CN113782752A - 一种膜电极、燃料电池以及车辆 - Google Patents

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温翔龙
张潇丹
苗佩宇
姜海林
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Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种膜电极、燃料电池以及车辆，所述膜电极包括气体扩散层和催化层，所述气体扩散层包括微孔层和基底层，所述微孔层位于催化层与基底层之间；所述微孔层包括亲水部分与疏水部分，所述亲水部分按照预设位置分布；本发明通过增设亲水部分的微孔层，亲水部分会更容易吸收来自催化层中的水，而疏水使扩散层仍然具有相当的疏水性，不会造成水分在扩散层的聚集；气体扩散层整体上在保证气体扩散层疏水性能基础上对部分区域进行了亲水处理，优化膜电极内部的水管理，防止膜电极发生水淹，提高燃料电池性能。

Description

一种膜电极、燃料电池以及车辆
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种膜电极、燃料电池以及车辆。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种高效的能量转换装置，能够将储存在氢燃料和氧气中的化学能通过电化学反应的方式直接转换成电能，具有绿色环保、高比能量、低温快速启动和高平稳运行的特点，被认为是替代内燃机的理想动力来源。近年来，多国政府和公司致力于推动燃料电池汽车的发展，以日本为代表，推出了Mirai氢燃料电池汽车，国内燃料电池企业也陆续推出了自己的燃料电池产品。
膜电极(MEA)是质子交换膜燃料电池的核心部件，为PEMFC提供了多相物质传递的微通道和电化学反应场所，其性能决定了PEMFC性能好坏。MEA主要由阴阳极气体扩散层(GDL)、阴阳极催化层(CL)、和质子交换膜(PEM)组成，其中气体扩散层(GDL)由基底层和附着在上面的由碳粉组成微孔层构成。在燃料电池工作过程中，阳极氢气和阴极氧气(空气)通过反应在阴极催化层生成水，这些水通过水的浓度梯度和气体扩散驱动逐渐排出膜电极排入流场，最后通过气体对流最终排出燃料电池。但是当燃料电池在高电流密度条件下工作时，产生的水无法及时排出，造成催化层中的催化剂被水淹，不能参与反应，对燃料电池性能造成影响。
为了方便水的排出，现在普遍的思路是降低气体扩散层的保水能力，即提高扩散层的疏水性，使得水不利于停留在扩散层内而更容易排出；但人们渐渐发现一昧地提高扩散层的疏水能力并没有很好的效果。
参照图1，燃料电池产生的水是先从催化层进入气体扩散层最后进入流场最终排出燃料电池，一昧的提高扩散层的疏水性会阻碍水分从催化层进入扩散层，不利于步骤①造成水淹；而一些进行亲水处理的思路是对微孔层或者扩散层整体进行亲水处理，这会造成扩散层整体的保水能力提高，不利于步骤②造成水淹。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种实现水从催化层顺利进入气体扩散层，并且最终排入流场，最后排出燃料电池，防止膜电极发生水淹，最终提高燃料电池性能的膜电极、燃料电池以及车辆。
为了解决上述技术问题，本发明采用的第一种技术方案为：
一种膜电极，包括气体扩散层和催化层，所述气体扩散层包括微孔层和基底层，所述微孔层位于催化层与基底层之间；
所述微孔层包括亲水部分与疏水部分，所述亲水部分按照预设位置分布。
优选地，所述亲水部分形成若干条连续的蛇形走线，所述微孔层其他部分为疏水部分。
优选地，所述亲水部分形成二条连续的蛇形走线。
优选地，所述微孔层的亲水部分由微孔层按照预设位置使用表面活性剂进行处理获得。
优选地，所述表面活性剂为Nafion膜溶液。
优选地，所述微孔层的疏水部分由十二烷基硫醇、PTFE溶液或PVDF溶液中的一种进行处理获得。
优选地，所述微孔层在制备时分别配制亲水碳粉浆料和疏水碳粉浆料，所述疏水碳粉浆料成型为疏水部分，所述疏水上预留有预设位置，所述亲水碳粉浆料按照预设设置分布形成亲水部分。
为了解决上述技术问题，本发明采用的第二种技术方案为：
一种燃料电池，包括双极板以及上述的膜电极，所述双极板、气体扩散层和催化层依次设置，所述双极板朝向气体扩散层的一面上开设有流场，所述流场在微孔层的投影与微孔层的亲水部分重叠或大于亲水部分。
优选地，所述流场在微孔层的投影为若干条连续的蛇形走线。
为了解决上述技术问题，本发明采用的第三种技术方案为：
一种车辆，包括上述的膜电极和/或上述的燃料电池。
