CN1845367A - 燃料电池及其导流板结构 - Google Patents

Abstract

本发明的技术方案涉及一种燃料电池导流板结构，其包括一导流板本体，其具有一导流床；许多碳纳米管形成于该导流床上，该等碳纳米管以碳纳米管阵列形式基本垂直排列于该导流床表面。所述碳纳米管之间相距一定距离，大约为100纳米左右。该等碳纳米管阵列表面可进一步包含贵金属催化剂颗粒，该贵金属催化剂包括铂、钌、金及其合金。本技术方案有利于提高燃料气体或氧气的分散均匀性，并提高燃料电池转化效率、导电性及导热性能。另外，本发明还揭露一种使用该导流板的燃料电池。

Description

燃料电池及其导流板结构

【技术领域】

本发明是涉及一种燃料电池结构，特别涉及一种用于质子交换膜燃料电池的导流板结构。

【背景技术】

燃料电池是一种电化学发电装置，其将燃料及氧化剂转化为电能并产生反应产物。相对于碱性电池、锂电池等其它电池系统，燃料电池具有能量转换效率高、对环境污染小、适用广、无噪音及连续工作等优点，广泛应用于军事、国防及民用的电力、汽车、通信等多种领域。

燃料电池通常可分为碱性燃料电池、固态氧化物燃料电池、以及质子交换膜燃料电池等。其中，质子交换膜燃料电池近年来发展迅速，越来越受到重视。通常，一个单独的质子交换膜燃料电池单元主要包括膜电极(MembraneElectrode Assembly，简称MEA)，导流板(Flow Field Plate，简称FFP)以及集流板(Current Collector Plate)等组成部分。

膜电极(MEA)亦称膜电极组，是电池单元的核心部件，燃料气体(氢气)及氧化剂(纯氧或含氧气的空气)在此发生电化学反应，释放电子并产生水。膜电极一般是由一张质子交换膜(Proton Exchange Membrane)、分别夹在质子交换膜的两表面的两片多孔性导电层(分别为阳极与阴极)组成。质子交换膜是由质子传导材料制成，现有技术中有采用例如全氟磺酸型膜、聚苯乙烯磺酸型膜、聚三氟苯乙烯磺酸型膜、酚醛树脂磺酸型膜、碳氢化合物膜、高尔膜等作为质子交换膜。多孔性导电层一般是由导电材料制成，例如碳纸(Carbon Paper)，其至少一表面具有多孔结构的衬底，并在该多孔结构的衬底上形成有电催化层(Electrocatalyst Layer)。现有技术中，电催化层包含有电催化颗粒及质子传导颗粒的混合物，其中该电催化颗粒一般包含导电颗粒(典型为碳颗粒)及催化剂颗粒(贵金属，包括铂、金、钌或其合金等)。

导流板(FFP)亦称为流床板、隔板，一般是由导电材料制成，例如石墨、导电塑料、金属等材料。在每个电池单元中，膜电极(MEA)是夹在两块导流板中间，在每个导流板与膜电极相接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻等方法形成有一条或多条导流槽，该导流槽分别用于导引燃料气体、氧化剂或反应产物水。这些导流槽既可用作燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，同时用作带走燃料电池运行时产生的水的通道。实际应用时，为提高燃料电池总功率，多个燃料电池单元可通过叠加方式串联构成电池组，此时一块导流板的两表面均可形成有导流槽，分别用作一个膜电极的阳极导流面，以及另一个膜电极的阴极导流面，这种双面均有导流槽的导流板又可称为双极板。

集流板一般是导电材料制成，在一个电池单元中通常采用两块集流板分别夹在两块流道板未形成导流槽的另一表面。由于导流板本身亦具有导电性，所以，现有技术中亦有省略集流板的设计，直接以导流板兼作集流板之用。

以下对质子交换膜燃料电池的反应机理作简单描述。

质子交换膜燃料电池采用氢气为燃料，氧气或空气为氧化剂。在阳极区，氢气在催化剂作用下发生催化化学反应产生氢正离子(质子)，并释放出电子；质子通过质子交换膜迁移至阴极区。在阴极区，氧气在与迁移过来的质子发生反应生成产物水。反应表达式如下：

