CN109742427A - 以膜电极作集电极的燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以膜电极作集电极的燃料电池，包括有限叠加的多个重复单元；重复单元依次由阳极板、H2扩散层、阳极催化层、伏埋在阳极催化层中的柔丝电极、质子膜、伏埋在阴极催化层中的柔丝电极、阴极催化层、O2扩散层、阴极板组成；燃料电池电子传输在电池本体外部，其传输路线由伏埋在阳极催化层中的柔丝电极直接输出到外电路，在外电路做功后经伏埋在阴极催化层中的柔丝电极返回。本发明在缩短电子的运行路线，降低燃料电池的内阻同时，大大增加了组件材料的可选范围，降低了整体电池的成本。

Description

以膜电极作集电极的燃料电池

技术领域

本发明涉及新能源燃料电池结构领域，具体涉及一种具有低成本和低内阻的燃料电池结构。

背景技术

随着环保和节能减排要求的不断提高，机动车驱动力由传统能源向新能源转变是未来很长一段时间的发展方向，国家制造2025中十大发展方向之一就包括新能源发展战略。新能源包括清洁替代燃料、二次储能电池和燃料电池汽车。二次储能电池由于其理论能量密度的限制、安全问题、充电效率和寿命难以大幅度提高的问题以及回收利用的难度都会影响其在车用动力系统方面的大规模应用。燃料电池作为燃料补充型发电系统，不受体积和质量能量密度的限制，能量利用率能够达到50％以上能源清洁度整体高于二次储能电池，氢气来源广泛，加氢速度类似于汽油加注，一次加注续驶里程400-700公里，运行寿命长，整体性能非常适宜作为车载动力源使用。目前商业化推广应用最大的障碍是成本问题。含铂催化剂的价格只能随着铂矿藏的逐渐减少而日益高涨，基于碳纤维抄纸结构的气体扩散层由于我国在碳纤维材料方面的基础薄弱，只能依靠进口。金属双极板的基材薄板容易产生翘曲导致电子通过效率降低，增大内阻。目前燃料电池各部件的选材是基于传统的燃料电池结构---电子运输依靠内部的部件通道，即所有部件需要是电子的良导体。因此各部件材质选择要么是电子良导体的金属，要么是接近半导体的碳基材料，材料可选范围小，价格居高不下。

发明内容

为了解决传统燃料电池结构的上述缺点带来的高成本，本发明从改变电子转移线路出发，提供一种以膜电极作集电极的燃料电池，在缩短电子的运行路线，降低燃料电池的内阻同时，大大增加了组件材料的可选范围，降低了整体电池的成本。

本发明的技术方案为：

一种以膜电极作集电极的燃料电池，包括有限叠加的多个重复单元；重复单元依次由阳极板、H2扩散层、阳极催化层、伏埋在阳极催化层中的柔丝电极、质子膜、伏埋在阴极催化层中的柔丝电极、阴极催化层、O2扩散层、阴极板组成；所述燃料电池电子传输在电池本体外部，其传输路线由伏埋在阳极催化层中的柔丝电极直接输出到外电路，在外电路做功后经伏埋在阴极催化层中的柔丝电极返回。

本发明以膜电极作集电极的燃料电池不需要构建电子的内部传输通道，因此除增加在催化层中伏埋网状柔丝电极外，气体扩散层和双极板部件均不再需要导电性能。因此气体扩散层可以摈弃进口碳基材料，选用透气性好的丝棉、无纺布、高分子多孔材料等。双极板可以摈弃脆性较大的石墨板和薄板刚度差、不耐腐蚀的金属板囹圄，广泛选择好加工、刚性大、质量轻、成本低的合成材料和天然材料。

本发明以膜电极作集电极的燃料电池由于采用柔丝电极引线作为电子传输通道，在电池的空间排列上面更加灵活，可以根据车载的整车布置余量空间进行电池堆的松散摆放，通过引线的串并联实现所需要的电压、电流性能。

本发明构建以膜电极作集电极的燃料电池，电子运行路线改变，导致了组件材料的功能发生改变，降低燃料电池的内阻同时，材质选择可以延伸至常用低价格材料，因此同时完成了降成本。

