[实用新型]燃料电池膜电极的活化方法

说明书

技术领域

本发明是关于一种膜电极的活化方法，更具体地说，是关于一种燃料电池膜电极的活化方法。

背景技术

燃料电池是一种能量转换装置，它按电化学原理，把贮存在燃料(如氢气、低级醇等)和氧化剂(氧气)内的化学能转化成电能。燃料电池具有能量转换率高、环境友好等优点，而质子交换膜燃料电池(Proton ExchangeMembrane Fuel Cell，PEMFC)更具有可低温运行、比功率高等优点，是一种广泛应用的新型动力源。

以氢气作为燃料的燃料电池的阳极反应和阴极反应的反应式分别如反应式(1)和(2)所示，在阴极上用作氧化剂的氧气通常来自空气。将阳极产生的质子转移到阴极的离子传导需要通过膜电极的质子交换膜来完成。

H₂-2e^-→2H⁺  (1)

1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O  (2)

膜电极(Membrane Electrode Assembly，MEA)是燃料电池的核心部件，是燃料和氧化剂发生电化学反应产生电能的部位。如图1所示，膜电极包括阳极10，阴极11及位于阳极10和阴极11之间的质子交换膜12，阳极10包括阳极气体扩散层6、阳极催化层7，阳极催化层7位于阳极气体扩散层6和质子交换膜12之间，阴极11包括阴极气体扩散层8、阴极催化层9，阴极催化层9位于阴极气体扩散层8和质子交换膜12之间。

实际上，在制备膜电极的过程中，膜电极的结构并没有达到最优化。这是因为：(1)催化层一般由全氟磺酸(nafion)和催化剂两种主要物质组成，全氟磺酸(nafion)起传导质子以及粘接催化剂的作用。在两者的混合过程中，会有部分催化剂的活性表面被全氟磺酸(nafion)覆盖，使阳极反应气无法达到催化剂表面。(2)在催化剂/全氟磺酸(nafion)浆料的涂布过程中，随着溶剂的挥发可以使催化剂表面产生一定量的空隙，这些空隙的存在有利于气体的传输。但在催化层的制备过程中，往往需要多次涂布才能达到需要的催化剂载量，因此有一部分空隙会在涂布过程中被堵塞，在催化剂表面形成了封闭孔和半封闭孔，而阳极的反应气很难进到这些孔内与催化剂接触。(3)膜电极通常是经过热压而形成的，在此过程中，催化物质与含有全氟磺酸(与固体聚合物电解除质膜同种组分)的溶液的混合物，通过涂布等手段在扩散层上形成的催化剂层，与固体聚合物电解质膜被加热至等于或高于电解质的玻璃化温度，在一定的压力下热压接合。由于催化层被压缩，也会封闭一些孔。反应气主要是依靠膜电极内部的孔向内传输的，但是由于上述问题使催化层的孔被封闭导致催化层的空隙率降低，增加了阳极反应气的传输障碍，使得阳极反应气无法完全被催化剂催化并与阴极燃料反应，造成燃料电池无法达到理想的功率输出。而质子交换膜只有在被水合后才能显示出足够的离子传导率，但膜电极的制作过程是一个使质子交换膜严重失水的过程，这个过程使质子交换膜的质子传导率显著下降，因此，在电池工作时，很难获得高性能功率，为了使燃料电池能达到或快速达到最佳工作状态，并提高膜电极中催化剂的利用率，都需要对燃料电池的膜电极进行活化。一般的活化方法通常为给反应气体加湿，以给电解质膜补充足够的水分，打开部分封闭孔使催化剂层与质子交换膜保持离子通道，提高质子由催化剂表面向质子膜的扩散速度。但是，在将膜电极放置一段时间后，即使将电池温度维持在规定温度，并将供给气体的温度和加湿量控制在一定程度，一般也难以在瞬时获得高性能的电池功率输出，要使膜电极完全润湿需要漫长的时间。

日本特开平6-196187公开了一种燃料电池的活化方法，该方法在将加湿的氢气和加湿的氧气分别提供给燃料电池的阳极和阴极后，在燃料电池的两电极间施加1.3伏或更高的电压，使燃料电池持续放电，在放电过程中，电解质膜中水的电解生成氢气和氧气，使水的浓度梯度大幅增加，因而增加了水的扩散速度，因此，电解质膜被迅速水合。该方法虽然能使电解质膜迅速水合，但采用单一的电压值活化，不利于电极反应的彻底进行，活化后电池的输出功率不高，如果电池的数目增加了，施加在该燃料电池电堆上的电压也会升高，则电流密度减小，使活化时间延长，短时间内仍无法得到较高功率输出的燃料电池。