CN220233245U - 一种用于燃料电池的全氟磺酸质子交换膜 - Google Patents

一种用于燃料电池的全氟磺酸质子交换膜 Download PDF

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Abstract

本实用新型属于燃料电池全氟磺酸质子交换膜技术领域,尤其为一种用于燃料电池的全氟磺酸质子交换膜,包括阳极板,所述阳极板的一侧固定连接有阳极扩散层,所述阳极扩散层的一侧固定连接有阳极催化剂,所述阳极催化剂的一侧固定安装有质子交换膜本体,所述质子交换膜本体的一侧固定连接有阴极催化剂。本实用新型在使用时,能够最大限度减小气体的传输阻力,使得反应气体顺利由扩散层到达催化层发生电化学反应,即最大限度发挥单位面积和单位质量的催化剂的反应活性。因此,气体扩散电极必须具备适当的疏水性,一方面保证反应气体能够顺利经过最短的通道到达催化剂,另一方面确保生成的产物水能够润湿膜,同时多余的水可以排出防止阻塞气体通道。

Description

一种用于燃料电池的全氟磺酸质子交换膜
技术领域
本实用新型属于燃料电池全氟磺酸质子交换膜技术领域,具体涉及一种用于燃料电池的全氟磺酸质子交换膜。
背景技术
目前电动车领域成为燃料电池应用的主要方向,市场已有多种采用燃料电池发电的自动车出现。另外,透过小型化的技术将燃料电池运用于一般消费型电子产品也是应用发展方向之一,在技术的进步下,未来小型化的燃料电池将可用以取代现有的锂电池或镍氢电池等高价值产品,作为用于笔记本电脑、无线电电话、录像机、照相机等携带型电子产品的电源。近20多年来,燃料电池经历了碱性、磷酸、熔融碳酸盐和固体氧化物等几种类型的发展阶段,燃料电池的研究和应用正以极快的速度在发展。在所有燃料电池中,碱性燃料电池(AFC)发展速度最快,主要为空间任务,包括航天飞机提供动力和饮用水;质子交换膜燃料电池(PEMFC)已广泛作为交通动力和小型电源装置来应用;磷酸燃料电池(PAFC)作为中型电源应用进入了商业化阶段,是民用燃料电池的首选;熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)也已完成工业试验阶段;起步较晚的固态氧化物燃料电池(SOFC)作为发电领域最有应用前景的燃料电池,是未来大规模清洁发电站的优选对象。
燃料电池是将化学能转化为电能的在线发电装置,由于突破了传统内燃机的效率限制,燃料电池发动机被认为是未来最重要的汽车动力装置发展的方向。而燃料电池单体内部最重要的部件就是膜电极(MEA)。MEA(Membrane Electrode Assembly)又译为膜电极,它是燃料电池发电的关键核心部件,膜电极与其两侧的双极板组成了燃料电池的基本单元—燃料电池单电池,在实际应用当中可以根据设计的需要将多个单电池组合成为燃料电池电堆以满足不同大小功率输出的需要,全氟磺酸树脂质子交换膜是一种固体聚合物电解质,可以在强酸、强碱、强氧化剂等介质苛刻条件下使用,广泛应用在氯碱工业,水电解工业和电化学合成等领域;这种膜具有优良的化学稳定性和电池性能,其最大的缺点是在脱水后容易变得很脆,这就是严重影响它在燃料电池中的应用。
实用新型内容
为解决现有技术中存在的上述问题,本实用新型提供了一种用于燃料电池的全氟磺酸质子交换膜,具有成本高,效率低,耗时间且防止在脱水后容易变得很脆的特点。
为实现上述目的,本实用新型提供如下技术方案:一种用于燃料电池的全氟磺酸质子交换膜,包括阳极板,所述阳极板的一侧固定连接有阳极扩散层,所述阳极扩散层的一侧固定连接有阳极催化剂,所述阳极催化剂的一侧固定安装有质子交换膜本体,所述质子交换膜本体的一侧固定连接有阴极催化剂,所述阴极催化剂的一侧固定连接有阴极扩散层,所述阴极扩散层的一侧固定连接有阴极板。
作为本实用新型的一种用于燃料电池的全氟磺酸质子交换膜优选技术方案,所述阳极板和阴极板的尺寸相适配且两者的尺寸均设置为0.8mm。
作为本实用新型的一种用于燃料电池的全氟磺酸质子交换膜优选技术方案,所述阳极板发生的反应为H2=2H++2e,所述阳极扩散层发生的反应为O2+4H++4e=2H2O。
