一種蜂窩狀腔極一體化燃料電池電極及其制備方法
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種蜂窩狀腔極一體化燃料電池電極及其制備方法。
【【背景技術(shù)】】
[0002]傳統(tǒng)的燃料電池其結(jié)構(gòu)為燃料腔體、集流板、擴散層和催化層依次緊密排列，這種燃料腔體、集流板、擴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。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0003]本發(fā)明的目的在于解決上述問題，提供一種蜂窩狀腔極一體化燃料電池電極及其制備方法，該燃料電池電極體積小，但其內(nèi)部密集分布著蜂窩狀的小孔，孔與孔間相互聯(lián)通，構(gòu)成一級通道，同時每個孔中還分布著二級通道，結(jié)構(gòu)緊湊，燃料傳質(zhì)阻力小，催化活性表面積大，功率密度高，能產(chǎn)生更大的放電電流。
[0004]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn):
[0005]—種蜂窩狀腔極一體化燃料電池電極，包括圓柱狀的燃料腔體，燃料腔體的側(cè)面和底面均開設(shè)有若干蜂窩狀孔；側(cè)面的蜂窩狀孔作為燃料傳輸通道的一級通道，蜂窩狀孔內(nèi)設(shè)置有用于增大反應(yīng)表面積的二級通道；一級通道和二級通道的表面涂覆有薄膜催化層。
[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打印材料通過3D打印制成。
[0008]所述蜂窩狀孔的外側(cè)為蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)支撐層。
[0009]所述薄膜催化層包括均涂覆在一級通道和二級通道表面的催化劑顆粒和離子聚合物。
[0010]本發(fā)明還公開了一種蜂窩狀腔極一體化燃料電池電極的制備方法，包括以下步驟:
[0011]I)使用三維建模軟件建立模型后采用導(dǎo)電3D打印材料進(jìn)行3D打印，制作圓柱狀的燃料腔體，燃料腔體的側(cè)面和底面均開設(shè)有若干蜂窩狀孔；側(cè)面的蜂窩狀孔作為燃料傳輸通道的一級通道，蜂窩狀孔內(nèi)設(shè)置有用于增大反應(yīng)表面積的二級通道；
[0012]2)將制作好的燃料腔體浸入催化劑混合溶液中，使蜂窩狀孔的壁面上附著催化劑混合溶液，然后瞭干，形成薄膜催化層；其中，催化劑混合溶液由載量為1.0?4.0mg.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。
[0013]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:
[0014]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。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0016](I)本發(fā)明燃料腔體的側(cè)面及底面均為蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)，其腔體、集流板、擴散層、催化層為一體，突破了傳統(tǒng)燃料電池腔體、集流板、催化層和擴散層分離的設(shè)計方式。該蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)中，在一級通道的基礎(chǔ)上分布著二級通道，此設(shè)計極大增加催化活性表面積，減小傳質(zhì)阻力，極大提高電極的放電電流，并且還使得電極的結(jié)構(gòu)簡單緊湊，組裝密封方便易行。
[0017](2)本發(fā)明蜂窩狀孔，即一級通道，不僅作為燃料傳輸?shù)耐ǖ?，同時起到盛裝燃料作為燃料腔體的作用。
[0018](3)本發(fā)明的三維形貌，可根據(jù)實際需要任意改變。
[0019](4)本發(fā)明燃料腔體采用3D打印快速成型技術(shù)，解決因多孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積小難加工的問題，可以輕松實現(xiàn)批量化且一體化成型，有利于成熟技術(shù)的市場推廣。
【【附圖說明】】
[0020]圖1為蜂窩狀腔極一體化燃料電池電極的放大軸測圖。
[0021]圖2為蜂窩狀腔極一體化燃料電池電極的剖視圖放大圖
[0022]圖3為蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)催化層放大軸測圖。
