本发明专利技术提供了一种用于燃料电池的非均一膜电极组件及燃料电池，所述非均一膜电极组件包括基于质子交换膜的膜电极和位于所述基于质子交换膜的膜电极两侧表面的催化剂层，至少一侧表面的催化剂层分为流道催化剂区和肋板催化剂区，所述流道催化剂区和所述肋板催化剂区分别对应所述膜电极组件的流道位置和所述肋板位置，所述流道催化剂区内设置有催化剂层，所述肋板催化剂区内不设置催化剂层或者设置的催化剂层的催化剂负载量小于所述流道催化剂区的催化剂层的催化剂负载量。与催化剂负载量和厚度均一的膜电极相比，非均一的膜电极可以获得更高的电流密度，电流密度最高可提升30％，这对燃料电池的功率密度提升发挥了显著益处。益处。益处。
【技术实现步骤摘要】
一种用于燃料电池的非均一膜电极组件及燃料电池
[0001]本申请要求申请号为202210841586.9专利申请的优先权(在先申请的申请日为2022年7月18日，专利技术名称为一种用于燃料电池的非均一膜电极组件及燃料电池)。
[0002]本专利技术属于燃料电池
，涉及一种用于燃料电池的非均一膜电极组件及燃料电池。
技术介绍
[0003]燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置，其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。
[0004]燃料电池的基本结构由离子交换膜，催化剂，扩散层以及电流极板组成，负载有催化剂的离子交换膜被称为膜电极，对燃料电池的性能有决定性的影响。燃料电池膜电极目前以均一厚度为主，这是由两方面原因导致的：一方面，膜电极生产使用的涂敷工艺(狭缝、喷涂、线棒、丝网等)大多适用于均一厚度的涂料涂敷；另一方面，膜电极为了适用于各种大小和结构不同的流道，并没有针对不同的流道进行结构的优化。因此对于一个普适化的产品，没有必要对膜电极进行非均一图案设计。
[0005]CN2886819公开了一种用于燃料电池的阴极流道结构，应用于燃料电池，且该燃料电池至少包括一个以上的膜电极组。阴极流道结构包括多条渠沟结构，且所述多条渠沟结构设置于所述膜电极组的阴极的上方，同时，所述渠沟结构均匀地分布而涵盖到所有膜电极组的阴极。位于相同一端的全部渠沟结构的末端排列呈至少一个以上的曲面，且所述曲面用来作为阴极燃料的入口。
[0006]CN113782763A公开了一种用于质子交换膜燃料电池双极板的新型气体流道结构，所述质子交换膜燃料电池双极板主要包括阳极板和阴极板，气体流道结构均为截面形状是凹四边形的导流柱呈鱼鳞状交错排列方式构成，靠近流道入口处的导流柱三角翼指向气体流入方向，靠近流道出口处的一列导流柱三角翼指向气体流出方向，气体主体流道是由导流柱交错排列形成波纹状的波纹状流道，波纹状流道之间存在间隙流道。
[0007]CN113224344A公开了一种燃料电池装置，至少包括：一个以上的膜电极组，其中该膜电极组系至少包含：一阳极电极、一质子交换膜及一阴极电极；一个以上的双面流道板，系设置于该膜电极组的一侧。其中，该双面流道板系至少包含：一板体，系具有至少一个以上的流道结构，其中该些流道结构的设置位置，系对应配合该些膜电极组的设置位置；一个以上的导电片，系一导电材料且该些导电片分别覆盖住该板体的该些流道结构，且该些导
电片系固定于该板体；以及一个以上的集电片，系一导电材料且该些集电片分别覆盖住该些导电片，且该些集电片系分别固定于该些导电片。
技术实现思路
[0008]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种用于燃料电池的非均一膜电极组件及燃料电池，本专利技术在流道对应的膜电极组件的表面增大催化剂的负载量，在其余区域少涂甚至不涂敷催化剂。与催化剂负载量和厚度均一的膜电极相比，非均一的膜电极可以获得更高的电流密度，电流密度最高可提升30％，这对燃料电池的功率密度提升发挥了显著益处。
[0009]为达到此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]第一方面，本专利技术提供了一种用于燃料电池的非均一膜电极组件，所述燃料电池包括膜电极组件和位于所述膜电极组件两侧表面的极板，所述极板靠近所述膜电极组件的一侧表面开设有流道，相邻流道之间形成肋板，所述非均一膜电极组件包括基于质子交换膜的膜电极和位于所述基于质子交换膜的膜电极两侧表面的催化剂层，至少一侧表面的催化剂层分为流道催化剂区和肋板催化剂区，所述流道催化剂区和所述肋板催化剂区分别对应所述膜电极组件的流道位置和所述肋板位置，所述流道催化剂区内设置有催化剂层，所述肋板催化剂区内不设置催化剂层或者设置的催化剂层的催化剂负载量小于所述流道催化剂区的催化剂层的催化剂负载量。
[0011]由于反应物浓度的差异，催化剂在极板不同位置的使用效率不同，针对这种情况，本专利技术提供了一种用于燃料电池的非均一膜电极组件，可以用来提高电流密度，进而提升能量密度。针对流道内的反应物浓度要高于流道外的反应物浓度的情况，本专利技术在流道对应的膜电极组件的表面位置处增大催化剂的负载量，在其余区域少涂甚至不涂敷催化剂。经过模拟计算结果表明，与催化剂负载量和厚度均一的膜电极相比，非均一的膜电极可以获得更高的电流密度，这两种膜电极的整体催化剂载量相同，两者在低电流密度、高电压区域有着几乎重合的电压
‑
电流密度曲线。但两者在反应物浓度耗尽的情况下，可以达到的最高电流密度不同，采用本专利技术提供的非均一膜电极组件制成燃料电池后的电流密度最高可提升30％，这对燃料电池的功率密度提升发挥了显著益处。
