一种蜂窝状腔极一体化燃料电池电极及其制备方法
【专利说明】
【技术领域】
[0001]本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种蜂窝状腔极一体化燃料电池电极及其制备方法。
【【背景技术】】
[0002]传统的燃料电池其结构为燃料腔体、集流板、扩散层和催化层依次紧密排列，这种燃料腔体、集流板、扩散层和催化层分离的布置方式，使得电池的尺寸偏大，组装密封繁杂，燃料的传输阻力增大，从而降低了电池的性能。
【
【发明内容】
】
[0003]本发明的目的在于解决上述问题，提供一种蜂窝状腔极一体化燃料电池电极及其制备方法，该燃料电池电极体积小，但其内部密集分布着蜂窝状的小孔，孔与孔间相互联通，构成一级通道，同时每个孔中还分布着二级通道，结构紧凑，燃料传质阻力小，催化活性表面积大，功率密度高，能产生更大的放电电流。
[0004]为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现:
[0005]—种蜂窝状腔极一体化燃料电池电极，包括圆柱状的燃料腔体，燃料腔体的侧面和底面均开设有若干蜂窝状孔；侧面的蜂窝状孔作为燃料传输通道的一级通道，蜂窝状孔内设置有用于增大反应表面积的二级通道；一级通道和二级通道的表面涂覆有薄膜催化层。
[0006]本发明进一步的改进在于:
[0007]所述燃料腔体采用导电3D打印材料通过3D打印制成。
[0008]所述蜂窝状孔的外侧为蜂窝状多孔结构支撑层。
[0009]所述薄膜催化层包括均涂覆在一级通道和二级通道表面的催化剂颗粒和离子聚合物。
[0010]本发明还公开了一种蜂窝状腔极一体化燃料电池电极的制备方法，包括以下步骤:
[0011]I)使用三维建模软件建立模型后采用导电3D打印材料进行3D打印，制作圆柱状的燃料腔体，燃料腔体的侧面和底面均开设有若干蜂窝状孔；侧面的蜂窝状孔作为燃料传输通道的一级通道，蜂窝状孔内设置有用于增大反应表面积的二级通道；
[0012]2)将制作好的燃料腔体浸入催化剂混合溶液中，使蜂窝状孔的壁面上附着催化剂混合溶液，然后瞭干，形成薄膜催化层；其中，催化剂混合溶液由载量为1.0?4.0mg.cm-2的催化剂颗粒与质量百分比为5?50%的离子聚合物在分散剂中均匀分散制成。
[0013]本发明进一步的改进在于:
[0014]所述步骤2)中，催化剂颗粒采用Pd基催化剂、Pt基催化剂、Fe基催化剂、Co基催化剂或Ni基催化剂；离子聚合物采用磺酸基团基离子聚合物或季氨集团基离子聚合物；分散剂采用乙醇、丙酮或四氢呋喃。
[0015]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0016](I)本发明燃料腔体的侧面及底面均为蜂窝状多孔结构，其腔体、集流板、扩散层、催化层为一体，突破了传统燃料电池腔体、集流板、催化层和扩散层分离的设计方式。该蜂窝状多孔结构中，在一级通道的基础上分布着二级通道，此设计极大增加催化活性表面积，减小传质阻力，极大提高电极的放电电流，并且还使得电极的结构简单紧凑，组装密封方便易行。
[0017](2)本发明蜂窝状孔，即一级通道，不仅作为燃料传输的通道，同时起到盛装燃料作为燃料腔体的作用。
[0018](3)本发明的三维形貌，可根据实际需要任意改变。
[0019](4)本发明燃料腔体采用3D打印快速成型技术，解决因多孔结构复杂、体积小难加工的问题，可以轻松实现批量化且一体化成型，有利于成熟技术的市场推广。
【【附图说明】】
[0020]图1为蜂窝状腔极一体化燃料电池电极的放大轴测图。
[0021]图2为蜂窝状腔极一体化燃料电池电极的剖视图放大图
[0022]图3为蜂窝状多孔结构催化层放大轴测图。
