一种燃料电池

摘要

本申请提供一种燃料电池，沿其厚度方向，从内之外依次包括电池本体，涂刷于电池本体外面的碳基薄膜层、抗菌抗冻薄膜层和封装层；所述碳基薄膜的厚度为0.5～1mm；抗菌抗冻薄膜的厚度为0.025～0.5mm；封装层的厚度为0.3～1mm。本发明所述的燃料电池具有抗菌抗冻的优良性能，具有广泛推广应用的潜能。

权利要求

1.一种燃料电池，包括电池本体，其特征在于，沿其厚度方向在电池本体的外部涂刷有碳基薄膜、抗菌抗冻薄膜和封装层，所述碳基薄膜涂刷于电池本体的壳体上，所述碳基薄膜上方涂刷有抗菌抗冻薄膜，所述电池本体外部包覆有封装层；所述碳基薄膜的厚度为0.5～

1mm；抗菌抗冻薄膜的厚度为0.025～0.5mm；封装层的厚度为0.3～1mm；

所述燃料电池电极表面涂覆的碳基薄膜和抗菌抗冻薄膜构成功能膜，采用旋转涂覆法涂覆于所述燃料电池电极表面，且所述碳基薄膜和抗菌抗冻薄膜交替涂覆3次；所述碳基薄膜和所述抗菌抗冻薄膜界面经过氧化溶液处理；所述抗菌抗冻薄膜中含有正丙醇作为抗冻剂。

说明书

一种燃料电池

技术领域

[0001] 本申请涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池。

背景技术

[0002] 燃料电池是一种将存在于染料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。其中，质子交换膜燃料电池由于其具有较高的能量密度以及较低的工作温度和产生较少的温室气体等，正成为清洁能源转换装置的最佳选择。质子交换膜燃料电池选用金属双极板材料，其中，不锈钢双极板使用的最为广泛。

[0003] 相关技术中存在以下技术问题：(1)在燃料电池工作过程中不锈钢容易产生腐蚀，表面生成的钝化膜层会使不锈钢的表面的接触电阻增大，导致部分电能转换为热能，降低了燃料电池的能量转换效率；(2)由于使用过程中长时间的浸渍，不锈钢表面容易产生细菌，加快了不锈钢的腐蚀速度，进而导致燃料电池使用时间缩短，造成资源的浪费；(3)并且，由于环境影响，当燃料电池处于寒冷环境时，较低的温度会降低电极的效率。

发明内容

[0004] 为克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种燃料电池。

[0005] 本发明通过以下技术方案得以实现：一种燃料电池包括电池本体，沿其厚度方向在电池本体的外部涂刷有碳基薄膜、抗菌抗冻薄膜和封装层，所述碳基薄膜涂刷于电池本体的壳体上，所述碳基薄膜上方涂刷有抗菌抗冻薄膜，所述电池本体外部包覆有封装层；所述碳基薄膜的厚度为0.5～1mm；抗菌抗冻薄膜的厚度为0.025～0.5mm；封装层的厚度为0.3～1mm。

[0006] 进一步地，所述碳基薄膜的厚度为0.6～0.8mm；所述抗菌抗冻薄膜的厚度为0.03～0.3mm；所述封装层的厚度为0.5～0.8mm。

[0007] 进一步地，所述碳基薄膜的厚度为0.7mm；所述抗菌抗冻薄膜的厚度为0.1mm；所述封装层的厚度为0.6mm。

[0008] 进一步地，所述燃料电池电极表面涂覆的碳基薄膜和抗菌抗冻薄膜构成功能膜，采用旋转涂覆法涂覆于所述燃料电池电极表面，且所述碳基薄膜和抗菌抗冻薄膜交替涂覆3次；所述碳基薄膜和所述抗菌抗冻薄膜界面经过氧化溶液处理；所述抗菌抗冻薄膜中含有正丙醇作为抗冻剂。

[0009] 进一步地，所述的功能膜的制备方法包括以下步骤：

[0010] S1，配制酚醛树脂，取10g苯酚于40～42℃水浴中加热至使其融化，然后滴加20wt％的KOH，超声30min，制得溶液A；将20wt％的甲醛溶液滴加入溶液A中，置于磁力搅拌器上加热至80℃并搅拌20min，制得溶液B，将溶液B置于0℃的冰水浴中20min，待溶液B冷却至0℃，缓慢滴加0.1M的硝酸-盐酸溶液调节pH值为6.8后，置于真空干燥箱中，压力为
0.1MPa～0.5MPa，温度调节至60～80℃，1h，制得酚醛树脂；

[0011] S2，配制介孔碳溶液，取1.5g三嵌段共聚物F127和经步骤S1制得的3.0g酚醛树脂，加入100ml无水乙醇，室温下置于振荡器上震荡30min，震荡后置于真空干燥箱中10min，真空箱的压力为30KPa～50KPa；