[0012]作为本专利技术一种优选的技术方案，所述膜电极具有阳极表面和阴极表面，所述阴极表面分为流道催化剂区和肋板催化剂区，所述阳极表面的整个表面设置有阳极催化剂层。
[0013]优选地，所述流道催化剂区内设置有阴极催化剂层，所述肋板催化剂区内不设置阴极催化剂层。
[0014]优选地，所述流道催化剂区和所述肋板催化剂区内均设置有阴极催化剂层，所述流道催化剂区内的阴极催化剂负载量大于所述肋板催化剂区内的阴极催化剂负载量。
[0015]优选地，所述流道催化剂区内的阴极催化剂负载量沿流道内的气体流向逐渐减小。
[0016]优选地，所述流道具有入口端和出口端，所述流道催化剂区内的阴极催化剂层中靠近所述流道入口端的阴极催化剂负载量记为M1，所述流道催化剂区内的阴极催化剂层中靠近所述流道出口端的阴极催化剂负载量记为M2，M1＞M2。
[0017]优选地，M1为M2的1.3～5倍，例如可以是1.3倍、1.5倍、1.7倍、1.9倍、2倍、2.2倍、2.4倍、2.6倍、2.8倍、3.0倍、3.2倍、3.4倍、3.6倍、3.8倍、4.0倍、4.2倍、4.4倍、4.6倍、4.8倍或5.0倍，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0018]优选地，M1为0.4～1mg/cm2，例如可以是0.4mg/cm2、0.5mg/cm2、0.6mg/cm2、0.7mg/cm2、0.8mg/cm2、0.9mg/cm2或1.0mg/cm2，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0019]M2为0.1～0.2mg/cm2，例如可以是0.1mg/cm2、0.11mg/cm2、0.12mg/cm2、0.13mg/cm2、0.14mg/cm2、0.15mg/cm2、0.16mg/cm2、0.17mg/cm2、0.18mg/cm2、0.1本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于燃料电池的非均一膜电极组件，所述燃料电池包括膜电极组件和位于所述膜电极组件两侧表面的极板，所述极板靠近所述膜电极组件的一侧表面开设有流道，相邻流道之间形成肋板，其特征在于，所述非均一膜电极组件包括基于质子交换膜的膜电极和位于所述基于质子交换膜的膜电极两侧表面的催化剂层，至少一侧表面的催化剂层分为流道催化剂区和肋板催化剂区，所述流道催化剂区和所述肋板催化剂区分别对应所述膜电极组件的流道位置和所述肋板位置，所述流道催化剂区内设置有催化剂层，所述肋板催化剂区内不设置催化剂层或者设置的催化剂层的催化剂负载量小于所述流道催化剂区的催化剂层的催化剂负载量。2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的非均一膜电极组件，其特征在于，所述膜电极具有阳极表面和阴极表面，所述阴极表面分为流道催化剂区和肋板催化剂区，所述阳极表面的整个表面设置有阳极催化剂层；优选地，所述流道催化剂区内设置有阴极催化剂层，所述肋板催化剂区内不设置阴极催化剂层；优选地，所述流道催化剂区和所述肋板催化剂区内均设置有阴极催化剂层，所述流道催化剂区内的阴极催化剂负载量大于所述肋板催化剂区内的阴极催化剂负载量；优选地，所述流道催化剂区内的阴极催化剂负载量沿流道内的气体流向逐渐减小；优选地，所述流道具有入口端和出口端，所述流道催化剂区内的阴极催化剂层中靠近所述流道入口端的阴极催化剂负载量记为M1，所述流道催化剂区内的阴极催化剂层中靠近所述流道出口端的阴极催化剂负载量记为M2，M1＞M2；优选地，M1为M2的1.3～5倍；优选地，M1为0.4～1mg/cm2，M2为0.1～0.2mg/cm2。3.根据权利要求1所述的用于燃料电池的非均一膜电极组件，其特征在于，所述膜电极具有阳极表面和阴极表面，所述阳极表面分为流道催化剂区和肋板催化剂区，所述阴极表面的整个表面设置有阴极催化剂层；优选地，所述流道催化剂区内设置有阳极催化剂层，所述肋板催化剂区内不设置阳极催化剂层；优选地，所述流道催化剂区和所述肋板催化剂区内均设置有阳极催化剂层，所述流道催化剂区内的阳极催化剂负载量大于所述肋板催化剂区内的阳极催化剂负载量；优选地，所述流道催化剂区内的阳极催化剂负载量沿流道内的气体流向逐渐减小；优选地，所述流道具有入口端和出口端，所述流道催化剂区内的阳极催化剂层中靠近所述流道入口端的阳极催化剂负载量记为N1，所述流道催化剂区内的阳极催化剂层中靠近所述流道出口端的阳极催化剂负载量记为N2，N1小于M1，N2小于M2；优选地，N1为M1的10～30％，N2为M2的10～30％。4.根据权利要求1所述的用于燃料电池的非均一膜电极组件，其特征在于，所述膜电极具有阳极表面和阴极表面，所述阳极表面分为阳极流道催化剂区和阳极肋板催化剂区，所述阴极表面分为阴极流道催化剂区和阴极肋板催化剂区；优选地，所述阳极流道催化剂区和所述阴极流道催化剂区内分别设置有阳极催化剂层和阴极催化剂层，所述阳极肋板催化剂区和所述阴极肋板催化剂区内均不设置催化剂层；优选地，所述阳极表面的整个表面...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄佳斯，徐达，
申请(专利权)人：华氢新能源无锡有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。