CN110797546A - 一种微孔层结构、制备方法、膜电极组件以及燃料电池 - Google Patents

一种微孔层结构、制备方法、膜电极组件以及燃料电池 Download PDF

Info

Publication number
CN110797546A
CN110797546A CN201810867034.9A CN201810867034A CN110797546A CN 110797546 A CN110797546 A CN 110797546A CN 201810867034 A CN201810867034 A CN 201810867034A CN 110797546 A CN110797546 A CN 110797546A
Authority
CN
China
Prior art keywords
microporous layer
region
layer
slurry
pore size
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.)
Granted
Application number
CN201810867034.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110797546B (zh
Inventor
王晋
唐厚闻
方亮
周红茹
陈雪松
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.)
Shanghai Hydrogen Propulsion Technology Co Ltd
Original Assignee
SAIC Motor Corp 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 SAIC Motor Corp Ltd filed Critical SAIC Motor Corp Ltd
Priority to CN201810867034.9A priority Critical patent/CN110797546B/zh
Publication of CN110797546A publication Critical patent/CN110797546A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110797546B publication Critical patent/CN110797546B/zh
Active 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
    • 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
    • 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
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04149—Humidifying by diffusion, e.g. making use of membranes
    • 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]
    • 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

Landscapes

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

Abstract

本发明公开了一种微孔层结构、制备方法、膜电极组件以及燃料电池，本发明技术方案设置所述微孔层包括在第一方向上依次排布的第一区域微孔层以及第二区域微孔层；所述第一区域微孔层的孔隙率小于所述第二区域微孔层的孔隙率；所述第一区域微孔层的最可几孔径大于所述第二区域微孔层的最可几孔径；所述第一区域微孔层的平均孔径大于所述第二区域微孔层的平均孔径。这样，在无需外加增湿器的情况下就能实现水平衡，有效降低燃料电池系统整体成本，提高系统的体积功率密度。

