CN218939743U - 叠层式燃料电池膜电极 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种叠层式燃料电池膜电极，它包括阴极气体扩散层、阳极气体扩散层、阴极催化剂层、阳极催化剂层、质子交换膜与边框，在质子交换膜的边缘部设有边框，在质子交换膜的正面设有阳极催化剂层，在阳极催化剂层上设有阳极气体扩散层，在质子交换膜的背面设有阴极催化剂层，在阴极催化剂层上设有阴极气体扩散层；阳极气体扩散层包括碳布层和阳极侧微孔薄膜层；阴极气体扩散层包括碳纸层、阴极侧微孔薄膜层和铂碳催化剂复合微孔薄膜层。本实用新型有利于物质传输，显著缓解膜电极水淹现象，有利于改善膜电极的性能和寿命；有利于催化层和质子交换膜的水管理，可明显提高质子传导率；降低了生产成本，且制备工艺适合量产。

Description

叠层式燃料电池膜电极

技术领域

本实用新型属于燃料电池技术领域，具体地说是一种叠层式燃料电池膜电极。

背景技术

目前世界各国正以前所未有的速度推进氢能产业发展，各国都认识到氢能在未来能源和社会系统中的地位和作用，竞相抢占产业链中各环节的技术制高点，解决氢能源利用技术中的瓶颈问题日益成为各国能源战略的重大需求。

质子交换膜燃料电池是氢能高效利用的关键技术之一。氢气-空气体系的质子交换膜燃料电池因其理论比能量高、功率密度高、低温启动性能好、燃料加注快、运行寿命长、排放只有水等优点，被视为未来主流的氢能利用方式之一。质子交换膜燃料电池的核心部件为膜电极，由质子交换膜两侧涂覆的阳极催化层、阴极催化层以及气体扩散层组成。

目前燃料电池制造成本较高是其商业化应用的主要障碍之一。膜电极占燃料电池系统成本20%以上，其性能亟待大幅提高，成本亟待显著下降。由于膜电极在阴极上发生的氧气还原反应是四电子过程，其反应动力学相对缓慢，是整个反应的速率控制步骤，同时阴极反应也会产生大量的水，排水不及时会造成膜电极水淹，进而堵塞氧气进入的通道，进一步降低反应速率，排水过多又会影响质子传导能力。另外，现有技术在阴阳极两侧同时使用碳纸型气体扩散层，除了价格昂贵以外，碳纸的脆性较大，在机械外力的作用下容易发生破损，影响产品良率，亟待进一步改进。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种有利于改善膜电极的性能和寿命、可明显提高质子传导率的叠层式燃料电池膜电极。

按照本实用新型提供的技术方案，所述叠层式燃料电池膜电极，它包括阴极气体扩散层、阳极气体扩散层、阴极催化剂层、阳极催化剂层、质子交换膜与边框，在质子交换膜的边缘部设有边框，在质子交换膜的正面设有阳极催化剂层，在阳极催化剂层上设有阳极气体扩散层，在质子交换膜的背面设有阴极催化剂层，在阴极催化剂层上设有阴极气体扩散层；

所述阳极气体扩散层包括碳布层和阳极侧微孔薄膜层，阳极侧微孔薄膜层与阳极催化剂层接触，碳布层与阳极侧微孔薄膜层接触；

所述阴极气体扩散层包括碳纸层、阴极侧微孔薄膜层和铂碳催化剂复合微孔薄膜层，铂碳催化剂复合微孔薄膜层与阴极催化剂层接触，阴极侧微孔薄膜层与铂碳催化剂复合微孔薄膜层接触，碳纸层与阴极侧微孔薄膜层接触。

作为优选，所述阴极催化剂层的厚度为阳极催化剂层的厚度的1-10倍。

作为优选，所述阴极催化剂层的厚度为1-50微米，阴极催化剂层为一种铂碳催化剂、疏水材料与全氟磺酸树脂混合的复合薄膜材料，且所述疏水材料是聚四氟乙烯、偏氟乙烯、甲基硅油中的任意一种或多种材料的混合物。

作为优选，所述阳极催化剂层的厚度为1-10微米，阳极催化剂层是一种铂碳催化剂、亲水材料和全氟磺酸树脂混合的复合薄膜材料，且所述亲水材料为纳米二氧化硅、纳米纤维素、葡聚糖的任意一种或多种材料的混合物。