附图说明

图1为燃料电池传统结构示意图；

图2为本发明以膜电极作集电极的燃料电池结构示意图；

图3为柔丝电极i在膜电极组件中的布局示意图；

图中：1-阳极板，2-H2扩散层，3-阳极催化层，4-质子膜，5-阴极催化层，6-O2扩散层，7-阴极板，i-柔丝电极，Ⅰ-重复单元。

具体实施方式

以下结合附图及实施例详细介绍本发明的技术方案：

如图1所示，传统燃料电池结构包括重复单元Ⅰ的有限叠加，重复单元Ⅰ依次由阳极板1、H2扩散层2、阳极催化层3、质子膜4、阴极催化层5、O2扩散层6、阴极板7组成。电子的传输方向和距离如附图1中带端点的箭头所示。传统燃料电池结构的电子传输在电池本体内部，其传输路线为：阳极催化层3→H2扩散层2→阳极板1→阴极板7-1→O2扩散层6-1→阴极催化层5-1，(-1：前一单元)。质子传输为：阳极催化层3→质子膜4→阴极催化层5。传统燃料电池结构的体内电子传输特性要求电子穿越的各部件均需要导电性好，且需要穿越5个组件界面，同时燃料电池内部工作环境处于湿热状态，加上电子传导极易产生化学和电化学腐蚀，因此对于很多部件具有相互矛盾的性能要求，限制了某一性能的极限发挥，兼顾各方面性能也造成组件选材的局限性和成本居高不下。

如图2所示，本发明以膜电极作集电极的燃料电池同样包括重复单元Ⅰ的有限叠加。重复单元Ⅰ依次由阳极板1、H2扩散层2、阳极催化层3、柔丝电极i、质子膜4、柔丝电极i、阴极催化层5、O2扩散层6、阴极板7组成。电子的传输方向和距离如附图2中带端点的箭头所示。以膜电极作集电极的燃料电池的电子传输在电池本体外部，其传输路线为：阳极催化层3中伏埋的柔丝电极i直接输出到外电路，在外电路做功后经阴极催化层5中伏埋的柔丝电极i返回。质子传输则与传统结构相同，为：阳极催化层3→质子膜4→阴极催化层5。以膜电极作集电极的燃料电池的体外电子传输从根本上改变了电子的运行路线，电子在催化剂的作用下脱离H后直接由伏埋在催化层中的网状柔丝电极i富集并输出到外电路。

本发明以膜电极作集电极的燃料电池不需要构建电子的内部传输通道，因此除增加在催化层3、5中伏埋网状柔丝电极i外，气体扩散层2、6和双极板1、7部件均不再需要导电性能。因此气体扩散层2、6可以摈弃进口碳基材料，选用透气性好的丝棉、无纺布、高分子多孔材料等。双极板1、7可以摈弃脆性较大的石墨板和薄板刚度差、不耐腐蚀的金属板囹圄，广泛选择好加工、刚性大、质量轻、成本低的合成材料和天然材料。

本发明以膜电极作集电极的燃料电池由于采用柔丝电极引线作为电子传输通道，在电池的空间排列上面更加灵活，可以根据车载的整车布置余量空间进行电池堆的松散摆放，通过引线的串并联实现所需要的电压、电流性能。

实施例1

选择市售铂碳催化剂和厚度为330um的质子膜，为防止柔丝电极刺透膜层，沿膜外沿热压一圈PP材质的硬质塑料膜，如图3所示，将直径为0.04mm的纤维金属丝均匀伏埋在催化剂与隔膜之间，采用厚度为20um@1MPa通孔聚氨酯棉作为气体扩散材料，以模压酚醛树脂粉制成0.5mm厚的气体导入流道，重复单元采用密封圈封装成设计为1MPa的短堆，测试结果为峰值功率1.2MPa。成本较传统同功率燃料电池降低60％。

实施例2

选择市售铂碳催化剂和厚度为360um的质子膜，为防止柔丝电极刺透膜层，沿膜外沿热压一圈PS材质的硬质塑料膜，将直径为0.04mm的纤维金属丝如图3所示均匀伏埋在催化剂与隔膜之间，采用厚度为15um@1MPa天然丝棉作为气体扩散材料，以模压增强聚丙烯烃填充复合树脂制成0.8mm厚的气体导入流道，重复单元采用密封圈封装成设计为1MPa的短堆，测试结果为峰值功率1.1MPa。成本较传统同功率燃料电池降低50％。

实施例3

选择市售铂碳催化剂和厚度为360um的质子膜，为防止柔丝电极刺透膜层，沿膜外沿热压一圈PET材质的硬质塑料膜，将直径为0.04mm的纤维金属丝如图3所示均匀伏埋在催化剂与隔膜之间，采用厚度为10um@1MPa无纺布作为气体扩散材料，以模压增强聚酰胺酯制成0.8mm厚的气体导入流道，重复单元采用密封圈封装成设计为1MPa的短堆，测试结果为峰值功率1.1MPa。成本较传统同功率燃料电池降低50％。

Claims (1)

1.一种以膜电极作集电极的燃料电池，其特征在于，包括有限叠加的多个重复单元；重复单元依次由阳极板、H2扩散层、阳极催化层、伏埋在阳极催化层中的柔丝电极、质子膜、伏埋在阴极催化层中的柔丝电极、阴极催化层、O2扩散层、阴极板组成；所述燃料电池电子传输在电池本体外部，其传输路线由伏埋在阳极催化层中的柔丝电极直接输出到外电路，在外电路做功后经伏埋在阴极催化层中的柔丝电极返回。