CN100477349C - 用于燃料电池的膜电极组件 - Google Patents

用于燃料电池的膜电极组件 Download PDF

Info

Publication number
CN100477349C
CN100477349C CNB2006101215792A CN200610121579A CN100477349C CN 100477349 C CN100477349 C CN 100477349C CN B2006101215792 A CNB2006101215792 A CN B2006101215792A CN 200610121579 A CN200610121579 A CN 200610121579A CN 100477349 C CN100477349 C CN 100477349C
Authority
CN
China
Prior art keywords
electrode assembly
membrane electrode
based polyalcohol
diffusion layer
anode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CNB2006101215792A
Other languages
English (en)
Other versions
CN1921192A (zh
Inventor
吴柾旻
金惠庆
金之来
金峻熙
李云会
朱相熏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Samsung SDI Co Ltd
Original Assignee
Samsung SDI Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Samsung SDI Co Ltd filed Critical Samsung SDI Co Ltd
Publication of CN1921192A publication Critical patent/CN1921192A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100477349C publication Critical patent/CN100477349C/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0232—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0234—Carbonaceous material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0236—Glass; Ceramics; Cermets
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0239—Organic resins; Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0241—Composites
    • H01M8/0243—Composites in the form of mixtures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0241—Composites
    • H01M8/0245—Composites in the form of layered or coated products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0269—Separators, collectors or interconnectors including a printed circuit board
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明提供一种用于燃料电池的膜电极组件，更具体地，本发明提供一种用于燃料电池的膜电极组件，其通过靠近电极催化剂层安装集电体，消除了扩散层和支撑层应该是导电的这一限制。所述膜电极组件通过靠近电极催化剂层安装集电体，可以包括不导电的扩散层和支撑层。因而，扩散层和支撑层中可以采用各种材料，从而改善燃料电池的性能，所述材料为亲水的、疏水的、多孔的、含水的等。另外，因为膜电极组件可以利用低能量迅速制备，所以可以降低膜电极组件的制造成本。

