CN110380075A - 一种侧面进气的燃料电池电堆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种侧面进气的燃料电池电堆。该燃料电池电堆为依次堆叠在一起的首端板、首端缓冲板、首端绝缘板、首端导电板、多个并列放置的燃料电池单体、末端导电板、末端绝缘板、末端缓冲板和末端板；燃料电池单体包括依次堆叠放置在一起的：水空流场板、膜电极和氢气流场板，膜电极位于水空流场板和氢气流场板之间。本发明在膜电极质子交换膜的阴极面表面还涂覆有Pt‑Ni合金催化剂。
Description
技术领域
本发明型专利属于燃料电池领域，具体涉及到一种侧面进气的燃料电池电堆。
背景技术
流场是在双极板上加工的各种形状的沟槽，为反应剂及反应产物提供进出通道。流场设计要求如下：(1)流场设计的基本原则是保证在一定的反应及供应量情况下，电极各处均能获得充足的反应剂；(2)依据电极与双极板材料的导电特性，流畅沟槽的面积应有一个最优值；(3)流场结构所决定的反应剂在流场内部的流动状态，应有利于反应剂经电极扩散层向催化层反应电的传递，并能促进反应产物的顺利排出；(4)在一定流量下，反应剂通过流场的压力降要适中。
所以，在进行流场设计过程中，需保证在一定的反应及供应量情况下，电极各处均能获得充足的反应剂；双极板的开孔率(沟槽面积和电极总面积之比)应由一个最优值，应在40～75％之间；在一定流量下，反应剂通过流场的压力降要适中。
现有的流场板在保证反应量充沛的情况下，流场板的导电性及流阻难以满足需求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种侧面进气的燃料电池电堆。
本发明采用的技术方案为：
一种侧面进气的燃料电池电堆，该燃料电池电堆为依次堆叠在一起的首端板、首端缓冲板、首端绝缘板、首端导电板、多个并列放置的燃料电池单体、末端导电板、末端绝缘板、末端缓冲板和末端板；
燃料电池单体包括依次堆叠放置在一起的：水空流场板(7)、膜电极(9)和氢气流场板(8)，膜电极(9)位于水空流场板(7)和氢气流场板(8)之间；
水空流场板(7)包括空气进气通道(1)、空气排气通道(2)、冷却液进入通道(5)、冷却液排出通道(6)；氢气流场板(8)包括氢气进气通道(3)和氢气排气通道(4)；
水空流场板(7)的一侧面设置有冷却液流动通道、冷却液导流槽和空气导流槽，另一侧面设置有空气流动通道，氢气流场板(8)的一侧面为氢气流动通道，另一侧面设置有氢气导流槽；
水空流场板(7)设置有冷却液流动通道的一侧面与氢气流场板(8)设置有氢气导流槽的一侧面粘合在一起，水空流场板(7)设置有空气流动通道的一侧面与膜电极(9)的阴极面贴合在一起；膜电极(9)的阳极面与氢气流场板(8)设置有氢气流动通道的一侧面贴合在一起；
冷却液从冷却液进入通道(5)流入，依次经过冷却液导流槽、冷却液流动通道以及冷却液导流槽后，从冷却液排出通道(6)流出；
空气从空气进气通道(1)流入，依次经过空气导流槽、空气流动通道以及空气导流槽后，从空气排气通道(2)流出；
氢气从氢气进气通道(3)流入，依次经过氢气导流槽、氢气流动通道以及氢气导流槽后，从氢气排气通道(4)流出。
冷却液导流槽、冷却液流动通道、冷却液进入通道(5)以及冷却液排出通道(6)位于水空流场板(7)的同一侧；空气进气通道(1)、空气排气通道(2)以及空气导流槽位于水空流场板(7)的同一侧，空气流动通道位于另外一侧；氢气进气通道(3)、氢气排气通道(4)以及氢气导流槽位于氢气流场板(8)的同一侧，氢气流动通道位于另外一侧。
空气进气通道(1)与空气排气通道(2)分布于水空流场板(7)左右边缘，冷却液进入通道(5)和冷却液排出通道(6)分布于水空流场板(7)上下边缘；氢气进气通道(3)和氢气排气通道(4)分布于氢气流场板(8)左右边缘；冷却液流动通道为下端流入、上端流出。
