CN101771151A - 氢氧质子交换膜燃料电池用圆柱形膜电极 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氢氧质子交换膜燃料电池用圆柱形膜电极，电极呈圆柱体形式，圆柱体由内及外分别依次为阳极、Nafion膜层(包括催化剂层、扩散层)、阴极复合组成，与氢气接触的是阳极，与空气接触的是阴极；阴极由内向外依次由阴极催化剂层、扩散层及金属网复合组成，阳极由内向外依次由石墨材料层、阳极扩散层和阳极催化剂层复合组成；阳极在顶部突出于Nafion膜和阴极作为阳极输出接头，在阳极输出接头处设置将阳极输出接头与Nafion膜和阴极隔离的密封圈；阴极的底部为阴极输出接头(例如金属网)。本发明结构合理，制造方便。

Description

氢氧质子交换膜燃料电池用圆柱形膜电极
技术领域：
本发明涉及一种氢氧质子交换膜燃料电池用膜电极。
背景技术：
二十一世纪是节能、能源变迁与环境保护的世纪。新型能源的开发、现有能源的合理利用与环境保护相互协调发展已成为本世纪世界发展的基础。目前，人类赖以生存的石油、天然气和煤等化石能源正在日趋减少，取而代之的将是氢能和可再生资源。同时，由于石油、天然气和煤的低效燃烧使用，既浪费了能源，也对环境造成了严重污染，以成为本世纪必须解决的重要问题。
燃料电池(Fuel Cells)是一种不经过燃烧过程直接将化学能转化为电能的发电装置，它的最佳燃料为氢，也可以利用化石性燃料，具有能量转化效率高、低污染、环境友好的突出优点，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术，成为各国政府与大公司研究和开发焦点。
燃料电池能够直接将燃料的化学能转化成电能，不受卡诺循环的限制，它的效率高于热机效率。工作温度低于内燃机和锅炉，因此，燃料电池运行过程中几乎无NOx和SOx的排放，CO2的排放也比常规火电厂减少40％以上。燃料电池可望成为未来效率最高、最清洁的发电技术，被看作是继水力、火力和核能发电之后的第四种发电方式。
质子交换膜形(PEM)燃料电池是继碱形燃料电池(AFC)，磷酸形燃料电池(PAFC)，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，固体氧化物燃料电池(SOFC)之后的第五类燃料电池。采用能够传递质子的全氟磺酸膜作为电解质，由于没有流动的电解质，因此也称为固体聚合物电解质燃料电池，根据所使用的燃料不同可进一步划分为：使用纯氢为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)和直接使用醇为燃料的直接醇类燃料电池(DAFC)。PEM形燃料电池操作温度低，比功率高，较适用于便携式设备，如蜂窝电话、收音机、笔记本电脑和袖珍工具。
PEMFC经过几十年的发展，其技术日趋成熟，目前已处于商业化的前夜，研究主要围绕平板式燃料电池，而且市场上平板式燃料电池的种类也很多，但是这种采用双极板组成的平板式电池，除了增加了电池成本以外，还有很多不足之处：密封困难，安装烦琐，维护不方便，由于双极板的流道狭窄，对于水热管理带来很多的困难，生成的水不能及时排出，影响阴极氧化剂的传质。电堆的运行需要泵、气瓶、空压机等外围设备，用于燃料的输送和产物的移出，使电堆系统庞大，体积比功率和质量比功率降低。
针对平板式燃料电池的不足，人们提出了制作管状燃料电池的构想，取消双极板的使用，简化电池的外围设备，提高电池的体积比功率和质量比功率，降低制作成本，加快PEM形燃料电池商业化步伐。