Description

用于燃料电池的膜电极组件
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池的膜电极组件，更具体地，本发明涉及一种用于燃料电池的膜电极组件，其包括扩散层和/或支撑层，该扩散层和/或支撑层选择性地包含改善燃料电池的性能所需的亲水性材料、疏水性材料、多孔性材料、含水材料等中的一种或多种。
背景技术
燃料电池为一种将来自氢和氧之间，或者包含在烃-基物质如甲醇、乙醇或天然气中的氢和氧之间的化学反应的能量直接转化成电能的能量产生系统。根据所采用的电解质，燃料电池可以分为磷酸型燃料电池，熔融碳酸盐型燃料电池，固体氧化物型燃料电池，聚合物电解质膜燃料电池，碱性燃料电池等。这些燃料电池按照相同的原理运行，但是具有不同的燃料，不同的工作温度，不同的催化剂，及不同的电解质。
燃料电池系统中实质上发电的燃料电池组通常具有包括多个单元电池的堆叠结构，单元电池包括膜电极组件(MEA)和隔板或双极板。MEA的结构包括：阳极，即燃料电极或氧化电极；阴极，即空气电极或还原电极；及介于其间彼此紧密接触的聚合物电解质膜。
换言之，电解质膜位于MEA的中心，电极(阴极和阳极)布置在电解质膜的两侧。电极包括催化剂层，扩散层，及支撑层。在常规燃料电池中，聚集电极中所产生的电流并将所聚集的电流输送至外电路的集电体位于支撑层的外侧。因而，扩散层和支撑层应该是导电的，使得催化剂层中产生的电流能够流向集电体。
同时，扩散层和支撑层可以是多孔的以分散材料，可以是疏水的以迅速排出所产生的水，或者可以是亲水的和/或含水的以平稳地提供水。然而，因为形成扩散层和支撑层的材料还应该是导电的，所以形成扩散层和支撑层的材料必定受到限制，因而燃料电池的性能受到限制。
仅对改善导电的扩散层和支撑层的其它性质进行了研究。并未研究通过改变集电体的位置来发展用于扩散层和支撑层的材料。
发明内容
本发明提供一种用于燃料电池的膜电极组件结构，其包括不导电的扩散层。
本发明还提供一种包括该膜电极组件的燃料电池。
根据本发明的一个方面，提供一种用于燃料电池的膜电极组件，其包括：电解质膜；形成于该电解质膜两侧的阳极集电体和阴极集电体；形成于阳极集电体上的阳极催化剂层和形成于阴极集电体上的阴极催化剂层；及形成于阳极催化剂层上的阳极扩散层和形成于阴极催化剂层上的阴极扩散层，其中所述阳极扩散层和阴极扩散层是不导电的。
根据本发明的另一个方面，提供一种用于燃料电池的膜电极组件，其包括：电解质膜；形成于该电解质膜两侧的阳极催化剂层和阴极催化剂层；形成于阳极催化剂层上的阳极集电体和形成于阴极催化剂层上的阴极集电体；及形成于阳极集电体上的阳极扩散层和形成于阴极集电体上的阴极扩散层，其中所述阳极扩散层和阴极扩散层是不导电的。
根据本发明的另一个方面，提供一种包括所述膜电极组件的燃料电池。
附图说明
通过参照附图详述其示例性实施方案，本发明的上述及其它特征和优点将变得更加显而易见，附图中：
图1为用于燃料电池的常规膜电极组件结构的剖视图；
图2A和图2B为根据本发明实施方案的燃料电池的膜电极组件结构的剖视图；
图3为实施例和对比例的燃料电池的试验结果示意图；及
图4为实施例和对比例的燃料电池的试验结果示意图。
具体实施方式
在下文中，现在将参照附图更充分地描述本发明，附图中图示了本发明的示例性实施方案。
根据本发明实施方案的用于燃料电池的膜电极组件包括：电解质膜；形成于该电解质膜两侧的阳极集电体和阴极集电体；形成于阳极集电体上的阳极催化剂层和形成于阴极集电体上的阴极催化剂层；及形成于阳极催化剂层上的阳极扩散层和形成于阴极催化剂层上的阴极扩散层，其中所述阳极扩散层和阴极扩散层是不导电的。
作为选择，根据本发明另一个实施方案的用于燃料电池的膜电极组件包括：电解质膜；形成于该电解质膜两侧的阳极催化剂层和阴极催化剂层；形成于阳极催化剂层上的阳极集电体和形成于阴极催化剂层上的阴极集电体；及形成于阳极集电体上的阳极扩散层和形成于阴极集电体上的阴极扩散层，其中所述阳极扩散层和阴极扩散层是不导电的。
具有1S/cm或更大的电导率的过渡金属可以用作集电体，可以优选使用Au、Ag、Al、Ni、Cu、Pt、Ti、Mn、Zn、Fe、Sn及其合金来形成集电体。另外，可以使用导电聚合物如聚苯胺作为集电体。
集电体可以直接形成于电解质膜或电极催化剂层上。作为选择，集电体可以独立地制备并结合到电解质膜或电极催化剂层上。在电解质膜或电极催化剂层上直接形成集电体的方法可以为溅射，化学气相沉积(CVD)，或者电沉积。独立地制备集电体并将其结合到电解质膜或电极催化剂层上的方法可以为利用柔性印刷电路板(FPCB)，其中导电金属形成于金属网或支撑体上。该支撑体可以为例如导电聚合物薄膜。
将参照图1、图2A和图2B描述膜电极组件的结构。
图1为用于燃料电池的常规膜电极组件结构的剖视图，图2A和图2B为根据本发明实施方案的用于燃料电池的膜电极组件结构的剖视图。