冷却液流动通道为直流道；空气流动通道和氢气流动通道均为Z字形流道，且呈X状交错。
空气流动通道包括进气段、排气段以及连接进气段和排气段的过渡段，进气段、排气段与过渡段之间均为90°夹角且过渡段与进气段、排气段连接处均有倒角，空气流动通道的横截面为矩形，空气流动通道的深度为0.3-0.5mm，宽度为0.8-1.5mm，相邻空气流动通道之间的脊宽为0.5-1mm，倒角圆弧半径为0.5-1mm；
进气段最大长度为160-140mm，最小长度为0.8-2mm，最大长度和最小长度之间均匀变化，进气段的长度与流道顺序成一次负相关，其斜率为-1；过渡段长度恒定，为80-85mm，排气段最小长度为0.8-2mm，最大长度为130-150mm，最小长度和最大长度之间均匀变化，排气段的长度与流道顺序成一次正相关，其斜率为1；且排气段按照从小到大的排列顺序与进气段从大到小的排列顺序一一对应。
氢气流动通道包括进气段、排气段以及连接进气段和排气段的过渡段，进气段、排气段与过渡段之间均为90°夹角且过渡段与进气段、排气段连接处均有倒角，氢气流动通道的横截面为矩形，氢气流动通道的深度为0.4-0.7mm，宽度为1-1.5mm，相邻氢气流动通道之间的脊宽为0.8-1.2mm，倒角圆弧半径为0.5-1mm；
进气段最大长度为130-140mm，最小长度为1.5-2mm，最大长度和最小长度之间均匀变化，进气段的长度与流道顺序成一次正相关，其斜率为0.99，过渡段长度均匀变化，为120-140mm，过渡段的长度与流道顺序成一次正相关，其斜率为0.73；排气段最小长度为0.5-1mm，最大长度为120-140mm，最小长度和最大长度和间均匀变化，排气段的长度与流道顺序成一次负相关，其斜率为-1。
膜电极(9)包括阴极基底、质子交换膜和阳极基底，在质子交换膜的阴极面表面涂覆有Pt-Ni合金催化剂，该催化剂通过如下方式制备：
步骤1、将铂盐和镍盐溶解于第一溶剂中，磁力搅拌得到铂盐和镍盐的混合溶液，所述第一溶剂为酰胺类溶剂；
步骤2、将步骤1制得的混合溶液转移至反应斧内并向所述反应釜内鼓入CO气体，加热至160℃～210℃反应10～60min，通过搅拌的方式使反应液冷却，得到Pt-Ni合金纳米晶溶液；
步骤3、将碳载体分散在第二溶剂中，得到碳载体悬浮液；
步骤4、将步骤2所述Pt-Ni合金纳米晶溶液分散在步骤3所述碳载体悬浮液中，搅拌至少3h，然后过滤、洗涤、干燥，得到以Pt-Ni合金为活性成分的Pt-Ni/C催化剂。
所述的酰胺类溶剂为甲酰哌啶或者二甲基酰胺中的一种或者两者组合；所述的铂盐和镍盐的摩尔比为1:(0.3～3)，所述铂盐在所述第一溶剂中的浓度为1.5～6mmol/L；所述的反应釜内CO气体的压力为1.5～3.0bar。
所述的将步骤2所述Pt-Ni合金纳米晶溶液分散在步骤3所述碳载体悬浮液中，包括：
先对步骤2得到的Pt-Ni合金纳米晶溶液进行超声处理至少0.5h，然后在搅拌步骤3所述碳载体悬浮液的同时，逐滴向所述碳载体悬浮液中加入步骤2所述Pt-Ni合金纳米晶溶液，加完后超声处理至少0.5h，使所述Pt-Ni合金纳米晶溶液均匀分散在所述碳载体悬浮液中。
步骤4所述的洗涤包括：将滤饼用有机溶剂和去离子水交替洗涤数次，其中，所用的有机溶剂为无水乙醇或丙酮中的至少一种；步骤4中所述的干燥，包括在60～80℃下真空干燥。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)流道宽度设计合理，质子交换膜与流道脊充分接触的前提下，得到足够的支撑，降低了接触电阻，增加了反应面积；
(2)流道深度设计合理，在保证流场板足够薄的前提下，满足流阻需求。
