CN107611460A - 一种能控制电池自腐蚀的燃料电池 - Google Patents

一种能控制电池自腐蚀的燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了的一种能控制电池自腐蚀的燃料电池，其包含：膜电极；分别设置在膜电极两侧的极板；分别设置在极板最外侧的紧固端板；及，位于至少一个紧固端板外侧的保护板，其通过导线与极板连通或直接与极板接触；其中，上述保护板包含若干层金属或合金片材，其稳定电位低于极板的稳定电位。本发明燃料电池的保护板和极板之间直接接触或采用导线连接，存在一定的电偶差，且保护板电位较低，从而起到保护极板的作用。本发明通过采用不同类别、不同数目的金属或合金金属片材，可以起到更加好的耐腐蚀效果。因此，本发明可以使得燃料电池耐蚀性提高，性能输出提升，寿命延长。

Description

一种能控制电池自腐蚀的燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池，具体涉及一种极板耐蚀性提高的燃料电池。
背景技术
燃料电池是一种通过电化学反应，将燃料的化学能直接转换成电能的发电装置。只要源源不断的向燃料电池输入燃料，它就会持续的对外输出电能。由于燃料电池具有高的能量转化效率，并且产物是水，无污染，环境友好。因此，燃料电池作为一种新能源形式，受到越来越多的关注。
一般，燃料电池包括：膜电极，即，设置在电解质两侧的阴极和阳极。其中，阴极和阳极都是由催化层和扩散层组成。在阴极和阳极外侧分别设置极板，具有气体流道，能够支撑电极且起到集流体的作用。上述组成构成一个电极单体，许多的电极单体叠加，并且由最外侧加上2个紧固端板，构成一个电堆。
极板通常采用石墨、金属加工而成。石墨制备极板，采用机械加工的方式进行，耗时长，加工难度高，且体积较大、强度不高，抗震性不好。不适合移动或动力电池方向应用。采用金属极板，电池小型化很容易实现，但是存在一个非常严重的问题，就是金属往往很容易受到燃料电池工作环境中物质的腐蚀，而产生金属离子或金属氧化物，一方面导致极板与电极界面接触电阻升高，电池输出性能降低；另一方面，产生的金属离子或氧化物，会污染催化层和质子交换膜，造成电池功能失效。
因此，提高金属极板的耐腐蚀性，作为一项非常严峻的课题被提上了日程。已经有很多科学家在这个方面做了研究，提出了一些改良措施。
例如，No.H10-228913将电极和极板部分镀金，提高燃料电池性能。
中国发明专利CN201010116762.X中，神户钢制所采用氧化锡-铜镀层提高极板耐蚀性，其原理是利用金属氧化物氧化锡的稳定区域防腐蚀。但是氧化物稳定区间有限，电池的使用受到一定限制；并且氧化物存在导电性不佳的问题，会引起极板与电极之间接触电阻升高，进而影响电池输出性能。
中国发明专利CN200710140168.22中，大同特殊钢采用极板表面镀金处理，并且只镀电极与极板的接触部分，来提高耐蚀性。
中国发明专利CN201280055735.3中，日本轻金属采用在铝基金属板上镀镍和贵金属，改善耐蚀性。
中国发明专利CN200480042776，LG公司在金属板上处理的镀层同样采用与催化层Pt电位相近的金属Au。
中国发明专利CN200510008483，电胜光科技股份公司在极板上溅射贵金属的方法改善耐蚀性。
但是在燃料电池广泛推广应用中，如何降低成本是重大的问题。因此，应该尽量避免采用镀金层等贵金属。且，镀金层很薄在几个微米左右，进一步减薄，金属基材很容易被腐蚀。提高极板腐蚀性的效果就不明显。
尽管这些改善极板腐蚀性的建议，某种程度上有效，但是效果一般或者成本很高，不能适应燃料电池产业化发展的需要，因此，对改善极板腐蚀性这一问题，亟待提出更加有效和更加经济的解决措施。
发明内容
本发明的目的提供一种提高极板耐蚀性、延长寿命的燃料电池及其制备方法，解决现有的燃料电池的极板耐腐蚀性不佳或成本高的问题。