作为优选，所述质子交换膜的厚度为5-25微米。

作为优选，所述的碳纸层是高温石墨化的短丝碳纤维材质的无纺纸，且碳纸层的厚度为100~1000微米。

作为优选，所述阴极侧微孔薄膜层是碳黑、石墨、活性炭、富勒烯、石墨烯、Fe/N/C催化剂、全氟磺酸树脂、聚四氟乙烯的任意一种或多种膜材料复合而成的微孔薄膜材料，且阴极侧微孔薄膜层的厚度为5~50微米。

作为优选，所述铂碳催化剂复合微孔薄膜层是碳黑、石墨、活性炭、富勒烯、石墨烯、Fe/N/C催化剂、全氟磺酸树脂、聚四氟乙烯的任意一种或多种膜材料与铂碳催化剂复合而成的微孔薄膜材料，铂碳催化剂复合微孔薄膜层的厚度为5~50微米。

作为优选，所述碳布层是高温石墨化的长丝碳纤维编织的柔性布，且碳布层的厚度为100~1000微米。

作为优选，所述阳极侧微孔薄膜层是碳黑、石墨、活性炭、富勒烯、石墨烯、Fe/N/C催化剂、全氟磺酸树脂、聚四氟乙烯的任意一种或多种膜材料复合而成的微孔薄膜材料，且阳极侧微孔薄膜层的厚度为5~50微米。

本实用新型的优点在于：

（1）有利于物质传输，显著缓解膜电极水淹现象，有利于改善膜电极的性能和寿命；

（2）有利于催化层和质子交换膜的水管理，可明显提高质子传导率；

（3）降低了生产成本，且制备工艺适合量产。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1

一种叠层式燃料电池膜电极，它包括阴极气体扩散层1、阳极气体扩散层2、阴极催化剂层3、阳极催化剂层4、质子交换膜5与边框6，在质子交换膜5的边缘部设有边框6，在质子交换膜5的正面设有阳极催化剂层4，在阳极催化剂层4上设有阳极气体扩散层2，在质子交换膜5的背面设有阴极催化剂层3，在阴极催化剂层3上设有阴极气体扩散层1；

所述阳极气体扩散层2包括碳布层10和阳极侧微孔薄膜层11，阳极侧微孔薄膜层11与阳极催化剂层4接触，碳布层10与阳极侧微孔薄膜层11接触；

所述阴极气体扩散层1包括碳纸层7、阴极侧微孔薄膜层8和铂碳催化剂复合微孔薄膜层9，铂碳催化剂复合微孔薄膜层9与阴极催化剂层3接触，阴极侧微孔薄膜层8与铂碳催化剂复合微孔薄膜层9接触，碳纸层7与阴极侧微孔薄膜层8接触。

所述阴极催化剂层3的厚度为阳极催化剂层4的厚度的2倍。

所述阴极催化剂层3的厚度为20微米，阴极催化剂层3为一种铂碳催化剂、疏水材料与全氟磺酸树脂混合的复合薄膜材料，且所述疏水材料是聚四氟乙烯与甲基硅油的混合物。

所述阳极催化剂层4的厚度为10微米，阳极催化剂层4是一种铂碳催化剂、亲水材料和全氟磺酸树脂混合的复合薄膜材料，且所述亲水材料为纳米二氧化硅与葡聚糖的混合物。

所述质子交换膜5的厚度为5微米。

所述的碳纸层7是高温石墨化的短丝碳纤维材质的无纺纸，且碳纸层7的厚度为100~1000微米。

所述阴极侧微孔薄膜层8是碳黑膜材料与聚四氟乙烯膜材料复合而成的微孔薄膜材料，且阴极侧微孔薄膜层8的厚度为10微米。

所述铂碳催化剂复合微孔薄膜层9是碳黑、Fe/N/C催化剂、全氟磺酸树脂与聚四氟乙烯这四种膜材料与铂碳催化剂复合而成的微孔薄膜材料，铂碳催化剂复合微孔薄膜层9的厚度为10微米。