(3)本发明提供的质子交换膜燃料电池膜电极Pt-Ni合金催化剂的制备方法，将铂盐和镍盐在酰胺类溶剂中进行反应，由于酰胺类的溶剂结合CO气体分子，与金属前驱体共同形成了金属原子配合物，配合物的长度和形式随着高压釜内CO压力发生变化，从而调控Pt原子和Ni原子在不同晶面上的沉积速率，实现在不使用长碳链的表面活性剂的条件下制备出形貌可控的Pt-Ni合金催化剂；该方法操作简单，产率较高，降低了催化剂生产成本，且制备得到的Pt-Ni合金催化剂表面非常洁净，活性位点不会被表面活性剂吸附占据，有效提高了催化剂的催化活性。
附图说明
图1为本发明一种侧面进气的燃料电池电堆的水空板空气侧流道；
图2为本发明一种侧面进气的燃料电池电堆的水空板水侧流道；
图3为本发明一种侧面进气的燃料电池电堆的氢气板氢气流道；
图4为本发明一种侧面进气的燃料电池电堆单体的三维示意模型；
图5为100片组成的电堆进行了性能测试结果示意图。
具体实施方式
本发明提出了一种侧面进气的燃料电池电堆，该燃料电池电堆为依次堆叠在一起的首端板、首端缓冲板、首端绝缘板、首端导电板、多个并列放置的燃料电池单体、末端导电板、末端绝缘板、末端缓冲板和末端板；
如图4所示，燃料电池单体包括依次堆叠放置在一起的：水空流场板7、膜电极9和氢气流场板8，膜电极9位于水空流场板7和氢气流场板8之间；
如图1、2所示，水空流场板7包括空气进气通道1、空气排气通道2、冷却液进入通道5、冷却液排出通道6；如图3所示，氢气流场板8包括氢气进气通道3和氢气排气通道4；
如图1、2所示，水空流场板7的一侧面设置有冷却液流动通道、冷却液导流槽和空气导流槽，另一侧面设置有空气流动通道，氢气流场板8的一侧面为氢气流动通道，另一侧面设置有氢气导流槽；
水空流场板7设置有冷却液流动通道的一侧面与氢气流场板8设置有氢气导流槽的一侧面粘合在一起，水空流场板7设置有空气流动通道的一侧面与膜电极9的阴极面贴合在一起；膜电极9的阳极面与氢气流场板8设置有氢气流动通道的一侧面贴合在一起；
冷却液从冷却液进入通道5流入，依次经过冷却液导流槽、冷却液流动通道以及冷却液导流槽后，从冷却液排出通道6流出；
空气从空气进气通道1流入，依次经过空气导流槽、空气流动通道以及空气导流槽后，从空气排气通道2流出；
氢气从氢气进气通道3流入，依次经过氢气导流槽、氢气流动通道以及氢气导流槽后，从氢气排气通道4流出。
冷却液导流槽、冷却液流动通道、冷却液进入通道5以及冷却液排出通道6位于水空流场板7的同一侧；空气进气通道1、空气排气通道2以及空气导流槽位于水空流场板7的同一侧，空气流动通道位于另外一侧；氢气进气通道3、氢气排气通道4以及氢气导流槽位于氢气流场板8的同一侧，氢气流动通道位于另外一侧。
空气进气通道1与空气排气通道2分布于水空流场板7左右边缘，冷却液进入通道5和冷却液排出通道6分布于水空流场板7上下边缘；氢气进气通道3和氢气排气通道4分布于氢气流场板8左右边缘；冷却液流动通道为下端流入、上端流出。
冷却液流动通道为直流道；空气流动通道和氢气流动通道均为Z字形流道，且呈X状交错。极板设计的基本原则是保证反应介质和冷却介质在设计的反应点和压和供应量情况下，电极各处均能获得压力和流量满足要求的反应剂和换热量；根据极板材料的强度特性和加工特性，极板基底厚度应有最优值；流场结构决定反应介质在流场内部的流动状态，在满足反应介质由流道向扩散层传递和反应生成水通过流道排出的前提下，流场沟槽深度应适中；在设计工况条件下，极板介质流通的流阻要适中；通道宽度太大，将使通道内的MEA面积增加而得不到足够的机械支撑；而通道宽度小，则反应气体无法得到较多的MEA接触面积；通道深度的增加会减小通道内的压降，这样会增加极板的厚度，不利于提高体积和质量功率密度；若通道深度太小，则有可能因MEA的碳纸组成堵塞通道致使反应气体流通不畅；减小通道间的台肩宽度可以促进台肩下MEA部分的气体与水的排出，但当台肩宽度减小，电池内部的接触电阻上升，也不利于电池性能的提高。
