CN101465438A - 一种膜电极和支撑管合为一体的列管式燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种膜电极和支撑管合为一体的列管式燃料电池，由依次连接的燃料入口、至少一个管状膜电极和燃料出口组成，不同膜电极之间串联或并联，其特征在于，所述膜电极从内到外依次由阳极、质子交换膜层和阴极组成，所述阳极为担载催化剂的中空碳纤维管，所述阴极为担载催化剂的导电碳黑或导电碳黑和泡沫金属的混合物。本发明大幅降低了电池内部的接触电阻，提高了燃料分配的效率和均匀性，大大提高了燃料电池的功率密度。

Description

一种膜电极和支撑管合为一体的列管式燃料电池
技术领域
本发明涉及一种膜电极和支撑管合为一体的列管式燃料电池，属于燃料电池技术领域。
背景技术
燃料电池是将燃料的化学能直接转化为电能的发电装置。一个典型的燃料电池主要由阳极(负极)、阴极(正极)和设于两者之间的电解质组成。燃料电池有多种类型，目前发展最快的是质子交换膜燃料电池(PEMFC)，它是以具有质子导电的聚合物膜(如杜邦(dupont)公司的Nafion膜)为电解质的燃料电池。与其它类型的燃料电池相比，质子交换膜燃料电池具有结构简单、工作温度低、工作效率较高等优点。
目前质子交换膜燃料电池主要是平板式结构，这种结构的燃料电池主要有以下缺点：(1)需要使用重量重、体积大、价格昂贵的流场板(或称气体分配板)；(2)电池中的水管理和热管理系统比较复杂；(3)电池密封困难；(4)当要输出较高电压和电流时，需要将多个平板式单电池联成一个电堆，由于体积较大，很难应用于小型便携式设备(如手提电脑和手机等)。由于以上缺陷以及成本等问题，平板式质子交换膜燃料电池至今未能得到产业化应用。
列管式燃料电池的设计可以部分克服以上问题，中国专利CN97201080.7描述了一种列管式燃料电池的结构，利用多孔金属管或多孔塑料管作为支撑管，管壁外为膜电极组件。该设计虽然简单，但支撑管和膜电极的连接比较困难，而且支撑管体积和重量仍然较大，有效导流面积的利用率较低，导致功率密度不高。中国专利CN03217133.1部分改善了上述专利设计的不足，采用耐腐蚀导电弹簧作为支撑体，分别附着固定在膜电极的内侧和套装在膜电极的外侧，虽然密封性能有所提高，但是膜电极的阳极和阴极仍然使用涂有催化剂的碳纸或碳布，膜电极和金属弹簧的接触电阻很大，导致电池性能降低，另外使用弹簧构筑的管道结构稳定性较差，当温度和压力发生变化时，很难继续保持管状结构，并可能导致管端的密封产生问题。美国专利US6007932描述了一种列管式燃料电池的制备方法，该专利同样使用多孔支撑管作为燃料传输的通道，起到分配反应物(燃料)的作用，并在支撑管外缠绕膜电极组件(正极、负极和质子交换膜)。总之，现有的列管式燃料电池，存在以下缺点：(1)膜电极和支撑管是分离的，造成两者接触电阻较大；(2)由多孔支撑管分流的燃料分配不均、有效导流面积的利用率较低；(3)无论是多孔塑料管还是金属管，都使得电池的重量和体积增大，功率密度较低。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术存在的缺点，提供一种体积小、重量轻、功率密度高、膜电极和支撑管合为一体的列管式燃料电池。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种膜电极和支撑管合为一体的列管式燃料电池，由依次连接的燃料入口、至少一个管状膜电极和燃料出口组成，不同膜电极之间串联或并联，其特征在于，所述膜电极从内到外依次由阳极、质子交换膜层和阴极组成，所述阳极为担载催化剂的中空碳纤维管，所述阴极为担载催化剂的导电碳黑或其和泡沫金属的混合物。
进一步地，所述膜电极优选是的制备方法为：将催化剂担载在中空碳纤维管的管壁孔道内形成阳极，将质子交换树脂的溶液或将质子交换膜溶解得到的溶液涂或喷在中空碳纤维管的外表面形成质子交换膜，将担载催化剂的导电碳黑或其和泡沫金属的混合物组成的浆料直接涂覆在质子交换膜表面得到阴极。
所述的质子交换树脂优选为全氟磺酸树脂。
所述的泡沫金属优选为泡沫镍。
所述催化剂优选为铂或铂合金催化剂。
所述燃料优选为氢气、甲醇、乙醇或二甲醚。
与现有技术相比，本发明将膜电极中的导电扩散层和多孔支撑管合为一体，大幅降低了电池内部的接触电阻，提高了燃料分配的效率和均匀性。由于不需要导流板(气体分配板)以及膜电极管径较细，大大提高了燃料电池的功率密度。
附图说明
图1为列管式燃料电池结构示意图；
图2为图1中A处放大图；
图3为中空碳纤维管截面图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
如图1所示，为一种膜电极和支撑管合为一体的列管式燃料电池，该燃料电池包括依次连接的燃料入口1、至少一个管状膜电极3和燃料出口2，不同膜电极3之间串联或并联。
如图2所示，所述膜电极3从内到外依次由阳极4、质子交换膜层6和阴极5组成，所述阳极4和阴极5分别连接阳极导线7和阴极导线8，所述阳极4为担载催化剂的中空碳纤维管，所述阴极5为担载催化剂的导电碳黑。
如图3所示，为本发明所用的中空碳纤维管，管壁具有内外壁贯穿的微孔。所述的中空碳纤维管有三方面的作用：作为催化剂的支撑材料；为燃料提供通道(扩散层)和反应场所；传输电化学反应产生的电子。所述的中空碳纤维管管壁具有相互贯穿的多空结构，可以为燃料输送提供通道。
所述燃料可以为氢气、甲醇、乙醇、二甲醚等。
使用时，燃料经燃料入口1进入膜电极3，反应后的气体经燃料出口2排出，排出气中含未用尽的燃料，可回收后循环使用。空气(空气中氧气作为氧化剂)通过自呼吸方式输入膜电极表面进行反应。在膜电极上反应后产生的电流经阳极导线7和阴极导线8引出。
所述膜电极3的制作方法如下：将中空碳纤维管浸渍在50wt％氯铂酸盐的溶液中5小时，取出后在80℃下用硼氢化钠还原剂还原1小时，得到担载有18wt％铂催化剂的阳极4。然后，将担载有铂催化剂的中空碳纤维浸渍在质子交换树脂(全氟磺酸树脂)的溶液中5分钟，反复3次，在表面形成质子交换膜层6，最后可用全氟磺酸树脂的溶液为胶水和担载40wt％铂催化剂的导电碳黑混合后涂于质子交换膜层6表面，得到空气自呼吸的阴极5。按图1方式组装由20根上述膜电极3串联组成的有效面积为18cm2的列管式燃料电池，25℃时以40mA/cm2放电，以氢气、甲醇、乙醇和二甲醚为燃料时，电池电压分别为2.1V、1.8V、2.5V和2.3V，功率密度分别为0.084w/cm2，0.072w/cm2，0.1w/cm2和0.092w/cm2。
实施例2
如实施例1的膜电极和支撑管合为一体的列管式燃料电池，区别在于阳极4担载的催化剂为铂钌合金，其中铂和钌的摩尔比为1:1，合金催化剂的担载量为17wt％，所述阴极由全氟磺酸树脂的溶液胶水、担载40wt％铂催化剂的导电碳黑和泡沫镍经混合后涂于质子交换膜层6表面制成，三者的质量百分比为2：72：26。按图1方式组装由20根上述膜电极3串联组成的有效面积为18cm2的列管式燃料电池，25℃时以40mA/cm2放电，以氢气、甲醇、乙醇和二甲醚为燃料时，电池电压分别为2.3V、1.9V、2.4V和2.5V，功率密度分别为0.092w/cm2，0.076w/cm2，0.096w/cm2和0.1w/cm2。

