CN111900428A - 一种具有高排水能力的燃料电池堆及其制备方法 - Google Patents

一种具有高排水能力的燃料电池堆及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有高排水能力的燃料电池堆及其制备方法，其中，该电池堆包括两端的电极板以及位于两块电极板之间的膜电极及密封垫，所述电极板的流场表面涂有氟硅油。与现有技术相比，本发明可以使得燃料电池堆的阳极以及阴极流场表面更为疏水，使得燃料电池堆的排水能力得到提高，从而避免了燃料电池堆发生水淹现象。

Description

一种具有高排水能力的燃料电池堆及其制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种高排水能力的燃料电池堆及其制备方法。
背景技术
燃料电池堆工作时，其内部发生了电化学反应。以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例。以氢气作为燃料，PEMFC的电极反应如下所示：
阳极：H2→2H++2e-
阴极：1/2O2+2H++2e-→H2O
诸多因素影响着燃料电池堆的性能。其中燃料电池堆的水管理是其中最为复杂的问题之一。一方面，质子交换膜必须保证足够的润湿程度以减小电池的欧姆损失，另一方面，过多的水会引起电池内部的水淹现象，阻碍反应物的传输。在电池运行过程中，水不断的在阴极催化层中产生。同时，H+阳极到阴极侧的移动会对水产生电渗拖拽作用，使得相当数量的水从阳极运动到阴极。这些水一部分在膜中反向扩散到阳极，一部分蒸发为气态以水蒸汽的形式传输，其余的将以液态的形式传输。
质子交换膜燃料电池的水淹以流道水淹为主，为了避免水淹现象的产生，现有技术一般采取两种措施：第一类是与CN109524684A或CN109301282A等专利类似，在流场板上布置微孔道或特殊形状流道，加快水的排出。第二类是与CN110112425等专利类似，在流道内设置疏水物质，且目前采用的疏水物质大多为聚四氟乙烯。但是，上述两种方法，对于解决水淹现象效果不够稳定，且操作较为复杂。
因此，本领域急需一种稳定性好、制备简单的具有高排水能力的燃料电池堆及其制备方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有高排水能力的燃料电池堆。
本申请之目的还在于提供上述燃料电池堆的制备方法。
为了实现本发明之目的，本申请提供以下技术方案。
在第一方面中，本申请提供一种具有高排水能力的燃料电池堆，所述电池堆包括两端的电极板以及位于两块电极板之间的膜电极及密封垫，所述电极板的流场表面涂有氟硅油。氟硅油作为一种疏水剂在双极板的流场表面的附着力很大，更容易将流场表面的水聚成水滴，因此，更容易排水。氟硅油作为一种疏水剂具有耐腐蚀性、电绝缘性能好、低的表面张力，并且可以在-60℃-250℃较大的工作区间内保持稳定性。
在第一方面的一种优选方式中，所述电极板的流场表面涂覆含有氟硅油的混合溶剂，所述混合溶剂中含有氟溶剂。氟硅油易溶于氟溶剂，加入氟溶剂可以降低氟硅油的粘度，增强其在各种工况下的适应性。
在第一方面的一种优选方式中，所述氟硅油与氟溶剂的重量比为1：(1～5)。
在第一方面的一种优选方式中，所述混合溶剂中含有水。加入水之后可以进一步降低氟硅油的黏度，增强其适应性。
在第一方面的一种优选方式中，所述氟溶剂和氟硅油的总质量与水的质量之比为(1～5)：1。
在第一方面的一种优选方式中，所述氟溶剂包括四氟化碳。由于四氟化碳在常温常压下为气态，因此本申请的四氟化碳在使用时，需经过高压液化。
在第一方面的一种优选方式中，所述氟硅油选用杜邦公司生产的氟硅油。
在第一方面的一种优选方式中，所述燃料电池堆包含空冷燃料电池堆或液冷燃料电池堆中的一种。
在第二方面，本申请还提供一种如上所述的具有高排水能力的燃料电池堆的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：在所有电极板以及双底板的流场通道表面涂抹氟硅油，然后将电极板、双极板以及膜电极组装，得到所述燃料电池堆。
在第二方面的一种优选方式中，在所述电极板以及双底板的流场通道表面涂抹的氟硅油为氟硅油与氟溶剂的混合溶剂或氟硅油、氟溶剂与水的混合溶剂。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)操作简单，尤其可避免因电流较大时，燃料电池堆的性能处于浓差极化段，而易发生水淹的现象；
(2)适用范围广，不需要额外的辅助设备或辅助手段，降低了燃料电池水管理的难度和成本。
附图说明
图1为实施例1与对比例1中两片单电池的稳定性测试结果；
图2为实施例2与对比例1中两片单电池的稳定性测试结果；
图3为实施例3与对比例1中两片单电池的稳定性测试结果；
图4为对比例1与对比例1中两片单电池的稳定性测试结果。
具体实施方式
除非另有说明、从上下文暗示或属于现有技术的惯例，否则本申请中所有的份数和百分比都基于重量，且所用的测试和表征方法都是与本申请的提交日期同步的。在适用的情况下，本申请中涉及的任何专利、专利申请或公开的内容全部结合于此作为参考，且其等价的同族专利也引入作为参考，特别这些文献所披露的关于本领域中的合成技术、产物和加工设计、聚合物、共聚单体、引发剂或催化剂等的定义。如果现有技术中披露的具体术语的定义与本申请中提供的任何定义不一致，则以本申请中提供的术语定义为准。