气体在流场内部的短路是指气体流经流场台肩底部的扩散层，而不沿着流场的通道流动的一种现象。发生气体短路的原因是相邻通道存在压差，气体速率较大时更易发生。短路的结果是导致气体流速降低，使积累在通道内的液态水滴不能有效地排出，进而增加流动阻力、加重气体短路现象，这是一个恶性循环过程。
在设计流场时，可通过加大蛇形流场在拐角处台肩宽度、减小气体在通道内的流动阻力和气速、增加台肩底部阻止气体通过的能力(增加压紧力或采用孔隙率较低的碳纸等)、拐角采用圆角等方法来减小发生气体短路的可能性。
最优化的流场结构应该考虑流场与MEA的最大接触面积同时为电化学反应提供足够的反应气体。通常来说，细密化的通道和台肩对于MEA的机械支撑是有利的，因为细密化的流场减小的台肩支撑的跨度。虽然宽台肩能提高电和热传导性能，但是它增加了通道间距、减小了MEA与反应气体的接触面积、增加水在这部分气体扩散电极中的积累。
空气流动通道包括进气段、排气段以及连接进气段和排气段的过渡段，进气段、排气段与过渡段之间均为90°夹角且过渡段与进气段、排气段连接处均有倒角，空气流动通道的横截面为矩形，空气流动通道的深度为0.3-0.5mm，宽度为0.8-1.5mm，相邻空气流动通道之间的脊宽为0.5-1mm，倒角圆弧半径为0.5-1mm；
进气段最大长度为160-140mm，最小长度为0.8-2mm，最大长度和最小长度之间均匀变化，进气段的长度与流道顺序成一次负相关，其斜率为-1；过渡段长度恒定，为80-85mm，排气段最小长度为0.8-2mm，最大长度为130-150mm，最小长度和最大长度之间均匀变化，排气段的长度与流道顺序成一次正相关，其斜率为1；且排气段按照从小到大的排列顺序与进气段从大到小的排列顺序一一对应。
氢气流动通道包括进气段、排气段以及连接进气段和排气段的过渡段，进气段、排气段与过渡段之间均为90°夹角且过渡段与进气段、排气段连接处均有倒角，氢气流动通道的横截面为矩形，氢气流动通道的深度为0.4-0.7mm，宽度为1-1.5mm，相邻氢气流动通道之间的脊宽为0.8-1.2mm，倒角圆弧半径为0.5-1mm；
进气段最大长度为130-140mm，最小长度为1.5-2mm，最大长度和最小长度之间均匀变化，进气段的长度与流道顺序成一次正相关，其斜率为0.99，过渡段长度均匀变化，为120-140mm，过渡段的长度与流道顺序成一次正相关，其斜率为0.73；排气段最小长度为0.5-1mm，最大长度为120-140mm，最小长度和最大长度和间均匀变化，排气段的长度与流道顺序成一次负相关，其斜率为-1。水空流场板7和氢气流场板8的材质是石墨板。
膜电极9包括阴极基底、质子交换膜和阳极基底，在质子交换膜的阴极面表面涂覆有催化剂Pt-Ni合金催化剂。
该Pt-Ni合金催化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将铂盐和镍盐溶解于第一溶剂中，磁力搅拌得到铂盐和镍盐的混合溶液，所述第一溶剂为酰胺类溶剂；
具体地，本发明实施例中铂盐优选Pt(acac)2、K2PtCl6、H2PtCl6中的一种或一种以上组合，镍盐优选Ni(acac)2、NiCl2中的一种或一种以上组合；
铂盐和镍盐的摩尔比优选1:(0.3～3)，该配比既有利于控制晶体形貌，又能够保证催化剂活性，有利于提高催化剂的催化效果，当铂盐和镍盐的摩尔比优选1:1时得到的催化剂催化效果最佳；
所述的酰胺类溶剂优选甲酰哌啶或者二甲基酰胺中的一种或一种以上组合，优选二甲基酰胺；
步骤2、将步骤1制得的混合溶液转移至反应斧内并向所述反应釜内鼓入CO气体，加热至160℃～210℃反应10～60min，通过搅拌的方式使反应液冷却，得到Pt-Ni合金纳米晶溶液；
