CN112635783A - 基于渗透率差异化金属泡沫不含气体扩散层的燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于渗透率差异化金属泡沫不含气体扩散层的燃料电池，其结构是：用阳、阴极金属泡沫层替代阳、阴极气体扩散层和阴极流道，金属泡沫层分别位于阳、阴极极板和阳、阴极催化层之间，反应气体从金属泡沫层直接进入微孔层和催化层，参与电化学反应。本发明结构将目前燃料电池结构的11结构层面简化为9个，同时对金属泡沫材料表面进行镀镍等处理，使其导电导热能力突出。针对碱性阴离子交换膜燃料电池阴极消耗水和阳极生成水的特征，阳极采用低渗透率和低孔隙率的金属泡沫，阴极采用高渗透率和高孔隙率的金属泡沫，由此可增强阴极流场中水向阴极催化层和膜的传输，以及阳极水透过膜向阴极传输的能力。

Description

基于渗透率差异化金属泡沫不含气体扩散层的燃料电池

技术领域

本发明属于电化学燃料电池领域，具体涉及一种不含气体扩散层的碱性阴离子交换膜燃料电池装置。

背景技术

碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFC)是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置，具有排放低、功率密度高、启动迅速等优势。因其内部碱性工作环境，更有利于非贵金属催化剂的使用，可以弥补传统燃料电池存在的成本和耐久性问题缺陷，成为可持续发展的绿色动力源。

常用的碱性阴离子交换膜燃料电池一般由阳极极板、阳极流道、阳极气体扩散层、阳极微孔层、阳极催化层、碱性阴离子交换膜、阴极催化层、阴极微孔层、阴极气体扩散层、阴极流道、阴极极板等11个部分组成，通入流道的反应气体经气体扩散层和微孔层后进入催化层参与电化学反应，产生电流并在阳极生成水。在传统的沟-脊流道中，气体扩散层承担着支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水的作用，是燃料电池的必备结构之一。

随着燃料电池技术的发展，金属泡沫(MF)因其具有高孔隙结构、可压缩性强、支撑能力强、导电导热能力突出等有点，而可以替代传统“沟-脊流道”的结构，有助于克服沟-脊流道结构所存在的体积大、成本高、传质损失大、易发生水淹等缺点。同时，金属泡沫的优良特性使其可以承担原本由气体扩散层所承担的支撑催化层、传导电流、传导气体、排水等作用。因此，金属泡沫不仅可以替代流道，也可以替代气体扩散层，从而使燃料电池的结构更为简化、成本更为降低，同时也可降低反应气体和电流的传输阻力，提升电池性能。此外，不同于质子交换膜燃料电池只在阴极反应生成水，碱性阴离子交换膜燃料电池在阴极消耗水、在阳极生成水。因此阳极容易发生水淹(flooding)，而阴极因流场中的水不能有效传输到反应区域容易产生膜干(drying out)现象，但阳极的水可通过扩散和渗透等机制穿过膜传输到阴极以缓解阴极缺水问题。因为金属泡沫的相关参数如渗透率和孔隙率直接影响到电池内部传质、传热的性能，所以非常重要。燃料电池设计困难的特征之一，就是难以通过有限次实验的方法来确定其相关参数。因此基于碱性阴离子交换膜燃料电池的特点，在阴极和阳极采用渗透率差异化的金属泡沫作为流场，一方面可增强阴极流场中水向阴极催化层和膜的传输，另一方面可增强阳极水向阴极的传输，可以从根本上提升电池的性能、延长膜的使用寿命，具有非常大的实际效果。

发明内容

本发明的目的是，提出一种采用渗透率差异化金属泡沫作为阴阳极流场的不含气体扩散层的新型碱性阴离子交换膜燃料电池结构装置，具有简化燃料电池结构、降低成本、降低反应气体和电流传输阻力、提升阳极排水性能、增强阴极供水性能、提升电池性能的作用。

