一种质子交换膜燃料电池及其制备方法与流程

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池及其制备方法。

背景技术：

1、随着化石燃料的日趋枯竭以及化石燃料燃烧所引起的环境危机日益严峻，新能源的开发引起了越来越多的关注。质子交换膜燃料电池以氢气为燃料，以空气为氧化剂，将氢气中的化学能直接转化成电能的发电装置，是一种无燃料燃烧过程的环保能量转换装置，能量转化效率不受卡诺循环限制，因此其具有能量利用率高，环境友好，有广阔的发展前景。

2、典型的氢氧pemfc包括由起电解质作用的质子传导聚合物膜组成的膜电极组件，质子传导聚合物膜将阳极侧与阴极侧分开。将氢导入阳极侧，在阳极侧，使氢与催化剂接触从而导致氢离解为组成的质子和电子。然后，质子穿过所述膜至阴极，但是电子不能穿过所述膜，并且代替地，经过外部电路产生电，至阴极与质子结合并形成水。

3、现有技术中，催化层和气体扩散层都是粉末且无规则沉积在质子交换膜上，之间的孔隙较为错乱，往往是弯曲无规则的，使用过程中，交换气液时，导致其中的阻力较大，进而导致效率较低，并且质子交换膜在使用过程中可能会发生一定程度的变形，这种变形可能是由温度变化、湿度变化或气体压力所引起的，对质子交换膜的形状稳定型有较大影响，从而导致质子交换膜的收缩或变形。

4、因此，有必要针对现有技术中的催化层和气体扩散层沉积的方式和质子交换膜的变形进行改进，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明克服了现有技术的不足，提供一种质子交换膜燃料电池及其制备方法。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种质子交换膜燃料电池，包括：质子交换膜，所述质子交换膜的两侧依次设置有催化层、气体扩散层和双极板；

3、所述催化层包括：设置在所述质子交换膜表面的若干催化剂分布块，以及用于连接相邻所述催化剂分布块的催化剂通道；所述催化剂分布块和所述催化剂通道均匀分布有催化剂颗粒，且每个所述催化剂分布块的形状为正六边形，若干相邻所述催化剂分布块之间通过十字状连接；

4、所述气体扩散层为平面内周期性排列的若干六边形结构，每个所述六边形结构包括：顶条、底条和四条等长倾斜的侧条；所述顶条和所述底条的中间位置设置有分段；排列规则为：在竖直方向上，相邻所述六边形结构的所述顶条和所述底条之间设置有间隙；在水平方向上，相邻所述六边形结构共用一所述侧条；

5、所述六边形结构的内部形成有用于容纳对应所述催化剂分布块的容纳空间，且所述容纳空间大于对应的所述催化剂分布块；每个所述六边形结构和对应所述催化剂分布块的中心重合。

6、本发明一个较佳实施例中，所述分段和所述间隙用于连接所述催化剂通道，且所述分段、所述间隙和所述催化剂通道的宽度相等。

7、本发明一个较佳实施例中，所述催化层分为阳极催化层和阴极催化层，所述气体扩散层分为阳极气体扩散层和阴极气体扩散层，所述双极板分为阳极双极板和阴极双极板；所述阳极双极板的一侧设置有燃料进口和回收口，所述阴极双极板的一侧设置有气体进口和气体出口。

8、本发明一个较佳实施例中，所述阳极催化层的材质为铂炭，所述阴极催化层的材质为铂或钴。

9、本发明一个较佳实施例中，所述阳极气体扩散层和阴极气体扩散层的材质均为碳纸或碳布。

10、一种质子交换膜燃料电池的制备方法，包括以下步骤：

11、s1、将模具放置在聚四氟乙烯薄膜上，将催化剂浆料通过超声喷涂的方式涂覆在聚四氟乙烯薄膜上，采用热压转印法将涂覆完成的催化层转印到质子交换膜上；

12、s2、将碳纸或碳布朝向质子交换膜的一面，通过模具制作成周期性排列的若干六边形结构，制作好的碳纸或碳布浸入一定浓度的聚四氟乙烯乳液中，将浸好的扩散层基底在烘箱内以300-400℃下焙烧；

13、s3、将水、乙醇、碳粉和ptfe乳液混合，通过超声波震荡形成糊状浆料，采用刮涂或辊压将浆料制作到扩散层基底上，在300-400℃下焙烧25-50min形成气体扩散层；

14、s4、依次将双极板、扩散层、催化层和质子交换膜层叠在一起，层叠之间设有密封圈并进行热压，热压完成后组装在燃气气室和氧气室内，燃气气室和氧气室分别与阳极和阴极相连，并通过热封或胶水将燃气气室和氧气室密封，形成完整的质子交换膜燃料电池。