Description

一种微孔层结构、制备方法、膜电极组件以及燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，更具体的说，涉及一种微孔层结构、制备方法、膜电极组件以及燃料电池。
背景技术
燃料电池作为可替代能源技术，以启动方便、高能量密度、零排放、能量转化效率高的特点引起广泛的关注并持续进行了研究开发，并且已经作为自动车、通信基站、便携式电动工具等的电源而广泛应用。作为商业化运用的电源系统，其突出的优点就是要有足够长的运行寿命和高的能量密度，比如应于备用电源、乘用车、物料运输车、潜艇等。
质子交换膜燃料电池是发展最成熟，最接近于商业应用的燃料电池。在质子交换膜燃料电池运行过程中，需要水来保证膜的润湿性，降低膜电阻，从而降低欧姆过电位；但过量的液态水又会占据气体传递通道，并覆盖催化剂的表面，使反应气的传递阻力大大增加，造成严重的传质极化损失。
通过上述描述可知，如何保证燃料电池中水平衡，以保证燃料电池具有较好的性能，是燃料电池领域一个亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明技术方案提供了一种微孔层结构、制备方法、膜电极组件以及燃料电池，可以保证燃料电池中水平衡。
为了实现上述问题，本发明提供如下技术方案：
一种微孔层结构，用于燃料电池，所述微孔层结构包括：
基底；
设置在所述基底表面的微孔层，所述微孔层包括在第一方向上依次排布的第一区域微孔层以及第二区域微孔层；
其中，所述第一方向为燃料电池中反应气体的流路方向；所述第一区域微孔层的孔隙率小于所述第二区域微孔层的孔隙率；所述第一区域微孔层的最可几孔径大于所述第二区域微孔层的最可几孔径；所述第一区域微孔层的平均孔径大于所述第二区域微孔层的平均孔径。
优选的，在上述微孔层结构中，在所述第一方向上，所述第一区域微孔层的长度不超过所述第二区域微孔层的长度。
其中，所述第一区域微孔层的最可几孔径和平均孔径为200nm～1000nm，所述第二区域微孔层的最可几孔径和平均孔径为10nm～199nm。
优选的，在上述微孔层结构中，所述微孔层的厚度为10μm-100μm。
优选的，在上述微孔层结构中，所述第一区域微孔层的孔隙率为30％-45％；
所述第二区域微孔层的孔隙率为45％-65％。
优选的，在上述微孔层结构中，所述第一区域微孔层由第一浆料制备；
所述第二区域微孔层由第二浆料制备；
所述第一浆料中造孔剂的含量小于与所述第二浆料中造孔剂的含量。
本发明还提供了一种制备方法，用于制备上述任一项所述的微孔层结构，其特征在于，所述制备方法包括：
提供一基底，所述基底具有在第一方向上依次排布的第一区域以及第二区域；所述第一方向为燃料电池中反应气体的流路方向；
在所述第一区域形成第一浆料的膜层，在所述第二区域形成第二浆料的膜层；
对所述基底表面的膜层进行热处理后，再通过焙烧处理，使得所述第一浆料的膜层形成第一区域微孔层，使得所述第二浆料的膜层形成第二区域微孔层；
其中，所述第一区域微孔层的孔隙率小于所述第二区域微孔层的孔隙率；所述第一区域微孔层的最可几孔径大于所述第二区域微孔层的最可几孔径；所述第一区域微孔层的平均孔径大于所述第二区域微孔层的平均孔径。
优选的，在上述制备方法中，还包括：制备所述第一浆料以及所述第二浆料；
所述第一浆料与所述第二浆料均包括：导电材料、造孔剂、疏水剂和分散液的混合物；
其中，所述第一浆料中造孔剂的含量小于与所述第二浆料中造孔剂的含量。
优选的，在上述制备方法中，所述导电材料为炭黑；
所述造孔剂包括碳酸铵、草酸铵、碳酸锂中的一种或两种；
所述疏水剂为聚四氟乙烯水分散液；
所述分散液为醇类。
优选的，在上述制备方法中，所述醇类包括乙醇、异丙醇、乙二醇中的一种或两种。
优选的，在上述制备方法中，所述第一区域微孔层以及所述第二区域微孔层的厚度为10μm-100μm。
优选的，在上述制备方法中，所述第一区域微孔层的孔隙率为30％-45％；
所述第二区域微孔层的孔隙率为45％-65％。
优选的，在上述制备方法中，所述制备方法还包括：
焙烧完成后，进行裁剪，形成预设尺寸的微孔层结构，裁剪后的微孔层结构中，所述第一区域微孔层结构长度不超过所述第二区域微孔层结构的长度。
本发明还提供了一种膜电极组件，所述膜电极组件包括：
依次层叠设置的阴极侧气体扩散层、阴极侧催化剂层、质子交换膜、阳极侧催化剂层以及阳极侧气体扩散层；
其中，所述阴极侧气体扩散层包括上述任一项所述的微孔层结构；所述阳极侧气体扩散层包括上述任一项所述的微孔层结构。
本发明还提供了一种燃料电池，所述燃料电池包括：
上述所述的膜电极组件。
通过上述描述可知，本发明技术方案提供的微孔层结构、制备方法、膜电极组件以及燃料电池中，设置所述微孔层包括在第一方向上依次排布的第一区域微孔层以及第二区域微孔层；所述第一区域微孔层的孔隙率小于所述第二区域微孔层的孔隙率；所述第一区域微孔层的最可几孔径大于所述第二区域微孔层的最可几孔径；所述第一区域微孔层的平均孔径大于所述第二区域微孔层的平均孔径。这样，在无需外加增湿器的情况下就能实现水平衡，有效降低燃料电池系统整体成本，提高系统的体积功率密度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种微孔层结构的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种制备方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种膜电极组件的结构示意图；
