[发明专利]一种燃料电池用膜电极及其制备方法与用途

说明书

本发明提供了一种燃料电池用膜电极及其制备方法与用途。所述膜电极包括依次层叠设置的阴极气体扩散层、阴极微孔层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、阳极微孔层和阳极气体扩散层；其中，所述阳极催化层和所述阴极催化层均包括催化剂、离聚物和聚四氟乙烯，所述阳极催化层中离聚物的质量占比与所述阴极催化层中离聚物的质量占比的差值为5～30％。本发明通过调整燃料电池电堆内部膜电极中阴阳极的成分和配比，进而从原理层面构造了一种更加适应超低温冷启动工况的膜电极结构，进而提升了其超低温冷启动性能，成本更低且容易实现，且减低了控制系统的复杂性和硬件要求，具有较高的实用价值。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池用膜电极及其制备方法与用途。

背景技术

当前，由于具有近零排放和高转化效率，氢能与燃料电池方向已成为能源领域的重点研究方向之一。然而燃料电池尤其是车用燃料电池的推广利用还面临着成本、寿命和环境适应性等关键技术难题。超低温冷启动问题就是其中之一。由于燃料电池电池运行过程中的主要产物是水，在低于0℃的环境下极易结冰，导致性能下降的同时也会对膜电极内部的结构造成严重的损害。

因此，当前燃料电池尤其是车用燃料电池在-30℃及以下超低温冷启动问题依然是行业关注的重点问题，现有的技术多关注控制策略、电堆热容等方面的改进和完善，导致控制过程复杂、工况要求严格和材料选择受限等问题。

CN107154503A公开了属于燃料电池技术领域的一种可快速冷启动的长寿命燃料电池电堆模块。其总体结构是按照顺序叠放：前端板、前端集流板、前端复合端板、密封垫、燃料电池电堆、密封垫、后端复合端板、后端集流板、电热隔离板和后端板叠放在一起、然后用带有弹性应力记忆能力的捆扎式固定带捆扎压紧；最后通过弹性元件、紧固螺栓及螺柱固定。本发明结构简单而新颖，使用新型超导体复合材料可实现简单快速的低温冷启动；通过改善公用通道中各单电池的气体分配、减小电堆中各单电池温度差异、增大两端膜电极的催化剂含量来提高电堆单片的一致性；抗振动与冲击性能得以提高，保证了燃料电池的安全、可靠及耐久性，同时，易于实现低温条件下的快速冷启动。该专利通过内部结构优化改善流量分布与温度分布，以提升PEMFC电堆单片的一致性进而提升冷启动能力。属于对热管理优化方面的，同时又对膜电极中的催化剂材料进行了优化。然而其仅仅改善了电堆的边缘效应，并未从根本上提升超低温冷启动性能，而通过差异性单体方式显然会大大增加电堆的成本。

CN113285097A提出一种燃料电池低温启动控制方法，获取燃料电池低温启动过程中t时刻下以当前升温速率使燃料电池的温度从当前温度升高至燃料电池内结冰点温度所需要的时间τT(t)；获取在t时刻下以当前结冰速率燃料电池内部从当前冰体积分数继续结冰至所允许的冰体积分数上限所需要的时间根据τT(t)和的比值获取燃料电池低温启动能力指数SF0(t)；SF0(t)1时，通过调整控制策略，保证燃料电池低温启动成功。该方法在离线条件下，实现直接对预制的燃料电池启动策略和运行工况进行结果预测和评估，在燃料电池低温启动在线试验中，通过低温启动能力指数的计算对每一时刻燃料电池的启动情况进行实时监控，实时调控控制策略，降低启动失败风险。该发明是基于零下环境中的质子交换膜燃料电池启动过程是一个产热和结冰的竞速过程这一角度，对冷启动过程进行简化处理，以设计了一种低温启动控制方法。属于对控制策略优化方面的。然而对控制策略的优化对电堆冷启动性能的提升也是有限度的，同时伴随着更加复杂的控制和硬件配置也会显著增加系统的成本。

综上，目前对燃料电池超低温冷启动问题的解决和改善主要集中在电堆热管理优化、控制策略优化以及电堆内部材料优化等方面。

因此，如何从燃料电池自身出发，优化其内部结构，从原理层面使燃料电池更加适应超低温冷启动工况，同时降低成本，是亟待解决的技术问题。

发明内容