一种微孔层结构、制备方法、膜电极组件以及燃料电池技术

本发明专利技术公开了一种微孔层结构、制备方法、膜电极组件以及燃料电池，本发明专利技术技术方案设置所述微孔层包括在第一方向上依次排布的第一区域微孔层以及第二区域微孔层；所述第一区域微孔层的孔隙率小于所述第二区域微孔层的孔隙率；所述第一区域微孔层的最可几孔径大于所述第二区域微孔层的最可几孔径；所述第一区域微孔层的平均孔径大于所述第二区域微孔层的平均孔径。这样，在无需外加增湿器的情况下就能实现水平衡，有效降低燃料电池系统整体成本，提高系统的体积功率密度。

A microporous layer structure, a preparation method, a membrane electrode assembly and a fuel cell

【技术实现步骤摘要】
一种微孔层结构、制备方法、膜电极组件以及燃料电池
本专利技术涉及燃料电池
，更具体的说，涉及一种微孔层结构、制备方法、膜电极组件以及燃料电池。
技术介绍
燃料电池作为可替代能源技术，以启动方便、高能量密度、零排放、能量转化效率高的特点引起广泛的关注并持续进行了研究开发，并且已经作为自动车、通信基站、便携式电动工具等的电源而广泛应用。作为商业化运用的电源系统，其突出的优点就是要有足够长的运行寿命和高的能量密度，比如应于备用电源、乘用车、物料运输车、潜艇等。质子交换膜燃料电池是发展最成熟，最接近于商业应用的燃料电池。在质子交换膜燃料电池运行过程中，需要水来保证膜的润湿性，降低膜电阻，从而降低欧姆过电位；但过量的液态水又会占据气体传递通道，并覆盖催化剂的表面，使反应气的传递阻力大大增加，造成严重的传质极化损失。通过上述描述可知，如何保证燃料电池中水平衡，以保证燃料电池具有较好的性能，是燃料电池领域一个亟待解决的问题。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术技术方案提供了一种微孔层结构、制备方法、膜电极组件以及燃料电池，可以保证燃料电池中水平衡。为了实现上述问题，本专利技术提供如下技术方案：一种微孔层结构，用于燃料电池，所述微孔层结构包括：基底；设置在所述基底表面的微孔层，所述微孔层包括在第一方向上依次排布的第一区域微孔层以及第二区域微孔层；其中，所述第一方向为燃料电池中反应气体的流路方向；所述第一区域微孔层的孔隙率小于所述第二区域微孔层的孔隙率；所述第一区域微孔层的最可几孔径大于所述第二区域微孔层的最可几孔径；所述第一区域微孔层的平均孔径大于所述第二区域微孔层的平均孔径。优选的，在上述微孔层结构中，在所述第一方向上，所述第一区域微孔层的长度不超过所述第二区域微孔层的长度。其中，所述第一区域微孔层的最可几孔径和平均孔径为200nm～1000nm，所述第二区域微孔层的最可几孔径和平均孔径为10nm～199nm。优选的，在上述微孔层结构中，所述微孔层的厚度为10μm-100μm。优选的，在上述微孔层结构中，所述第一区域微孔层的孔隙率为30％-45％；所述第二区域微孔层的孔隙率为45％-65％。优选的，在上述微孔层结构中，所述第一区域微孔层由第一浆料制备；所述第二区域微孔层由第二浆料制备；所述第一浆料中造孔剂的含量小于与所述第二浆料中造孔剂的含量。本专利技术还提供了一种制备方法，用于制备上述任一项所述的微孔层结构，其特征在于，所述制备方法包括：提供一基底，所述基底具有在第一方向上依次排布的第一区域以及第二区域；所述第一方向为燃料电池中反应气体的流路方向；在所述第一区域形成第一浆料的膜层，在所述第二区域形成第二浆料的膜层；对所述基底表面的膜层进行热处理后，再通过焙烧处理，使得所述第一浆料的膜层形成第一区域微孔层，使得所述第二浆料的膜层形成第二区域微孔层；其中，所述第一区域微孔层的孔隙率小于所述第二区域微孔层的孔隙率；所述第一区域微孔层的最可几孔径大于所述第二区域微孔层的最可几孔径；所述第一区域微孔层的平均孔径大于所述第二区域微孔层的平均孔径。优选的，在上述制备方法中，还包括：制备所述第一浆料以及所述第二浆料；所述第一浆料与所述第二浆料均包括：导电材料、造孔剂、疏水剂和分散液的混合物；其中，所述第一浆料中造孔剂的含量小于与所述第二浆料中造孔剂的含量。优选的，在上述制备方法中，所述导电材料为炭黑；所述造孔剂包括碳酸铵、草酸铵、碳酸锂中的一种或两种；所述疏水剂为聚四氟乙烯水分散液；所述分散液为醇类。优选的，在上述制备方法中，所述醇类包括乙醇、异丙醇、乙二醇中的一种或两种。优选的，在上述制备方法中，所述第一区域微孔层以及所述第二区域微孔层的厚度为10μm-100μm。优选的，在上述制备方法中，所述第一区域微孔层的孔隙率为30％-45％；所述第二区域微孔层的孔隙率为45％-65％。优选的，在上述制备方法中，所述制备方法还包括：焙烧完成后，进行裁剪，形成预设尺寸的微孔层结构，裁剪后的微孔层结构中，所述第一区域微孔层结构长度不超过所述第二区域微孔层结构的长度。本专利技术还提供了一种膜电极组件，所述膜电极组件包括：依次层叠设置的阴极侧气体扩散层、阴极侧催化剂层、质子交换膜、阳极侧催化剂层以及阳极侧气体扩散层；其中，所述阴极侧气体扩散层包括上述任一项所述的微孔层结构；所述阳极侧气体扩散层包括上述任一项所述的微孔层结构。本专利技术还提供了一种燃料电池，所述燃料电池包括：上述所述的膜电极组件。通过上述描述可知，本专利技术技术方案提供的微孔层结构、制备方法、膜电极组件以及燃料电池中，设置所述微孔层包括在第一方向上依次排布的第一区域微孔层以及第二区域微孔层；所述第一区域微孔层的孔隙率小于所述第二区域微孔层的孔隙率；所述第一区域微孔层的最可几孔径大于所述第二区域微孔层的最可几孔径；所述第一区域微孔层的平均孔径大于所述第二区域微孔层的平均孔径。这样，在无需外加增湿器的情况下就能实现水平衡，有效降低燃料电池系统整体成本，提高系统的体积功率密度。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的一种微孔层结构的示意图；图2为本专利技术实施例提供的一种制备方法的流程示意图；图3为本专利技术实施例提供的一种膜电极组件的结构示意图；图4为本专利技术实施例制备出的单电池与传统方案制备出的单电池的测试性能结果对比曲线。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。一般的，质子交换膜燃料电池的基本构件包括：极板、气体扩散层、催化剂层和质子交换膜。极板可以分为单极板和双极板，其作用是在电池堆中隔离每个单节电池，并通过其上的通道向气体扩散层输送燃料和氧气，与此同时，还要具有较高的导电性能，从而能够向外界导出电流。气体扩散层、催化剂层和质子交换膜构成了膜电极组件。气体扩散层位于催化剂层和极板之间，是质子交换膜燃料电池中的关键材料之一，是膜电极组件的最外层，为膜电极组件和极板提供接触，将反应物分配到催化剂层，并让反应生成物水离开电极表面，允许水在电极和流道间通过，其承担着电流传导，质子交换膜的机械支撑，催化剂附着的多孔介质，催化剂层的反应物通道，以及产物移除这五个方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微孔层结构，用于燃料电池，其特征在于，所述微孔层结构包括：/n基底；/n设置在所述基底表面的微孔层，所述微孔层包括在第一方向上依次排布的第一区域微孔层以及第二区域微孔层；/n其中，所述第一方向为燃料电池中反应气体的流路方向；所述第一区域微孔层的孔隙率小于所述第二区域微孔层的孔隙率；所述第一区域微孔层的最可几孔径大于所述第二区域微孔层的最可几孔径；所述第一区域微孔层的平均孔径大于所述第二区域微孔层的平均孔径。/n