[0023]图4为蜂窝状多孔结构内的二级通道及薄膜催化层微观结构示意图。
[0024]其中:1为燃料腔体；2为蜂窝状孔；3为一级通道；4为蜂窝状多孔结构支撑层；5为催化剂颗粒；6为离子聚合物；7为二级通道。
【【具体实施方式】】
[0025]下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
[0026]参见图1至4，本发明蜂窝状腔极一体化燃料电池电极，包括采用导电3D打印材料通过3D打印制成的圆柱状的燃料腔体1，燃料腔体I的侧面和底面均开设有若干蜂窝状孔2，蜂窝状孔2的外侧为蜂窝状多孔结构支撑层4 ;侧面的蜂窝状孔2作为燃料传输通道的一级通道3，蜂窝状孔2内设置有用于增大反应表面积的二级通道7 级通道3和二级通道7的表面涂覆有薄膜催化层，薄膜催化层包括均涂覆在一级通道3和二级通道7表面的催化剂颗粒5和离子聚合物6。
[0027]本发明蜂窝状腔极一体化燃料电池电极的制备方法，包括以下步骤:
[0028]I)使用三维建模软件建立模型后采用导电3D打印材料进行3D打印，制作圆柱状的燃料腔体I，燃料腔体I的侧面和底面均开设有若干蜂窝状孔2 ;侧面的蜂窝状孔2作为燃料传输通道的一级通道3，蜂窝状孔2内设置有用于增大反应表面积的二级通道7 ;
[0029]2)将制作好的燃料腔体I浸入催化剂混合溶液中，使蜂窝状孔2的壁面上附着催化剂混合溶液，然后晾干，形成薄膜催化层。其中，催化剂混合溶液由载量为1.0?
4.0mg.cm 2的催化剂颗粒与质量百分比为5?50%的离子聚合物在分散剂中均匀分散制成。催化剂颗粒采用Pd基催化剂、Pt基催化剂、Fe基催化剂、Co基催化剂或Ni基催化剂；离子聚合物采用磺酸基团基离子聚合物或季氨集团基离子聚合物；分散剂采用乙醇、丙酮或四氢呋喃。
[0030]本发明的工作原理:
[0031]传统燃料电池的燃料腔体、集流板、扩散层和催化层是分离的，本发明则将燃料腔体、集流板、扩散层和催化层合为一体，为了在较小的体积中获得较大的表面积，并保持一定的孔隙率，采用蜂窝状多孔结构，该多孔结构既作为集流板、扩散层，又可作为盛装燃料和燃料反应的场所，孔与孔间相互联通，增大了电化学反应活性面积，有利于传质阻力的降低。通过三维建模软件构建一个具有蜂窝式多孔结构的圆柱体模型，然后采用导电的3D打印材料运用3D打印技术完成模型的打印，最后将蜂窝状多孔结构附着上催化剂完成蜂窝状腔极一体化燃料电池电极的制作。
[0032]如图1所示，为本发明的放大轴测图，表面为密集的蜂窝状孔2，其内部蜂窝状孔相互贯通形成一级通道3，每个蜂窝状孔中还分布有多个二级通道7，可有效增大反应表面积，减小传质阻力。
[0033]如图2所示，为燃料腔体I的轴向局部剖视图，其内部是相互贯通的密集的蜂窝状孔2，每个蜂窝状孔中还有多个二级通道7。蜂窝状孔越小、越密集，孔与孔间的间距越小且相互贯通程度越大，同时保持一定的孔隙率，则蜂窝状腔极一体化燃料电池电极的催化活性表面积越大，性能越好，传质阻力越小。由于蜂窝式多孔结构的复杂性，使用三维建模软件建立模型后采用导电3D打印材料进行3D打印，导电材料还具有集流的作用。当把燃料腔体I浸入燃料中时，燃料就会从外部渗入该电极内，弥漫整个蜂窝状多孔结构。
[0034]如图3所示，为燃料腔体I的蜂窝状多孔结构放大图，包括一级通道3、蜂窝状多孔结构支撑层4、催化剂颗粒5、离子聚合物6以及二级通道7。附着于蜂窝状多孔结构的薄膜催化层，其制作过程为，将所述蜂窝状多孔结构浸入制备好的催化剂混合溶液，使多孔结构壁面上附着该混合物，然后晾干，形成薄膜催化层，完成蜂窝状腔极一体化燃料电池电极的制作。
