CN116314879B - 燃料电池以及用电装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及能源领域，涉及一种燃料电池以及用电装置。燃料电池包括质子交换膜，在质子交换膜的两侧的表面分别依次形成有催化层、气体扩散层和极板层；每侧的催化层的亲水性大于气体扩散层的亲水性；且气体扩散层的亲水性大于极板层的亲水性。通过设置质子交换膜的两侧的催化层的亲水性大于气体扩散层的亲水性；且气体扩散层的亲水性大于极板层的亲水性，提高了燃料电池自身的自保湿效果，使得燃料电池自身更加保水，因而可以减少甚至不需要借助外增设置进行增湿。因而极大地降低了质子交换膜燃料电池增湿复杂化的问题，有望降低燃料电池系统复杂化程度、降低燃料电池成本，以及有助于燃料电池系统的能量效率和体积比能量密度的提升。

Description

燃料电池以及用电装置
技术领域
本申请涉及能源领域，具体而言，涉及一种燃料电池以及用电装置。
背景技术
质子交换膜燃料电池由极板、扩散层（碳纸层）、催化层、质子交换膜组成。目前质子交换膜燃料电池在实际运行中需要借助于外增湿设备对电池系统进行增湿，然而这会导致燃料电池系统复杂化、成本升高，以及系统的能量效率和体积比能量密度降低。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种燃料电池以及用电装置，解决现有燃料电池增湿复杂的问题。
第一方面，本申请提供一种燃料电池，包括：
质子交换膜，在质子交换膜的两侧的表面分别依次形成有催化层、气体扩散层和极板层；
其中，每侧的催化层的亲水性大于气体扩散层的亲水性；且气体扩散层的亲水性大于极板层的亲水性。
相对于现有技术中质子交换膜燃料电池需要借助于外增湿设备对电池系统进行增湿，本申请的燃料电池通过设置质子交换膜的两侧的催化层的亲水性大于气体扩散层的亲水性；且气体扩散层的亲水性大于极板层的亲水性，提高了质子交换膜燃料电池自身的自保湿效果，使得质子交换膜燃料电池自身更加保水，因而可以减少甚至不需要借助外增设置进行增湿。因而极大地降低了质子交换膜燃料电池增湿复杂化的问题，有望降低燃料电池系统复杂化程度、降低燃料电池成本，以及有助于燃料电池系统的能量效率和体积比能量密度的提升。
在本申请的其他实施例中，上述气体扩散层为碳纸层。
在本申请的其他实施例中，上述的催化层的接触角小于气体扩散层的接触角；
气体扩散层的接触角小于极板层的接触角。
在本申请的其他实施例中，上述的极板层的接触角与催化层的接触角差值大于或者等于20°。
在本申请的其他实施例中，催化层的接触角为110°~130°。
在本申请的其他实施例中，气体扩散层的接触角为130°~150°。
在本申请的其他实施例中，极板层的接触角为140°~160°。
在本申请的其他实施例中，位于质子交换膜两侧的催化层分别为阳极催化层和阴极催化层；
阳极催化层的接触角小于阴极催化层的接触角。
在本申请的其他实施例中，催化层包括保水组分和催化剂。
在本申请的其他实施例中，保水组分包括SiO2、TiO2或者聚乙烯醇中的至少一种。
在本申请的其他实施例中，极板层包括极板本体和形成在极板本体表面的疏水涂层；疏水涂层包括硅烷。
第二方面，本申请提供一种用电装置，包括前述第一方面提供的燃料电池。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系为是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
本申请实施方式提供一种燃料电池，包括：
质子交换膜，在质子交换膜的两侧的表面分别依次形成有催化层、气体扩散层和极板层；
其中，每侧的催化层的亲水性大于气体扩散层的亲水性；且气体扩散层的亲水性大于极板层的亲水性。
通过将每侧的催化层的亲水性大于气体扩散层的亲水性；且气体扩散层的亲水性大于极板层的亲水性，能够提高膜电极的保水性，实现自增湿的效果。
在本申请一些可选的实施方式中，上述的气体扩散层为碳纸层。
相对于现有技术中质子交换膜燃料电池需要借助于外增湿设备对电池系统进行增湿，本申请的燃料电池通过设置质子交换膜的两侧的催化层的亲水性大于气体扩散层的亲水性；且气体扩散层的亲水性大于极板层的亲水性，提高了质子交换膜燃料电池自身的自保湿效果，使得质子交换膜燃料电池自身更加保水，因而可以减少甚至不需要借助外增设置进行增湿。因而极大地降低了质子交换膜燃料电池增湿复杂化的问题，有望降低燃料电池系统复杂化程度、降低燃料电池成本，以及有助于燃料电池系统的能量效率和体积比能量密度的提升。
