CN110289429B - 一种柔性质子交换膜燃料电池极板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提出了一种柔性质子交换膜燃料电池极板及其制备方法，包括：导电聚合物材料板，所述导电聚合物材料板的正反面采用卷对卷双面辊压工艺分别压印有分配区结构阵列、流道区结构阵列；所述流道区结构阵列位于所述导电聚合物材料板的表面的中部，所述流道区结构阵列两侧对称设置有分配区结构阵列；靠近其中一个分配区结构阵列的所述导电聚合物材料板的一侧设分别设置有氢气入口、水入口及氧气入口；靠近另外一个分配区结构阵列的所述导电聚合物材料板的相对的另一侧设分别设置有氢气出口、水出口及氧气出口。本公开基于导电聚合物的柔性质子交换膜燃料电池极板，具有质量轻、可折叠、可弯曲等优点，非常适合为柔性电子器件供能。

Description

一种柔性质子交换膜燃料电池极板及其制备方法
技术领域
本公开涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种柔性质子交换膜燃料电池极板及其制备方法。
背景技术
柔性电子是将有机/无机材料电子器件制作在柔性塑料基板上的新兴电子技术，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景，如柔性电子显示器、有机发光二极管(OLED)、柔性可穿戴电子、薄膜太阳能电池和柔性射频识别(RFID)等。柔性电子产品具备可弯折性，因此核心部件都需要具备可弯折性，如柔性电池、柔性电路等。
中国专利CN 109713376 A公开了一种柔性电池及其制备方法，柔性电池主体包括电解液、电极组装体以及用于封装电解液和所述电极组装体的外包装膜，该柔性电池是通过电解液产生电能。
中国专利CN 109524648 A公开了一种含纳米硅的多孔碳纳米管柔性电池材料及其制备方法，将聚丙烯腈、造孔剂和表面改性的硅源颗粒加入到有机溶剂中，加热搅拌超声混合分散均匀，得到纺丝浆液，再通过静电纺丝制备具有取向纤维的纳米纤维薄膜，然后在惰性气氛下经过预氧化和碳化过程，得到含硅源颗粒的多孔碳纳米管柔性材料，最后与镁粉混合，在惰性气氛下进行镁热还原反应，得到含纳米硅的多孔碳纳米管柔性电池材料，该专利聚焦于柔性电池新材料开发。
氢燃料电池由于清洁、高效、能源可再生，具有广泛应用前景。经过检索发现，现有的氢燃料电池主要基于金属极板(冲压制造等)或石墨极板(切削制造或模压制造等)，极板为刚性体，无法用于柔性电子产品。关于柔性燃料电池的专利报道较少。
发明内容
本说明书实施方式的目的是提供一种柔性质子交换膜燃料电池极板的制备方法，工艺简单、成本低、可连续加工，适合极板的大规模批量化加工。
说明书实施方式提供一种柔性质子交换膜燃料电池极板，通过以下技术方案实现：
包括：
导电聚合物材料板，所述导电聚合物材料板的正反面采用卷对卷双面辊压工艺分别压印有分配区结构阵列、流道区结构阵列；
所述流道区结构阵列位于所述导电聚合物材料板的表面的中部，所述流道区结构阵列两侧对称设置有分配区结构阵列；
靠近其中一个分配区结构阵列的所述导电聚合物材料板的一侧设分别设置有氢气入口、水入口及氧气入口；
靠近另外一个分配区结构阵列的所述导电聚合物材料板的相对的另一侧设分别设置有氢气出口、水出口及氧气出口。
进一步的技术方案，所述电池极板的最外层为一层耐腐蚀的金涂层。
进一步的技术方案，所述分配区结构阵列包括若干凸起结构；
所述分配区结构阵列为矩形阵列、正方形阵列、六边形阵列、圆形阵列、菱形阵列或三角形阵列。
进一步的技术方案，所述分配区结构阵列底部特征尺寸为50-800μm，深宽比≥0.1。
进一步的技术方案，所述凸起结构为圆柱形凸起结构、长方体凸起结构、正方体凸起结构或棱柱形凸起结构。
进一步的技术方案，所述流道区结构阵列包括若干二维槽型结构，所述二维槽型结构宽度为10-1000μm，深宽比≥0.2，间距为30-1000μm。
进一步的技术方案，所述金涂层厚度为5～100nm，均匀分布在极板正反表面。
说明书实施方式提供一种柔性质子交换膜燃料电池极板的制备方法，通过以下技术方案实现：
包括：
采用卷对卷双面辊压工艺在导电聚合物材料板的正反面压印分配区、流道区结构阵列；
然后采用冲裁工艺加工氢气入口、水入口、氧气入口、氢气出口、水出口、氧气出口；
最后通过镀膜工艺在导电聚合物材料板的表面正反面分别镀一层耐腐蚀的金涂层，得到柔性质子交换膜燃料电池极板。
进一步的技术方案，在卷对卷双面辊压工艺中，压印速度为0.3～20m/min，挤压力为30～80kgf，温度为80～150℃；
