3． 部分申請(qǐng)人及公開(kāi)專利介紹

3．1 中科院所

圖3－1 中科院所5月公開(kāi)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(kāi)專利21件，涉及電堆、儲(chǔ)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(shí)也面臨著成本、壽命和性能等挑戰(zhàn)。在PEMFC運(yùn)行過(guò)程中，存在自由基對(duì)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(wèn)題，耐久性及穩(wěn)定性仍是制約PEMFC商業(yè)化的瓶頸。通過(guò)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(shí)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(shí)間為2～8h，攪拌時(shí)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(cè)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(guò)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(shí)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(shí)，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(guò)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(kāi)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(kāi)專利17件，涉及電堆，儲(chǔ)動(dòng)力系統(tǒng)，氫系統(tǒng)以及控制、檢測(cè)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)雙極板示意圖（A：雙極板的整體結(jié)構(gòu)示意圖；B：A中陽(yáng)極側(cè)單級(jí)板／陰極側(cè)單級(jí)板的正面結(jié)構(gòu)示意圖；C：A中陽(yáng)極側(cè)單級(jí)板的背面結(jié)構(gòu)示意圖；D：A中陰極側(cè)單級(jí)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(chǎng)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(chǎng)雙極板由陽(yáng)級(jí)側(cè)單級(jí)板和陰極側(cè)單級(jí)板背靠背貼合在一起組成。其中，陽(yáng)級(jí)側(cè)單級(jí)板和陰極側(cè)單級(jí)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(yáng)極側(cè)單級(jí)板和陰極側(cè)單級(jí)板的正面包括設(shè)置在基板中心的流場(chǎng)，流場(chǎng)四周至基板的外邊緣及凸處部表面為密封粘接區(qū)，通過(guò)設(shè)置在粘接區(qū)域的密封件，陽(yáng)級(jí)側(cè)單級(jí)板和陰極側(cè)單級(jí)板被貼合在一起組成雙極板。此外，陽(yáng)級(jí)側(cè)單級(jí)板或陰極側(cè)單級(jí)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(jí)板的背面中心設(shè)置有冷卻液流場(chǎng)，冷卻液流場(chǎng)的上下兩側(cè)分別設(shè)置有冷卻液流場(chǎng)入口和冷卻液流場(chǎng)出口，冷卻液流場(chǎng)入口和冷卻液流場(chǎng)出口均位于基板的邊緣；冷卻液流場(chǎng)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(gè)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(gè)集電板及設(shè)置在兩個(gè)集電板之間的多個(gè)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(duì)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(gè)相對(duì)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。