阳极反应：

阴极反应：

在燃料电池运行过程中，阳极及阴极对应的导流板起到均匀分散氢气及氧气的作用，使得氢气及氧气可均匀分散于膜电极两表面，并分别在催化剂作用下发生催化反应。如上所述，为能使气体分散均匀，现有技术的导流板与膜电极接触的表面形成有至少一条导流槽。虽然导流槽能够增强气体分散均匀性，但是，由于导流板上需要有凸起的连续沟壁(侧壁)围筑成导流槽，气体仅能沿导流槽流动分散，气体却不可到达这些凸起的沟壁顶部表面，仍然不能使气体完全均匀分散至膜电极整个表面。

现有技术的燃料电池还存在燃料气体转化效率问题：燃料气体转化为电能的效率与理论目标值相差较大。转化效率很大程度上取决于氢气及氧气于膜电极两表面的分布均匀性。现有技术中，由于氢气与氧气仅能沿导流槽流动，只有那些大致与导流槽对应分布的金属催化剂能够与氢气或氧气接触，从而发生催化反应。另外，由于催化剂颗粒粒径非常小，一般为微米级或纳米级，使得有些沿导流槽流动的气体未能碰到相应的催化剂颗粒，从而气体未能来得及发生反应即流出燃料电池内部。

现有技术还存在另一个问题：在膜电极与导流板的界面导电性较差(电阻大)。为能够将燃料电池反应产生的所有电子导出至外电路(负载)，必需将整个膜电极表面发生反应产生的电子及时、连续传导至集流板。但是，现有技术中，由于导流槽是空隙，在此位置发生反应产生的电子无法与导体相连，无法传导至集流板。另外，导流板本身(通常由金属或石墨制成)亦具有一定电阻。

因此，提供一种可提高气体分散均匀性、使气体能够最大限度均匀分散于整个膜电极表面，并提高燃料气体转化效率，提高导电性的导流板结构实为必要。

【发明内容】

以下将通过若干实施例说明一种具有优良分散均匀性、转化效率提高、导电性能与导热性能良好的燃料电池及其导流板结构。

为实现上述内容，提供一种燃料电池导流板结构，其包括一导流板本体，其具有一导流床；许多碳纳米管形成于该导流床上，该等碳纳米管基本垂直排列于该导流床表面。

所述碳纳米管之间相距一定距离；该距离大约为100纳米左右。

该等碳纳米管构成碳纳米管阵列，碳纳米管阵列的表面进一步包含贵金属催化剂颗粒，该贵金属催化剂包括铂、钌、金及其合金。

该导流板本体可以进一步设置有一隔板，该隔板将导流床分隔为两部分，并留有一开口连通该分隔的两部分。

以及，提供一种燃料电池，其包括：一膜电极组；两块导流板，该膜电极被夹于该两块导流板之间；其中，每块导流板一侧开设有一导流床，许多碳纳米管基本垂直排列于该导流床表面。

每块导流板开设有输入/输出通道，用于输入、输出燃料气体或氧化剂。

该燃料电池进一步具有密封结构，例如：该导流板开设有密封凹槽，并安装有与该密封凹槽相配的密封圈。

相对于现有技术，本技术方案的优点在于：由于碳纳米管之间距非常小，约100纳米左右，即1000个氢原子排列宽度左右，所以，当氢气在碳纳米管之间流动时，其是以原子大小尺寸分散流动，如此有利于提高燃料气体分散均匀性；其次，以原子大小尺寸分散的氢气容易与催化剂颗粒接触，从而提高转化效率；第三，碳纳米管导电性非常好，其电阻小于传统金属，并且碳纳米管均匀分散于整个导流床内，使每根碳纳米管均能传输电子，从而将反应产生的电子全面传输至集电板；第四，碳纳米管的径向导热性能极为优良，有利于将燃料电池反应产生的热量最大限度传导至冷却面，并被冷却媒质带走热量，保持燃料电池内部温度不致过热。