图4为本发明实施例制备出的单电池与传统方案制备出的单电池的测试性能结果对比曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一般的，质子交换膜燃料电池的基本构件包括：极板、气体扩散层、催化剂层和质子交换膜。
极板可以分为单极板和双极板，其作用是在电池堆中隔离每个单节电池，并通过其上的通道向气体扩散层输送燃料和氧气，与此同时，还要具有较高的导电性能，从而能够向外界导出电流。
气体扩散层、催化剂层和质子交换膜构成了膜电极组件。气体扩散层位于催化剂层和极板之间，是质子交换膜燃料电池中的关键材料之一，是膜电极组件的最外层，为膜电极组件和极板提供接触，将反应物分配到催化剂层，并让反应生成物水离开电极表面，允许水在电极和流道间通过，其承担着电流传导，质子交换膜的机械支撑，催化剂附着的多孔介质，催化剂层的反应物通道，以及产物移除这五个方面的功能。
基于上述要求，目前成熟应用于燃料电池上的气体扩散层用材料为多孔的碳材料，如碳纸(如碳纤维纸)或碳布(如碳纤维布)，并在其一侧表面涂覆有微孔层。为改善反应气体和液态水在气体扩散层中的传输，通常对碳纸或碳布进行疏水化处理，构建疏水的气相通道。但由于碳纸或碳布中只有比较单一的大孔(如Toray H060碳纸中约90％的孔都为孔径大于20μm的大孔)，会导致大量的水堆积在气体扩散层中阻止反应气体的进入。
通常为了改善气体扩散层的孔隙结构而在其表面制作的一层碳粉层，作用是降低催化剂层和气体扩散层之间的接触电阻，提供较好的孔结构和憎水性，使气体和水发生再分配，防止电极催化层“水淹”。微孔层中的疏水剂和微孔的毛细作用使微孔层具有很好的疏水和排水性能，从而为燃料电池反应提供稳定的气体通道和水通道，而微孔层中的导电碳黑则使微孔层具有优良的电子通道。它的加入实现了反应气体和反应产物水在流场和催化剂层之间的再分配，对于增强导电性、提高电极性能、增强电池运行稳定性和延长运行寿命具有重要作用。
一种常规燃料电池的微孔层结构包括依次层叠设置的高水气透过性微孔层与低水气透过性微孔层；层叠方向与空气流路方向垂直。沿空气流路方向上，高水气透过性微孔层的厚度递增，低水气透过性微孔层的厚度递减，微孔层结构的总厚度保持一致；在空气入口，高水气透过性微孔层的厚度大于低水气透过性微孔层的厚度，在空气出口，高水气透过性微孔层的厚度小于低水气透过性微孔层的厚度。该方法虽然有助于平衡燃料电池阴极气体入口和出口区域的水含量，但是并没有解决燃料电池电堆阴极和阳极两侧水平衡的问题，仍然需要外加增湿器。
另一种常规燃料电池中，制备出具有孔径、孔隙率由碳纸表面至微孔层表面依次减小的双微孔层。这种孔径、孔隙率逐渐变化的结构虽然有利于提高微孔层的排水性能，但是无法解决燃料电池的整体水平衡问题。
燃料电池中的水主要有两个来源：一是由外置增湿设备送入的水蒸气；二是阴极电化学反应生成的水。外加增湿器价格昂贵，寿命有限，同时体积较大，会降低电堆系统的体积功率密度，也会消耗系统功率。发明人研究发现，利用燃料电池工作时产生的水，通过合适的系统控制管理，无需外加增湿系统的条件下，是实现燃料电池电堆的水平衡是燃料电池的重要发展方向。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种微孔层结构的示意图，该微孔层结构用于燃料电池，所述微孔层结构包括：基底11；设置在所述基底11表面的微孔层，所述微孔层包括在第一方向上依次排布的第一区域微孔层121以及第二区域微孔层122。
其中，所述第一方向为燃料电池中反应气体的流路方向，如图1中箭头所示。
所述第一区域微孔层121的孔隙率小于所述第二区域微孔层122的孔隙率，这样，可以使得所述第一区域微孔层121的水气透过率小于所述第二区域微孔层122的水气透过率。
发明人发现，在微孔层中的孔是直径小于1000nm的微型孔，孔径较小，微孔层内的微型孔是通过毛细作用将反应生成的水气排出，因此，孔径越小，毛细作用越强，水气透过率越大。基于上述描述，本发明实施例中，所述第一区域微孔层121以及所述第二区域微孔层122的孔径满足毛细作用条件，并设置所述第一区域微孔层121的最可几孔径大于所述第二区域微孔层122的最可几孔径，所述第一区域微孔层121的平均孔径大于所述第二区域微孔层122的平均孔径，这样可以使得第一区域微孔层121的毛细作用强度小于第二区域微孔层122的毛细作用强度，从而进一步使得第一区域微孔层121的水气透过率小于所述第二区域微孔层122的水气透过率。在所述第一方向上，所述第一区域微孔层121的长度不超过所述第二区域微孔层122的长度。也即是说，所述第一区域微孔层121的长度小于所述第二区域微孔层122的长度，或所述第一区域微孔层121与所述第二区域微孔层122各占总长度的50％。在反应气体的流路方向上，起始端的所述第一区域微孔层121具有较低的孔隙率、最可几孔径以及平均孔径，后端的第二部分微孔层122具有较高的孔隙率、最可几孔径以及平均孔径，从而使得第一区域微孔层121的水气透过率小于第二区域微孔层122的水气透过率。
可选的，可以设置所述第一区域微孔层121与所述第二区域微孔层122各占总长度的一半，可以起到最好的水平衡效果。其他方式中，也可以设置二者长度不同，如设置所述第一区域微孔层121的长度不超过所述第二区域微孔层122的长度，此时，可以通过较短长度的第一区域微孔层121使得反应气体湿度满足最佳反应效果的湿度。
本发明实施例中，可以设置所述第一区域微孔层121的最可几孔径和平均孔径为200nm～1000nm，所述第二区域微孔层122的最可几孔径和平均孔径为10nm～199nm。这样可以使得所述第一区域微孔层121的长度不超过所述第二区域微孔层122的长度。
可选的，所述微孔层的厚度为10μm-100μm。所述第一区域微孔层121的孔隙率为30％-45％。所述第二区域微孔层122的孔隙率为45％-65％。
