CN215451481U - 一种高性能膜电极及包含该高性能膜电极的燃料电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种高性能膜电极及包含该高性能膜电极的燃料电池，涉及燃料电池领域；一种高性能膜电极，包括依次布置在质子交换膜一侧的阴极催化层、阴极微孔层、阴极支撑层，依次布置在质子交换膜另一侧的阳极催化层、阳极微孔层、阳极支撑层，所述阴极催化层与阴极微孔层之间还设有阴极过渡层，所述阳极催化层与阳极微孔层之间还设有阳极过渡层；本实用新型的高性能膜电极，通过将微孔层涂布液涂布在催化层上，改善微孔层与催化层的界面性质，两者之间有更好的界面性质，电子，水(汽)，气在两者之间的传输阻力更小，性能提升；避免了现有技术将涂布有微孔层的支撑层与CCM贴合热压，当CCM中催化层厚度较薄时，会被微孔层粗糙的表面刺破，影响膜电极的性能。

Description

一种高性能膜电极及包含该高性能膜电极的燃料电池

技术领域

本实用新型涉及燃料电池领域，更具体地，涉及一种高性能膜电极及包含该高性能膜电极的燃料电池。

背景技术

膜电极(Membrane Electrode Assembly，MEA)是燃料电池电堆的心脏，在燃料电池电堆中承担了核心的电化学反应功能。膜电极(又称“三合一”组件)由催化层、质子交换膜和气体扩散层组成。当氢气在阳极被氧化为质子后，通过质子膜的传导到达阴极。氧气在阴极被还原后与传递过来的质子形成水。同时氢气氧化反应产生的质子通过外电路传递到达阴极，可以用来产生驱动的电能。

伴随着氢燃料电池的发展，膜电极技术经历了几代革新。大体上可以分为气体扩散电极法(Gas Diffusion Electrode，GDE)、CCM(Catalyst Coated Membrane)法和有序化膜电极三种类型。GDE法是将催化层喷涂在气体扩散层上，然后再与质子交换膜热压得到膜电极，GDE法制备的膜电极催化层和质子交换膜之间的界面电阻比较大，同时喷涂过程工艺速度慢，质量控制困难，不适用规模化生产。目前在规模化制备工艺选择上，大部分膜电极供应商都选择CCM法。

制备CCM的工艺有三种：(1)热压转印法，先将阴极催化层和阳极催化层分别涂布到基体膜上，然后将阴极催化层和阳极催化层热压转印到质子交换膜上；(2)阴极直涂和阳极热压转印法：将阴极催化层直接涂布到质子交换膜上，然后将阳极催化层通过热压转印到带阴极催化层的半CCM上得到全CCM；(3)阴阳极双面直涂工艺制备CCM，通过双面直涂的方法将阴极催化层和阳极催化层涂布到质子交换膜上得到CCM。CCM制备后再和气体扩散层(Gas Diffusion Layer，GDL)贴合热压得到完整的膜电极。

气体扩散层(GDL)是支撑催化剂层和收集电流的重要结构，同时为电极反应提供气体、质子、电子和水等多个通道。气体扩散层由支撑层(Carbon Paper，CP)和微孔层(Microporous Layer，MPL)组成，支撑层与流场板接触，材料大多是憎水处理过的多孔碳纸或碳布，微孔层与催化层接触，通常是由导电炭黑和憎水剂构成，作用是降低催化层和支撑层之间的接触电阻，使反应气体和产物水在流场和催化层之间实现均匀再分配，有利于增强导电性，提高电极性能。气体扩散层必须具备良好的机械强度、合适的孔结构、良好的导电性、高稳定性，其性能将直接影响燃料电池的电池性能。

但现有常用的CCM法存在如下缺陷：

(1)CCM和MPL之间存在界面性质，电子、水(汽)、气在两者之间传输阻力大，影响了膜电极的性能；

(2)随着催化剂载量的降低，催化层厚度也越来越薄，在GDL和CCM贴合热压时，GDL粗糙的微孔层表面可能穿过催化层刺到质子交换膜，造成质子交换膜寿命降低甚至失效。