【技术特征摘要】
1.一种微孔层结构，用于燃料电池，其特征在于，所述微孔层结构包括：
基底；
设置在所述基底表面的微孔层，所述微孔层包括在第一方向上依次排布的第一区域微孔层以及第二区域微孔层；
其中，所述第一方向为燃料电池中反应气体的流路方向；所述第一区域微孔层的孔隙率小于所述第二区域微孔层的孔隙率；所述第一区域微孔层的最可几孔径大于所述第二区域微孔层的最可几孔径；所述第一区域微孔层的平均孔径大于所述第二区域微孔层的平均孔径。


2.根据权利要求1所述的微孔层结构，其特征在于，在所述第一方向上，所述第一区域微孔层的长度不超过所述第二区域微孔层的长度；
其中，所述第一区域微孔层的最可几孔径和平均孔径为200nm～1000nm，所述第二区域微孔层的最可几孔径和平均孔径为10nm～199nm。


3.根据权利要求1所述的微孔层结构，其特征在于，所述微孔层的厚度为10μm-60μm。


4.根据权利要求1所述的微孔层结构，其特征在于，所述第一区域微孔层的孔隙率为30％-45％；
所述第二区域微孔层的孔隙率为45％-65％。


5.根据权利要求1所述的微孔层结构，其特征在于，所述第一区域微孔层由第一浆料制备；
所述第二区域微孔层由第二浆料制备；
所述第一浆料中造孔剂的含量小于与所述第二浆料中造孔剂的含量。


6.一种制备方法，用于制备如权利要求1-5任一项所述的微孔层结构，其特征在于，所述制备方法包括：
提供一基底，所述基底具有在第一方向上依次排布的第一区域以及第二区域；所述第一方向为燃料电池中反应气体的流路方向；
在所述第一区域形成第一浆料的膜层，在所述第二区域形成第二浆料的膜层；
对所述基底表面的膜层进行热处理后，再通过焙烧处理，使得所述第一浆料的膜层形成第一区域微孔层，使得所述第二浆料的膜层形成第二区域微孔层；
其中，所述第一区域微孔层的孔隙率小于所述第二区...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晋，唐厚闻，方亮，周红茹，陈雪松，
申请(专利权)人：上海汽车集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31