图1所示的用于燃料电池的常规膜电极组件包括位于中心的电解质膜10，及在电解质膜10一侧的阳极催化剂层21和在电解质膜10另一侧的阴极催化剂层22。阳极扩散层31形成于阳极催化剂层21上，阴极扩散层32形成于阴极催化剂层22上。阳极支撑层41形成于阳极扩散层31上，阴极支撑层42形成于阴极扩散层32上。阳极集电体51可以形成于阳极支撑层41上，阴极集电体52可以形成于阴极支撑层42上。
因而，介于阳极催化剂层和阴极催化剂层21和22以及阳极集电体和阴极集电体51和52之间的阳极扩散层和阴极扩散层31和32以及阳极支撑层和阴极支撑层41和42应该是导电的，以便阳极催化剂层和阴极催化剂层21和22中产生的电流能够流向阳极集电体和阴极集电体51和52。
然而，参照图2A，根据本发明实施方案的用于燃料电池的膜电极组件包括位于中心的电解质膜10，在电解质膜10一侧的阳极集电体51，及在电解质膜10另一侧的阴极集电体52。阳极催化剂层21形成于阳极集电体51上，阴极催化剂层22形成于阴极集电体52上。阳极扩散层31形成于阳极催化剂层21上，阴极扩散层32形成于阴极催化剂层22上。阳极支撑层41可以形成于阳极扩散层31上，阴极支撑层42可以形成于阴极扩散层32上。
另外，如图2A所示，阳极集电体51和阴极集电体52可以介于电解质膜10与阳极催化剂层和阴极催化剂层21和22之间，但是如图2B所示，阳极集电体51和阴极集电体52可以介于阳极催化剂层和阴极催化剂层21和22及阳极扩散层和阴极扩散层31和32之间。
所以，在根据本发明实施方案的图2A和图2B所示的膜电极组件中，对于电极催化剂层和集电体之间的电流，电极催化剂层中产生的电流不需要穿过扩散层和支撑层，因而扩散层和支撑层不需要是导电的。因此，常规膜电极组件的催化剂层中产生的电子穿过扩散层和支撑层时产生的电阻，没有在根据本发明实施方案的膜电极组件中产生。另外，可以使用各种其它材料形成扩散层，以改善本发明的燃料电池的性能，而没有导电性的限制。
另外，因为膜电极组件可以以低能量快速制备，所以根据本发明实施方案的膜电极组件的制造成本可以显著降低。
扩散层可以为疏水的、亲水的、多孔的和/或含水的。
扩散层可以具有疏水性或亲水性，以迅速排出在电极催化剂层中形成的水或者使空气平稳地流动。此处，扩散层中的疏水性材料可以为下列中的一种：聚乙烯-基聚合物树脂，聚苯乙烯-基聚合物树脂，氟-基聚合物树脂，聚丙烯-基聚合物树脂，聚甲基丙烯酸甲酯-基聚合物树脂，聚酰亚胺-基聚合物树脂，聚酰胺-基聚合物树脂，聚对苯二甲酸乙二酯-基聚合物树脂，及其混合物，但不限于此。
扩散层还可以是亲水的，以平稳地提供水，并且扩散层中的亲水性材料可以为下列中的一种：在一端包含羟基、羧基、胺基或砜基的聚合物树脂，聚乙烯醇-基聚合物树脂，纤维素-基聚合物树脂，聚乙烯胺-基聚合物树脂，聚环氧乙烷-基聚合物树脂，聚乙二醇-基聚合物树脂，尼龙-基聚合物树脂，聚丙烯酸酯-基聚合物树脂，聚酯-基聚合物树脂，聚乙烯基吡咯烷酮-基聚合物树脂，乙烯乙酸乙烯酯-基树脂，及其混合物，但不限于此。
扩散层还可以是含水的，以平稳地提供水，除了上述亲水性材料之外，扩散层中的含水材料可以为金属氧化物如Al2O3、ZrO2和TiO2，及SiO2中的一种，但不限于此。
扩散层还可以是多孔的，以平稳地提供氧化剂如空气，扩散层中的多孔性材料可以为多孔性聚合物树脂或其它颗粒物。多孔性材料可以为上述的亲水性或疏水性材料，但不限于此。
多孔性材料的孔隙的平均直径可以为3nm～500μm。当多孔性材料的孔隙的直径小于3nm时，压力急剧下降并且气体扩散不能适当地进行。当多孔性材料的孔隙的直径大于500μm时，气体扩散会不均匀。
多孔性材料的空隙率可以为20～90％。当多孔性材料的空隙率小于20％时，气体扩散不能适当地进行。当多孔性材料的空隙率大于90％时，扩散层的力学强度会大大降低。
上述可以为疏水的、亲水的、含水的或多孔的非导电性材料，可以为颗粒物。该颗粒物可以具有棒形、球形、纤维形或其它不规则形状，但是对颗粒物的形状没有限制。非导电性颗粒物的颗粒的尺寸可以为50nm～500μm。当颗粒的尺寸在该范围内时，可以实现孔隙的适当的直径和适宜的空隙率。
为了利用所述颗粒物形成扩散层，可以使用粘结剂来粘结非导电性颗粒物。该粘结剂可以为聚合物材料如聚偏二氟乙烯(PVdF)，或者上述的亲水性或疏水性聚合物材料，但不限于此。
粘结剂的量按非导电性材料和粘结剂的混合物的重量计可以为20～90％重量。当粘结剂的量小于20％重量时，由于非导电性材料颗粒之间的结合不充分，所以扩散层在力学上会不够牢固。当粘结剂的量大于90％重量时，不会充分地实现非导电性材料所需的性质。
通过层压上述具有不同性质的各层，可以制备扩散层。单一扩散层也可同时具有两种或多种上述性质。
另外，根据本发明实施方案的膜电极组件还可以包括形成于阳极扩散层和阴极扩散层上的支撑层。
因为在电极催化剂层中产生的电流不需要穿过支撑层到达集电体，所以支撑层不必是导电的。
