CN102074718A - 一体式可再生燃料电池结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体式可再生燃料电池结构。该电池结构由阳极绝缘缓冲板[A2]、阳极导电板[A3]、前特殊板[A4]、阳极流场组件、双效膜电极组件[M1]、阴极流场组件、后特殊水板[B4]、阴极导电板[B3]和阴极绝缘缓冲板[B2]依次堆叠组成电池堆，所述电池堆的两端分别安装前端板[A1]和后端板[B1]，前端板[A1]和后端板[B1]的外缘大于上述电池堆的其它部件，其突出于电池堆的区域等距离设置4个边缘孔，分别安装螺杆，锁紧电池堆。本发明一体式可再生燃料电池具有燃料电池(FC)和水电解(WE)双功能特性，可以单独作为燃料电池和水电解池使用，也可以单独发电或产生氢氧气体，满足固定式或者交通运输使用，包括交通运输工具和加氢站。

Description

一体式可再生燃料电池结构

技术领域

本发明涉及再生燃料电池领域，具体涉及一体式质子交换膜可再生燃料电池结构。

背景技术

再生燃料电池(Regenerative Fuel Cell，简称RFC)，是在氢氧燃料电池基础上发展的，是一种将氢氧燃料电池技术与水电解技术相结合的一种新型氢能源动力装置。其工作原理为：

正极：2H₂O→O₂+4H⁺+4e                   (式1)

负极：4H⁺+4e→2H₂                       (式2)

电解总反应：电能+2H₂O→2H₂+O₂           (式3)

正极：2H₂O→O₂+4H⁺+4e                   (式4)

负极：4H⁺+4e→2H₂                       (式5)

发电总反应：2H₂+O₂→2H₂O+电能           (式6)

水电解器通过电解纯水制取氢气和氧气为燃料电池提供反应气体，具有电解耗电少，所制取的氢气和氧气纯度高，无需繁琐的后续净化处理技术便可直接应用的特点，因此整个体系无需要外部燃料和氧化剂的供应，只需在水充分供应的情况下，就能够长时间、持续高效、无污染地提供电能。

如果将燃料电池或水电解器的电极具有双效性，即燃料电池和水电解器都可以电池/电解功能合一，相当于一个燃料电池和一个水电解器用一个双效电池代替，就构成了一体式再生燃料电池(Unitized Regenerative Fuel Cell，URFC)。因此，从而可以有效简化系统结构和降低系统重量，提高系统比能量和比功率特性。

由于URFC既要满足燃料电池工作，又要满足水电解工作，需要具有双功能特性，所以电池的结构设计和关键部件的选材和制备方法是影响URFC性能的关键因素。目前，一体式可再生燃料电池存在的问题是：1)URFC电池的结构设计过于复杂化，装配工艺繁琐。2)URFC在水电解模式工作时，氧电极产生新生态的氧对膜电极和流场板产生很强的腐蚀性，导致URFC的FC/WE循环寿命差，电池性能不稳定。

发明内容

针对现有一体式可再生燃料电池存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提出一种新型的URFC电池结构。本发明简化了电池结构，解决了新生态氧对膜电极和流场板的腐蚀问题，提高URFC的FC/WE循环寿命和可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：采用膜电极组件和流场组件的相互配合，在流场板和膜电极之间增加一层耐腐蚀平面薄型多孔金属板，这层耐腐蚀平面薄型多孔金属板即可以起扩散作用，又可以对膜电极起支撑作用，实现膜电极和流场板之间的充分面接触，增大了反应界面；同时采用耐腐蚀流场板和新型膜电极制备工艺，提高了膜电极的电性能和URFC的FC/WE循环寿命。

本发明提供的新型一体式可再生燃料电池，其装配结构包括：由阳极绝缘缓冲板、阳极导电板、前特殊板、阳极流场组件(水/氧双面流场板、平面限位金属环、平面薄型多孔金属板)、双效膜电极组件、阴极流场组件(平面薄型多孔金属板、平面限位金属环、氢单面流场板)、后特殊水板、阴极导电板和阴极绝缘缓冲板依次堆叠组成电池堆；电池堆的两端分别安装前端板和后端板；前端板和后端板的外缘大于上述电池堆的其它部件，其突出于电池堆部件的区域等距离设置4个边缘孔，分别安装螺杆，锁紧电池堆。