为达到上述目的，本发明提供了一种燃料电池，该燃料电池包括：
膜电极；
分别设置在膜电极两侧的极板；
分别设置在极板最外侧的紧固端板；及
位于至少一个紧固端板外侧的保护板，其通过导线与极板连通或直接与极板接触；
其中，所述保护板包含若干层金属或合金片材，其腐蚀电偶（即，腐蚀反应的稳定电位）低于极板的腐蚀电偶。
较佳地，保护板通过夹持装置固定在紧固端板的外侧。
较佳地，所述夹持装置为密封结构，该夹持装置中设有溶液，该溶液的成分与极板所处周围溶液的成分一致或二者至少含有一种相同的组分。
较佳地，所述的溶液为酸性水溶液， pH为1~8，优选pH为2~4。
较佳地，所述的极板包括氢板、氧板和水板，为金属或金属合金极板，其成分为不锈钢、Ti、铝及其合金。
较佳地，保护板的材质为：至少含有Zn、Al、Mg、Sn、Fe、Cd、In中任意一种及任意两种以上的合金，且其稳定电位低于极板。
较佳地，极板与保护板组成的电偶的电位之差为50~500 mV，进一步优选为150~350mV，最优选250 mV。
较佳地，导线的电阻为≤10 mΩ·cm2，优选1.6 mΩ·cm2。
较佳地，导线材料成分为Ag、Cu、Au、Al、W、Fe、Pt、Mn、Cr、Ni金属及其合金，特别优选Ag、Cu、Au，特别优选Au。
较佳地，保护板面积A1与极板的面积A0的关系为：A1/A0=0.1~3，优选A1/A0=0.5~2。
较佳地，所述导线长度1~100 cm，优选10~50 cm，特别优选20~35cm ；导线截面积（横截面积）≥0.825mm2，特别优选≥2mm2。
较佳地，所述保护板包含n层金属或合金片材，， I保=i保*A保，，其中，I保代表保护板的总保护电流；i保代表保护板的总保护电流密度；A保代表保护板的保护面积；I代表单层保护板的发生电流，单位A；△V代表阳极驱动电位，单位V；A代表单块阳极暴露面积（通常取表面积85%），单位cm2；ρ代表保护板所处的介质的电阻率（即夹持装置中溶液的电阻率），单位Ω·cm。
较佳地，膜电极包含质子膜、催化层及扩散层，其中，保护板与扩散层或催化层通过导线连接，保护板的稳定电位低于扩散层或催化层的稳定电位，所述保护板包含若干层金属或合金片材。
燃料电池极板厚度一般为0.01mm~5mm。保护板的厚度一般会与极板厚度相当，或者略厚。
保护板厚度优选0.01 mm ~50mm，特别优选0.05~1mm。
本发明的保护板和金属极板之间直接接触或采用导线连接，存在一定的电偶差，且保护板的电位较低，从而起到保护金属极板的作用。通过采用不同类别、不同数目（n）层的金属或合金金属片材，可以起到更加好的耐腐蚀效果。因此，本发明可以使得燃料电池耐蚀性提高，性能输出提升，寿命延长。
附图说明
图1是通常的燃料电池（对应实施例1）结构示意图。
图2是本发明的燃料电池结构（对应实施例2）示意图。
图3是本发明实施例1和实施例2相同实验条件下测试得到的电压-时间曲线。
具体实施方式
以下结合实施例与附图对本发明的技术方案作进一步地说明。
实施例1（对比例）
一种现有的燃料电池，如图1所示，包括膜电极100及设置在膜电极两侧的极板。该极板包括：氧板200、氢板300、水板400；极板最外两侧还分别设置有紧固端板500、600。极板（氧板200、氢板300、水板400成分为不锈钢。燃料电池极板的面积A0为360cm2。
将实施例1的燃料电池在温度75℃、湿度100%RH（Relative Humidity，相对湿度）、氢气和空气气体压力都为100kPa(表压)下进行长时间的恒定电流70A的放电测试，得到结果如图3所示。
实施例2
一种本发明的燃料电池，如图2所示，包括膜电极1及设置在膜电极两侧的极板。该极板包括：氧板2、氢板3、水板4；极板最外两侧还分别设置有紧固端板5、6；其中，至少一个端板的外侧设置有片材10（即，保护板），该片材10与极板采用导线8、9连接。具体来说，该片材10分别氢板与氧板连接。一层保护板只能与一类极板连接（氢板、氧板中的一种），而不能同时与氢板、氧板连接。连接导线的电阻为1.6 mΩ· cm2；导线长度35cm ；导线截面积1mm2。导线材料成分为Au。