因此，支撑层可以由非导电性材料、导电性材料及其混合物中的一种构成。非导电性材料可以为颗粒物。该颗粒物可以具有棒形、球形、纤维形或其它不规则形状，但是颗粒物的形状不限于此。非导电性颗粒物的颗粒的尺寸可以为50nm～500μm。当颗粒的尺寸在该范围内时，可以实现孔隙的适当的直径和适宜的空隙率。
当非导电性材料不能形成板时，可以使用粘结剂来粘结非导电性材料以形成板。所述粘结剂可以为任何聚合物树脂。具体地，粘结剂可以为上述的亲水性或疏水性聚合物材料，例如聚偏二氟乙烯(PVdF)，但不限于此。
粘结剂的量按支撑层的重量计可以为10～90％重量。当粘结剂的量小于10％重量时，由于非导电性材料颗粒之间的结合不充分，所以支撑层在力学上会不够牢固。当粘结剂的量大于90％重量时，不会充分地实现非导电性材料的性质。
另外，可以使用各种其它材料形成支撑层，以改善燃料电池的性能，而没有导电性的限制。
如上述扩散层一样，支撑层也可以为疏水的、亲水的、多孔的和/或含水的。
支撑层可以具有疏水性或亲水性，以迅速排出电极中形成的水或使空气平稳地流动。此处，支撑层中的疏水性材料可以为下列中的一种：聚乙烯-基聚合物树脂，聚苯乙烯-基聚合物树脂，氟-基聚合物树脂，聚丙烯-基聚合物树脂，聚甲基丙烯酸甲酯-基聚合物树脂，聚酰亚胺-基聚合物树脂，聚酰胺-基聚合物树脂，聚对苯二甲酸乙二酯-基聚合物树脂，及其混合物，但不限于此。
支撑层还可以是亲水的，以平稳地提供水，支撑层中的亲水性材料可以为下列中的一种：在一端包含羟基、羧基、胺基或砜基的聚合物树脂，聚乙烯醇-基聚合物树脂，纤维素-基聚合物树脂，聚乙烯胺-基聚合物树脂，聚环氧乙烷-基聚合物树脂，聚乙二醇-基聚合物树脂，尼龙-基聚合物树脂，聚丙烯酸酯-基聚合物树脂，聚酯-基聚合物树脂，聚乙烯基吡咯烷酮-基聚合物树脂，乙烯乙酸乙烯酯-基树脂，及其混合物，但不限于此。
支撑层还可以是含水的，以平稳地提供水，除了上述亲水性材料之外，支撑层中的含水材料可以为下列中的一种：金属氧化物如Al2O3、ZrO2和TiO2，及SiO2，但不限于此。
支撑层还可以是多孔的，以平稳地提供氧化剂如空气，支撑层中的多孔性材料可以为多孔性聚合物树脂或其它颗粒物。多孔性材料可以为上述的亲水性或疏水性材料，但不限于此。
多孔性材料的孔隙的平均直径可以为0.1μm～1mm。当多孔性材料的孔隙的直径小于0.1μm时，压力急剧下降并且气体扩散不能很好地进行。当多孔性材料的孔隙的直径大于1mm时，气体扩散会不均匀。
多孔性材料的空隙率可以为10～90％。当多孔性材料的空隙率小于10％时，气体扩散不能很好地进行。当多孔性材料的空隙率大于90％时，支撑层的力学强度会大大降低。
因为支撑层不必是导电的，所以支撑层可以由导电性材料如金属和碳-基材料，或者陶瓷材料构成。
碳-基材料可以为碳纤维，炭纸，炭布，碳纳米管，碳纳米纤维，碳纳米角，碳纳米环，炭黑，石墨，富勒烯，活性炭，乙炔黑等。
陶瓷材料可以为金属氧化物如氧化铝、氧化钨、氧化镍、氧化钒、氧化锆和二氧化钛，二氧化硅-基化合物如沸石，粘土如蒙脱石、膨润土和莫来石，碳化硅，或者堇青石，但不限于此。
通过层压具有不同的上述性质的各层，可以制备支撑层。单一支撑层还可以同时具有两种或多种上述性质。
根据本发明实施方案，提供了包括本发明的膜电极组件的燃料电池。
根据本发明的当前实施方案的燃料电池包括具有如上所述结构的膜电极组件。本实施方案的燃料电池可以用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)，直接甲醇燃料电池(DMFC)，磷酸燃料电池(PAFC)等中。具体地，本实施方案的燃料电池可以更有效地用于PEMFC和DMFC中。
本实施方案的燃料电池可以利用各种已知的方法制备，而没有具体限制。在本文中不公开该已知方法的详细说明。
将参照下面的实施例更详细地描述本发明。下面的实施例仅是为了说明性目的，而不是限制本发明的范围。
实施例1
通过搅拌60分钟，将7g有序的(ordered)中孔二氧化硅(OMS)和3gPVdF充分分散在20ml丙酮中，制备第一分散体。通过搅拌60分钟，将7g二氧化硅(SiO2)和3g PVdF充分分散在20ml丙酮中，制备第二分散体。将3cm×3cm网状镍集电体布置在电解质膜(Nafion 112)的两侧，接着将商业上可以得到的其中铂担载在碳上的催化剂层布置在集电体上。
将第一和第二分散体喷涂在催化剂层上并在室温下干燥约10分钟，形成扩散层。此处，喷涂第一分散体形成阴极扩散层，喷涂第二分散体形成阳极扩散层。然后，将炭纸(得自东丽株式会社(Toray Industries，Inc.))布置在阳极扩散层上形成阳极支撑层，将包含20％重量的PTFE的炭纸布置在阴极扩散层上形成阴极支撑层并完成膜电极组件的形成。
实施例1的膜电极组件的结构总结于下表1中。
采用上面实施例1中制得的膜电极组件制备DMFC，向阳极提供3 M甲醇溶液并手动地向阴极提供空气，以测量DMFC的性能。结果示于图3和图4中。
