气孔，使空气能充分接触阴极。同时为使其能紧压阴极憎水扩散层3，以防止燃料泄露，设计采取圆筒密封集流罩4与紧凑式极膜一体化燃料腔2过盈配合的方案。使用三维建模软件进行建模，然后采用导电3D打印材料打印，完成圆筒密封集流罩4的制作。
[0048]方案二:圆筒密封集流罩4采用记忆合金为制作材料，在圆筒密封集流罩4上开足够多的圆形透气孔，使空气能充分接触阴极，利用记忆合金材料在不同温度下变形和回复而产生的预紧力，均匀施力固定裹在紧凑式极膜一体化燃料腔2上的憎水扩散层，实现圆筒密封集流罩4与紧凑式蜂窝腔极膜一体结构过盈配合，同时记忆合金本身可以导电，与导电3D打印材料一样具有充当集流板的作用。
[0049]下面结合附图，对本发明进一步详细描述，以下实施方式主要用于说明本发明，但不限制本发明范围。
[0050]实施例1:
[0051]如图1所示，紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池1，依次包括紧凑式极膜一体化燃料腔2、阴极憎水扩散层3及圆筒密封集流罩4。
[0052]如图2所示，紧凑式极膜一体化燃料腔2包括圆柱形燃料腔体5，蜂窝状多孔结构6，顶端的燃料加注孔7。其中如图3所示，蜂窝状多孔结构6又包括二级槽道10及附着在蜂窝状多孔结构6上的阳极催化层11、离子交换膜8。所述顶端的燃料加注孔7，用于即时加注液体燃料，保证快速启动。所述蜂窝状多孔结构6，蜂窝状孔中有多个二级槽道10，蜂窝状多孔结构越紧凑，催化活性表面积越大，传质阻力越小，燃料电池性能越好，但制造难度将增大，故采用三维建模软件构建三维模型后采用导电3D打印材料打印成型。
[0053]附着于蜂窝状多孔结构6的阳极催化层11、离子交换膜8和阴极催化层9的制作过程为:
[0054]首先将所述圆柱形燃料腔体5浸入阳极催化颗粒和离子聚合物的混合溶液，使蜂窝状多孔结构6的壁面上附着该混合物，晾干后作为阳极催化层11，接着在所述圆柱形燃料腔体5上包裹一层离子聚合物，晾干后即形成离子交换膜8，即如图4所示。接着，在膜外侧涂上一层催化剂颗粒和离子聚合物的混合物，晾干后形成阴极催化层9。最后，完成紧凑式极膜一体化燃料腔2的制作。
[0055]如图5所示，阴极憎水扩散层3为碳布或碳纸，裹在所述紧凑式极膜一体化燃料腔2上。
[0056]如图6所示，圆筒密封集流罩4，为了使空气能充分接触阴极，需在所述圆筒密封集流罩上开足够多的圆形透气孔12，其结构既提供外力使阴极憎水扩散层3与紧凑式极膜一体化燃料腔2紧密接触，保证内部液体燃料不泄露，还可充当集流板的作用。圆筒密封集流罩4的制作也采用导电3D打印材料打印而成。
[0057]实施例2:
[0058]在实施例2中，与实施例1的不同之处在于:圆筒密封集流罩4，为采用记忆合金材料制作而成的一个完整的圆柱筒状结构，足够多的圆形透气孔12使空气能充分接触阴极，装配时，先将所述记忆合金圆筒密封集流罩4在低温下扩半径，使其直径略大于裹有阴极憎水扩散层3的紧凑式极膜一体化燃料腔2，然后在常温下降将该圆筒密封集流罩4套在裹有所述阴极憎水扩散层3的紧凑式极膜一体化燃料腔2上，等其半径恢复到原来半径，实现过盈配合，提供足够的外力使阴极憎水扩散层3紧贴在紧凑式极膜一体化燃料腔2上，如图7所示，整个燃料电池的制作完成。
[0059]以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
【主权项】
1.一种紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池，其特征在于，包括圆柱形的紧凑式极膜一体化燃料腔(2)，以及依次套设在紧凑式极膜一体化燃料腔(2)上的离子交换膜(8)、阴极憎水扩散层(3)和起固定和密封作用的圆筒密封集流罩(4);圆筒密封集流罩(4)与紧凑式极膜一体化燃料腔(2)过盈配合；离子交换膜(8)涂覆有阴极催化层(9)。2.根据权利要求1所述的紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池，其特征在于，所述紧凑式极膜一体化燃料腔(2)包括采用导电3D打印材料打印制成的圆柱形燃料腔体(5)，圆柱形燃料腔体(5)的侧壁为与内部空腔相连通的蜂窝状多孔结构￠)，顶部开设有燃料加注孔(7);蜂窝状多孔结构(6)的壁面上涂覆阳极催化层(11)。3.根据权利要求1或2所述的紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池，其特征在于，所述蜂窝状多孔结构￠)的每个孔内设置有若干用于增加表面积的二级槽道(10)。