所述碳布层10是高温石墨化的长丝碳纤维编织的柔性布，且碳布层10的厚度为300微米。

所述阳极侧微孔薄膜层11是碳黑、Fe/N/C催化剂、全氟磺酸树脂与聚四氟乙烯这四种膜材料复合而成的微孔薄膜材料，且阳极侧微孔薄膜层11的厚度为10微米。

实施例2

一种叠层式燃料电池膜电极，它包括阴极气体扩散层1、阳极气体扩散层2、阴极催化剂层3、阳极催化剂层4、质子交换膜5与边框6，在质子交换膜5的边缘部设有边框6，在质子交换膜5的正面设有阳极催化剂层4，在阳极催化剂层4上设有阳极气体扩散层2，在质子交换膜5的背面设有阴极催化剂层3，在阴极催化剂层3上设有阴极气体扩散层1；

所述阳极气体扩散层2包括碳布层10和阳极侧微孔薄膜层11，阳极侧微孔薄膜层11与阳极催化剂层4接触，碳布层10与阳极侧微孔薄膜层11接触；

所述阴极气体扩散层1包括碳纸层7、阴极侧微孔薄膜层8和铂碳催化剂复合微孔薄膜层9，铂碳催化剂复合微孔薄膜层9与阴极催化剂层3接触，阴极侧微孔薄膜层8与铂碳催化剂复合微孔薄膜层9接触，碳纸层7与阴极侧微孔薄膜层8接触。

所述阴极催化剂层3的厚度为阳极催化剂层4的厚度的5倍。

所述阴极催化剂层3的厚度为50微米，阴极催化剂层3为一种铂碳催化剂、疏水材料与全氟磺酸树脂的复合薄膜材料，且所述疏水材料是偏氟乙烯与甲基硅油的混合物。

所述阳极催化剂层4的厚度为10微米，阳极催化剂层4是一种铂碳催化剂、亲水材料和全氟磺酸树脂混合的复合薄膜材料，且所述亲水材料为纳米纤维素与葡聚糖的混合物。

所述质子交换膜5的厚度为25微米。

所述的碳纸层7是高温石墨化的短丝碳纤维材质的无纺纸，且碳纸层7的厚度为1000微米。

所述阴极侧微孔薄膜层8是活性炭、富勒烯与聚四氟乙烯的这三种膜材料复合而成的微孔薄膜材料，且阴极侧微孔薄膜层8的厚度为50微米。

所述铂碳催化剂复合微孔薄膜层9是活性炭、富勒烯与聚四氟乙烯这三种膜材料与铂碳催化剂复合而成的微孔薄膜材料，铂碳催化剂复合微孔薄膜层9的厚度为50微米。

所述碳布层10是高温石墨化的长丝碳纤维编织的柔性布，且碳布层10的厚度为1000微米。

所述阳极侧微孔薄膜层11是活性炭、富勒烯与聚四氟乙烯这三种膜材料复合而成的微孔薄膜材料，且阳极侧微孔薄膜层11的厚度为50微米。

实施例3

一种叠层式燃料电池膜电极，它包括阴极气体扩散层1、阳极气体扩散层2、阴极催化剂层3、阳极催化剂层4、质子交换膜5与边框6，在质子交换膜5的边缘部设有边框6，在质子交换膜5的正面设有阳极催化剂层4，在阳极催化剂层4上设有阳极气体扩散层2，在质子交换膜5的背面设有阴极催化剂层3，在阴极催化剂层3上设有阴极气体扩散层1；

所述阳极气体扩散层2包括碳布层10和阳极侧微孔薄膜层11，阳极侧微孔薄膜层11与阳极催化剂层4接触，碳布层10与阳极侧微孔薄膜层11接触；

所述阴极气体扩散层1包括碳纸层7、阴极侧微孔薄膜层8和铂碳催化剂复合微孔薄膜层9，铂碳催化剂复合微孔薄膜层9与阴极催化剂层3接触，阴极侧微孔薄膜层8与铂碳催化剂复合微孔薄膜层9接触，碳纸层7与阴极侧微孔薄膜层8接触。

所述阴极催化剂层3的厚度为阳极催化剂层4的厚度的8倍。

所述阴极催化剂层3的厚度为40微米，阴极催化剂层3为一种铂碳催化剂、疏水材料与全氟磺酸树脂混合的复合薄膜材料，且所述疏水材料是聚四氟乙烯、偏氟乙烯与甲基硅油的混合物。

