CN104009244B - 燃料电池及其电池单体的制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池及其电池单体的制备工艺，燃料电池包括发电堆，发电堆由至少一对电池单体的发电部交替层叠而成，电池单体的发电部包括电解质层以及分别设置在其上下表面的阴极和阳极，阴极具有阴极功能层，并且阴极功能层内包裹有带保护层的阴极金属合金网，所述的阳极具有阳极功能层，并且阳极功能层内包裹有带保护层的阳极金属合金网，所述的电池单体的交替层叠处之间设置有绝缘隔层，所述的发电堆内设置有向所述阳极供给燃料的燃料通道和向所述阴极供给氧化剂的氧化剂通道，所述的发电堆在燃料通道内设置有冷却介质通道。本发明的燃料电池电子传导性能、热传递性能，强度性能，抗热冲击性能得到了很大地提高。

Description

燃料电池及其电池单体的制备工艺
技术领域
本发明涉及一种燃料电池及其电池单体的制备工艺，属于燃料电池技术领域。
背景技术
目前，在开发燃料电池的过程中，普通采用阳极支撑体型或阴极支撑体型或电解质支撑体型燃料电池，一般采用金属氧化物陶瓷作为支撑体，成本高，抗热冲击性能差等缺点，使产品难以市场化。
因而人们逐渐将目光投向金属合金材料支撑体型燃料电池，但是金属合金(如不锈钢)难以承受电池功能层的烧结温度；在近1000℃的工况下，金属合金的抗氧化性能差也难以真正成为产品。
人们又将目光投向金属合金与陶瓷的各种复合材料，但是材料的热膨胀系数的匹配，化学相容性，团聚问题等，难使燃料电池市场化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种燃料电池，它的电子传导性能、热传递性能，强度性能，抗热冲击性能得到了很大地提高。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种燃料电池，它包括发电堆，发电堆由至少一对电池单体的发电部交替层叠而成，电池单体的发电部包括电解质层以及分别设置在其上下表面的阴极和阳极，阴极具有阴极功能层，并且阴极功能层内包裹有带保护层的阴极金属合金网，所述的阳极具有阳极功能层，并且阳极功能层内包裹有带保护层的阳极金属合金网，所述的电池单体的交替层叠处之间设置有绝缘隔层，所述的发电堆内设置有向所述阳极供给燃料的燃料通道和向所述阴极供给氧化剂的氧化剂通道，所述的发电堆在燃料通道内设置有冷却介质通道。
进一步为了不仅省去现有技术的燃料电池集电部分中的双极板零件，而且能够将燃料电池中的阴极和阳极中的电子流顺利导出，所述的一对电池单体的两端均为集电部，集电部包括发电部中的电解质层、阴极金属合金网和阳极金属合金网，并且在集电部的阴极金属合金网处设置有阴极绝缘层和在集电部的阳极金属合金网处设置有阳极绝缘层以便将阴极金属合金网和阳极金属合金网绝缘隔开。
进一步提供了一种燃料通道和冷却介质通道的结构形式，所述的发电堆上设置有连通燃料通道的燃料管，冷却介质通道为冷却介质管，冷却介质管通过多孔支撑体支撑在燃料管内，燃料管的端头设置有燃料进口。
进一步提供了另一种燃料通道和冷却介质通道的结构形式，所述的发电堆上设置有集中管组，集中管组的中部支撑有作为冷却介质通道的冷却介质管，集中管组上在位于冷却介质管的四周设置有多个燃料微管，多个燃料微管与燃料通道连通，并且多个燃料微管的端头设置有集中燃料输送管道。
本发明还提供了一种燃料电池中的电池单体的制备工艺，该工艺的步骤如下：
a)制备带保护层的金属合金网；