实施例2
通过搅拌60分钟，将7g纳米尺寸的二氧化硅和3g PVdF充分分散在20ml丙酮中，制备第一分散体。通过搅拌60分钟，将7g二氧化硅(SiO2)和3g PVdF充分分散在20ml丙酮中，制备第二分散体。将3cm×3cm网状镍集电体布置在电解质膜(Nafion 112)的两侧，接着将商业上可以得到的其中铂担载在碳上的催化剂层布置在集电体上。将第一和第二分散体喷涂在催化剂层上并在室温下干燥约10分钟，形成扩散层。此处，喷涂第一分散体形成阴极扩散层，喷涂第二分散体形成阳极扩散层。然后，将炭纸(得自东丽株式会社)布置在阳极扩散层上形成阳极支撑层，将包含20％重量的PTFE的炭纸布置在阴极扩散层上形成阴极支撑层并完成膜电极组件的形成。
实施例2的膜电极组件的结构总结于下表1中。
采用上面实施例2中制得的膜电极组件制备DMFC，向阳极提供3M甲醇溶液并手动地向阴极提供空气，以测量DMFC的性能。结果示于图3和图4中。
实施例3
通过搅拌60分钟，将7g炭粉和3g PTFE充分分散在20ml异丙醇中，制备分散体。将商业上可以得到的其中铂担载在碳上的催化剂层布置在电解质膜(Nafion 112)的两侧。将分散体喷涂在催化剂层上并在360℃的炉子中烧结40分钟。然后，将炭纸(得自东丽株式会社)布置在阳极扩散层上形成阳极支撑层，将包含20％重量的PTFE的炭纸布置在阴极扩散层上形成阴极支撑层。将Ni-网集电体布置在阳极和阴极支撑层上，完成膜电极组件的形成。
实施例3的膜电极组件的结构总结于下表1中。
采用上面实施例3中制得的膜电极组件制备DMFC，向阳极提供3 M甲醇溶液并手动地向阴极提供空气，以测量DMFC的性能。结果示于图3和图4中。
实施例4
通过搅拌60分钟，将7g纳米尺寸的二氧化钛和3g PVdF充分分散在20ml丙酮中，制备第一分散体。通过搅拌60分钟，将7g二氧化硅(SiO2)和3g PVdF充分分散在20ml丙酮中，制备第二分散体。将商业上可以得到的其中铂担载在碳上的催化剂层布置在电解质膜(Nafion 112)的两侧，接着将3cm×3cm网状镍集电体布置在催化剂层上。将第一和第二分散体喷涂在催化剂层上并在室温下干燥约10分钟形成扩散层。此处，喷涂第一分散体形成阴极扩散层，喷涂第二分散体形成阳极扩散层。然后，将炭纸(得自东丽株式会社)沉积在阳极扩散层上形成阳极支撑层，将包含20％重量的PTFE的炭纸沉积在阴极扩散层上形成阴极支撑层并完成膜电极组件的形成。
实施例4的膜电极组件的结构总结于下表1中。
采用上面实施例4中制得的膜电极组件制备DMFC，向阳极提供3M甲醇溶液并手动地向阴极提供空气，以测量DMFC的性能。结果示于图3和图4中。
对比例
通过搅拌60分钟，将7g炭粉和3g PTFE充分分散在20ml异丙醇中，制备分散体。将商业上可以得到的其中铂担载在碳上的催化剂层布置在电解质膜(Nafion 112)的两侧。将分散体喷涂在催化剂层上并在360℃的炉子中烧结40分钟。然后，将炭纸(得自东丽株式会社)布置在阳极扩散层上形成阳极支撑层，将包含20％重量的PTFE的炭纸沉积在阴极扩散层上形成阴极支撑层。将Ni-网集电体布置在阳极和阴极支撑层上，完成膜电极组件的形成。
对比例的膜电极组件的结构总结于下表1中。
采用上面的对比例中制得的膜电极组件制备DMFC，向阳极提供3M甲醇溶液并手动地向阴极提供空气，以测量DMFC的性能。结果示于图3和图4中。在图4中，I是指电流密度，E是指电池电压。
表1
a：集电体介于电解质膜和催化剂层之间。
b：集电体位于膜电极组件的外部。
c：集电体介于催化剂层和扩散层之间。
如图3所示，得自实施例1至4的燃料电池的电功率远大于得自对比例的燃料电池的电功率。如图4所示，得自实施例1至4的燃料电池的性能大大好于得自对比例的燃料电池的性能。这是由于当电流迁移至集电体时电阻降低，穿过利用多孔性材料如中孔二氧化硅的扩散层的燃料的平稳提供，及水的平稳提供和排出。具体地，用于实施例1、2和4中的OMS和SiO2的疏水性有助于燃料的均匀提供和水的平稳排出。
在对比例中，扩散层应该在360℃下烧结40分钟；然而，实施例1至4的扩散层仅通过在室温下干燥10分钟来制备。因而，可以节省用于制备本发明的燃料电池的能量和时间。
根据本发明的用于燃料电池的膜电极组件，通过靠近电极催化剂层安装集电体，可以包括不导电的扩散层和支撑层。因而，扩散层和支撑层中可以采用各种材料，从而改善燃料电池的性能，所述材料为亲水的、疏水的、多孔的、含水的等。
另外，能够降低本发明的用于燃料电池的膜电极组件的制造成本，因为膜电极组件可以利用低能量迅速制备。
尽管已经参照其示例性实施方案具体地说明和描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将会理解其中可以进行各种形式和细节上的变化，而不脱离如所附的权利要求书所限定的本发明的构思和范围。

