[发明专利]一种流场梯级分布的一体化燃料电池电极及其制备方法

说明书

【技术领域】

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种流场梯级分布的一体化燃料电池电极及其制备方法。

【背景技术】

燃料电池具有环保、高效、启动快等诸多优点，受到广泛关注。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。通过优化电极结构和腔体结构可以解决传质困难、结构不紧凑的问题，从而提高电池的效率。

【发明内容】

本发明的目的在于解决上述现有技术中的问题，提供一种流场梯级分布的一体化燃料电池电极及其制备方法，该燃料电池电极整体结构紧凑，体积小，整个燃料腔体内分布着四级燃料通道，整个梯级通道的设计极大的扩大了化学反应活性面积，同时使燃料传质阻力减小，电极的性能更加优越。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种流场梯级分布的一体化燃料电池电极，包括圆柱状的燃料腔体，以及贯通燃料腔体中部的一级通道，一级通道上连通由内向外梯级扩大的二级通道，燃料腔体的侧面设置密集分布的作为三级通道的若干蜂窝状孔，蜂窝状孔内设置若干用于增大催化活性表面积的四级通道；四级通道的表面附着有薄膜催化层。

本发明进一步的改进在于：

所述燃料腔体采用导电3D打印材料经过3D打印制成。

所述二级通道汇聚于贯通燃料腔体中部的一级通道。

所述薄膜催化层包括涂覆与一级通道、二级通道、三级通道以及四级通道的表面的催化剂颗粒和离子聚合物。

本发明还公开了一种流场梯级分布的一体化燃料电池电极的制备方法，包括以下步骤：

1)通过三维建模软件建模，使用导电3D打印材料通过3D打印完成圆柱状的燃料腔体的制作；燃料腔体中部贯穿一级通道，一级通道上连通由内向外梯级扩大的二级通道，燃料腔体的侧面设置密集分布的作为三级通道的若干蜂窝状孔，蜂窝状孔内设置若干用于增大催化活性表面积的四级通道；

2)将制作好的燃料腔体浸入催化剂混合溶液中，使四级通道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。

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。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明中的一级通道、二级通道、三级通道、四级通道等结构，优化了燃料腔体的结构，极大增加了催化活性表面积，减小传质阻力。

(2)本发明的蜂窝状多孔结构，其既作为支撑层和集流板，又作为盛装燃料和发生反应的场所，孔与孔相互贯通构成三级通道，在三级通道的基础上分布着四级通道，进一步增大了催化活性表面积。

(3)本发明的二级通道，与一级通道连通，其梯级分布有利于燃料流动，及时补充反应消耗的燃料，排出反应废弃物。

(4)本发明的燃料腔体、集流板、扩散层以及催化层的一体结构，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，使得整个电极结构更加紧凑，体积更小。

(5)本发明燃料腔体采用3D打印技术及导电3D打印材料，解决因燃料腔体结构复杂、体积小不易加工的问题，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，同时采用导电的3D材料制成的腔体具有集流的作用。

(6)本发明的三维形貌，可根据实际需要任意改变。

【附图说明】

图1流场梯级分布的一体化燃料电池电极放大轴测图。

图2燃料腔体径向剖视示意图。

图3四级通道及薄膜催化层微观结构示意图。

其中：1为流场梯级分布的一体化燃料电池电极；2为燃料腔体；3为一级通道；4为蜂窝状孔；5为二级通道；6为三级通道；7为四级通道；8为薄膜催化层；9为催化剂颗粒；10为离子聚合物。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：