本发明专利技术公开了一种基于集流体/膜电极一体化结构的全可视化燃料电池，属于燃料电池应用领域。所述膜电极包括一层催化剂涂层膜、两层密封垫、一层导电介质及气体扩散层，并将上述五层结构定位对齐后进行热压封装。通过导电介质起到集流体传输电子的作用。简化传统集流体的设计，减少接触电阻，利于电池性能提升。且所述全可视化燃料电池结构，基于上述一体化膜电极，通过将流场板材料设计为透明状，在所述透明流场板材料上设有流道结构，可实现电池的全可视化，借助高速相机的高分辨率采样功能，可实现气体扩散层全区域液态水分布及流道液态水分布的可视化。水分布的可视化。水分布的可视化。
【技术实现步骤摘要】
一种基于集流体/膜电极一体化结构的全可视化燃料电池
[0001]本专利技术属于燃料电池应用领域，具体涉及一种基于集流体/膜电极一体化结构的全可视化燃料电池。
技术介绍
[0002]燃料电池在过去的几十年引起了极大的关注，它可以直接将燃料的化学能转化为电能，而无需通过热能转化成电能。由于其零排放、绿色环保、高能效、高功率密度等优点，在交通运输、便携式发电、航空航天等领域越来越受欢迎。特别是质子交换膜燃料电池，作为一种很有前景的燃料电池，其阳极采用清洁的氢气作为燃料，阴极则采用纯氧或空气作为氧化剂，发电全过程完全摆脱化石能源的制约，实现零污染。
[0003]集流体作为燃料电池的重要部件，承担着传输电子的重要作用。传统设计是在集流体中加工流道同时实现气体分配，缺点是集流体与气体扩散层的接触电阻变大，电池性能因此大幅下降，因为气体扩散层与集流体之间的接触电阻约占电池总的接触电阻的55％。因此，亟待进一步设计改进集流体。
[0004]另外，由于质子交换膜燃料电池的产物是液态水，而生成的水如果滞留在电池内部，会阻塞氢气和氧气的传输通道，从而导致电池性能下降。因此，对电池水管理的研究凸显必要性。而优化水管理的重要方法之一，就是进行电池的可视化实验。可视化实验可以真实地展示气泡或液滴在气体扩散层及流道槽内的生成以及发展过程，有利于了解其进化机制，从而进一步优化水气管理并提高电池性能。
[0005]目前也有一些关于简化集流体及电池可视化的设计，但是都或多或少存在一些设计弊端。如专利CN112864409A虽然简化传统集流体的设计，利用导电介质完成集流和传导电子，但该设计方案也存在两个弊端。其一是加工工艺复杂，每次覆盖导电介质时需要对流道部分的导电介质进行挤压以贴近流道内表面；其二是贴近流道内表面的导电介质会影响流道内气体的流动阻力，影响气体向膜电极的传输，对电池性能产生不利影响。
[0006]专利CN214797478U虽然采用透明的材料作端板从而将流道内及膜电极外表面水的生成、分布、流动进行可视化，但该设计从流道到端板间所需零部件多，从而气密性并没有得到很好保证，且该设计方式仅可对电池进行单侧可视化。
[0007]专利CN110323453A虽然采用金属箔作为电池集电板，但是该金属箔的设计方式一方面让电池的气密性无法得到保证，另一方面由于该金属箔置于气体扩散层和膜电极之间，且外围尺寸跟膜电极及气体扩散等大，虽然对金属箔进行冲孔加工，但未冲孔的位置会阻碍气体传质，导致局部气体无法直接从气体扩散层扩散到膜电极，从而降低电池性能。
技术实现思路
[0008]本专利技术为了解决膜电极组件过多导致的接触电阻大，减少集流板与气体扩散层之间过大的接触电阻，改善电池的输出性能，将导电介质压印在膜电极组件中而完成集流作用，实现集流体与膜电极一体化设计。为了控制气体扩散层的压缩率，可调控不同密封垫的
厚度，从而利于改善气体传质。为了实现电池的全可视化，在基于膜电极及集流体一体化的基础上，将流场端板设计为透明的。
[0009]为了实现本专利技术目的，本专利技术提供的一种基于集流体/膜电极一体化结构的全可视化燃料电池，包括催化剂涂层膜以及对称位于催化剂涂层膜两侧且依次设置的第二密封垫、导电介质、第一密封垫和透明流场板，第二密封垫、导电介质、第一密封垫上相应于催化剂涂层膜的位置处均镂空设置，且导电介质上的镂空面积小于第一密封垫上的镂空面积且大于第二密封垫上的镂空面积，两第一密封垫上的镂空处内均嵌入设置有气体扩散层。
[0010]通过第二密封垫可以确保电池反应有效活性面积及避免阴阳极气体互串；第一密封垫在进一步确保电池气密性的同时，也方便用于气体扩散层的定位。
[0011]进一步地，气体扩散层的尺寸小于第一密封垫上的镂空处的尺寸。
[0012]进一步地，所述催化剂涂层膜的长度为1～10cm、宽度为1～10cm，阴极铂催化剂载量为0.1mg cm
‑2～1mg cm
‑2，阳极铂催化剂载量为0.05mg cm
‑2～0.5mg cm
