[发明专利]石墨烯冷质子交换膜燃料电池电堆

说明书

本发明公开了一种石墨烯冷质子交换膜燃料电池电堆，质子交换膜电极在传统的五层膜电极的基础上，最外层两侧增加石墨烯复合材料或高导热的石墨散热材料所制造的高导热层，形成七层结构的高导热石墨烯基质子交换膜电极。从而将氢氧反应热从反应堆内部带到反应堆周围，并通过散热介质将热量散出。所述电池电堆由若干单体燃料电池堆叠而成，任一单体燃料电池设有上述质子交换膜电极，电池电堆的外围设有散热装置，电池电堆和散热装置相互独立。电堆反应所需的氧气和散热所需的空气或液体分离，直接提高了电堆的散热效率，提高了电堆的使用寿命和环境适应性，提升电堆的实用价值。

技术领域

本发明涉及本发明燃料气体(如氢气、甲烷气、乙醇气体)和氧气反应产生电能的装置，具体涉及石墨烯基高导热材料在新能源领域的应用。

背景技术

氢燃料电池电堆是将氢氧反应的化学能转换为电能的装置，氢氧反应的化学能转换为电能的效率为50％，另外50％的化学能转换为热能。

氢燃料电池电堆根据其散热方式主要分为两种：气冷堆和水冷堆。

现有技术中气冷堆的结构如图10至图12所示。空气直冷的反应堆中，氢氧反应所需的氧气和冷却所需的空气都来源于穿过反应堆流场板的空气流，这种设计的缺点在于：首先，有限的空气散热效率限制流场板的面积，从而限制了电堆的总功率；其次，散热空气带走的水汽过多，可能导致质子膜干燥而影响发电；最后，散热空气进入电堆带入大量的空气污染物，引起堵塞扩散层、毒化催化剂等多种问题，从而降低电堆的寿命。

水冷堆的代表性方案是金属水冷堆，其主要思想是在阴极、阳极流场中加入封闭的液冷管道，使得电堆的反应热能够通过冷却液将热量带到电堆外部。金属水冷堆存在如下问题：首先，液冷管道占用了反应堆内部大量的空间，导致反应堆内质子膜和催化剂的利用率降低，增加了反应堆的成本；其次，一般金属的导电性不好，阻碍氢氧反应时电子的移动，且大功率电堆运行时产生强电流会导致金属板发热；再次，电堆运行时产生质子流，呈强酸性，对金属有腐蚀作用，在电流和氢的作用下金属发生氢脆而降低强度。

发明内容

本发明所解决的技术问题：提高质子交换膜电池电堆装置的散热效率。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种高导热石墨烯基质子交换膜电极，包括质子交换膜、催化剂层和扩散层，催化剂层位于质子交换膜的左右两侧，扩散层位于左侧催化剂层的左侧和右侧催化剂层的右侧，左侧扩散层的左侧和右侧扩散层的右侧分别设有高导热层，高导热层的材质为石墨散热材料或石墨烯复合材料。

现有技术的质子交换膜燃料电池电堆中的核心部件为质子交换膜电极，该质子交换膜电极由五层结构所组成，包括质子交换膜、两层催化剂层和两层扩散层。这种结构的膜电极不具有散热功能。本发明在传统的五层膜电极的基础上，在膜电极的两侧各增加一层石墨烯复合材料的膜片或高导热的石墨散热材料(如导热石墨膜)所制造的高导热层，形成七层结构的高导热石墨烯基质子交换膜电极。从而将氢氧反应热从反应堆内部带到反应堆周围，并通过空气或者液体，将热量散出。

其中，石墨烯复合材料，又称为石墨烯基的石墨薄膜片、导热石墨材料、导热石墨片、石墨散热片，是一种全新的导热散热材料。这类全新的导热材料是由石墨粉经高温提纯，去除石墨粉中众多杂质后合成高纯度的复合石墨烯薄膜或石墨薄膜。或者，以天然鳞片石墨为原料，采用Hummers法制备氧化石墨，并用热剥离成石墨烯，或者利用超声波分散剥离为氧化石墨烯，再化学还原成石墨烯，形成石墨烯基复合材料薄膜。

所述高导热层包括散热部、第一氢气通道、高导热网。所述散热部和空气或液体接触，通过与空气或液体的热交换而散热；氢氧反应所需的氢气通过第一氢气通道到达反应堆中的氢气流场；氢氧反应所产生的热量通过高导热网扩散到散热部，同时，氢氧反应的气体穿过高导热网中的空隙而到达膜电极的扩散层，反应所生成的水亦穿过该网而排出。