CN101789511A - 一种集成流场结构的膜电极组件及其燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种集成流场结构的膜电极组件及其燃料电池，该膜电极组件包括两层气体导流层、两层气体扩散层、两层催化层和一层质子交换膜层，其中两层催化层设置在质子交换膜层上形成中间层，两层气体扩散层分别与中间层连接并设置在中间层的两侧，两层气体导流层分别与两层气体扩散层连接。本发明改变了燃料电池膜电极的传统结构，增加了气体导流功能，得到了一种高集成化的膜电极，为实现流水线、低成本、高集成度的产业化生产提供了一种切实可行的方法。

Description

一种集成流场结构的膜电极组件及其燃料电池

技术领域

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池中的集成流场结构的新型膜电极组件及其燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种直接将储存在燃料(如氢气)和氧化剂(如空气)中的化学能高效、对环境友好地转化为电能的发电装置，其具备这些优势已被公认为未来的动力电源，但是如何提高其集成度，降低燃料电池的生产成本已成为其商业化面临的重要障碍。

就降低燃料电池成本而言，总结起来主要包括以下几方面的内容和工作：

1选择更低成本的材料

2减少材料的用量

3简化或改变电池结构

4优化电池及其各部件的生产工序，实现批量化生产

膜电极(MEA)是质子交换膜燃料电池的核心部件，目前的MEA主要是由一层质子交换膜、两层催化层(称三合一组件)或者再加上两层扩散层(又称五合一组件)组成。气体流场是通过机械加工或铸塑成型等工艺结合在石墨或金属片材上的，被称为流场板或双极板，再将MEA和双极板密封材料结合在一起，组成质子交换膜燃料电池。

一般地，燃料和氧化剂进入由五合一MEA和双极板组装成的燃料电池，都需要先通过双极板上的流场分配到MEA的气体扩散层表面，再进入到催化层发生电催化反应，转化为电能，生成的水扩散到气体扩散层表面，再通过流场排出燃料电池。

双极板在燃料电池中兼具气体阻隔、气体导流、导电等作用，其传统的制造工艺是在石墨或金属光板上加工流场。这类似于数控加工等机械加工方法，能实现小批量生产，但是其面临加工耗时长、成本高等问题。如果采用铸塑或冲压等直接成型的工艺，虽能降低制造成本，但只适于大批量生产，而且需要较大的初期开发投入，并且如何控制好片材成型过程中的变形也是一个很大的问题。

在专利CN 1913206A中所发明的五合一膜电极组件中，气体扩散层为布置在膜电极组件的催化层外的碳纸或碳布，它们可以促进空气和氢气在催化层上均匀分布，并将反应生成的多余水分带走，形成良好的气、电解质、催化剂三相反应界面。为了改善膜电极组件的催化剂层与电解质膜之间的接触，及节约催化剂的用量，该发明在膜电极组件的聚合物电解质膜上直接涂敷催化剂层，并压制得到膜电极组件。从而，能够使微孔维持在溶胀状态下并保持足够的水分，其膜电极组件能够在不增湿或低湿度环境下运行，并具有良好的质子传导性。但该专利并未解决气体在催化层表面局部分配不均的问题，而且必须与传统的双极板配合使用。

在专利CN 1612381A中涉及到一种用于质子交换膜燃料电池的膜电极结构及其制备方法。为了有利于阴极O₂扩散和水排出，减小传质极化损失，增大极限电流密度，该发明对传统的质子交换膜燃料电池五合一膜电极结构进行了改进，其催化层为多层结构。所述催化层，由覆盖在膜表面的亲水催化层和疏水催化层的复合双层组成。这样的改进提高了传统的五合一膜电极性能以及贵金属催化剂利用率。该专利制作的MEA仍然需与传统双极板配合使用，也未涉及改善气体在催化层表面均匀分配的问题。

另一方面，近年来世界各国发明的流场板中或多或少存在不足之处。例如：流场板的气流分布不够均匀；反应生成的水易积聚不易排出；流场结构设计易造成反应死区；膜电极局部温度过高等影响电池正常运行的性能。

专利CN2588554Y公开了一种燃料电池的双极板，如图2所示，该极板包括双极极板本体及在该本体上设置的流体孔101以及流体孔101之间的流道102。其中，流道102为多条平行波浪状或弯曲状。该双极板的流道的缺陷在于：当将该流道应用于质子交换膜燃料电池导流极板的阴极时，由于通过双极板的中心区域的导流槽数量较少，通往双极板中心区域的流体也有限，不能将双极板中心区域集聚的热量及时地带走，因而容易在双极板中心区域形成局部过热，使中心区域的膜电极部分失水，从而影响燃料电池的性能。

