阅读说明：本技术 无阴极气体扩散层的泡沫燃料电池 (Foam fuel cell without cathode gas diffusion layer ) 是由 焦魁 谢旭 查森 于 2019-10-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种无阴极气体扩散层的泡沫燃料电池,燃料电池包含二种结构形式,一种为：阳极集流板、阳极流场板、阳极气体扩散层、阳极微孔层、膜电极、阴极微孔层、泡沫层、以及阴极集流板,各组件按照顺序排放安装为一体,置于电池夹具中。另一种与此不同的是,在阳极集流板之下、阴极集流板之上分别设有泡沫层。金属泡沫内嵌于石墨、或者金属块中,形成泡沫层。泡沫燃料电池在强化导热导电性的前提下提高了孔隙率,增强了反应气体在催化层的浓度和均匀性。另一方面泡沫层中可大量储水而不易形成堵塞,既缓解了水淹问题,也起到了自加湿的作用。且泡沫的轻质性,大幅提高了电池的比质量功率和比体积功率。(The invention discloses a foam fuel cell without a cathode gas diffusion layer, which comprises two structural forms, wherein one form is as follows: the anode current collector, the anode flow field plate, the anode gas diffusion layer, the anode microporous layer, the membrane electrode, the cathode microporous layer, the foam layer and the cathode current collector are arranged and installed into a whole in sequence and are arranged in a battery clamp. In another difference, foam layers are respectively arranged below the anode current collecting plate and above the cathode current collecting plate. The metal foam is embedded in graphite, or a metal block, forming a foam layer. The foam fuel cell improves the porosity on the premise of enhancing the heat conduction and the electric conductivity, and enhances the concentration and the uniformity of reaction gas in a catalyst layer. On the other hand, a large amount of water can be stored in the foam layer, so that blockage is not easy to form, the problem of flooding is relieved, and the self-humidifying function is also realized. And the light weight of the foam greatly improves the specific mass power and the specific volume power of the battery.)

无阴极气体扩散层的泡沫燃料电池

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种在质子交换膜燃料电池中去掉阴极气体扩散层的结构装置。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)一直被认为是未来交通运输行业的清洁能源之一，具有高能量密度、高能量转化效率、低运行温度、快速响应、和零排放等优势。燃料电池内部水热管理非常复杂，反应物浓度以及水分布对电池性能的影响很大。质子交换膜燃料电池工作的关键是必须保持膜的高离子传导性(必要的水含量)和水排出的平衡，否则会出现离子传输过慢或者水淹阻碍气体传输，进而降低输出功率和电池寿命。随着燃料电池膜电极核心技术的发展，电池的有效反应面积以及电流密度会进一步提高(达到1.5A cm^-2甚至更高)。可以想象，随着电池的有效反应面积以及电流密度的增大，反应物在催化层中的气体浓度、均匀性以及反应生成水都会让电池内部传热传质受到影响，目前的沟脊流道将难以满足燃料分配的需求。尤其是脊下由于压缩孔隙降低，气体无法均匀分布，液态水也很难排出。因此，对流道的优化改进就显得极为重要。

此外，气体扩散层(碳纸/碳布结构)是燃料电池不可或缺的关键组件之一。其主要作用是：(1)多孔性，保证流道中的气体顺利进入催化层；(2)导电性，高的电导率减少电子传输阻力；(3)导热性，将反应热导出，避免质子交换膜结构破坏；(4)疏水性，促进电池内部水的排出；(5)支撑性，支撑MEA的整体结构。目前扩散层的材料主要由日本的Toray、加拿大Ballard及德国SGL生产，其成本占整个燃料电池的五分之一。寻找更低成本的气体分散材料或者去掉气体扩散层对降低燃料电池的成本具有重要的意义。

金属/碳等泡沫是一种新型的多孔材料，是由很多开孔的空心多面体单元彼此不规则连结构成的金属/碳支架，已被广泛地应用于航天与航空等各种领域。金属/碳等泡沫相对于传统的金属材料，拥有更多的优点：质轻、高孔隙率(常常在90％以上)和高的比表面积、优异的热传输特性、以及强度高。

如前所述，传统燃料电池沟脊流道无法满足大电流密度下的反应物分布以及生成水快速排出的需求，而泡沫高的透气性、导电性以及热传导性正好可以解决上述难题。此外，使用泡沫替代传统流道和气体扩散层，不仅可以在强化电池内部水热传输的前提下提高电池性能，还可以使得电池轻质化、组装简便化并降低电池成本。此外，泡沫可有利于储水且不易堵塞，既缓解了水淹问题，也起到了自加湿的作用。

