本發(fā)明涉及氫燃料電池，尤其涉及一種燃料電池用集成板及其制作方法、電池膜電極、燃料電池。

背景技術(shù)：

1、氫燃料電池常用的質(zhì)子交換膜燃料電池（簡稱為pemfc），是以氫氣為燃料、通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料（氫和氧）中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、零排放、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)。目前，質(zhì)子交換膜燃料電池的基本結(jié)構(gòu)主要包括雙極板、擴(kuò)散層、催化層和質(zhì)子交換膜四個部分，其中，雙極板在質(zhì)子交換膜燃料電池中起到支撐電極、提供輸送氫氣和氧氣的通道、排出電化學(xué)反應(yīng)生成的水、實(shí)現(xiàn)電極與外電路連通、進(jìn)行散熱等作用；擴(kuò)散層為氣體從雙極板擴(kuò)散到催化層提供相應(yīng)的通道；催化層主要采用納米金屬鉑材料制成，便于實(shí)現(xiàn)氫解析為原子及質(zhì)子；質(zhì)子交換膜具有阻止陰極與陽極之間的氣體相通、對水合的質(zhì)子具有良好的導(dǎo)通性并釋放電子形成電能，濕潤的質(zhì)子交換膜即相當(dāng)于燃料電池的電解質(zhì)?？傊?，質(zhì)子交換膜燃料電池的上述四個部分可實(shí)現(xiàn)分別從兩個不同方向傳輸過來的氫和氧在質(zhì)子交換膜上進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的水（氣）又通過擴(kuò)散層等流層排出。

2、在現(xiàn)有的質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)中，雙極板主要采用石墨雙極板、不銹鋼雙極板、或者由石墨與高分子材料復(fù)合成型的復(fù)合雙極板結(jié)構(gòu)，擴(kuò)散層通常采用碳紙。然而，現(xiàn)有的雙極板與擴(kuò)散層組合結(jié)構(gòu)在應(yīng)用時存在有以下不足之處：

3、①雙極板和擴(kuò)散層的整體毛細(xì)效果或梯度毛細(xì)力的作用不可控，易產(chǎn)生“水淹”現(xiàn)象（即為水汽堵塞孔道）。

4、②氣體從雙極板傳輸?shù)綌U(kuò)散層、再傳輸?shù)酱呋瘜拥目讖阶兓瘡?fù)雜，造成氣體分布不均勻。

5、③因擴(kuò)散層采用碳紙，而碳紙是由碳的混雜短纖維構(gòu)成，具有相對柔軟、孔徑不規(guī)則且非常大等缺點(diǎn)。當(dāng)將碳紙?jiān)O(shè)置于雙極板與催化層之間時，不僅存在碳紙分別與雙極板及催化層間的界面結(jié)合相對比較難的問題，還會因表層結(jié)構(gòu)相對粗大，造成催化層相對較厚，使得成本增加的同時、還使得催化效果受到影響。

6、有鑒于此，特提出本發(fā)明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服上述缺陷，本發(fā)明提供了一種燃料電池用集成板及其制作方法、電池膜電極、燃料電池，該制作方法簡單、合理，可實(shí)現(xiàn)自動化、規(guī)?；?、加工成本低的加工生產(chǎn)，且所得集成板集成了均勻?qū)狻⒘己玫呐潘?排水汽、優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、以及結(jié)構(gòu)超薄化/一體化等多項(xiàng)功能，很好的滿足了質(zhì)子交換膜燃料電池的組裝和使用需求。

2、本發(fā)明為了解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種燃料電池用集成板，包括功能部分，所述功能部分設(shè)有至少兩層層疊設(shè)置的功能層，至少兩層所述功能層均為由導(dǎo)熱導(dǎo)電材料制成的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，至少兩層所述功能層中的孔均為平均孔徑為微納米級的三維通孔，且至少兩層所述功能層中的所述三維通孔相貫通，以形成供氣、液傳輸?shù)娜S毛細(xì)孔道；

3、且以所述集成板設(shè)置于燃料電池的催化層外側(cè)的狀態(tài)為基準(zhǔn)，所述功能部分中的至少兩層所述功能層沿內(nèi)外方向?qū)盈B設(shè)置，且至少兩層所述功能層中的所述三維通孔的平均孔徑還從外向內(nèi)依次遞減，即：所述功能部分中的所述三維通孔的平均孔徑呈現(xiàn)梯度分布。

