[發明專利]一種雙極性電極及其組成的燃料電池組

有效

• 申請號: 201210299090.X
• 申請日: 2012-08-22
• 公開（公告）號: CN102903935A
• 公開（公告）日: 2013-01-30
• 發明（設計）人: 沈慕仲;蔡軍
• 申請（專利權）人: 蘇州凱樂新能源科技有限公司
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M8/24
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國

技術領域

本發明屬于能源、電化學發電技術領域，特別是涉及一種雙極性電極及其組成的燃料電池組。

背景技術

燃料電池是一種可以直接將化學能轉化成電能的電化學發電裝置，典型的燃料電池是由陽極、陰極和電解質層組成。傳統的質子交換膜燃料電池（PEMFC）及直接甲醇燃料電池(DMFC)采用質子交換膜作為其電解質層，燃料電池的陽極、質子交換膜和陰極組合成燃料電池的基本單元：膜集成電極（MEA）。將膜集成電極插入兩塊導流極板便組成了一個燃料電池的單電池。通過導流極板可以分別將化學反應物導入膜集成電極的陽極和陰極，使其完成電化學反應，并將產生的電流輸出。

????一般而言，燃料電池單電池的輸出電壓相當有限。例如質子交換膜燃料電池單電池的輸出電壓通常小于1伏特，而直接甲醇燃料電池單電池的輸出電壓則小于0.7伏特。在實際應用中，為獲得足夠的輸出電壓和發電功率，有必要將多個燃料電池單電池進行串聯連接組成燃料電池組或稱為燃料電池堆。目前常用的燃料電池組是將多個膜集成電極和多個雙極性電板插入兩塊導流極板而組成。雙極性電板與導流極板具有相似的功能，即輸送化學反應物、傳輸電流和固定膜集成電極。而雙極性電板通常是由石墨或者金屬等導電材料制成，如果采用金屬材料，該金屬材料必須具有抗化學腐蝕的性能。一般而言，制造雙極性電板的材料應具有良好的導電和導熱性能、抗化學腐蝕的性能和良好的機械加工性能，同時還要具有一定的機械強度可以抵抗外力的沖擊，并且具有良好的密封性能避免氣體和液體的滲漏。由于對材料的高要求導致雙極性電板的制造成本具高不下，目前僅雙極性電板的制造成本就占整個燃料電池組成本的三分之一，此外燃料電池組的體積和重量的絕大部分由雙極性電板的體積和重量組成。從重量、體積和成本這三要素去衡量，可以認為雙極性電板是燃料電池組中比重最大的部件。

發明內容

????本發明的目的是提供一種雙極性電極以及將其應用于制造燃料電池組，該雙極性電極可降低燃料電池組的成本、重量和體積。

????實現本發明目的的技術解決方案是：本發明的一種雙極性電極，所述雙極性電極是將陽極催化劑層7a和陰極催化劑層7e分別附著在同一塊電極基底的兩面而制成。

實現本發明另一個目的的技術解決方案是：一種雙極性電極組成的燃料電池組，包括一個或多個結構單元，所述的結構單元是將上述雙極性電極的兩面分別與電解質層接觸而組成。

所述的燃料電池組由陰極、陽極和雙極性電極的結構單元組成。

所述的電極基底是一塊或一片電子導體組成的導電子基底。

所述的電解質層可以采用固體質子交換膜。

?制造雙極性電極的電極基底材料可以是具有抗化學腐蝕性能的材質。

制造雙極性電極的電極基底可以具有空隙結構從而有利于傳輸化學物質。

制造雙極性電極的電極基底表面可以先增加分子擴散層促進化學物質在電極表面的傳輸。

所述的分子擴散層為陽極分子擴散層或陰極分子擴散層。

??分子擴散層是將碳黑和高分子粘合劑一起噴涂、涂布或印刷在雙極性電極的電極基底的表面而制得。

???陽極催化劑層或陰極催化劑層是將陽極催化劑或陰極催化劑與離子交聯聚合物一起噴涂、涂布或印刷在分子擴散層的表面而制得。

???高分子粘合劑可以采用聚四氟乙烯或聚全氟磺酸高分子聚合物。

???離子交聯聚合物采用聚全氟磺酸高分子聚合物。

本發明的有益效果是：本發明提出雙極性電極用于制造燃料電池組，從而省卻雙極性電板的使用，降低了生產成本、減輕了燃料電池組的重量，同時也縮小了體積、減小了電池組的內電阻、增加了電池發電效率。

附圖說明

圖1A是本發明燃料電池組陰極結構示意圖。

圖1B是本發明雙極性電極的結構示意圖。

圖1C是本發明燃料電池組陽極結構示意圖。

圖2是本發明具有一個雙極性電極結構單元的燃料電池組結構示意圖。

其中，2.?陽極，3.?陰極，4.固體質子交換膜?5.電極支架，6.導流管，7a.?陽極催化劑層，8b.陽極分子擴散層，9.電極基底，8d.陰極分子擴散層，7e.陰極催化劑層。

具體實施方式

?圖1B表示了本發明雙極性電極的結構示意圖，由圖1B所示，本發明的雙極性電極是在電極基底9的兩個表面先分別增加分子擴散層（即陽極分子擴散層8b和陰極分子擴散層8d），然后再在分子擴散層的表面增加催化劑層（即陽極催化劑層7a和陰極催化劑層7e）。