CN114930586A - 能同时满足优异性能和高耐久性两个要求的膜电极组件及包括其的燃料电池 - Google Patents

能同时满足优异性能和高耐久性两个要求的膜电极组件及包括其的燃料电池 Download PDF

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Abstract

公开了一种能够同时满足优异性能和高耐久性两个要求的膜电极组件以及包括该膜电极组件的燃料电池。本发明的膜电极组件包括：第一电极；第二电极；以及设置在第一电极和第二电极之间的电解质膜，其中第一电极包括具有第一耐久性的第一部分和具有与第一耐久性不同的第二耐久性的第二部分。

Description

能同时满足优异性能和高耐久性两个要求的膜电极组件及包 括其的燃料电池
技术领域
本公开涉及一种膜电极组件和包括该膜电极组件的燃料电池，更具体地，涉及一种能够同时满足优异性能和高耐久性要求的膜电极组件以及包括该膜电极组件的燃料电池。
背景技术
聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)由于其高能效和环境友好而作为能够替代化石能源的下一代能源而受到关注，该聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)利用单元电池的堆叠结构发电，每个单元电池包括膜电极组件(MEA)和隔板(也称为“双极板”)。
膜电极组件通常包括阳极(也称为“燃料电极”)、阴极(也称为“空气电极”)和插设于阳极与阴极之间的聚合物电解质膜。
当诸如氢气的燃料供应到阳极时，阳极处的氢被氧化以产生质子(H+)和电子(e-)。产生的质子通过聚合物电解质膜(PEM)转移到阴极，而产生的电子通过外部电路转移到阴极。供应到阴极的空气中的氧与质子和电子结合，因此被还原，从而产生水。
通常，膜电极组件的性能和耐久性与电极的性能和耐久性紧密相关。然而，诸如阳极/阴极的电极的性能和耐久性之间的权衡关系迫使要牺牲电极的性能或耐久性。也就是说，具有高催化活性的氧化/还原催化剂往往具有不令人满意的耐久性。另一方面，具有高耐久性的氧化/还原催化剂往往表现出不令人满意的性能。
因此，燃料电池领域的技术人员通常认为不可能制造同时满足优异性能和高耐久性要求的膜电极组件和/或燃料电池。
发明内容
技术问题
因此，本公开涉及一种能够防止由上述现有技术的限制和缺点所导致的问题的膜电极组件以及包括该膜电极组件的燃料电池。
本公开的一方面在于提供一种能够同时满足优异性能和高耐久性的要求的膜电极组件。
本公开的另一方面在于提供一种能够同时满足优异性能和高耐久性的要求的燃料电池。
除了本公开的上述方面之外，本公开的其他特征和优点将在以下详细描述中进行描述，本公开所属领域的技术人员将清楚地理解这些特征和优点。
技术方案
根据本公开，上述和其他目的可以通过提供一种膜电极组件来实现，该膜电极组件包括第一电极、第二电极以及设置在第一电极与第二电极之间的电解质膜，其中第一电极包括具有第一耐久性的第一部分和具有与第一耐久性不同的第二耐久性的第二部分。
第一部分可以包含第一催化剂，第二部分可以包含第二催化剂，并且第一催化剂和第二催化剂可以在耐久性方面彼此不同。
第一催化剂可以包含第一载体(support)和分散在第一载体上的第一金属颗粒，第二催化剂可以包含第二载体和分散在第二载体上的第二金属颗粒，并且第一载体和第二载体可以彼此不同。
第一耐久性可以高于第二耐久性，第一载体可以是结晶碳基载体或导电无机氧化物载体，并且第二载体可以是非结晶碳基载体。
第一载体可以包括石墨化炭黑、碳纳米管、碳纳米纤维、SnO2、TiO2、或以上两种或更多种的混合物，并且第二载体可以包括非石墨炭黑。
第一部分和第二部分可以在与电解质膜的表面平行的方向上并排布置。
第一耐久性可以高于第二耐久性，并且第一部分可以占第一电极的总有效面积的50％以下。
第一耐久性可以高于第二耐久性，第一催化剂可以包含第一载体和分散在第一载体上的第一金属颗粒，第二催化剂可以包含第二载体和分散在第二载体上的第二金属颗粒，并且第一部分中的第一金属颗粒的单位面积重量可以大于第二部分中的第二金属颗粒的单位面积重量。
