一種雙極性電極及其組成的燃料電池組制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種雙極性電極，所述雙極性電極是將陽極催化劑層和陰極催化劑層分別附著在同一塊電極基底的兩面而制成；本發(fā)明專利技術(shù)還公開了一種雙極性電極組成的燃料電池組，該電池組包括一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)單元，所述的結(jié)構(gòu)單元是將上述雙極性電極的兩面分別與電解質(zhì)層接觸而組成。本發(fā)明專利技術(shù)提出雙極性電極用于制造燃料電池組，從而省卻雙極性電板的使用，降低了生產(chǎn)成本、減輕了燃料電池組的重量，同時(shí)也縮小了體積、減小了電池組的內(nèi)電阻、增加了電池發(fā)電效率。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于能源、電化學(xué)發(fā)電
，特別是涉及一種雙極性電極及其組成的燃料電池組。
技術(shù)介紹
燃料電池是一種可以直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的電化學(xué)發(fā)電裝置，典型的燃料電池是由陽極、陰極和電解質(zhì)層組成。傳統(tǒng)的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)及直接甲醇燃料電池(DMFC)采用質(zhì)子交換膜作為其電解質(zhì)層，燃料電池的陽極、質(zhì)子交換膜和陰極組合成燃料電池的基本單元膜集成電極(MEA)。將膜集成電極插入兩塊導(dǎo)流極板便組成了一個(gè)燃料電池的單電池。通過導(dǎo)流極板可以分別將化學(xué)反應(yīng)物導(dǎo)入膜集成電極的陽極和陰極，使其完成電化學(xué)反應(yīng)，并將產(chǎn)生的電流輸出。一般而言，燃料電池單電池的輸出電壓相當(dāng)有限。例如質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的輸出電壓通常小于I伏特，而直接甲醇燃料電池單電池的輸出電壓則小于O. 7伏特。在實(shí)際應(yīng)用中，為獲得足夠的輸出電壓和發(fā)電功率，有必要將多個(gè)燃料電池單電池進(jìn)行串聯(lián)連接組成燃料電池組或稱為燃料電池堆。目前常用的燃料電池組是將多個(gè)膜集成電極和多個(gè)雙極性電板插入兩塊導(dǎo)流極板而組成。雙極性電板與導(dǎo)流極板具有相似的功能，即輸送化學(xué)反應(yīng)物、傳輸電流和固定膜集成電極。而雙極性電板通常是由石墨或者金屬等導(dǎo)電材料制成，如果采用金屬材料，該金屬材料必須具有抗化學(xué)腐蝕的性能。一般而言，制造雙極性電板的材料應(yīng)具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能、抗化學(xué)腐蝕的性能和良好的機(jī)械加工性能，同時(shí)還要具有一定的機(jī)械強(qiáng)度可以抵抗外力的沖擊，并且具有良好的密封性能避免氣體和液體的滲漏。由于對(duì)材料的高要求導(dǎo)致雙極性電板的制造成本具高不下，目前僅雙極性電板的制造成本就占整個(gè)燃料電池組成本的三分之一，此外燃料電池組的體積和重量的絕大部分由雙極性電板的體積和重量組成。從重量、體積和成本這三要素去衡量,可以認(rèn)為雙極性電板是燃料電池組中比重最大的部件。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供一種雙極性電極以及將其應(yīng)用于制造燃料電池組，該雙極性電極可降低燃料電池組的成本、重量和體積。實(shí)現(xiàn)本專利技術(shù)目的的技術(shù)解決方案是本專利技術(shù)的一種雙極性電極，所述雙極性電極是將陽極催化劑層7a和陰極催化劑層7e分別附著在同一塊電極基底的兩面而制成。實(shí)現(xiàn)本專利技術(shù)另一個(gè)目的的技術(shù)解決方案是一種雙極性電極組成的燃料電池組，包括一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)單元，所述的結(jié)構(gòu)單元是將上述雙極性電極的兩面分別與電解質(zhì)層接觸而組成。