新型质子交换膜燃料电池制造技术

本发明专利技术公开了一种新型质子交换膜燃料电池，该质子交换膜燃料电池通过在扩散层设计流道或设计专门的对流层来实现水电气进出电池的通道，可以实现“去双极板化”或者“双极板去流道化”，显著减少电池中双极板和扩散层之间的接触传输阻力，从而获得高效率、低成本、高使用寿命的PEMFC。

【技术实现步骤摘要】
新型质子交换膜燃料电池
本专利技术涉及一种质子交换膜燃料电池(PEMFC)，具体涉及一种具有新型电极结构的PEMFC，特别涉及通过对现有的PEMFC的电极结构进行改进，设计自带流道的扩散层或专门的对流层结构，可以去掉电极板或者使电极板平面化，显著减少电池中双极板和扩散层之间的接触传输阻力，从而获得高效率PEMFC，属于燃料电池

技术介绍
氢能被认为是解决弃风弃电问题、减少对石油依存度、实现能源和环境问题协同解决的理想二次能源，质子交换膜燃料电池(PEMFC)被认为是新能源汽车的最终解决方案，已引起世界主要国家的高度关注和激烈竞争。目前，PEMFC电堆的核心是MEA组件和双极板(传统氢燃料电池结构如图1所示)。MEA是将两张单面喷涂有Nafion溶液及Pt催化剂的碳纤维纸扩散层电极分别置于经预处理的质子交换膜两侧，催化剂靠近质子交换膜，在一定温度和压力下模压制成。双极板是由极板和流场组成，其主要的正面作用包括：导电、导热、导气、隔气、以及支撑膜电极，该种电池的最主要特征是将流道设计在双极板上。不过在研究中也发现，这种结构双极板的使用也会对电池带来许多不利的负面作用：1)双极板是PEMFC制造成本、制造难度、功率密度、腐蚀失效等的主要贡献者。常用的双极板主要有三种：石墨双极板、金属双极板、复合双极板。其中石墨板流道的加工费昂贵，占了其成本的80％以上，而且加工时间长；金属板需要表面作防腐蚀涂层处理，技术难度大，针孔难防，是影响电池寿命的短板。石墨双极板厚度约2～3.7mm，占了电池总厚度的一半以上，双极板占整个燃料电池电堆重量的60％-80％、成本的25％-50％。总之，双极板在电池中具有加工难度大、占用成本高、占体积和质量的比重高等特点。2)双极板导致炭纸扩散层严重变形，影响流道设计和传质传热由于双极板的杨氏模量分别为13000MPa，远大于GDL6MPa的杨氏模量，而扩散层厚度薄，因此，装配压力引起的变形主要发生的GDL上，其多孔结构也会遭到破坏，这对水的生成以及GDL孔隙率的变化会产生很大的影响，进而会影响到GDL的孔隙率、气体渗透率、质量扩散系数、热传导率和电导率等性质，给水管理带来新的问题；MEA和双极板接触产生的接触热阻占了总热阻的65％-90％，当然PTFE和MPL的加入也会增加接触热阻。总之，带来的综合问题就是电池的寿命严重缩短和功率输出效率低下。综上所述，目前PEMFC中，双极板虽然担负了导电、导热、导气、支撑膜电极等功能，但是也牺牲了巨大功率密度，增加了相应界面的传输阻力，而且由于双极板和其它材料部件的杨氏模量相差巨大，在压力组装的过程中可能对其它部件造成难以恢复的伤害，严重影响电池的寿命。
技术实现思路
为了提高PEMFC内部的传质传热，传统电池一般在双极板中设计流道结构以改善电池内部的对流功能，从而双极板表面就相应形成了流道部和脊部，电池组装过程中则只有面积狭小的脊部与扩散层直接接触，不仅使得传输阻力居高不下，而且增加了局部的接触压力，又因为双极板和扩散层的弹性模量相差几个数量级，压力组装过程导致系统发生的形变集中在扩散层上，使得与双极板脊部相接触的扩散层的孔隙率显著下降，而位于流道部位的扩散层甚至被压入流道，影响传质效率，扩散层非均匀的变形严重者甚至导致炭纤维被压断，更有甚者还可能影响催化剂和膜乃至整个电池堆的寿命。此外，双极板对燃料电池的功率密度和寿命也有着至关重要的影响。目前采用的双极板主要有石墨板、复合板、金属板。