第一耐久性可以高于第二耐久性，第一部分还可以包含第一离聚物，第二部分还可以包含第二离聚物，并且第一离聚物的侧链长度可以比第二离聚物的侧链长度短。
第一耐久性可以高于第二耐久性，第一催化剂可以包含第一载体和分散在第一载体上的第一金属颗粒，第二催化剂可以包含第二载体和分散在第二载体上的第二金属颗粒，并且第一载体上的第一金属颗粒的负载率可以低于第二载体上的第二金属颗粒的负载率。
第一耐久性可以高于第二耐久性，第一部分可以具有在电解质膜上方依次形成的第一子层和第二子层的双层结构，第二部分可以具有单层结构，第一子层和第二子层中的一层可以包含第一催化剂，并且第一子层和第二子层中的另一个以及第二部分中的每一者可以包含与第一催化剂不同的第二催化剂。
第一催化剂可以包含第一载体和分散在第一载体上的第一金属颗粒，第二催化剂可以包含第二载体和分散在第二载体上的第二金属颗粒，第一载体可以是结晶碳基载体或导电无机氧化物载体，并且第二载体可以是非结晶碳基载体。
第一电极可以是发生氢的氧化反应的阳极，第二电极可以是发生氧的还原反应的阴极，第一催化剂可以是析氧反应(OER)催化剂，并且第二催化剂可以是氢氧化反应(HOR)催化剂。
第一电极可以是发生氢的氧化反应的阳极，第一耐久性可以高于第二耐久性，第一部分可以包含OER催化剂和第一HOR催化剂，第二部分可以包含第二HOR催化剂，第一HOR催化剂与第二HOR催化剂可以彼此相同或不同。
第一电极可以是发生氧的还原反应的阴极，第二电极可以是发生氢的氧化反应的阳极，第一耐久性可以高于第二耐久性，并且第一部分的孔隙率可以高于第二部分的孔隙率。
根据本公开的另一方面，提供了一种燃料电池，包括第一隔板、第二隔板以及设置在第一隔板与第二隔板之间的上述膜电极组件，其中，第一电极设置在第一隔板与电解质膜之间，第一隔板包括被配置为向第一电极供应第一气体的第一入口、被配置为排出第一气体的第一出口以及设置在第一入口与第一出口之间的第一流动通道，第一耐久性高于第二耐久性，并且第一部分是与第一入口或第一出口对应的部分。
电解质膜可以具有活性区域和围绕活性区域的非活性区域，第一电极可以设置在活性区域的第一表面上，第二电极可以设置在活性区域的第二表面上，并且燃料电池还可以包括：第一子衬垫，设置在非活性区域的第一表面上，第一子衬垫围绕第一电极；第二子衬垫，设置在非活性区域的第二表面上，第二子衬垫围绕第二电极；第一气体扩散层，设置在第一电极与第一隔板之间；以及第二气体扩散层，设置在第二电极与第二隔板之间。
燃料电池还可以包括：第一衬垫，设置在第一子衬垫与第一隔板之间，第一衬垫围绕第一气体扩散层；以及第二衬垫，设置在第二子衬垫与第二隔板之间，第二衬垫围绕第二气体扩散层。
提供以上给出的本公开的一般描述仅用于说明本公开，并不限制本公开的范围。
有益效果
根据本公开，可以提供同时满足优异性能和高耐久性的要求的膜电极组件。
因此，本公开的包括膜电极组件的燃料电池也表现出优异的性能和足够长的寿命。
附图说明
附图是为了更好地理解本公开而提供，并且构成本说明书的一部分，附图用于举例说明本公开的实施例，并与以下详细说明一起解释本公开的原理和特征，附图中：
图1的(a)和(b)分别是根据本公开的实施例的膜电极组件的平面图和剖视图；
图2的(a)和(b)分别是根据本公开的另一个实施例的膜电极组件的平面图和剖视图；
图3是根据本公开的实施例的燃料电池的剖视图；以及
图4示出了根据本公开的实施例的隔板的流动通道。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本公开的实施例。然而，示例性地提供以下实施例仅是为了清楚地理解本公开，而不是限制本公开的范围。
图1的(a)和(b)分别是根据本公开的实施例的膜电极组件1100的平面图和剖视图。
如图1所示，本公开的膜电极组件1100包括第一电极1110、第二电极1120以及设置在第一电极1110与第二电极1120之间的电解质膜1130。
例如，电解质膜1130可以是(i)由离聚物形成的单膜型聚合物电解质膜，或(ii)包括浸渍有离聚物的多孔载体的增强复合膜型聚合物电解质膜。
在两种类型的电解质膜1130中，离聚物可以是氟基离聚物或烃基离聚物，并且可以包括选自由磺酸基、羧基、硼酸基、磷酸基、酰亚胺基、磺酰亚胺基、磺酰胺基和氟磺酸基组成的组中的至少一种离子传导基团。