本发明一种燃料电池用气体扩散层及其制备方法的优点在于：
该发明创造性的打破以往气体扩散层微孔层设计理念，在同一微孔层结构中，沿反应气体流路方向上，将气体扩散层微孔层结构，分成两个部分，起始端的50％长度为低孔隙率、低水气透过性的第一区域微孔层121，后端的50％长度为高孔隙率、高水气透过性的第二区域微孔层122。
这样，对于具有该微孔层结构的燃料电池，在阴极侧进入的为干空气，低水气透过的第一区域微孔层121的高保水作用，使阴极侧催化剂层产生的水分不容易通过第一区域微孔层121流失，减小了空气预加湿需求，可以提高阴极侧前半部分的催化剂层的含水量；阴极侧后半部分为高孔隙率、高水气透过性的第二区域微孔层122，有助于水分散出，可以降低水淹现象，保证氧气的传输。
在阳极侧入口，由于阳极气体是循环泵出来的气体，具有较高的含水量，低水气透过性的第一区域微孔层121的保水作用，可以通过氢质子的电拖拽效应将水分子输送到阴极侧，保证阴极侧前半部分的催化层的含水量；阳极侧后半部分高孔隙率、高水气透过性的第二区域微孔层122有助于将通过浓差扩散和压差扩散从阴极输送过来的水分散出，使排出的氢气充分润湿，后又经过氢循环泵后重新进入阳极，实现自增湿的效果。这样通过调整微孔层的区域差异化分布可以达到改善水管理的功能，利于电流密度的均匀分布，提高燃料电池在各种温湿度下的稳定性，实现燃料电池电堆自增湿。
该微孔层结构的制备方法简单，只需要改变浆料中造孔剂的用量，控制不同区域的孔隙率，就可以达到燃料电池电堆水平衡的目的。具体的，所述第一区域微孔层121由第一浆料制备；所述第二区域微孔层122由第二浆料制备；所述第一浆料中造孔剂的含量小于与所述第二浆料中造孔剂的含量。
利用该微孔层结构设计的膜电极组件及制备出的燃料电池电堆，对于采用对流模式的阴阳极反应气体流向，都具有改善阴阳极两侧水平衡的作用。
基于上述实施例，本发明另一实施例还提供了一种资本方法，用于制备上述实施例所述的微孔层结构，其特征在于，所述制备方法如图2所示，图2为本发明实施例提供的一种制备方法的流程示意图，该制备方法包括：
步骤S11：提供一基底，所述基底具有在第一方向上依次排布的第一区域以及第二区域；所述第一方向为燃料电池中反应气体的流路方向。第一区域不超过第二区域占据基底的长度。
可选的，基底可以为碳纸或是碳布。所述制备方法还包括：制备所述第一浆料以及所述第二浆料。所述第一浆料与所述第二浆料均包括：导电材料、造孔剂、疏水剂和分散液的混合物；其中，所述第一浆料中造孔剂的含量小于与所述第二浆料中造孔剂的含量，以使得最终制备的第一区域微孔层的孔隙率小于第二区域微孔层的孔隙率。
其他实施方式中，还可以采用预设制备的第一浆料或是第二浆料。根据需要的孔隙率以及水气透过率设置浆料中各组分的配比，本申请中对各组分配比不做具体限定。第一浆料需要通过搅拌使得各组分混合均匀，同样，第二浆料也需要通过搅拌使得各组分混合均匀。
所述导电材料为炭黑，优选Vulcan XC-72(R)或Acetylene Black。所述造孔剂包括碳酸铵、草酸铵、碳酸锂中的一种或两种,优选草酸铵。所述疏水剂为聚四氟乙烯水分散液。所述分散液为醇类，所述醇类包括乙醇、异丙醇、乙二醇中的一种或两种，优选异丙醇。
步骤S12：在所述第一区域形成第一浆料的膜层，在所述第二区域形成第二浆料的膜层。
可以通过两次丝网印刷工艺分别将第一浆料和第二浆料涂覆在经过疏水处理后的基底上，第一浆料形成的膜层覆盖第一区域，第二浆料形成的膜层覆盖第二区域。
步骤S13：对所述基底表面的膜层进行热处理后，再通过焙烧处理，使得所述第一浆料的膜层形成第一区域微孔层，使得所述第二浆料的膜层形成第二区域微孔层。
其中，所述第一区域微孔层的孔隙率小于所述第二区域微孔层的孔隙率；所述第一区域微孔层的最可几孔径大于所述第二区域微孔层的最可几孔径；所述第一区域微孔层的平均孔径大于所述第二区域微孔层的平均孔径。所述第一区域微孔层以及所述第二区域微孔层的厚度为10μm-60μm。所述第一区域微孔层的孔隙率为30％-45％；所述第二区域微孔层的孔隙率为45％-65％。
可选的，所述制备方法还包括：焙烧完成后，进行裁剪，形成预设尺寸的微孔层结构，裁剪后的微孔层结构中，所述第一区域微孔层不超过所述第二区域微孔层结构的长度。
通过上述描述可知，通过上述制备方法可以制备上述实施例所述的微孔层结构，形成低水气透过性的第一区域微孔层长度不超过高孔隙率、高水气透过性的第二区域微孔层长度。该制备方法简单，制作成本低。
基于上述实施例，本发明另一实施例还提供了一种膜电极组件，所述膜电极组件如图3所示，图3为本发明实施例提供的一种膜电极组件的结构示意图，该膜电极组件包括：依次层叠设置的阴极侧气体扩散层21、阴极侧催化剂层22、质子交换膜23、阳极侧催化剂层24以及阳极侧气体扩散层25。
其中，所述阴极侧气体扩散层21包括上述实施例所述的微孔层结构；所述阳极侧气体扩散层25包括上述实施例所述的微孔层结构。
所述膜电极组件用于燃烧电池。用该膜电极组件制备出的燃料电池，阴极侧和阳极侧的气体的气流方向都是由微孔层结构中低孔隙率、低水气透过性的微孔层部分向高孔隙率、高水气透过性的微孔层部分流动，阴极侧和阳极侧的气体流动方向为对流。在所述膜电极组件中，阴极侧的反应气体的流路方向如图3中上方箭头所示，阳极侧的反应气体的流路方向如图3中下方箭头所示，两个流路方向是相反的。
因此，阴极侧的第一区域微孔层121与阳极侧的第二区域微孔层122相对，阴极侧的第二区域的微孔层122与阳极侧的第一区域微孔层121相对。这样，两侧的气体扩散层均包括上述实施例所述的微孔层结构，所述阴极侧气体扩散层21结构中高孔隙率、高水气透过性的微孔层部分与阳极侧气体扩散层25中低孔隙率、低水气透过性的微孔层部分相对；所述阴极侧气体扩散层21中低孔隙率、低水气透过性的微孔层部分与阳极侧气体扩散层25中高孔隙率、高水气透过性的微孔层部分相对。
