一种用于燃料电池的膜电极组件和燃料电池的制作方法

本技术涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种用于燃料电池的膜电极组件。本技术还涉及一种相应的燃料电池。

背景技术：

1、近年来，随着社会和经济的发展，人们对于空气污染和能量损耗等问题的关注日益增加。燃料电池是一种不经过燃烧过程以电化学反应方式将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的高效发电装置。由于反应产物主要是水并且基本上不排放有害气体，燃料电池具有显著的清洁环保的优点并且可以有利地使用在车辆、发电机等领域中。

2、在燃料电池的运行过程中，氢气在膜电极组件的阳极侧在催化剂作用下分解为质子和电子，质子从阳极通过质子交换膜流向阴极并且与阴极的氧分子结合生成水分子，其中，质子交换膜是一种选择透过膜并且仅为质子提供转移通道。在该过程中，质子交换膜需要适当润湿并且保持一定的含水率，所述含水率决定了质子的导电性，从而影响燃料电池的工作性能。当含水率过低时会产生“膜干”故障，使得电阻率上升并且质子交换膜的产热增加，进一步导致能量转化效率降低以及更为严重的膜干故障，甚至膜撕裂，严重影响输出性能和剩余寿命，而当燃料电池内湿度过大时虽然能提高质子交换膜的含水率以降低电阻率，但可能产生“水淹”故障，使得气体反应物的传输受阻并且催化剂的活性面积因水的覆盖而降低，从而显著增加浓差损耗和活化损耗。

3、在燃料电池的运行过程中，燃料电池需要处于较高的工作温度，以确保实现催化剂活性高、功耗低等运行特性。然而，尤其在缺乏外部加湿器的自增湿燃料电池系统中，高工作温度容易导致燃料电池的“膜干”故障，由此对燃料电池的输出性能产生不利影响。此外，干燥空气作为阴极气体流入到膜电极组件的阴极气体入口区域中，导致阴极侧的入口区域相对干燥，在燃料电池的阴极侧生成的水在阴极气流的带动下朝膜电极组件的阴极气体出口区域流动，使得产物水聚集在阴极侧的中间区域和出口区域，由此导致在膜电极组件的纵向延伸方向上的水含量分布不均匀，这进一步降低燃料电池的工作性能。

技术实现思路

1、因此，本实用新型的目的在于提出一种改进的用于燃料电池的膜电极组件，所述膜电极组件能够有利地将反应生成的产物水保留在膜电极组件内部并且实现在膜电极组件内部均匀分布的水含量，从而在不设置阴极加湿系统的情况下和/或在高工作温度的情况下避免出现“膜干”故障并且在膜电极组件的整个纵向延伸尺度上保证质子交换膜和催化剂层的稳定的相对湿度，以明显提高燃料电池的电流密度和输出性能。

2、根据本实用新型的第一方面，提供一种用于燃料电池的膜电极组件，其中，所述膜电极组件至少包括：

3、-质子交换膜；和

4、-分别布置在所述质子交换膜两侧的阴极催化剂层和阳极催化剂层，

5、其中，所述膜电极组件具有第一端部和相对置的第二端部，所述第一端部被配置成适于面向所述燃料电池的阴极气体供应歧管，并且所述第二端部被配置成适于面向所述燃料电池的阴极气体排出歧管，其中，所述膜电极组件具有吸湿颗粒，所述吸湿颗粒的分布密度从所述第一端部至所述第二端部逐渐减小。

6、相比于现有技术，在根据本实用新型的用于燃料电池的膜电极组件中，通过布置在膜电极组件中的吸湿颗粒能够吸收通过电化学反应生成的产物水并且将产物水保持在膜电极组件内部，从而避免水直接从膜电极组件的阴极出口和阳极出口排出并且增大膜电极组件的含水量，以防止出现“膜干”故障并且提升燃料电池的工作性能。此外，吸湿颗粒在膜电极组件的面向阴极气体供应歧管的第一端部处的分布密度大于在面向阴极气体排出歧管的第二端部处的分布密度，这允许在膜电极组件布置在燃料电池中时在膜电极组件的相对干燥的阴极气体入口区域中有针对性地分布更多的吸湿颗粒，通过所述吸湿颗粒的优化分布实现水含量在膜电极组件中的均匀分布并且避免出现局部的干燥区域，以确保膜电极组件在整个延伸平面上产生均匀的电流密度并且提升燃料电池的输出性能。