本发明提出一种无阴极气体扩散层的泡沫燃料电池，可以有效解决燃料电池在大电流密度下的传热传质问题，有效提高燃料电池性能、简化电池结构、降低燃料电池成本等。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种无阴极气体扩散层的燃料电池结构装置，在多孔的金属泡沫上喷涂微孔层替代目前的沟脊流道、气体扩散层和微孔层，以提高燃料电池性能、降低燃料电池成本。

为实现此目的本发明采取的技术方案是：无阴极气体扩散层的泡沫燃料电池具有：阳极集流板、阳极流场板、阳极气体扩散层、阳极微孔层、膜电极、阴极微孔层、金属泡沫、泡沫层、以及阴极集流板，还包括石墨、金属块等。膜电极包括：阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层。本发明燃料电池的技术方案包含二种结构形式，第一种结构为：阳极集流板、阳极流场板、阳极气体扩散层、阳极微孔层、膜电极、阴极微孔层、泡沫层、以及阴极集流板，各组件按照顺序排放安装为一体，置于电池夹具中。第二种结构为：阳极集流板、第一泡沫层、阳极微孔层、膜电极、阴极微孔层、第二泡沫层、以及阴极集流板，各组件按照顺序排放安装为一体，置于电池夹具中。

第二种与第一种结构的区别在于：第二种结构去掉了阳极流场板和阳极气体扩散层，在阳极微孔层、膜电极、阴极微孔层的上下端分别放置了两个泡沫层。并且将金属泡沫内嵌于石墨、或者金属块中，形成泡沫层，泡沫层位于微孔层和集流板中间。

在阳极，燃料通过流场板或者泡沫层入口进入电池到达阳极催化层，在催化剂的作用下氢气发生氧化反应生成质子和电子；在阴极，空气通过泡沫层入口进入电池到达阴极催化层。质子通过质子交换膜到达阴极催化层与阴极的空气反应生成水，电子通过外电路达到阴极，形成通路。这种无气体扩散层泡沫燃料电池在强化导热导电性的前提下一方面由于其高的孔隙率，减缓了气体流动速率，提高了反应气体在催化层的浓度和均匀性，另一方面泡沫层中可大量储水而不易形成堵塞，既缓解了水淹问题，也起到了自加湿的功能。

本发明的特点以及产生的有益效果：

(1)泡沫层的孔隙率较高，是一种具有开发潜力的气体再分配介质，水流经泡沫之后反应气体浓度分布更为均匀，慢的流速会增加反应气体在电池内部存留的时间进而增加扩散。内部多孔且不规律的骨架结构会增强气体的扰动，促进反应气体进入催化层，杜绝传统沟脊流场内出现局部反应物缺少的情况并提高反应气体的利用率。

(2)泡沫层内可以大量储水且不易形成堵塞，既缓解了水淹问题，也起到了自加湿的作用。

(3)金属泡沫具有良好的导电性和热传导性，相比较传统的沟脊流道，电池欧姆电阻更小，电池温度梯度也更低，有效的提高电池的输出性能和耐久性。

(4)无气体扩散层不仅降低了电阻值，而且简化了组装电池工序，降低了燃料电池成本，而且泡沫的轻质性，还大幅提高了电池的比质量功率和比体积功率。

附图说明

图1是发明第一种结构组成示意图。

图2是发明第二种结构组成示意图。

图3是本发明实施例和对比例性能对比曲线图。

图4是本发明实施例在不同阴极湿度下的性能对比曲线图。

图5是本发明实施例在不同泡沫孔隙率下的性能对比图。

具体实施方式

以下通过附图和具体实施例对本发明的结构作进一步的说明，需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的，不以此限定本发明的保护范围。

无阴极气体扩散层的泡沫燃料电池包含二种结构形式，第一种结构为：阳极集流板1、阳极流场板2、阳极气体扩散层3、阳极微孔层4、膜电极5、阴极微孔层6、泡沫层7、以及阴极集流板8，各组件按照顺序排放安装为一体，置于电池夹具中。第二种结构为：阳极集流板、第一泡沫层7-1、阳极微孔层、膜电极、阴极微孔层、第二泡沫层7-2、以及阴极集流板，各组件按照顺序排放安装为一体，置于电池夹具中。传统燃料电池的结构是，在阴极微孔层和阴极流场板之间设有阴极气体扩散层。

将金属泡沫内嵌于石墨、或者金属块中，形成泡沫层。泡沫层的孔隙率为70％-98％。作为实施例本发明采用金属泡沫。

传统结构的流场板一般为沟脊结构，集流板是表面平整的铜镀金板。流道高度为1mm，沟与脊的宽度均为1mm甚至更小，流场板为传统平行流道，沟脊区域面积为5cm×335cm。电池运行时，阳极燃料通过流场板内的流道穿过气体扩散层、微孔层到达催化层或者通过泡沫层穿过微孔层到达催化层，阴极空气通过泡沫层穿过微孔层到达催化层。

