[发明专利]燃料电池膜电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明是关于一种膜电极及其制备方法，更具体地说，是关于一种燃料电池膜电极及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种能量转换装置，它按电化学原理，把贮存在燃料(如氢气、低级醇等)和氧化剂(氧气)内的化学能转化成电能。燃料电池具有能量转换率高、环境友好等优点，而质子交换膜燃料电池(Proton ExchangeMembrane Fuel Cell，PEMFC)更具有可低温运行、比功率高等优点，是一种广泛应用的新型动力源。

以氢气作为燃料的燃料电池的阳极反应和阴极反应的反应式分别如反应式(1)和(2)所示，在阴极上用作氧化剂的氧气通常来自空气。将阳极产生的质子转移到阴极的离子传导需要通过膜电极的质子交换膜来完成。

H₂-2e^-→2H⁺          (1)

1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O  (2)

膜电极(Membrane Electrode Assembly，MEA)是燃料电池的核心部件，是燃料和氧化剂发生电化学反应产生电能的部位。膜电极包括阳极，阴极及位于阳极和阴极之间的质子交换膜，阳极包括阳极气体扩散层、阳极催化层，阳极催化层位于阳极气体扩散层和质子交换膜之间，阴极包括阴极气体扩散层、阴极催化层，阴极催化层位于阴极气体扩散层和质子交换膜之间。

膜电极中质子交换膜的水合状态对于燃料电池的性能和寿命具有非常重要的决定作用。当质子膜中水分子过少时，膜不能传导质子，燃料电池的效率下降，甚至无法正常工作；而如果质子膜中的水分子过多时，会引起整个燃料电池系统堵水，造成水淹现象，也使燃料电池无法正常工作。因此，必须对进入电池的反应气体进行加湿处理，以确保质子交换膜处于合适的水合状态，以使燃料电池得以高效工作。

为质子交换膜增湿的方法一般包括外增湿和内增湿两种方式。外增湿的方式是将增湿系统设计在电堆的外部，所述增湿系统与电堆是分开的。该系统可以有效地保持电堆内膜电极的良好水合状态，但增大了燃料电池系统的体积和重量。当电池快速启动或负载突然大幅度变化时，增湿系统不能及时与之同步运行。内增湿的方式是在电堆内部设计一段作为加热的储水槽，专门用作电堆的增湿，达到对反应气体进行增湿的目的。但需要较高的电堆组装技术和密封技术，不但增加了电堆系统的体积和重量，还提高了技术难度。

自增湿膜电极就是一种通过改进电池内部结构，利用燃料电池在运行过程中，氢、氧在膜电极中的电化学反应过程中所生成的水在渗透作用下从阴极返回到阳极，而完成反应气体及质子的水化，多余的水则随尾气排出，从而达到燃料电池内部的水平衡。这种自增湿膜电极不需借助于外部设备就能维持电池的正常工作。

US5766787公开了一种自增湿膜电极，膜电极是将Pt微粒与SiO₂或TiO₂等亲水氧化物混合在质子交换膜中制备出该自增湿膜电极。虽然这种膜电极能够达到一定自增湿的效果，但是该膜电极膜中的铂微粒分散不均匀，会使膜电极内部形成局部的电子通道，导致燃料电池或电堆发生自放电现象而使燃料电池或电堆失效。

US6207312公开了一种利用蛇型流场的自增湿方法，该方法是通过在燃料电池的双极板上加工一种多通道的蛇型流场，使产生的气体在蛇型流中做上下往复运动，使得在气体流动方向上加速阴极生成的水向阳极的传递。但该方法的自增湿效果较差。

王诚，毛宗强，徐景明，谢晓峰等人在关于“新型自增湿膜电极的制备及其燃料电池性能”(高等学校化学学报，V0124，No 1，140-1422003年1月)一文中阐述了一种自增湿膜电极的制备方法，该方法包括在碳纸上涂布一层活性炭与聚四氟乙烯的混合物制成气体扩散层，再在气体扩散层上喷涂一层含炭载催化剂与Nafion溶液的浆料形成催化层，最后再将形成催化层的气体扩散层与质子交换膜形成膜电极，同样，该膜电极的自增湿效果较差。