7、在本实用新型的框架下，“纵向延伸方向”应理解为，所述纵向延伸方向基本上平行于反应气体、尤其是阴极反应气体在流经膜电极组件时的主要流动方向。

8、示例性地，所述吸湿颗粒的分布密度呈梯级的形式变化或者连续地变化。

9、示例性地，所述第一端部被配置成适于面向所述燃料电池的阴极气体供应歧管和阳极气体排出歧管，并且所述第二端部被配置成适于面向所述燃料电池的阴极气体排出歧管和阳极气体供应歧管，使得阴极气体在所述膜电极组件上的流动方向与阳极气体在所述膜电极组件上的流动方向相反。

10、示例性地，所述吸湿颗粒以喷洒或涂覆的方式设置在所述质子交换膜和/或所述阴极催化剂层和/或所述阳极催化剂层上。

11、示例性地，所述吸湿颗粒在所述膜电极组件的阴极侧的分布密度大于在所述膜电极组件的阳极侧的分布密度；和/或，所述吸湿颗粒在所述膜电极组件的阳极侧的分布密度小于规定阈值，所述规定阈值由实验数据和/或经验数据确定。

12、示例性地，所述吸湿颗粒包括以下组中的至少一种：蒙脱石、沸石、硅胶、二氧化锆。

13、示例性地，所述膜电极组件包括两个气体扩散层，所述气体扩散层分别在阴极侧和阳极侧覆盖所述阴极催化剂层和所述阳极催化剂层。

14、根据本实用新型的第二方面，提供一种燃料电池，其中，所述燃料电池至少包括：

15、-根据本实用新型的膜电极组件；

16、-包封框，所述包封框包围所述膜电极组件并且至少设置有阴极气体供应歧管、阴极气体排出歧管、阳极气体供应歧管和阳极气体排出歧管，以向所述膜电极组件供应反应气体并且从所述膜电极组件排出反应气体；和

17、-极板，所述极板布置在所述膜电极组件和所述包封框的两侧上并且被配置成适于将所述反应气体分配到所述膜电极组件上。

18、示例性地，所述阴极气体供应歧管和所述阴极气体排出歧管沿所述燃料电池的对角线布置，并且所述阳极气体供应歧管和所述阳极气体排出歧管沿所述燃料电池的另一对角线布置，使得所述膜电极组件的第一端部面向所述燃料电池的所述阴极气体供应歧管和所述阳极气体排出歧管，并且所述膜电极组件的第二端部面向所述燃料电池的所述阴极气体排出歧管和所述阳极气体供应歧管；和/或，所述极板构造为双极板。

19、示例性地，所述燃料电池还包括设置在所述包封框中的冷却剂供应部和冷却剂排出部，所述冷却剂供应部通过所述极板的冷却剂流道连接至所述冷却剂排出部，其中，所述冷却剂供应部面向所述膜电极组件的第一端部，并且所述冷却剂排出部面向所述膜电极组件的第二端部。

技术特征：

1.一种用于燃料电池(100)的膜电极组件(10)，其特征在于，所述膜电极组件(10)至少包括：

2.根据权利要求1所述的膜电极组件(10)，其特征在于，

3.根据权利要求1或2所述的膜电极组件(10)，其特征在于，

4.根据权利要求1或2所述的膜电极组件(10)，其特征在于，

5.根据权利要求1或2所述的膜电极组件(10)，其特征在于，

6.根据权利要求1或2所述的膜电极组件(10)，其特征在于，

7.根据权利要求1或2所述的膜电极组件(10)，其特征在于，

8.一种燃料电池(100)，其特征在于，所述燃料电池(100)至少包括：

9.根据权利要求8所述的燃料电池(100)，其特征在于，

10.根据权利要求8或9所述的燃料电池(100)，其特征在于，

技术总结
本技术涉及一种用于燃料电池的膜电极组件，其中，所述膜电极组件至少包括：质子交换膜；和分别布置在所述质子交换膜两侧的阴极催化剂层和阳极催化剂层，其中，所述膜电极组件具有第一端部和相对置的第二端部，所述第一端部被配置成适于面向所述燃料电池的阴极气体供应歧管，并且所述第二端部被配置成适于面向所述燃料电池的阴极气体排出歧管，其中，所述膜电极组件具有吸湿颗粒，所述吸湿颗粒的分布密度从所述第一端部至所述第二端部逐渐减小。本技术还涉及一种相应的燃料电池。能够有利地将反应生成的产物水保留在膜电极组件内部并且实现在膜电极组件内部均匀分布的水含量。

技术研发人员：窦玉倩,张旭
受保护的技术使用者：罗伯特·博世有限公司
技术研发日：20230427
技术公布日：2024/2/8