反应釜内CO的压力优选1.5～3.0bar。当CO压力较低时，CO气体分子迅速吸附在溶液中新形成的Pt-Ni合金簇表面，起类似表面活性剂的作用，使形成的晶核尺寸非常均匀；在接下来的晶核生长过程中，CO气体分子在(100)面的吸附较(111)面强，因此，CO压力较低时合成的合金含有较多立方体形貌。当CO压力较高时，酰胺类溶剂结合CO气体分子，可以与金属前驱体共同形成金属原子配合物(metal atom complex)，配合物的长度和形式随着通入CO气体的时间发生变化，从而调控Pt原子和Ni原子在不同晶面上的沉积速率。当CO气体压力为2.0bar时，金属原子配合物的形式有利于Pt原子和Ni原子在(100)晶面的优先沉积，合成了具有(111)优势晶面的八面体/截角八面体Pt3Ni合金。
本发明实施例中，铂盐和镍盐在160～210℃下反应10～60min；当反应温度过高或过低时，金属原子在Pt-Ni合金的各晶面上的沉积速率差别很小，容易导致最终合成的纳米颗粒形貌不规则，当反应温度为160～210℃时，可以确保最终合成的纳米颗粒形貌规则可控；
步骤3、将碳载体分散在第二溶剂中，得到碳载体悬浮液；
本发明实施例中，第二溶剂为小分子溶剂，如乙醇、丙酮、水等，用于均匀分散碳载体；碳载体在第二溶剂中的浓度优选1～5mg/ml。
步骤4、将步骤2所述Pt-Ni合金纳米晶溶液分散在步骤3所述碳载体悬浮液中，搅拌至少3h，然后过滤、洗涤、干燥，得到以Pt-Ni合金为活性成分的Pt-Ni/C催化剂。
具体地，本发明实施例中优选先对步骤2得到的Pt-Ni合金纳米晶溶液进行超声处理至少0.5h，然后在高速搅拌所述碳载体悬浮液的同时，逐滴向所述碳载体悬浮液中缓慢加入所述Pt-Ni合金纳米晶溶液，加完后超声处理至少0.5h，使所述Pt-Ni合金纳米晶溶液均匀分散在所述碳载体悬浮液中，其中搅拌时转速优选600～800rpm；分散均匀后搅拌，搅拌时间优选3-8h以确保晶体均匀负载在碳载体表面，反应完全后，通过有机溶剂如无水乙醇、丙酮等进行过滤洗涤，最后进行水洗，洗涤后在60～80℃下进行真空干燥，干燥时间优选5-8h。
本发明实施例提供的形貌可控的Pt-Ni合金催化剂的制备方法，在CO压力下将铂盐和镍盐在酰胺类溶剂中进行反应，由于酰胺类溶剂结合CO气体分子，与金属前驱体共同形成了金属原子配合物，以调控Pt原子和Ni原子在不同晶面上的沉积速率，从而实现在不使用长碳链表面活性剂的条件下制备出形貌可控的Pt-Ni合金催化剂，该方法操作简单，产率较高，降低了催化剂生产成本，且制备得到的Pt-Ni合金催化剂表面非常洁净，活性位点不会被表面活性剂吸附占据，有效提高了催化剂的催化活性。
本发明实施例还提供了一种Pt-Ni合金催化剂，该催化剂由上述方法实施例制备得到。所述的Pt-Ni合金催化剂，形貌优选立方体、八面体或截角八面体。
以下为本发明Pt-Ni合金催化剂的几个具体实施例：
实施例1
将23.4mg Pt(acac)2和6.1mg Ni(acac)2溶解于12mL甲酰哌啶中，随后将得到的混合均匀的溶液转移至聚四氟乙烯衬底的不锈钢反应釜内，向反应釜内鼓入2.0bar压力的CO气体并且将其密封，然后在1h内将反应釜从室温加热到200℃，并于200℃保持10min，反应结束后降温至室温，得到Pt-Ni合金纳米晶溶液；
将25mg活性碳加入到10mL乙醇溶液中，并超声1h，再搅拌1h，得到碳载体悬浮液；
将合成得到的Pt-Ni合金纳米晶溶液超声0.5h，使其分散均匀，在700rpm转速下搅拌所述碳载体悬浮液的同时，将分散均匀的所述Pt-Ni合金纳米晶溶液逐滴缓慢加入到碳载体悬浮液中，滴加完后对混合液进行超声处理0.5h，在室温下继续搅拌8h，过滤，洗涤，真空干燥，即得到Pt-Ni合金催化剂。本实施例制得的Pt-Ni合金形貌大部分为立方体。
实施例2