进一步地，在本申请一些实施方式中，催化层的接触角小于气体扩散层的接触角；且气体扩散层的接触角小于极板层的接触角。
上述催化层的接触角是指催化层面向气体扩散层一侧的表面的接触角。上述气体扩散层的接触角是指气体扩散层面向催化层一侧的表面的接触角。上述极板层的接触角是指极板层面向气体扩散层一侧的表面的接触角。
进一步优选的，气体扩散层面向催化层一侧的表面的接触角大于气体扩散层面向极板层一侧的表面的接触角，且气体扩散层面向极板层一侧的表面的接触角大于上述的催化层的接触角。
进一步地，在本申请的一些实施方式中，上述的各层的接触角的测试方法为：将各层放置于接触角测量仪平台上进行接触角测试。
进一步地，在本申请一些实施方式中， 通过设置催化层的接触角小于气体扩散层的接触角；且气体扩散层的接触角小于极板层的接触角，能够使得质子交换膜两侧的催化层的亲水性大于气体扩散层的亲水性；且气体扩散层的亲水性大于极板层的亲水性，从而提高燃料电池保水效果。
进一步地，在本申请一些实施方式中，极板层的接触角与催化层的接触角差值大于或者等于20°。
通过设置上述的极板层的接触角与催化层的接触角差值大于或者等于20°；能够进一步地提高整个燃料电池的保水效果。
示例性地，在本申请一些可选的实施方式中，上述的极板层的接触角大于催化层的接触角25°、30°、35°、40°、50°、60°或者70°。
进一步地，在本申请一些实施方式中，催化层的接触角为110°~130°。
通过将上述的催化层的接触角设置为110°~130°，更容易获得保水效果好的催化层，从而获得自保湿性能优异的燃料电池。
进一步可选地，在本申请一些实施方式中，上述的催化层的接触角为111°~129°。
示例性地，在本申请一些实施方式中，上述的催化层的接触角为112°、115°、118°、120°、122°、125°或者128°。
进一步地，在本申请一些实施方式中，气体扩散层的接触角为130°~150°。
通过将上述的气体扩散层的接触角设置为130°~150°，能够与前述的催化层更好的协同配合，从而获得自保湿性能优异的燃料电池。
进一步可选地，在本申请一些实施方式中，上述的气体扩散层的接触角为131°~149°。
示例性地，在本申请一些实施方式中，上述的气体扩散层的接触角为131°、132°、135°、138°、140°、141°、142°、143°、145°、148°或者149°。
进一步地，在本申请一些实施方式中，上述的极板层的接触角140°~160°。
通过将上述的极板层的接触角设置为140°~160°，能够与前述的催化层、气体扩散层更好的协同配合，从而获得自保湿性能优异的燃料电池。
进一步可选地，在本申请一些实施方式中，上述的极板层的接触角141°~159°。
示例性地，在本申请一些实施方式中，上述的极板层的接触角为142°、143°、145°、148°、150°、152°、155°或者158°。
进一步地，在本申请一些实施方式中，位于质子交换膜两侧的催化层分别为阳极催化层和阴极催化层；
阳极催化层的接触角小于阴极催化层的接触角。
阳极催化层更需要保持较高的润湿性，通过设置阳极催化层的接触角小于阴极催化层的接触角，使得阳极催化层的保水效果更好，从而有利于进一步提高整个燃料电池的自增湿性能。
进一步地，在本申请一些实施方式中，催化层包括保水组分、催化剂和离聚物。
进一步地，在本申请一些实施方式中，保水组分包括SiO2、TiO2或者聚乙烯醇中的至少一种。
通过在上述的催化层中添加包括SiO2、TiO2或者聚乙烯醇中的至少一种的保水组分，能够有效地提高催化层的保水效果，进而提高整个燃料电池的自增湿性能。
进一步可选地，在本申请一些实施方式中，上述的催化层中的保水组分选择SiO2、TiO2或者聚乙烯醇中的任意一种。
进一步地，在本申请一些实施方式中，上述的催化层中的保水组分选择SiO2和TiO2的混合物。进一步可选地，上述的SiO2和TiO2的混合物中二者可以以任意比例混合。
进一步地，在本申请一些实施方式中，上述的催化层中的保水组分选择SiO2和聚乙烯醇的混合物。进一步可选地，上述的SiO2和聚乙烯醇的混合物中二者可以以任意比例混合。