15、本发明一个较佳实施例中，在所述s1中，模具的形状为若干正六边形，且相邻若干所述正六边形之间通过十字通道连通。

16、本发明一个较佳实施例中，在所述s1中，热压转印时的温度为125-145℃，压强为2-4mpa，时间为4-7min。

17、本发明一个较佳实施例中，在所述s2中，模具的形状为若干六边形结构，所述六边形结构有缝隙分段，若干相邻所述六边形结构之间有间隙。

18、本发明一个较佳实施例中，在所述s4中，热压的温度为70-190℃，压强为0.5-8mpa，时间为1-8min。

19、本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：

20、(1)本发明提供了一种质子交换膜燃料电池及其制备方法，通过将催化层制备成由若干正六边形的催化剂分布块组成，并将相邻的催化剂分布块通过十字状的催化剂通道连接，将气体扩散层朝向催化层的一面制备成由周期性排列的若干六边形结构组成，将气体扩散层层叠在催化层后，之间的孔隙分布均匀，呈规则性排布，在交换气液时，可以降低通过的阻力，从而提高燃料电池的性能和工作效率。

21、(2)本发明中层叠在一起的催化层和气体扩散层，在质子交换膜的表面形成若干细小的蜂窝状正六边形结构，在使用过程中，能够有效的提高质子交换膜的形状稳定型，进而解决了现有技术中，因温度、湿度或气体压力的变化造成的质子交换膜的收缩或变形，从而提高燃料电池使用寿命和耐久性。

22、(3)本发明中在制备时，通过将碳纸或碳布浸入一定浓度的聚四氟乙烯乳液中，在焙烧后，使浸渍在碳纸或碳布中聚四氟乙烯乳液所含的表面活性剂被去除，同时使聚四氟乙烯乳液热熔烧结并均匀分散在碳纸或碳布中，进而达到良好的憎水效果，使得气体扩散层表面不易吸附水分子，减少了水分子与气体之间的竞争吸附，从而提高了气体在扩散层中的扩散速率。

23、(4)本发明中制备的质子交换膜燃料电池使用时，具有良好的性能，并且使用寿命和耐久性得到了大幅的提高，制备方法简单，质量稳定适合燃料电池的实际应用中。

技术特征：

1.一种质子交换膜燃料电池，包括：质子交换膜，所述质子交换膜的两侧依次设置有催化层、气体扩散层和双极板；其特征在于，

2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池，其特征在于：所述分段和所述间隙用于连接所述催化剂通道，且所述分段、所述间隙和所述催化剂通道的宽度相等。

3.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池，其特征在于：所述催化层分为阳极催化层和阴极催化层，所述气体扩散层分为阳极气体扩散层和阴极气体扩散层，所述双极板分为阳极双极板和阴极双极板；所述阳极双极板的一侧设置有燃料进口和回收口，所述阴极双极板的一侧设置有气体进口和气体出口。

4.根据权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池，其特征在于：所述阳极催化层的材质为铂炭，所述阴极催化层的材质为铂或钴。

5.根据权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池，其特征在于：所述阳极气体扩散层和阴极气体扩散层的材质均为碳纸或碳布。

6.基于权利要求1-6中任一项所述的一种质子交换膜燃料电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种质子交换膜燃料电池的制备方法，其特征在于：在所述s1中，模具的形状为若干正六边形，且相邻若干所述正六边形之间通过十字通道连通。

8.根据权利要求6所述的一种质子交换膜燃料电池的制备方法，其特征在于：在所述s1中，热压转印时的温度为125-145℃，压强为2-4mpa，时间为4-7min。

9.根据权利要求6所述的一种质子交换膜燃料电池的制备方法，其特征在于：在所述s2中，模具的形状为若干六边形结构，所述六边形结构有缝隙分段，若干相邻所述六边形结构之间有间隙。

10.根据权利要求6所述的一种质子交换膜燃料电池的制备方法，其特征在于：在所述s4中，热压的温度为70-190℃，压强为0.5-8mpa，时间为1-8min。

技术总结
本发明公开了一种质子交换膜燃料电池及其制备方法，包括：质子交换膜，催化层包括：设置在所述质子交换膜表面的若干催化剂分布块，以及用于连接相邻所述催化剂分布块的催化剂通道；所述催化剂分布块和所述催化剂通道均匀分布有催化剂颗粒，且每个所述催化剂分布块的形状为正六边形，若干相邻所述催化剂分布块通过十字状连接；将催化层制备成由若干正六边形的催化剂分布块组成，并将相邻的催化剂分布块通过十字状的催化剂通道连接，将气体扩散层朝向催化层的一面制备成由周期性排列的若干六边形结构组成，将气体扩散层层叠在催化层后，之间的孔隙分布均匀，呈规则性排布，在交换气液时，可以降低通过的阻力，从而提高燃料电池的性能和工作效率。

技术研发人员：叶季蕾,刘锋
受保护的技术使用者：苏州夫立世新能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15