CN113067006B - 一种氢能汽车用的耐久性氢燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氢能汽车用的耐久性氢燃料电池，包括阳极板、阴极板和电解质隔膜，电解质隔膜设置在阳极板和阴极板之间，阳极板和阴极板的外侧均设置有集流板，两块集流板为平行设置；阳极板与电解质隔膜之间粘接有第一胶膜，电解质隔膜与阴极板之间粘接有第二胶膜。本发明提供的电解质隔膜中，电解质隔膜层可以增加电解质隔膜的强度，而高离子导电电解质隔膜层可以增加电解质隔膜的电性能，因此本发明提供电解质隔膜层即能够满足强度要求，又能够满足电性能要求。

Description

一种氢能汽车用的耐久性氢燃料电池
技术领域
本发明涉及聚氨酯弹性体领域，具体涉及一种氢能汽车用的耐久性氢燃料电池。
背景技术
氢燃料电池是一种以氢气为燃料，氧气为氧化剂的燃料电池，具有零排放、效率高、启动速度快、低温运行等优点。氢燃料电池具有广泛的应用领域，既可作为动力电源应用于汽车、航天、无人机领域，也可应用于分布式发电、家庭热电联供、备用电源领域。
虽然氢燃料电池具有众多优点，但是当前氢燃料电池成本过高、寿命较短，导致其商业化进程缓慢。目前，氢燃料电池寿命普遍较短，氢燃料电池要满足商业化需求，寿命需达到一定的条件，当作为动力电源时，氢燃料电池最低寿命要求为500小时，当用于分布式发电时，则寿命至少需达到40000小时。然而传统的氢燃料电池根本达不到上述要求，因此需要研制一种能用于氢能汽车且耐久性强的氢燃料电池。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种氢能汽车用的耐久性氢燃料电池，包括阳极板、阴极板和电解质隔膜，电解质隔膜设置在阳极板和阴极板之间，阳极板和阴极板的外侧均设置有集流板，两块集流板为平行设置；阳极板与电解质隔膜之间粘接有第一胶膜，电解质隔膜与阴极板之间粘接有第二胶膜。
优选地，每块所述集流板包括由内至外依次设置的不锈钢基层、防腐中间层和导电防腐层组成。
优选地，所述第一胶膜、所述第二胶膜及所述电解质隔膜具有相同的形状和面积，且第一胶膜和第二胶膜均由密封性材料制备而成。
优选地，所述阳极板的材料为镍与铬、铝形成的合金材料；所述阴极板的材料由锂和镍的氧化物组成。
优选地，所述电解质隔膜是由上隔膜、下隔膜与多孔材料组合在一起的复合隔膜，其中，多孔材料位于上隔膜和下隔膜之间。
优选地，所述上隔膜与下隔膜均为具有质子导通能力的质子交换膜，包括丁腈橡胶、氯丁橡胶、氟橡胶、聚四氟乙烯中的任意一种。
优选地，所述多孔材料按照重量份计算，由以下成分组成：
麦饭石纤维5～10份、堇青石纤维4～8份、有机粘合剂2～5份和有机溶剂1～5份。
优选地，所述有机粘合剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、聚氨酯中的至少一种。
优选地，所述有机溶剂为乙醇、丙酮、乙酸乙酯中的一种。
优选地，所述多孔材料的制备方法为：
S1.称取所述麦饭石纤维加入至双氧水中超声分散至均匀，使用微波辐射处理1～3h，之后过滤并将收集固体产物加入至五甲基二乙烯三胺的水溶液中，升温至60～80℃，搅拌反应8～12h后，再次过滤并将收集固体产物使用去离子水洗涤冲洗3次，减压干燥，得到麦饭石纤维处理物；
其中，五甲基二乙烯三胺的水溶液中，五甲基二乙烯三胺与去离子水的质量比为1:2～5；麦饭石纤维、五甲基二乙烯三胺的水溶液与双氧水的质量比为1:5～10:6～12；
