[发明专利]一种燃料电池膜电极组件、制备方法及燃料电池

说明书

本发明公开了一种燃料电池膜电极组件，包括质子交换膜，所述质子交换膜的两侧分别设有一层保湿层，所述保湿层对应于在装配成燃料电池时形成气体流道的位置具有避让区，所述质子交换膜的两侧、填充在保湿层的避让区内分别设有一层催化层，以及设于催化层外侧的扩散层，所述保湿层、催化层和扩散层的亲水性依次降低。本发明燃料电池膜电极组件中扩散层和催化层相邻层叠，并且保湿层、催化层和扩散层的亲水性依次降低，在不减少催化剂载量的同时，提升燃料电池的排水能力和气体运输能力。扩散层薄且具有较低的亲水性，因此有利于燃料电池排水过程，有效防止水淹现象。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池膜电极组件、制备方法及燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池由于其工作温度低、效率高、比能量大、无污染等优势，得到了各界广泛关注，现已经在乘用车领域被广泛研究。随着研究的不断深入，对电堆的功率要求不断提高，其中的膜电极组件是决定性能的关键之一。尤其在大电流密度的工况下，反应物从流道扩散到催化层进行反应的速度受到了传质速率的限制，从而影响了燃料电池性能。

传统质子交换膜燃料电池由阴阳极板、扩散层、催化层、质子交换膜组成，其中膜电极以扩散层、催化层、质子交换膜、催化层、扩散层的顺序层层重叠压紧组合。扩散层需要承担运输气体反应物和运输反应产物水的功能，由于阴阳极板上的凸台在装配过程中对扩散层的压紧作用，降低了扩散层的孔隙率，影响扩散层的输送能力，从而降低燃料电池性能。

比如，公开号为CN101271976A的发明公开了一种固体高分子型燃料电池中、能够实现高发电效率的燃料电池。具有：膜电极复合体，其包含：电解质膜，分别设置在该电解质膜两侧的阳极催化层及阴极催化层，分别设置在该阳极催化层及阴极催化层的与电解质膜侧相反的一侧的阳极气体扩散层及阴极气体扩散层；阴极多孔体，其设置在阴极气体扩散层的与阴极催化层侧相反的一侧；阴极部件，其设置在阴极多孔体的与阴极气体扩散层侧相反的一侧，具有与阴极多孔体接触的凸部，其中，由阴极部件向阴极多孔体施加压力，以便凸部压缩阴极多孔体。

公开号为CN101465434的发明公开了一种燃料电池膜电极，其包括：一质子交换膜及分别设置在该质子交换膜两表面的电极，其中电极由气体扩散层和催化层组成，其中，所述的气体扩散层包括一碳纳米管薄膜结构，该碳纳米管薄膜结构包括至少一个碳纳米管层，且该碳纳米管层中的碳纳米管沿同一方向择优取向排列。一种燃料电池膜电极的制备方法，其具体包括以下步骤：提供一碳纳米管阵列；从上述碳纳米管阵列中拉取获得至少一碳纳米管薄膜；采用上述碳纳米管薄膜制备一气体扩散层；在上述气体扩散层表面形成一催化层，得到一电极；以及提供一质子交换膜，将两个上述电极分别设置在该质子交换膜两表面，从而得到一燃料电池膜电极。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术存在的缺陷而提供一种气体传递效率高，排水能力强的燃料电池膜电极组件。

一种燃料电池膜电极组件，包括质子交换膜，所述质子交换膜的两侧分别设有一层保湿层，所述保湿层对应于在装配成燃料电池时形成气体流道的位置具有避让区，所述质子交换膜的两侧、填充在保湿层的避让区内分别设有一层催化层，以及设于催化层外侧的扩散层，所述保湿层、催化层和扩散层的亲水性依次降低。

优选的，所述保湿层的材料为碳布、碳纸、碳毡或泡沫碳。

优选的，所述扩散层由保湿层的对应位置加入疏水剂处理形成。通过直接在作为保湿层的基底材料上加疏水剂处理获得扩散层，制备方式较为简便。

所述疏水剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、氟化乙烯共聚物、聚全氟乙丙烯中的至少一种。疏水剂可以使用喷涂的方式加入，通过使用挡板遮挡不需要喷涂疏水剂的地方，而留出需要喷涂疏水剂的位置，可以方便的进行喷涂作业。喷涂上疏水剂后，再通过烘-烧结过程，将疏水剂附着于作为保湿层的基底材料对应位置上，制成具有指定区域憎水性的扩散层。