作为本实用新型的一种用于燃料电池的全氟磺酸质子交换膜优选技术方案,所述阳极扩散层和阴极扩散层的尺寸相适配且均设置为0.4mm。
作为本实用新型的一种用于燃料电池的全氟磺酸质子交换膜优选技术方案,所述阳极催化剂把阳极扩散层和质子交换膜本体之间相连接且连接处无间隙,所述阴极扩散层把阴极催化剂和阴极板之间相连接且连接处无间隙。
作为本实用新型的一种用于燃料电池的全氟磺酸质子交换膜优选技术方案,所述质子交换膜本体与阴极扩散层的尺寸相适配,所述质子交换膜本体的左侧与多个阳极催化剂相连,质子交换膜本体的右侧与多个阴极催化剂相连,且质子交换膜本体和阴极催化剂和阳极催化剂之间无间隙。
作为本实用新型的一种用于燃料电池的全氟磺酸质子交换膜优选技术方案,所述阳极板的右侧与阳极扩散层的左侧相连,阳极扩散层的右侧与阳极催化剂的外表面左侧相连,且阳极板和阳极扩散层和阳极催化剂之间无间隙。
与现有技术相比,本实用新型的有益效果是:
1、本实用新型在使用时,能够最大限度减小气体的传输阻力,使得反应气体顺利由扩散层到达催化层发生电化学反应,即最大限度发挥单位面积和单位质量的催化剂的反应活性。因此,气体扩散电极必须具备适当的疏水性,一方面保证反应气体能够顺利经过最短的通道到达催化剂,另一方面确保生成的产物水能够润湿膜,同时多余的水可以排出防止阻塞气体通道。
2、本实用新型在使用时,形成良好的离子通道,降低离子传输的阻力。质子交换膜燃料电池采用的是固体电解质,磺酸根固定在离子交换膜树脂上,不会浸入电极内,因此必须确保反应在电极催化层内建立质子通道。
3、本实用新型在使用时,形成良好的电子通道,膜电极中碳载铂催化剂是电子的良导体,但PTFE的存在将在一定程度上影响电导率,在满足离子和气体传导的基础上还要考虑电子传导能力。
4、本实用新型在使用时,气体扩散电极应该保证良好的机械强度及导热性,膜具有高的质子传导性,能够很好地隔绝氢气、氧气防止互窜,有很好的化学稳定性和热稳定性及抗水解性。
附图说明
附图用来提供对本实用新型的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型,并不构成对本实用新型的限制。在附图中:
图1为本实用新型的外观结构示意图;
图2为本实用新型的爆炸结构示意图。
图中:1、阳极板;2、阳极扩散层;3、阴极扩散层;4、阴极板;5、阴极催化剂;6、质子交换膜;7、阳极催化剂;
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图,对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本实用新型保护的范围。
实施例1
请参阅图1-2,本实用新型提供以下技术方案:一种用于燃料电池的全氟磺酸质子交换膜,包括阳极板1,阳极板1的一侧固定连接有阳极扩散层2,阳极扩散层2的一侧固定连接有阳极催化剂7,阳极催化剂7的一侧固定安装有质子交换膜本体6,质子交换膜本体6的一侧固定连接有阴极催化剂5,阴极催化剂5的一侧固定连接有阴极扩散层3,阴极扩散层3的一侧固定连接有阴极板4,阳极板1和阴极板4的尺寸相适配且两者的尺寸均设置为0.8mm,阳极板1发生的反应为H2=2H++2e,阳极扩散层2发生的反应为O2+4H++4e=2H2O,阳极扩散层2和阴极扩散层3的尺寸相适配且均设置为0.4mm,阳极催化剂7把阳极扩散层2和质子交换膜本体6之间相连接且连接处无间隙,阴极扩散层3把阴极催化剂5和阴极板4之间相连接且连接处无间隙,质子交换膜本体6与阴极扩散层3的尺寸相适配,质子交换膜本体6的左侧与多个阳极催化剂7相连,质子交换膜本体6的右侧与多个阴极催化剂5相连,且质子交换膜本体6和阴极催化剂5和阳极催化剂7之间无间隙,阳极板1的右侧与阳极扩散层2的左侧相连,阳极扩散层2的右侧与阳极催化剂7的外表面左侧相连,且阳极板1和阳极扩散层2和阳极催化剂7之间无间隙。