S2.称取所述堇青石纤维加入至无水乙醇中超声分散至均匀，加入二硬脂基邻苯二甲酰胺，升温至35～45℃并超声分散处理3～6h后，过滤并收集固体产物，将固体产物使用去离子水冲洗3次，减压干燥，得到堇青石纤维处理物；
其中，堇青石纤维、二硬脂基邻苯二甲酰胺与无水乙醇的质量比为1:0.2～0.4:5～10；
S3.将所述有机粘合剂加入至所述有机溶剂中，搅拌至均匀后，依次加入麦饭石纤维处理物和堇青石纤维处理物，再次搅拌至均匀，得到多孔材料。
优选地，所述电解质隔膜的制备过程为：将所述多孔材料涂覆于所述上隔膜或所述下隔膜的表面，然后按照顺序将上隔膜、多孔材料和下隔膜叠放后轻轻压平，待多孔材料干燥后，即得到电解质隔膜。
本发明的有益效果为：
1.本发明提供了一种氢能汽车用的耐久性氢燃料电池，阳极板、阴极板和电解质隔膜。与现有技术相比，本发明由于使用胶膜作为密封材料，胶膜与电极之间属于面密封，不易发生错位，并且胶膜本身具有比较高的粘性，起到了固定作用，进一步避免了在装堆过程中发生极板的错位。本发明提供的电解质隔膜中，多孔材料可以增加电解质隔膜的强度，进而增加了电解质隔膜的耐久性，而上隔膜、下隔膜可以增加电解质隔膜的电性能，因此本发明提供电解质隔膜层即能够满足强度和耐久性的要求，又能够满足电性能要求。
2.本发明提供的电解质隔膜包括上隔膜、下隔膜与多孔材料组合在一起的复合隔膜，相对于传统的燃料电池，其特点主要包括有序化孔道结构的多孔材料，由于其本身具有有序的孔道结构，在其启动过程中不再需要长时间的隔膜焙烧过程，大幅度减少了燃料电池的首次启动时间。同时，其隔膜和电极的有序化孔道结构有利于反应物和生成物的物质传输，减少了传质极化，有利于电池性能的提高。
3.本发明的多孔材料是采用麦饭石纤维、堇青石纤维、有机粘合剂和有机溶剂制备而成。其中，麦饭石纤维在制备过程中先使用了双氧水进行羟基氧化处理，之后使用五甲基二乙烯三胺进一步改性处理；堇青石纤维在制备过程中使用了二硬脂基邻苯二甲酰胺进行硬脂基化处理；然后将有机粘合剂、麦饭石纤维处理物、堇青石纤维处理物与有机溶剂复合制备得到多孔材料。本发明制备的多孔材料具有有序化孔道结构，且能够与上隔膜、下隔膜保持良好的粘结性。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明一种氢能汽车用的耐久性氢燃料电池的结构示意图；
附图标记：阳极板1、阴极板2、电解质隔膜3、集流板4、第一胶膜5、第二胶膜6、不锈钢基层7、防腐中间层8、导电防腐层9、上隔膜10、下隔膜11、多孔材料12。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
一种氢能汽车用的耐久性氢燃料电池，如图1所示，包括阳极板1、阴极板2和电解质隔膜3，电解质隔膜3设置在阳极板1和阴极板2之间，阳极板1和阴极板2的外侧均设置有集流板4，两块集流板4为平行设置；阳极板1与电解质隔膜3之间粘接有第一胶膜5，电解质隔膜3与阴极板2之间粘接有第二胶膜6；
每块所述集流板4包括由内至外依次设置的不锈钢基层7、防腐中间层8和导电防腐层9组成。
所述第一胶膜5、所述第二胶膜6及所述电解质隔膜3具有相同的形状和面积，且第一胶膜5和第二胶膜6均由密封性材料制备而成。
所述阳极板1的材料为镍与铬、铝形成的合金材料；所述阴极板2的材料由锂和镍的氧化物组成。
所述电解质隔膜3是由上隔膜10、下隔膜11与多孔材料12组合在一起的复合隔膜，其中，多孔材料12位于上隔膜10和下隔膜11之间。
所述上隔膜10与下隔膜11均为具有质子导通能力的质子交换膜，具体为聚四氟乙烯。