为了将管状燃料电池(在适当的地方称为“管状PEFC”)每单位面积的功率密度提高到一定水平，对管状燃料的电池已经进行了持续地研究。通常管状PEFC的单体电池(在下文适当的地方称为“管状电池”)包括薄膜电极组件(下文称为“MEA”)，其具有形成为中空形状的电解质薄膜及设置在电解质薄膜内外侧上的催化剂层。在单体电池中，发生反应，例如，当向MEA的内侧供给氢气，并向MEA的外侧供给氧气时，通过电反应产生的电力分别由设置在MEA的内外侧上的集电器收集，然后输出到外部。注意，设置在MEA内侧上集电器称为“内集电器”，并且设置在MEA外侧上的集电器称为“外集电器”。即，在管状PEFC中通过向MEA的内侧供给一种反应气体(例如，氢)，并向MEA的外侧供给另一种反应气体(例如，氧)来进行发电。因此，在管状PEFC中，两个或更多个单体电池的外表面暴露在供给到公共空间的反应气体中，因而与平板式PEFC的情形不同，无需在单体电池之间设置还用作气体防护件的分离器。这样，管状PEFC在尺寸上可制得紧凑。
目前也有一部分研究人员研究出管状燃料电池，例如，胡里清采用在质子交换膜的两边涂上催化剂，直接获得膜电极，然后膜电极与不透气的隔层一起卷成单层或多层卷筒形，获得卷筒形燃料电池。本课题研究的是圆柱形膜电极，阳极采用的是石墨管、或管壁上开有许多小通孔的石墨管，或圆柱螺旋槽、或网状形槽的石墨棒。氢气从石墨管中流过，氢气渗透石墨(石墨管型)、或从小通孔中通过(石墨管壁上开有许多小通孔型)；或从管壁外开的流道(石墨棒上开有螺旋槽和网状槽型)流过；最外层为阴极，形成自呼吸式膜电极，而与空气中氧气在催化剂作用下发生化学反应，生成电能。此装置密封方法独特，氢、氧载体相对已有圆柱形燃料电池大有改进，且凸现出阴阳极输出件接头，更好连接输出件。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种结构合理，制造方便的氢氧质子交换膜燃料电池用圆柱形膜电极。
本发明的技术解决方案是：
一种氢氧质子交换膜燃料电池用圆柱形膜电极，其特征是：电极呈圆柱体形式，圆柱体由内及外分别依次为阳极、Nafion膜层(包括催化剂层、扩散层)、阴极复合组成，与氢气接触的是阳极，与空气接触的是阴极；阴极由内向外依次由阴极催化剂层、扩散层及金属网复合组成，阳极由内向外依次由石墨材料层、阳极扩散层和阳极催化剂层复合组成；阳极在顶部突出于Nafion膜和阴极作为阳极输出接头，在阳极输出接头处设置将阳极输出接头与Nafion膜和阴极隔离的密封圈；阴极的底部为阴极输出接头。
石墨材料层为中空的管状形式，中空部分为氢气通道。
管状石墨材料层上设有网状分布的氢气通孔。
石墨材料层为实心棒状体，在棒状体外周设有通过氢气的螺旋槽或网格槽。
阴极扩散层采用95％重量的碳粉和余量的60％聚四氟乙烯乳液配制成扩散层乳液，然后将配制好的乳液均匀涂覆在打磨好的阴极支撑体表面(柔性金属丝或碳纤维材料)，将涂好扩散层的阴极支撑体置于管式碳管炉中，氮气保护下340℃烧结0.5h。
阴极催化剂层由46.1wt.％Pt/C催化剂、5wt.％Nafion溶液以及余量的异丙醇溶液，在超声波中充分分散、混合后得到的墨水状催化剂浆料涂附在扩散层上制得。
本发明结构合理，(1)空气可以自吸式，而且燃料气体与催化反应层接触更充分；(2)圆柱形膜电极可以采用涂覆和热压法制备，阻抗小；(3)热压磨具和热压工艺简单，制造难度低；(4)圆管状的阳极采用多孔石墨，不用带流场双极板，制造成本低；(5)功率密度高；(6)散热面积大，散热速度快，温度调节方便；(7)组装电池组时拆卸方便，有利于维修和更换组件；(8)用氢气作为燃料，也可以用储氢材料作为燃料；(9)应用广泛，可以应用于笔记本电脑、电动自行车、电动玩具等。
工作性能：(1)使用氢气作为燃料时，60℃条件下，功率密度为8W/cm2，
附图说明：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明一个实施例的结构示图。
图2是图1的横截面示图。
图3是石墨材料层为棒状体、且外表设螺旋槽的结构示图。
图4是石墨材料层为棒状体、且外表设网格槽时的外形图。
图5是石墨材料层为管状体、且设网状分布的氢气通孔的结构示图。
具体实施方式：
