一种新型质子交换膜燃料电极结构的制作方法

1.本实用新型涉及一种燃料电池，尤其是燃料电池中的膜电极组件。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池（pemfc）的核心部件是膜电极（mea），是能量转换的多相物质传输和电化学反应场所，涉及三相界面反应和复杂的传质传热过程，直接决定燃料电池（pemfc）的性能、寿命及成本。
3.商用的膜电极一般为7层结构，其中ccm型膜电极为两层催化剂层夹一层质子导电膜的三层三明治结构，催化剂层由两边复合两层带有微孔层的扩散层所构成。目前研究及材料大部分集中在膜，催化剂，扩散层结构的稳定性，高性能等方面。对扩散层上的微孔层研究相对少。
4.目前燃料电池应用中，微孔层一般采用导电碳粉和聚四氟乙烯（ptfe）做粘结剂的微孔层组成，调节微孔层中聚四氟乙烯（ptfe）、炭黑（vulcan xc72）和乙炔黑等的比例来调节微孔层的疏水性，导电性和透气性。如果要增加微孔层的疏水性，这是靠ptfe含量增加来完成的。但高含量的ptfe的添加一方面增加了电极的疏水性，改变了电极微孔层的孔结构，一方面降低了导电性。
5.在一些特殊应用场合，只靠炭黑（vulcan xc72）、乙炔黑和聚四氟乙烯（ptfe）高分子组成的网络结构调节燃料电池的微孔层结构来塑造特殊功能的结构变得非常困难，原因在于聚四氟乙烯（ptfe）具有改变孔结构、导电性和疏水性三重复合作用。而且这种调节的孔结构比较复杂，本实用新型就是基于上述的问题而进行的一种新的结构。


技术实现要素：

6.本实用新型目的是要提供一种新型质子交换膜燃料电池结构，解决了燃料电池的微孔层结构和性能难以依靠现有材质进行调节的问题。
7.为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
8.本实用新型提供了一种新型质子交换膜燃料电极结构，其包括位于中间的质子导电膜层、涂覆热压在所述的质子导电膜层两侧的催化剂层、复合在所述的催化剂层外侧的扩散层，所述的扩散层包括碳纤维纸层以及涂布并灼烧固化在所述碳纤维纸层上的微孔层，且所述的微孔层材料为微粉石墨粉或石墨烯粉。
9.优选地，所述的微孔层每个微孔大小在0.05
‑5µ
m范围内。
10.优选地，所述的微粉石墨粉或石墨烯粉颗粒粒径为1000
‑
10000目。
11.优选地，所述的扩散层厚度为0.05
‑
0.35mm。
12.优选地，所述的微孔层厚度为0.1
‑
0.2mm。
13.由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：
14.本实用新型的一种新型质子交换膜燃料，包括位于中间的质子导电膜层、涂覆热压在质子导电膜层两侧的催化剂层、复合在催化剂层外侧的扩散层，扩散层包括碳纤维纸
层以及涂布并灼烧固化在碳纤维纸层上的微孔层，微孔层材料为微粉石墨粉或石墨烯粉，本实用新型给出一种高疏水性孔结构分布均匀的结构，实质是用球形石墨粉或微粉石墨烯来替代原有常用的导电炭黑，来改变微孔层的孔结构大小和疏水特性。石墨粉应用在微孔层，作为微孔层的主要疏水导电物质，微粉粒直径大小来调整孔结构，提高电池的在高空气计量比下的运行稳定性具有特别的意义。
附图说明
15.后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本实用新型的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
16.图1是根据本实用新型优选实施例的结构示意图
17.其中，附图标记说明如下：
18.1、质子导电膜层；2、催化剂层；3、微孔层4、扩散层；5、碳纤维纸层；
具体实施方式
19.下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
20.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
21.参照图1所示，本实用新型质子交换膜燃料电极结构包括位于中间的质子导电膜层1、涂覆热压在质子导电膜层1两侧的催化剂层2、复合在催化剂2层外侧的扩散层3；扩散层3包括碳纤维纸层4以及涂布并灼烧固化在碳纤维纸层4上的微孔层5，且微孔层5材料为微粉石墨粉或石墨烯粉。
22.催化剂层2包括阳极催化层和阴极催化层，分别涂覆在质子导电膜的两侧，以便于燃料电池中氢气和氧气发生电化学反应产生电流的反应时有足够场地的支撑，催化剂层2是电极的重要组成材料。
23.常用的气体扩散层材料有碳纤维纸、碳纤维编织布、非织造布及碳黑纸等，本实施例中选用碳纤维纸作为扩散层3的底层，扩散层3厚度为0.2mm，此厚度的扩散层3既能其机械性能上达到了一定的强度，同时也保持着良好的电学、热学性能和气体透过率。
24.目前燃料电池应用中，微孔层5一般采用导电碳粉和聚四氟乙烯（ptfe）做粘结剂的微孔层组成，调整相应的比例来调节如疏水性、导电性和透气性等性能，但增加某一组分的含量可能在增加某个性能的同时降低某一性能的，本实用新型中把用尺寸相近的微米石墨粉或石墨烯粉等高疏水性导电材料用做微孔层的结构材料，并涂布并灼烧固化在碳纤维
纸层4上，石墨微粉结构层具有疏水性强、孔径均一的特点，微孔层5厚度为0.15mm以及微孔层5每个微孔大小在0.12
‑
0.15
µ
m范围内，均能满足特殊电池运行条件下的要求。
25.具体制作微孔层的步骤如下：
26.（1）将一片柔软的10cm*10cm的碳纤维纸使用15%的ptfe乳液中浸渍，取出后在80℃温度下缓慢烘干，烘干后放入360℃马弗炉中进行烧结。
27.（2）取2克1000目~10000目球形石墨，ptfe乳液少许，将浆料涂布到碳纤维纸上，高温固化，并热压处理。这样可以制得超厚、孔径单一的高疏水性微孔层。
28.如下表所示，是我们用1000目和10000目球形石墨做扩散层组装成单电池进行的性能测试表，其中石墨粉微孔层同催化剂接触。h2，air，rh=30%，气体进口温度25度，电极运行温度65度, 运行压力0.6bar，空气计量比在35.0。
29.从下表的数据对比可以看出，本实用新型微孔层结构能够适应燃料电池电极在高空气计量比下的性能稳定需求。
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上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围，凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。