本发明实施例所述膜电极组件采用上述实施所述的微孔层结构作为气体扩散层，可以通过自身反应生成的气体实现自增湿的效果。通过调整微孔层的区域差异化分布既可以达到改善水管理的功能，利于电流密度的均匀分布，提高电池在各种温度下的稳定性，实现燃料电池电堆自增湿。而且气体扩散层的制备方法简单，只需要改变浆料中造孔剂的用量，控制不同区域的孔隙率，就可以达到燃料电池电堆水平衡的目的。同时利用所述膜电极组件制备出的燃料电池电堆，对于采用对流模式的阴阳极反应气体流向，都具有改善阴阳极两侧水平衡的作用。
基于上述实施例，本发明另一实施例还提供了一种燃料电池，该燃料电池包括上述实施例所述的膜电极组件。
本发明实施例所述燃料电池采用上述实施例所述的膜电极组件，能够实现自增湿，对于采用对流模式的阴阳极反应气体流向，都具有改善阴阳极两侧水平衡的作用。而且制作方法简单，制作成本低。
下面结合具体设计参数，将采用本申请技术方案所述的微孔层结构的燃料电池(样品一)，与传统技术制备的燃料电池(样品二)的性能进行对比说明。
样品一：本发明实施例所述技术方案制备微孔层结构
1)称取3.2g Vulcan XC-72(R)、含有2.53g草酸铵的60ml水溶液、20％的PTFE稀释液8g倒入一定量异丙醇中，搅拌均匀制成粘度在300cp的A浆料；称取3.2g Vulcan XC-72(R)、含有3.61g草酸铵的60ml水溶液、20％的PTFE稀释液8g倒入一定量异丙醇中，搅拌均匀制成粘度在270cp的B浆料；
2)将上述A浆料涂覆在经疏水处理过的Toray H060碳纸一半面积，形成涂覆厚度为30μm的微孔层第一区域部分；再将上述B浆料涂覆在碳纸的剩余一半面积，形成涂覆厚度为30μm的微孔层第一区域部分；
3)将上述涂覆了浆料的气体扩散层放入马弗炉中以5℃/min的升温速率升温，最终于340℃焙烧60min，待炉温降温至室温后取出气体扩散层。所制微孔层结构示意图如图1所示；
按照下述微孔层孔隙率测试方法，测定该实施例制备出的第一区域部分孔隙率为42.1％，厚度为210μm，最可几孔径为480nm，。第二区域部分孔隙率为53.2％，厚度为210μm，最可几孔径为34nm。第一区域部分长度与第二区域部分长度相等。
样品二：本发明实施例所述技术方案制备微孔层结构
1)称取3.5g Acetylene Black、含有2.32g草酸铵的60ml水溶液、20％的PTFE稀释液8g倒入一定量乙二醇中，搅拌均匀制成粘度在360cp的A浆料；称取3.5g AcetyleneBlack、含有3.02g草酸铵的60ml水溶液、20％的PTFE稀释液8g倒入一定量乙二醇中，搅拌均匀制成粘度在300cp的B浆料；
2)将上述A浆料涂覆在经疏水处理过的Toray H060碳纸55％面积，形成涂覆厚度为60μm的微孔层第一区域部分；再将上述B浆料涂覆在碳纸的剩余45％面积，形成涂覆厚度为60μm的微孔层第一区域部分；
3)将上述涂覆了浆料的气体扩散层放入马弗炉中以5℃/min的升温速率升温，最终于350℃焙烧65min，待炉温降温至室温后取出气体扩散层。所制微孔层结构示意图如图1所示；
按照下述微孔层孔隙率测试方法，测定该实施例制备出的第一区域部分孔隙率为46.2％，厚度为250μm，最可几孔径为600～800nm。第二区域部分孔隙率为61.0％，厚度为250μm，最可几孔径为148nm。
对比例：传统技术方案制备微孔层结构
1)称取3.2g Vulcan XC-72(R)、含有2.5g草酸铵的60ml水溶液、20％的PTFE稀释液8g倒入一定量异丙醇中，搅拌均匀制成粘度在300cp的浆料；
2)将上述浆料涂覆在经疏水处理过的碳纸(选用Toray H060碳纸)，形成涂覆厚度为20μm的微孔层；
3)将上述涂覆了浆料的气体扩散层放入马弗炉中以5℃/min的升温速率升温，最终于340℃焙烧60min，待炉温降温至室温后取出微孔层结构。
按照下述微孔层孔隙率测试方法，测定该样品中孔隙率为40％，厚度为210μm。
本发明实施例中采用浸渍法测量微孔层的孔隙率。首先将面积为a，厚度为b1，做过疏水处理的气体扩散层基底层称重为ε1，置于癸烷中浸泡至重量恒定(采用癸烷为润湿液,由于其低表面能,能浸入扩散层基底层的全部孔中,利用称重法确定浸泡前后扩散层的质量ε2。再将面积同样为a，厚度为b2制备好的扩散层(包括基底层和微孔层)称重为ε3，置于癸烷中浸泡至重量恒定,利用称重法确定浸泡前后扩散层(包括基底层和微孔层)称重为ε4，通过以下公式可以计算微孔层孔隙率
Figure BDA0001751190580000141
Figure BDA0001751190580000142
将上述两个样品分别组装成活性区域面积为200cm2的质子交换膜燃料电池，其中，样品一制备出的气体扩散层组装方式和阴极、阳极气体流动方向与附图3所示相同，检测对比得到的电池电化学性能。图4数据的检测环境为：阴极入口压力较阳极入口压力低20KPa，阳极入口气体湿度为40％，阴极气体不增湿，其他操作条件相同。结果显示，在1.0A/cm2电密以上，样品一制备的电池电压仍然保持稳定，而样品二制备的电池电压则发生明显下降，出现传质极化的现象。图4中，横轴为电流密度，纵轴为电压。可见，采用本申请技术方案制备的燃料电池具有较好的自增湿效果，电池性能较为优良。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (14)