以下对本发明技术原理及结构方案予以说明：采用渗透率差异化金属泡沫作为阴阳极流场的不含气体扩散层的燃料电池，包括阳极极板、阳极金属泡沫层、阳极微孔层、阳极催化层、碱性阴离子交换膜、阴极催化层、阴极微孔层、阴极金属泡沫层以及阴极极板等。其结构方案是：用阳极金属泡沫层替代阳极气体扩散层和阳极流道；用阴极金属泡沫层替代阴极气体扩散层和阴极流道。阳、阴极金属泡沫层分别位于阳、阴极极板和阳、阴极微孔层之间，反应气体分别从阳、阴极金属泡沫层直接进入阳、阴极微孔层和催化层，参与电化学反应。

其中最关键的是阳极金属泡沫采用相对低的渗透率(10^-10m²-10^-9m²)、和低孔隙率(0.85-0.9)，而阴极金属泡沫采用相对高的渗透率(10^-9m²-10^-8m²)、和高孔隙率(0.9-0.95)。

作为对比，目前碱性阴离子交换膜燃料电池的组成结构是：阳极极板、阳极流道、阳极气体扩散层、阳极微孔层、阳极催化层、碱性阴离子交换膜、阴极催化层、阴极微孔层、阴极气体扩散层、阴极流道、以及阴极极板组合连接，其中流道于极板上镂空而形成，呈沟-脊结构。本发明用金属泡沫替代目前的沟-脊流道结构，同时承担原有的气体扩散层的功能。既改变了流道结构，用金属泡沫层替代了阳、阴极气体扩散层，又使得金属泡沫层替代了流道所具备的功能。金属泡沫既能传导反应气体、传导电流，又能支撑催化层、排出反应产物水，可承担流道和气体扩散层的双重功能。

差异化的特征主要体现在：针对碱性阴离子交换膜燃料电池阴极消耗水和阳极生成水的特征，阳极金属泡沫采用相对低的渗透率和低孔隙率，而阴极金属泡沫采用相对高的渗透率和高孔隙率，可以大幅度提升电池的水传输性能。通过在阴极和阳极采用渗透率差异化的金属泡沫作为流场，既增强了阴极流场中水向阴极催化层和膜的传输，又增强阳极水向阴极的传输、进一步提升了阳极的排水性能，能有效缓解碱性阴离子交换膜燃料电池所面临的水淹和膜干问题，从而提升电池性能。

本发明的特点以及产生的有益效果是：(1)新型碱性阴离子交换膜燃料电池结构由目前燃料电池结构的11结构层面简化为9个，同时对金属泡沫材料表面进行镀镍等处理，使其导电导热能力突出。(2)金属泡沫材料具有孔隙率高、可压缩性强、支撑能力强、排水能力强等显著优点，在降低成本的同时，提升电池的性能。(3)电池结构的有效简化，降低了制造成本，可使反应气体的分布更加均匀，增强了电流传导降低了传输阻力，更有利于排出反应产物水。(4)阳极和阴极采用不用渗透率和孔隙率的差异化金属泡沫，可增强阴极流场中水向阴极催化层和膜的传输，增强阳极水向阴极的传输，有效缓解碱性阴离子交换膜燃料电池的水淹和膜干问题，延长膜的使用寿命。(5)有效克服了目前沟-脊流道的体积大、成本高、反应物分布不均匀、传质损失大、易发生水淹等缺点。

附图说明

图1为本发明燃料电池结构原理及局部放大图。

图2和图3为本发明实施例电池性能效果对比图。

图4为本发明实施例阳极催化层中氢气浓度随电流密度的变化曲线对比图。

图5为本发明实施例碱性阴离子交换膜中模态水含量随电流密度的变化曲线对比图。

图6为本发明实施例阴极催化层中水蒸气浓度随电流密度的变化曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。其中图2至图6体现出本发明特征所具有的非常显著的实施效果。