本申请中的数字范围是近似值，因此除非另有说明，否则其可包括范围以外的数值。数值范围包括以1个单位增加的从下限值到上限值的所有数值，条件是在任意较低值与任意较高值之间存在至少2个单位的间隔。例如，如果记载组分、物理或其它性质(如分子量，熔体指数等)是100至1000，意味着明确列举了所有的单个数值，例如100，101,102等，以及所有的子范围，例如100到166,155到170,198到200等。对于包含小于1的数值或者包含大于1的分数(例如1.1，1.5等)的范围，则适当地将1个单位看作0.0001，0.001，0.01或者0.1。对于包含小于10(例如1到5)的个位数的范围，通常将1个单位看作0.1.这些仅仅是想要表达的内容的具体示例，并且所列举的最低值与最高值之间的数值的所有可能的组合都被认为清楚记载在本申请中。本申请内的数值范围尤其提供了各种共聚单体在丙烯酸酯共聚物中的含量，各种组分在光刻胶组合物中的含量，合成丙烯酸酯时的温度，以及这些组分的各种特征和性质。
关于化学化合物使用时，除非明确地说明，否则单数包括所有的异构形式，反之亦然(例如，“己烷”单独地或共同地包括己烷的全部异构体)。另外，除非明确地说明，否则用“一个”，“一种”或“该”形容的名词也包括其复数形式。
术语“包含”，“包括”，“具有”以及它们的派生词不排除任何其它的组分、步骤或过程的存在，且与这些其它的组分、步骤或过程是否在本申请中披露无关。为消除任何疑问，除非明确说明，否则本申请中所有使用术语“包含”，“包括”，或“具有”的组合物可以包含任何附加的添加剂、辅料或化合物。相反，出来对操作性能所必要的那些，术语“基本上由……组成”将任何其他组分、步骤或过程排除在任何该术语下文叙述的范围之外。术语“由……组成”不包括未具体描述或列出的任何组分、步骤或过程。除非明确说明，否则术语“或”指列出的单独成员或其任何组合。
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
以40片活性面积为80cm2质子交换膜燃料电池堆为实验对象，具体步骤为：
步骤一：准备一片空单极板，一片氢单极板相同材质相同规格的极板，并在空单极板和氢单极板表面刷抹氟硅油材料；
步骤二：将上述空单极板和氢单极板装入一个质子交换膜燃料电池中，组装得到单电池。
步骤三：将上述单电池置于阳极入口压力(氢气压力)40kPa、阴极入口压力(空气压力)20kPa、温度60℃的环境下，以1200mA/cm2的条件，考察5个小时内该单电池的稳定性。
实施例2
以40片活性面积为80cm2质子交换膜燃料电池堆为实验对象，具体步骤为：
步骤一：取1份氟硅油和1份四氟化碳混合均匀，形成混合溶剂；
步骤二：准备一片空单极板，一片氢单极板相同材质相同规格的极板，并在空单极板和氢单极板表面刷抹步骤一制备得到的混合溶剂；
步骤三：将上述空单极板和氢单极板装入一个质子交换膜燃料电池中，组装得到单电池。
步骤四：将上述单电池置于阳极入口压力(氢气压力)40kPa、阴极入口压力(空气压力)20kPa、温度60℃的环境下，以1200mA/cm2的条件，考察5个小时内该单电池的稳定性。
实施例3
以40片活性面积为80cm2质子交换膜燃料电池堆为实验对象，具体步骤为：
步骤一：取1份氟硅油和5份四氟化碳混合均匀，形成混合溶剂；
步骤二：准备一片空单极板，一片氢单极板相同材质相同规格的极板，并在空单极板和氢单极板表面刷抹步骤一制备得到的混合溶剂；
步骤三：将上述空单极板和氢单极板装入一个质子交换膜燃料电池中，组装得到单电池。
步骤四：将上述单电池置于阳极入口压力(氢气压力)40kPa、阴极入口压力(空气压力)20kPa、温度60℃的环境下，以1200mA/cm2的条件，考察5个小时内该单电池的稳定性。
实施例4
以40片活性面积为80cm2质子交换膜燃料电池堆为实验对象，具体步骤为：
步骤一：取1份氟硅油、1份四氟化碳、2份水混合均匀，形成混合溶剂；
步骤二：准备一片空单极板，一片氢单极板相同材质相同规格的极板，并在空单极板和氢单极板表面刷抹步骤一制备得到的混合溶剂；
步骤三：将上述空单极板和氢单极板装入一个质子交换膜燃料电池中，组装得到单电池。
步骤四：将上述单电池置于阳极入口压力(氢气压力)40kPa、阴极入口压力(空气压力)20kPa、温度60℃的环境下，以1200mA/cm2的条件，考察5个小时内该单电池的稳定性。
实施例5
以40片活性面积为80cm2质子交换膜燃料电池堆为实验对象，具体步骤为：
步骤一：取1份氟硅油、4份四氟化碳和1份水混合均匀，形成混合溶剂；
步骤二：准备一片空单极板，一片氢单极板相同材质相同规格的极板，并在空单极板和氢单极板表面刷抹步骤一制备得到的混合溶剂；
步骤三：将上述空单极板和氢单极板装入一个质子交换膜燃料电池中，组装得到单电池。
步骤四：将上述单电池置于阳极入口压力(氢气压力)40kPa、阴极入口压力(空气压力)20kPa、温度60℃的环境下，以1200mA/cm2的条件，考察5个小时内该单电池的稳定性。
对比例1
以40片活性面积为80cm2质子交换膜燃料电池堆为实验对象，具体步骤为：
步骤一：准备一片空单极板，一片氢单极板相同材质相同规格的极板，然后将上述空单极板和氢单极板装入一个质子交换膜燃料电池中，组装得到单电池。
步骤二：将上述单电池置于阳极入口压力(氢气压力)40kPa、阴极入口压力(空气压力)20kPa、温度60℃的环境下，以1200mA/cm2的条件，考察5个小时内该单电池的稳定性。
对比例2
以40片活性面积为80cm2质子交换膜燃料电池堆为实验对象，具体步骤为：
步骤一：准备一片空单极板，一片氢单极板相同材质相同规格的极板，并在空单极板和氢单极板表面刷抹聚四氟乙烯；
步骤二：将上述空单极板和氢单极板装入一个质子交换膜燃料电池中，组装得到单电池。
步骤三：将上述单电池置于阳极入口压力(氢气压力)40kPa、阴极入口压力(空气压力)20kPa、温度60℃的环境下，以1200mA/cm2的条件，考察5个小时内该单电池的稳定性。
考察实施例1、2、4及对比例2所制备的单电池与对比例1所制备的单电池的电压随时间变化的曲线，结果分别入如图1～4所示，从中我们可以发现，刷抹了氟硅油的单电池稳定性更好，说明其水淹程度较低，燃料电池的性能更好，而且比较图1～3和图4，我们可以发现，涂覆氟硅油所取得的效果优于聚四氟乙烯。
上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都本申请的范围之内。