例如，离聚物可以是氟基离聚物，例如聚(全氟磺酸)或聚(全氟羧酸)。
或者，离聚物可以是烃基离聚物，例如磺化聚酰亚胺(S-PI)、磺化聚芳醚砜(S-PAES)、磺化聚醚醚酮(SPEEK)、磺化聚苯并咪唑(SPBI)、磺化聚砜(S-PSU)、磺化聚苯乙烯(S-PS)、磺化聚磷腈、磺化聚喹喔啉、磺化聚酮、磺化聚苯醚、磺化聚醚砜、磺化聚醚酮、磺化聚苯砜、磺化聚苯硫醚、磺化聚苯硫醚砜、磺化聚苯硫醚砜腈、磺化聚亚芳基醚(sulfonatedpolyarylene ether)、磺化聚亚芳基醚腈、磺化聚亚芳基醚醚腈或磺化聚亚芳基醚砜酮。
可用于增强复合膜型聚合物电解质膜1130的多孔载体可以由聚四氟乙烯(PTFE)或四氟乙烯与CF2＝CFCnF2n+1(其中，n为1至5的整数)或CF2＝CFO-(CF2CF(CF3)O)mCnF2n+1(其中，m为0至15的整数，n为1至15的整数)的共聚物形成。例如，可以通过在润滑剂存在下将PTFE挤出成型为带的形式，然后进行膨胀和热处理，来形成扩展膜(expanded film)形式的e-PTFE多孔载体。在热处理之后可以进一步进行额外的膨胀和热处理。通过控制膨胀和热处理，可以得到具有微结构的各种e-PTFE多孔载体。例如，e-PTFE多孔载体可以具有其中节点通过原纤维彼此连接的微结构或仅由原纤维组成的微结构。
或者，多孔载体可以是非织造网。非织造网可以用包含至少一种烃基聚合物的载体形成液体形成，该烃基聚合物选自由聚烯烃(例如聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯等)、聚酯(例如PET、PBT等)、聚酰胺(如尼龙6、尼龙6,6、芳纶等)、聚酰胺酸(预计在模制成网后通过亚胺化转化为聚酰亚胺)、聚氨酯、聚丁烯、聚乳酸、聚乙烯醇、聚苯硫醚(PPS)、聚砜、流体结晶聚合物、聚乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚丙烯腈、环状聚烯烃、聚甲醛和聚烯烃基热塑性弹性体组成的组。
非织造网可以通过选自由湿法成网、静电纺丝、梳理、填缝(garneting)、气流成网、熔喷、纺粘以及缝编(stitch bonding)组成的组中的任何一种方法生产。
第一电极1110和第二电极1120中的每一个可以通过使用包括催化剂、离聚物和分散介质的电极浆料通过贴花转移法或直接涂布法分别形成在第一电解质膜1130的第一表面和与其相对的第二表面上。
为了增加催化剂的活性表面积，通常使用在具有导电性的载体上分散有金属颗粒的催化剂。
载体可以是(i)碳基载体，(ii)导电无机氧化物载体，例如氧化锡、二氧化钛、氧化锆、氧化铝、二氧化硅和二氧化铈，或(iii)沸石载体。
碳基载体可以是结晶碳基载体或非结晶碳基载体。
具体地，碳基载体可以是石墨化炭黑或非石墨炭黑、活性炭、稳定碳、碳球、碳纤维、碳片、碳带、富勒烯、碳纳米管(CNT)、碳纳米纤维、碳纳米线、碳纳米球、碳纳米角、碳纳米笼、碳纳米环、碳气凝胶、石墨烯、有序多孔碳、介孔碳、纳米多孔碳或它们中的两种或更多种的组合。
在本说明书中，石墨化炭黑或非石墨炭黑包括所有的石墨化或非石墨化科琴黑(Ketjen black)、石墨化或非石墨化超导电乙炔炭黑(Denka black)、石墨化或非石墨化乙炔黑(acetylene black)等。
石墨化炭黑、碳纳米管、碳纳米纤维等可以被归类为结晶碳基载体，非石墨炭黑可以被归类为非结晶碳基载体。
金属颗粒可以是铂(Pt)颗粒或铂系合金颗粒。铂系合金可以是Pt-Co、Pt-Cr、Pt-Fe、Pt-Mn、Pt-Mo、Pt-Ni、Pt-Pd、Pt-Ru、Pt-Sn、Pt-W、Pt-Au-Co、Pt-Au-Fe、Pt-Au-Ni、Pt-Co-Fe、Pt-Co-Ir、Pt-Co-Mn、Pt-Co-Ni、Pt-Co-P、Pt-Co-S、Pt-Cr-Ir、Pt-Fe-Ir、Pt-Fe-P、Pt-Fe-S、Pt-Ni-Ir、Pt-Ru-Ir、Pt-Ru-Mo、Pt-Ru-Ni、Pt-Ru-W、Pt-Ru-Ir-Ni、Pt-Ru-Rh-Ni或Pt-Ru-Sn-W。