专利US 5108849和US 6358642提及的蛇形流场中，其优点是通道内的水滴等障碍物都不能阻挡气体的流动，一个蛇形流道如果受阻，气体将被迫从旁路通过电极进入相邻流道，这样将增大压力降，而电池的活性面积则不会降低。蛇型流场的缺点除压力降大外，由于流道过长和气体沿流动方向的逐渐消耗，反应气的浓度会大幅度减小，并造成电流分布的不均匀性。

专利US 6503653中涉及的交指状结构的流场中，流道的末端是不通的，气体被迫通过双极板脊背底下的扩散层进入相邻流道。这种流场的主要优点是使气体产生强制对流通过催化层的表面，这有利于气体的传质，在高电流密度时尤其明显。但这种流场的主要缺点是阻力大和可能造成电极破损。在阴极侧容易导致水积累发生，而且某些集流脊背底下的电极面积得不到应用，

专利US 6207310中采用金属丝网为流场。金属丝网流场的优点是双极板制备简单，成本低廉，其最大的缺点是，如果流场内有水累积会导致气体短路，部分流场内水或气体滞留，在这部分流场所对应的电极上出现反应气严重短缺，特别是低压操作或电极长宽比设计不合理，这种现象更明显，会导致燃料电池无法稳定运行。此外，金属丝网的耐蚀性也亟待提高。

专利US 5252410中巴拉德公司提出了在涂有催化层的多孔扩散层上进行气体流场加工，然后热压到质子交换膜上形成膜电极组件，从而可以有效地提高电池的功率密度，减轻了整个电池的重量。但是其缺点在于一方面在涂有催化层的多孔层上进行气体流场加工时很容易对催化层表面造成破坏，导致电池性能下降。另一方面在膜电极进行热压工艺的过程中可能会对扩散层上的流场的结构及强度等产生负面影响，从而影响扩散层的气体导流和分配功能。

MEA本身具备气体导流功能，可减少在双极板上加工气体流场的工序，简化燃料电池的加工流程，降低燃料电池的生产成本。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明提出一种集成流场结构的膜电极组件及其燃料电池，该膜电极组件改变了燃料电池膜电极的传统结构，增加了气体导流功能，采用该膜电极组件制作的燃料电池降低了燃料电池的整体生产成本。

本发明可通过以下技术方案予以实现：

一种集成流场结构的膜电极组件，包括两层气体导流层、两层气体扩散层、两层催化层和一层质子交换膜层，其中所述两层催化层设置在所述质子交换膜层上形成中间层，所述两层气体扩散层分别与所述中间层连接并设置在所述中间层的两侧，所述两层气体导流层分别与所述两层气体扩散层连接。

作为本发明的优选实施例例：

本发明所述膜电极组件最外两层为气体导流层，其上设有气体流场；所述气体导流层为导电多孔介质材料，其厚度为0.1～0.5mm，通过丝网印刷、冲切或注塑等工艺在该导电多孔介质表面加工有气体流场，加工成本较传统气体流场加工更低；所述气体扩散层为0.1～0.2mm的碳纸或碳布，催化层通过直接喷涂等工艺直接成型在质子交换膜层表面。

本发明还提出一种采用上述膜电极组件的一种集成流场结构的膜电极组件的燃料电池，还包括2层无流道的金属或石墨光面双极板，其分别直接与所述气体导流层连接。

由于采用以上技术方案，本发明的一种集成流场结构的膜电极组件(MEA)，该膜电极组件是由两层气体导流层、两层气体扩散层、两层催化层、一层质子交换膜层组合而成的新型七合一组件。发明的核心是将传统加工在双极板上的气体流场，通过冲切工艺直接形成在多层碳纸或碳布表面，将其与传统的五合一膜电极(由两层扩散层、两层催化层和一层质子交换膜组成)组合成新型七合一膜电极组件。该膜电极集成了流场结构，具备了气体导流功能，直接与导电阻气的石墨或金属薄片组合即构成一个燃料电池，无须再对石墨或金属薄片进行流道加工，这样可简化双极板的结构，缩小燃料电池堆的体积。该种结构的膜电极可改善电池内部气体分配、排水以及气体湿度交换等功能，并且该膜电极易于实现高集成度的单部件多工序的流水线生产。另外，由于新型膜电极的流场加工成本比在传统的双极板上加工流场的成本更低，还可降低燃料电池的整体生产成本。本发明改变了燃料电池膜电极的传统结构，增加了气体导流功能，得到了一种高集成化的膜电极，为实现流水线、低成本、高集成度的产业化生产提供了一种切实可行的方法。

附图说明

图1是现有技术的一种燃料电池导流极板结构示意图；

图2是本发明一种集成流场结构的膜电极组件的结构示意图；

图3是采用本发明一种集成流场结构的膜电极组件的燃料电池组装图；

图4是本发明一种集成流场结构的膜电极组件的剖面图；

图5是本发明一种集成流场结构的膜电极组件的工作原理图；

图6是使用两种不同结构膜电极的单电池平均极化曲线及功率密度曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明：

