CN101364646A - 一种带水汽阻隔层的燃料电池电极 - Google Patents

一种带水汽阻隔层的燃料电池电极 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种带水汽阻隔层的燃料电池电极，该燃料电池电极包括位于中间的质子交换膜层、位于质子交换膜层两侧的电极催化剂层和位于电极催化剂层外侧的气体扩散层，所述的扩散层是由水汽阻隔层和碳纸或多孔石墨箔或金属网构成，所述的水汽阻隔层紧帖燃料电池催化剂层。与现有技术相比，本发明具有保水能力高，运行稳定等特点。

Description

一种带水汽阻隔层的燃料电池电极
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，尤其涉及一种带水汽阻隔层的燃料电池电极。
背景技术
对于空冷燃料电池而言，因为其系统简单系统稳定性高而倍受关注，但在单路空气冷却型燃料电池系统中，燃料电池运行时，环境温度和相对湿度将会对直接影响燃料电池膜电极的运行温度和相对湿度。对于常规全氟磺酸膜而言，膜湿度情况也直接影响了膜的导质子能力，从而环境温度和湿度直接影响了燃料电池的稳定性。
发明内容
本发明的目的就是为了克服了上述现有技术存在的缺陷而提供一种保水能力高，运行稳定的带水汽阻隔层的燃料电池电极。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种带水汽阻隔层的燃料电池电极，该燃料电池电极包括位于中间的质子交换膜层、位于质子交换膜层两侧的电极催化剂层和位于电极催化剂层外侧的气体扩散层，其特征在于：所述的扩散层是由水汽阻隔层和碳纸或多孔石墨箔或金属网构成，所述的水汽阻隔层紧帖燃料电池催化剂层。
所述的水汽阻隔层是由20％～50％质量的高导电性碳粉和50％～80％质量的疏水树脂组成，其厚度为0.12毫米～0.70毫米，水汽阻隔层单位面积的质量为12.1-49.8mg/cm2，其体密度在0.6g/cm3-1.1g/cm3之间。
所述的高导电性碳粉的粒径为15纳米～15微米，包括乙炔黑，石墨粉。
所述的疏水树脂选自聚全氟乙丙烯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯中的一种或几种。
所述的水汽阻隔层由20％～50％质量的高导电碳粉和50％～80％质量的疏水树脂组成范围内的固定比例的单一层或不同比例的多层构成。
为了提高燃料电池电极在非增湿条件下的运行稳定性，一方面可以通过对燃料电池的膜进行处理，对燃料电池的催化剂层进行处理，提高其保水能力提高燃料电池的膜电极在低湿度条件下的运行稳定性。另一方面可以通过对燃料电池的扩散层进行处理，提高其保水能力。与现有技术相比，本发明通过对扩散层进行处理来提高其保水能力，从而提高了燃料电池的运行稳定性。
附图说明
图1为本发明带水汽阻隔层的燃料电池电极的截面结构示意图；
图2为本发明实施例4的燃料电池电极运行电流随时间的变化曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明作进一步说明。
图1为本发明的带水汽阻隔层的燃料电池电极的截面结构示意图，包括质子交换膜层在此选用Nafion膜3、电极催化剂层4、水汽阻隔层2，扩散层1。质子交换膜层3位于整个电极的中间、两电极催化剂层4分别位于质子交换膜层3的两侧，两水汽阻隔层2分别位于两电极催化剂层4的外侧，两气体扩散层1分别位于两水汽阻隔层2的外侧。
本发明中的质子交换膜层3起着分隔气体和导通质子的作用。电极催化剂层4可以是由Pt/C和质子交换树脂构成，附在膜的两侧，是气体参加电化学反应的场所。水汽阻隔层2由导电碳粉和树脂构成，紧贴电极催化剂层。气体扩散层1一般是碳纸、碳布或具有均一孔径的柔性石墨片，金属网等高导电性透气性材料，位于水汽阻隔层的外侧。
实施例1
取1g Vulcan XC-72高导电性碳粉，加入30g异丙醇，超声震荡，搅拌均匀后加入20g水，搅拌均匀，然后滴加60％PTFE树脂乳液2g，过程中不断搅拌。将得到的浆料采用丝网印刷的方式分多次采用刷-烘-烧结等过程刷到100cm2日本东丽公司生产的0.2mm厚碳纸上，然后将所得带碳粉-树脂层的碳纤维纸放入热压机中为温度为120℃-300℃，压力为60kg/cm2，范围内压缩所制的扩散层，被压缩的碳粉-树脂层即是本发明所提到的燃料电池电极的水汽阻隔层。
实施例2
取1.2g Vulcan XC-72高导电性碳粉，加入30g异丙醇，超声震荡，搅拌均匀后加入20g水，搅拌均匀，然后滴加60％PTFE树脂乳液4g，过程中不断搅拌。将得到的浆料采用丝网印刷的方式分多次采用刷-烘-烧结等过程刷到100cm2日本东丽公司生产的0.2mm厚碳纸上，然后将所得带碳粉-树脂层的碳纤维纸放入热压机中为温度为120℃-300℃，压力为60kg/cm2，范围内压缩所制的扩散层，被压缩的碳粉-树脂层即是本发明所提到的燃料电池电极的水汽阻隔层。
实施例3
取1.2g Vulcan XC-72高导电性碳粉，加入20g乙醇，超声震荡，搅拌均匀后加入20g水，搅拌均匀，然后滴加60％PTFE树脂乳液3g，过程中不断搅拌。将得到的浆料采用丝网印刷的方式分多次采用刷-烘-烧结等过程刷到150cm2日本东丽公司生产的0.2mm厚碳纸上，然后将所得带碳粉-树脂层的碳纤维纸放入热压机中为温度为120℃-300℃，压力为30kg/cm2范围内压缩所制的扩散层，被压缩的碳粉-树脂层即是本发明所提到的燃料电池电极的水汽阻隔层。
实施例4
取1.2g直径为1微米的石墨粉，加入10g乙醇，超声震荡，搅拌均匀后加入10g水，搅拌均匀，然后滴加60％PTFE树脂乳液1.5g，过程中不断搅拌。将得到的浆料采用丝网印刷的方式分多次采用刷-烘-烧结等过程刷到100cm2日本东丽公司生产0.2mm厚的碳纸上，然后将所得带碳粉-树脂层的碳纤维纸放入热压机中为温度为120℃-300℃，压力为100kg/cm2，范围内压缩所制的扩散层，被压缩的碳粉-树脂层即是本发明所提到的燃料电池电极的水汽阻隔层。
对于实施上述发明的带水汽阻隔层(称之为：GBL)的电极和不带上述水汽阻隔层的(称之为：GDL)电极电池运行情况见图2，图2是这样的：电池电极的运行温度为56℃，而且电池电极是在部分增湿的条件下运行的。切断气体增湿时开始计时，起初常规GDL的电极性能好于带GBL的电极，但电池性能很快下降很快，而对于带(GBL)的电极，电池性能下降比较慢。长时间运行时，带GBL的电极能稳定运行在0.6V，0.6A/CM2，而对于GDL电极，长时间运行的电池性能明显小于GBL的电极，只有0.6V，0.45A。上述实施例中的带水汽阻隔层的燃料电池电极，用在燃料电池中，燃料电池的在比较高的温度下55℃-60℃非增湿条件下运行时，其稳定性显著提高，而不带水汽阻隔层的燃料电池电极稳定性很差。
图2为带GBL和GDL的燃料电池电极不增湿条件下0.6V时运行电流随时间的变化曲线，其中纵坐标为电池电流值，横坐标为电极运行时间。