1.一种微孔层结构，用于燃料电池，其特征在于，所述微孔层结构包括：
基底；
设置在所述基底表面的微孔层，所述微孔层包括在第一方向上依次排布的第一区域微孔层以及第二区域微孔层；
其中，所述第一方向为燃料电池中反应气体的流路方向；所述第一区域微孔层的孔隙率小于所述第二区域微孔层的孔隙率；所述第一区域微孔层的最可几孔径大于所述第二区域微孔层的最可几孔径；所述第一区域微孔层的平均孔径大于所述第二区域微孔层的平均孔径。
2.根据权利要求1所述的微孔层结构，其特征在于，在所述第一方向上，所述第一区域微孔层的长度不超过所述第二区域微孔层的长度；
其中，所述第一区域微孔层的最可几孔径和平均孔径为200nm～1000nm，所述第二区域微孔层的最可几孔径和平均孔径为10nm～199nm。
3.根据权利要求1所述的微孔层结构，其特征在于，所述微孔层的厚度为10μm-60μm。
4.根据权利要求1所述的微孔层结构，其特征在于，所述第一区域微孔层的孔隙率为30％-45％；
所述第二区域微孔层的孔隙率为45％-65％。
5.根据权利要求1所述的微孔层结构，其特征在于，所述第一区域微孔层由第一浆料制备；
所述第二区域微孔层由第二浆料制备；
所述第一浆料中造孔剂的含量小于与所述第二浆料中造孔剂的含量。
6.一种制备方法，用于制备如权利要求1-5任一项所述的微孔层结构，其特征在于，所述制备方法包括：
提供一基底，所述基底具有在第一方向上依次排布的第一区域以及第二区域；所述第一方向为燃料电池中反应气体的流路方向；
在所述第一区域形成第一浆料的膜层，在所述第二区域形成第二浆料的膜层；
对所述基底表面的膜层进行热处理后，再通过焙烧处理，使得所述第一浆料的膜层形成第一区域微孔层，使得所述第二浆料的膜层形成第二区域微孔层；
其中，所述第一区域微孔层的孔隙率小于所述第二区域微孔层的孔隙率；所述第一区域微孔层的最可几孔径大于所述第二区域微孔层的最可几孔径；所述第一区域微孔层的平均孔径大于所述第二区域微孔层的平均孔径。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，还包括：制备所述第一浆料以及所述第二浆料；
所述第一浆料与所述第二浆料均包括：导电材料、造孔剂、疏水剂和分散液的混合物；
其中，所述第一浆料中造孔剂的含量小于与所述第二浆料中造孔剂的含量。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述导电材料为炭黑；
所述造孔剂包括碳酸铵、草酸铵、碳酸锂中的一种或两种；
所述疏水剂为聚四氟乙烯水分散液；
所述分散液为醇类。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述醇类包括乙醇、异丙醇、乙二醇中的一种或两种。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第一区域微孔层以及所述第二区域微孔层的厚度为10μm-100μm。
11.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第一区域微孔层的孔隙率为30％-45％；
所述第二区域微孔层的孔隙率为45％-65％。
12.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：
焙烧完成后，进行裁剪，形成预设尺寸的微孔层结构，裁剪后的微孔层结构中，所述第一区域微孔层结构长度不超过所述第二区域微孔层结构的长度。
13.一种膜电极组件，其特征在于，所述膜电极组件包括：
依次层叠设置的阴极侧气体扩散层、阴极侧催化剂层、质子交换膜、阳极侧催化剂层以及阳极侧气体扩散层；
其中，所述阴极侧气体扩散层包括如权利要求1-5任一项所述的微孔层结构；所述阳极侧气体扩散层包括如权利要求1-5任一项所述的微孔层结构。
14.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括：
如权利要求13所述的膜电极组件。
CN201810867034.9A 2018-08-01 2018-08-01 一种微孔层结构、制备方法、膜电极组件以及燃料电池 Active CN110797546B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810867034.9A CN110797546B (zh) 2018-08-01 2018-08-01 一种微孔层结构、制备方法、膜电极组件以及燃料电池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810867034.9A CN110797546B (zh) 2018-08-01 2018-08-01 一种微孔层结构、制备方法、膜电极组件以及燃料电池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110797546A true CN110797546A (zh) 2020-02-14
CN110797546B CN110797546B (zh) 2021-08-10