4、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述功能部分中，位于最外層的一所述功能層中的所述三維通孔的平均孔徑與位于最內(nèi)層的一所述功能層中的所述三維通孔的平均孔徑相差至少一個數(shù)量級。

5、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述功能部分由兩層所述功能層組成，將兩層所述功能層分別定義為第一功能層和第二功能層，所述第一功能層位于所述第二功能層的內(nèi)側(cè)，且所述第一功能層中的所述三維通孔的平均孔徑為2～3μm，所述第二功能層中的所述三維通孔的平均孔徑為35～40μm。

6、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，位于最外層的一所述功能層的孔隙率為30%～90%；位于最內(nèi)層的一所述功能層的孔隙率為40%～80%。

7、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述功能部分為一體式結(jié)構(gòu)；

8、所述功能部分中，至少兩層所述功能層的材質(zhì)相同，至少兩層所述功能層的厚度均為30～100μm，且至少兩層所述功能層的厚度值相同或各不相同。

9、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，還設(shè)有支撐部分，所述支撐部分設(shè)置于所述功能部分的最外層的一所述功能層外側(cè)上。

10、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述支撐部分采用厚度為20～40μm的不銹鋼片；所述支撐部分通過高溫?zé)Y(jié)或焊接方式與所述功能層固定連接在一起。

11、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述功能部分配置為兩組，兩組所述功能部分呈鏡像對稱設(shè)置，所述支撐部分固定設(shè)置于兩組所述功能部分之間。

12、本發(fā)明還提供了一種燃料電池用集成板的制作方法，包括以下制作步驟：

13、s1：制作功能部分；

14、配制漿料a和漿料b，其中，按重量百分含量計，所述漿料a包括50%～65%的金屬粉料、10%～20%的粘結(jié)劑、3%～7%的去離子水、6%～10%的有機(jī)溶劑和15%～20%的造孔劑，所述漿料b包括55%～75%的金屬粉料、8%～20%的粘結(jié)劑、2%～8%的去離子水、6%～12%的有機(jī)溶劑和6%～11%的造孔劑，且所述金屬粉料采用粒徑為0.5～50μm的細(xì)鎳粉或超細(xì)鎳粉；

15、利用所述漿料a和所述漿料b加工制得呈現(xiàn)為兩層復(fù)合結(jié)構(gòu)的坯料，即：所述坯料由兩層層疊設(shè)置的功能層雛體構(gòu)成；其中，兩層所述功能層雛體均為多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，兩層所述功能層雛體中的孔為平均孔徑為微納米級的三維通孔、并相互貫通，且兩層所述功能層雛體中的所述三維通孔的平均孔徑不相同、并呈梯度分布；

16、對所述坯料進(jìn)行熱機(jī)械處理，即制得所述功能部分；相應(yīng)的，將經(jīng)熱機(jī)械處理后的所述功能層雛體定義為功能層；

17、s2：提供支撐部分，所述支撐部分采用厚度為20～40μm的不銹鋼片；將所述支撐部分以直接貼靠于平均孔徑相對大的一所述功能層上的方式與所述功能部分層疊設(shè)置后，通過高溫?zé)Y(jié)或焊接方式固定連接在一起，即制得所述集成板。

18、本發(fā)明還提供了一種電池膜電極，包括如本發(fā)明所述的燃料電池用集成板和覆設(shè)于所述燃料電池用集成板的最內(nèi)層的一所述功能層內(nèi)側(cè)上的催化膜層。

19、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述催化膜層通過噴涂、濺射或電鍍工藝覆設(shè)于所述功能層內(nèi)側(cè)上，且所述功能層內(nèi)側(cè)上每單位面積含有的所述催化膜層的附著量為0.01～0.2mg/cm2。

20、本發(fā)明還提供了一種燃料電池，包括電池單元，所述電池單元設(shè)有從內(nèi)向外依次層疊設(shè)置的質(zhì)子交換膜、催化層和集成板，所述集成板采用如本發(fā)明所述的燃料電池用集成板。

21、本發(fā)明的有益效果是：1）相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所述集成板集成了均勻?qū)?、良好的排?排水汽、優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，結(jié)構(gòu)超薄化/一體化、便于集成組裝等多項(xiàng)功能，很好地滿足了質(zhì)子交換膜燃料電池的組裝和使用需求。2）本發(fā)明所提供的燃料電池用集成板的制作方法簡單、合理，可實(shí)現(xiàn)自動化、規(guī)?；?、加工成本低的加工生產(chǎn)，利于推廣實(shí)施。