与催化剂一起分散在分散介质中的离聚物用于传递质子，并且还用作粘合剂，以提高第一电极1110和第二电极1120与电解质膜1130之间的粘合强度。
上述可用于形成电解质膜1130的离聚物也可用于形成第一电极1110和第二电极1120。尽管电解质膜1130的离聚物以及第一电极1110和第二电极1120的离聚物优选为相同类型的离聚物，但本公开不限于此，不同类型的离聚物也可以分别用于制造电解质膜1130以及第一电极1110和第二电极1120。
电极浆料的分散介质可以为乙醇、蒸馏水、异丙醇、正丙醇、丁醇、或其中两种或更多种的混合物，但不限于此。
根据本公开，如图1所示，第一电极1110包括具有第一耐久性的第一部分1111和具有与第一耐久性不同的第二耐久性的第二部分1112。
通常，由于燃料电池的长时间工作而导致的第一电极111的劣化不会发生在第一电极1110的整个区域上，而是发生在特定部分(例如，对应于气体入口/出口的部分，以下称为“易劣化部分”)。因此，通过以易劣化部分(例如，第一部分1111)具有比其余部分更高的耐久性的方式形成第一电极1110，可以提高膜电极组件1100的整体耐久性而不牺牲其余部分(例如，第二部分1112)的性能。
第一部分1111和第二部分1112可以在平行于电解质膜1130的表面的方向上并排布置。
类似于第一电极1110，第二电极1120也可以包括具有不同耐久性的部分1121和1122。例如，第二电极1120可以包括由与第一电极1110的第一部分1111相同的材料形成的部分1121以及由与第一电极1110的第二部分1112相同的材料形成的部分1122。
根据本公开的实施例，第一电极1110的第一部分1111和第二部分1112可以包含不同的催化剂，从而表现出不同的耐久性。即，第一部分1111包含第一催化剂，第二部分1112包含第二催化剂，并且第一催化剂和第二催化剂在耐久性方面可以彼此不同。
第一催化剂和第二催化剂中的任何一个(例如，第一催化剂)表现出低性能但较高的耐久性，并且用于形成第一电极1110的易劣化部分(例如，第一部分1111)，而第一催化剂和第二催化剂中的另一个(例如，第二催化剂)表现出低耐久性但较高的性能，并且用于形成第一电极1110的其余部分(例如，第二部分1112)。
因此，与由于其他因素(例如，催化剂浓度/施加量/负载量的差异、离聚物浓度的差异等)导致易劣化部分与其余部分之间的耐久性差异相比，使用具有不同耐久性的不同类型的催化剂来形成第一电极1110的易劣化部分和其余部分对于实现本公开的目的和效果(即，提供同时满足优异性能和高耐久性的要求的膜电极组件)更加有利。
如上所述，为了增加催化剂的活性表面积，通常使用在具有导电性的载体上分散有金属颗粒的催化剂。换句话说，第一催化剂可以包括第一载体和分散在第一载体上的第一金属颗粒，第二催化剂可以包括第二载体和分散在第二载体上的第二金属颗粒。
因此，根据本公开的实施例，为了使第一催化剂和第二催化剂具有不同的耐久性，第一载体与第二载体可以彼此不同，并且/或者第一金属颗粒与第二金属颗粒可以彼此不同。
例如，结晶碳基载体(例如，石墨化炭黑、碳纳米管、碳纳米纤维等)或导电无机氧化物载体(例如，含有SnO2、TiO2或其混合物的载体)可以用作第一载体，并且非结晶碳基载体(例如，非石墨炭黑等)可以用作第二载体，使得第一催化剂可以表现出比第二催化剂更好的耐久性，因此第一部分1111的第一耐久性可以高于第二部分1112的第二耐久性。在这种情况下，相同类型的金属颗粒可以用作第一金属颗粒和第二金属颗粒，或者第一金属颗粒可以具有比第二金属颗粒更高的耐久性。
具有较高耐久性的第一部分1111可以是第一电极1110的易劣化部分(例如，与以下描述的隔板的气体入口或气体出口对应的部分)，并且可以占第一电极1110的总有效面积的50％以下。
此外，根据本公开的实施例，第一催化剂和第二催化剂在耐久性方面彼此不同，并且第一部分1111中的第一金属颗粒的单位面积重量也可以与第二部分1112中的第二金属颗粒的单位面积重量不同。
例如，第一催化剂可以具有比第二催化剂更优异的耐久性，并且第一部分1111中的第一金属颗粒的单位面积重量可以大于第二部分1112中的第二金属颗粒的单位面积重量，因此第一部分1111的第一耐久性可以高于第二部分1112的第二耐久性。这里，第一金属颗粒和第二金属颗粒可以彼此相同。