[0023]圖4為蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)的二級通道及薄膜催化層微觀結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]其中:1為燃料腔體；2為蜂窩狀孔；3為一級通道；4為蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)支撐層；5為催化劑顆粒；6為離子聚合物；7為二級通道。
【【具體實施方式】】
[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0026]參見圖1至4，本發(fā)明蜂窩狀腔極一體化燃料電池電極，包括采用導(dǎo)電3D打印材料通過3D打印制成的圓柱狀的燃料腔體1，燃料腔體I的側(cè)面和底面均開設(shè)有若干蜂窩狀孔2，蜂窩狀孔2的外側(cè)為蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)支撐層4 ;側(cè)面的蜂窩狀孔2作為燃料傳輸通道的一級通道3，蜂窩狀孔2內(nèi)設(shè)置有用于增大反應(yīng)表面積的二級通道7 級通道3和二級通道7的表面涂覆有薄膜催化層，薄膜催化層包括均涂覆在一級通道3和二級通道7表面的催化劑顆粒5和離子聚合物6。
[0027]本發(fā)明蜂窩狀腔極一體化燃料電池電極的制備方法，包括以下步驟:
[0028]I)使用三維建模軟件建立模型后采用導(dǎo)電3D打印材料進(jìn)行3D打印，制作圓柱狀的燃料腔體I，燃料腔體I的側(cè)面和底面均開設(shè)有若干蜂窩狀孔2 ;側(cè)面的蜂窩狀孔2作為燃料傳輸通道的一級通道3，蜂窩狀孔2內(nèi)設(shè)置有用于增大反應(yīng)表面積的二級通道7 ;
[0029]2)將制作好的燃料腔體I浸入催化劑混合溶液中，使蜂窩狀孔2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.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]傳統(tǒng)燃料電池的燃料腔體、集流板、擴散層和催化層是分離的，本發(fā)明則將燃料腔體、集流板、擴散層和催化層合為一體，為了在較小的體積中獲得較大的表面積，并保持一定的孔隙率，采用蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)，該多孔結(jié)構(gòu)既作為集流板、擴散層，又可作為盛裝燃料和燃料反應(yīng)的場所，孔與孔間相互聯(lián)通，增大了電化學(xué)反應(yīng)活性面積，有利于傳質(zhì)阻力的降低。通過三維建模軟件構(gòu)建一個具有蜂窩式多孔結(jié)構(gòu)的圓柱體模型，然后采用導(dǎo)電的3D打印材料運用3D打印技術(shù)完成模型的打印，最后將蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)附著上催化劑完成蜂窩狀腔極一體化燃料電池電極的制作。
[0032]如圖1所示，為本發(fā)明的放大軸測圖，表面為密集的蜂窩狀孔2，其內(nèi)部蜂窩狀孔相互貫通形成一級通道3，每個蜂窩狀孔中還分布有多個二級通道7，可有效增大反應(yīng)表面積，減小傳質(zhì)阻力。
[0033]如圖2所示，為燃料腔體I的軸向局部剖視圖，其內(nèi)部是相互貫通的密集的蜂窩狀孔2，每個蜂窩狀孔中還有多個二級通道7。蜂窩狀孔越小、越密集，孔與孔間的間距越小且相互貫通程度越大，同時保持一定的孔隙率，則蜂窩狀腔極一體化燃料電池電極的催化活性表面積越大，性能越好，傳質(zhì)阻力越小。由于蜂窩式多孔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使用三維建模軟件建立模型后采用導(dǎo)電3D打印材料進(jìn)行3D打印，導(dǎo)電材料還具有集流的作用。當(dāng)把燃料腔體I浸入燃料中時，燃料就會從外部滲入該電極內(nèi)，彌漫整個蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)。
[0034]如圖3所示，為燃料腔體I的蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)放大圖，包括一級通道3、蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)支撐層4、催化劑顆粒5、離子聚合物6以及二級通道7。附著于蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)的薄膜催化層，其制作過程為，將所述蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)浸入制備好的催化劑混合溶液，使多孔結(jié)構(gòu)壁面上附著該混合物，然后晾干，形成薄膜催化層，完成蜂窩狀腔極一體化燃料電池電極的制作。