ePTFE膜通过双向拉伸工艺制备而成,具有“微纤维—节点”的微观网状结构,这种网状结构形成的最小孔径达0.1μm,每平方厘米面积上微孔个数高达数十亿个。它能够阻挡液态水或固体颗粒的通过,同时又能让空气或水蒸气通过,因此具有良好的防水、防尘和透气透湿功能,同时PTFE有较强的机械强度,将PTFE膜作为全氟磺酸膜的支撑体,将两种膜进行复合制得一种质子交换膜,其不仅有良好的机械强度和透气性能,并且有很好的电池性能。
本实用新型的工作原理及使用流程:本实用新型在使用的过程中,首先,氢气通过阳极极板上的气体流场到达阳极,通过电极上的扩散层到达阳极催化层,吸附在阳极催化剂层,氢气在催化剂铂的催化作用下分解为2个氢离子,即质子H+,并释放出2个电子。这一过程称为氢的阳极氧化过程,阳极上发生的反应为:H2=2H++2e在电池的另一端,氧气或空气通过阴极极板上的气体流场到达阴极,通过电极上的扩散层到达阴极催化层,吸附在阴极催化层,同时,氢离子穿过电解质到达阴极,电子通过外电路也到达阴极。在阴极催化剂的作用下,氧气与氢离子和电子发生反应生成水,这一过程称为氧的阴极还原过程,阴极上发生的反应为:O2+4H++4e=2H2O总的化学反应式为:2H2+O2=2H2O与此同时,电子在外电路的连接下形成电流,通过适当连接可以向负载输出电能,生成的水通过电极随反应尾气排出。
最后应说明的是:以上仅为本实用新型的优选实施例而已,并不用于限制本实用新型,尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于燃料电池的全氟磺酸质子交换膜,包括阳极板(1),其特征在于:所述阳极板(1)的一侧固定连接有阳极扩散层(2),所述阳极扩散层(2)的一侧固定连接有阳极催化剂(7),所述阳极催化剂(7)的一侧固定安装有质子交换膜本体(6),所述质子交换膜本体(6)的一侧固定连接有阴极催化剂(5),所述阴极催化剂(5)的一侧固定连接有阴极扩散层(3),所述阴极扩散层(3)的一侧固定连接有阴极板(4)。
2.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的全氟磺酸质子交换膜,其特征在于:所述阳极板(1)和阴极板(4)的尺寸相适配且两者的尺寸均设置为0.8mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的全氟磺酸质子交换膜,其特征在于:所述阳极板(1)发生的反应为H2=2H++2e,所述阳极扩散层(2)发生的反应为O2+4H++4e=2H2O。
4.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的全氟磺酸质子交换膜,其特征在于:所述阳极扩散层(2)和阴极扩散层(3)的尺寸相适配且均设置为0.4mm。
5.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的全氟磺酸质子交换膜,其特征在于:所述阳极催化剂(7)把阳极扩散层(2)和质子交换膜本体(6)之间相连接且连接处无间隙,所述阴极扩散层(3)把阴极催化剂(5)和阴极板(4)之间相连接且连接处无间隙。
6.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的全氟磺酸质子交换膜,其特征在于:所述质子交换膜本体(6)与阴极扩散层(3)的尺寸相适配,所述质子交换膜本体(6)的左侧与多个阳极催化剂(7)相连,质子交换膜本体(6)的右侧与多个阴极催化剂(5)相连,且质子交换膜本体(6)和阴极催化剂(5)和阳极催化剂(7)之间无间隙。
7.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的全氟磺酸质子交换膜,其特征在于:所述阳极板(1)的右侧与阳极扩散层(2)的左侧相连,阳极扩散层(2)的右侧与阳极催化剂(7)的外表面左侧相连,且阳极板(1)和阳极扩散层(2)和阳极催化剂(7)之间无间隙。
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