在冲裁工艺中，速度为0.1～100mm/s，冲裁力为1000～3000N；
在镀膜工艺中，真空度为1×10-5～4×10-5Pa。
说明书实施方式提供一种燃料电池，包括上述柔性质子交换膜燃料电池极板。
燃料电池为柔性燃料电池，由质子交换膜、极板等核心部件层叠式装配组成，质子交换膜起传质作用，极板是氢气、氧气、水的通道。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
本发明极板的制造方法中通过卷对卷双面辊压工艺加工分配区、流道区结构阵列，工艺简单、成本低、可连续加工，适合极板的大规模批量化加工；
本公开基于导电聚合物的柔性质子交换膜燃料电池极板，可加工性优于金属材料，更易制得大深宽比细密化流道结构，显著改善燃料电池的换热、传质性能。
本公开基于导电聚合物的柔性质子交换膜燃料电池极板，具有质量轻、可折叠、可弯曲等优点，非常适合为柔性电子器件供能。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例子的柔性质子交换膜燃料电池极板一种实施例的俯视图；
图2为本公开实施例子的质子交换膜燃料电池极板的制备流程图；
图3为本公开实施例子的柔性质子交换膜燃料电池极板流道区的剖视图；
图中，110-氢气入口；120-水入口；130-氧气入口；140-分配区结构阵列；150-流道区结构阵列；160-氢气出口；170-水出口；180-氧气出口；190-金涂层。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例子一
该实施例公开了一种柔性质子交换膜燃料电池极板，参见附图1所示，包括：
导电聚合物材料板，所述导电聚合物材料板的正反面采用卷对卷双面辊压工艺分别压印有分配区结构阵列140、流道区结构阵列150。
分配区结构阵列对流入的氢气、氧气、水起分配作用，使氢气、氧气、水能够均匀分布到所有流道。
流道区结构阵列入口进来的氢气、氧气、水，依次经过分配区、流道区，到达出口。
参见附图3所示，流道区结构阵列位于所述导电聚合物材料板(二维槽型结构阵列)的表面的中部，所述流道区结构阵列两侧对称设置有分配区结构阵列；
靠近其中一个分配区结构阵列的所述导电聚合物材料板的一侧设分别设置有氢气入口110、水入口120及氧气入口130；
靠近另外一个分配区结构阵列的所述导电聚合物材料板的相对的另一侧设分别设置有氢气出口160、水出口170及氧气出口180。电池极板的最外层为一层耐腐蚀的金涂层190。
电池反应原理：当氢气与氧气分别通入阳极极板和阴极极板时，进入阳极的氢气在催化剂作用下离化成氢离子和电子；电子经外电路转移到阴极，氢离子则经质子交换膜到达阴极；阴极的氧气与氢离子及电子反应生成水分子，其中产生的水随着尾气排出。
在一实施例子中，材料板的导电聚合物材料为PEDOT:PSS等。
在一实施例子中，氢气入口、水入口、氧气入口、氢气出口、水出口、氧气出口形状为矩形、正方形、梯形或圆形等。具体的形状可根据实际的要求进行制作。
在一实施例子中，分配区结构阵列包括若干凸起结构，凸起结构为圆柱形凸起结构、长方体凸起结构、正方体凸起结构或棱柱形凸起结构等。
在一实施例子中，分配区凸起结构底部特征尺寸(直径或边长)为50-800μm，深宽比≥0.1，此处是指每个凸起结构的几何参数。
在一实施例子中，分配区结构阵列呈矩形阵列、正方形阵列、六边形阵列、圆形阵列、菱形阵列或三角形阵列分布。
在一实施例子中，流道区结构阵列由若干二维槽型结构阵列组成。
在一实施例子中，二维槽型结构的宽度为10-1000μm，深宽比≥0.2，与相邻结构的间距为30-1000μm。此处是指每个槽型结构的几何参数。
在一实施例子中，金涂层厚度为5～100nm，均匀分布在极板表面。
在一实施例子中，制备的一种柔性质子交换膜燃料电池极板流道区结构阵列如图3所示，流道区结构阵列140的结构宽度为500μm，深宽比为0.5，间距为500μm；金涂层190的厚度为10nm。
在一实施例子中，流道区结构阵列140的结构宽度为300μm。
在一实施例子中，流道区结构阵列140的结构宽度为700μm。
在一实施例子中，流道区结构阵列140的结构深宽比为0.4。
在一实施例子中，流道区结构阵列140的结构深宽比为0.6。
在一实施例子中，流道区结构阵列140的结构二维槽型结构间距为300μm。
在一实施例子中，流道区结构阵列140的结构二维槽型结构间距为700μm。
在一实施例子中，金涂层190的厚度为20nm。
在一实施例子中，金涂层190的厚度为30nm。