所述多孔材料12按照重量份计算，由以下成分组成：
麦饭石纤维8份、堇青石纤维5份、有机粘合剂3份和有机溶剂2份。
所述有机粘合剂为聚偏氟乙烯。
所述有机溶剂为乙醇。
所述多孔材料的制备方法为：
S1.称取所述麦饭石纤维加入至双氧水中超声分散至均匀，使用微波辐射处理1～3h，之后过滤并将收集固体产物加入至五甲基二乙烯三胺的水溶液中，升温至60～80℃，搅拌反应8～12h后，再次过滤并将收集固体产物使用去离子水洗涤冲洗3次，减压干燥，得到麦饭石纤维处理物；
其中，五甲基二乙烯三胺的水溶液中，五甲基二乙烯三胺与去离子水的质量比为1:2～5；麦饭石纤维、五甲基二乙烯三胺的水溶液与双氧水的质量比为1:5～10:6～12；
S2.称取所述堇青石纤维加入至无水乙醇中超声分散至均匀，加入二硬脂基邻苯二甲酰胺，升温至35～45℃并超声分散处理3～6h后，过滤并收集固体产物，将固体产物使用去离子水冲洗3次，减压干燥，得到堇青石纤维处理物；
其中，堇青石纤维、二硬脂基邻苯二甲酰胺与无水乙醇的质量比为1:0.2～0.4:5～10；
S3.将所述有机粘合剂加入至所述有机溶剂中，搅拌至均匀后，依次加入麦饭石纤维处理物和堇青石纤维处理物，再次搅拌至均匀，得到多孔材料。
所述电解质隔膜的制备过程为：将所述多孔材料涂覆于所述上隔膜或所述下隔膜的表面，然后按照顺序将上隔膜、多孔材料和下隔膜叠放后轻轻压平，待多孔材料干燥后，即得到电解质隔膜。
实施例2
一种氢能汽车用的耐久性氢燃料电池，如图1所示，包括阳极板1、阴极板2和电解质隔膜3，电解质隔膜3设置在阳极板1和阴极板2之间，阳极板1和阴极板2的外侧均设置有集流板4，两块集流板4为平行设置；阳极板1与电解质隔膜3之间粘接有第一胶膜5，电解质隔膜3与阴极板2之间粘接有第二胶膜6；
每块所述集流板4包括由内至外依次设置的不锈钢基层7、防腐中间层8和导电防腐层9组成。
所述第一胶膜5、所述第二胶膜6及所述电解质隔膜3具有相同的形状和面积，且第一胶膜5和第二胶膜6均由密封性材料制备而成。
所述阳极板1的材料为镍与铬、铝形成的合金材料；所述阴极板2的材料由锂和镍的氧化物组成。
所述电解质隔膜3是由上隔膜10、下隔膜11与多孔材料12组合在一起的复合隔膜，其中，多孔材料12位于上隔膜10和下隔膜11之间。
所述上隔膜10与下隔膜11均为具有质子导通能力的质子交换膜，具体为聚四氟乙烯。
所述多孔材料12按照重量份计算，由以下成分组成：
麦饭石纤维5份、堇青石纤维4份、有机粘合剂2份和有机溶剂1份。
所述有机粘合剂为羧甲基纤维素钠。
所述有机溶剂为丙酮。
所述多孔材料的制备方法为：
S1.称取所述麦饭石纤维加入至双氧水中超声分散至均匀，使用微波辐射处理1～3h，之后过滤并将收集固体产物加入至五甲基二乙烯三胺的水溶液中，升温至60～80℃，搅拌反应8～12h后，再次过滤并将收集固体产物使用去离子水洗涤冲洗3次，减压干燥，得到麦饭石纤维处理物；
其中，五甲基二乙烯三胺的水溶液中，五甲基二乙烯三胺与去离子水的质量比为1:2～5；麦饭石纤维、五甲基二乙烯三胺的水溶液与双氧水的质量比为1:5～10:6～12；
S2.称取所述堇青石纤维加入至无水乙醇中超声分散至均匀，加入二硬脂基邻苯二甲酰胺，升温至35～45℃并超声分散处理3～6h后，过滤并收集固体产物，将固体产物使用去离子水冲洗3次，减压干燥，得到堇青石纤维处理物；
其中，堇青石纤维、二硬脂基邻苯二甲酰胺与无水乙醇的质量比为1:0.2～0.4:5～10；
S3.将所述有机粘合剂加入至所述有机溶剂中，搅拌至均匀后，依次加入麦饭石纤维处理物和堇青石纤维处理物，再次搅拌至均匀，得到多孔材料。
