絡(luò)碳載體涂抹/分布的研究，但是這些知識(shí)對(duì)于如何使 GDL在各操作條件下具有優(yōu)化的性能卻至關(guān)重要。