[发明专利]燃料电池的电极和膜电极组件及包括它的燃料电池系统

说明书

本申请是中国发明申请(发明名称：燃料电池的电极和膜电极组件及包 括它的燃料电池系统，申请日：2005年11月3日；申请号：200510131511.8) 的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池的电极和膜电极组件，及包括它的燃料电池 系统。更具体地，本发明涉及一种电极，其能够保持聚合物电解液膜的吸 湿性(moisture hygroscopicity)在预定水平，释放在阴极产生的水，从而防止 膜的孔隙被水堵塞，及快速提高电流密度。

背景技术

燃料电池是通过氧化剂和燃料如氢气或诸如甲醇、乙醇、天然气等的 烃-基材料的电化学氧化还原反应，产生电能的发电系统。

根据所使用的电解液的种类，燃料电池可以分为磷酸型、熔融碳酸盐 型、固体氧化物型、聚合物电解液型或碱性的燃料电池。虽然每种燃料电 池基本上按照相同的原理工作，但是可以根据电池的类型，选择燃料的种 类、工作温度、催化剂和电解液。

近来，已经开发出聚合物电解液膜燃料电池(PEMFC)。它们具有优于 常规燃料电池的功率特性，较低的工作温度，及较快的启动和响应特性。 因此，PEMFC具有广泛的应用如汽车的可移动电源，住宅和公共建筑的分 散电源，及电子器件的小电源。

该燃料电池系统包括基本上发电的电池组，电池组包括至少一个发电 单元。

发电的电池组的结构中，各自具有膜电极组件(MEA)和隔板(也称作 “双极板”)的几个单元电池彼此邻近串联堆叠。MEA由被聚合物电解液膜分 隔的阳极(也称作“燃料电极”或“氧化电极”)和阴极(也称作“空气电极”或“还 原电极”)构成。阳极和阴极由接触聚合物电解液膜的催化剂层和接触催化剂 层的气体扩散层(GDL)构成。每个隔板包含提供燃料给阳极并提供氧化剂给 阴极的气体流路。位于电池组最外端的隔板为端板。

隔板充当提供反应所需的燃料和氧化剂给阳极和阴极的通道，以及串 联每个MEA中的阴极和阳极及串联一个MEA的阴极和邻近MEA的阳极 的导体。

氢或燃料经过隔板提供给阳极，氧化剂经过隔板提供给阴极。在阳极 发生燃料的电化学氧化反应，在阴极发生氧的电化学还原反应，作为氧化/ 还原反应产生的电子迁移的结果，产生了电能、热和水分。反应如下。

在阳极：H₂→2H⁺+2e^-或CH₃OH+H₂O→6H⁺+CO₂+6e^-

在阴极：2H⁺+1/2O₂+2e^-→H₂O

在反应图解中，水在阴极反应中产生。因为在该区域中反应速度较高， 所以在隔板的氧化剂入口相对产生较多的水。所产生的水应该立即经过出 口除去。如果没有立即除去水，那么经过隔板提供的氧化剂的压力增加， 膜电极组件的聚合物电解液膜的吸湿性也增加。

通常，随着聚合物电解液膜的吸湿性增加，质子导电性增加。因而， 聚合物电解液膜必须包含预定水平的水分。然而，过多水分可能引起气体 扩散层或隔板的气流堵塞，气体扩散从而减少，导致电池性能的恶化。因 此，为了制造具有高性能的燃料电池，聚合物电解液膜应该安全快速地除 去过量水分，同时保持适宜的湿状态。

发明内容

本发明的示例性实施方案提供一种燃料电池的电极，其能够保持聚合 物电解液膜的吸湿性在预定水平，释放在阴极产生的水从而防止膜的孔隙 被水堵塞，及快速提高电流密度。本发明的另一个实施方案提供一种包括 该电极的燃料电池的膜电极组件。本发明的另一个实施方案提供一种包括 该电极的燃料电池系统。

根据本发明的第一实施方案，提供一种燃料电池的电极，其包括催化 剂层和支撑该催化剂层的电极基底。该电极基底包含彼此分隔的亲水区和 疏水区。

电极基底可以包含以浓度梯度存在的疏水聚合物。

该疏水聚合物具有其浓度自电极基底接触催化剂层的表面至电极基底 的另一表面递增的浓度梯度。

电极基底在它的表面上可以包含已构图的疏水聚合物层。该疏水聚合 物层可以存在于电极基底的仅一侧或每一侧。

电极基底可以包含释放水的亲水通道，疏水聚合物可以存在于除了亲 水通道以外的区域。