Claims (9)

1.一种具有高排水能力的燃料电池堆，所述电池堆包括两端的电极板以及位于两块电极板之间的膜电极及密封垫，其特征在于，所述电极板的流场表面涂有氟硅油。
2.如权利要求1所述的具有高排水能力的燃料电池堆，其特征在于，所述电极板的流场表面涂覆含有氟硅油的混合溶剂，所述混合溶剂中含有氟溶剂。
3.如权利要求2所述的具有高排水能力的燃料电池堆，其特征在于，所述氟硅油与氟溶剂的重量比为1：(1～5)。
4.如权利要求3所述的具有高排水能力的燃料电池堆，其特征在于，所述混合溶剂中含有水。
5.如权利要求4所述的具有高排水能力的燃料电池堆，其特征在于，所述氟溶剂和氟硅油的总质量与水的质量之比为(1～5)：1。
6.如权利要求2～5任一所述的具有高排水能力的燃料电池堆，其特征在于，所述氟溶剂包括四氟化碳。
7.如权利要求1所述的具有高排水能力的燃料电池堆，其特征在于，所述燃料电池堆包含空冷燃料电池堆或液冷燃料电池堆中的一种。
8.一种如权利要求1所述的具有高排水能力的燃料电池堆的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
在所有电极板以及双底板的流场通道表面涂抹氟硅油，然后将电极板、双极板以及膜电极组装，得到所述燃料电池堆。
9.如权利要求8所述的具有高排水能力的燃料电池堆的制备方法，其特征在于，在所述电极板以及双底板的流场通道表面涂抹的氟硅油为氟硅油与氟溶剂的混合溶剂或氟硅油、氟溶剂与水的混合溶剂。
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