将23.4mg Pt(acac)2和6.1mg Ni(acac)2溶解于12mL甲酰哌啶中，随后将得到的混合均匀的溶液转移至聚四氟乙烯衬底的不锈钢反应釜内，向反应釜内鼓人2.0bar压力的CO气体并且将其密封，然后在1h内将反应釜从室温加热到200℃，并于200℃保持30min，反应结束后，通过磁力搅拌降温至室温，得到Pt-Ni合金纳米晶溶液；
将25mg活性碳加入到10mL乙醇溶液中，并超声1h，再搅拌1h，得到碳载体悬浮液；
将合成得到的Pt-Ni合金纳米晶溶液超声0.5h，使其分散均匀，在700rpm转速下搅拌所述碳载体悬浮液的同时，将分散均匀的所述Pt-Ni合金纳米晶溶液逐滴缓慢加入到碳载体悬浮液中，滴加完后对混合液进行超声处理0.5h，在室温下继续搅拌8h，过滤，洗涤，真空干燥，即得到Pt-Ni合金催化剂。本实施例制得的Pt-Ni合金形貌为立方体。
实施例3
将23.4mg Pt(acac)2和6.1mg Ni(acac)2溶解于12mL甲酰哌啶中，随后将得到的混合均匀的溶液转移至聚四氟乙烯衬底的不锈钢反应釜内，向反应釜内鼓人2.0bar压力的CO气体并且将其密封，然后在1h内将反应釜从室温加热到200℃，并于200℃保持60min，反应结束后，通过磁力搅拌降温至室温，得到Pt-Ni合金纳米晶溶液；
将25mg活性碳加入到10mL乙醇溶液中，并超声1h，再搅拌1h，得到碳载体悬浮液；
将合成得到的Pt-Ni合金纳米晶溶液超声0.5h，使其分散均匀，在700rpm转速下搅拌所述碳载体悬浮液的同时，将分散均匀的所述Pt-Ni合金纳米晶溶液逐滴缓慢加入到碳载体悬浮液中，滴加完后对混合液进行超声处理0.5h，在室温下继续搅拌8h，过滤，洗涤，真空干燥，即得到形貌可控Pt-Ni合金催化剂。本实施例制得的Pt-Ni合金形貌为截角八面体。
实施例4
将20.0mg Pt(acac)2和8.1mg Ni(acac)2溶解于12mL甲酰哌啶中，随后将得到的混合均匀的溶液转移至聚四氟乙烯衬底的不锈钢反应釜内，向反应釜内鼓人2.0bar压力的CO气体并且将其密封，然后在1h内将反应釜从室温加热到200℃，并于200℃保持30min，反应结束后，通过磁力搅拌降温至室温，得到Pt-Ni合金纳米晶溶液；
将25mg活性碳加入到10mL乙醇溶液中，并超声1h，再搅拌1h，得到碳载体悬浮液；
将合成得到的Pt-Ni合金纳米晶溶液超声0.5h，使其分散均匀，在700rpm转速下搅拌所述碳载体悬浮液的同时，将分散均匀的所述Pt-Ni合金纳米晶溶液逐滴缓慢加入到碳载体悬浮液中，滴加完后对混合液进行超声处理0.5h，在室温下继续搅拌8h，过滤，洗涤，真空干燥，即得到Pt-Ni合金催化剂。本实施例制得的Pt-Ni合金形貌为八面体。
实施例5
将7.9mg Pt(acac)2和18.3mg Ni(acac)2溶解于12mL甲酰哌啶中，随后将得到的混合均匀的溶液转移至聚四氟乙烯衬底的不锈钢反应釜内，向反应釜内鼓人2.0bar压力的CO气体并且将其密封，然后在1h内将反应釜从室温加热到200℃，并于200℃保持30min，反应结束后，通过磁力搅拌降温至室温，得到Pt-Ni合金纳米晶溶液；
将25mg活性碳加入到10mL乙醇溶液中，并超声1h，再搅拌1h，得到碳载体悬浮液；
将合成得到的Pt-Ni合金纳米晶溶液超声0.5h，使其分散均匀，在700rpm转速下搅拌所述碳载体悬浮液的同时，将分散均匀的所述Pt-Ni合金纳米晶溶液逐滴缓慢加入到碳载体悬浮液中，在室温下继续搅拌8h，过滤，洗涤，真空干燥，即得到形貌可控Pt-Ni合金催化剂。本实施例制得的Pt-Ni合金形貌为多面体。
将实施例1-5提供的Pt-Ni合金催化剂制成工作电极，制备方法如下：
