一種流場(chǎng)梯級(jí)分布的一體化燃料電池電極及其制備方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種流場(chǎng)梯級(jí)分布的一體化燃料電池電極及其制備方法。
【【背景技術(shù)】】
[0002]燃料電池具有環(huán)保、高效、啟動(dòng)快等諸多優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的燃料電池其結(jié)構(gòu)為燃料腔體、集流板、擴(kuò)散層和催化層依次緊密排列，這種燃料腔體、集流板、擴(kuò)散層和催化層分離的布置方式，使得電池的尺寸偏大，組裝密封繁雜，燃料的傳輸阻力增大，從而降低了電池的性能。通過(guò)優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)和腔體結(jié)構(gòu)可以解決傳質(zhì)困難、結(jié)構(gòu)不緊湊的問(wèn)題，從而提高電池的效率。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0003]本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，提供一種流場(chǎng)梯級(jí)分布的一體化燃料電池電極及其制備方法，該燃料電池電極整體結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，整個(gè)燃料腔體內(nèi)分布著四級(jí)燃料通道，整個(gè)梯級(jí)通道的設(shè)計(jì)極大的擴(kuò)大了化學(xué)反應(yīng)活性面積，同時(shí)使燃料傳質(zhì)阻力減小，電極的性能更加優(yōu)越。
[0004]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):
[0005]—種流場(chǎng)梯級(jí)分布的一體化燃料電池電極，包括圓柱狀的燃料腔體，以及貫通燃料腔體中部的一級(jí)通道，一級(jí)通道上連通由內(nèi)向外梯級(jí)擴(kuò)大的二級(jí)通道，燃料腔體的側(cè)面設(shè)置密集分布的作為三級(jí)通道的若干蜂窩狀孔，蜂窩狀孔內(nèi)設(shè)置若干用于增大催化活性表面積的四級(jí)通道；四級(jí)通道的表面附著有薄膜催化層。
[0006]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:
[0007]所述燃料腔體采用導(dǎo)電3D打印材料經(jīng)過(guò)3D打印制成。
[0008]所述二級(jí)通道匯聚于貫通燃料腔體中部的一級(jí)通道。
[0009]所述薄膜催化層包括涂覆與一級(jí)通道、二級(jí)通道、三級(jí)通道以及四級(jí)通道的表面的催化劑顆粒和離子聚合物。
[0010]本發(fā)明還公開(kāi)了一種流場(chǎng)梯級(jí)分布的一體化燃料電池電極的制備方法，包括以下步驟:
[0011]I)通過(guò)三維建模軟件建模，使用導(dǎo)電3D打印材料通過(guò)3D打印完成圓柱狀的燃料腔體的制作；燃料腔體中部貫穿一級(jí)通道，一級(jí)通道上連通由內(nèi)向外梯級(jí)擴(kuò)大的二級(jí)通道，燃料腔體的側(cè)面設(shè)置密集分布的作為三級(jí)通道的若干蜂窩狀孔，蜂窩狀孔內(nèi)設(shè)置若干用于增大催化活性表面積的四級(jí)通道；
[0012]2)將制作好的燃料腔體浸入催化劑混合溶液中，使四級(jí)通道的壁面上附著催化劑混合溶液，然后晾干，形成薄膜催化層；其中，催化劑混合溶液由載量為1.0?4.0mg.cm2的催化劑顆粒與質(zhì)量百分比為5?50%的離子聚合物在分散劑中均勻分散制成。
[0013]所述步驟2)中，催化劑顆粒采用Pd基催化劑、Pt基催化劑、Fe基催化劑、Co基催化劑或Ni基催化劑；離子聚合物采用磺酸基團(tuán)基離子聚合物或季氨集團(tuán)基離子聚合物；分散劑采用乙醇、丙酮或四氫呋喃。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0015](I)本發(fā)明中的一級(jí)通道、二級(jí)通道、三級(jí)通道、四級(jí)通道等結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了燃料腔體的結(jié)構(gòu)，極大增加了催化活性表面積，減小傳質(zhì)阻力。