或者，第一催化剂与第二催化剂可以在耐久性方面彼此不同，并且第一部分1111中的第一离聚物与第二部分1112中的第二离聚物也可以在耐久性方面彼此不同。通常，离聚物的耐久性与其侧链的长度紧密相关。已经发现，侧链的长度越短，燃料电池的加速寿命测试中的性能下降率越低。即，可以说随着离聚物的侧链长度变短，耐久性提高。因此，根据该实施例，第一离聚物的侧链长度可以与第二离聚物的侧链长度不同。
例如，第一催化剂比第二催化剂具有更好的耐久性，并且第一部分中第一离聚物的侧链长度比第二部分中第二离聚物的侧链长度短，使得第一部分1111的第一耐久性可以高于第二部分1112的第二耐久性。此外，可选地，第一部分1111中的第一金属颗粒的单位面积重量可以大于第二部分1112中的第二金属颗粒的单位面积重量。
或者，第一催化剂和第二催化剂可以在耐久性方面彼此不同，并且第一载体上的第一金属颗粒的负载率也可以与第二载体上的第二金属颗粒的负载率不同。这里，第一金属颗粒和第二金属颗粒可以彼此相同。
通常，金属颗粒在载体上的负载率越高，金属颗粒由于载体腐蚀而洗脱和/或聚集的风险就越高。因此，根据本公开的替代实施例，第一催化剂与第二催化剂相比具有优异的耐久性，并且第一载体上的第一金属颗粒的负载率低于第二载体上的第二金属颗粒的负载率，使得第一部分1111的第一耐久性可以高于第二部分1112的第二耐久性。此外，可选地，第一部分1111中的第一金属颗粒的单位面积重量可以大于第二部分1112中的第二金属颗粒的单位面积重量。
或者，第一电极1110可以是发生氢的氧化反应的阳极，第一部分1111可以包括析氧反应(OER)催化剂(以下称为“OER催化剂”)和第一氢氧化反应(HOR)催化剂(以下称为“第一HOR催化剂”)，并且第二部分1112可以包括第二氢氧化催化剂(以下称为“第二HOR催化剂”)，使得第一部分1111的第一耐久性可以高于第二部分1112的第二耐久性。第一HOR催化剂与第二HOR催化剂可以彼此相同或不同。
第一HOR催化剂和第二HOR催化剂中的每一个可以包括上述铂(Pt)颗粒或铂系合金颗粒(即，Pt-Co、Pt-Cr、Pt-Fe、Pt-Mn、Pt-Mo、Pt-Ni、Pt-Pd、Pt-Ru、Pt-Sn、Pt-W、Pt-Au-Co、Pt-Au-Fe、Pt-Au-Ni、Pt-Co-Fe、Pt-Co-Ir、Pt-Co-Mn、Pt-Co-Ni、Pt-Co-P、Pt-Co-S、Pt-Cr-Ir、Pt-Fe-Ir、Pt-Fe-P、Pt-Fe-S、Pt-Ni-Ir、Pt-Ru-Ir、Pt-Ru-Mo、Pt-Ru-Ni、Pt-Ru-W、Pt-Ru-Ir-Ni、Pt-Ru-Rh-Ni或Pt-Ru-Sn-W)。
通常，在被供应氢气的阳极处发生的反应包括(i)在氢气的正常供应期间由HOR催化剂进行的氢氧化反应，和(ii)在由于燃料短缺等引起的氢气供应减少或中断时发生的碳氧化反应。碳氧化反应侵蚀HOR催化剂的碳基载体，导致HOR催化剂的金属颗粒的洗脱和/或聚集。OER催化剂是能够通过引发析氧反应来抑制碳氧化反应的催化剂，并且包括载体和分散在载体上的金属颗粒。本文中使用的OER催化剂的载体可以是前述的碳基载体、导电无机氧化物载体或沸石载体，OER催化剂的金属颗粒可以包括IrO2、RuO2、IrxSn1-xO2(x为大于0且小于1的实数))、PtIr、IrRu、PtRuIr或其中两种或更多种的混合物。
图2的(a)和(b)分别是根据本公开的另一个实施例的膜电极组件1100的平面图和剖视图。
如图2所示，根据本公开的另一实施例，第一部分1111具有在电解质膜1130上依次形成的第一子层1111a和第二子层1111b的双层结构，第二部分1112具有单层结构。
第一子层1111a和第二子层1111b中的一个包括第一催化剂，并且第一子层1111a和第二子层1111b中的另一个以及第二部分1112中的每一者都包含与第一催化剂不同的第二催化剂，由此第一部分1111的第一耐久性可以高于第二部分1112的第二耐久性。
例如，如上所述，结晶碳基载体(例如，石墨化炭黑、碳纳米管、碳纳米纤维等)或导电无机氧化物载体(例如，含有SnO2、TiO2或其混合物的载体)可以用作第一催化剂的第一载体，非结晶碳基载体(例如非石墨炭黑等)可以用作第二催化剂的第二载体，使得第一催化剂可以表现出比第二催化剂更好的耐久性。在这种情况下，可以使用相同类型的金属颗粒作为第一金属颗粒和第二金属颗粒，或者第一金属颗粒可以具有比第二金属颗粒更高的耐久性。
