CN105070932B - 一种紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池及其制备方法，属于燃料电池领域，包括紧凑式极膜一体化燃料腔的设计及制作，阴极憎水扩散层的设计和制作，圆筒密封固定罩的设计及制作。所述紧凑式极膜一体化燃料腔将燃料腔、阳极扩散层、离子交换膜、阴极催化层合为一体。所述圆筒密封集流罩开有圆形透气孔，采用3D打印快速成型技术或记忆合金材料制作。该紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池结构紧凑，易加工，相比于传统燃料电池，催化活性表面积大，传质阻力更小，放电电流大，并可按需组成电堆，以提供所需电流、电压和功率。

Description

一种紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池及其制备方法
【技术领域】
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池。
【背景技术】
目前全球面临着能源危机和环境污染两大难题，燃料电池作为一种发电装置，因其能量密度高、转换效率高、低或零排放、燃料可从生物质获得等诸多优点成为重点研究对象，具有良好的发展前景。传统的燃料电池一般采用平板型板框式结构，该结构存在体积大、双极板制作成本高等不足。
【发明内容】
本发明的目的在于解决上述问题，提出一种紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池，该燃料电池运用到3D打印技术和记忆合金技术，使该燃料电池不仅具有传统燃料电池清洁环保、启动快等优点，还具有体积小，结构紧凑，传质阻力小，性能高等优点。同时易将其组成电堆，按照需要提供所需的电压、电流和功率。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池，包括圆柱形的紧凑式极膜一体化燃料腔，以及依次套设在紧凑式极膜一体化燃料腔上的离子交换膜、阴极憎水扩散层和起固定和密封作用的圆筒密封集流罩；圆筒密封集流罩与紧凑式极膜一体化燃料腔过盈配合；离子交换膜涂覆有阴极催化层。
本发明进一步的改进在于：
所述紧凑式极膜一体化燃料腔包括采用导电3D打印材料打印制成的圆柱形燃料腔体，圆柱形燃料腔体的侧壁为与内部空腔相连通的蜂窝状多孔结构，顶部开设有燃料加注孔；蜂窝状多孔结构的壁面上涂覆阳极催化层。
所述蜂窝状多孔结构的每个孔内设置有若干用于增加表面积的二级槽道。
所述圆筒密封集流罩中空的圆柱状结构，且侧面开设有若干圆形透气孔。
所述圆筒密封集流罩采用导电3D打印材料打印制成。
所述圆筒密封集流罩采用记忆合金制成。
根据权利要求1所述的紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池，其特征在于，所述阴极憎水扩散层为碳布或碳纸。
本发明还公开了一种紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池的制备方法，包括以下步骤：
1)使用三维建模软件建模，采用导电3D打印材料打印，完成圆柱形燃料腔体的制作；圆柱形燃料腔体的侧壁为与内部空腔相连通的蜂窝状多孔结构，顶部开设有燃料加注孔，蜂窝状多孔结构的每个孔内有若干二级槽道；
2)将制作好的圆柱形燃料腔体浸入阳极催化颗粒和离子聚合物的混合溶液中，使蜂窝状多孔结构的壁面上附着混合溶液，晾干后作为阳极催化层；其中，混合溶液由载量为1.0～4.0mg·cm-2的催化剂颗粒与质量百分比为5～50％的离子聚合物在分散剂中均匀分散制成；
3)在圆柱形燃料腔体上包裹一层离子聚合物，晾干后形成离子交换膜；
4)在离子交换膜外侧涂上一层催化剂颗粒和离子聚合物的混合物，晾干后形成阴极催化层；
5)将阴极憎水扩散层裹在涂覆有阴极催化层的圆柱形燃料腔体上；
6)将圆筒密封集流罩套装在阴极憎水扩散层上，使阴极憎水扩散层与内部的紧凑式极膜一体化燃料腔紧密接触，保证内部液体燃料不泄露，同时还充当集流板的作用。