表1是上述实施例子制备的柔性质子交换膜燃料电池极板换热性能、耐腐蚀性能统计表。换热性能检测方法是将柔性质子交换膜燃料电池极板统一加热到80℃，经过3min后再次检测极板流道区表面温度；耐腐蚀性能检测是将柔性质子交换膜燃料电池极板浸没在0.05mol/L的硫酸溶液中，10min中后取出观测极板表面腐蚀情况。
换热性能测试是为了分析二维槽型结构几何参数对电池性能的影响，换热性能越好越有利于电池稳定运行，温度过高会导致质子交换膜烧损；反应过程氢气产生大量氢离子，电池内部是一个酸性环境，耐腐蚀性能测试的为了分析金涂层厚度对电池寿命的影响，耐腐蚀性能越好，电池可以长时间稳定运行，要不然极板会被酸性环境腐蚀，从而漏气/水。
表1柔性质子交换膜燃料电池极板换热性能、耐腐蚀性能统计表
Figure BDA0002103630060000071
Figure BDA0002103630060000081
实施例子二
该实施例公开了一种柔性质子交换膜燃料电池极板的制备工艺流程如图2所示，通过卷对卷双面辊压工艺、冲裁工艺、镀膜工艺等步骤获得柔性质子交换膜燃料电池极板。
具体采用以下步骤：采用卷对卷双面辊压工艺在导电聚合物材料(PEDOT:PSS)正反面压印分配区140、流道区150结构阵列，然后采用冲裁工艺加工氢气入口110、水入口120、氧气入口130、氢气出口160、水出口170、氧气出口180，最后通过镀膜工艺在极板表面镀一层耐腐蚀的金涂层190，即可得到柔性质子交换膜燃料电池极板。
在卷对卷双面辊压工艺中，压印速度为0.3～20m/min，挤压力为30～80kgf，温度为80～150℃；在冲裁工艺中，速度为0.1～100mm/s，冲裁力为1000～3000N；在镀膜工艺中，真空度为1×10-5～4×10-5Pa。
可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料的特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种柔性质子交换膜燃料电池极板，其特征是，包括：
导电聚合物材料板，所述导电聚合物材料板的正反面采用卷对卷双面辊压工艺分别压印有分配区结构阵列、流道区结构阵列；
所述流道区结构阵列位于所述导电聚合物材料板的表面的中部，所述流道区结构阵列两侧对称设置有分配区结构阵列；
靠近其中一个分配区结构阵列的所述导电聚合物材料板的一侧设分别设置有氢气入口、水入口及氧气入口；
靠近另外一个分配区结构阵列的所述导电聚合物材料板的相对的另一侧设分别设置有氢气出口、水出口及氧气出口；
所述流道区结构阵列包括若干二维槽型结构，所述二维槽型结构宽度为10-1000μm，深宽比≥0.2，间距为30-1000μm。
2.如权利要求1所述的一种柔性质子交换膜燃料电池极板，其特征是，所述电池极板的最外层为一层耐腐蚀的金涂层。
3.如权利要求1所述的一种柔性质子交换膜燃料电池极板，其特征是，所述分配区结构阵列包括若干凸起结构；
所述分配区结构阵列为矩形阵列、正方形阵列、六边形阵列、圆形阵列、菱形阵列或三角形阵列。
4.如权利要求1或3所述的一种柔性质子交换膜燃料电池极板，其特征是，所述分配区结构阵列底部特征尺寸为50-800μm，深宽比≥0.1。
5.如权利要求3所述的一种柔性质子交换膜燃料电池极板，其特征是，所述凸起结构为圆柱形凸起结构、长方体凸起结构、正方体凸起结构或棱柱形凸起结构。
6.如权利要求2所述的一种柔性质子交换膜燃料电池极板，其特征是，所述金涂层厚度为5～100nm，均匀分布在极板正反表面。
7.权利要求1-6任一所述的一种柔性质子交换膜燃料电池极板的制备方法，其特征是，包括：
采用卷对卷双面辊压工艺在导电聚合物材料板的正反面压印分配区、流道区结构阵列；
然后采用冲裁工艺加工氢气入口、水入口、氧气入口、氢气出口、水出口、氧气出口；
最后通过镀膜工艺在导电聚合物材料板的表面正反面分别镀一层耐腐蚀的金涂层，得到柔性质子交换膜燃料电池极板。
8.权利要求7所述的一种柔性质子交换膜燃料电池极板的制备方法，其特征是，在卷对卷双面辊压工艺中，压印速度为0.3～20m/min，挤压力为30～80kgf，温度为80～150℃；
在冲裁工艺中，速度为0.1～100mm/s，冲裁力为1000～3000N；
在镀膜工艺中，真空度为1×10-5～4×10-5Pa。
9.一种燃料电池，包括上述权利要求1-6任一所述的柔性质子交换膜燃料电池极板。
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