取3.0mg Pt-Ni合金催化剂，加入1.0mL异丙醇，超声波分散1min，然后加入4.0mL超纯水和25.0μL纯的117-Nafion溶液，超声分散15min配制成浓度为0.6mg/mL的催化剂浆料，用微量移液器吸取10.0μL催化剂浆料，涂在直径为5mm的旋转圆盘电极表面，自然干燥后，再重复以上过程3次，最后形成均一的催化层，得到工作电极；同样的方法将商业Pt催化剂制备成工作电极作为对比例。
对所述工作电极进行氧还原反应催化活性测试，测试方法为：
将工作电极插入电解液中，采用RHE电极作为参比电极，采用1.0cm×1.0cm Pt片作为对电极，进行电化学性能测试，其中电解液为HClO4水溶液，其中HClO4的浓度为0.1mol.L-1，测试之前向电解液中通氧气30min，测试过程中持续向溶液中通入氧气。测试电势范围为0～1.1V，电极转速为1600rpm，扫描速率为10mV/s。实施例1-5提供的Pt-Ni催化剂表现出了电催化活性，各催化剂在0.9V的电催化活性如表1所示。
表1催化剂催化氧还原反应电流密度数据表
通过上述方案，本发明对100片组成的电堆进行了性能测试，性能测试良好，额定功率超过理论计算数值18kW，实测峰值功率达到25kW。图5所示为100片单片电压在某电流下时的单片电压数值，各个单体电压稳定，电堆性能优良。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域的公知技术。
Claims (10)
1.一种侧面进气的燃料电池电堆，其特征在于：该燃料电池电堆为依次堆叠在一起的首端板、首端缓冲板、首端绝缘板、首端导电板、多个并列放置的燃料电池单体、末端导电板、末端绝缘板、末端缓冲板和末端板；
燃料电池单体包括依次堆叠放置在一起的：水空流场板(7)、膜电极(9)和氢气流场板(8)，膜电极(9)位于水空流场板(7)和氢气流场板(8)之间；
水空流场板(7)包括空气进气通道(1)、空气排气通道(2)、冷却液进入通道(5)、冷却液排出通道(6)；氢气流场板(8)包括氢气进气通道(3)和氢气排气通道(4)；
水空流场板(7)的一侧面设置有冷却液流动通道、冷却液导流槽和空气导流槽，另一侧面设置有空气流动通道，氢气流场板(8)的一侧面为氢气流动通道，另一侧面设置有氢气导流槽；
水空流场板(7)设置有冷却液流动通道的一侧面与氢气流场板(8)设置有氢气导流槽的一侧面粘合在一起，水空流场板(7)设置有空气流动通道的一侧面与膜电极(9)的阴极面贴合在一起；膜电极(9)的阳极面与氢气流场板(8)设置有氢气流动通道的一侧面贴合在一起；
冷却液从冷却液进入通道(5)流入，依次经过冷却液导流槽、冷却液流动通道以及冷却液导流槽后，从冷却液排出通道(6)流出；
空气从空气进气通道(1)流入，依次经过空气导流槽、空气流动通道以及空气导流槽后，从空气排气通道(2)流出；
氢气从氢气进气通道(3)流入，依次经过氢气导流槽、氢气流动通道以及氢气导流槽后，从氢气排气通道(4)流出。
2.根据权利要求1所述的一种侧面进气的燃料电池电堆，其特征在于：冷却液导流槽、冷却液流动通道、冷却液进入通道(5)以及冷却液排出通道(6)位于水空流场板(7)的同一侧；空气进气通道(1)、空气排气通道(2)以及空气导流槽位于水空流场板(7)的同一侧，空气流动通道位于另外一侧；氢气进气通道(3)、氢气排气通道(4)以及氢气导流槽位于氢气流场板(8)的同一侧，氢气流动通道位于另外一侧。
3.根据权利要求1所述的一种侧面进气的燃料电池电堆，其特征在于：空气进气通道(1)与空气排气通道(2)分布于水空流场板(7)左右边缘，冷却液进入通道(5)和冷却液排出通道(6)分布于水空流场板(7)上下边缘；氢气进气通道(3)和氢气排气通道(4)分布于氢气流场板(8)左右边缘；冷却液流动通道为下端流入、上端流出。
4.根据权利要求1所述的一种侧面进气的燃料电池电堆，其特征在于：冷却液流动通道为直流道；空气流动通道和氢气流动通道均为Z字形流道，且呈X状交错。