基于渗透率差异化金属泡沫不含气体扩散层的燃料电池，包括阳极极板、阳极微孔层、阳极催化层、碱性阴离子交换膜、阴极催化层、阴极微孔层、以及阴极极板。其结构组成是：用阳极金属泡沫层替代阳极气体扩散层和阳极流道；用阴极金属泡沫层替代阴极气体扩散层和阴极流道。阳、阴极金属泡沫层分别位于阳、阴极极板和阳、阴极微孔层之间，反应气体分别从阳、阴极金属泡沫层直接进入阳、阴极微孔层和催化层，参与电化学反应(如图1)。

阳极金属泡沫的渗透率在10^-10m²和10^-9m²之间，孔隙率在0.85和0.9之间；阴极金属泡沫的渗透率在10^-9m²和10^-8m²之间，孔隙率在0.9和0.95之间，该参数下的金属泡沫更具有支撑、可压缩、及导电导热能力。阳极或阴极金属泡沫层采用铝金属材料作为基体，同时在材料表面进行镀镍处理。使其具备更好的导电性能、更强的抗腐蚀性，同时增强疏水性从而具备优良的排水性能。阳极和阴极采用不用渗透率和孔隙率的差异化金属泡沫，可增强阴极流场中水向阴极催化层和膜的传输，增强阳极水透过膜向阴极的传输，提升燃料电池的水管理水平。

本发明与现有技术的本质性区别在于，燃料电池结构中采用金属泡沫层替代了原有的流道和气体扩散层，结构更为简化。电池的阳极通入氢气，阴极通入空气，反应气体经金属泡沫层和微孔层进入催化层发生电化学反应，反应产生电流并在阳极催化层生成反应物水。产生的电流经导电性优良的微孔层、金属泡沫层和极板传导至外电路，阳极生成的水则经催化层、微孔层和金属泡沫层中的空隙排出电池外。同时阳极金属泡沫采用相对较低的渗透率和低孔隙率，阴极采用相对较高的渗透率和高孔隙率。增强阴极流场中水向阴极催化层和膜的传输及阳极水透过膜向阴极的传输，有效缓解碱性阴离子交换膜燃料电池所面临的水淹和膜干问题，延长膜的使用寿命。新型结构设计中不含气体扩散层，但其功能由金属泡沫层承担。

为了进行实施效果的对比，对本发明燃料电池进行三维建模仿真并与传统结构的电池设计进行了性能的比较。实施例采用了二种碱性阴离子交换膜燃料电池结构设计，二种电池除流道结构和气体催化层不同以外，其余技术参数以及材料完全相同。

第一种燃料电池(A)：采用本发明的结构，阳极和阴极结构对称，极板长度为100mm，宽度为6mm，厚度均为0.5mm；金属泡沫层、微孔层、催化层和碱性阴离子交换膜的长度均为100mm、宽度均为6mm，其厚度分别为1mm、0.03mm、0.01mm、0.028mm。阴阳极采用差异化金属泡沫，为对比差异化金属泡沫设置对电池性能的影响，共设置5组参数(A1-A5)开展仿真。

其中A1组阳极金属泡沫的渗透率为10^-10m²、孔隙率为0.85；阴极金属泡沫的渗透率为10^-8m²、孔隙率为0.95。

A2组阳极金属泡沫的渗透率为2×10^-10m²、孔隙率为0.86；阴极金属泡沫的渗透率为8×10^-9m²、孔隙率为0.94。

A3组阳极金属泡沫的渗透率为5×10^-10m²、孔隙率为0.875；阴极金属泡沫的渗透率为5×10^-9m²、孔隙率为0.925。

A4组阳极金属泡沫的渗透率为8×10^-10m²、孔隙率为0.89；阴极金属泡沫的渗透率为2×10^-9m²、孔隙率为0.91。

A5组阳极金属泡沫的渗透率为1×10^-9m2、孔隙率为0.9；阴极金属泡沫的渗透率为1×10^-9m2、孔隙率为0.9。

其中A1组为基本对照组，图4至图6的性能比较图中，本发明部分均采用A1组的渗透率和孔隙率参数。

第二种燃料电池(B)：采用传统沟-脊蛇形流道的结构设计。在同样的有效反应面积下，电池A的流道为100mm×6mm×1mm的长方体金属泡沫，电池B的流道为转弯2次的蛇形流道，沟和脊的宽度均为1mm，高度均为1mm。