【附图说明】

图1是本发明第一实施例提供一导流板的剖示图。

图2是本发明第一实施例提供的导流板的俯视图。

图3是本发明第一实施例在导流板内沉积形成催化剂层的剖示图。

图4是本发明第一实施例在催化剂层生长形成碳纳米管的示意图。

图5是单根碳纳米管的结构示意图。

图6是本发明第一实施例的燃料电池主要结构的分解剖示图。

图7是本发明第一实施例的导流板密封结构的俯视图。

图8是本发明第二实施例的导流板的俯视图。

图9是本发明第三实施例的堆叠式燃料电池组的分解剖示图。

【具体实施方式】

以下结合附图以及具体实施方式详细说明本发明技术方案的内容。

请参阅图1至图5，本发明第一实施例的导流板制备方法包括以下步骤。

首先，请参阅图1及图2，本发明第一实施例首先提供一导流板110，其表面通过压铸、冲压或机械铣刻等合适方法形成凹进一定深度的导流床112。当然也可由其它方式形成导流床112。该导流板110可由导电金属制成，例如铜金属；亦可由导电性非金属制成，例如石墨。导流床112的深度应根据后续形成的碳纳米管的高度而预先设定，一般为数十微米至数毫米。导流板110的两相对侧边开设有入口114及出口115，该入口114及出口115均与导流床112连通，用于通入、导出燃料气体或氧化剂，必要时出口115亦可用作产物水导出通道。另外，由于燃料电池运行时温度较高，通常需采用冷却手段进行降温。所以，可选择的，本实施例可以在导流板110的内部开设冷却通道(图未示)，用以通入冷却水或其它冷却媒质。

如图3所示，在导流床112表面沉积一层用于生长碳纳米管的催化剂层120，该催化剂层120可包括铁、钴、镍及该三种金属任意组合的合金。催化剂层120的厚度可为数纳米至数百纳米，沉积方法包括溅射法、蒸镀法或其它合适的薄膜方法。应当指出，当导流板110为金属材质时，为防止金属催化剂层与导流板110发生反应，影响催化剂的活性，可以在沉积催化剂层120之前，先行沉积一层硅薄膜层、二氧化硅薄膜层或其它阻隔层，用以阻止催化剂层120与金属底材发生反应，确保催化剂层120在后续反应时的催化活性；当导流板110为非金属，例如为石墨时，可以不需形成上述阻隔层。

如图4所示，采用化学气相沉积法(CVD)通过催化剂层120的催化作用，在导流床112形成有催化剂层的表面生长碳纳米管122。大量碳纳米管122构成碳纳米管阵列(图未标示)。目前，关于化学气相沉积法生长碳纳米管的方法已经较为成熟，业界已有很多现有技术，此处不再详细描述。采用化学气相沉积法可以生长出大量碳纳米管，各碳纳米管基本垂直于基底、高度大致相同、相互平行有序排列形成碳纳米管阵列。碳纳米管的高度与生长所用时间有关，一般可达数百微米甚至达毫米级。本实施例中，碳纳米管的高度与导流床112的深度相同或稍长，这样使得碳纳米管阵列表面与导流板表面平齐或稍微凸出。

如图5所示，为单独一根碳纳米管的示意图。碳纳米管为圆柱状的石墨层结构，其具有纳米级的细小直径(外径R)，内径R0可小于1纳米，大长径比(即长度H与外径R的比值H/R)，良好导电性，机械强度高，可弯折不易断裂，径向导热性能优良。碳纳米管包括单壁碳纳米管与多壁碳纳米管。多壁碳纳米管是由多层同心圆柱组成的结构，其外径较大；一般采用化学气相沉积法生长的碳纳米管大多为多壁碳纳米管阵列，通常相邻碳纳米管之间距离约为100纳米左右。本技术领域普通技术人员应当了解，通过控制催化剂的颗粒度、分散状况以及图案化，可实现碳纳米管的可控生长，亦可控制碳纳米管的直径大小以及相互距离，所以，碳纳米管之间相互距离并不限于以上实施方式。

可选择的，本发明第一实施例还可进一步于上述步骤形成的碳纳米管阵列表面溅镀一层贵金属催化剂层(图未标示)。该贵金属催化剂层包括催化剂金属颗粒，例如铂(Pt)、金(Au)、钌(Ru)或其合金微粒。催化剂金属颗粒的粒径最好为1～100纳米。