或者，当第一电极1110是发生氢的氧化的阳极并且第二电极1120是发生氧的还原的阴极时，上述OER催化剂可以用于第一催化剂并且上述HOR催化剂可以用于第二催化剂，使得第一部分1111的第一耐久性可以高于第二部分1112的第二耐久性。
根据本公开的另一个实施例，第一电极1110是发生氧的还原反应的阴极，第二电极1120是发生氢的氧化反应的阳极，第一部分1111的孔隙率高于第二部分1112的孔隙率，使得由氧的还原反应产生的水相比于从第二部分1112排出来说可以从第一部分1111更有效地排出。因此，使导致或加速电极劣化的水可以更好地排出的第一部分1111具有比第二部分1112更高的耐久性。
如上所述，第二电极1120还包括部分1121和1122，分别由与上述示例性的第一电极1110的第一部分1111和第二部分1112相同的材料和结构形成。即，第一电极1110的第一部分1111和第二部分1112的描述可以同样应用于第二电极1120的部分1121和1122。
在下文中，将参照图3至图4详细描述本公开的燃料电池1000。
图3是根据本公开的实施例的燃料电池1000的剖视图，图4示出了根据本公开的实施例的第一隔板1210的流动通道1211。
如图3所示，本公开的燃料电池1000包括第一隔板1210、第二隔板1220以及在第一隔板1210与第二隔板1220之间的上述膜电极组件1100。
膜电极组件1100的第一电极1110设置在第一隔板1210与电解质膜1130之间。类似地，膜电极组件1100的第二电极1120设置在第二隔板1220与电解质膜1130之间。
如图4所示，第一隔板1210包括被配置为向第一电极1110供应第一气体的第一入口GI、被配置为排出第一气体的第一出口GO以及设置在第一入口GI与第一出口GO之间的第一流动通道1211。
根据本公开，第一部分1111具有高于第二部分1112的耐久性(即，第一耐久性高于第二耐久性)，并且第一部分1111是对应于第一入口GI和/或第一出口GO的部分。
因此，根据本公开，通过在第一电极1110中选择性地形成与第一隔板1210的第一入口GI和/或第一出口GO对应的部分(即，易劣化部分)以具有更高的耐久性(即，通过将第一部分1111形成为具有比第二部分1112更高的耐久性)，可以提供能够同时满足优异性能和高耐久性的要求的燃料电池1000。
以类似的方式，第二隔板1220还包括被配置为向第二电极1120供应第二气体的第二入口(未示出)、被配置为排出第二气体的第二出口(未示出)以及设置在第二入口与第二出口之间的第二流动通道1221。此外，在第二电极1120中与第二隔板1220的第二入口和/或第二出口对应的部分1221可以形成为具有比另一部分1222更高的耐久性。
如图3所示，第一电极1110和第二电极1120被布置为使得电解质膜1130设置在它们之间，并且电解质膜1130包括在第一电极1110与第二电极1120之间转移质子的活性区域和围绕活性区域的非活性区域。也就是说，第一电极1110设置在电解质膜1130的活性区域的第一表面上，第二电极1120设置在电解质膜1130的活性区域的第二表面上。
如图3所示，根据本公开的实施例的燃料电池1000包括设置在电解质膜1130的非活性区域的第一表面上的第一子衬垫1310和设置在电解质膜1130的非活性区域的第二表面上的第二子衬垫1320。
第一子衬垫1310和第二子衬垫1320(i)防止电解质膜1130的边缘在燃料电池1000的工作期间由于其反复膨胀和收缩而损坏，(ii)解决了由于电解质膜1130的厚度极小而难以处理膜电极组件1100的问题，(iii)防止气体(即，氢气和/或空气)泄漏。
第一子衬垫1310和第二子衬垫1320中的每一个具有电极窗口以暴露第一电极1110和第二电极1120。即，第一子衬垫1310围绕第一电极1110，第二子衬垫1320围绕第二电极1120。