所述的燃料電池組由陰極、陽極和雙極性電極的結(jié)構(gòu)單元組成。所述的電極基底是一塊或一片電子導(dǎo)體組成的導(dǎo)電子基底。所述的電解質(zhì)層可以采用固體質(zhì)子交換膜。制造雙極性電極的電極基底材料可以是具有抗化學(xué)腐蝕性能的材質(zhì)。制造雙極性電極的電極基底可以具有空隙結(jié)構(gòu)從而有利于傳輸化學(xué)物質(zhì)。制造雙極性電極的電極基底表面可以先增加分子擴(kuò)散層促進(jìn)化學(xué)物質(zhì)在電極表面的傳輸。所述的分子擴(kuò)散層為陽極分子擴(kuò)散層或陰極分子擴(kuò)散層。分子擴(kuò)散層是將碳黑和高分子粘合劑一起噴涂、涂布或印刷在雙極性電極的電極基底的表面而制得。陽極催化劑層或陰極催化劑層是將陽極催化劑或陰極催化劑與離子交聯(lián)聚合物一起噴涂、涂布或印刷在分子擴(kuò)散層的表面而制得。 高分子粘合劑可以采用聚四氟乙烯或聚全氟磺酸高分子聚合物。離子交聯(lián)聚合物采用聚全氟磺酸高分子聚合物。本專利技術(shù)的有益效果是本專利技術(shù)提出雙極性電極用于制造燃料電池組，從而省卻雙極性電板的使用，降低了生產(chǎn)成本、減輕了燃料電池組的重量，同時(shí)也縮小了體積、減小了電池組的內(nèi)電阻、增加了電池發(fā)電效率。附圖說明圖IA是本專利技術(shù)燃料電池組陰極結(jié)構(gòu)示意圖。圖IB是本專利技術(shù)雙極性電極的結(jié)構(gòu)示意圖。圖IC是本專利技術(shù)燃料電池組陽極結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本專利技術(shù)具有一個(gè)雙極性電極結(jié)構(gòu)單元的燃料電池組結(jié)構(gòu)示意圖。其中，2.陽極，3.陰極，4.固體質(zhì)子交換膜5.電極支架，6.導(dǎo)流管，7a.陽極催化劑層，8b.陽極分子擴(kuò)散層，9.電極基底，8d.陰極分子擴(kuò)散層，7e.陰極催化劑層。具體實(shí)施例方式圖IB表示了本專利技術(shù)雙極性電極的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖IB所示，本專利技術(shù)的雙極性電極是在電極基底9的兩個(gè)表面先分別增加分子擴(kuò)散層(即陽極分子擴(kuò)散層Sb和陰極分子擴(kuò)散層8d)，然后再在分子擴(kuò)散層的表面增加催化劑層(即陽極催化劑層7a和陰極催化劑層7e)。本專利技術(shù)所述的雙極性電極的電極基底9是一塊或一片電子導(dǎo)體組成的導(dǎo)電子基底，電極基底9可以具有空隙結(jié)構(gòu),有利于傳輸化學(xué)物質(zhì)如氣體或液體的傳輸，同時(shí)具有抗化學(xué)腐蝕的性能。其制造材料可以是碳或石墨，例如I毫米厚的導(dǎo)電碳紙；也可以是具有抗化學(xué)腐蝕的金屬或合金。為加強(qiáng)化學(xué)物質(zhì)在電極表面的傳輸，在雙極性電極的電極基底9的兩個(gè)表面可以先增加分子擴(kuò)散層，如陽極分子擴(kuò)散層8b和陰極分子擴(kuò)散層8d。分子擴(kuò)散層是一層導(dǎo)電子微孔結(jié)構(gòu)可用于增加電極的比表面積。例如，可將碳黑和高分子粘合劑通過噴涂、涂布或者印刷等方法在雙極性電極的電極基底9表面制得分子擴(kuò)散層。例如采用高分子粘合劑聚四氟乙烯或聚全氟磺酸高分子聚合物和粒徑為30納米的碳黑顆粒通過噴涂可以制備出O. 2毫米厚度的分子擴(kuò)散層。為了更有效地輸運(yùn)化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)并排出反應(yīng)副產(chǎn)物，還可根據(jù)具體燃料電池的要求，將分子擴(kuò)散層制備成具有親水性或疏水性的分子擴(kuò)散層。例如在直接甲醇燃料電池組中，當(dāng)陽極分子擴(kuò)散層8b是親水性分子擴(kuò)散層時(shí)，在電化學(xué)過程中有利于陽極催化劑層7a排出二氧化碳?xì)怏w，輸入甲醇水溶液。同時(shí)當(dāng)陰極分子擴(kuò)散層8d是疏水性分子擴(kuò)散層時(shí)，有利于陰極催化劑層7e排出產(chǎn)物水，輸入空氣或氧氣。分子擴(kuò)散層的表面是雙極性電極的陽極催化劑層7a和陰極催化劑層7e。