实用新型内容

本实用新型旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种高性能膜电极，改善了CCM与MPL之间的界面性质，电子、水(汽)、气在两者之间传输阻力小。

本实用新型的另一目的在于提供一种包含高性能膜电极的燃料电池。

本实用新型采取的技术方案是，一种高性能膜电极，包括依次布置在质子交换膜一侧的阴极催化层、阴极微孔层、阴极支撑层，依次布置在质子交换膜另一侧的阳极催化层、阳极微孔层、阳极支撑层，所述阴极催化层与阴极微孔层之间还设有阴极过渡层，所述阳极催化层与阳极微孔层之间还设有阳极过渡层。

在本实用新型中，阴极过渡层为阴极催化层与阴极微孔层之间的一个过渡层，与阴极催化层及阴极微孔层有较好地传输作用，可以改善阴极催化层与阴极微孔层之间的界面性质，减小传输阻力；同样地，阳极过渡层在阳极催化层与阳极微孔层之间所起作用与阴极过渡层相同；因此，本实用新型的高性能膜电极传输阻力小，膜电极性能优异。

进一步地，所述阴极微孔层、阴极过渡层为阴极微孔涂布液涂刷在阴极催化层上干燥形成；所述阳极微孔层、阳极过渡层为阳极微孔涂布液涂刷在阳极催化层上干燥形成。

所述阴极微孔涂布液与所述阳极微孔涂布液包含高电子导电纳米颗粒及疏水性的聚合物；所述高电子导电纳米颗粒选自炭黑，石墨，石墨烯，CNT，金属氧化物中的一种，所述疏水性聚合物选自聚四氟乙烯，(四氟乙烯－六氟丙烯)共聚物，聚偏二氟乙烯中的一种或多种。将阴极微孔涂布液涂布在阴极催化层上，阴极微孔涂布液由于含有细微的纳米颗粒，会有一部分渗入阴极催化层的表层中，干燥后形成阴极过渡层，另一部分附在阴极催化层上干燥后形成阴形微孔层。由于阴极微孔涂布液的渗透作用，阴极过渡层很好地将阴极催化层与阴极微孔层导通，很好地改善界面性质。

另一方面，由于阴极过渡层及阴极微孔层是通过阴极微孔涂布液涂布在阴极催化层上干燥后所得，可有效避免以往微孔层与CCM贴合热压时刺破质子交换膜，影响膜电极的性能。

所述阳极微孔涂布液与阴极微孔涂布液的作用原理相同。

进一步地，所述阴极支撑层、阴极微孔层、阴极过渡层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、阳极过渡层、阳极微孔层、阳极支撑层的厚度分别为100～220μm、10～100μm、0.01～5μm、1～30μm、8～15μm、1～15μm、0.01～5μm、10～100μm、100～220μm。

进一步地，所述阴极微孔层与阳极微孔层的孔隙度在40～85％。

一种燃料电池，包含如上述的高性能膜电极。

将上述高性能膜电极应用于燃料电池中，有效提高燃料电池的整体性能。

本实用新型的高性能膜电极，通过将微孔层涂布液涂布在催化层上，改善微孔层与催化层的界面性质，最后再将支撑层与(CCM+MPL)组合层进行贴合热压。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

(1)改善了CCM和MPL之间的界面性质，由于MPL层是涂布到CCM上的，两者之间有更好的界面性质，电子，水(汽)，气在两者之间的传输阻力更小，性能提升；

(2)MPL涂布在CCM上，避免了现有技术将涂布有微孔层的支撑层与CCM贴合热压，当CCM中催化层厚度较薄时，会被微孔层粗糙的表面刺破，影响膜电极的性能；

(3)CCM和MPL层可以同时进行多层涂布，这样减少了膜电极制备的整体步骤，有助于降低成本。

附图说明

图1为本实用新型高性能膜电极的结构图。

附图中标记为：质子交换膜-100，阴极催化层-200，阴极过渡层-300，阴极微孔层-400，阴极支撑层-500，阳极催化层-600，阳极过渡层-700，阳极微孔层-800，阳极支撑层-900。