本发明上述URFC电池结构中，膜电极组件和氧流场板和氢流场板之间设置有耐腐蚀的平面薄型多孔金属板，即可以起扩散作用，又可以对膜电极起支撑作用，保证膜电极和流场板之间的充分面接触，提高膜电极的性能和循环寿命。

本发明上述URFC电池结构中前端板、阳极绝缘缓冲板、阳极导电板、前特殊板、阳极流场组件、膜电极组件、阴极流场组件的边缘都设置有六个通孔，由相对应的密封线对六个通孔四周进行密封或提供导流缺口；电池堆叠加时，相邻堆叠部件上对应的通孔由密封线连接后构成氢气、水、氧气进出通道的分配歧管。本发明中，前端板上的6个通孔也可分别开在前端板和后端板上，相应地，前后绝缘缓冲板的通孔位置也应作调整，但这对电池功能并无影响，只是改变了电池内氢、水、氧的导入、导出的方向。前端板和后端板的材料可以使用硬质铝合金或不锈钢加工制作。本发明中，前、后端板使用阳极化表面处理的硬质铝合金板加工。

本发明上述URFC电池结构中，如果增加单体电池的数量，只需重复叠加上述电池堆的单体数量，即只需增加阳极流场组件、膜电极组件、阴极流场组件三部分即可。

本发明上述URFC电池结构中，阳极流场组件和阴极流场组件包括双面或单面带沟槽的流场板、平面薄型多孔金属板和与多孔金属板相匹配的限位金属环。

本发明上述URFC电池结构中，双效膜电极组件包括双效膜电极、氢电极扩散层和氧电极扩散层。

本发明上述URFC电池结构中，流场组件中与膜电极接触的一面是平面多孔金属板，即可以起扩散作用，又可以对膜电极起支撑作用，保证膜电极和流场板之间的充分面接触。

本发明上述URFC电池结构中，流场板是一种带沟槽的流场板，双面或单面设置有沟槽结构，用于不同流体的流动与传递，分别是水/氧双面流场板、氢单面流场板。流场板边缘设置有通孔和插孔，用于反应介质进出以及单体电池电压测量监控。流场板可以使用耐腐蚀钛金属、导电化处理的陶瓷、高分子等多种材料。流场结构经机床、化学腐蚀、线切割、激光雕刻、铸模等各种方法加工而成。流场沟槽可以设计为直线形、条形、蛇形、点状等多种形式。流场板形状可以设计成长方形、正方形和圆形结构，相对应URFC电池堆的外形结构是方形或者圆形结构。

本发明上述URFC电池结构中，双效膜电极包括双效氢电极、双效氧电极和质子交换膜。本发明采用新的膜电极制备工艺，通过热压工艺，直接将催化剂热转移到质子交换膜内表面，实现催化层和质子交换膜的一体化。双效膜电极组件制备包括：氢电极制备、氧电极制备以及膜电极组件制备，制备过程包括的关键步骤如下：

(1)扩散层憎水处理：憎水剂浸渍处理扩散层，一定温度下焙烧。憎水剂为PTFE或FEP。氢电极扩散层可以是碳材料或多孔金属材料，氧电极扩散层是耐腐蚀多孔金属材料。

(2)氢电极扩散层的制备：将碳粉、聚偏氟乙烯乳液调和好的扩散层浆料喷涂在憎水处理后的碳纸上，然后进行烧结处理。

(3)氧电极扩散层的制备：采用化学镀的方法在多孔金属表面制作导电性良好的Pt、Ir、Ta等贵金属涂层，然后喷涂Pt、Ir、Ti或Ir、Ti、W等的氧化物涂层进行整平处理，多孔金属和导电性涂层以及耐腐蚀氧化物涂层组成双效氧电极扩散层。

(4)氢电极催化剂层的制备：配制催化剂和粘结剂浆料，在PTFE薄膜上自动喷涂催化剂层，然后进行干燥和烧结处理。催化剂为Pt黑或40％Pt/C，粘结剂为Nafion^TM树脂等。

(5)氧电极催化剂层：配制复合催化剂和粘结剂浆料，在PTFE薄膜上自动喷涂催化剂层，然后干燥和烧结处理。催化剂为Pt黑和析氧催化剂(Ru、Ir、Ti、Zr、W、Ta，Nb、Hf或其氧化物)组合而成的复合金属催化剂，粘结剂为Nafion^TM树脂等。

