[发明专利]燃料电池的膜电极组件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及燃料电池的膜电极组件及其制备方法。

背景技术

燃料电池由于能量转化效率高、低排放无污染等优势，在交通运输、备用电源、分布式电站等领域发展前景广阔。典型的燃料电池单体由电解质膜(一般为质子交换膜)、阴极和阳极的催化电极、气体扩散层以及双极板组成。燃料电池中的气体扩散介质通常由诸如碳纤维纸或碳布的导电多孔基材组成，并在其上附有微孔层。微孔层通常包括碳粉末和疏水性含氟聚合物，起排水通气并增强电子传输能力等功能，微孔层对于燃料电池的水管理具有非常重要的作用。

燃料电池的水管理非常重要，缺水会造成电解质膜的高质子传输阻抗以及电极的低活性，从而导致低的功率输出；而高的水含量容易导致电极的水淹，造成氧气和燃料的高传输阻力，同样会导致性能下降。车用燃料电池由于比较高的功率输出，一般来说电极的面积比较大，可达数百平方厘米。燃料电池尤其是大尺寸燃料电池在电极的不同区域由于膜电极水含量、气体相对湿度和氧气浓度等的不平衡会导致电流密度分布的不均衡，影响功率密度和耐久性。

一般来说，燃料电池入口处的空气比较干燥，氧气分压高；出口处的空气相对湿润，氧气分压低。在不同的工作温度下，这种不均衡可能会加剧，比如高温下更容易干，低温下趋于发生水淹。为了提高入口空气的相对湿度，一般采取预加湿的方法，即空气导入电堆之前通过加湿器进行加湿。加湿器一般体积较大，增加了系统的体积和重量，而且使用加湿器不能解决燃料电池特别是大尺寸电池在各个区域中水和氧气的均衡分配问题。

申请号为201110293005.4的中国专利提供了一种涉及具有梯度化性能的燃料电池电极及其制造方法，首先制备具有不同成分的至少两种电极浆料混合物，将所述至少两种电极浆料沉积在气体扩散层基材上形成至少两个电极层，其组合以形成组合电极使得所述组合电极层的平均性能水平沿所述基材变化而变化，所述性能为膜当量、扩散介质气体渗透率、离聚物和碳之比、催化剂载量、孔隙度或者它们的组合。

US8,945,790提供一种微孔层结构，具有复数孔径在0.02～0.5微米的亲水孔和疏水孔，以及复数孔径在0.5～100微米的钻孔；亲水孔增加了水的储存量，可以提高干燥高温条件下膜的水含量，而且增加了液态到气态的相变点，利于散热；憎水孔模拟催化层中的第二孔利于反应气和水蒸气的传输；钻孔则通过毛细管力便于液态水的传输。

上述方案要么制备工艺复杂，需要控制的参数繁多，不利于批量生产，要么对燃料电池的水管理改善效果不佳，进而影响燃料电池的性能。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种膜电极组件，本申请提供的膜电极组件具有较好的水管理性，从而可提高燃料电池在各种湿度下的稳定性，提高持久性，降低催化剂用量。

有鉴于此，本申请提供了一种燃料电池的膜电极组件，包括依次叠加设置的气体扩散层、微孔层、催化层和电解质膜，在沿空气流路方向上，所述微孔层的厚度递减，所述催化层的厚度递增，所述微孔层与所述催化层的总厚度一致。

优选的，所述微孔层和所述催化层的总厚度为20～65μm。

优选的，所述微孔层在空气入口处的厚度为30～55μm，在空气出口处的厚度为20～40μm；所述催化层在空气入口处的厚度为1～10μm，在出口处的厚度为5～30μm。

优选的，所述催化层在出口和入口处的厚度差为1～20μm，所述微孔层在入口和出口处的厚度差为1～20μm。

本申请还提供了所述的燃料电池的膜电极组件的制备方法，包括以下步骤：

A)，制备微孔层浆料混合物和催化层浆料混合物；

B)，在经过疏水处理的气体扩散层表面涂覆微孔层浆料混合物，热处理后得到微孔层；将所述催化层浆料混合物涂覆于电解质膜表面，热处理后得到膜/电极结合体；通过分别控制微孔层与膜/电极结合体的涂覆工艺，使微孔层的厚度在空气流路方向上递减，膜/电极结合体中的催化层的厚度在空气流路方向上递增，所述微孔层与所述催化层的总厚度一致；

C)，将涂覆有微孔层的扩散层与涂覆有催化层的膜/电极结合体制备成膜电极组件。

本申请还提供了所述的燃料电池的膜电极组件的制备方法，包括以下步骤：

A)，制备微孔层浆料混合物和催化层浆料混合物；