b)经过压制成型、涂覆涂层、脱脂脱塑和复合后，最后经过烧结成型，形成该电池单体的发电部；其中，脱脂脱塑和复合必须在涂覆涂层工序之后的工序中；涂覆涂层工序的步骤为：选择一金属合金网作为阴极金属合金网，在其上涂覆阴极功能层，选择另一金属合金网作为阳极金属合金网，在其上先涂覆阳极功能层，再涂覆电解质层，并烧结；复合工序的步骤为：将阳极金属合金网的电解质层侧复合至阴极金属合金网的阴极功能层侧。
进一步提供了一种制备带保护层的金属合金网的方法，在所述的步骤a)中，先拉制金属合金丝，再经过电镀、预处理和预氧化后，然后再在其上涂覆保护层，最后织成带保护层的金属合金网。
进一步提供了另一种制备带保护层的金属合金网的方法，在所述的步骤a)中，采用市售的金属合金网，再经过电镀、预处理和预氧化后，然后再在其上涂覆保护层，从而形成带保护层的金属合金网。
进一步提供了另一种制备带保护层的金属合金网的方法，在所述的步骤a)中，通过共挤法制备带保护层的金属合金丝，然后织成带保护层的金属合金网。
本发明还提供了一种燃料电池，它包括发电堆，发电堆由至少一对电池单体的发电部交替层叠而成，电池单体的发电部包括电解质层以及分别设置在其上下表面的阴极和阳极，阴极具有阴极功能层，所述的阳极具有阳极功能层，所述的发电堆内设置有向所述阳极供给燃料的燃料通道和向所述阴极供给氧化剂的氧化剂通道，所述的发电堆在燃料通道内设置有冷却介质通道，一个电池单体的阴极功能层和阳极功能层的任意一层内包裹有带保护层的金属合金网，另外一层与相邻的电池单体的阴极功能层或阳极功能层之间设置有双极板，双极板的两侧的接触处设置有绝缘隔层。
本发明还提供了一种燃料电池，一种燃料电池，它包括发电堆，发电堆由至少一对电池单体的发电部交替层叠而成，电池单体的发电部包括电解质层以及分别设置在其上下表面的阴极和阳极，阴极具有阴极功能层，所述的阳极具有阳极功能层，发电堆内设置有向所述阳极供给燃料的燃料通道和向所述阴极供给氧化剂的氧化剂通道，所述的发电堆在燃料通道内设置有冷却介质通道；在一个电池单体中，电解质层内包裹有带保护层的金属合金网，阴极功能层与相邻的电池单体的阳极功能层之间设置有双极板，阳极功能层与相邻的电池单体的阴极功能层之间设置也有双极板，双极板的两侧的接触处设置有绝缘隔层。
采用了上述技术方案后，本金属合金网带有保护层，该保护层能够阻隔燃料、氧化剂和其他腐蚀性气体和金属合金网的接触，因而大幅提高了金属合金网的抗氧化、抗腐蚀性能，由于阴极和/或阳极采用金属合金网作为支撑体，其弹性高，金属合金网中的孔隙被阳极功能层或阳极功能层渗透复合后的铆钉状功能，以及金属合金网特有的结构均匀程度可控性，使阴极和/或阳极的电子传导性能，热传递性能，强度性能，抗热冲击性能都得到了提高；另外，电池单体两端的金属合金网脱去其阴极功能层或阳极功能层后的良好焊接性能，使作为阴极或阳极支撑的金属合金网形成传输电的良好导体，这样就可省去了现有电池中的双极板零件。
附图说明
图1为本发明的燃料电池的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为图2的C-C剖视图；
图4为图1的B-B剖视图；
图5为本发明的电池单体的发电部和集电部的结构示意图；
图6为图4的I部的第一种结构的结构示意图；
图7为图4的I部的第二种结构的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1～7所示，一种燃料电池，它包括发电堆12，发电堆12由至少一对电池单体11的发电部交替层叠而成，电池单体11的发电部包括电解质层1以及分别设置在其上下表面的阴极和阳极，阴极具有阴极功能层2，并且阴极功能层2内包裹有带保护层的阴极金属合金网2-1，阳极具有阳极功能层3，并且阳极功能层内包裹有带保护层的阳极金属合金网3-1，电池单体11的交替层叠处之间设置有绝缘隔层4，发电堆12内设置有向阳极供给燃料的燃料通道5和向所述阴极供给氧化剂的氧化剂通道6，发电堆12在燃料通道5内设置有冷却介质通道7。
