本发明专利技术公开了一种燃料电池反应堆装置，由若干组双极板组件和若干组膜电极组件依次层叠而成。所述膜电极组件包括离子交换膜、还原催化剂和氧化催化剂；所述离子交换膜为离子可穿透但电子不可穿透的非金属薄膜；所述还原催化剂和氧化催化剂均为导电体，以连续的线条形状分别铺设于所述离子交换膜的两侧表面上，形成特定的催化剂图案，呈现二维平面化、且三相界面呈开放式的布局。本发明专利技术提供了一种燃料电池反应堆装置，膜电极组件结构简单，极大降低了流体输送阻力，大大降低了附件消耗功率。因此，燃料电池反应堆装置系统效率更高、成本更低。低。低。
【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池反应堆装置
[0001]本专利技术涉及一种燃料电池反应堆装置，特别是一种燃料电池反应堆装置的膜电极组件。
技术介绍
[0002]燃料电池反应堆装置，是一种化学能转化为电能的装置，由若干组双极板组件和若干组膜电极组件依次层叠而成，还原剂和氧化剂进入燃料电池反应堆装置内完成氧化和还原反应，对外输出电能。
[0003]每一组膜电极组件通常由离子交换膜、分置于离子交换膜两侧的氧化催化层和还原催化层、与氧化催化层贴合的还原剂扩散层、与还原催化层贴合的氧化剂扩散层层叠而成。
[0004]还原剂经由一组双极板组件通过还原剂扩散层到达氧化催化层，在氧化催化层中的催化剂作用下完成氧化反应，解离为带负电的电子和带正电的离子，电子通过外电路输出至还原催化层，而离子则通过离子交换膜输出至还原催化层。
[0005]氧化剂经由另一组双极板组件通过氧化剂扩散层到达还原催化层，与前述氧化反应后输送过来的电子和离子一起，在还原催化层中的催化剂作用下完成还原反应，反应生成物水透过还原催化层和氧化剂扩散层输出至外部。
[0006]扩散层通常为多孔结构，还须进行疏水处理，以便流体的流通与交换。
[0007]氧化反应发生在离子交换膜、催化剂与氧化剂的三相界面处，还原反应发生在离子交换膜、催化剂与还原剂的三相界面处。
[0008]催化剂一般为贵金属，成本较高。为提高催化剂表面积利用率、降低催化剂使用量，通常会将催化剂细微颗粒和适合离子传导的聚合物通过一定的方法混合沉积在多孔的碳载体内空隙里，形成一种三维立体的、三相界面呈封闭式的空间结构。
[0009]催化剂细微颗粒表面覆盖了一层薄薄的离子传导聚合物，即：三相界面被薄薄的离子传导聚合物所包裹。催化剂与氧化剂需要一定的压力才能穿透离子传导聚合物表层到达催化剂细微颗粒表面即三相界面处。
[0010]这种立体式多孔结构，流体阻力大。为提高各种流体流通的速度，需要进一步提高氧化剂与还原剂的输送压力。这就需要消耗较高的附件功率，尤其是氧化剂的泵送功率消耗高，大幅降低了整个燃料电池系统使用效率。
[0011]从流体流通结构看，新鲜氧化剂与还原剂需要通过扩散层和催化剂层的孔隙到达三相界面处，同时，未参与反应而多余的氧化剂与还原剂，以及反应后生成物也需要通过催化层和扩散层的孔隙及时排出。可见，扩散层和催化剂层的结构非常复杂且制造困难，成本高昂。
[0012]综上所述，现有燃料电池反应堆装置采用的膜电极组件流体阻力大、结构非常复杂且制造困难，导致系统效率低、成本高昂。
技术实现思路
[0013]本专利技术的目的在于提供一种燃料电池反应堆装置，其膜电极组件通过直接将催化剂以连续的线条形状分别铺设于所述离子交换膜的两侧表面上，形成特定的催化剂图案。相比于传统的催化剂三维立体的、三相界面呈封闭式的空间结构，本专利技术提供一种催化剂二维平面化、且三相界面呈开放式的布局。
[0014]布局由三维立体转变为二维平面化结构，虽然减少了催化剂的涂敷总面积，但这种结构避免了多孔的催化层的阻力，甚至可以取消扩散层，还原剂和氧化剂可直接通畅地到达离子交换膜表面上的三相界面处。
[0015]本专利技术的目的还在于提供一种燃料电池反应堆装置膜电极组件的制造方法，采用电镀法，将催化剂按照设定的图案，沉积于离子交换膜的表面上。这种制造方法工艺简单，设备成本低廉。
[0016]这种二维平面化且三相界面开放式的催化层结构，膜电极组件结构简单，极大降低了流体输送阻力，大大降低了附件消耗功率，因此，燃料电池反应堆装置附件得以简化且系统效率更高、成本更低，同时也简化了膜电极组件的制造方法。
[0017]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0018]本专利技术提供一种燃料电池反应堆装置，由若干组双极板组件和若干组膜电极组件依次层叠而成。