將陽極催化劑或陰極催化劑與離子交聯(lián)聚合物一起通過噴涂、涂布或者印刷等方法在分子擴(kuò)散層的表面就可制得雙極性電極的陽極催化劑層7a或陰極催化劑層7e。離子交聯(lián)聚合物起著粘合劑和提供電解質(zhì)的作用，在催化劑層可以形成由催化劑-電解質(zhì)-反應(yīng)物組成的三相接觸區(qū)，促進(jìn)相應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)。例如，在直接甲醇燃料電池組中，陰極催化劑為分散在碳黑顆粒表面的金屬Pt，陽極催化劑為分散在碳黑顆粒表面的Pt/Ru合金，離子交聯(lián)聚合物采用聚全氟磺酸高分子聚合物，催化劑層的厚度可以為5微米。不同類型的燃料電池可以采用不同類型的催化劑。一些選擇性催化劑專門用于催化陽極電化學(xué)反應(yīng)或陰極電化學(xué)反應(yīng)也可以用于制造雙極性電極的催化劑層，例如Rh/Se合金和Co/Fe絡(luò)合物，其他類型的催化劑也可以用以制造燃料電池。 燃料電池組通過電池組陰極和電池組陽極輸出電流。圖IA和IC為燃料電池組的陰極3和陽極2的結(jié)構(gòu)示意圖。燃料電池組的陰極3和陽極2的結(jié)構(gòu)與雙極性電極類似，燃料電池組的陰極3是在電極基底9表面增加陰極分子擴(kuò)散層8d及陰極催化劑層7e，燃料電池組的陽極2是在電極基底9表面增加陽極分子擴(kuò)散層Sb及陽極催化劑層7a。在雙極性電極表面結(jié)合上固體質(zhì)子交換膜4便可組成燃料電池組的結(jié)構(gòu)單元，在燃料電池組的陰極3和陽極2之間插入一個(gè)或多個(gè)上述結(jié)構(gòu)單元就可組成二級(jí)或多級(jí)燃料電池組。圖2是具有一組上述結(jié)構(gòu)單元組成的二級(jí)燃料電池組結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，雙極性電極兩面分別與質(zhì)子交換膜4接觸組成燃料電池組的結(jié)構(gòu)單元，將該結(jié)構(gòu)單元插入燃料電池組的陰極3和陽極2中并由電極支架5所固定組成了燃料電池組，化學(xué)物質(zhì)通過導(dǎo)流管6流入燃料電池組的陰極催化劑層7e和陽極催化劑層7a即可完成電化學(xué)反應(yīng)。采用本專利技術(shù)制造燃料電池組具有降低燃料電池組造價(jià)、本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種雙極性電極，其特征在于所述雙極性電極是將陽極催化劑層（7a）和陰極催化劑層（7e）分別附著在同一塊電極基底（9）的兩面而制成。

【技術(shù)特征摘要】
2011.09.01 GB 1115136.21.一種雙極性電極，其特征在于所述雙極性電極是將陽極催化劑層(7a)和陰極催化劑層(7e )分別附著在同一塊電極基底(9 )的兩面而制成。2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙極性電極，其特征在于所述的電極基底(9)是一塊或一片電子導(dǎo)體組成的導(dǎo)電子基底，其材質(zhì)具有抗化學(xué)腐蝕性能；所述的電極基底(9)具有有利于傳輸化學(xué)物質(zhì)的空隙結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙極性電極，其特征在于先在所述的電極基底(9)表面增加分子擴(kuò)散層，所述的分子擴(kuò)散層具有導(dǎo)電子微孔結(jié)構(gòu)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙極性電極，其特征在于所述的分子擴(kuò)散層是將碳黑和高分子粘合劑一起噴涂、涂布或印刷在雙極性電極的電極基底(9)的表面而制得。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙極性電極，其特征在于所述的陽極催化劑層(7a)或陰極催化劑層(7e)是將陽極催化劑或陰極催化劑與離...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：沈慕仲，蔡軍，
申請(專利權(quán))人：蘇州凱樂新能源科技有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：