[发明专利]燃料电池用膜电极组件,其制备方法及燃料电池系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的膜电极组件，一种制备该膜电极组件的方法，以及包括该膜电极组件的燃料电池系统。

背景技术

燃料电池是通过氧化剂和诸如氢气或烃类物质的燃料进行电化学氧化还原反应产生电能的发电系统，所述烃类物质例如甲醇、乙醇、天然气等。这样的燃料电池是一种能替代矿物燃料的清洁能源。它包括由单位电池组成的电池堆，并产生各种范围的功率输出。由于其具有小型锂电池四到十倍的能量密度，已重点用作小型便携能源。

典型的示例性的燃料电池包括聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)和直接氧化燃料电池(DOFC)。直接氧化燃料电池包括以甲醇为燃料的直接甲醇燃料电池。

聚合物电解质燃料电池虽然具有高能量密度和高功率的优点，但缺点在于需要谨慎处理氢气，并需要辅助设备，例如用于重整烃类气体以产生作为燃料气的氢气的燃料重整处理器。

相反，直接氧化燃料电池的能量密度比所述气体型燃料电池低，但是它的优点是液体型燃料易于处理，运行温度低，并且不需额外的燃料重整处理器。所以，已被认为是合适的用于小型普通电器设备的便携能源系统。

在上述燃料电池中，发电的电池堆基本包括几个到许多个相邻堆叠的单元电池。每个单元电池由膜电极组件(MEA)和隔板(也称为双极板)形成。膜电极组件由阳极(也称为“燃料电极”或“氧化电极”)和阴极(也称为“空气电极”或“还原电极”)构成，该阳极和阴极被聚合物电解质膜分隔。

燃料被提供到阳极并吸附在阳极催化剂上，该燃料被氧化以产生质子和电子。电子通过外部电路移动到阴极，质子则通过聚合物电解质膜也移动到阴极。此外，氧化剂被提供到阴极，然后氧化剂、质子和电子在阴极催化剂上反应产生电和水。

一种具有良好的导电性、机械性能和耐化学品性的全氟磺酸树脂膜(NAFION^)通常用作聚合物电解质膜。该全氟磺酸树脂膜具有130～180μm的厚度以抑制烃燃料的横穿(crossover)。然而，该全氟磺酸树脂膜越厚，质子传导性越差，聚合物电解质膜的费用也越高。

特别地，取决于温度和水化程度，与铂催化剂电极热压在一起的聚合物电解质膜经过15～30％的膜厚度和体积改变，并导致以3～50wt％甲醇作为燃料时，最大超过200％的体积改变。电解质膜这样的厚度增加对作为电极基板的气体扩散层施加了压力，所以在长期运行中，在表面方向上的尺寸改变引起催化剂颗粒和电解质膜之间的界面上的物理性能恶化。

发明内容

本发明的一个实施方式提供了一种膜电极组件，其在聚合物电解质膜和催化剂层之间具有极好的粘附力，在聚合物电解质膜中具有良好的保水性，并减少由于渗透压的降低而引起的燃料的横穿，从而提高了电池性能。

本发明的另一个实施方式提供了一种制备所述燃料电池用膜电极组件的方法。

本发明的又一个实施方式提供了一种包括所述膜电极组件的燃料电池系统。

根据本发明的一个实施方式，提供了一种膜电极组件，其包括：相对布置的阳极和阴极；和置于所述阳极和阴极之间的聚合物电解质膜。所述聚合物电解质膜具有表面粗糙度，并且金属层在所述膜的至少一侧上随机布置。

根据本发明的再一个实施方式，提供了一种制备膜电极组件的方法，包括如下过程。表面处理所述膜使其具有表面粗糙度，在该具有表面粗糙度的膜上形成金属层来制备聚合物电解质膜，并将该聚合物电解质膜置于阳极和阴极之间。

根据本发明的又一个实施方式，提供了一种燃料电池系统，其包括：发电元件；向所述发电元件供给燃料的燃料供给装置；和向所述发电元件供给氧化剂的氧化剂供给装置。所述发电元件包括膜电极组件和位于该膜电极组件每一侧的隔板，并且该发电元件通过燃料和氧化剂之间的电化学反应来发电。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方式的膜电极组件的截面示意图；

图2是根据本发明的另一个实施方式制备膜电极组件的方法的流程示意图；

图3是根据本发明的另一个实施方式的燃料电池系统的结构示意图；

图4是在根据实施例1制备单电池的过程中，经喷沙表面处理后的聚合物电解质膜横断面的扫描电镜(SEM)照片；

图5是在根据实施例1制备单电池的过程中，经喷沙表面处理后的聚合物电解质膜表面的SEM照片；

图6是在根据实施例1制备单电池的过程中，通过Au溅射置于经表面处理的聚合物电解质膜上的金属层表面的SEM照片(比例尺大小：1μm)；