本发明进一步的改进在于：
所述步骤2)～4)中，催化剂颗粒采用Pd基催化剂、Pt基催化剂、Fe基催化剂、Co基催化剂或Ni基催化剂；离子聚合物采用磺酸基团基离子聚合物或季氨集团基离子聚合物；分散剂采用乙醇、丙酮或四氢呋喃。
所述步骤6)中，圆筒密封集流罩采用导电3D打印材料打印制成或者采用记忆合金材料制成，圆筒密封集流罩的侧面开设若干圆形透气孔；制成的圆筒密封集流罩与紧凑式极膜一体化燃料腔过盈配合；
当圆筒密封集流罩采用记忆合金材料时，装配时，先将圆筒密封集流罩在低温下扩半径，使其直径大于裹有阴极憎水扩散层的整个紧凑式极膜一体化燃料腔，然后在常温下降将圆筒密封集流罩套在裹有阴极憎水扩散层的紧凑式极膜一体化燃料腔上，等其半径恢复到原来半径，实现过盈配合，提供外力使阴极憎水扩散层紧贴在紧凑式极膜一体化燃料腔上，整个燃料电池的制作完成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)紧凑式极膜一体化燃料腔2，突破了传统的热压成型技术，将3D打印而成的燃料腔、阳极集流板、阳极扩散层、阳极催化层、离子聚合物、阴极催化层有机结合成一体，使结构更加简单、紧凑。
(2)圆柱形燃料腔体薄壁是蜂窝状多孔结构，可增大催化活性表面积，减小传质阻力，能提供更大的放电电流，提高了燃料电池的性能。
(3)基于导电3D打印材料及3D打印技术的圆筒密封集流罩，可实现圆筒密封集流罩与紧凑式蜂窝腔极膜一体结构过盈配合，起到密封、固定和集流作用。
(4)基于记忆合金材料的圆筒密封集流罩，可利用记忆合金材料在不同温度下变形和回复而产生的预紧力，均匀施力实现圆筒密封集流罩与紧凑式蜂窝腔极膜一体结构过盈配合，同时记忆合金可以起集流的作用，并使燃料电池结构简单、紧凑。
(5)圆柱形燃料电池与常规平板式相比，可提供360度的空气接触面积，远远大于平板式的180度范围，有利于空气的自然对流；且圆柱形燃料电池的整体结构体积更小，结构更紧凑，在使用过程中，圆柱形结构受外界环境施加压力更均匀，耐损性更好。
(6)为了满足燃料电池紧凑化的设计需求，电池结构越小越好，这对传统的机械加工方式提出了很高的加工要求，甚至很难实现，而使用3D打印技术既能满足紧凑复杂结构的加工，而且可以轻松实现批量化且一体化成型，有利于成熟技术的市场推广。
【附图说明】
图1紧凑式离子交换膜燃料电池爆炸视图放大轴测图。
图2紧凑式蜂窝腔极膜一体结构放大轴测图。
图3蜂窝状多孔结构放大轴测图。
图4离子聚合物膜和阴极催化层制作过程示意图。
图5阴极憎水扩散层放大轴测图。
图6紧凑式离子交换膜燃料电池爆炸视图放大轴测图。
图7紧凑式离子交换膜燃料电池放大轴测图。
其中：1为紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池；2为紧凑式极膜一体化燃料腔；3为阴极憎水扩散层；4为圆筒密封集流罩；5为圆柱形燃料腔体；6为蜂窝状多孔结构；7为燃料加注孔；8为离子交换膜；9为阴极催化层；10为二级槽道；11为阳极催化层；12为圆形透气孔。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1至图7，本发明包括紧凑式极膜一体化燃料腔2、阴极憎水扩散层3以及外层圆筒密封集流罩4。
1、紧凑式极膜一体化燃料腔2：
传统的膜电极制作方法主要针对平板式燃料电池结构，采用热压成型的方法，本发明提供一种将燃料腔、阳极集流板、阳极扩散层、阳极催化层、离子交换膜、阴极催化层9合为一体的制作方法。为保证足够的空隙率及催化层附着面积，圆柱形燃料腔体5的薄壁面采用蜂窝状多孔结构6，蜂窝状孔中还有多个二级槽道10，孔与孔之间相互贯通。由于圆柱形燃料腔体5积小且薄壁蜂窝状多孔结构6复杂，因此使用三维建模软件建模，采用导电3D打印材料打印，完成圆柱形燃料腔体5的制作。导电的燃料腔除了作为盛装溶液和作为燃料反映的场所，还具有集流的作用。为了使结构更紧凑，直接以圆柱形燃料腔体5的薄壁蜂窝状多孔结构6为支撑层，分别浸渍阳极催化剂，包裹离子聚合物，涂上阴极催化层9，最后形成紧凑式极膜一体化燃料腔2。