前者由于厚度大、脆性大、加工难度大，于电池的功率密度和制成成本不利；后者由于防腐蚀难度大，于电池的制成成本和寿命不利。当然，尤其是自带流道是目前双极板价格居高不下的主要原因。针对现有技术中PEMFC的电极结构存在的问题，本专利技术的目的是在于提供一种新型的具有全新电极结构的质子交换膜燃料电池(PEMFC)，通过设计自带流道的扩散层或专门的对流层结构，可以实现“去双极板化”和“双极板去流道化”，显著减少电池中双极板和扩散层之间的接触传输阻力，从而获得高效率、低成本、高使用寿命的PEMFC。为了实现上述技术目的，本专利技术提供了新型质子交换膜燃料电池，其包括A、B、C、D或E结构：A结构：由阴极单元、阳极单元及质子交换膜构成，阴极单元和阳极单元之间以及阴极单元和阳极单元的外侧均设置质子交换膜；所述阴极单元由扩散层及其两侧的阴极催化剂层构成；所述阳极单元由扩散层及其两侧的阳极催化剂层构成，且阴极单元和阳极单元的扩散层中央位置均设有流道；B结构：由阴极单元、阳极单元及质子交换膜构成，阴极单元和阳极单元之间以及阴极单元和阳极单元的外侧均设置质子交换膜；所述阴极单元由扩散层/对流层/扩散层一体化结构及其两侧的阴极催化剂层构成；所述阳极单元由扩散层/对流层/扩散层一体化结构及其两侧的阳极催化剂层构成；C结构：由阴极板、阳极板、阳极单元、阴极单元和质子交换膜构成；阴极单元和阳极单元之间设置质子交换膜，阴极单元和阳极单元外侧分别设置阳极板和阴极板；所述阴极单元包括对流层、扩散层和阴极催化剂层，扩散层的质子交换膜一侧为阴极催化剂层，阴极板一侧为对流层；所述阳极单元包括对流层、扩散层和阳极催化剂层，扩散层的质子交换膜一侧为阳极催化剂层，阳极板一侧为对流层；所述阴极板和阳极板靠近相应对流层一侧均为平面结构；D结构：由阴极板、阳极板、阳极单元、阴极单元和质子交换膜构成；阴极单元和阳极单元之间设置质子交换膜，阴极单元和阳极单元外侧分别设置阳极板和阴极板；所述阴极单元包括扩散层和阴极催化剂层，所述扩散层的质子交换膜一侧为阴极催化剂层；所述阳极单元包括扩散层和阳极催化剂层，所述扩散层的质子交换膜一侧为阳极催化剂层；所述阴极板和阳极板均为平板结构；所述阳极单元和阴极单元的扩散层中央位置均设有流道；E结构：由阴极板、阳极板、阳极单元、阴极单元和质子交换膜构成；阴极单元和阳极单元之间设置质子交换膜，阴极单元和阳极单元外侧分别设置阳极板和阴极板；所述阴极单元包括扩散层和阴极催化剂层，所述扩散层的质子交换膜一侧为阴极催化剂层；所述阳极单元包括扩散层和阳极催化剂层，所述扩散层的质子交换膜一侧为阳极催化剂层；所述阴极板和阳极板均为平板结构；所述阳极单元的扩散层于阳极板一侧设有流道；所述阴极单元的扩散层于阴极板一侧设有流道。优选的方案，B结构中，扩散层/对流层/扩散层一体化结构由两层扩散层与一层对流层叠加构成，中间层为对流层。成型过程中可以将对流层作为“夹心”与两层扩散层一起压制成型，或者将对流层作为“夹心”与两层扩散层紧密接触叠加。优选的方案，C结构中，阴极单元和阳极单元的对流层和扩散层为一体化结构或者对流层和扩散层紧密接触。对流层与扩散层可以采用一体化制成，或者先分别制成然后二者以平面方式紧接触。较优选的方案，所述对流层为具有对流功能大孔结构。大孔结构的对流层作为气、水进出电池的对流通道，作用类似于现有PEMFC电极板上流道的作用。大孔结构的孔结构根据情况可以实际调节，能达到气、水对流目的即可，这是本行业技术人员易于理解和实施的。较优选的方案，所述对流层由金属或炭-石墨材料构成，或者由高分子或陶瓷网状物表面镀导电层构成。具体可以为碳纤维、多孔钛、钛网、不锈钢网等，或者是镀钛或其他金属的碳纤维等。本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.