二种电池均在同一工况下进行仿真，电池以恒电压模式运行，测量电压范围为0.9V至0.35V，其运行温度为40℃。阳极通入加湿的氢气，其相对湿度为100％，进气化学计量比为2.0，背压为1.0atm；阴极通入加湿的空气，其相对湿度为100％，进气化学计量比为3.0，背压为1.0atm。

图2和图3给出了二种电池的极化曲线和功率输出的对比。其中，图2显示的是目前结构与本发明(A1-A3组)的性能对比，图3显示的目前结构与本发明(A3-A5组)的性能对比。从图中可以看出，本发明结构对燃料电池性能的提升非常显著，本发明五组算例的性能均优于目前结构，尤其是在高电流密度区域，有效提高燃料电池的极限电流密度。同时，本发明五组算例的性能从高到低依次为A1、A2、A3、A4、A5，即阳极和阴极泡沫的渗透率差异越大(阳极渗透率越低、阴极渗透率越高)，电池的性能越好。

通过比较二种电池结构在同一输出电压下催化层中反应物浓度的分布可知，在传统沟-脊流道电池中，脊的存在导致流道下和脊下的反应物浓度差异较大，从而导致反应速率不均匀，不利于反应物的充分利用；而在本发明所提出的结构方案中，多孔电极内反应物的分布要更为均匀，从而有利于反应气体的充分利用。

此外，本发明所提出的结构设计方案能改善反应物由流道到多孔电极的传输，有效提升多孔电极内反应物的浓度。图4给出了二种电池方案的阳极催化层中氢气摩尔浓度随电流密度的变化曲线，可见本发明提出的电池结构有效提升了催化层中氢气的浓度。

同时，差异化的金属泡沫设置能增强阴极流场中水向阴极催化层和膜的传输及阳极水透过膜向阴极的传输，从而提升阴极的水含量，增强膜的湿润程度，从而提高离子传导率。图5给出了二种电池方案的碱性阴离子交换膜中模态水含量随电流密度的变化曲线，图6给出了二种电池方案的阴极催化层中水蒸气摩尔浓度随电流密度的变化曲线，可见本发明提出的电池结构有效提升了阴极和膜中的水含量，有助于缓解水淹和膜干问题，延长膜的使用寿命。

Claims (3)

1.基于渗透率差异化金属泡沫不含气体扩散层的燃料电池，包括阳极极板、阳极金属泡沫层、阳极微孔层、阳极催化层、碱性阴离子交换膜、阴极催化层、阴极微孔层、阴极金属泡沫层以及阴极极板，其特征在于：用阳极金属泡沫层替代阳极气体扩散层和阳极流道；用阴极金属泡沫层替代阴极气体扩散层和阴极流道，阳、阴极金属泡沫层分别位于阳、阴极极板和阳、阴极催化层之间，反应气体分别从阳、阴极金属泡沫层直接进入阳、阴极微孔层和催化层，参与电化学反应。

2.根据权利要求1所述的基于渗透率差异化金属泡沫不含气体扩散层的燃料电池，其特征在于：所述阳极金属泡沫的渗透率在10^-10m²和10^-9m²之间，孔隙率在0.85和0.9之间；所述阴极金属泡沫的渗透率在10^-9m²和10^-8m²之间，孔隙率在0.9和0.95之间，金属泡沫具有支撑、可压缩、及导电导热能力。

3.根据权利要求1所述的基于渗透率差异化金属泡沫不含气体扩散层的燃料电池，其特征在于：所述阳极或阴极金属泡沫层采用铝金属材料作为基体，同时在材料表面进行镀镍处理。

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