Claims (19)

1.一种用于燃料电池的膜电极组件，包括：
电解质膜；
形成于该电解质膜两侧的阳极集电体和阴极集电体；
形成于阳极集电体上的阳极催化剂层和形成于阴极集电体上的阴极催化剂层；及
形成于阳极催化剂层上的阳极扩散层和形成于阴极催化剂层上的阴极扩散层，
其中所述阳极扩散层和阴极扩散层是不导电的。
2.一种用于燃料电池的膜电极组件，包括：
电解质膜；
形成于该电解质膜两侧的阳极催化剂层和阴极催化剂层；
形成于阳极催化剂层上的阳极集电体和形成于阴极催化剂层上的阴极集电体；及
形成于阳极集电体上的阳极扩散层和形成于阴极集电体上的阴极扩散层，
其中所述阳极扩散层和阴极扩散层是不导电的。
3.根据权利要求1或2的膜电极组件，其中所述阳极扩散层和阴极扩散层各自由一种选自下列中的材料构成：疏水性材料，亲水性材料，含水材料，多孔性材料，及其混合物。
4.根据权利要求3的膜电极组件，其中所述疏水性材料为一种选自下列中的材料：聚乙烯-基聚合物树脂，聚苯乙烯-基聚合物树脂，氟-基聚合物树脂，聚丙烯-基聚合物树脂，聚甲基丙烯酸甲酯-基聚合物树脂，聚酰亚胺-基聚合物树脂，聚酰胺-基聚合物树脂，聚对苯二甲酸乙二酯-基聚合物树脂，及其混合物。
5.根据权利要求3的膜电极组件，其中所述亲水性材料为一种选自下列中的材料：在一端包含羟基、羧基、胺基或砜基的聚合物树脂，聚乙烯醇-基聚合物树脂，纤维素-基聚合物树脂，聚乙烯胺-基聚合物树脂，聚环氧乙烷-基聚合物树脂，聚乙二醇-基聚合物树脂，尼龙-基聚合物树脂，聚丙烯酸酯-基聚合物树脂，聚酯-基聚合物树脂，聚乙烯基吡咯烷酮-基聚合物树脂，乙烯乙酸乙烯酯-基树脂，及其混合物。
6.根据权利要求3的膜电极组件，其中所述含水材料为一种选自下列中的材料：在一端包含羟基、羧基、胺基或砜基的聚合物树脂，聚乙烯醇-基聚合物树脂，纤维素-基聚合物树脂，聚乙烯胺-基聚合物树脂，聚环氧乙烷-基聚合物树脂，聚乙二醇-基聚合物树脂，尼龙-基聚合物树脂，聚丙烯酸酯-基聚合物树脂，聚酯-基聚合物树脂，聚乙烯基吡咯烷酮-基聚合物树脂，乙烯乙酸乙烯酯-基树脂，Al2O3，ZrO2，TiO2，SiO2，及其混合物。
7.根据权利要求3的膜电极组件，其中所述多孔性材料的孔隙的平均直径为3nm～500μm。
8.根据权利要求3的膜电极组件，其中所述多孔性材料的空隙率为10～90％。
9.根据权利要求1或2的膜电极组件，其中所述阳极扩散层和阴极扩散层包含非导电性材料和粘结剂，该粘结剂的量按非导电性材料和粘结剂的混合物的重量计为20～90％重量。
10.根据权利要求1或2的膜电极组件，还包括形成于每一个阳极扩散层和阴极扩散层上的支撑层。
11.根据权利要求10的膜电极组件，其中所述支撑层由一种选自下列中的材料构成：非导电性材料，导电性材料，及其混合物。
12.根据权利要求10的膜电极组件，其中所述支撑层还包含粘结剂，该粘结剂的量按支撑层的重量计为10～90％重量。
13.根据权利要求10的膜电极组件，其中所述支撑层由多孔性材料构成。
14.根据权利要求13的用于燃料电池的膜电极组件，其中所述多孔性材料中的孔隙的平均直径为0.1μm～1mm。
15.根据权利要求13的膜电极组件，其中所述多孔性材料的空隙率为10～90％。
16.根据权利要求10的膜电极组件，其中所述支撑层由一种选自下列中的材料构成：金属，陶瓷，及碳-基材料。
17.根据权利要求1或2的膜电极组件，其中所述阳极集电体和阴极集电体各自独立地由一种选自下列中的材料构成：Au，Ag，Al，Ni，Cu，Pt，Ti，Mn，Zn，Fe，Sn，及其合金。
18.根据权利要求1或2的膜电极组件，其中所述阳极集电体和阴极集电体各自包括其中导电金属形成于导电聚合物薄膜上的柔性印刷电路板(FPCB)。
19.一种燃料电池，其包括权利要求1或2的膜电极组件。
CNB2006101215792A 2005-08-23 2006-08-23 用于燃料电池的膜电极组件 Expired - Fee Related CN100477349C (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR77533/05 2005-08-23
KR1020050077533A KR101213476B1 (ko) 2005-08-23 2005-08-23 연료전지용 막전극 접합체