可以通过在电解质膜1130上层压在从室温至120℃的温度范围内具有优异耐热性和耐化学性、能够承受100扭矩以上的压力并且具有相对较低的透气性的膜来形成第一子衬垫1310和第二子衬垫1320中的每一个。例如，第一子衬垫1310和第二子衬垫1320中的每一个可以包含聚酰亚胺(PI)基化合物、聚乙烯(PE)基化合物、聚丙烯(PP)基化合物、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基化合物、氟化乙烯丙烯(FEP)基化合物、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)基化合物或其中的两种或更多种的混合物。
包括电解质膜1130、第一电极1110和第二电极1120以及第一子衬垫1310和第二子衬垫1320的结构也被称为“膜电极组件”，并且为了提高这种膜电极组件的生产率，可以采用连续卷对卷工艺。例如，连续卷对卷工艺可以包括(i)在以连续膜的形式提供的电解质膜1130的第一表面和第二表面上以预定间隔连续形成多个第一电极110和多个第二电极，以获得催化剂涂覆膜(CCM)，(ii)在连续提供的CCM的两个表面上分别层压分别具有以预定间隔布置的电极窗口的第一子衬垫膜和第二子衬垫膜，以及(iii)切割由此获得的层压体以形成多个单独的膜电极组件。
此外，如图3所示，根据本公开的实施例的燃料电池1000还可以包括设置在第一电极1110与第一隔板1210之间的第一气体扩散层1410以及设置在第二电极1120与第二隔板1220之间的第二气体扩散层1420。
第一扩散层1410和第二气体扩散层1420的主要功能是(i)提供从第一隔板1210和第二隔板1220的流动通道1211和1221到第一电极1110和第二电极1120的气体扩散通道，以便使气体(即，氢气和/或空气)能够容易且均匀地供应到第一电极1110和第二电极1120，(ii)使作为氧化和还原反应的副产物的水能够容易地从第一电极1110和第二电极1120中去除以防止溢流，(iii)在其中保留一些水以防止电解质膜1130的水含量快速减少，以及(iv)对膜电极组件1100赋予足够的机械强度。
第一气体扩散层1410和第二气体扩散层1420中的每一个可以包括导电多孔构件，例如碳纸、碳布、碳毡、金属纸、金属布或金属毡。
此外，如图3所示，根据本公开的实施例的燃料电池1000还可以包括：第一衬垫1510，设置在第一子衬垫1310与第一隔板1210之间并围绕第一气体扩散层1410；以及第二衬垫1520，设置在第二子衬垫1320与第二隔板1220之间并围绕第二气体扩散层1420。
第一衬垫1510和第二衬垫1520用于防止气体(即氢气和/或空气)泄漏，并且可以由例如三元乙丙橡胶(EPDM)、氯丁橡胶、聚氨酯、丁腈橡胶(NBR)、聚四氟乙烯(PTFE)等材料形成，但不限于此。

Claims (18)

1.一种膜电极组件，包括：
第一电极；
第二电极；以及
电解质膜，设置在所述第一电极与所述第二电极之间，
其中，所述第一电极包括具有第一耐久性的第一部分和具有与所述第一耐久性不同的第二耐久性的第二部分。
2.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，
所述第一部分包含第一催化剂，
所述第二部分包含第二催化剂，并且
所述第一催化剂和所述第二催化剂在耐久性方面彼此不同。
3.根据权利要求2所述的膜电极组件，其中，
所述第一催化剂包含第一载体和分散在所述第一载体上的第一金属颗粒，
所述第二催化剂包含第二载体和分散在所述第二载体上的第二金属颗粒，并且
所述第一载体与所述第二载体彼此不同。
4.根据权利要求3所述的膜电极组件，其中，
所述第一耐久性高于所述第二耐久性，
所述第一载体是结晶碳基载体或导电无机氧化物载体，并且
所述第二载体是非结晶碳基载体。
5.根据权利要求4所述的膜电极组件，其中，
所述第一载体包括石墨化炭黑、碳纳米管、碳纳米纤维、SnO2、TiO2、或以上两种或更多种的混合物，并且
所述第二载体包括非石墨炭黑。
6.根据权利要求2所述的膜电极组件，其中，所述第一部分和所述第二部分在与所述电解质膜的表面平行的方向上并排布置。
7.根据权利要求2所述的膜电极组件，其中，
所述第一耐久性高于所述第二耐久性，并且
所述第一部分占所述第一电极的总有效面积的50％以下。
