[發(fā)明專利]一種燃料電池反應堆裝置和膜電極組件的制造方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202210003496.2
• 申請日: 2022-01-05
• 公開（公告）號: CN114300721A
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發(fā)明（設計）人: 袁輝;袁梓玉;袁梓彤
• 申請（專利權）人: 蘇州輝美汽車科技有限公司
• 主分類號: H01M8/1004
• 分類號: H01M8/1004;H01M8/2404;H01M4/94;H01M4/88
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• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種燃料電池反應堆裝置，由若干組雙極板組件和若干組膜電極組件依次層疊而成。所述膜電極組件包括離子交換膜、還原催化劑和氧化催化劑；所述離子交換膜為離子可穿透但電子不可穿透的非金屬薄膜；所述還原催化劑和氧化催化劑均為導電體，以連續(xù)的線條形狀分別鋪設于所述離子交換膜的兩側表面上，形成特定的催化劑圖案，呈現(xiàn)二維平面化、且三相界面呈開放式的布局。本發(fā)明提供了一種燃料電池反應堆裝置，膜電極組件結構簡單，極大降低了流體輸送阻力，大大降低了附件消耗功率；本發(fā)明還提供一種膜電極組件的制造方法，工藝簡單，設備成本低廉。因此，燃料電池反應堆裝置系統(tǒng)效率更高、成本更低。

技術領域

本發(fā)明涉及一種燃料電池反應堆裝置及其制造方法，特別是一種燃料電池反應堆裝置的膜電極組件及其制造方法。

背景技術

燃料電池反應堆裝置，是一種化學能轉化為電能的裝置，由若干組雙極板組件和若干組膜電極組件依次層疊而成，還原劑和氧化劑進入燃料電池反應堆裝置內完成氧化和還原反應，對外輸出電能。

每一組膜電極組件通常由離子交換膜、分置于離子交換膜兩側的氧化催化層和還原催化層、與氧化催化層貼合的還原劑擴散層、與還原催化層貼合的氧化劑擴散層層疊而成。

還原劑經由一組雙極板組件通過還原劑擴散層到達氧化催化層，在氧化催化層中的催化劑作用下完成氧化反應，解離為帶負電的電子和帶正電的離子，電子通過外電路輸出至還原催化層，而離子則通過離子交換膜輸出至還原催化層。

氧化劑經由另一組雙極板組件通過氧化劑擴散層到達還原催化層，與前述氧化反應后輸送過來的電子和離子一起，在還原催化層中的催化劑作用下完成還原反應，反應生成物水透過還原催化層和氧化劑擴散層輸出至外部。

擴散層通常為多孔結構，還須進行疏水處理，以便流體的流通與交換。

氧化反應發(fā)生在離子交換膜、催化劑與氧化劑的三相界面處，還原反應發(fā)生在離子交換膜、催化劑與還原劑的三相界面處。

催化劑一般為貴金屬，成本較高。為提高催化劑表面積利用率、降低催化劑使用量，通常會將催化劑細微顆粒和適合離子傳導的聚合物通過一定的方法混合沉積在多孔的碳載體內空隙里，形成一種三維立體的、三相界面呈封閉式的空間結構。

催化劑細微顆粒表面覆蓋了一層薄薄的離子傳導聚合物，即：三相界面被薄薄的離子傳導聚合物所包裹。催化劑與氧化劑需要一定的壓力才能穿透離子傳導聚合物表層到達催化劑細微顆粒表面即三相界面處。

這種立體式多孔結構，流體阻力大。為提高各種流體流通的速度，需要進一步提高氧化劑與還原劑的輸送壓力。這就需要消耗較高的附件功率，尤其是氧化劑的泵送功率消耗高，大幅降低了整個燃料電池系統(tǒng)使用效率。

從流體流通結構看，新鮮氧化劑與還原劑需要通過擴散層和催化劑層的孔隙到達三相界面處，同時，未參與反應而多余的氧化劑與還原劑，以及反應后生成物也需要通過催化層和擴散層的孔隙及時排出。可見，擴散層和催化劑層的結構非常復雜且制造困難，成本高昂。

綜上所述，現(xiàn)有燃料電池反應堆裝置采用的膜電極組件流體阻力大、結構非常復雜且制造困難，導致系統(tǒng)效率低、成本高昂。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種燃料電池反應堆裝置，其膜電極組件通過直接將催化劑以連續(xù)的線條形狀分別鋪設于所述離子交換膜的兩側表面上，形成特定的催化劑圖案。相比于傳統(tǒng)的催化劑三維立體的、三相界面呈封閉式的空間結構，本發(fā)明提供一種催化劑二維平面化、且三相界面呈開放式的布局。

布局由三維立體轉變?yōu)槎S平面化結構，雖然減少了催化劑的涂敷總面積，但這種結構避免了多孔的催化層的阻力，甚至可以取消擴散層，還原劑和氧化劑可直接通暢地到達離子交換膜表面上的三相界面處。