所述电解质隔膜的制备过程为：将所述多孔材料涂覆于所述上隔膜或所述下隔膜的表面，然后按照顺序将上隔膜、多孔材料和下隔膜叠放后轻轻压平，待多孔材料干燥后，即得到电解质隔膜。
实施例3
一种氢能汽车用的耐久性氢燃料电池，如图1所示，包括阳极板1、阴极板2和电解质隔膜3，电解质隔膜3设置在阳极板1和阴极板2之间，阳极板1和阴极板2的外侧均设置有集流板4，两块集流板4为平行设置；阳极板1与电解质隔膜3之间粘接有第一胶膜5，电解质隔膜3与阴极板2之间粘接有第二胶膜6；
每块所述集流板4包括由内至外依次设置的不锈钢基层7、防腐中间层8和导电防腐层9组成。
所述第一胶膜5、所述第二胶膜6及所述电解质隔膜3具有相同的形状和面积，且第一胶膜5和第二胶膜6均由密封性材料制备而成。
所述阳极板1的材料为镍与铬、铝形成的合金材料；所述阴极板2的材料由锂和镍的氧化物组成。
所述电解质隔膜3是由上隔膜10、下隔膜11与多孔材料12组合在一起的复合隔膜，其中，多孔材料12位于上隔膜10和下隔膜11之间。
所述上隔膜10与下隔膜11均为具有质子导通能力的质子交换膜，具体为聚四氟乙烯。
所述多孔材料12按照重量份计算，由以下成分组成：
麦饭石纤维10份、堇青石纤维8份、有机粘合剂5份和有机溶剂5份。
所述有机粘合剂为聚乙烯醇。
所述有机溶剂为乙酸乙酯。
所述多孔材料的制备方法为：
S1.称取所述麦饭石纤维加入至双氧水中超声分散至均匀，使用微波辐射处理1～3h，之后过滤并将收集固体产物加入至五甲基二乙烯三胺的水溶液中，升温至60～80℃，搅拌反应8～12h后，再次过滤并将收集固体产物使用去离子水洗涤冲洗3次，减压干燥，得到麦饭石纤维处理物；
其中，五甲基二乙烯三胺的水溶液中，五甲基二乙烯三胺与去离子水的质量比为1:2～5；麦饭石纤维、五甲基二乙烯三胺的水溶液与双氧水的质量比为1:5～10:6～12；
S2.称取所述堇青石纤维加入至无水乙醇中超声分散至均匀，加入二硬脂基邻苯二甲酰胺，升温至35～45℃并超声分散处理3～6h后，过滤并收集固体产物，将固体产物使用去离子水冲洗3次，减压干燥，得到堇青石纤维处理物；
其中，堇青石纤维、二硬脂基邻苯二甲酰胺与无水乙醇的质量比为1:0.2～0.4:5～10；
S3.将所述有机粘合剂加入至所述有机溶剂中，搅拌至均匀后，依次加入麦饭石纤维处理物和堇青石纤维处理物，再次搅拌至均匀，得到多孔材料。
所述电解质隔膜的制备过程为：将所述多孔材料涂覆于所述上隔膜或所述下隔膜的表面，然后按照顺序将上隔膜、多孔材料和下隔膜叠放后轻轻压平，待多孔材料干燥后，即得到电解质隔膜。
对比例
一种电解质隔膜，所述电解质隔膜是由上隔膜、下隔膜与多孔材料组合在一起的复合隔膜，其中，多孔材料位于上隔膜和下隔膜之间。
所述多孔材料按照重量份计算，由以下成分组成：
麦饭石纤维10份、堇青石纤维8份、有机粘合剂5份和有机溶剂5份。
所述多孔材料的制备过程为：将所述有机粘合剂加入至所述有机溶剂中，搅拌至均匀后，依次加入麦饭石纤维和堇青石纤维，再次搅拌至均匀，得到多孔材料。
所述上隔膜与下隔膜均为具有质子导通能力的质子交换膜，具体为聚四氟乙烯。
所述电解质隔膜的制备过程为：将所述多孔材料涂覆于所述上隔膜或所述下隔膜的表面，然后按照顺序将上隔膜、多孔材料和下隔膜叠放后轻轻压平，待多孔材料干燥后，即得到电解质隔膜。
为了更清楚的说明本发明，将本发明实施例1～3和对比例中所制备的电解质隔膜进行性能上的检测，结果如表1所示。
表1不同电池电解质隔膜的性质