为了不仅省去现有技术的燃料电池集电部分中的双极板零件，而且能够将燃料电池中的阴极和阳极中的电子流顺利导出，如图5所示，一对电池单体11的两端均为集电部，集电部包括发电部中的电解质层1、阴极金属合金网2-1和阳极金属合金网3-1，并且在集电部的阴极金属合金网2-1处设置有阴极绝缘层2-1-1和在集电部的阳极金属合金网3-1处设置有阳极绝缘层3-1-1以便将阴极金属合金网2-1和阳极金属合金网3-1绝缘隔开。电池单体两端的金属合金网脱去其阴极功能层或阳极功能层后的良好焊接性能，使作为阴极或阳极支撑的金属合金网形成传输电的良好导体，这样就可省去了现有电池中的双极板零件。该部分的制备方法如下：在将电池单体的两端的集电部上，去除阴极的阴极功能层和阴极金属合金网上的保护层，涂覆上阴极绝缘层，去除阳极的阳极功能层和阳极金属合金网上的保护层，涂覆上阳极绝缘层，并保留阳极和阴极之间的电解质层，再在该部位适当距离外，将阳极金属合金网和阴极金属合金网各自焊接上电子流导体，阳极绝缘层和阴极绝缘层可以合电池单体发电部的各功能层同时脱脂脱塑，烧结处理。氧化剂可以是氧气，燃料可以是氢气。
如图6所示，发电堆12上设置有连通燃料通道5的燃料管8，冷却介质通道7为冷却介质管，冷却介质管通过多孔支撑体9支撑在燃料管8内，燃料管8的端头设置有燃料进口8-1，这是一种供应燃料和冷却介质的方式，还有另外一种供应燃料和冷却介质的方式，如图7所示，发电堆12上设置有集中管组，集中管组的中部支撑有作为冷却介质通道7的冷却介质管，集中管组上在位于冷却介质管的四周设置有多个燃料微管10，多个燃料微管10与燃料通道5连通，并且多个燃料微管10的端头设置有集中燃料输送管道13。燃料通道5和氧化剂通道6可以制成蛇形通道、螺旋通道、网格通道、交指通道、分形通道、双阿基米德螺线通道等各种形式。
一种燃料电池中的电池单体的制备工艺，该工艺的步骤如下：
a)制备带保护层的金属合金网；
b)经过压制成型、涂覆涂层、脱脂脱塑和复合后，最后经过烧结成型，形成该电池单体的发电部；其中，脱脂脱塑和复合必须在涂覆涂层工序之后的工序中；涂覆涂层工序的步骤为：选择一金属合金网作为阴极金属合金网2-1，在其上涂覆阴极功能层2，选择另一金属合金网作为阳极金属合金网3-1，在其上先涂覆阳极功能层3，再涂覆电解质层1，并烧结；复合工序的步骤为：将阳极金属合金网3-1的电解质层侧复合至阴极金属合金网2-1的阴极功能层侧。
制备带保护层的金属合金网可以采用以下三种方法：
一是，先拉制金属合金丝，再经过电镀、预处理和预氧化后，然后再在其上涂覆保护层，最后织成带保护层的金属合金网。
二是，采用市售的金属合金网，再经过电镀、预处理和预氧化后，然后再在其上涂覆保护层，从而形成带保护层的金属合金网。
三是，通过共挤法制备带保护层的金属合金丝，然后织成带保护层的金属合金网。
实施例二
一种燃料电池，它包括发电堆12，发电堆12由至少一对电池单体11的发电部交替层叠而成，电池单体11的发电部包括电解质层1以及分别设置在其上下表面的阴极和阳极，阴极具有阴极功能层2，阳极具有阳极功能层3，发电堆12内设置有向所述阳极供给燃料的燃料通道5和向所述阴极供给氧化剂的氧化剂通道6，发电堆12在燃料通道5内设置有冷却介质通道7，一个电池单体11的阴极功能层2和阳极功能层3的任意一层内包裹有带保护层的金属合金网，另外一层与相邻的电池单体11的阴极功能层2或阳极功能层3之间设置有双极板，双极板的两侧的接触处设置有绝缘隔层4。氧化剂可以是氧气，燃料可以是氢气。
实施例三