本发明的有益效果在于：通过增设亲水部分的微孔层，亲水部分会更容易吸收来自催化层中的水，而疏水使扩散层仍然具有相当的疏水性，不会造成水分在扩散层的聚集；气体扩散层整体上在保证气体扩散层疏水性能基础上对部分区域进行了亲水处理，优化膜电极内部的水管理，防止膜电极发生水淹，提高燃料电池性能。通过流场在微孔层的投影与微孔层的亲水部分重叠或大于亲水部分，流场实际上是一种容纳气体流动的槽，通过流场与亲水部分重叠，因此反应气体最为充足，化学反应产生的水也最为密集，这种处理的好处在于可以使得这些产物水更容易从催化层进入气体扩散层(GDL)(亲水部分导致水分能够快速从催化层带出)，便于最终液态水的排出，实现反应水的优化管理。
附图说明
图1为现有技术的说明图；
图2为本发明具体实施方式的一种膜电极示意图以及中部的切面图(为了方便示意，切面图部分将双极板、质子交换膜一并画出，同时画出投影线、亲水部分用黑框标出)；
图3为本发明具体实施方式的一种膜电极的气体扩散层的示意图；
图4为本发明具体实施方式的一种燃料电池的双极板的示意图；
标号说明：1、膜电极；11、气体扩散层；111、微孔层；112、基底层；113、亲水部分；114、疏水部分；12、催化层；13、质子交换膜；2、双极板；21、流场；3、投影线。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
实施例一
请参照图2以及图3，一种膜电极1，包括气体扩散层11和催化层12，所述气体扩散层11包括微孔层111和基底层112，所述微孔层111位于催化层12与基底层112之间；
所述微孔层111包括亲水部分113与疏水部分114，所述亲水部分113按照预设位置分布。
所述亲水部分113形成二条连续的蛇形走线，所述微孔层111其他部分为疏水部分114。
所述微孔层111的亲水部分113由微孔层111按照预设位置使用表面活性剂进行处理获得。所述表面活性剂为Nafion膜溶液。
所述微孔层111的疏水部分114由十二烷基硫醇、PTFE溶液或PVDF溶液中的一种进行处理获得。
所述微孔层111在制备时分别配制亲水碳粉浆料和疏水碳粉浆料，所述疏水碳粉浆料成型为疏水部分114，所述疏水上预留有预设位置，所述亲水碳粉浆料按照预设设置分布形成亲水部分113。
实施例二
一种膜电极1，包括气体扩散层11和催化层12，所述气体扩散层11包括微孔层111和基底层112，所述微孔层111位于催化层12与基底层112之间；
所述微孔层111包括亲水部分113与疏水部分114，所述亲水部分113按照预设位置分布。
所述亲水部分113形成三条连续的走线，所述微孔层111其他部分为疏水部分114。
所述微孔层111在制备时分别配制亲水碳粉浆料和疏水碳粉浆料，所述疏水碳粉浆料成型为疏水部分114，所述疏水上预留有预设位置，所述亲水碳粉浆料按照预设设置分布形成亲水部分113。
实施例三
参照图4，一种燃料电池，包括双极板2以及实施例一或实施例二所述的膜电极1，所述双极板2、气体扩散层11、催化层12、质子交换膜3依次设置，所述双极板2朝向气体扩散层11的一面上开设有流场21，所述流场21在微孔层111的投影与微孔层111的亲水部分113重叠。
实施例四
一种车辆，包括实施例一或实施例二所述的膜电极1和/或实施例三所述的燃料电池。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种膜电极，包括气体扩散层和催化层，其特征在于，所述气体扩散层包括微孔层和基底层，所述微孔层位于催化层与基底层之间；
所述微孔层包括亲水部分与疏水部分，所述亲水部分按照预设位置分布。
2.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述亲水部分形成若干条连续的蛇形走线，所述微孔层其他部分为疏水部分。
3.根据权利要求2所述的膜电极，其特征在于，所述亲水部分形成二条连续的蛇形走线。
4.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述微孔层的亲水部分由微孔层按照预设位置使用表面活性剂进行处理获得。
5.根据权利要求4所述的膜电极，其特征在于，所述表面活性剂为Nafion膜溶液。
6.根据权利要求4所述的膜电极，其特征在于，所述微孔层的疏水部分由十二烷基硫醇、PTFE溶液或PVDF溶液中的一种进行处理获得。
7.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述微孔层在制备时分别配制亲水碳粉浆料和疏水碳粉浆料，所述疏水碳粉浆料成型为疏水部分，所述疏水上预留有预设位置，所述亲水碳粉浆料按照预设设置分布形成亲水部分。
8.一种燃料电池，其特征在于，包括双极板以及权利要求1-7任意一项所述的膜电极，所述双极板、气体扩散层和催化层依次设置，所述双极板朝向气体扩散层的一面上开设有流场，所述流场在微孔层的投影与微孔层的亲水部分重叠或大于亲水部分。
9.根据权利要求8所述的燃料电池，其特征在于，所述流场在微孔层的投影为若干条连续的蛇形走线。
10.一种车辆，其特征在于，包括权利要求1-7任意一项所述的膜电极和/或权利要求8-9任意一项所述的燃料电池。
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