Family

ID=69425660

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810867034.9A Active CN110797546B (zh) 2018-08-01 2018-08-01 一种微孔层结构、制备方法、膜电极组件以及燃料电池

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110797546B (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111463442A (zh) * 2020-04-13 2020-07-28 上海电气集团股份有限公司 催化剂层、燃料电池膜电极及其制备方法
CN114335571A (zh) * 2021-12-28 2022-04-12 山东大学 一种气体扩散层、质子交换膜燃料电池及动力总成
CN114430056A (zh) * 2022-01-20 2022-05-03 上海恒劲动力科技有限公司 一种质子交换膜燃料电池系统湿度控制方法
CN114899417A (zh) * 2022-04-28 2022-08-12 一汽解放汽车有限公司 一种燃料电池气体扩散层及其制备方法
WO2024125598A1 (zh) * 2022-12-14 2024-06-20 成都今是科技有限公司 微孔阵列及其制备方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1877890A (zh) * 2005-05-11 2006-12-13 三星Sdi株式会社 燃料电池的电极基底及其制法以及包括它的膜电极组件
CN102456891A (zh) * 2010-10-29 2012-05-16 中国科学院大连化学物理研究所 一种具有梯度孔结构的气体扩散层及其制备和应用
WO2015009233A1 (en) * 2013-07-17 2015-01-22 Temasek Polytechnic Diffusion medium for use in fuel cell, fuel cell and method of making the diffusion medium
CN105917506A (zh) * 2014-01-16 2016-08-31 奥迪股份公司 具有多种密度的燃料电池微孔层
CA2839649C (en) * 2011-06-17 2016-11-29 Nissan Motor Co., Ltd. Gas diffusion layer for fuel cell
CN106299398A (zh) * 2016-09-30 2017-01-04 新源动力股份有限公司 一种提高燃料电池性能的双层微孔层制备方法
CN107681165A (zh) * 2017-11-06 2018-02-09 中车青岛四方机车车辆股份有限公司 一种燃料电池的微孔层结构、其制备方法与燃料电池阴极组件

