[实用新型]一种用于燃料电池的膜电极以及燃料电池

说明书

本实用新型提供了一种用于燃料电池的膜电极，包括阴极气体扩散层、CCM和阳极气体扩散层；其中，阴极气体扩散层和阳极气体扩散层具有相同的结构，各自包括碳基底以及涂抹在碳基底两面的第一微孔层和第二微孔层。其中，第一微孔层和第二微孔层包括碳微粒和粘结剂；第一微孔层的重量大于第二微孔层的重量。阴极气体扩散层的第一微孔层与CCM的阴极催化剂层相邻；阳极气体扩散层的第一微孔层与CCM的阳极催化剂层相邻。本实用新型在现有技术的基础上，通过对阴极和阳极的气体扩散层进行简单的结构优化，显著提升了其水管理性能和燃料电池的整体性能，尤其是在高湿度和大电流运行条件下的性能得到大大的改善。

技术领域

本实用新型属于电化学领域，特别涉及一种用于燃料电池的膜电极以及一种燃料电池。

背景技术

气体扩散层(Gas Diffusion Layer，GDL)通常应用于电化学领域，如燃料电池和电解槽，特别是在那些应用离子交换膜作为分离器或电解质的设备中。气体扩散层通常用一个具网络结构的物体作为基底及支撑，然后将浆液涂于基底上，形成微孔层(Micro-porous Layer，MPL)，经加热后二者成一体，成为气体扩散层。气体扩散层是输送水、气和电流的渠道。燃料电池堆供电的基本单元是膜电极(Membrane Electrode Assembly，MEA)，一般有两种制作膜电极的方法：气体扩散电极法(GDE)和催化剂涂膜法。前者将含有催化剂和粘结剂的涂层涂于气体扩散层(GDL)的顶部，通过热处理与GDL熔融形成GDE，随后将GDE通过热压膜层压形成膜电极。而后者则是先将含有催化剂和粘结剂的涂层经涂抹及热压与膜结合形成催化层/膜的复合体(Catalyst-coated Membrane，CCM)，然后再将CCM与GDL结合成膜电极。

对于大多数技术应用来说，GDL的构造包括一个多孔电流导电载体(如碳布、碳纸或金属网)，然后在此载体上涂上微米孔电流导电层。同时，GDL也需要作为均匀输送气体的通道，同时还要防止催化剂层中的水以液体形式渗入气体扩散层内。由于水溶液中氧、氢气体分子的溶解度和扩散速率低，若液态水在GDL中形成，能有效地阻断气体扩散，甚至造成水淹现象，完全破坏其运行。甚至过量的水蒸气也应该被控制，因为它也能减缓氢/氧的输送。

由于GDL在允许快速气体输送和抑制水渗透方面的关键作用，所以必须要能够控制GDL的结构来实现这些功能目标，例如通过调整微孔层的孔隙分布及疏水性来控制。其基本原理是利用孔隙大小及疏水性所形成的毛细管压力来防止水滴的穿透力：在孔隙中的毛细管压力P、表面张力γ(与疏水性有关)、接触角θ、孔隙半径a之间的关系可由下列方程表示：P＝2*γ*cosθ/a。

在一般的实践中，GDL的涂层首先是通过混合导电碳粒子和防湿化学剂，如聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、聚偏氟乙烯(PVDF)等，来制备油墨配方。这些含氟防湿化学剂可在GDL多孔结构中引入疏水性特性，以利于控制水的输送。

美国专利US6103077和US6444602公开了用自动工业涂布机在炭布上制造气体扩散层(GDLs)和气体扩散电极(GDEs)，包括这些产品的成分和制作方法。美国专利US7923172公开了特殊气体扩散层和气体扩散电极的结构，其中多层气体扩散层或多层催化剂层或两者都被应用于碳布上，而且这些多层结构还设计了孔隙度和疏水性的梯度。在上述被引用的文件中，涂层由碳粒子混合物和疏水性粘结剂，如聚四氟乙烯，组成气体扩散层，或催化剂微粒和疏水性粘结剂组成催化剂层。在体现孔隙度和疏水性梯度的气体扩散层和气体扩散电极的制作中则是采用了加入不同的相对量的碳和粘结剂材料，或在各个层使用不同类型的碳，或在各个层使用不同的催化剂颗粒和粘结剂材料的组合。美国专利申请US20110183232 公开了优化水管理的双层阴极结构和调合甲醇催化剂利用率/抑制甲醇膜渗透的双层阳极结构，以达成优化甲醇燃料电池中性能的目的。然而，在所有这些文献中，没有对微孔层应如何在网络碳载体涂抹/分布的研究，但是这些知识对于如何使 GDL在各操作条件下具有优化的性能却至关重要。