CN104064778A - 燃料电池及其燃料电池膜电极 - Google Patents

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汤浩
李扬
殷聪
刘煜
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Abstract

本发明提供了一种燃料电池及其燃料电池膜电极，该燃料电池膜电极包括质子交换膜和两个气体扩散层，质子交换膜夹设在两个气体扩散层之间，在质子交换膜和气体扩散层之间设置有催化剂涂层，且催化剂涂层的沿燃料电池膜电极的气体流动方向的长度小于质子交换膜的长度。本发明通过使催化剂涂层的长度小于质子交换膜的长度，进而可以使催化剂涂层的面积小于质子交换膜的面积，这样，在一定程度上可以减小质子交换膜燃料电池的应用成本；另一方面，可以防止出现因质子交换膜的干燥区域的存在电流而对质子交换膜产生损坏的情况，从而可以有效地提高燃料电池的使用寿命。

Description

燃料电池及其燃料电池膜电极
技术领域
本发明涉及电池领域，更具体地，涉及一种燃料电池及其燃料电池膜电极。
背景技术
燃料电池中的质子交换膜具有传递质子的功能，而水分子是质子在质子交换膜中进行传递的重要载体，于是，质子交换膜的含水量是影响燃料电池性能和效率的重要因素，因此，对质子交换膜进行加湿是提高燃料电池性能和寿命的重要手段。
目前，对燃料电池加湿的常规方案有外部加湿和内部加湿两种方案。外部加湿的方案是指加湿子系统与电池堆分离，反应气体在进入电池堆之前进行加湿。与之相比，内部加湿方案没有设置单独的外部加湿器，反应气体进入电池堆内部以后进行加湿。
对于备用电源等的应用，基于系统复杂性和成本的考虑，一般采用内部加湿方案。即：采用氢气与空气流向相反的设计，通过出口处的湿润空气(或氢气)对入口处的干燥氢气(或空气)进行加湿。
然而，虽然采用内部自加湿方案的燃料电池在整体上能够保持水平衡，但在进气口区域，气体的相对湿度仍然较低，使得该处的反应效率较低，催化剂得不到充分的利用，造成了催化剂的浪费，进而增加了燃料电池的成本；另外，当质子交换膜的干燥区域存在电流时，很容易使该部分的质子交换膜发生破坏，从而影响燃料电池寿命。
发明内容
本发明旨在提供一种燃料电池及其燃料电池膜电极，以解决现有技术的内部自加湿式的燃料电池的工作性能较差的问题。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，提供了一种燃料电池膜电极，包括质子交换膜和两个气体扩散层，质子交换膜夹设在两个气体扩散层之间，在质子交换膜和气体扩散层之间设置有催化剂涂层，且催化剂涂层的沿燃料电池膜电极的气体流动方向的长度小于质子交换膜的长度。
进一步地，催化剂涂层设置在质子交换膜上。
进一步地，催化剂涂层设置在气体扩散层上。
进一步地，催化剂涂层的靠近燃料电池膜电极的阳极的一端的厚度大于催化剂涂层的靠近燃料电池膜电极的阴极的一端的厚度。
进一步地，气体扩散层为涂覆有Nafion乳液的碳纸。
进一步地，气体扩散层和质子交换膜之间设置有吸水材料，且吸水材料设置在气体扩散层的进气端。
进一步地，气体扩散层的进气端由吸水材料制成。
进一步地，吸水材料为海绵。
本发明的另一个方面，提供了一种燃料电池，包括上述的燃料电池膜电极。
本发明通过使催化剂涂层的长度小于质子交换膜的长度，进而可以使催化剂涂层的面积小于质子交换膜的面积，这样，在一定程度上可以减小质子交换膜燃料电池的应用成本；另一方面，可以防止出现因质子交换膜的干燥区域的存在电流而对质子交换膜产生损坏的情况，从而可以有效地提高燃料电池的使用寿命。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示意性示出了本发明中的燃料电池膜电极的第一个实施例的拆分图；
图2示意性示出了燃料电池膜电极的第二个实施例的拆分图；
图3示意性示出了燃料电池膜电极的第三个实施例的结构示意图；
图4示意性示出了燃料电池膜电极的第四个实施例的结构示意图；以及
图5示意性示出了图4的俯视图。
图中附图标记：10、质子交换膜；20、气体扩散层；30、催化剂涂层；40、吸水材料。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