2、阴极憎水扩散层3：
阴极憎水扩散层3为经过憎水处理的碳布或碳纸，将其包裹在紧凑式极膜一体化燃料腔2上。
3、圆筒密封集流罩4：
圆筒密封集流罩4主要起固定、密封和集流的作用，有两种方案：
方案一：圆筒密封集流罩4采用导电3D打印材料，在圆筒密封集流罩4上开足够多的圆形透气孔，使空气能充分接触阴极。同时为使其能紧压阴极憎水扩散层3，以防止燃料泄露，设计采取圆筒密封集流罩4与紧凑式极膜一体化燃料腔2过盈配合的方案。使用三维建模软件进行建模，然后采用导电3D打印材料打印，完成圆筒密封集流罩4的制作。
方案二：圆筒密封集流罩4采用记忆合金为制作材料，在圆筒密封集流罩4上开足够多的圆形透气孔，使空气能充分接触阴极，利用记忆合金材料在不同温度下变形和回复而产生的预紧力，均匀施力固定裹在紧凑式极膜一体化燃料腔2上的憎水扩散层，实现圆筒密封集流罩4与紧凑式蜂窝腔极膜一体结构过盈配合，同时记忆合金本身可以导电，与导电3D打印材料一样具有充当集流板的作用。
下面结合附图，对本发明进一步详细描述，以下实施方式主要用于说明本发明，但不限制本发明范围。
实施例1：
如图1所示，紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池1，依次包括紧凑式极膜一体化燃料腔2、阴极憎水扩散层3及圆筒密封集流罩4。
如图2所示，紧凑式极膜一体化燃料腔2包括圆柱形燃料腔体5，蜂窝状多孔结构6，顶端的燃料加注孔7。其中如图3所示，蜂窝状多孔结构6又包括二级槽道10及附着在蜂窝状多孔结构6上的阳极催化层11、离子交换膜8。所述顶端的燃料加注孔7，用于即时加注液体燃料，保证快速启动。所述蜂窝状多孔结构6，蜂窝状孔中有多个二级槽道10，蜂窝状多孔结构越紧凑，催化活性表面积越大，传质阻力越小，燃料电池性能越好，但制造难度将增大，故采用三维建模软件构建三维模型后采用导电3D打印材料打印成型。
附着于蜂窝状多孔结构6的阳极催化层11、离子交换膜8和阴极催化层9的制作过程为：
首先将所述圆柱形燃料腔体5浸入阳极催化颗粒和离子聚合物的混合溶液，使蜂窝状多孔结构6的壁面上附着该混合物，晾干后作为阳极催化层11，接着在所述圆柱形燃料腔体5上包裹一层离子聚合物，晾干后即形成离子交换膜8，即如图4所示。接着，在膜外侧涂上一层催化剂颗粒和离子聚合物的混合物，晾干后形成阴极催化层9。最后，完成紧凑式极膜一体化燃料腔2的制作。
如图5所示，阴极憎水扩散层3为碳布或碳纸，裹在所述紧凑式极膜一体化燃料腔2上。
如图6所示，圆筒密封集流罩4，为了使空气能充分接触阴极，需在所述圆筒密封集流罩上开足够多的圆形透气孔12，其结构既提供外力使阴极憎水扩散层3与紧凑式极膜一体化燃料腔2紧密接触，保证内部液体燃料不泄露，还可充当集流板的作用。圆筒密封集流罩4的制作也采用导电3D打印材料打印而成。
实施例2：
在实施例2中，与实施例1的不同之处在于：圆筒密封集流罩4，为采用记忆合金材料制作而成的一个完整的圆柱筒状结构，足够多的圆形透气孔12使空气能充分接触阴极，装配时，先将所述记忆合金圆筒密封集流罩4在低温下扩半径，使其直径略大于裹有阴极憎水扩散层3的紧凑式极膜一体化燃料腔2，然后在常温下降将该圆筒密封集流罩4套在裹有所述阴极憎水扩散层3的紧凑式极膜一体化燃料腔2上，等其半径恢复到原来半径，实现过盈配合，提供足够的外力使阴极憎水扩散层3紧贴在紧凑式极膜一体化燃料腔2上，如图7所示，整个燃料电池的制作完成。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池，其特征在于，包括圆柱形的紧凑式极膜一体化燃料腔(2)，以及依次套设在紧凑式极膜一体化燃料腔(2)上的离子交换膜(8)、阴极憎水扩散层(3)和起固定和密封作用的圆筒密封集流罩(4)；圆筒密封集流罩(4)与紧凑式极膜一体化燃料腔(2)过盈配合；离子交换膜(8)涂覆有阴极催化层(9)；