进一步地，在本申请一些实施方式中，上述的催化层中的保水组分选择TiO2和聚乙烯醇的混合物。进一步可选地，上述的TiO2和聚乙烯醇的混合物中二者可以以任意比例混合。
进一步地，在本申请一些实施方式中，上述的催化层中的保水组分选择TiO2、SiO2以及聚乙烯醇的混合物。进一步可选地，上述的TiO2、SiO2以及聚乙烯醇的混合物中三者可以以任意比例混合。
进一步可选地，上述的TiO2、SiO2的粒径选择50nm~300nm，在此范围内能够形成性能良好的催化剂浆料以及保湿性能优异。
进一步可选地，上述的TiO2、SiO2的粒径选择51nm~290nm。
示例性地，上述的TiO2、SiO2的粒径选择55nm、60nm、65nm、70nm、80nm、100nm、150nm、200nm、250nm或者280nm。
进一步地，在本申请一些实施方式中，上述的催化层中的催化剂选择亲水型催化剂。
进一步可选地，在本申请一些实施方式中，上述的亲水型催化剂可以通过对常见催化剂进行酸处理、或者氧化处理获得。
进一步地，在本申请一些实施方式中，上述的催化层中的离聚物选择亲水型离子导体。
进一步可选地，上述的亲水型离子导体的离子交换当量（EW）≤800g/mol。
进一步地，上述的催化层中的催化剂选择本领域常见的催化剂，例如Pt/C催化剂。
在本申请其他实施方式中，上述的离聚物可以选择本领域其他常见的离聚物，例如全氟磺酸树脂分散液。
示例性地，在本申请一些实施方式中，上述的全氟磺酸树脂分散液可以选择本领域市售产品，例如索尔维D79（Solvay，固含量为25%）。
进一步地，在本申请一些实施方式中，极板层包括极板本体和形成在极板本体表面的疏水涂层，疏水涂层面向气体扩散层设置；疏水涂层包括硅烷，例如辛基三甲氧基硅烷、癸基三甲氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷、十八烷基三甲氧基硅烷等烷基硅烷。
进一步可选地，上述的极板本体选择本领域常见的极板。
进一步地，在本申请其他实施方式中，上述的疏水涂层也可以选择本领域疏水性能类似于硅烷的其他疏水材料制成的疏水涂层。
进一步地，在本申请一些实施方式中，上述的气体扩散层可以根据需要的接触角范围进行选择搭配。进一步地，气体扩散层选择碳纸，可以根据需要的接触角范围选择合适的接触角范围的碳纸作为气体扩散层。
示例性地，在本申请一些实施方式中，通过购买市售的接触角为130°~150°的碳纸，获得碳纸层的接触角为130°~150°。
进一步可选地，在本申请一些实施方式中，对接触角不能满足上述碳纸层的接触角范围要求的碳纸进行疏水处理。
示例性地，在碳纸的微孔层（MPL层）中加入聚四氟乙烯（PTFE）等疏水剂进行调节。
上述在碳纸的微孔层（MPL层）中加入的聚四氟乙烯（PTFE）的量可以根据需要调节的接触角的范围进行选配。
本申请一些实施方式提供一种燃料电池的制备方法，包括：
步骤S1、催化层的制备：
将催化剂、离聚物、保水组分以及溶剂混合均匀后通过直接涂布方式，制备催化层，通过调节催化层各组分的种类和用量，可使催化层接触角为110°~130°。
步骤S2、气体扩散层制备：
接触角为130°~150°的碳纸裁切成合适的大小，作为气体扩散层。
步骤S3、极板层制备：
在极板本体表面形成疏水涂层；疏水涂层包括硅烷；使得极板层的接触角140°~160°。
步骤S4、组装燃料电池：
在质子交换膜的两侧的表面分别依次形成催化层、气体扩散层和极板层。
本申请一些实施方式还提供一种用电装置，包括前述任一实施方式提供的燃料电池。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述：
实施例1
提供一种燃料电池，按照以下步骤制备：
步骤S1、阴极催化剂浆料制备。
通过超声分散的方式，将25g 60 wt%的Pt/C催化剂、40g的D79（Solvay，固含量为25%）和10wt% （SiO2:C） SiO2(粒径100nm) 分散在320g水与130g乙醇的混合液中，得到阴极催化剂浆料。
步骤S2、阳极催化剂浆料制备。
通过超声分散的方式，将25g 60 wt%的Pt/C催化剂、40g的D79（Solvay，固含量为25%）和20wt%（SiO2:C）SiO2(粒径100nm) 分散在320g水与130g乙醇的混合液中，得到阳极催化剂浆料。