[0035]如图4所示，为燃料腔体I的微观局部放大结构，包括一级通道3、催化剂颗粒5、离子聚合物6以及二级通道7，其中催化剂颗粒5和离子聚合物6混合分布在二级通道7上。催化剂颗粒5及离子聚合物6附着在蜂窝状多孔结构上构成腔体、扩散层、薄膜催化层一体结构。
[0036]本发明蜂窝状孔2，即一级通道3，不仅作为燃料传输的通道，同时起到盛装燃料作为燃料腔体的作用。本发明的三维形貌，具体涉及一级通道和二级通道，可根据实际需要任意改变。本发明采用3D打印快速成型技术制作燃料腔体1，解决因多孔结构复杂、体积小难加工的问题，可以轻松实现批量化且一体化成型，有利于成熟技术的市场推广。
[0037]以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
【主权项】
1.一种蜂窝状腔极一体化燃料电池电极，其特征在于，包括圆柱状的燃料腔体(1)，燃料腔体(I)的侧面和底面均开设有若干蜂窝状孔(2);侧面的蜂窝状孔(2)作为燃料传输通道的一级通道(3)，蜂窝状孔(2)内设置有用于增大反应表面积的二级通道(7);—级通道(3)和二级通道(7)的表面涂覆有薄膜催化层。2.根据权利要求1所述的蜂窝状腔极一体化燃料电池电极，其特征在于，所述燃料腔体(I)采用导电3D打印材料通过3D打印制成。3.根据权利要求1所述的蜂窝状腔极一体化燃料电池电极，其特征在于，所述蜂窝状孔(2)的外侧为蜂窝状多孔结构支撑层(4)。4.根据权利要求1或3所述的蜂窝状腔极一体化燃料电池电极，其特征在于，所述薄膜催化层包括均涂覆在一级通道(3)和二级通道(7)表面的催化剂颗粒(5)和离子聚合物(6)ο5.一种蜂窝状腔极一体化燃料电池电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)使用三维建模软件建立模型后采用导电3D打印材料进行3D打印，制作圆柱状的燃料腔体(I)，燃料腔体(I)的侧面和底面均开设有若干蜂窝状孔(2);侧面的蜂窝状孔(2)作为燃料传输通道的一级通道(3)，蜂窝状孔(2)内设置有用于增大反应表面积的二级通道(7)； 2)将制作好的燃料腔体(I)浸入催化剂混合溶液中，使蜂窝状孔(2)的壁面上附着催化剂混合溶液，然后晾干，形成薄膜催化层；其中，催化剂混合溶液由载量为1.0?4.0mg.cm 2的催化剂颗粒与质量百分比为5?50%的离子聚合物在分散剂中均匀分散制成。6.根据权利要求5所述的蜂窝状腔极一体化燃料电池电极的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，催化剂颗粒采用Pd基催化剂、Pt基催化剂、Fe基催化剂、Co基催化剂或Ni基催化剂；离子聚合物采用磺酸基团基离子聚合物或季氨集团基离子聚合物；分散剂采用乙醇、丙酮或四氢呋喃。
【专利摘要】本发明公开了一种蜂窝状腔极一体化燃料电池电极及其制备方法，属于燃料电池领域，包括蜂窝状多孔结构扩散层和催化层一体化的设计和制作，所述蜂窝状多孔结构，采用导电3D打印材料快速打印成型。该蜂窝状腔极一体化燃料电池电极中的蜂窝状多孔结构，其腔体、集流板、扩散层、催化层为一体，突破了传统燃料电池腔体、集流板、催化层和扩散层分离的设计方式。该蜂窝状多孔结构中，在一级通道的基础上分布着二级通道，此设计极大增加催化活性表面积，减小传质阻力，极大提高电极的放电电流，并且还使得电极的结构简单紧凑，组装密封方便易行。
【IPC分类】H01M4/86, H01M4/88
【公开号】CN105047947
【申请号】CN201510438992
【发明人】李印实, 陈杰, 贾哲, 姜飒
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年7月23日