一种燃料电池，它包括发电堆12，发电堆12由至少一对电池单体11的发电部交替层叠而成，电池单体11的发电部包括电解质层1以及分别设置在其上下表面的阴极和阳极，阴极具有阴极功能层2，所述的阳极具有阳极功能层3，所述的发电堆12内设置有向所述阳极供给燃料的燃料通道5和向所述阴极供给氧化剂的氧化剂通道6，所述的发电堆12在燃料通道5内设置有冷却介质通道7；在一个电池单体11中，电解质层1内包裹有带保护层的金属合金网，阴极功能层2与相邻的电池单体11的阳极功能层3之间设置有双极板，阳极功能层3与相邻的电池单体11的阴极功能层2之间设置也有双极板，双极板的两侧的接触处设置有绝缘隔层4。氧化剂可以是氧气，燃料可以是氢气。
以上多个电池单体所形成的发电堆12经过并联或串联或并串混联，形成燃气电池模块。
本发明的工作原理如下：
本金属合金网带有保护层，该保护层能够阻隔燃料、氧化剂和其他腐蚀性气体和金属合金网的接触，因而大幅提高了金属合金网的抗氧化、抗腐蚀性能，由于阴极和/或阳极采用金属合金网作为支撑体，其弹性高，金属合金网中的孔隙被阳极功能层或阳极功能层渗透复合后的铆钉状功能，以及金属合金网特有的结构均匀程度可控性，使阴极和/或阳极的电子传导性能，热传递性能，强度性能，抗热冲击性能都得到了提高；另外，电池单体两端的金属合金网脱去其阴极功能层或阳极功能层后的良好焊接性能，使作为阴极或阳极支撑的金属合金网形成传输电的良好导体，这样就可省去了现有电池中的双极板零件。
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种燃料电池，其特征在于：它包括发电堆(12)，发电堆(12)由至少一对电池单体(11)的发电部交替层叠而成，电池单体(11)的发电部包括电解质层(1)以及分别设置在其上下表面的阴极和阳极，阴极具有阴极功能层(2)，并且阴极功能层(2)内包裹有带保护层的阴极金属合金网(2-1)，所述的阳极具有阳极功能层(3)，并且阳极功能层内包裹有带保护层的阳极金属合金网(3-1)，所述的电池单体(11)的交替层叠处之间设置有绝缘隔层(4)，所述的发电堆(12)内设置有向所述阳极供给燃料的燃料通道(5)和向所述阴极供给氧化剂的氧化剂通道(6)，所述的发电堆(12)在燃料通道(5)内设置有冷却介质通道(7)；所述的发电堆(12)上设置有连通燃料通道(5)的燃料管(8)，冷却介质通道(7)为冷却介质管，冷却介质管通过多孔支撑体(9)支撑在燃料管(8)内，燃料管(8)的端头设置有燃料进口(8-1)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：所述的一对电池单体(11)的两端均为集电部，集电部包括发电部中的电解质层(1)、阴极金属合金网(2-1)和阳极金属合金网(3-1)，并且在集电部的阴极金属合金网(2-1)处设置有阴极绝缘层(2-1-1)和在集电部的阳极金属合金网(3-1)处设置有阳极绝缘层(3-1-1)以便将阴极金属合金网(2-1)和阳极金属合金网(3-1)绝缘隔开。
3.一种燃料电池，其特征在于：它包括发电堆(12)，发电堆(12)由至少一对电池单体(11)的发电部交替层叠而成，电池单体(11)的发电部包括电解质层(1)以及分别设置在其上下表面的阴极和阳极，阴极具有阴极功能层(2)，并且阴极功能层(2)内包裹有带保护层的阴极金属合金网(2-1)，所述的阳极具有阳极功能层(3)，并且阳极功能层内包裹有带保护层的阳极金属合金网(3-1)，所述的电池单体(11)的交替层叠处之间设置有绝缘隔层(4)，所述的发电堆(12)内设置有向所述阳极供给燃料的燃料通道(5)和向所述阴极供给氧化剂的氧化剂通道(6)，所述的发电堆(12)在燃料通道(5)内设置有冷却介质通道(7)；所述的发电堆(12)上设置有集中管组，集中管组的中部支撑有作为冷却介质通道(7)的冷却介质管，集中管组上在位于冷却介质管的四周设置有多个燃料微管(10)，多个燃料微管(10)与燃料通道(5)连通，并且多个燃料微管(10)的端头设置有集中燃料输送管道(13)。
