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【專利情報(bào)】燃料電池領(lǐng)域全球?qū)@O(jiān)控報(bào)告(2019年5月)

3. 部分申請人及公開專利介紹

3.1 中科院所

圖3-1 中科院所5月公開專利技術(shù)構(gòu)成

2019年5月,以中科院大連化物所為代表的中科院所在燃料電池領(lǐng)域一共公開專利21件,涉及電堆、儲氫等技術(shù)分支。下面選取了一篇專利進(jìn)行介紹,以供讀者了解。

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有功率密度高、轉(zhuǎn)換效率高、零排放等優(yōu)點(diǎn),同時也面臨著成本、壽命和性能等挑戰(zhàn)。在PEMFC運(yùn)行過程中,存在自由基對催化層Nafion的化學(xué)破壞所造成的電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低的問題,耐久性及穩(wěn)定性仍是制約PEMFC商業(yè)化的瓶頸。通過靜電紡絲技術(shù)優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)是降低Pt擔(dān)量的有效手段之一,在大連化物所之前的專利CN105633421A已提及到一種質(zhì)子交換膜燃料電池用低鉑催化層的制備方法(采用靜電紡絲技術(shù)),其制備的催化劑陰極Pt擔(dān)量為0.2mg/cm^2的單池最大功率密度為680mw/cm^2(H2-Air)優(yōu)于商業(yè)化陰極擔(dān)量為0.54mg/cm^2的氣體擴(kuò)散電極。

CN109802145A在CN105633421A的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化了催化層電極結(jié)構(gòu)和催化劑漿料組成,制備了具有更高質(zhì)子傳導(dǎo)穩(wěn)定性以及化學(xué)穩(wěn)定性的新型電極。具體采用的技術(shù)方案為:

1. 配制催化劑漿料。其中漿料含Pt/C催化劑、Nafion溶液、聚乙酸(PAA)、和CeO2納米顆粒,按一定比例超聲使催化劑混合均勻,并攪拌一定時間,配成催化劑漿料;

2. 利用靜電紡絲技術(shù)制備紡絲催化層;

3. 將紡絲催化層轉(zhuǎn)印到211質(zhì)子交換膜上制備單側(cè)CCM。

其中步驟1)中配制催化劑漿料中所用的PAA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%~20%(干重),CeO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%~60%(干重);漿料中Nafion與碳載體質(zhì)量之比(I/C)為0.5-0.8(干重),并且,Nafion含量占整體催化劑漿料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%-24%(干重),去離子水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%~20%,異丙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%~25%;所用的超聲處理時間為2~8h,攪拌時間為12~48h。步驟2)中靜電紡絲技術(shù)的條件參數(shù)控制為,環(huán)境溫度為室溫,環(huán)境濕度為20~40%RH,電位9~11kV,進(jìn)料速度為0.7~1.1mL/h,60~90℃烘箱中干燥1~4h。紡絲催化層經(jīng)熱壓(120~160℃,壓力0.1~0.5MPa,2~10min)后,測得紡絲電極厚度為1~15μm,Pt擔(dān)量為0.07-1.5mg/cm^2。

CN109802145A中的技術(shù)原理為:通過采用靜電紡絲技術(shù)以及合適的高聚物選擇,構(gòu)筑穩(wěn)定的催化劑結(jié)構(gòu)骨架以及均勻的質(zhì)子傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。同時添加適量的自由基淬滅劑CeO2,在不影響電極性能且使催化劑漿料仍具有可紡性的同時,使得電極具備更高的化學(xué)穩(wěn)定性。與現(xiàn)有技術(shù)相比,CN109802145A的優(yōu)點(diǎn)包括:具有更加優(yōu)異的質(zhì)子傳導(dǎo)穩(wěn)定性、更高的電池性能;通過添加適量的自由基淬滅劑,使得電極具有更高的化學(xué)穩(wěn)定性。

 3.2 清華大學(xué)

圖3-2 清華大學(xué)5月公開專利技術(shù)構(gòu)成

2019年5月,清華大學(xué)在燃料電池領(lǐng)域一共公開專利17件,涉及電堆,儲動力系統(tǒng),氫系統(tǒng)以及控制、檢測系統(tǒng)等技術(shù)分支。下面選取了一篇專利進(jìn)行介紹,以供讀者了解。