技術(shù)特征：

1.一種燃料電池用集成板，其特征在于：包括功能部分（10），所述功能部分（10）設(shè)有至少兩層層疊設(shè)置的功能層，至少兩層所述功能層均為由導(dǎo)熱導(dǎo)電材料制成的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，至少兩層所述功能層中的孔均為平均孔徑為微納米級的三維通孔，且至少兩層所述功能層中的所述三維通孔相貫通，以形成供氣、液傳輸?shù)娜S毛細(xì)孔道；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池用集成板，其特征在于：所述功能部分（10）中，位于最外層的一所述功能層中的所述三維通孔的平均孔徑與位于最內(nèi)層的一所述功能層中的所述三維通孔的平均孔徑相差至少一個數(shù)量級。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池用集成板，其特征在于：所述功能部分（10）由兩層所述功能層組成，將兩層所述功能層分別定義為第一功能層（101）和第二功能層（102），所述第一功能層（101）位于所述第二功能層（102）的內(nèi)側(cè)，且所述第一功能層（101）中的所述三維通孔的平均孔徑為2～3μm，所述第二功能層（102）中的所述三維通孔的平均孔徑為35～40μm。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池用集成板，其特征在于：位于最外層的一所述功能層的孔隙率為30%～90%；位于最內(nèi)層的一所述功能層的孔隙率為40%～80%。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池用集成板，其特征在于：所述功能部分（10）為一體式結(jié)構(gòu)；

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池用集成板，其特征在于：還設(shè)有支撐部分（11），所述支撐部分（11）設(shè)置于所述功能部分（10）的最外層的一所述功能層外側(cè)上。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池用集成板，其特征在于：所述支撐部分（11）采用厚度為20～40μm的不銹鋼片；所述支撐部分（11）通過高溫?zé)Y(jié)或焊接方式與所述功能層固定連接在一起。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池用集成板，其特征在于：所述功能部分（10）配置為兩組，兩組所述功能部分（10）呈鏡像對稱設(shè)置，所述支撐部分（11）固定設(shè)置于兩組所述功能部分（10）之間。

9.一種燃料電池用集成板的制作方法，其特征在于：包括以下制作步驟：

10.一種電池膜電極，其特征在于：包括如權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的燃料電池用集成板和覆設(shè)于所述燃料電池用集成板的最內(nèi)層的一所述功能層內(nèi)側(cè)上的催化膜層（2）。

11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電池膜電極，其特征在于：所述催化膜層（2）通過噴涂、濺射或電鍍工藝覆設(shè)于所述功能層內(nèi)側(cè)上，且所述功能層內(nèi)側(cè)上每單位面積含有的所述催化膜層（2）的附著量為0.01～0.2mg/cm2。

12.一種燃料電池，其特征在于：包括電池單元，所述電池單元設(shè)有從內(nèi)向外依次層疊設(shè)置的質(zhì)子交換膜（3）、催化層（4）和集成板（1），所述集成板（1）采用如權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的燃料電池用集成板。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種燃料電池用集成板及其制作方法、電池膜電極、燃料電池，該集成板包括功能部分，功能部分設(shè)有至少兩層層疊設(shè)置并均為多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的功能層，至少兩層功能層中的孔均為平均孔徑為微納米級的三維通孔，至少兩層功能層中的三維通孔相貫通，以形成供氣、液傳輸?shù)娜S毛細(xì)孔道；且以該集成板設(shè)于燃料電池的催化層外側(cè)的狀態(tài)為基準(zhǔn)，至少兩層功能層中的三維通孔的平均孔徑從外向內(nèi)依次遞減，即：功能部分中的三維通孔的平均孔徑呈現(xiàn)梯度分布。該集成板的制作方法簡單、合理，所得集成板集成了均勻?qū)?、良好的排?排水汽、優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、及結(jié)構(gòu)超薄化/一體化等多項(xiàng)功能，滿足了質(zhì)子交換膜燃料電池的使用需求。

技術(shù)研發(fā)人員：施忠良,張睿怡,賈寧,趙庭瑞,尹衍利
受保護(hù)的技術(shù)使用者：微通新材料科學(xué)研究（江蘇）有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2