4.一种如权利要求1至3中任一项所述的燃料电池中的电池单体的制备工艺，其特征在于该工艺的步骤如下：
a)制备带保护层的金属合金网；
b)经过压制成型、涂覆涂层、脱脂脱塑和复合后，最后经过烧结成型，形成该电池单体的发电部；其中，脱脂脱塑和复合必须在涂覆涂层工序之后的工序中；涂覆涂层工序的步骤为：选择一金属合金网作为阴极金属合金网(2-1)，在其上涂覆阴极功能层(2)，选择另一金属合金网作为阳极金属合金网(3-1)，在其上先涂覆阳极功能层(3)，再涂覆电解质层(1)，并烧结；复合工序的步骤为：将阳极金属合金网(3-1)的电解质层侧复合至阴极金属合金网(2-1)的阴极功能层侧。
5.根据权利要求4所述的电池单体的制备工艺，其特征在于：在所述的步骤a)中，先拉制金属合金丝，再经过电镀、预处理和预氧化后，然后再在其上涂覆保护层，最后织成带保护层的金属合金网。
6.根据权利要求4所述的电池单体的制备工艺，其特征在于：在所述的步骤a)中，采用市售的金属合金网，再经过电镀、预处理和预氧化后，然后再在其上涂覆保护层，从而形成带保护层的金属合金网。
7.根据权利要求4所述的电池单体的制备工艺，其特征在于：在所述的步骤a)中，通过共挤法制备带保护层的金属合金丝，然后织成带保护层的金属合金网。
8.一种燃料电池，其特征在于：它包括发电堆(12)，发电堆(12)由至少一对电池单体(11)的发电部交替层叠而成，电池单体(11)的发电部包括电解质层(1)以及分别设置在其上下表面的阴极和阳极，阴极具有阴极功能层(2)，所述的阳极具有阳极功能层(3)，所述的发电堆(12)内设置有向所述阳极供给燃料的燃料通道(5)和向所述阴极供给氧化剂的氧化剂通道(6)，所述的发电堆(12)在燃料通道(5)内设置有冷却介质通道(7)，一个电池单体(11)的阴极功能层(2)和阳极功能层(3)的任意一层内包裹有带保护层的金属合金网，另外一层与相邻的电池单体(11)的阴极功能层(2)或阳极功能层(3)之间设置有双极板，双极板的两侧的接触处设置有绝缘隔层(4)；所述的发电堆(12)上设置有连通燃料通道(5)的燃料管(8)，冷却介质通道(7)为冷却介质管，冷却介质管通过多孔支撑体(9)支撑在燃料管(8)内，燃料管(8)的端头设置有燃料进口(8-1)。
9.一种燃料电池，其特征在于：它包括发电堆(12)，发电堆(12)由至少一对电池单体(11)的发电部交替层叠而成，电池单体(11)的发电部包括电解质层(1)以及分别设置在其上下表面的阴极和阳极，阴极具有阴极功能层(2)，所述的阳极具有阳极功能层(3)，所述的发电堆(12)内设置有向所述阳极供给燃料的燃料通道(5)和向所述阴极供给氧化剂的氧化剂通道(6)，所述的发电堆(12)在燃料通道(5)内设置有冷却介质通道(7)；在一个电池单体(11)中，电解质层(1)内包裹有带保护层的金属合金网，阴极功能层(2)与相邻的电池单体(11)的阳极功能层(3)之间设置有双极板，阳极功能层(3)与相邻的电池单体(11)的阴极功能层(2)之间设置也有双极板，双极板的两侧的接触处设置有绝缘隔层(4)；所述的发电堆(12)上设置有连通燃料通道(5)的燃料管(8)，冷却介质通道(7)为冷却介质管，冷却介质管通过多孔支撑体(9)支撑在燃料管(8)内，燃料管(8)的端头设置有燃料进口(8-1)。
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