Claims (6)

1.一种膜电极和支撑管合为一体的列管式燃料电池，由依次连接的燃料入口(1)、至少一个管状膜电极(3)和燃料出口(2)组成，不同膜电极(3)之间串联或并联，其特征在于，所述膜电极(3)从内到外依次由阳极(4)、质子交换膜层(6)和阴极(5)组成，所述阳极(4)为担载催化剂的中空碳纤维管，所述阴极(5)为担载催化剂的导电碳黑或其和泡沫金属的混合物。
2.如权利要求1所述的一种膜电极和支撑管合为一体的列管式燃料电池，其特征在于，所述膜电极(3)的制备方法为：将催化剂担载在中空碳纤维管的管壁孔道内形成阳极(4)，将质子交换树脂的溶液或将质子交换膜溶解得到的溶液涂或喷在中空碳纤维管的外表面形成质子交换膜(6)，将担载催化剂的导电碳黑或其和泡沫金属的混合物组成的浆料直接涂覆在质子交换膜表面得到阴极(5)。
3.如权利要求2所述的一种膜电极和支撑管合为一体的列管式燃料电池，其特征在于，所述的质子交换树脂为全氟磺酸树脂。
4.如权利要求1或2所述的一种膜电极和支撑管合为一体的列管式燃料电池，其特征在于，所述的泡沫金属为泡沫镍。
5.如权利要求1或2所述的一种膜电极和支撑管合为一体的列管式燃料电池，其特征在于，所述催化剂为铂或铂合金催化剂。
6.如权利要求1或2所述的一种膜电极和支撑管合为一体的列管式燃料电池，其特征在于，所述燃料为氢气、甲醇、乙醇或二甲醚。
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