[0019]所述膜电极组件包括离子交换膜、还原催化剂和氧化催化剂；所述离子交换膜为离子可穿透但电子不可穿透的非金属薄膜；所述还原催化剂和氧化催化剂均为导电体，以连续的线条形状分别铺设于所述离子交换膜的两侧表面上，形成特定的催化剂图案，呈现二维平面化、且三相界面呈开放式的布局。
[0020]优选地，所述特定的催化剂图案为网格结构或总干
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分枝结构。
[0021]优选地，所述还原催化剂为化学催化剂，材料为对氧化剂的还原反应速度具有催化加速作用的贵金属或贵金属化合物或混合物；所述氧化催化剂为化学催化剂，材料为对还原剂的氧化反应速度具有催化加速作用的贵金属或贵金属化合物或混合物。
[0022]优选地，所述还原催化剂包括还原表层和包覆在其之下的还原导电基线，二者相互接触且保持电连通；所述氧化催化剂包括氧化表层和包覆在其之下的氧化导电基线，二者相互接触且保持电连通；所述还原表层和氧化表层的材料均为导电的贵金属或贵金属化合物或混合物；所述还原导电基线和氧化导电基线的材料均为与所述还原表层和氧化表层的材料不同的导电的金属或非金属或混合物。因此，贵金属的使用量可以进一步降低。
[0023]优选地，在铺设了所述还原催化剂和氧化催化剂之后的所述离子交换膜的两侧平面上，涂敷有一层极薄的离子传导聚合物。因此，三相界面的面积可以进一步增大，催化剂的利用率进一步提高。
[0024]优选地，所述膜电极组件还包括第一支撑层和第二支撑层，分别设置于所述还原催化剂和氧化催化剂的两侧外平面上，将所述离子交换膜、所述还原催化剂和所述氧化催化剂夹于中间；所述第一支撑层和第二支撑层均为多孔透气的导电体。支撑层可有效提高所述离子交换膜的强度稳定性，避免因两侧压力差过大导致的离子交换膜破裂或振动疲劳损坏。
[0025]本专利技术还为上述这种燃料电池反应堆装置，提供一种膜电极组件的制造方法。
[0026]所述离子交换膜通过静电成像装置，在其两侧表面分别形成与所述还原催化剂和氧化催化剂对应的催化剂图案相匹配的静电影像；带有静电影像的所述离子交换膜，沉入带有催化剂离子的镀液槽中，在镀液槽电场作用下，所述催化剂离子在所述离子交换膜上获得电子后还原为原子，沉积在所述离子交换膜上，形成与静电影像一致的所述催化剂图案。
[0027]优选地，所述静电成像装置，包括阴极射线枪、射线偏转装置和正极板；所述射线偏转装置介于阴极射线枪和正极板之间，所述离子交换膜穿过射线偏转装置和正极板之间。这样的静电成像装置可设置多组，分别针对所述离子交换膜的两个侧面，同时、连续地工作。
[0028]优选地，还包括导电基线成像充电装置；所述导电基线成像充电装置包括粉末盒和定影充电装置；所述粉末盒中分别装有所述还原导电基线和氧化导电基线材料的粉末颗粒；所述带有静电影像的所述离子交换膜，经过所述粉末盒时，其表面的电子吸附所述粉末颗粒，经过所述定影充电装置进行粉末固定、静电补充。这样的导电基线成像充电装置可设置多组，分别针对所述离子交换膜的两个侧面，同时、连续地工作。带有静电影像的所述离子交换膜，沉入带有催化剂离子的镀液槽中，在镀液槽电场作本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种燃料电池反应堆装置（100），由若干组双极板组件（200）和若干组膜电极组件（300）依次层叠而成，其特征在于：所述膜电极组件（300）包括离子交换膜（1）、还原催化剂（2）和氧化催化剂（3）；所述离子交换膜（1）为离子可穿透但电子不可穿透的非金属薄膜；所述还原催化剂（2）和氧化催化剂（3）均为导电体，以连续的线条形状分别铺设于所述离子交换膜（1）的两侧表面上，形成催化剂图案（4），呈现二维平面化、且三相界面（5）呈开放式的布局，所述催化剂图案（4）为网格结构或总干
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分枝结构（2c
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2d）。2.权利要求1所述的一种燃料电池反应堆装置（100），其特征在于：所述还原催化剂（2）包括还原表层（2a）和包覆在...
【专利技术属性】
技术研发人员：袁辉，袁梓玉，袁梓彤，
申请(专利权)人：苏州辉美汽车科技有限公司，
类型：新型
国别省市：
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