无气体扩散层泡沫燃料电池中泡沫的主要作用是可以增加催化层的反应物浓度以及起到自增湿的功能。相对于传统的燃料电池结构，高孔隙率(90％以上)的泡沫减缓了气体流动速率，增加了反应气体在催化层的浓度，内部复杂的多孔结构也会增加气体分布的均匀性。由于泡沫层中可大量储水而不易形成堵塞，既缓解了水淹问题，也起到了自加湿的作用。

本发明三个实施例均采用图1所示结构形式，泡沫面积为5cm×5cm，厚度为1mm。

发明与传统结构(带有阴极气体扩散层)分别组装一块燃料电池，进行对比。两块电池除了阴极流场区域不同外，其余组件的材料和结构完全相同。阳极催化层厚度3μm(铂载量0.2mg cm^-2)，阴极催化层厚度为6μm(铂载量0.4mg cm^-2)，微孔层为20μm。二块电池经过完全相同的活化程序(0.45V下运行6.5h)后在同一工况下进行测试，电池以恒电流模式运行，阳极燃料为H₂，阴极气体为空气，进气温度为70℃，进气湿度均为80％，阳极进气流量为0.5SLPM，阴极进气流量为1.5SLPM，阴阳极出口压力均为一个大气压。

实施例1的泡沫层孔隙率为90％。

图3展示了二块电池极化曲线和功率密度，可以看出无阴极气体扩散层泡沫电池比传统结构电池的性能大幅提升。

此实施例给出了金属泡沫流场与传统平行流场燃料电池在阴阳极湿度均为80％时的极化曲线和功率密度曲线。可以看出传统平行流场燃料电池的峰值功率密度为0.25Wcm^-2，而金属泡沫流场电池的峰值功率密度为0.73W cm^-2，提升了三倍。当电池阴极使用金属泡沫流场之后，极限电流密度也从0.6A cm^-2提升至1.8A cm^-2。尽管平行流道和泡沫金属流道燃料电池均表现出明显的传质损失，但泡沫流道出现的要比平行流道燃料电池更晚一些。由此可见使用金属泡沫流场作为电池阴极可以有效降低电池的传质损失，提高电池的功率密度。

实施例2，与实施例1的实验参数相同，但进气湿度为100％，金属泡沫的孔隙率为80％。

图4展示了无阴极气体扩散层泡沫燃料电池在阳极进气湿度为80％时，阴极湿度分别为80％、60％、40％、以及20％工况下电池极化曲线和功率密度。电池以恒电流模式运行，阳极燃料为H₂，阴极气体为空气，阳极进气流量为0.5SLPM，阴极进气流量为1.5SLPM，阴、阳极出口压力均为一个大气压。

此实施例给出了阴极入口气体湿度从80％下降至20％时金属泡沫流场燃料电池的极化曲线和功率密度曲线。随着阴极入口气体湿度从80％降低至20％，电池性能显示出先上升然后下降的趋势。在阳极80％阴极60％相对湿度工况下电池获得了最佳的输出性能。原因是当阴极入口气体湿度从80％降低到60％时阴极水淹现象逐渐缓解。但随着阴极入口气体湿度进一步下降，催化层和膜逐渐变干，导致极化损失和欧姆损失增高。阳极80％阴极20％工况下电池表现出最差的性能，但电池依然有0.62W cm^-2的输出性能，与传统的平行流道在阴阳均为RH80％相比时功率密度0.25W cm^-2相比，仍然要高出许多。这主要是由于金属泡沫低的压降和气体流速，导致水排出能力较弱，降低了电池对进气湿度的依赖，起到了自增湿的作用。

可以发现阴极湿度的降低对电池性能影响极小，性能最好的工况为阳极RH80％/阴极RH60％，说明泡沫层的使用有效的降低了电池对进气湿度的依赖。

图5展示了阴极泡沫孔隙率分别为90％(实施例1),80％(实施例2),70％(实施例3)工况下电池极化曲线和功率密度。

阴、阳极进气湿度均为100％，阳极使用平行流道，电池以恒电流模式运行，阳极燃料为H₂，阴极气体为空气，进气温度为70℃，进气湿度均为100％，阳极进气流量为0.5SLPM，阴极进气流量为1.5SLPM，阴阳极出口压力均为一个大气压。可以发现泡沫孔隙率越高性能越高，但均优于平行流场燃料电池性能。

此实施例给出了阴极金属泡沫孔隙率为0.9,0.8和0.7燃料电池的极化曲线和功率密度曲线。可以看到随着孔隙率的上升，电池性能逐渐上升。这主要是因为随着孔隙率上升，反应气体分布更均匀，且泡沫可用于储水的空间变大，提高了气体浓度的同时降低了水淹的发生。故此对于金属泡沫燃料电池而言，低的湿度和高的孔隙率是极为重要的。