(6)膜电极的制备：采用新的膜电极制备工艺，将干态质子交换膜和制备好的氢电极和氧电极，在一定温度和压力下热压处理，将双效催化层完全转移到质子交换膜内表面，实现双效催化层和质子交换膜的一体化，获得双效膜电极。

(7)保护边框：可以使用聚酰亚胺、聚砜等高分子薄模材料，主要起到保护质子交换膜的作用。

本发明设计了一种新型URFC电池结构，该电池结构设计新颖，装配工艺简单，采用膜电极组件和流场组件的相互配合，在流场板和膜电极之间增加一层耐腐蚀平面薄型多孔金属板，这层耐腐蚀平面薄型多孔金属板即可以起扩散作用，又可以对膜电极起支撑作用，实现了双效膜电极和流场板之间的面接触，增大了反应界面。同时采用新型膜电极制备工艺和耐腐蚀流场组件，提高了膜电极的电性能和URFC的FC/WE循环寿命。

附图说明

图1是本发明URFC的装配结构示意图；

图2是本发明URFC的流场组件结构示意图；

图3是本发明URFC的膜电极组件结构示意图；

图4是本发明URFC的FC/WE极化特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的优选实施例。

如图1所示，本发明优选实施例提供的一体式再生燃料电池的装配结构中，由阳极绝缘缓冲板A2、阳极导电板A3、前特殊板A4、阳极流场组件(水/氧双面流场板A5、平面限位金属环A6、平面薄型多孔金属板A7)、双效膜电极组件M1、阴极流场组件(平面薄型多孔金属板B7、平面限位金属环B6、氢单面流场板B5)、后特殊水板B4、阴极导电板B3和阴极绝缘缓冲板B2依次堆叠组成电池堆；

电池堆的两端分别安装前端板A1和后端板B1；前端板A1和后端板B1的外缘大于上述电池堆的其它部件，其突出于电池堆部件的区域等距离设置4个边缘孔，分别安装螺杆，锁紧电池堆。

膜电极组件M1和氧流场板和氢流场板之间设置有平面薄型多孔金属板A7、B7，即可以起扩散作用，又可以对膜电极起支撑作用，保证膜电极和流场板之间的充分面接触，提高膜电极的性能和循环寿命。

上述前端板A1、阳极绝缘缓冲板A2、阳极导电板A3、前特殊板A4、阳极流场组件、膜电极M1、阴极流场组件的边缘都设置有六个通孔(氢通孔P1、水通孔P2、氧通孔P3)，由相对应的密封线对六个通孔四周进行密封或提供导流缺口；电池堆叠加时，相邻堆叠部件上对应的通孔由密封线连接后构成氢气、水、氧气进出通道的分配歧管。

前端板A1上的6个通孔也可分别开在前端板A1和后端板B1上，相应地，前后绝缘缓冲板A2、B2的通孔位置也应作调整，但这对电池功能并无影响，只是改变了电池内氢、氧、水的导入、导出的方向。前端板A1和后端板B1的材料可以使用硬质铝合金或不锈钢加工制作。本实施例中，前、后端板A1、B1使用阳极化表面处理的硬质铝合金板加工。

如果增加单体电池的数量，只需重复叠加上述电池堆的单体数，即只需增加阳极流场组件、膜电极组件、阴极流场组件三部分即可。

如图2所示，流场组件的每个组件均包括：水/氧双面流场板、单氢流场板、平面限位金属环和平面薄型多孔金属板。其中：图2(a、b)所示是双面带沟槽的水/氧流场板结构；图2(c、d)所示是单面带沟槽的单氢流场板结构；图2(e，f)所示是平面限位金属环的结构；图2(g)所示是平面薄型多孔金属板结构。

图2(a)所示水流场板结构中，流场板中间部分设计流场沟槽，由于水的粘度大，容易分配均匀，所以水流场设计为直线型结构，便于水的流动和分配。图2(b)所示氧流场板结构以及图2(c)所示氢流场结构，由于氢氧气体粘度小，流场设计为蛇形结构，增加气体在传递过程的阻力，便于气体分配均匀。另外，流场沟槽还可以设计为线条形、环形、点状等多种形式。图2(d)所示为单氢板的北面，无沟槽。