雙極板被稱為燃料電池電堆的“骨架”,在燃料電池中起到收集傳導(dǎo)電流、分隔反應(yīng)氣體、支撐電池以及冷卻等作用。雙極板除發(fā)揮上述作用外,其設(shè)計(jì)決定了燃料電池極板的有效面積率,進(jìn)而決定燃料電池堆的體積功率密度等。雙極板設(shè)計(jì)包括氣體和冷卻液進(jìn)出口設(shè)計(jì)、密封設(shè)計(jì)、流場設(shè)計(jì)、電池堆組裝定位設(shè)計(jì)等。傳統(tǒng)雙極板設(shè)計(jì)一般將燃料、空氣和冷卻液進(jìn)出口外框設(shè)計(jì)在雙極板板材平面內(nèi),在密封上需要圍繞這些進(jìn)出口外框進(jìn)行設(shè)計(jì),而發(fā)電有效部分流場則位于這些設(shè)計(jì)所包圍的內(nèi)部,從而這使得傳統(tǒng)雙極板的進(jìn)出口及其密封的面積占比較大,發(fā)電部分的有效面積率較低。此外,燃料電池的核心發(fā)電部件膜電極外框需要與雙極板匹配,為降低成本和提高外框部分的機(jī)械強(qiáng)度,膜電極外框一般由成本低廉的塑封膜材料構(gòu)成并需要與膜電極塑封在一起。

圖3-3 高效全屏流場雙極板示意圖(A:雙極板的整體結(jié)構(gòu)示意圖;B:A中陽極側(cè)單級板/陰極側(cè)單級板的正面結(jié)構(gòu)示意圖;C:A中陽極側(cè)單級板的背面結(jié)構(gòu)示意圖;D:A中陰極側(cè)單級板的背面結(jié)構(gòu)示意圖)

基于此,CN109728320A提供了一種燃料電池用高效全屏流場雙極板及其電池堆組裝技術(shù)設(shè)計(jì)方案。具體為:高效全屏流場雙極板由陽級側(cè)單級板和陰極側(cè)單級板背靠背貼合在一起組成。其中,陽級側(cè)單級板和陰極側(cè)單級板由外輪廓一致的基板構(gòu)成,基板的四周設(shè)置有從基板側(cè)邊伸出的凸出部,陽極側(cè)單級板和陰極側(cè)單級板的正面包括設(shè)置在基板中心的流場,流場四周至基板的外邊緣及凸處部表面為密封粘接區(qū),通過設(shè)置在粘接區(qū)域的密封件,陽級側(cè)單級板和陰極側(cè)單級板被貼合在一起組成雙極板。此外,陽級側(cè)單級板或陰極側(cè)單級板上均設(shè)置有氣體和冷卻液進(jìn)出口,氣體和冷卻液進(jìn)出口分別位于基板的四周邊緣;陰極側(cè)單級板的背面中心設(shè)置有冷卻液流場,冷卻液流場的上下兩側(cè)分別設(shè)置有冷卻液流場入口和冷卻液流場出口,冷卻液流場入口和冷卻液流場出口均位于基板的邊緣;冷卻液流場的外側(cè)至基板的外邊緣區(qū)域?yàn)槊芊庹辰訁^(qū),密封粘接區(qū)上設(shè)置有密封件。

圖3-4 燃料電池電池堆(a:電池堆組件的結(jié)構(gòu)示意圖;b:電池堆的封裝結(jié)構(gòu)示意圖)

此外,CN109728320A還提供了一種燃料電池電池堆,包括由四個金屬封板圍城的矩形框,矩形框中設(shè)置有電池堆組件。其中電池堆組件包括兩個集電板及設(shè)置在兩個集電板之間的多個的雙極板和膜電極,貼合在一起的雙極板的凸起部疊合成組件凸起部,矩形框的前后表面設(shè)置有端板,端板將電池堆組件封裝在矩形框中。組件凸起部將矩形框內(nèi)的空間分割為空氣、冷卻液和燃料的進(jìn)出空間,端板上設(shè)置有與進(jìn)出空間對應(yīng)的進(jìn)出口;端板與集電板之間設(shè)置有面密封件;相鄰的封板之間設(shè)置有封板密封件;組件凸起部外側(cè)包覆有框架密封件。金屬封板上設(shè)置有螺孔,兩個相對的金屬封板之間的螺孔中穿入有螺桿梁。

在確保燃料電池堆的高效發(fā)電基礎(chǔ)上,本發(fā)明的設(shè)計(jì)方案大幅提高了雙極板的有效面積率、增大了電池堆體積功率密度以及降低了膜電極制備工藝、提高生產(chǎn)效率、增強(qiáng)了設(shè)計(jì)靈活度等。

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聲明: 本文由入駐維科號的作者撰寫,觀點(diǎn)僅代表作者本人,不代表OFweek立場。如有侵權(quán)或其他問題,請聯(lián)系舉報(bào)。

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