专利名称：一种双极性电极及其组成的燃料电池组的制作方法
技术领域：
本发明属于能源、电化学发电技术领域，特别是涉及一种双极性电极及其组成的燃料电池组。
背景技术：
燃料电池是一种可以直接将化学能转化成电能的电化学发电装置，典型的燃料电池是由阳极、阴极和电解质层组成。传统的质子交换膜燃料电池(PEMFC)及直接甲醇燃料电池(DMFC)采用质子交换膜作为其电解质层，燃料电池的阳极、质子交换膜和阴极组合成燃料电池的基本单元膜集成电极(MEA)。将膜集成电极插入两块导流极板便组成了一个燃料电池的单电池。通过导流极板可以分别将化学反应物导入膜集成电极的阳极和阴极，使其完成电化学反应，并将产生的电流输出。一般而言，燃料电池单电池的输出电压相当有限。例如质子交换膜燃料电池单电池的输出电压通常小于I伏特，而直接甲醇燃料电池单电池的输出电压则小于O. 7伏特。在实际应用中，为获得足够的输出电压和发电功率，有必要将多个燃料电池单电池进行串联连接组成燃料电池组或称为燃料电池堆。目前常用的燃料电池组是将多个膜集成电极和多个双极性电板插入两块导流极板而组成。双极性电板与导流极板具有相似的功能，即输送化学反应物、传输电流和固定膜集成电极。而双极性电板通常是由石墨或者金属等导电材料制成，如果采用金属材料，该金属材料必须具有抗化学腐蚀的性能。一般而言，制造双极性电板的材料应具有良好的导电和导热性能、抗化学腐蚀的性能和良好的机械加工性能，同时还要具有一定的机械强度可以抵抗外力的冲击，并且具有良好的密封性能避免气体和液体的渗漏。由于对材料的高要求导致双极性电板的制造成本具高不下，目前仅双极性电板的制造成本就占整个燃料电池组成本的三分之一，此外燃料电池组的体积和重量的绝大部分由双极性电板的体积和重量组成。从重量、体积和成本这三要素去衡量,可以认为双极性电板是燃料电池组中比重最大的部件。
发明内容
本发明的目的是提供一种双极性电极以及将其应用于制造燃料电池组，该双极性电极可降低燃料电池组的成本、重量和体积。实现本发明目的的技术解决方案是本发明的一种双极性电极，所述双极性电极是将阳极催化剂层7a和阴极催化剂层7e分别附着在同一块电极基底的两面而制成。实现本发明另一个目的的技术解决方案是一种双极性电极组成的燃料电池组，包括一个或多个结构单元，所述的结构单元是将上述双极性电极的两面分别与电解质层接触而组成。所述的燃料电池组由阴极、阳极和双极性电极的结构单元组成。所述的电极基底是一块或一片电子导体组成的导电子基底。所述的电解质层可以采用固体质子交换膜。
制造双极性电极的电极基底材料可以是具有抗化学腐蚀性能的材质。制造双极性电极的电极基底可以具有空隙结构从而有利于传输化学物质。制造双极性电极的电极基底表面可以先增加分子扩散层促进化学物质在电极表面的传输。所述的分子扩散层为阳极分子扩散层或阴极分子扩散层。分子扩散层是将碳黑和高分子粘合剂一起喷涂、涂布或印刷在双极性电极的电极基底的表面而制得。阳极催化剂层或阴极催化剂层是将阳极催化剂或阴极催化剂与离子交联聚合物一起喷涂、涂布或印刷在分子扩散层的表面而制得。
高分子粘合剂可以采用聚四氟乙烯或聚全氟磺酸高分子聚合物。离子交联聚合物采用聚全氟磺酸高分子聚合物。本发明的有益效果是本发明提出双极性电极用于制造燃料电池组，从而省却双极性电板的使用，降低了生产成本、减轻了燃料电池组的重量，同时也缩小了体积、减小了电池组的内电阻、增加了电池发电效率。
图IA是本发明燃料电池组阴极结构示意图。图IB是本发明双极性电极的结构示意图。图IC是本发明燃料电池组阳极结构示意图。图2是本发明具有一个双极性电极结构单元的燃料电池组结构示意图。其中，2.阳极，3.阴极，4.固体质子交换膜5.电极支架，6.导流管，7a.阳极催化剂层，8b.阳极分子扩散层，9.电极基底，8d.阴极分子扩散层，7e.阴极催化剂层。
具体实施例方式图IB表示了本发明双极性电极的结构示意图，由图IB所示，本发明的双极性电极是在电极基底9的两个表面先分别增加分子扩散层(即阳极分子扩散层Sb和阴极分子扩散层8d)，然后再在分子扩散层的表面增加催化剂层(即阳极催化剂层7a和阴极催化剂层7e)。本发明所述的双极性电极的电极基底9是一块或一片电子导体组成的导电子基底，电极基底9可以具有空隙结构,有利于传输化学物质如气体或液体的传输，同时具有抗化学腐蚀的性能。其制造材料可以是碳或石墨，例如I毫米厚的导电碳纸；也可以是具有抗化学腐蚀的金属或合金。为加强化学物质在电极表面的传输，在双极性电极的电极基底9的两个表面可以先增加分子扩散层，如阳极分子扩散层8b和阴极分子扩散层8d。分子扩散层是一层导电子微孔结构可用于增加电极的比表面积。例如，可将碳黑和高分子粘合剂通过喷涂、涂布或者印刷等方法在双极性电极的电极基底9表面制得分子扩散层。例如采用高分子粘合剂聚四氟乙烯或聚全氟磺酸高分子聚合物和粒径为30纳米的碳黑颗粒通过喷涂可以制备出O. 2毫米厚度的分子扩散层。