[发明专利]一体式可再生燃料电池膜电极组合件及其制备方法

说明书

发明领域

本发明涉及燃料电池关键材料及其制备方法，具体涉及一种一体式可再生燃料电池膜电极组合件及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种将燃料的化学能直接转变为电能的电化学装置。它不受卡诺热机循环的限制，能量转换效率高，无污染、比功率大、使用寿命长，因此在航空航天，交通运输，移动电源等领域有着广泛的应用前景。一体式可再生燃料电池(URFC)集成了燃料电池和水电解两种功能于一体，在一个电池中可分别实现燃料电池发电和水电解两个过程，具有发电和能量储存双重功能。该电池系统高度集成，电池比功率大，系统比能量高，是一种极具发展前景的高效储能装置。

膜电极(MEA)是URFC燃料电池的核心部件，它是燃料和氧化剂发生电化学反应产生电能的场所，同时还是水电解产生氢气和氧气的场所。其性能、可靠性和稳定性的高低直接决定了燃料电池和水电解性能的优劣，高性能膜电极组合件及其制备对URFC燃料电池性能的提高和实用化进程的推进至关重要。URFC燃料电池膜电极的组成如下：它中间是离子交换膜，离子交换膜的两侧分别是阴极双效催化层与阳极催化层，阴、阳极催化层的外侧分别是阴极扩散层与阳极扩散层，该MEA合计由五层解构组成。通常，制备MEA时将带有催化层的扩散层和离子交换膜或将扩散层和带有催化层的离子交换膜切割到适当尺寸，五层对齐叠在一起在一定温度和压力下热压、冷却定型形成膜电极(MEA)。MEA中只有阴、阳两极催化层和扩散层垂直重叠的部分才是膜电极的真正有效活性面积。此外，由于单个燃料电池的电压较低，通常要将多节单电池按压滤机方式组合成电池组。在电池组中MEA夹在两片双极板中间，MEA的周边和双极板之间用密封材料密封。可见，在URFC燃料电池膜电极(MEA)内不仅有燃料和氧化剂发生电化学反应产生电能的过程，另外，在水电解时膜电极内还进行水电解产生氢气和氧气的过程，水电解过程产生大量的氢气和氧气从电极催化层内释放出来，其对MEA的冲击力非常大，如果MEA密封性能不好，不仅增加氢氧互窜的风险，降低电池开路，而且给MEA在电池组中的整体密封和稳定运行带来不便。另一方面如果MEA密封区强度不高，在电池组装过程中扩散层会形变剥离质子交换膜，电极陷入流道，堵塞物料或氧化剂在流道中的传递。另外在电池组装压紧力的作用下，膜电极边缘密封区受应力变形、易产生微裂痕、微孔甚至大面积撕裂，降低电池的性能甚至导致电池完全失效。因此保证MEA密封可靠性对燃料电池电池组的组装和性能来说都至关重要。