‑2。优选地，所述催化剂涂层膜3尺寸为2cm
×
2cm，阴极催化剂铂载量为0.5mg cm
‑2，阳极催化剂载量为0.25mg cm
‑2。
[0013]进一步地，所述第二密封垫上的镂空处的长度为0.5cm～1.5cm，宽度为0.5cm～1.5cm。优选地，镂空的尺寸为1cm
×
1cm。
[0014]进一步地，所述第二密封垫的材料为PET薄膜或PI薄膜，厚度为10～50μm。优先地，薄膜厚度为38μm。
[0015]进一步地，所述第一密封垫上的镂空处的尺寸为1.2cm
×
1.2cm～2cm
×
2cm。优选地，镂空的尺寸为1.5cm
×
1.5cm。
[0016]进一步地，所述第一密封垫上的材料PET薄膜或PI薄膜，厚度为80～150μm。优选地，薄膜厚度为100μm。
[0017]进一步地，所述导电介质为金属铜箔或铝箔，且导电介质上设有极耳。导电介质镂空的尺寸小于第一密封垫所镂空的尺寸且略大于第二密封垫，以使金属铜箔跟气体扩散层直接接触，从而完成集流和传输电子的作用；且所述金属铜箔上端设有极耳，便于将电流引出。
[0018]进一步地，将催化剂涂层膜、第二密封垫、导电介质、第一密封垫和气体扩散层按封装顺序对齐堆叠成压印组，并置于热压机下，一次热压成型。
[0019]所述封装方法转换传统膜电极封装思维，将导电介质引入进去，通过导电介质起到集流体传输电子的作用。利用该封装方法，通过调整外侧密封垫的厚度，可调控气体扩散层的压缩率。
[0020]优选的，所述热压印的温度为150℃，压力为3MPa，热压持续时间为2.5min。
[0021]进一步地，所述集流体有与膜电极一体化热压封装工艺可通过调整密封垫1的厚度，实现气体扩散层的压缩率动态调控。
[0022]进一步地，第二密封垫、导电介质、第一密封垫上的镂空均位于中间处。
[0023]进一步地，所述气体扩散层5为一种双层结构，包括基底层(碳纸、碳布等)和微孔层；所述气体扩散层5尺寸略小于第一层密封垫1所镂空的尺寸。
[0024]进一步地，所述透明流场板上设有流道结构，所述流道结构深度为0.5～1.5mm，宽度为0.5～1.5mm。优选地，所述流道结构深度为1mm，宽度为1mm。
[0025]优选的，所述一种基于集流体/膜电极一体化结构的全可视化燃料电池，基于所述集流体与膜电极一体化热压封装工艺，通过将流场板材料设计为透明的，借助高速相机，可实现气体扩散层液态水形成及流道液态水分布的全可视化。
[0026]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0027]1、一体化设计。简化传统集流体的设计，大大减少气体扩散层与集流体之间的接触电阻。本专利技术将导电介质压印在膜电极中，通过导电介质与气体扩散层直接接本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于集流体/膜电极一体化结构的全可视化燃料电池，其特征在于，包括催化剂涂层膜(3)以及对称位于催化剂涂层膜(3)两侧且依次设置的第二密封垫(2)、导电介质(4)、第一密封垫(1)和透明流场板(6)，第二密封垫(2)、导电介质(4)、第一密封垫(1)上相应于催化剂涂层膜(3)的位置处均镂空设置，且导电介质(4)上的镂空面积小于第一密封垫(1)上的镂空面积且大于第二密封垫(2)上的镂空面积，两第一密封垫(1)上的镂空处内均嵌入设置有气体扩散层(5)。2.根据权利要求1所述的一种基于集流体/膜电极一体化结构的全可视化燃料电池，其特征在于，气体扩散层(6)的尺寸小于第一密封垫(1)上的镂空处的尺寸。3.根据权利要求1所述的一种基于集流体/膜电极一体化结构的全可视化燃料电池，其特征在于，所述催化剂涂层膜(3)的长度为1～10cm、宽度为1～10cm，阴极铂催化剂载量为0.1mg cm
‑2～1mg cm
‑2，阳极铂催化剂载量为0.05mg cm
‑2～0.5mg cm
‑2。4.根据权利要求1所述的一种基于集流体/膜电极一体化结构的全可视化燃料电池，其特征在于，所述第二密封垫(2)上的镂空处的长度为0.5cm～1.5cm，宽度为0.5cm～1.5cm。5.根据权...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘庆森，袁伟，张赛军，柯育智，林镇河，刘子昂，李欣泽，王延刚，李康，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：
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