请参阅图6，采用本发明第一实施例的导流板构成燃料电池单元10的结构分解剖示图。该燃料电池单元10主要包括由膜电极20、两块导流板110及110’构成，膜电极20夹在导流板110及110’之间。其中，膜电极20包括导电性多孔碳纸210、211及质子交换膜212，而且质子交换膜212夹于两碳纸210及211之间。两块导流板110及110’结构相同，具有形成于催化剂层120(120’)表面的碳纳米管122(122’)，大量碳纳米管122(122’)排列形成碳纳米管阵列，碳纳米管阵列表面与导流板平齐或稍微凸出。通常，每张碳纸210(211)与质子交换膜212接触的表面可含有催化剂颗粒(包括铂、金、钌或其合金等)；当碳纳米管阵列表面形成有催化剂层时，则碳纸与质子交换膜相互接触的表面可以不需含有催化剂颗料。

应当指出，上述燃料电池单元还可设有密封结构，用以将燃料电池内部的相邻两块导流板隔离并密封。由于燃料电池使用氢气及氧气产生电能，其内部密封性能非常重要。如果密封不好而产生电池内部气体泄漏，可能使得氢气与纯氧气混合发生爆炸；如果气体向外部泄漏，则可能使氢气与氧气向电池外部泄出，当积聚到一定浓度亦可能发生爆炸。

如图7所示，本实施方式可以采用以下密封结构：在导流板110边缘、围绕导流床112外围开设密封凹槽(图未标示)，并配合以相应的密封圈116嵌入该密封凹槽。另一块导流板110’相应位置亦可开设密封凹槽或凸起，当两块导流板110及110’互相夹紧时，密封圈116被压迫从而将两块导流板密封并隔离。

除此之外，本实施例亦可采用以下密封方式确保电池内部密封性能，例如：

(a)采用较大面积的质子交换膜，而碳纸面积小于质子交换膜，将两张碳纸夹住质子交换膜有效部分(即与碳纸相同面积部分)，质子交换膜边缘部分即可直接作为密封材料，并可防止相邻两块导流板直接接触而发生短路。

(b)在两块导流板之间设置密封垫圈(图未示)：采用面积大于质子交换膜的碳纸，将密封垫圈设置在质子交换膜表面用以隔离两块导流板并密封。

应当指出，本发明的技术方案并不限于上述密封方式，其它密封结构或方式亦可适用于本技术方案。另外，燃料电池单元还可包括其它辅助组成部分，例如集流板、固持装置、紧固螺丝、燃料气体导管等。

使用时，阳极的燃料气体由导流板110的入口114通入至导流床112，并沿碳纳米管122之间的空隙流动，当燃料气体与碳纳米管阵列表面的催化剂颗粒接触时，或燃料气体透过碳纸210与催化剂颗粒接触时，氢气被催化分解为质子并释放出电子，质子透过质子交换膜212迁移至阴极，如果有剩余未反应的燃料气体则由出口115输出；在阴极，氧化剂(氧气)由导流板110’通入，并沿碳纳米管122’之间的空隙流动，当质子迁移过来并与氧气接触时，发生反应生成产物水，如果有未反应的氧气及产物水则由出口(图未示)输出。

本技术方案的优点在于：首先，由于碳纳米管122(122’)之间距非常小，约100纳米左右，即1000个氢原子排列宽度左右，所以，当氢气在碳纳米管之间流动时，其是以原子大小尺寸分散流动，如此有利于提高燃料气体分散均匀性；其次，以原子大小尺寸分散的氢气容易与碳纳米管阵列表面的催化剂颗粒接触，或者透过碳纸210与催化剂颗粒接触，从而提高转化效率；第三，碳纳米管导电性非常好，其电阻小于传统金属，并且碳纳米管均匀分散于整个导流床内，使每根碳纳米管均能传输电子，从而将反应产生的电子全面传输至集电板；第四，碳纳米管的径向导热性能极其优良，有利于将燃料电池反应产生的热量最大限度传导至冷却面，并被冷却媒质带走热量，保持燃料电池内部温度不致过热。