如图2所示，本发明的一种集成流场结构的膜电极组件，包括两层气体导流层1、两层气体扩散层2、两层催化层3和一层质子交换膜层4，其中两层催化层3设置在质子交换膜层4上形成中间层，两层气体扩散层2分别与中间层连接并设置在中间层的两侧，两层气体导流层1分别与两层气体扩散层2连接，为膜电极组件的最外两层，气体导流层1采用材料为0.1～0.5mm厚度的导电多孔介质，如碳纸、碳布等，通过丝网印刷、冲切或注塑等工艺将气体流场5和6直接加工在导电多孔介质材料表面，加工成本较传统气体流场加工更低；气体扩散层2采用材料为0.1～0.2mm的碳纸，催化层3通过直接喷涂等工艺直接成型在质子交换膜4表面，Pt含量为单侧0.4mg/cm²，质子交换膜可采用杜邦的Nafion211膜。

图3为采用本发明一种集成流场结构的膜电极组件的燃料电池组装图，由两层气体导流层1、两层气体扩散层2、两层催化层3、一层质子交换膜4，2层集电板7以及气体密封圈8组装而成。集电板7采用厚度大约为0.15mm的无流道的金属或石墨光面双极板，其分别直接与气体导流层1连接，起到阻隔气体和导电的作用，其厚度应尽量薄，以减小体积和重量，最大限度的提高电堆的质量比和体积比功率。

图4为集成流场结构的膜电极组件的剖面图，包括两层气体导流层1、两层气体扩散层2、两层催化层3、一层质子交换膜4，气体流场5和气体流场6分别加工在气体导流层1上。

图5为本发明的一种集成流场结构的膜电极组件工作原理图。一方面当氢气和氧气进入流道时可以迅速扩散到气体导流层1的各个表面，然后进入到气体扩散层2，相比于传统的五合一膜电极组件而言，改进了扩散层与流场的脊相接触的部分无法得到充分利用这一缺点。当电池在较高电流密度运行时，电极两侧尤其是阴极侧的液态水不仅可以通过流道排出，而且由于气体导流流层1具有多孔这一特性，水可以透过多孔介质迅速排出，不易发生流道局部的水滞留现象。而当电池在较低电流密度运行时，残留在气体导流层1多孔介质中的水易于进入到气体扩散层2中，对反应气产生增湿作用，并保持质子交换膜4的水含量。

本实施例对由10片活性面积为250cm²的MEA组成的质子交换膜燃料电池堆进行了对比实验，一个电堆采用传统的带流场结构的石墨板及五合一膜电极组合而成，另一个电堆采用该发明的一种集成流场结构的膜电极组件。经测试，两种不同结构的膜电极制作的电堆进行的单片电池平均极化曲线和功率密度曲线比较结果见图6。

使用传统的五合一膜电极的电堆中，在电流密度到达600mA cm^-2后，平均单电池电压随着电流密度上升的衰减率明显大于使用本发明的单电池。与之相应的单电池平均功率密度在达到350mW cm^-2后呈下降趋势，而使用本发明的电堆中平均每片单电池功率密度最高可达400mW cm^-2，与前者相比提高了14.3％。从中看出，使用本发明的单电池在高电流密度区域具有更高的性能，能提供更多的有用功，说明使用本发明改善了在电堆高电流密度区域气体分配问题，降低了气体扩散极化。

但是，上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制；只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。

Claims (6)

1.一种集成流场结构的膜电极组件，其特征在于：包括两层气体导流层、两层气体扩散层、两层催化层和一层质子交换膜层，其中所述两层催化层设置在所述质子交换膜层上形成中间层，所述两层气体扩散层分别与所述中间层连接并设置在所述中间层的两侧，所述两层气体导流层分别与所述两层气体扩散层连接。

2.根据权利要求1所述的一种集成流场结构的膜电极组件，其特征在于：所述膜电极组件最外两层为气体导流层，其上设有气体流场。

3.根据权利要求2所述的一种集成流场结构的膜电极组件，其特征在于：所述气体导流层为导电多孔介质材料，其厚度为0.1～0.5mm。

4.根据权利要求1或3所述的一种集成流场结构的膜电极组件，其特征在于：所述气体扩散层为碳纸或碳布。

5.根据权利要求4所述的一种集成流场结构的膜电极组件，其特征在于：所述碳纸或碳布为0.1～0.2mm。

6.根据权利要求1所述的一种集成流场结构的膜电极组件的燃料电池，其特征在于：还包括2层无流道的金属或石墨光面双极板，其分别直接与所述气体导流层连接。

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