[发明专利]一种一体式可逆燃料电池膜电极阴极侧结构

说明书

本发明涉及一种一体式可逆燃料电池膜电极阴极侧结构，该结构放置于一体式可逆燃料电池阴极一侧，包括亲疏水特性间隔交替的气体扩散层和复合功能催化层；所述的气体扩散层包括亲疏水特性间隔交替的孔径大于25μm的气体扩散支撑层和亲疏水特性间隔交替的孔径为0.1‑10μm的气体扩散微孔层。与现有技术相比，本发明具有膜电极阴极一侧水和气的分离与定位传输的优点，提高了电池水管理和传质效率，保证了可逆燃料电池高性能输出。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种一体式可逆燃料电池膜电极阴极侧结构。

背景技术

能源是现代社会赖以生存和发展的基础。随着人类社会的不断进步，人类赖以生存的煤炭、石油和天然气等化石燃料正日渐枯竭，同时，化石燃料的消耗带来空气污染日益严重、全球气候变暖加快的问题。因此，开发新能源，提高燃料利用率，探索代替石油等化石燃料的清洁能源技术，已成为本世纪人类必须解决的世界性课题。作为新型的储能电池，一体式可再生燃料电池URFC(Unitized Regenerativefuel cell)兼具发电和电解功能，比能量可高达400-1000Wh/kg，是目前最轻的高能可充电池的几倍。作为储能物质的“水”可循环使用，反应物与产物仅在氢、氧和水间转换，且具有使用中无自放电，无电池容量限制等优点，是一种新型高效环保的储能系统。

膜电极(MEA)是URFC的核心部件，它是燃料发生电化学反应产生电能的场所，同时还兼具电解水制取氢气和氧气的功能，其性能、可靠性和稳定性的高低直接决定了一体式可逆燃料电池性能的优劣。现有的一体式可逆燃料电池的MEA阴极侧通常由阴极侧气体扩散层、阴极侧催化层以及质子交换膜组成。当一体式可逆燃料电池执行燃料电池(FC)功能时，氧气经过气体扩散层在双功能催化层上发生反应：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O，对外输出电能，生成的水储存；执行电解池(WE)功能时，水经过气体扩散层在阴极一侧的双功能催化层上发生反应：2H₂O-4e^-→O₂+4H⁺，在外加电能下，存储的水电解成氢气和氧气储存。从一体式可逆燃料电池的功能看，阴极侧MEA需要满足FC时分配气体，排出生成水，WE时分配水，排出所生成氧气的可逆要求。但是，无论是FC模式还是WE模式，由于反应物与生成物的流动介质相态不同且流通方向相反，给阴极侧MEA的水气管理提出了很高的要求。

传统的MEA阴极侧气体扩散层为了防止水淹，通常采用疏水性结构，导致了WE模式下催化层无法获取大量的水供应；同时，传统的MEA结构无法将反应物与生成物有效分离，造成气体和水管理难以达标，反应物传质不足，URFC系统效率低下，严重制约了一体式可再生燃料电池的推广应用。目前国内外关于一体式燃料电池MEA亲疏交替结构的研究尚属空白。在有关MEA结构及制备方法的专利中，中国发明专利CN102437347A设计了一款局部亲水的气体扩散层，该装置可以通过简单的工序有效去除燃料电池组中产生的水，进而改进燃料电池组的性能。美国发明专利US20200131657A1利用喷涂工艺实现了催化层Pt颗粒与Ir的分层堆叠，扩散层采用疏水处理，改善了一体式可再生燃料电池的性能。中国发明专利CN112331858A研制了一种催化剂原位生长于有序结构微孔层上的燃料电池，由于催化层均匀生长在有序微孔层中，增大了催化反应面积，提高了燃料电池的效率。中国发明专利CN103165904B提供了一种燃料电池氧化还原和水解双效催化剂的特定组合，便于双向可逆电池的正常运行。然而，这些方案无法实现水气定位传输，难以满足一体式可逆燃料电池的水气管理要求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种膜电极阴极一侧水和气的分离与定位传输，提高了电池水管理和传质效率，保证了可逆燃料电池高性能输出的一体式可逆燃料电池膜电极阴极侧结构。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：