催化层强制流通型燃料电池制造技术

本发明专利技术公开了一种燃料电池装置。燃料电池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，膜电极组件包括离子交换膜、阳极催化层和阴极催化层。催化层为多孔结构，内部的径向（即催化层表面垂直方向）和横向（即催化层表面平行方向）孔隙相互连通。取消气体扩散层，双极板组件与催化层直接接触，通过双极板组件上交指状流道设计，使工质进入催化层后在横向产生强制流通，极大加快了工质流速、提高电化学反应速度，以提高燃料电池装置效率、减少装置厚度尺寸，结构更简单且成本更低。结构更简单且成本更低。结构更简单且成本更低。

【技术实现步骤摘要】
催化层强制流通型燃料电池


[0001]本专利技术涉及一种燃料电池装置，特别是一种创新的催化层强制流通型燃料电池装置。

技术介绍

[0002]燃料电池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。燃料进入燃料电池装置内的阳极完成氧化反应，氧化剂进入燃料电池装置内的阴极完成还原反应。阳极和阴极的电化学反应，共同实现燃料电池装置对外输出电能的作用。
[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阳极催化层和阴极催化层、以及与阳极催化层贴合的阳极气体扩散层、与阴极催化层贴合的阴极气体扩散层层叠而成。一般来说，双极板组件由阳极板和阴极板组成，阳极板和阴极板之间有冷却液流道，双极板组件朝外的两个侧面分别布置有阳极流道和阴极流道，工质进、排气均是同一个流道中完成。
[0004]在阳极，燃料经由一组双极板组件的阳极流道，通过阴气体扩散层到达阴催化层，在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阴极催化层，而离子通过离子交换膜直接迁移至阴极催化层。
[0005]氧化剂由另一组双极板组件的阴极流道，通过阴极扩散层达到阴极催化层，与前述阳极氧化反应后输送过来的电子和离子一起，在阴极催化层中的催化剂作用下完成还原反应，反应生成物（水）穿过阴极催化层和阴极扩散层输出至阴极流道，最终排出至燃料电池的外部。
[0006]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通过一定的方法均匀分布在多孔的碳载体孔隙内，形成一种三维立体式的空间结构。
[0007]燃料电池装置内参与反应的工质包括新鲜工质与反应后工质，新鲜工质包括新鲜燃料和氧化剂，反应后工质包括反应后多余的燃料和氧化剂以及反应生成物。
[0008]现有技术中，鉴于双极板流道和气体扩散层的结构特点，工质在催化层内部的流动方向以径向（即催化层表面垂直方向）为主，横向（即催化层表面平行方向）流动是非强制性的、流量极少。
[0009]工质在燃料电池内部的流动，只能依靠浓度差异扩散和双极板流道内高速流动产生的微弱压差，而且新鲜工质与反应后工质的流动方向相反，因此流动速度缓慢，造成反应速度缓慢。为提高反应速度，需要较高的工质压力和流量，这又会造成泵送功耗增加，降低了整个燃料电池装置的效率。
[0010]为使工质能够到达双极板流道脊梁之下的位置上、充分利用催化层面积，气体扩散层的存在是必须的。气体扩散层造成了工质流动阻力增加、燃料电池装置厚度增加、电子流动电阻增加以及成本增加的不足。
[0011]综上所述，现有燃料电池装置工质在催化层内流动速度缓慢、效率低、装置厚度尺寸较厚、结构复杂且成本高昂。