图2所示流场板外围均设有氢气P1、水P2、氧气P3进出6个通孔，由相对应的密封线对六个通孔四周进行密封或提供氢、水、氧进出流场的导流缺口，这些通孔同其它相邻堆叠部件上对应的通孔密封连接后构成氢、水、氧进出通道的分配歧管。图2(g)所示平面薄型多孔金属板的双面均是平面结构，设置在流场板和膜电极之间，既可以起扩散作用，又可以对膜电极起支撑作用，保证膜电极和流场板之间的充分面接触，提高膜电极的性能和循环寿命。平面薄型多孔金属板A7、B7是多孔透气、透水性金属材料，厚度控制在0.8～3mm，经粉末烧结、轧制、铸模等各种方法加工而成。图2(e，f)平面限位金属环是配合A7、B7的装配时起限位作用，同时其边缘设置有水气体通孔和密封线，配合水气体导通和密封。

图3所示是膜电极组件M1的结构，其中：图3(a)为正面视图，图3(b)为分解图；膜电极组件M1由保护边框M2、氧电极扩散层M3、膜电极M4和氢电极扩散层M5热压组合而成。

膜电极M4有氢电极和氧电极和质子交换膜热压而成，电极催化层由催化剂和粘结剂混合物组成，氢电极催化剂为Pt黑或Pt/C，氧电极催化剂为Pt黑和析氧催化剂(Ru、Ir、Ti、Zr、W、Ta，Nb、Hf或其氧化物)组合而成的复合金属催化剂，粘结剂为Nafion^TM树脂。氢电极扩散层M3可以是碳材料或多孔金属材料，氧电极扩散层M5选用耐腐蚀多孔金属材料。多孔金属材料具有透水、透气性，厚度控制在0.3～1mm，可选用钛金属网、泡沫钛金属，多孔烧结钛金属。保护边框M2边缘有6个通孔(P1、P2、P3)分别用作氢、水、氧进出流场的通道，可以使用聚酰亚胺、聚酯、聚砜等高分子薄模材料，边框起到保护中间质子交换膜的作用，同时还有密封和绝缘的作用。

图4所示本发明上述优选实施例之一体式再生燃料电池的极化特性曲线。测试条件：燃料电池模式：氢氧进气表压0.18MPa；氢氧增湿温度80℃，电池温度65～70℃；水电解模式时：电池度65～70℃。燃料电池模式工作时，电流密度500mA/cm²，工作电压0.777V；水电解模式工作时：电流密度1000mA/cm²，工作电压1.623V。

综上所述，本发明一体式可再生燃料电池具有燃料电池和水电解双功能特性，有效简化了系统结构和降低系统重量，提高系统比能量和比功率特性。本发明在流场板和膜电极之间增加了一层平面薄型多孔金属板，这层平面薄型多孔金属板即可以起扩散作用，又可以对膜电极起支撑作用，实现膜电极和流场板之间的充分面接触，增大了反应界面。同时采用耐腐蚀流场板和新型膜电极制备工艺，提高了膜电极的电性能和URFC的FC/WE循环寿命。同时，本发明一体式可再生燃料电池还可以单独作为燃料电池和水电解池使用，可以单独发电或产生氢氧气体，满足固定式或者交通运输使用，包括交通运输工具和加氢站。

Claims (12)

1.一种一体式可再生燃料电池结构，其特征在于，该电池结构由阳极绝缘缓冲板[A2]、阳极导电板[A3]、前特殊板[A4]、阳极流场组件、双效膜电极组件[M1]、阴极流场组件、后特殊水板[B4]、阴极导电板[B3]和阴极绝缘缓冲板[B2]依次堆叠组成电池堆，所述电池堆的两端分别安装前端板[A1]和后端板[B1]，前端板[A1]和后端板[B1]的外缘大于上述电池堆的其它部件，其突出于电池堆的区域等距离设置4个边缘孔，分别安装螺杆，锁紧电池堆。

2.根据权利要求1所述的一体式可再生燃料电池结构，其特征在于，阳极流场组件包括水/氧双面流场板[A5]、平面限位金属环[A6]和耐腐蚀平面薄型多孔金属板[A7]。

3.根据权利要求1或2所述的一体式可再生燃料电池结构，其特征在于，阴极流场组件包括耐腐蚀平面薄型多孔金属板[B7]、平面限位金属环[B6]和氢单面流场板[B5]。