该片材10采用金属或合金材料。更优的实施例中，该片材10为不锈钢材质。更优的实施例中，该片材10的成分为Zn。
燃料电池极板的面积A0（一个极板的面积，与电池的装配方向对应的面积，如图2所示，与我们看到的方向所垂直方向的面积）为360cm2，片材10的面积A1（一个保护板的面积，与电池的装配方向对应的面积，如图2所示，与我们看到的方向所垂直方向的面积）也为360cm2。
将实施例2的燃料电池在温度75℃、湿度100%RH、氢气和空气气体压力都为100kPa(表压)下进行长时间的恒定电流70A的放电测试，得到结果如图3所示。由图3可见，本发明实施例2与实施例1中的燃料电池相比，在长时间的放电测试中，随着测试时间的延长，采用本发明方法的实施例2中燃料电池表现出优异的稳定性能，电压衰减率为7uV/h, 远低于实施例1（对比例）的衰减速率37 uV/h，衰减率降低为不足原来1/5。换而言之，也就意味着本发明实施例2中电池的寿命比对比例（实施例1）会延长5倍以上。说明本发明的方案能过有效的减缓金属极板的腐蚀，提高电池的稳定性和寿命。
更优的实施例中，片材10由夹持装置7夹持，该夹持装置7起到固定、隔离保护板，及盛装溶液的作用。为便于电堆的操作，该夹持装置为密封结构，含有一定数量的溶液11（不密封的话，溶液容易倾倒、洒落）。该溶液的成分与极板所处周围溶液的成分一致或二者至少含有一种相同的组分。更优的实施例中，该溶液为酸性水溶液，pH为6。一些实施例中，所述的溶液为酸性水溶液，如氢氟酸、磺酸及其他中强酸或强酸中的一种或几种， pH为1~8，优选pH为2~4。设定pH环境是为了与电堆内部的弱酸性环境接近或一致，以起到更好的保护效果。
一些实施例中，所述的极板（包括氢板、氧板和水板）为金属或金属合金极板，其成分为不锈钢、Ti、铝及其合金。
所述保护板的材质为：至少含有Zn、Al、Mg、Sn、Fe、Cd、In中任意一种及任意两种以上的合金，且其稳定电位低于极板。
所述极板与保护板组成的电偶的电位之差为50~500 mV，才会起到起码的保护作用，进一步优选为150~350mV，最优选250 mV。
依据欧姆定律，电位差一定的情况下，电阻太大，保护电流很小，或几乎没有，起不到好的保护效果。本发明所述导线的电阻为≤10 mΩ·cm2，优选1.6 mΩ·cm2。
所述导线材料成分为Ag、Cu、Au、Al、W、Fe、Pt、Mn、Cr、Ni金属及其合金，特别优选Ag、Cu、Au，特别优选Au。
所述保护板面积A1与极板的面积A0的关系为：A1/A0=0.1~3，优选A1/A0=0.5~2。面积太小保护效果不足，太大，不实用；而且一般极板的面积利用率为50%左右，因此选择保护板的面积大于0.5倍的极板，就够了。
燃料电池极板厚度一般为0.01mm~5mm。保护板的厚度一般会与极板厚度相当，或者略厚。
保护板厚度优选0.01 mm ~50mm，特别优选0.05~1mm。
依据欧姆定律，导线对于保护电流的传导，要保证压降足够小，所述导线长度选择1~100 cm，优选10~50 cm，特别优选20~35cm ；导线截面积（横截面积）≥0.825mm2，特别优选≥2mm2。
所述保护板包含n层金属或合金片材， ， I保=i保*A保，，其中，I保代表保护板的总保护电流；i保代表保护板的总保护电流密度；A保代表保护板的保护面积；I代表单层保护板的发生电流，单位A；△V代表阳极驱动电位，单位V；A代表单块阳极暴露面积（即，暴露于酸性水溶液中的面积，通常取表面积85%），单位cm2，其中，单块阳极是指保护板（电化学保护体系中做阳极）；ρ代表保护板所处的介质的电阻率（即夹持装置中溶液的电阻率），单位Ω·cm。