Claims (5)

1.一种带水汽阻隔层的燃料电池电极，该燃料电池电极包括位于中间的质子交换膜层、位于质子交换膜层两侧的电极催化剂层和位于电极催化剂层外侧的气体扩散层，其特征在于：所述的扩散层是由水汽阻隔层和碳纸或多孔石墨箔或金属网构成，所述的水汽阻隔层紧帖燃料电池催化剂层。
2.根据权利要求1所述的一种带水汽阻隔层的燃料电池电极，其特征在于，所述的水汽阻隔层是由20％～50％质量的高导电性碳粉和50％～80％质量的疏水树脂组成，其厚度为0.12毫米～0.70毫米，水汽阻隔层单位面积的质量为12.1-49.8mg/cm2，其体密度在0.6g/cm3-1.1g/cm3之间。
3.根据权利要求2所述的一种带水汽阻隔层的燃料电池电极，其特征在于，所述的高导电性碳粉的粒径为15纳米～15微米，包括乙炔黑，石墨粉。
4.根据权利要求2所述的一种带水汽阻隔层的燃料电池电极，其特征在于，所述的疏水树脂选自聚全氟乙丙烯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种带水汽阻隔层的燃料电池电极，其特征在于，所述的水汽阻隔层由20％～50％质量的高导电碳粉和50％～80％质量的疏水树脂组成范围内的固定比例的单一层或不同比例的多层构成。
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