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1877890A (zh) * 2005-05-11 2006-12-13 三星Sdi株式会社 燃料电池的电极基底及其制法以及包括它的膜电极组件
CN102456891A (zh) * 2010-10-29 2012-05-16 中国科学院大连化学物理研究所 一种具有梯度孔结构的气体扩散层及其制备和应用
CA2839649C (en) * 2011-06-17 2016-11-29 Nissan Motor Co., Ltd. Gas diffusion layer for fuel cell
WO2015009233A1 (en) * 2013-07-17 2015-01-22 Temasek Polytechnic Diffusion medium for use in fuel cell, fuel cell and method of making the diffusion medium
CN105917506A (zh) * 2014-01-16 2016-08-31 奥迪股份公司 具有多种密度的燃料电池微孔层
CN106299398A (zh) * 2016-09-30 2017-01-04 新源动力股份有限公司 一种提高燃料电池性能的双层微孔层制备方法
CN107681165A (zh) * 2017-11-06 2018-02-09 中车青岛四方机车车辆股份有限公司 一种燃料电池的微孔层结构、其制备方法与燃料电池阴极组件

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TAEYOUNG KIM等: "A study of water transport as a function of the micro-porous layer arrangement in PEMFCs", 《INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY》 *
覃群: "亲/疏水复合孔结构微孔层的制备及其性能研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111463442A (zh) * 2020-04-13 2020-07-28 上海电气集团股份有限公司 催化剂层、燃料电池膜电极及其制备方法
CN114335571A (zh) * 2021-12-28 2022-04-12 山东大学 一种气体扩散层、质子交换膜燃料电池及动力总成
CN114335571B (zh) * 2021-12-28 2023-08-22 山东大学 一种气体扩散层、质子交换膜燃料电池及动力总成
CN114430056A (zh) * 2022-01-20 2022-05-03 上海恒劲动力科技有限公司 一种质子交换膜燃料电池系统湿度控制方法
CN114899417A (zh) * 2022-04-28 2022-08-12 一汽解放汽车有限公司 一种燃料电池气体扩散层及其制备方法
CN114899417B (zh) * 2022-04-28 2023-12-29 一汽解放汽车有限公司 一种燃料电池气体扩散层及其制备方法
WO2024125598A1 (zh) * 2022-12-14 2024-06-20 成都今是科技有限公司 微孔阵列及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110797546B (zh) 2021-08-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110797546B (zh) 一种微孔层结构、制备方法、膜电极组件以及燃料电池
US8263207B2 (en) Gas diffusion layer, manufacturing apparatus and manufacturing method thereof
JP3929146B2 (ja) 固体高分子型燃料電池システム
KR100661698B1 (ko) 직접 메탄올형 연료전지
CN100508266C (zh) 膜电极单元
JP4907894B2 (ja) 燃料電池スタック
JP2001345106A (ja) 燃料電池用電極およびその製造方法
CN101926035B (zh) 燃料电池单元和燃料电池组
JP4956870B2 (ja) 燃料電池および燃料電池の製造方法
KR100773669B1 (ko) 직접형 연료전지 및 직접형 연료전지 시스템
KR20180058571A (ko) 그래핀폼을 포함하는 가스유로/가스확산층 복합 기능 연료전지용 부재
JP3459615B2 (ja) 燃料電池用電極及び燃料電池
JP2001006708A (ja) 固体高分子型燃料電池
JP2004171844A (ja) 液体燃料電池
JP4880131B2 (ja) ガス拡散電極およびこれを用いた燃料電池
JP2001307749A (ja) 固体高分子型燃料電池および固体高分子型燃料電池スタック
KR100907183B1 (ko) 연료전지용 기체확산층, 막-전극 접합체 및 연료전지
JP2006049115A (ja) 燃料電池
JP2009043688A (ja) 燃料電池
JP4348154B2 (ja) 固体高分子型燃料電池用触媒膜、その製造方法及びそれを用いた燃料電池
JP4271127B2 (ja) 固体高分子型燃料電池の電極構造体
KR102176856B1 (ko) 연료전지용 기체확산층, 이를 포함하는 막-전극 접합체, 이를 포함하는 연료 전지 및 연료전지용 기체확산층의 제조방법
JP4586358B2 (ja) 燃料電池システム
US20130260277A1 (en) Diffusion layer structure of fuel cell
KR100570769B1 (ko) 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20220112

Address after: 201800 No. 1788, xiechun Road, Anting Town, Jiading District, Shanghai

Patentee after: Shanghai jiehydrogen Technology Co.,Ltd.

Address before: 201203 Room 509, Building No. 1, 563 Songtao Road, Zhangjiang High-tech Park, Pudong New Area, Shanghai

Patentee before: SAIC Motor Corp.,Ltd.

TR01 Transfer of patent right