实施例1 实施例2 实施例3 对比例
厚度(μm) 35±1 35±1 35±1 35±1
孔隙率(％) 137 132 128 103
机械强度(MPa) 22.8 21.2 25.7 18.3
电解质吸收率(％) 582 567 588 116
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (7)

1.一种氢能汽车用的耐久性氢燃料电池，其特征在于，包括阳极板、阴极板和电解质隔膜，电解质隔膜设置在阳极板和阴极板之间，阳极板和阴极板的外侧均设置有集流板，两块集流板为平行设置；阳极板与电解质隔膜之间粘接有第一胶膜，电解质隔膜与阴极板之间粘接有第二胶膜；
所述电解质隔膜是由上隔膜、下隔膜与多孔材料组合在一起的复合隔膜，其中，多孔材料位于上隔膜和下隔膜之间；
所述多孔材料按照重量份计算，由以下成分组成：
麦饭石纤维5～10份、堇青石纤维4～8份、有机粘合剂2～5份和有机溶剂1～5份，
所述多孔材料的制备方法为：
S1.称取所述麦饭石纤维加入至双氧水中超声分散至均匀，使用微波辐射处理1～3h，之后过滤并将收集固体产物加入至五甲基二乙烯三胺的水溶液中，升温至60～80℃，搅拌反应8～12h后，再次过滤并将收集固体产物使用去离子水洗涤冲洗3次，减压干燥，得到麦饭石纤维处理物；
其中，五甲基二乙烯三胺的水溶液中，五甲基二乙烯三胺与去离子水的质量比为1:2～5；麦饭石纤维、五甲基二乙烯三胺的水溶液与双氧水的质量比为1:5～10:6～12；
S2.称取所述堇青石纤维加入至无水乙醇中超声分散至均匀，加入二硬脂基邻苯二甲酰胺，升温至35～45℃并超声分散处理3～6h后，过滤并收集固体产物，将固体产物使用去离子水冲洗3次，减压干燥，得到堇青石纤维处理物；
其中，堇青石纤维、二硬脂基邻苯二甲酰胺与无水乙醇的质量比为1:0.2～0.4:5～10；
S3.将所述有机粘合剂加入至所述有机溶剂中，搅拌至均匀后，依次加入麦饭石纤维处理物和堇青石纤维处理物，再次搅拌至均匀，得到多孔材料。
2.根据权利要求1所述的一种氢能汽车用的耐久性氢燃料电池，其特征在于，每块所述集流板包括由内至外依次设置的不锈钢基层、防腐中间层和导电防腐层组成。
3.根据权利要求1所述的一种氢能汽车用的耐久性氢燃料电池，其特征在于，所述第一胶膜、所述第二胶膜及所述电解质隔膜具有相同的形状和面积，且第一胶膜和第二胶膜均由密封性材料制备而成。
4.根据权利要求1所述的一种氢能汽车用的耐久性氢燃料电池，其特征在于，所述阳极板的材料为镍与铬、铝形成的合金材料；所述阴极板的材料由锂和镍的氧化物组成。
5.根据权利要求1所述的一种氢能汽车用的耐久性氢燃料电池，其特征在于，所述有机粘合剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、聚氨酯中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的一种氢能汽车用的耐久性氢燃料电池，其特征在于，所述有机溶剂为乙醇、丙酮、乙酸乙酯中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种氢能汽车用的耐久性氢燃料电池，其特征在于，所述电解质隔膜的制备过程为：将所述多孔材料涂覆于所述上隔膜或所述下隔膜的表面，然后按照顺序将上隔膜、多孔材料和下隔膜叠放后轻轻压平，待多孔材料干燥后，即得到电解质隔膜。
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