所述紧凑式极膜一体化燃料腔(2)包括采用导电3D打印材料打印制成的圆柱形燃料腔体(5)，圆柱形燃料腔体(5)的侧壁为与内部空腔相连通的蜂窝状多孔结构(6)，顶部开设有燃料加注孔(7)；蜂窝状多孔结构(6)的壁面上涂覆阳极催化层(11)。
2.根据权利要求1所述的紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池，其特征在于，所述蜂窝状多孔结构(6)的每个孔内设置有若干用于增加表面积的二级槽道(10)。
3.根据权利要求1所述的紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池，其特征在于，所述圆筒密封集流罩(4)中空的圆柱状结构，且侧面开设有若干圆形透气孔(12)。
4.根据权利要求1或3所述的紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池，其特征在于，所述圆筒密封集流罩(4)采用导电3D打印材料打印制成。
5.根据权利要求1或3所述的紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池，其特征在于，所述圆筒密封集流罩(4)采用记忆合金制成。
6.根据权利要求1所述的紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池，其特征在于，所述阴极憎水扩散层(3)为碳布或碳纸。
7.一种紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)使用三维建模软件建模，采用导电3D打印材料打印，完成圆柱形燃料腔体(5)的制作；圆柱形燃料腔体(5)的侧壁为与内部空腔相连通的蜂窝状多孔结构(6)，顶部开设有燃料加注孔(7)，蜂窝状多孔结构(6)的每个孔内有若干二级槽道(10)；
2)将制作好的圆柱形燃料腔体(5)浸入阳极催化颗粒和离子聚合物的混合溶液中，使蜂窝状多孔结构(6)的壁面上附着混合溶液，晾干后作为阳极催化层(11)；其中，混合溶液由载量为1.0～4.0mg·cm-2的催化剂颗粒与质量百分比为5～50％的离子聚合物在分散剂中均匀分散制成；
3)在圆柱形燃料腔体(5)上包裹一层离子聚合物，晾干后形成离子交换膜(8)；
4)在离子交换膜(8)外侧涂上一层催化剂颗粒和离子聚合物的混合物，晾干后形成阴极催化层(9)；
5)将阴极憎水扩散层(3)裹在涂覆有阴极催化层(9)的圆柱形燃料腔体(5)上；
6)将圆筒密封集流罩(4)套装在阴极憎水扩散层(3)上，使阴极憎水扩散层(3)与内部的紧凑式极膜一体化燃料腔(2)紧密接触，保证内部液体燃料不泄露，同时还充当集流板的作用。
8.根据权利要求7所述的紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池的制备方法，其特征在于，所述步骤2)～4)中，催化剂颗粒采用Pd基催化剂、Pt基催化剂、Fe基催化剂、Co基催化剂或Ni基催化剂；离子聚合物采用磺酸基团基离子聚合物或季氨集团基离子聚合物；分散剂采用乙醇、丙酮或四氢呋喃。
9.根据权利要求7所述的紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池的制备方法，其特征在于，所述步骤6)中，圆筒密封集流罩(4)采用导电3D打印材料打印制成或者采用记忆合金材料制成，圆筒密封集流罩(4)的侧面开设若干圆形透气孔(12)；制成的圆筒密封集流罩(4)与紧凑式极膜一体化燃料腔(2)过盈配合；
当圆筒密封集流罩(4)采用记忆合金材料时，装配时，先将圆筒密封集流罩(4)在低温下扩半径，使其直径大于裹有阴极憎水扩散层(3)的整个紧凑式极膜一体化燃料腔(2)，然后在常温下降将圆筒密封集流罩(4)套在裹有阴极憎水扩散层(3)的紧凑式极膜一体化燃料腔(2)上，等其半径恢复到原来半径，实现过盈配合，提供外力使阴极憎水扩散层(3)紧贴在紧凑式极膜一体化燃料腔(2)上，整个燃料电池的制作完成。
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