所述阳极催化剂层4的厚度为5微米，阳极催化剂层4是一种铂碳催化剂、亲水材料和全氟磺酸树脂混合的复合薄膜材料，且所述亲水材料为纳米二氧化硅、纳米纤维素与葡聚糖的混合物。

所述质子交换膜5的厚度为18微米。

所述的碳纸层7是高温石墨化的短丝碳纤维材质的无纺纸，且碳纸层7的厚度为500微米。

所述阴极侧微孔薄膜层8是是碳黑、石墨、活性炭、富勒烯、石墨烯、Fe/N/C催化剂、全氟磺酸树脂与聚四氟乙烯这八种膜材料复合而成的微孔薄膜材料，且阴极侧微孔薄膜层8的厚度为20微米。

所述铂碳催化剂复合微孔薄膜层9是碳黑、石墨、活性炭、富勒烯、石墨烯、Fe/N/C催化剂、全氟磺酸树脂与聚四氟乙烯这八种膜材料与铂碳催化剂复合而成的微孔薄膜材料，铂碳催化剂复合微孔薄膜层9的厚度为20微米。

所述碳布层10是高温石墨化的长丝碳纤维编织的柔性布，且碳布层10的厚度为500微米。

所述阳极侧微孔薄膜层11是碳黑、石墨、活性炭、富勒烯、石墨烯、Ni/N/C催化剂、全氟磺酸树脂与聚四氟乙烯这八种膜材料复合而成的微孔薄膜材料，且阳极侧微孔薄膜层11的厚度为8微米。

本实用新型提供了一种叠层式燃料电池膜电极，在阴极中加入了疏水材料，可以消除膜电极水淹的现象；在阳极中加入了亲水材料，可以帮助阳极保湿，从而增加质子传导；阴极气体扩散层1中的铂碳催化剂复合微孔薄膜层9有利于增大氧气还原的反应面积；阳极扩散层2采用了碳布层10，可有效增加膜电极的机械强度，并在保证性能的前提下降低制造成本。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种叠层式燃料电池膜电极，它包括阴极气体扩散层（1）、阳极气体扩散层（2）、阴极催化剂层（3）、阳极催化剂层（4）、质子交换膜（5）与边框（6），在质子交换膜（5）的边缘部设有边框（6），在质子交换膜（5）的正面设有阳极催化剂层（4），在阳极催化剂层（4）上设有阳极气体扩散层（2），在质子交换膜（5）的背面设有阴极催化剂层（3），在阴极催化剂层（3）上设有阴极气体扩散层（1）；

其特征是：所述阳极气体扩散层（2）包括碳布层（10）和阳极侧微孔薄膜层（11），阳极侧微孔薄膜层（11）与阳极催化剂层（4）接触，碳布层（10）与阳极侧微孔薄膜层（11）接触；

所述阴极气体扩散层（1）包括碳纸层（7）、阴极侧微孔薄膜层（8）和铂碳催化剂复合微孔薄膜层（9），铂碳催化剂复合微孔薄膜层（9）与阴极催化剂层（3）接触，阴极侧微孔薄膜层（8）与铂碳催化剂复合微孔薄膜层（9）接触，碳纸层（7）与阴极侧微孔薄膜层（8）接触。

2.如权利要求1所述的叠层式燃料电池膜电极，其特征是：所述阴极催化剂层（3）的厚度为阳极催化剂层（4）的厚度的1-10倍。

3.如权利要求1所述的叠层式燃料电池膜电极，其特征是：所述质子交换膜（5）的厚度为5-25微米。

4.如权利要求1所述的叠层式燃料电池膜电极，其特征是：所述碳纸层（7）的厚度为100~1000微米。

5.如权利要求1所述的叠层式燃料电池膜电极，其特征是：所述阴极侧微孔薄膜层（8）的厚度为5~50微米。

6.如权利要求1所述的叠层式燃料电池膜电极，其特征是：所述铂碳催化剂复合微孔薄膜层（9）的厚度为5~50微米。

7.如权利要求1所述的叠层式燃料电池膜电极，其特征是：所述碳布层（10）的厚度为100~1000微米。

8.如权利要求1所述的叠层式燃料电池膜电极，其特征是：所述阳极侧微孔薄膜层（11）的厚度为5~50微米。

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