一种氢氧质子交换膜燃料电池用圆柱形膜电极，电极呈圆柱体形式，圆柱体由内及外分别依次为阳极2、Nafion膜层3(包括催化剂层、扩散层)、阴极4复合组成，与氢气接触的是阳极，与空气接触的是阴极；阴极由内向外依次由阴极催化剂层、扩散层及金属网复合组成，阳极由内向外依次由石墨材料层、阳极扩散层和阳极催化剂层复合组成；阳极在顶部突出于Nafion膜和阴极作为阳极输出接头1，在阳极输出接头处设置将阳极输出接头与Nafion膜和阴极隔离的密封圈6；阴极的底部为阴极输出接头5，并设有密封圈7。8为Nafion膜接头，9为阴极接头。
石墨材料层为中空的管状形式，中空部分为氢气通道(如图1所示)。
管状石墨材料层上设有网状分布的氢气通孔(如图5所示)。
石墨材料层为实心棒状体，在棒状体外周设有通过氢气的螺旋槽(如图3所示)或网格槽(如图4所示)。
阴极扩散层采用95％重量的碳粉和余量的60％聚四氟乙烯乳液配制成扩散层乳液，然后将配制好的乳液均匀涂覆在打磨好的阴极支撑体表面(柔性金属丝或碳纤维材料)，将涂好扩散层的阴极支撑体置于管式碳管炉中，氮气保护下340℃烧结0.5h得到。
阴极催化剂层由46.1wt.％Pt/C催化剂、5wt.％Nafion溶液以及余量的异丙醇溶液，在超声波中充分分散、混合后得到的墨水状催化剂浆料涂附在扩散层上制得。
圆柱形膜电极组装电池(或电池组)技术要求：
电池组的两端断面可以采用聚四氟乙烯材料密封，上下端阳极外圈分别用密封圈6、7密封，把两极有效隔离，为外壳组装和电池组组装业带来很大方便。
圆柱形膜电极的制作方法：
圆柱形膜电极采用涂覆和热压法制备，具体可以是：
(1)先通过对阳极石墨管表面杂质处理，用无水乙醇洗涤并烘干等预处理；(2)然后再分别涂覆扩散层和催化剂层；(3)将Nafion膜包在制备好的阳极上，然后在平板加热器上于120℃滚动，使得膜与阳极紧紧贴合；(4)将制备好的阴极扩散层和催化剂层复合体裹在裹膜后的石墨管上面，然后接着再裹一层薄金属网(易导电透气性好)，裹紧密封好。

Claims (6)

1.一种氢氧质子交换膜燃料电池用圆柱形膜电极，其特征是：电极呈圆柱体形式，圆柱体由内及外分别依次为阳极、Nafion膜、阴极复合组成，与氢气接触的是阳极，与空气接触的是阴极；阴极由内向外依次由阴极催化剂层、扩散层及金属网复合组成，阳极由内向外依次由石墨材料层、阳极扩散层和阳极催化剂层复合组成；阳极在顶部突出于Nafion膜和阴极作为阳极输出接头，在阳极输出接头处设置将阳极输出接头与Nafion膜和阴极隔离的密封圈；阴极的底部为阴极输出接头。
2.根据权利要求1所述的氢氧质子交换膜燃料电池用圆柱形膜电极，其特征是：石墨材料层为中空的管状形式，中空部分为氢气通道。
3.根据权利要求2所述的氢氧质子交换膜燃料电池用圆柱形膜电极，其特征是：管状石墨材料层上设有网状分布的氢气通孔。
4.根据权利要求1所述的氢氧质子交换膜燃料电池用圆柱形膜电极，其特征是：石墨材料层为实心棒状体，在棒状体外周设有通过氢气的螺旋槽或网格槽。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的氢氧质子交换膜燃料电池用圆柱形膜电极，其特征是：阴极扩散层采用95％重量的碳粉和余量的60％聚四氟乙烯乳液配制成扩散层乳液，然后将配制好的乳液均匀涂覆在打磨好的阴极支撑体表面，阴极支撑体为柔性金属丝或碳纤维材料，将涂好扩散层的阴极支撑体置于管式碳管炉中，氮气保护下340℃烧结0.5h。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的氢氧质子交换膜燃料电池用圆柱形膜电极，其特征是：阴极催化剂层由46.1wt.％Pt/C催化剂、5wt.％Nafion溶液以及余量的异丙醇溶液，在超声波中充分分散、混合后得到的墨水状催化剂浆料涂附在扩散层上制得。
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