[0016](2)本發(fā)明的蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)，其既作為支撐層和集流板，又作為盛裝燃料和發(fā)生反應(yīng)的場(chǎng)所，孔與孔相互貫通構(gòu)成三級(jí)通道，在三級(jí)通道的基礎(chǔ)上分布著四級(jí)通道，進(jìn)一步增大了催化活性表面積。
[0017](3)本發(fā)明的二級(jí)通道，與一級(jí)通道連通，其梯級(jí)分布有利于燃料流動(dòng)，及時(shí)補(bǔ)充反應(yīng)消耗的燃料，排出反應(yīng)廢棄物。
[0018](4)本發(fā)明的燃料腔體、集流板、擴(kuò)散層以及催化層的一體結(jié)構(gòu)，突破了傳統(tǒng)燃料電池腔體、集流板、催化層和擴(kuò)散層分離的設(shè)計(jì)方式，使得整個(gè)電極結(jié)構(gòu)更加緊湊，體積更小。
[0019](5)本發(fā)明燃料腔體采用3D打印技術(shù)及導(dǎo)電3D打印材料，解決因燃料腔體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積小不易加工的問(wèn)題，可以輕松實(shí)現(xiàn)批量化且一體化成型，有利于成熟技術(shù)的市場(chǎng)推廣，同時(shí)采用導(dǎo)電的3D材料制成的腔體具有集流的作用。
[0020](6)本發(fā)明的三維形貌，可根據(jù)實(shí)際需要任意改變。
【【附圖說(shuō)明】】
[0021 ] 圖1流場(chǎng)梯級(jí)分布的一體化燃料電池電極放大軸測(cè)圖。
[0022]圖2燃料腔體徑向剖視示意圖。
[0023]圖3四級(jí)通道及薄膜催化層微觀(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]其中:1為流場(chǎng)梯級(jí)分布的一體化燃料電池電極；2為燃料腔體；3為一級(jí)通道；4為蜂窩狀孔；5為二級(jí)通道；6為三級(jí)通道；7為四級(jí)通道；8為薄膜催化層；9為催化劑顆粒；10為離子聚合物。
【【具體實(shí)施方式】】
[0025]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0026]參見(jiàn)圖1至圖3，本發(fā)明包括圓柱狀的燃料腔體2，以及貫通燃料腔體2中部的一級(jí)通道3，燃料腔體2采用導(dǎo)電3D打印材料經(jīng)過(guò)3D打印制成。一級(jí)通道3上連通由內(nèi)向外梯級(jí)擴(kuò)大的二級(jí)通道5，二級(jí)通道5匯聚于貫通燃料腔體2中部的一級(jí)通道3 ;燃料腔體2的側(cè)面設(shè)置密集分布的作為三級(jí)通道6的若干蜂窩狀孔4，蜂窩狀孔4內(nèi)設(shè)置若干用于增大催化活性表面積的四級(jí)通道7 ;四級(jí)通道7的表面附著有薄膜催化層8。薄膜催化層8包括涂覆與一級(jí)通道3、二級(jí)通道5、三級(jí)通道6以及四級(jí)通道7的表面的催化劑顆粒9和離子聚合物10。
[0027]—種流場(chǎng)梯級(jí)分布的一體化燃料電池電極的制備方法，包括以下步驟:
[0028]I)通過(guò)三維建模軟件建模，使用導(dǎo)電3D打印材料通過(guò)3D打印完成圓柱狀的燃料腔體2的制作；燃料腔體2中部貫穿一級(jí)通道3，一級(jí)通道3上連通由內(nèi)向外梯級(jí)擴(kuò)大的二級(jí)通道5，燃料腔體2的側(cè)面設(shè)置密集分布的作為三級(jí)通道6的若干蜂窩狀孔4，蜂窩狀孔4內(nèi)設(shè)置若干用于增大催化活性表面積的四級(jí)通道7 ;
[0029]2)將制作好的燃料腔體2浸入催化劑混合溶液中，使四級(jí)通道7的壁面上附著催化劑混合溶液，然后晾干，形成薄膜催化層8。其中，催化劑混合溶液由載量為1.0?4.0mg.cm 2的催化劑顆粒與質(zhì)量百分比為5?50%的離子聚合物在分散劑中均勻分散制成。催化劑顆粒采用Pd基催化劑、Pt基催化劑、Fe基催化劑、Co基催化劑或Ni基催化劑；離子聚合物采用磺酸基團(tuán)基離子聚合物或季氨集團(tuán)基離子聚合物；分散劑采用乙醇、丙酮或四氫呋喃。
[0030]本發(fā)明的工作原理:
[0031]本發(fā)明采用新的設(shè)計(jì)方案將燃料腔體、集流板、擴(kuò)散層和催化層合為一體，以期獲得更緊湊的結(jié)構(gòu)。同時(shí)對(duì)燃料腔體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化:燃料腔體內(nèi)部分布著四級(jí)燃料通道，包括由外向內(nèi)不斷擴(kuò)大的梯度流場(chǎng)即二級(jí)通道各個(gè)二級(jí)通道匯聚于貫通燃料腔體中部的一級(jí)通道，二級(jí)通道的壁面周邊衍生出