5.根据权利要求4所述的一种侧面进气的燃料电池电堆，其特征在于：空气流动通道包括进气段、排气段以及连接进气段和排气段的过渡段，进气段、排气段与过渡段之间均为90°夹角且过渡段与进气段、排气段连接处均有倒角，空气流动通道的横截面为矩形，空气流动通道的深度为0.3-0.5mm，宽度为0.8-1.5mm，相邻空气流动通道之间的脊宽为0.5-1mm，倒角圆弧半径为0.5-1mm；
进气段最大长度为160-140mm，最小长度为0.8-2mm，最大长度和最小长度之间均匀变化，进气段的长度与流道顺序成一次负相关，其斜率为-1；过渡段长度恒定，为80-85mm，排气段最小长度为0.8-2mm，最大长度为130-150mm，最小长度和最大长度之间均匀变化，排气段的长度与流道顺序成一次正相关，其斜率为1；且排气段按照从小到大的排列顺序与进气段从大到小的排列顺序一一对应。
6.根据权利要求4所述的一种侧面进气的燃料电池电堆，其特征在于：氢气流动通道包括进气段、排气段以及连接进气段和排气段的过渡段，进气段、排气段与过渡段之间均为90°夹角且过渡段与进气段、排气段连接处均有倒角，氢气流动通道的横截面为矩形，氢气流动通道的深度为0.4-0.7mm，宽度为1-1.5mm，相邻氢气流动通道之间的脊宽为0.8-1.2mm，倒角圆弧半径为0.5-1mm；
进气段最大长度为130-140mm，最小长度为1.5-2mm，最大长度和最小长度之间均匀变化，进气段的长度与流道顺序成一次正相关，其斜率为0.99，过渡段长度均匀变化，为120-140mm，过渡段的长度与流道顺序成一次正相关，其斜率为0.73；排气段最小长度为0.5-1mm，最大长度为120-140mm，最小长度和最大长度和间均匀变化，排气段的长度与流道顺序成一次负相关，其斜率为-1。
7.根据权利要求1所述的一种侧面进气的燃料电池电堆，其特征在于：膜电极(9)包括阴极基底、质子交换膜和阳极基底，在质子交换膜的阴极面表面涂覆有Pt-Ni合金催化剂，该催化剂通过如下方式制备：
步骤1、将铂盐和镍盐溶解于第一溶剂中，磁力搅拌得到铂盐和镍盐的混合溶液，所述第一溶剂为酰胺类溶剂；
步骤2、将步骤1制得的混合溶液转移至反应斧内并向所述反应釜内鼓入CO气体，加热至160℃～210℃反应10～60min，通过搅拌的方式使反应液冷却，得到Pt-Ni合金纳米晶溶液；
步骤3、将碳载体分散在第二溶剂中，得到碳载体悬浮液；
步骤4、将步骤2所述Pt-Ni合金纳米晶溶液分散在步骤3所述碳载体悬浮液中，搅拌至少3h，然后过滤、洗涤、干燥，得到以Pt-Ni合金为活性成分的Pt-Ni/C催化剂。
8.根据权利要求7所述的一种侧面进气的燃料电池电堆，其特征在于：所述的酰胺类溶剂为甲酰哌啶或者二甲基酰胺中的一种或者两者组合；所述的铂盐和镍盐的摩尔比为1:(0.3～3)，所述铂盐在所述第一溶剂中的浓度为1.5～6mmol/L；所述的反应釜内CO气体的压力为1.5～3.0bar。
9.根据权利要求7所述的一种侧面进气的燃料电池电堆，其特征在于：所述的将步骤2所述Pt-Ni合金纳米晶溶液分散在步骤3所述碳载体悬浮液中，包括：
先对步骤2得到的Pt-Ni合金纳米晶溶液进行超声处理至少0.5h，然后在搅拌步骤3所述碳载体悬浮液的同时，逐滴向所述碳载体悬浮液中加入步骤2所述Pt-Ni合金纳米晶溶液，加完后超声处理至少0.5h，使所述Pt-Ni合金纳米晶溶液均匀分散在所述碳载体悬浮液中。
10.根据权利要求7所述的一种侧面进气的燃料电池电堆，其特征在于：步骤4所述的洗涤包括：将滤饼用有机溶剂和去离子水交替洗涤数次，其中，所用的有机溶剂为无水乙醇或丙酮中的至少一种；步骤4中所述的干燥，包括在60～80℃下真空干燥。
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