8.根据权利要求2所述的膜电极组件，其中，
所述第一耐久性高于所述第二耐久性，
所述第一催化剂包含第一载体和分散在所述第一载体上的第一金属颗粒，
所述第二催化剂包含第二载体和分散在所述第二载体上的第二金属颗粒，并且
所述第一部分中的所述第一金属颗粒的单位面积重量大于所述第二部分中的所述第二金属颗粒的单位面积重量。
9.根据权利要求2所述的膜电极组件，其中，
所述第一耐久性高于所述第二耐久性，
所述第一部分还包含第一离聚物，
所述第二部分还包含第二离聚物，并且
所述第一离聚物的侧链长度比所述第二离聚物的侧链长度短。
10.根据权利要求2所述的膜电极组件，其中，
所述第一耐久性高于所述第二耐久性，
所述第一催化剂包含第一载体和分散在所述第一载体上的第一金属颗粒，
所述第二催化剂包含第二载体和分散在所述第二载体上的第二金属颗粒，并且
所述第一载体上的所述第一金属颗粒的负载率低于所述第二载体上的所述第二金属颗粒的负载率。
11.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，
所述第一耐久性高于所述第二耐久性，
所述第一部分具有在所述电解质膜上方依次形成的第一子层和第二子层的双层结构，
所述第二部分具有单层结构，
所述第一子层和所述第二子层中的一个包含第一催化剂，并且
所述第一子层和所述第二子层中的另一个以及所述第二部分中的每一者包含与所述第一催化剂不同的第二催化剂。
12.根据权利要求11所述的膜电极组件，其中，
所述第一催化剂包含第一载体和分散在所述第一载体上的第一金属颗粒，
所述第二催化剂包含第二载体和分散在所述第二载体上的第二金属颗粒，
所述第一载体是结晶碳基载体或导电无机氧化物载体，并且
所述第二载体是非结晶碳基载体。
13.根据权利要求11所述的膜电极组件，其中，
所述第一电极是发生氢的氧化反应的阳极，
所述第二电极是发生氧的还原反应的阴极，
所述第一催化剂是析氧反应催化剂，即OER催化剂，并且
所述第二催化剂是氢氧化反应催化剂，即HOR催化剂。
14.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，
所述第一电极是发生氢的氧化反应的阳极，
所述第一耐久性高于所述第二耐久性，
所述第一部分包含OER催化剂和第一HOR催化剂，
所述第二部分包含第二HOR催化剂，并且
所述第一HOR催化剂与所述第二HOR催化剂彼此相同或不同。
15.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，
所述第一电极是发生氧的还原反应的阴极，
所述第二电极是发生氢的氧化反应的阳极，
所述第一耐久性高于所述第二耐久性，并且
所述第一部分的孔隙率高于所述第二部分的孔隙率。
16.一种燃料电池，包括：
第一隔板；
第二隔板；以及
根据权利要求1所述的膜电极组件，设置在所述第一隔板与所述第二隔板之间，
其中，
所述第一电极设置在所述第一隔板与所述电解质膜之间，
所述第一隔板包括被配置为向所述第一电极供应第一气体的第一入口、被配置为排出所述第一气体的第一出口以及设置在所述第一入口与所述第一出口之间的第一流动通道，
所述第一耐久性高于所述第二耐久性，并且
所述第一部分是与所述第一入口或所述第一出口对应的部分。
17.根据权利要求16所述的燃料电池，其中，
所述电解质膜具有活性区域和围绕所述活性区域的非活性区域，
所述第一电极设置在所述活性区域的第一表面上，
所述第二电极设置在所述活性区域的第二表面上，并且
所述燃料电池还包括：
第一子衬垫，设置在所述非活性区域的第一表面上，所述第一子衬垫围绕所述第一电极；
第二子衬垫，设置在所述非活性区域的第二表面上，所述第二子衬垫围绕所述第二电极；
第一气体扩散层，设置在所述第一电极与所述第一隔板之间；以及
第二气体扩散层，设置在所述第二电极与所述第二隔板之间。
18.根据权利要求17所述的燃料电池，还包括：
第一衬垫，设置在所述第一子衬垫与所述第一隔板之间，所述第一衬垫围绕所述第一气体扩散层；以及
第二衬垫，设置在所述第二子衬垫与所述第二隔板之间，所述第二衬垫围绕所述第二气体扩散层。
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