具体实施方式

本实用新型附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1所示，一种高性能膜电极，包括依次布置在质子交换膜100一侧的阴极催化层200、阴极微孔层400、阴极支撑层500，依次布置在质子交换膜100另一侧的阳极催化层600、阳极微孔层800、阳极支撑层900，所述阴极催化层200与阴极微孔层400之间还设有阴极过渡层300，所述阳极催化层600与阳极微孔层800之间还设有阳极过渡层700。

在本实施例中，所述阴极微孔层400、阴极过渡层300为阴极微孔涂布液涂刷在阴极催化层200上干燥形成；所述阳极微孔层800、阳极过渡层700为阳极微孔涂布液涂刷在阳极催化层600上干燥形成。

所述阴极微孔涂布液与所述阳极微孔涂布液包含高电子导电纳米颗粒及疏水性的聚合物；所述高电子导电纳米颗粒选自炭黑，石墨，石墨烯，CNT，金属氧化物中的一种，所述疏水性聚合物选自聚四氟乙烯，(四氟乙烯－六氟丙烯)共聚物，聚偏二氟乙烯中的一种或多种。将阴极微孔涂布液涂布在阴极催化层200上，阴极微孔涂布液由于含有细微的纳米颗粒，会有一部分渗入阴极催化层200的表层中，干燥后形成阴极过渡层300，另一部分附在阴极催化层200上干燥后形成阴形微孔层。由于阴极微孔涂布液的渗透作用，阴极过渡层300很好地将阴极催化层200与阴极微孔层400导通，很好地改善界面性质。

另一方面，由于阴极过渡层300及阴极微孔层400是通过阴极微孔涂布液涂布在阴极催化层200上干燥后所得，可有效避免以往微孔层与CCM贴合热压时刺破质子交换膜100，影响膜电极的性能。

所述阳极微孔涂布液与阴极微孔涂布液的作用原理相同。

在本实施例中，所述阴极支撑层500、阴极微孔层400、阴极过渡层300、阴极催化层200、质子交换膜100、阳极催化层600、阳极过渡层700、阳极微孔层800、阳极支撑层900的厚度分别为170μm、45μm、1μm、13μm、12μm、4μm、1μm、40μm、210μm。

本实用新型的高性能膜电极，通过将微孔层涂布液涂布在催化层上，最后再将支撑层与(CCM+MPL)组合层进行贴合热压；由于MPL层是涂布到CCM上的，改善了CCM和MPL之间的界面性质，两者之间有更好的界面性质，电子，水(汽)，气在两者之间的传输阻力更小，性能提升；避免了现有技术将涂布有微孔层的支撑层与CCM贴合热压，当CCM中催化层厚度较薄时，会被微孔层粗糙的表面刺破，影响膜电极的性能。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的具体实施方式的限定。凡在本实用新型权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高性能膜电极，包括依次布置在质子交换膜一侧的阴极催化层、阴极微孔层、阴极支撑层，依次布置在质子交换膜另一侧的阳极催化层、阳极微孔层、阳极支撑层，其特征在于，所述阴极催化层与阴极微孔层之间还设有阴极过渡层，所述阳极催化层与阳极微孔层之间还设有阳极过渡层。

2.根据权利要求1所述的一种高性能膜电极，其特征在于，所述阴极微孔层、阴极过渡层为阴极微孔涂布液涂刷在阴极催化层上干燥形成；所述阳极微孔层、阳极过渡层为阳极微孔涂布液涂刷在阳极催化层上干燥形成。

3.根据权利要求1或2所述的一种高性能膜电极，其特征在于，所述阴极支撑层、阴极微孔层、阴极过渡层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、阳极过渡层、阳极微孔层、阳极支撑层的厚度分别为100～220μm、10～100μm、0.01～5μm、1～30μm、8～15μm、1～15μm、0.01～5μm、10～100μm、100～220μm。

4.根据权利要求1或2所述的一种高性能膜电极，其特征在于，所述阴极微孔层与阳极微孔层的孔隙度在40～85％。

5.一种燃料电池，其特征在于，包含权利要求1～4任一所述的高性能膜电极。

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