一些实施例中，膜电极包含质子膜、催化层及扩散层，其中，保护板与扩散层或催化层通过导线连接，保护板的稳定电位低于扩散层或催化层的稳定电位，以产生保护电流。
本发明中，一片保护板只能与一类极板连接（氢板、氧板中的一种），而不能同时与氢板、氧板连接，这显然会造成短路。同理，一片保护板也不能同时与氢侧催化层（或扩散层）和氧侧催化层（或扩散层）连接。而且每片保护板之间应该是独立的。
综上所述，本发明提供的燃料电池，通过在紧固端板外侧设置保护板，使得保护板与极板或膜电极的扩散层或催化层连通，经由保护板与极板之间存在电位差，或，保护板与扩散层或催化层存在电位差，使得极板或催化层或扩散层的耐腐蚀性大幅提高，燃料电池稳定性增强，且成本低廉，操作简便，适于工业化生产。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种能控制电池自腐蚀的燃料电池，其特征在于，该燃料电池包括：
膜电极；
分别设置在膜电极两侧的极板；
分别设置在极板最外侧的紧固端板；及
位于至少一个紧固端板外侧的保护板，其通过导线与极板连通或直接与极板接触；
其中，所述保护板包含若干层金属或合金片材，其稳定电位低于极板的稳定电位。
2.如权利要求1所述的能控制电池自腐蚀的燃料电池，其特征在于，保护板通过夹持装置固定在紧固端板的外侧；所述夹持装置为密封结构，该夹持装置中设有溶液，该溶液至少具有如下一种特征：（a）为酸性水溶液， pH为1~8，优选pH为2~4；（b）该溶液的成分与极板所处周围溶液的成分一致或二者至少含有一种相同的组分。
3.如权利要求1所述的能控制电池自腐蚀的燃料电池，其特征在于，所述的极板包括氢板、氧板和水板，为金属或金属合金极板，优选材质为不锈钢、Ti、铝及其合金。
4.如权利要求1或3所述的能控制电池自腐蚀的燃料电池，其特征在于，保护板的材质为：至少含有Zn、Al、Mg、Sn、Fe、Cd、In中任意一种及任意两种以上的合金。
5.如权利要求4所述的能控制电池自腐蚀的燃料电池，其特征在于，极板与保护板组成的电偶的电位之差为50~500 mV，进一步优选为150~350mV，最优选250 mV。
6.如权利要求1所述的能控制电池自腐蚀的燃料电池，其特征在于，保护板面积A1与极板的面积A0的关系为：A1/A0=0.1~3，优选A1/A0=0.5~2。
7.如权利要求1所述的能控制电池自腐蚀的燃料电池，其特征在于，所述保护板的厚度为0.01 mm ~50mm，优选0.05~1mm。
8.如权利要求1所述的能控制电池自腐蚀的燃料电池，其特征在于，所述的导线具有如下至少一种特征：（a）导线的电阻为≤10 mΩ· cm2，优选1.6 mΩ·cm2；（b）导线长度1~100cm，优选10~50 cm，特别优选20~35cm ；（c）导线截面积≥0.825mm2，特别优选≥2mm2；（d）导线材料成分为Ag、Cu、Au、Al、W、Fe、Pt、Mn、Cr、Ni金属及其合金，特别优选Ag、Cu、Au，特别优选Au。
9.如权利要求1所述的能控制电池自腐蚀的燃料电池，其特征在于，所述保护板包含n层金属或合金片材，，I保=i保*A保，，其中，I保代表保护板的总保护电流；i保代表保护板的总保护电流密度；A保代表保护板的保护面积；I代表单层保护板的发生电流，单位A；△V代表阳极驱动电位，单位V；A代表单块阳极暴露面积，单位cm2；ρ代表保护板所处的介质的电阻率，该介质是指夹持装置中的溶液，单位Ω·cm。
10.一种的能控制电池自腐蚀的燃料电池，其特征在于，该燃料电池包括：
膜电极，其包含质子膜、催化层及扩散层；
分别设置在膜电极两侧的极板；
分别设置在极板最外侧的紧固端板；及
位于至少一个紧固端板外侧的保护板；
其中，保护板与扩散层或催化层通过导线连接，保护板的稳定电位低于扩散层或催化层的稳定电位，所述保护板包含若干层金属或合金片材。
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