为了更有效地输运化学反应物质并排出反应副产物，还可根据具体燃料电池的要求，将分子扩散层制备成具有亲水性或疏水性的分子扩散层。例如在直接甲醇燃料电池组中，当阳极分子扩散层8b是亲水性分子扩散层时，在电化学过程中有利于阳极催化剂层7a排出二氧化碳气体，输入甲醇水溶液。同时当阴极分子扩散层8d是疏水性分子扩散层时，有利于阴极催化剂层7e排出产物水，输入空气或氧气。分子扩散层的表面是双极性电极的阳极催化剂层7a和阴极催化剂层7e。将阳极催化剂或阴极催化剂与离子交联聚合物一起通过喷涂、涂布或者印刷等方法在分子扩散层的表面就可制得双极性电极的阳极催化剂层7a或阴极催化剂层7e。离子交联聚合物起着粘合剂和提供电解质的作用，在催化剂层可以形成由催化剂-电解质-反应物组成的三相接触区，促进相应的电化学反应。例如，在直接甲醇燃料电池组中，阴极催化剂为分散在碳黑颗粒表面的金属Pt，阳极催化剂为分散在碳黑颗粒表面的Pt/Ru合金，离子交联聚合物采用聚全氟磺酸高分子聚合物，催化剂层的厚度可以为5微米。不同类型的燃料电池可以采用不同类型的催化剂。一些选择性催化剂专门用于催化阳极电化学反应或阴极电化学反应也可以用于制造双极性电极的催化剂层，例如Rh/Se合金和Co/Fe络合物，其他类型的催化剂也可以用以制造燃料电池。
燃料电池组通过电池组阴极和电池组阳极输出电流。图IA和IC为燃料电池组的阴极3和阳极2的结构示意图。燃料电池组的阴极3和阳极2的结构与双极性电极类似，燃料电池组的阴极3是在电极基底9表面增加阴极分子扩散层8d及阴极催化剂层7e，燃料电池组的阳极2是在电极基底9表面增加阳极分子扩散层Sb及阳极催化剂层7a。在双极性电极表面结合上固体质子交换膜4便可组成燃料电池组的结构单元，在燃料电池组的阴极3和阳极2之间插入一个或多个上述结构单元就可组成二级或多级燃料电池组。图2是具有一组上述结构单元组成的二级燃料电池组结构示意图。如图2所示，双极性电极两面分别与质子交换膜4接触组成燃料电池组的结构单元，将该结构单元插入燃料电池组的阴极3和阳极2中并由电极支架5所固定组成了燃料电池组，化学物质通过导流管6流入燃料电池组的阴极催化剂层7e和阳极催化剂层7a即可完成电化学反应。采用本发明制造燃料电池组具有降低燃料电池组造价、体积和自重及减小燃料电池组内电阻、提高燃料电池发电效率的优势。随着燃料电池组中结构单元数量的增加，这种优势就愈加显著。
权利要求
1.一种双极性电极，其特征在于所述双极性电极是将阳极催化剂层(7a)和阴极催化剂层(7e )分别附着在同一块电极基底(9 )的两面而制成。
2.根据权利要求I所述的双极性电极，其特征在于所述的电极基底(9)是一块或一片电子导体组成的导电子基底，其材质具有抗化学腐蚀性能；所述的电极基底(9)具有有利于传输化学物质的空隙结构。
3.根据权利要求I所述的双极性电极，其特征在于先在所述的电极基底(9)表面增加分子扩散层，所述的分子扩散层具有导电子微孔结构。
4.根据权利要求3所述的双极性电极，其特征在于所述的分子扩散层是将碳黑和高分子粘合剂一起喷涂、涂布或印刷在双极性电极的电极基底(9)的表面而制得。
5.根据权利要求3所述的双极性电极，其特征在于所述的阳极催化剂层(7a)或阴极催化剂层(7e)是将阳极催化剂或阴极催化剂与离子交联聚合物一起喷涂、涂布或印刷在分子扩散层的表面而制得。
6.根据权利要求3或4所述的双极性电极，其特征在于所述的分子扩散层为阳极分子扩散层(8b)或阴极分子扩散层(8d)，所述的阳极分子扩散层(Sb)具有亲水性，所述的阴极分子扩散层(8d)具有疏水性。
7.根据权利要求4或5所述的双极性电极，其特征在于所述的高分子粘合剂采用聚四氟乙烯或聚全氟磺酸高分子聚合物，所述的离子交联聚合物采用聚全氟磺酸高分子聚合物。
8.一种双极性电极组成的燃料电池组，其特征在于所述的燃料电池组包括一个或多个结构单元，所述的结构单元是将如权利要求I所述的双极性电极的两面分别与电解质层接触而组成。
9.根据权利要求8所述的双极性电极组成的燃料电池组，其特征在于所述的燃料电池组由阴极(3 )、阳极(2 )和双极性电极的结构单元组成。
10.根据权利要求8所述的双极性电极组成的燃料电池组，其特征在于所述的电解质层采用固体质子交换膜(4)。
全文摘要
本发明公开了一种双极性电极，所述双极性电极是将阳极催化剂层和阴极催化剂层分别附着在同一块电极基底的两面而制成；本发明还公开了一种双极性电极组成的燃料电池组，该电池组包括一个或多个结构单元，所述的结构单元是将上述双极性电极的两面分别与电解质层接触而组成。本发明提出双极性电极用于制造燃料电池组，从而省却双极性电板的使用，降低了生产成本、减轻了燃料电池组的重量，同时也缩小了体积、减小了电池组的内电阻、增加了电池发电效率。
文档编号H01M4/86GK102903935SQ201210299090
公开日2013年1月30日 申请日期2012年8月22日 优先权日2011年9月1日
发明者沈慕仲, 蔡军 申请人:苏州凯乐新能源科技有限公司