步骤S3、阴极催化层、阳极催化层制备。
采用直接涂布的方式，将步骤S1制得的阴极催化剂浆料涂布在质子交换膜上的阴极对应的一侧，得到阴极催化层；
采用直接涂布的方式，将步骤S2制得的阳极催化剂浆料涂布在质子交换膜上的阳极对应的一侧，得到阳极催化层。
步骤S4、接触角测试。
采用接触角测量仪，对步骤S3制得的阴极催化层和阳极催化层进行测试，测得阴极催化层的接触角为120°，阳极催化层接触角为115°。
步骤S5、膜电极组件（MEA）制备。
选择接触角为140°的碳纸裁切成合适的大小分别作为阳极气体扩散层和阴极气体扩散层；将步骤S3制得的涂布有催化剂浆料的质子交换膜和气体扩散层以及边框进行贴合。
步骤S6、燃料电池组装
分别在阴极极板本体和阳极极板本体表面涂布疏水涂层十六烷基三甲氧基硅烷，采用接触角测量仪测得极板涂布疏水涂层侧的表面的接触角为155°；然后将阳极极板和阴极极板与步骤S5得到的膜电极组件组装，得到燃料电池。
实施例2-实施例6
提供一种燃料电池，其制备方法与实施例1基本相同，所不同之处在于制备参数，具体的参数见表1。
对比例1~对比例3
提供一种燃料电池，其制备方法与实施例1基本相同，所不同之处在于制备参数，具体的参数见表1。
表1制备参数
对实施例1-实施例6以及对比例1-对比例3提供的燃料电池测试不同湿度下的燃料电池的电压值，结果见表2。
测试不同湿度下的燃料电池的电压值的步骤，包括：
极化曲线测试：设置燃料电池测试温度为85℃，阳极通氢气，阴极通空气，阳极比阴极气体计量比为1.5:2，阳极湿度和阴极湿度根据要求设置，随电流变化记录电压值。
测试结果见表2。
表2性能测试结果
由上述表格2的测试结果可以看出：
实施例1~6说明，添加不同比例不同类型的保水组分，只要各层接触角在权利要求范围内梯度分布，干态下（阴极空气不加湿且阳极湿度50%条件下）测试的电压高于湿态下（阴极湿度50%且阳极湿度50%条件下）测试的电压，由此说明，采用本申请的方案能够获得具有较好的自增湿效果的燃料电池。
对比例1~3说明，当各层接触角不满足梯度分布时，干态下测试的电压较低，自增湿效果较差。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种燃料电池，其特征在于，包括：
质子交换膜，在所述质子交换膜的两侧的表面分别依次形成有催化层、气体扩散层和极板层；
其中，每侧的所述催化层的亲水性大于所述气体扩散层的亲水性；且所述气体扩散层的亲水性大于所述极板层的亲水性；所述催化层的接触角为110°~130°；所述气体扩散层的接触角为130°~150°。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述催化层的接触角小于所述气体扩散层的接触角；
且所述气体扩散层的接触角小于所述极板层的接触角。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，
所述极板层的接触角与所述催化层的接触角差值大于或者等于20°。
4.根据权利要求1-3任一项所述的燃料电池，其特征在于，
所述极板层的接触角140°~160°。
5.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
位于所述质子交换膜两侧的所述催化层分别为阳极催化层和阴极催化层；
所述阳极催化层的接触角小于所述阴极催化层的接触角。
6.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述催化层包括保水组分和催化剂；所述保水组分包括SiO2、TiO2或者聚乙烯醇中的至少一种。
7.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，
所述极板层包括极板本体和形成在所述极板本体表面的疏水涂层；所述疏水涂层包括硅烷。
8.一种用电装置，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的燃料电池。
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