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1921192A CN1921192A (zh) 2007-02-28
CN100477349C true CN100477349C (zh) 2009-04-08

Family

ID=37778834

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB2006101215792A Expired - Fee Related CN100477349C (zh) 2005-08-23 2006-08-23 用于燃料电池的膜电极组件

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8415072B2 (zh)
JP (1) JP4755551B2 (zh)
KR (1) KR101213476B1 (zh)
CN (1) CN100477349C (zh)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5125275B2 (ja) * 2007-02-05 2013-01-23 トヨタ自動車株式会社 燃料電池および燃料電池搭載車両
WO2009061682A2 (en) * 2007-10-31 2009-05-14 Electrochem, Inc. Integrated flow field (iff) structure
CN101425584B (zh) * 2007-11-02 2011-05-04 清华大学 燃料电池膜电极及其制备方法
TW200921975A (en) * 2007-11-08 2009-05-16 Univ Nat Central Fuel cell with composite pole plate
JP2009181919A (ja) * 2008-01-31 2009-08-13 Equos Research Co Ltd 膜電極接合体及び燃料電池
SG178806A1 (en) * 2008-09-08 2012-03-29 Univ Nanyang Tech Electrode materials for metal-air batteries, fuel cells and supercapacitors
US9337474B1 (en) 2010-05-20 2016-05-10 Halbert P. Fischel Electrodes for electrochemical cells
KR101326120B1 (ko) * 2010-08-18 2013-11-06 (주)엘켐텍 전기분해모듈 및 이를 포함하는 산소 발생기
CN103326000B (zh) * 2013-05-28 2015-05-13 遵义师范学院 一种锂离子电池负极复合材料的制备方法
US10522856B2 (en) 2014-12-03 2019-12-31 Global Energy Science, Llc Electrochemical cells with mobile electrolyte
KR102119915B1 (ko) * 2015-09-01 2020-06-05 주식회사 엘지화학 복합 전해질막, 강화복합 전해질막 및 이를 포함하는 연료전지
WO2018057416A1 (en) * 2016-09-23 2018-03-29 Global Energy Science, Llc Ultralow resistance electrodes for electrochemical cells
EP3589443A4 (en) * 2017-03-01 2021-01-20 Global Energy Science, LLC DETACHABLE PELLICLE GALVANIC FASTENING TOOL
US10637074B2 (en) * 2017-07-19 2020-04-28 Microsoft Technology Licensing, Llc Flexible battery with liquid metal electrode
CN107731873B (zh) * 2017-10-12 2020-01-31 深圳市华星光电半导体显示技术有限公司 彩膜基板及其制作方法以及oled显示器件