新型质子交换膜燃料电池，其特征在于：包括A、B、C、D或E结构：A结构：由阴极单元、阳极单元及质子交换膜构成，阴极单元和阳极单元之间以及阴极单元和阳极单元的外侧均设置质子交换膜；所述阴极单元由扩散层及其两侧的阴极催化剂层构成；所述阳极单元由扩散层及其两侧的阳极催化剂层构成，且阴极单元和阳极单元的扩散层中央位置均设有流道；B结构：由阴极单元、阳极单元及质子交换膜构成，阴极单元和阳极单元之间以及阴极单元和阳极单元的外侧均设置质子交换膜；所述阴极单元由扩散层/对流层/扩散层一体化结构及其两侧的阴极催化剂层构成；所述阳极单元由扩散层/对流层/扩散层一体化结构及其两侧的阳极催化剂层构成；C结构：由阴极板、阳极板、阳极单元、阴极单元和质子交换膜构成；阴极单元和阳极单元之间设置质子交换膜，阴极单元和阳极单元外侧分别设置阳极板和阴极板；所述阴极单元包括对流层、扩散层和阴极催化剂层，扩散层的质子交换膜一侧为阴极催化剂层，阴极板一侧为对流层；所述阳极单元包括对流层、扩散层和阳极催化剂层，扩散层的质子交换膜一侧为阳极催化剂层，阳极板一侧为对流层；所述阴极板和阳极板靠近相应对流层一侧均为平面结构；D结构：由阴极板、阳极板、阳极单元、阴极单元和质子交换膜构成；阴极单元和阳极单元之间设置质子交换膜，阴极单元和阳极单元外侧分别设置阳极板和阴极板；所述阴极单元包括扩散层和阴极催化剂层，所述扩散层的质子交换膜一侧为阴极催化剂层；所述阳极单元包括扩散层和阳极催化剂层，所述扩散层的质子交换膜一侧为阳极催化剂层；所述阴极板和阳极板均为平板结构；所述阳极单元和阴极单元的扩散层中央位置均设有流道；E结构：由阴极板、阳极板、阳极单元、阴极单元和质子交换膜构成；阴极单元和阳极单元之间设置质子交换膜，阴极单元和阳极单元外侧分别设置阳极板和阴极板；所述阴极单元包括扩散层和阴极催化剂层，所述扩散层的质子交换膜一侧为阴极催化剂层；所述阳极单元包括扩散层和阳极催化剂层，所述扩散层的质子交换膜一侧为阳极催化剂层；所述阴极板和阳极板均为平板结构；所述阳极单元的扩散层于阳极板一侧设有流道；所述阴极单元的扩散层于阴极板一侧设有流道。...

【技术特征摘要】
1.新型质子交换膜燃料电池，其特征在于：包括A、B、C、D或E结构：A结构：由阴极单元、阳极单元及质子交换膜构成，阴极单元和阳极单元之间以及阴极单元和阳极单元的外侧均设置质子交换膜；所述阴极单元由扩散层及其两侧的阴极催化剂层构成；所述阳极单元由扩散层及其两侧的阳极催化剂层构成，且阴极单元和阳极单元的扩散层中央位置均设有流道；B结构：由阴极单元、阳极单元及质子交换膜构成，阴极单元和阳极单元之间以及阴极单元和阳极单元的外侧均设置质子交换膜；所述阴极单元由扩散层/对流层/扩散层一体化结构及其两侧的阴极催化剂层构成；所述阳极单元由扩散层/对流层/扩散层一体化结构及其两侧的阳极催化剂层构成；C结构：由阴极板、阳极板、阳极单元、阴极单元和质子交换膜构成；阴极单元和阳极单元之间设置质子交换膜，阴极单元和阳极单元外侧分别设置阳极板和阴极板；所述阴极单元包括对流层、扩散层和阴极催化剂层，扩散层的质子交换膜一侧为阴极催化剂层，阴极板一侧为对流层；所述阳极单元包括对流层、扩散层和阳极催化剂层，扩散层的质子交换膜一侧为阳极催化剂层，阳极板一侧为对流层；所述阴极板和阳极板靠近相应对流层一侧均为平面结构；D结构：由阴极板、阳极板、阳极单元、阴极单元和质子交换膜构成；阴极单元和阳极单元之间设置质子交换膜，阴极单元和阳极单元外侧分别设置阳极板和阴极板；所述阴极单元包括扩散层和阴极催化剂层，...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢志勇，梁伊丽，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43