技术实现思路

[0012]本专利技术的目的在于提供一种燃料电池装置，取消气体扩散层，双极板组件与催化层直接接触，通过双极板组件上交指状流道设计，使工质进入催化层后在横向产生强制流通，极大加快了工质流速、提高电化学反应速度，以提高燃料电池装置效率、减少装置厚度尺寸，结构更简单且成本更低。
[0013]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供一种燃料电池装置，由若干组双极板组件和若干组膜电极组件依次层叠而成。
[0014]膜电极组件包括离子交换膜、阳极催化层和阴极催化层；离子交换膜为离子可穿透但电子不可穿透的非金属薄膜；阳极催化层和阴极催化层为多孔结构，内部的径向（即催化层表面垂直方向）孔隙向催化层表面开放，内部的横向（即催化层表面平行方向）孔隙相互连通，且径向孔隙与横向孔隙相互连通。催化层内部孔隙中，布置有贵金属催化剂颗粒和离子聚合物电解质。
[0015]双极板组件的两个外侧表面上分别设置有至少两组凹槽流道，其中至少一组流道为进气流道，另外至少一组为排气流道。所有的进气流道的一端汇总连通到进气口、另一端被堵死，所有的排气流道的一端汇总连通到排气口、另一端被堵死。进气流道与排气流道并列依次排布、呈交指状布置、互不连通。
[0016]双极板组件设置有流道的这一表面，与膜电极组件两侧的催化层外表面贴合接触并保持电连通。
[0017]优选地，膜电极组件两侧的双极板进气流道凹槽宽度一致，且相互对齐。膜电极组件两侧的双极板排气流道凹槽宽度一致，且相互对齐。
[0018]优选地，双极板阳极侧流道凹槽宽度范围为10~200微米，凹槽深度范围为20~200微米。
[0019]优选地，双极板阴极侧流道凹槽宽度范围为10~200微米，凹槽深度范围为30~300微米。
[0020]优选地，双极板进气流道与排气流道之间的间隔距离范围为50~500微米。
[0021]在大功率应用中，燃料电池装置工作中会产生大量有害的热量。为顺利排出这些热量，优选地，双极板组件由导电的阳极板和阴极板贴合而成，阳极板和阴极板之间设置有冷却液流道。
[0022]优选地，燃料电池装置的阴极排气管路中设置有水收集装置，阳极进气管路中设置有加湿装置，水收集装置收集到的液态水，在加湿装置内与燃料混合后进入双极板进气口，对离子交换膜进行加湿。
[0023]催化层内有效孔隙率和有效催化剂表面积大小，对燃料电池装置的功率密度和性能有至关重要的影响。为进一步提高催化层内有效孔隙率和有效催化剂表面积，优选地，可对催化层进行有序化改进，即在催化层内按一定秩序设置有碳纳米管载体，在碳纳米管载体表面附着有催化剂颗粒和离子聚合物电解质。有序化结构可大幅增加有效孔隙率、提高
催化剂有效表面积。
[0024]考虑到工质对催化层有一定程度的冲刷磨损，优选地，燃料电池装置外部设置有换向阀，操作换向阀可改变工质在催化层内部的流通方向。气流方向不同时，气流对催化层内部冲刷磨损部位不完全相同，定期改变气流方向，可延长催化层寿命。
[0025]为了进一步延长催化层寿命，还可对燃料电池装置开展定期保养，分别通过燃料和氧化剂的进气、排气管路充入离子聚合物电解质溶液，促使离子聚合物电解质沉积于燃料电池催化层内部孔隙中，以弥补催化层内部因气流冲刷造成的离子聚合物电解质流失。
[0026]本专利技术的有益效果：本专利技术提供了一种燃料电池装置，取消气体扩散层，双极板组件与催化层直接接触，通过双极板组件上交指状流道设计，使工质进入催化层后在横向产生强制流通，极大加快了工质流速、提高电化学反应速度，以提高燃料电池装置效率、减少装置厚度尺寸，结构更简单且成本更低。
附图说明
[0027]图1是本专利技术实施例一燃料电池装置结构示意图。
[0028]图2是本专利技术实施例一燃料电池装置之单层电池局部剖视示意图。
[0029]图3是本专利技术实施例一燃料电池装置之阳极流道布置示意图。
[0030]图4是本专利技术实施例二燃料电池装置之有序化催化层示意图。
[0031]图5是本专利技术实施例三燃料电池装置之换向装置示意图。
[0032]图6是现有技术燃料电池装置之单层电池局部剖视本文档来自技高网...

【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）、阳极催化层（10）和阴极催化层（20）；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；所述阳极催化层（10）和阴极催化层（20）为多孔结构，内部的径向（即催化层表面垂直方向）孔隙向催化层（10、20）表面开放，内部的横向（即催化层表面平行方向）孔隙相互连通，且径向孔隙与横向孔隙相互连通；催化层（10、20）内部孔隙中，布置有贵金属催化剂颗粒和离子聚合物电解质；所述双极板组件（200）的两个外侧表面上分别设置有至少两组凹槽流道，其中至少一组流道为进气流道（11、21），另外至少一组为排气流道（12、22）；所有的进气流道（11、21）的一端汇总连通到进气口（13、23），另一端被堵死；所有的排气流道（12、22）的一端汇总连通到排气口（14、24），另一端被堵死；进气流道（11、21）与排气流道（12、22）并列依次排布、呈交指状布置、互不连通；所述双极板组件（200）设有流道（11、12、21、22）的两个侧面，分别与所述膜电极组件（300）两侧的催化层（10、20）外表面贴合接触并保持电连通。2.权利要求1所述的一种燃料电池装置（100），其特征在于：所述膜电极组件（300）两侧对应的所述双极板进气流道（11、21）凹槽宽度一致，且相互对齐；所述膜电极组件（300）两侧对应的所述双极板排气流道（12、22）凹槽宽度一致，且相互对齐。3.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：所述双极板组件（200）阳极流道（11、12）凹槽宽度范围为1...

【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：发明
国别省市：