4.根据权利要求1所述的紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池，其特征在于，所述圆筒密封集流罩(4)中空的圆柱状结构，且侧面开设有若干圆形透气孔(12)。5.根据权利要求1或4所述的紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池，其特征在于，所述圆筒密封集流罩(4)采用导电3D打印材料打印制成。6.根据权利要求1或4所述的紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池，其特征在于，所述圆筒密封集流罩(4)采用记忆合金制成。7.根据权利要求1所述的紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池，其特征在于，所述阴极憎水扩散层(3)为碳布或碳纸。8.一种紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)使用三维建模软件建模，采用导电3D打印材料打印，完成圆柱形燃料腔体(5)的制作；圆柱形燃料腔体(5)的侧壁为与内部空腔相连通的蜂窝状多孔结构￠)，顶部开设有燃料加注孔(7)，蜂窝状多孔结构(6)的每个孔内有若干二级槽道(10)； 2)将制作好的圆柱形燃料腔体(5)浸入阳极催化颗粒和离子聚合物的混合溶液中，使蜂窝状多孔结构(6)的壁面上附着混合溶液，晾干后作为阳极催化层(11);其中，混合溶液由载量为1.0?4.0mg.Cm 2的催化剂颗粒与质量百分比为5?50%的离子聚合物在分散剂中均匀分散制成； 3)在圆柱形燃料腔体(5)上包裹一层离子聚合物，晾干后形成离子交换膜(8); 4)在离子交换膜(8)外侧涂上一层催化剂颗粒和离子聚合物的混合物，晾干后形成阴极催化层(9); 5)将阴极憎水扩散层(3)裹在涂覆有阴极催化层(9)的圆柱形燃料腔体(5)上； 6)将圆筒密封集流罩(4)套装在阴极憎水扩散层(3)上，使阴极憎水扩散层(3)与内部的紧凑式极膜一体化燃料腔(2)紧密接触，保证内部液体燃料不泄露，同时还充当集流板的作用。9.根据权利要求8所述的紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池的制备方法，其特征在于，所述步骤2)?4)中，催化剂颗粒采用Pd基催化剂、Pt基催化剂、Fe基催化剂、Co基催化剂或Ni基催化剂；离子聚合物采用磺酸基团基离子聚合物或季氨集团基离子聚合物；分散剂采用乙醇、丙酮或四氢呋喃。10.根据权利要求8所述的紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池的制备方法，其特征在于，所述步骤6)中，圆筒密封集流罩(4)采用导电3D打印材料打印制成或者采用记忆合金材料制成，圆筒密封集流罩(4)的侧面开设若干圆形透气孔(12);制成的圆筒密封集流罩(4)与紧凑式极膜一体化燃料腔(2)过盈配合； 当圆筒密封集流罩(4)采用记忆合金材料时，装配时，先将圆筒密封集流罩(4)在低温下扩半径，使其直径大于裹有阴极憎水扩散层(3)的整个紧凑式极膜一体化燃料腔(2)，然后在常温下降将圆筒密封集流罩(4)套在裹有阴极憎水扩散层(3)的紧凑式极膜一体化燃料腔(2)上，等其半径恢复到原来半径，实现过盈配合，提供外力使阴极憎水扩散层(3)紧贴在紧凑式极膜一体化燃料腔(2)上，整个燃料电池的制作完成。
【专利摘要】本发明公开了一种紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池及其制备方法，属于燃料电池领域，包括紧凑式极膜一体化燃料腔的设计及制作，阴极憎水扩散层的设计和制作，圆筒密封固定罩的设计及制作。所述紧凑式极膜一体化燃料腔将燃料腔、阳极扩散层、离子交换膜、阴极催化层合为一体。所述圆筒密封集流罩开有圆形透气孔，采用3D打印快速成型技术或记忆合金材料制作。该紧凑式圆柱形离子交换膜燃料电池结构紧凑，易加工，相比于传统燃料电池，催化活性表面积大，传质阻力更小，放电电流大，并可按需组成电堆，以提供所需电流、电压和功率。
【IPC分类】H01M8/10, H01M8/02
【公开号】CN105070932
【申请号】CN201510437718
【发明人】李印实, 曹杨, 何雅玲, 贾哲
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年7月23日