本发明的一个方面，提供了一种燃料电池膜电极，请参考图1至图5，该燃料电池膜电极包括质子交换膜10和两个气体扩散层20，质子交换膜10夹设在两个气体扩散层20之间，在质子交换膜10和气体扩散层20之间设置有催化剂涂层30，且催化剂涂层30的长度小于质子交换膜10的长度。
本发明通过使催化剂涂层30的长度小于质子交换膜10的长度，进而可以使催化剂涂层的面积小于质子交换膜的面积，这样，在一定程度上可以减小的应用成本；另一方面，可以防止出现因质子交换膜10的干燥区域的存在电流而对质子交换膜产生损坏的情况，从而可以有效地提高燃料电池的使用寿命。
优选地，如图1所示，催化剂涂层30设置在质子交换膜10上。这种情况适用于采用CCM(Catalyst coat Membrane)方法制备的燃料电池膜电极，即在燃料电池膜电极的制备过程中，在质子交换膜10的进气端不涂覆催化剂。
优选地，如图2所示，催化剂涂层30设置在气体扩散层20上。优选地，催化剂涂层30涂覆在质子交换膜10或气体扩散层20上。由于燃料电池膜电极可以采用不同的制备方法，于是，工作人员可以根据不同的情况，有选择地将催化剂涂层30固定在质子交换膜10上(即采用CCM(Catalyst coat Membrane)方法制备的燃料电池膜电极)或气体扩散层20上(即采用GDE(Gas Diffusion Electrode)方法制备的燃料电池膜电极)。
优选地，催化剂涂层30的靠近燃料电池的阳极的一端的厚度大于催化剂涂层30的靠近燃料电池的阴极的一端的厚度。这样设置符合燃料电池的内部特性，使得燃料电池的阳极的反应速率大于阴极的反应速率。
优选地，气体扩散层20为涂覆有Nafion乳液的碳纸。
优选地，如图3所示，气体扩散层20和质子交换膜10之间设置有吸水材料40，且吸水材料40设置在气体扩散层20的进气端。
优选地，如图4和图5所示，质气体扩散层20的进气端由吸水材料40制成。这样，吸水材料40可以更好的吸收和保持水分，从而对进入燃料电池的气体进行更好的加湿，进而可以提高燃料电池的工作效率。
优选地，吸水材料40为海绵。根据实际情况，该吸水材料40也可以选择其他亲水性的高分子材料。
本发明的另一个方面，提供了一种燃料电池，包括上述的燃料电池膜电极。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种燃料电池膜电极，包括质子交换膜(10)和两个气体扩散层(20)，所述质子交换膜(10)夹设在所述两个气体扩散层(20)之间，其特征在于，在所述质子交换膜(10)和所述气体扩散层(20)之间设置有催化剂涂层(30)，且所述催化剂涂层(30)的沿所述燃料电池膜电极的气体流动方向的长度小于所述质子交换膜(10)的长度。
2.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述催化剂涂层(30)设置在所述质子交换膜(10)上。
3.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述催化剂涂层(30)设置在所述气体扩散层(20)上。
4.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述催化剂涂层(30)的靠近所述燃料电池膜电极的阳极的一端的厚度大于所述催化剂涂层(30)的靠近所述燃料电池膜电极的阴极的一端的厚度。
5.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述气体扩散层(20)为涂覆有Nafion乳液的碳纸。
6.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述气体扩散层(20)和所述质子交换膜(10)之间设置有吸水材料(40)，且所述吸水材料(40)设置在所述气体扩散层(20)的进气端。
7.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述气体扩散层(20)的进气端由吸水材料(40)制成。
8.根据权利要求6或7所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述吸水材料(40)为海绵。
9.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求1至8中的任一项所述的燃料电池膜电极。
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