4.根据权利要求3所述的一体式可再生燃料电池结构，其特征在于，上述前端板[A1]、阳极绝缘缓冲板[A2]、阳极导电板[A3]、前特殊板[A4]、阳极流场组件、膜电极组[M1]、阴极流场组件的边缘都设置有氢进出孔〔P1〕、水进出孔〔P2〕和氧进出孔〔P3〕六个通孔，由相对应的密封线对六个通孔四周进行密封或提供导流缺口；电池堆叠加时，相邻堆叠部件上对应的通孔由密封线连接后构成氢气、水、氧气进出通道的分配歧管。

5.根据权利要求3所述的一体式可再生燃料电池结构，其特征在于，上述前端板[A1]、阳极绝缘缓冲板[A2]、阳极导电板[A3]、前特殊板[A4]、阳极流场组件、膜电极组[M1]、阴极流场组件的边缘都设置有氢进出孔〔P1〕、水进出孔〔P2〕和氧进出孔〔P3〕六个通孔，由相对应的密封线对六个通孔四周进行密封或提供导流缺口；电池堆叠加时，相邻堆叠部件上对应的通孔由密封线连接后构成氢气、水、氧气进出通道的分配歧管。

6.根据权利要求1或2或3所述的一体式可再生燃料电池结构，其特征在于，前端板[A1]和后端板[B1]的材料为硬质铝合金或不锈钢。

7.根据权利要求1或2或3所述的一体式可再生燃料电池结构，其特征在于，阳极流场组件和阴极流场组件包括双面/单面带沟槽的流场板、耐腐蚀平面薄型多孔金属板和与多孔金属板相匹配的限位金属环，与膜电极接触的一面是耐腐蚀平面多孔金属板。

8.根据权利要求1或2或3所述的一体式可再生燃料电池结构，其特征在于，双效膜电极组件包括双效膜电极、氢电极扩散层和氧电极扩散层，双效膜电极包括双效氢电极、双效氧电极和质子交换膜。

9.根据权利要求7所述的一体式可再生燃料电池结构，其特征在于，金属流场板边缘设置有通孔和插孔。

10.根据权利要求7所述的一体式可再生燃料电池结构，其特征在于，双面/单面带沟槽的流场板的材料为耐腐蚀金属、导电化处理的陶瓷或高分子材料，并经机床、化学腐蚀、线切割、激光雕刻和铸模加工而成；流场板的沟槽可为直线形、条形、蛇形或点状。

11.根据权利要求7所述的一体式可再生燃料电池结构，其特征在于，双面流场板为长方形、正方形或圆形结构，电池堆为方形或者圆形结构。

12.根据权利要求8所述的一体式可再生燃料电池结构，其特征在于，双效膜电极组件的制备包括如下步骤：

(1)扩散层憎水处理：憎水剂浸渍处理扩散层并焙烧，憎水剂为PTFE或FEP，氢电极扩散层为碳材料或多孔金属材料，氧电极扩散层为耐腐蚀多孔金属材料；

(2)氢电极扩散层的制备：将碳粉、聚偏氟乙烯乳液调和好的扩散层浆料喷涂在憎水处理后的碳纸上，然后进行烧结处理；

(3)氧电极扩散层的制备：采用化学镀的方法在多孔金属表面制作导电性良好的Pt、Ir和Ta贵金属涂层，然后喷涂Pt、Ir、Ti或Ir、Ti、W的氧化物涂层进行整平处理，多孔金属和导电性涂层以及耐腐蚀氧化物涂层组成双效氧电极扩散层；

(4)氢电极催化剂层的制备：配制催化剂和粘结剂浆料，在PTFE薄膜上自动喷涂催化剂层，然后进行干燥和烧结处理，其中：催化剂为Pt黑或40％Pt/C，粘结剂为Nafion^TM树脂；

(5)氧电极催化剂层：配制复合催化剂和粘结剂浆料，在PTFE薄膜上自动喷涂催化剂层，然后干燥和烧结处理，其中：催化剂为Pt黑和Ru、Ir、Ti、Zr、W、Ta，Nb、Hf或其氧化物组成的析氧催化剂组合而成的复合金属催化剂，粘结剂为Nafion^TM树脂；

(6)膜电极的制备：将干态质子交换膜和制备好的氢电极和氧电极进行热压处理，将双效催化层完全转移到质子交换膜内表面，实现双效催化层和质子交换膜的一体化，获得双效膜电极；

(7)保护边框：使用聚酰亚胺、聚砜等高分子薄模材料；

(8)质子交换膜为全氟磺酸膜，选自NRE212、NRE1135、NRE115和NRE117。

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