如图8所示，本发明第二实施例提供一导流板310，其与第一实施例的导流板110基本相同，具有凹进一定深度的导流床(图未标示)，导流床底面形成有基本垂直底面的碳纳米管322，大量碳纳米管排列形成碳纳米管阵列，相邻碳纳米管之间距离大致相同，约为100纳米左右；区别之处在于，导流床还形成有一隔板316，该隔板316由导流床第一侧边(图未标示)向相对第二侧边延伸，并且隔板316未与第二侧边接触，二者之间留有一定间隔；入口314及出口315分别开设于第一侧边两端。如此，隔板316将导流床分隔为大小基本相同第一及第二部分，该两部分可以通过该隔板316与第二侧边之间形成之间隔而互相连通。使用时，燃料气体或氧气可由入口314输入导流床，并充分流经导流床第一部分，然后通过隔板316与第二侧边之间形成之间隔流动至导流床第二部分，最后由出口315导出。这种结构可使入口314与出口315设置于同一侧边，并使燃料气体或氧气充分流过导流床每个部分。

多个燃料电池单元还可用于构成燃料电池组。

如图9所示，本发明第三实施例提供一堆叠式燃料电池组40，其包括多个膜电极41、42、43及多个导流板410、420，其中相邻两块导流板将一块膜电极夹于中间。除最外边导流板(图未示)一侧具有导流面之外，其它导流板相反两侧均具有导流面。例如：导流板410及420结构相同，每块导流板相对两表面均形成有导流床及碳纳米管阵列。每块导流板同时用作一膜电极的阳极面、另一膜电极的阴极面。如此，堆叠式电池组40可提供高功率电能输出。

以上仅描述燃料电池组的主要部件，其它外围辅助组件(例如紧固装置、燃料传输设计等)可参考现有技术，在此不作详细描述。

Claims (16)

1.一种燃料电池导流板结构，包括：一导流板本体，其一表面开设有一导流床；其特征在于：该导流床上形成有碳纳米管，该等碳纳米管基本垂直排列于该导流床表面。

2.如权利要求1所述的燃料电池导流板结构，其特征在于，所述碳纳米管之间相距一定距离。

3.如权利要求2所述的燃料电池导流板结构，其特征在于，相邻碳纳米管之间相距大约100纳米。

4.如权利要求1所述的燃料电池导流板结构，其特征在于，该导流板本体开设有输入/输出通道，用于输入、输出燃料气体或氧化剂。

5.如权利要求1所述的燃料电池导流板结构，其特征在于，该导流板本体是金属材质。

6.如权利要求5所述的燃料电池导流板结构，其特征在于，该导流板本体的导流床表面进一步包括用于生长碳纳米管的催化剂层。

7.如权利要求1所述的燃料电池导流板结构，其特征在于，该导流板本体是碳材质。

8.如权利要求1所述的燃料电池导流板结构，其特征在于，该等碳纳米管构成碳纳米管阵列，碳纳米管阵列的表面进一步包含贵金属催化剂颗粒。

9.如权利要求8所述的燃料电池导流板结构，其特征在于，该贵金属催化剂包括铂、钌、金及其合金。

10.如权利要求1所述的燃料电池导流板结构，其特征在于，该导流板本体进一步设置有一隔板，该隔板将导流床分隔为两部分，并留有一开口连通该分隔的两部分。

11.如权利要求1所述的燃料电池导流板结构，其特征在于，导流板另一表面开设有另一导流床，其中形成有基本垂直排列的碳纳米管。

12.一种燃料电池，其包括：一膜电极组；两块导流板，该膜电极被夹于该两块导流板之间；其特征在于，每块导流板一侧开设有一导流床，该导流床表面形成有基本垂直排列的碳纳米管。

13.如权利要求12所述的燃料电池，其特征在于，所述碳纳米管之间相距一定距离，所述距离为100纳米左右。

14.如权利要求13所述的燃料电池，其特征在于，该等碳纳米管构成碳纳米管阵列，碳纳米管阵列的表面进一步包含贵金属催化剂颗粒。

15.如权利要求14所述的燃料电池，其特征在于，该贵金属催化剂包括铂、钌、金及其合金。

16.如权利要求12所述的燃料电池，其特征在于，该导流板开设有密封凹槽，并安装有与该密封凹槽相配的密封圈。

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