[发明专利]提高一体式再生燃料电池性能的膜电极组件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的膜电极及其制备方法，具体地，涉及一种提高一体式再生燃料电池循环性能的双效膜电极组件及其制备方法。

背景技术

可再生燃料电池 (Regenerative Fuel Cell，RFC) ，具有很高的比能量，可达400～1000Wh/kg，是目前最轻的高能二次电池比能量的几倍，而且使用中无自放电，也不受放电深度及电池容量的限制。RFC非常适合低重量、长耗时的用电需要,尤其在对于重量要求极为严格的空间电源领域，应用前景极为广阔。目前可再生燃料电池主要被开发和应用于高空长航时太阳能飞行器、太空船的混合能量存储推进系统、偏远地区不依赖电网的储能系统、电网调峰的电源系统以及便携式能量。

可再生燃料电池包含燃料电池（Fuel Cell，FC）和水电解（Water Electrolysis，WE）两大功能。根据功能部件组合方式，可分为分体式再生燃料电池和一体式再生燃料电池。一体式再生燃料电池（Unitized Regenerative Fuel Cell，URFC）中同一组件既可以实现燃料电池（Fuel Cell，FC）功能又可以实现水电解（Water Electrolysis，WE）功能，不仅可以降低再生燃料电池（RFC）成本，而且最大限度地降低了RFC的体积和重量，提高了比功率和比能量，是再生燃料电池中最先进的一种技术。

目前分体式再生燃料电池已实现实用化，但通常体系比较复杂，而且价格昂贵，主要原因是它们采用了两个独立的装置,即燃料电池和水电解池，不仅增加了RFC的成本和系统的复杂程度，而且降低了RFC的体积和重量比功率和比能量。从长远来看,随着储能系统向大功率、小型化发展，尤其是空间飞行器对空间电源的运行时间以及体积和重量的要求越来越高，开发一体式可再生燃料电池（URFC），实现更高比能量和比功率是RFC系统发展的必然趋势。

关于URFC的研究始于20世纪60年代，美国在RFC研究领域内一直处于领先地位，通用电气公司在70年代就取得了较大突破；而在能源部和国家航空航天局等机构的资助下，美国的劳伦斯·利弗摩尔（Lawrence Livermore）国家实验室在90年代成功开发出50W的URFC系统，循环次数超过2000次，且能量衰减低于10%；在1998年，美国质子能系统公司（Proton Energy System Inc.）在国家航空航天局的资助下，开发出一个5kW的URFC系统。法国、俄罗斯等欧洲国家也有一定规模的研究，并在欧盟框架内开展了不少关于URFC的合作研究，2008年成功研制出0.5kW的URFC电堆，在0.5A·cm^-2的电流密度下，FC和WE模式分别达到37%和85%的效率；另外以国家先进工业科学技术研究所（AIST）为代表的许多日本研究机构也一直在开展URFC方面的研究。

URFC的技术难度主要在于双效膜电极的循环性能差，主要是因为在水电解模式工作时，新生态氧对膜电极组件产生很大的腐蚀，进而影响膜电极组件的使用寿命，特别是FC和WE多次循环反应后，氧气侧气体扩散层的腐蚀问题，严重影响了一体式再生燃料电池的循环性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于提高一体式再生燃料电池循环性能的双效膜电极组件及其制备方法，克服双效膜电极的循环性能差的缺点，提升电极的耐腐蚀性从而提高一体式再生燃料电池的循环性，并通过优化耐腐蚀性导电剂和疏水性聚合物的配比，提升双效电极在燃料电池和水电解两种不同工作模式下的电性能，为制备具有稳定循环性能的高效一体式再生燃料电池提供前提。 

为了达到上述目的，本发明提供了一种提高一体式再生燃料电池性能的膜电极组件，其中，该膜电极组件包含双效膜电极和气体扩散层；所述双效膜电极包含全氟磺酸质子交换膜和涂布在该膜两侧的氢气侧催化层和氧气侧催化层；所述的氢气侧催化层包含Pt/C（铂炭）和Nafion（全氟磺酸树脂），所述的氧气侧催化层包含Pt黑（铂黑）、二氧化依、聚四氟乙烯和Nafion；所述气体扩散层包含氢气侧扩散层和氧气侧扩散层，所述氢气侧扩散层采用碳材料为基底，添加疏水性聚合物而成；所述氧气侧扩散层采用钛材料为基底，添加疏水性聚合物、二氧化依和导电剂而成；所述膜电极组件按照氢气侧扩散层、双效膜电极、氧气侧扩散层的组合顺序组装而成。

上述的提高一体式再生燃料电池性能的膜电极组件，其中，所述的氢气侧扩散层，其基底采用的碳材料为碳纸或碳布，添加聚四氟乙烯或聚全氟乙丙烯进行疏水处理。