CN109802154A - 以扩散层作集电极的燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以扩散层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、伏埋有柔丝电极的H₂扩散层、阳极催化层、质子膜、阴极催化层、伏埋有柔丝电极的O₂扩散层、阴极板组成；燃料电池的电子传输在电池本体外部，其传输路线由H₂扩散层2中伏埋的柔丝电极直接输出到外电路，在外电路做功后经O₂扩散层中伏埋的柔丝电极返回。本发明缩短电子的运行路线，在降低内阻的同时，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

以扩散层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以扩散层作集电极的燃料电池。

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，质子传导膜工艺复杂、产品性能稳定和一致性要求高，目前基本处于纯进口阶段。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问题，本发明从改变电子转移线路出发，提供了一种以扩散层作集电极的燃料电池，缩短电子的运行路线，在降低内阻的同时，大大增加了组件材料的可选范围，降低了整体电池的成本。

一种以扩散层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、伏埋有柔丝电极的H₂扩散层、阳极催化层、质子膜、阴极催化层、伏埋有柔丝电极的O₂扩散层、阴极板组成；燃料电池的电子传输在电池本体外部，其传输路线由H₂扩散层2中伏埋的柔丝电极直接输出到外电路，在外电路做功后经O₂扩散层中伏埋的柔丝电极返回。

所述的一种以扩散层作集电极的燃料电池，柔丝电极呈网状伏埋在H₂扩散层及O₂扩散层的碳纸基体中。

该新结构电池不需要构建电子的内部长传输通道，因此除增加在气体扩散层中伏埋网状柔丝电极外，双极板部件不再需要导电性能，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。

该新结构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。

本发明构建了以扩散层作集电极的燃料电池，该结构由于碳纸基体本身的柔软和厚度适当，伏埋柔丝电极操作方便。与传统结构相比较，电子运行路线改变，导致了双极板组件材料的功能发生改变，材质选择可以延伸至常用低价格易成型绝缘材料，因此同时完成了降成本。

附图说明

图1为传统燃料电池结构示意图；

图2为本发明以扩散层作集电极的燃料电池结构示意图；

图3为柔丝电极在气体扩散层碳纸基体中的布局示意图；

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，8-碳纸基体，Ⅰ-重复单元，i-柔丝电极

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，其传输路线由阳极催化层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)。质子传输路径为：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，本发明以扩散层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、伏埋有柔丝电极i的H₂扩散层2、阳极催化层3、质子膜4、阴极催化层5、伏埋有柔丝电极i的O₂扩散层6、阴极板7组成。电子的传输方向和距离如图2中带端点的箭头所示。以扩散层作集电极的燃料电池的电子传输在电池本体外部，其传输路线由H₂扩散层2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O₂扩散层中伏埋的柔丝电极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。以扩散层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后穿过阳极催化层和H₂扩散层界面，由伏埋在H₂扩散层中的柔丝电极i富集并输出到外电路，做功后由由伏埋在O₂扩散层中的网状柔丝电极i传送到电化学反应三相点。

柔丝电极i呈网状伏埋在H₂扩散层及O₂扩散层的碳纸基体中。

该新结构电池不需要构建电子的内部长传输通道，因此除增加在气体扩散层2、6中伏埋网状柔丝电极i外，双极板1、7部件不再需要导电性能，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。

该新结构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150um的质子膜，以CCM工艺制备膜电极并模压后处理备用。在碳纸基体制备过程中，将直径为0.04mm的纤维金属丝如图3所示均匀伏埋铺设到碳纸的1/2厚度处，一体成型，然后在碳纸基体单侧制备微孔层。为防止柔丝电极刺穿质子膜造成短路，沿质子膜外沿热压一圈ABS材质的硬质塑料膜，将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40％。

实施例2

选择市售铂碳催化剂和厚度为120um的质子膜，以CCM工艺制备膜电极并模压后处理备用。在碳纸基体制备过程中，将直径为0.04mm的纤维金属丝如图3所示均匀伏埋铺设到碳纸的1/3厚度处，一体成型，然后在碳纸基体单侧制备微孔层。为防止柔丝电极刺穿质子膜造成短路，沿质子膜外沿热压一圈PVC材质的硬质塑料膜，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30％。

实施例3

选择市售铂碳催化剂和厚度为180um的质子膜，以CCM工艺制备膜电极并模压后处理备用。在碳纸基体制备过程中，将直径为0.04mm的纤维金属丝如图3所示均匀伏埋铺设到碳纸的1/3厚度处，一体成型，然后在碳纸基体单侧制备微孔层。为防止柔丝电极刺穿质子膜造成短路，沿质子膜外沿热压一圈POM材质的硬质塑料膜，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1.15MPa。成本较传统同功率燃料电池降低30％。

Claims (2)

1.一种以扩散层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、伏埋有柔丝电极的H₂扩散层、阳极催化层、质子膜、阴极催化层、伏埋有柔丝电极的O₂扩散层、阴极板组成；所述燃料电池的电子传输在电池本体外部，其传输路线由H₂扩散层2中伏埋的柔丝电极直接输出到外电路，在外电路做功后经O₂扩散层中伏埋的柔丝电极返回。

2.如权利要求1所述的一种以扩散层作集电极的燃料电池，其特征在于，所述柔丝电极呈网状伏埋在H₂扩散层及O₂扩散层的碳纸基体中。