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5709961A (en) 1996-06-06 1998-01-20 Lynntech, Inc. Low pressure fuel cell system
IT1284072B1 (it) 1996-06-26 1998-05-08 De Nora Spa Cella elettrochimica a membrana provvista di elettrodi a diffusione gassosa contattati da portacorrente metallici lisci e porosi a
DE19735854C2 (de) 1997-08-19 2002-08-01 Daimler Chrysler Ag Stromkollektor für eine Brennstoffzelle und Verfahren zu seiner Herstellung
KR100421708B1 (ko) 1998-08-20 2004-03-11 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤 연료전지 및 그 제조방법
US6492052B2 (en) 1999-12-17 2002-12-10 The Regents Of The University Of California Air breathing direct methanol fuel cell
JP2002231265A (ja) * 2001-01-29 2002-08-16 Japan Pionics Co Ltd 燃料電池
JP4691794B2 (ja) 2001-02-09 2011-06-01 ソニー株式会社 電気化学デバイスの製造方法
JP2003045456A (ja) 2001-08-02 2003-02-14 Hitachi Ltd 固体高分子型燃料電池スタック
US6716549B2 (en) 2001-12-27 2004-04-06 Avista Laboratories, Inc. Fuel cell having metalized gas diffusion layer
JP2003272671A (ja) 2002-03-15 2003-09-26 Riken Corp 固体高分子電解質型燃料電池のセルユニット
CN1314153C (zh) 2002-03-15 2007-05-02 株式会社理研 固体高分子电解质型燃料电池的电池组件
AU2003297783A1 (en) 2002-12-27 2004-07-29 Foamex L.P. Gas diffusion layer containing inherently conductive polymer for fuel cells
WO2004102722A2 (en) * 2003-05-09 2004-11-25 Foamex L.P. Gas diffusion layer having carbon particle mixture
JP2004355925A (ja) 2003-05-28 2004-12-16 Nissan Motor Co Ltd 固体高分子型燃料電池及びその製造方法
FR2857162B1 (fr) 2003-07-01 2014-04-11 Commissariat Energie Atomique Pile a combustible comportant des collecteurs de courant integres a l'empilement electrode-membrane-electrode.
JP2005105241A (ja) 2003-09-30 2005-04-21 Daiyatekku Kk 加熱油脂の劣化防止の方法と改質器
JP4781626B2 (ja) 2003-12-15 2011-09-28 日立マクセルエナジー株式会社 燃料電池
JP2004140000A (ja) 2003-12-26 2004-05-13 Nec Corp 燃料電池、燃料電池用電極およびそれらの製造方法
JP2005243423A (ja) 2004-02-26 2005-09-08 Toyota Motor Corp 燃料電池
JP2006286416A (ja) * 2005-03-31 2006-10-19 Fujitsu Ltd 燃料電池

Also Published As

Publication number Publication date
US20070048594A1 (en) 2007-03-01
US8415072B2 (en) 2013-04-09
CN1921192A (zh) 2007-02-28
JP2007059400A (ja) 2007-03-08
KR20070023219A (ko) 2007-02-28
KR101213476B1 (ko) 2012-12-18
JP4755551B2 (ja) 2011-08-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100477349C (zh) 用于燃料电池的膜电极组件
CN100517822C (zh) 膜电极组件和包括它的燃料电池系统
KR100658675B1 (ko) 연료전지용 전극, 이를 포함하는 연료전지 및 연료전지용전극의 제조방법
US7351444B2 (en) Low platinum fuel cell catalysts and method for preparing the same
US20050112450A1 (en) Low platinum fuel cell catalysts and method for preparing the same
JP3747888B2 (ja) 燃料電池、燃料電池用電極およびそれらの製造方法
US20070148531A1 (en) Catalyst electrode, production process thereof, and polymer electrolyte fuel cell
KR102141882B1 (ko) 혼합 촉매를 포함하는 연료전지 전극 형성용 조성물, 연료전지용 전극 및 이의 제조방법
US20100227255A1 (en) Cell module for fuel cell, method for forming cell module, and fuel cell
TW525314B (en) Fuel cell and method for preparation thereof
JP2007194197A (ja) 触媒電極、その製造方法および固体高分子型燃料電池
KR100766960B1 (ko) 연료전지용 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리, 이를포함하는 연료전지 시스템, 및 연료전지용 전극의 제조방법
KR20080047765A (ko) 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법, 및 이를포함하는 연료전지 시스템
KR20090055304A (ko) 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법, 및 이를포함하는 연료전지 시스템
KR101265194B1 (ko) 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법, 및 이를포함하는 연료전지 시스템
KR20090032772A (ko) 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법, 및 이를포함하는 연료전지 시스템
KR100578977B1 (ko) 연료전지용 전극, 이를 포함하는 연료전지 및 연료전지용전극의 제조방법
JP2006252910A (ja) 燃料電池
Carneiro et al. Nano-inks for fuel cells application
JP2004140000A (ja) 燃料電池、燃料電池用電極およびそれらの製造方法
KR100766975B1 (ko) 연료 전지용 캐소드 촉매, 및 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리, 및 연료전지 시스템
KR100766978B1 (ko) 연료 전지용 애노드 촉매, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR101191634B1 (ko) 연료 전지용 캐소드 촉매, 및 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템
JP2009301824A (ja) 膜電極接合体及びその製造方法、並びに、燃料電池及びその製造方法
JP2006244951A (ja) 燃料電池用電極及び燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20090408

Termination date: 20180823