[0035]如圖4所示，為燃料腔體I的微觀局部放大結(jié)構(gòu)，包括一級通道3、催化劑顆粒5、離子聚合物6以及二級通道7，其中催化劑顆粒5和離子聚合物6混合分布在二級通道7上。催化劑顆粒5及離子聚合物6附著在蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)上構(gòu)成腔體、擴散層、薄膜催化層一體結(jié)構(gòu)。
[0036]本發(fā)明蜂窩狀孔2，即一級通道3，不僅作為燃料傳輸?shù)耐ǖ?，同時起到盛裝燃料作為燃料腔體的作用。本發(fā)明的三維形貌，具體涉及一級通道和二級通道，可根據(jù)實際需要任意改變。本發(fā)明采用3D打印快速成型技術(shù)制作燃料腔體1，解決因多孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積小難加工的問題，可以輕松實現(xiàn)批量化且一體化成型，有利于成熟技術(shù)的市場推廣。
[0037]以上內(nèi)容僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種蜂窩狀腔極一體化燃料電池電極，其特征在于，包括圓柱狀的燃料腔體(1)，燃料腔體(I)的側(cè)面和底面均開設(shè)有若干蜂窩狀孔(2);側(cè)面的蜂窩狀孔(2)作為燃料傳輸通道的一級通道(3)，蜂窩狀孔(2)內(nèi)設(shè)置有用于增大反應(yīng)表面積的二級通道(7);—級通道(3)和二級通道(7)的表面涂覆有薄膜催化層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蜂窩狀腔極一體化燃料電池電極，其特征在于，所述燃料腔體(I)采用導(dǎo)電3D打印材料通過3D打印制成。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蜂窩狀腔極一體化燃料電池電極，其特征在于，所述蜂窩狀孔(2)的外側(cè)為蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)支撐層(4)。4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的蜂窩狀腔極一體化燃料電池電極，其特征在于，所述薄膜催化層包括均涂覆在一級通道(3)和二級通道(7)表面的催化劑顆粒(5)和離子聚合物(6)ο5.一種蜂窩狀腔極一體化燃料電池電極的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)使用三維建模軟件建立模型后采用導(dǎo)電3D打印材料進(jìn)行3D打印，制作圓柱狀的燃料腔體(I)，燃料腔體(I)的側(cè)面和底面均開設(shè)有若干蜂窩狀孔(2);側(cè)面的蜂窩狀孔(2)作為燃料傳輸通道的一級通道(3)，蜂窩狀孔(2)內(nèi)設(shè)置有用于增大反應(yīng)表面積的二級通道(7)； 2)將制作好的燃料腔體(I)浸入催化劑混合溶液中，使蜂窩狀孔(2)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.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。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的蜂窩狀腔極一體化燃料電池電極的制備方法，其特征在于，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。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種蜂窩狀腔極一體化燃料電池電極及其制備方法，屬于燃料電池領(lǐng)域，包括蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)擴散層和催化層一體化的設(shè)計和制作，所述蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)，采用導(dǎo)電3D打印材料快速打印成型。該蜂窩狀腔極一體化燃料電池電極中的蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)，其腔體、集流板、擴散層、催化層為一體，突破了傳統(tǒng)燃料電池腔體、集流板、催化層和擴散層分離的設(shè)計方式。該蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)中，在一級通道的基礎(chǔ)上分布著二級通道，此設(shè)計極大增加催化活性表面積，減小傳質(zhì)阻力，極大提高電極的放電電流，并且還使得電極的結(jié)構(gòu)簡單緊湊，組裝密封方便易行。
【IPC分類】H01M4/86, H01M4/88
【公開號】CN105047947
【申請?zhí)枴緾N201510438992
【發(fā)明人】李印實, 陳杰, 賈哲, 姜颯
【申請人】西安交通大學(xué)
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年7月23日