[0012] S3，配制抗菌溶液，1.5gε-聚赖氨酸中依次加入80ml超纯水、2％(w/v)甘油10ml和2％(w/v)聚乙烯醇10ml；置于电磁搅拌器上60℃搅拌1h，然后量取20ml正丙醇加入混合溶液，在水浴50℃下搅拌5min，取下后置于烘箱中加热至90℃保温2h，即得抗菌溶液；

[0013] S4，涂覆碳基薄膜，(1)将步骤S2中制得的介孔碳溶液真空脱气1h后取50ml，采用旋转涂覆法涂覆于燃料电池电极表面，其中，真空压力为20KPa～50KPa，滴胶采用第一低速-高速-第二低速的方法进行，第一低速滴胶的滴胶转速为200～400rpm/s，高速滴胶的滴胶转速为800～1000rpm/s，第二低速的滴胶转速为100～200rpm/s，对应的匀胶时间分别为60s、30s、20s，反复滴胶和匀胶3～5次；(2)将涂覆好的燃料电池电极放入120～150℃的烘箱中过夜，取出后置于真空干燥箱中负压2h，真空干燥箱的压力范围为1±0.05MPa，真空干燥箱对应的温度为45～150℃；(3)将经步骤(2)处理的涂覆有薄膜的燃料电池壳体在有氮气保护的管式炉中进行热处理，热处理采用的温度为低温-高温模式，其中低温400℃保温
4h，高温800℃保温1h；

[0014] S5，氧化溶液处理，取摩尔比为5:1:2的苯胺、过硫酸铵、磷酸，依次加入到乙醇溶液中，高速搅拌2h，形成均匀氧化溶液，将涂覆有碳基薄膜的燃料电池电极浸入该氧化溶液，静置20min，取出用氮气枪吹干；

[0015] S6，涂覆抗菌抗冻薄膜，将步骤S3中制得的抗菌溶液真空脱气1h后取20ml，真空压力为20KPa～50KPa，采用旋转涂覆法涂覆于经步骤S5处理的燃料电池电极表层，滴胶采用300rpm/s转速，匀胶2min；将燃料电池电极置于50～90℃的真空干燥箱中干燥20～30h，真空箱的压力为20KPa～50Kpa，然后重复步骤S4、S5、S6两次。

[0016] 相对于现有技术，本发明的有益效果：

[0017] 本发明通过上述实施例提供的一种燃料电池，由于该燃料电池造型简单，且多功能，因此克服了上述技术问题。

[0018] 本申请的实施例提供的功能膜，在制备过程中，通过使用酚醛树脂作为碳源、三嵌段共聚物F127作为模板剂制备而成碳基薄膜，该碳基薄膜经过不同的真空箱压力处理和热处理，经试验证明，涂覆有碳基薄膜后，在一定温度范围内，燃料电池的腐蚀电位移动了200～500mV，其腐蚀电流密度相对于空白对照减小了约1.5个数量级。

[0019] 由于使用了添加有ε-聚赖氨酸的碳基薄膜的燃料电池在使用过程中不产生细菌，对常见的霉菌和金黄色葡萄球菌具有抑菌效果，抑制了细菌的生长，使燃料电池的表面不易生长细菌，降低了燃料电池的腐蚀速度，此外，在实验过程中，我们还发现，由于在制备燃料电池过程中，由于正丙醇的加入提高了薄膜的抗冻性的同时，燃料电池具有耐寒特性，也进一步延长了燃料电池的使用寿命。此外，构成燃料电池的功能膜的碳基薄膜和抗菌抗冻薄膜的界面进过氧化溶液处理，该氧化层可以隔离碳基薄膜和抗菌抗冻薄膜，使其相互渗透作用减小，对抗腐蚀、抗菌抗冻功能的发挥起到了意想不到的效果。

附图说明

[0020] 此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

[0021] 图1是本发明的示意图。

[0022] 图2是根据一示例性实施例示出的本申请燃料电池中功能膜的制备方法流程图。

[0023] 其中，1-电池本体，2-碳基薄膜层，3-抗菌抗冻薄膜层，4-封装层。

具体实施方式

[0024] 这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

[0025] 如图1所示，是本发明的一个实施例所提供的简要结构示意图，沿其厚度方向在电池本体1的外部涂刷有碳基薄膜2、抗菌抗冻薄膜3和封装层4。所述碳基薄膜2涂刷于电池本体1的壳体上，所述碳基薄膜2上方涂刷有抗菌抗冻薄膜3，所述电池本体1外部包覆有封装层4；所述碳基薄膜2的厚度为0.5～1mm；抗菌抗冻薄膜3的厚度为0.025～0.5mm；封装层4的厚度为0.3～1mm。

[0026] 进一步地，所述碳基薄膜2的厚度为0.6～0.8mm；所述抗菌抗冻薄膜3的厚度为0.03～0.3mm；所述封装层4的厚度为0.5～0.8mm。

[0027] 进一步地，所述碳基薄膜2的厚度为0.7mm；所述抗菌抗冻薄膜3的厚度为0.1mm；所述封装层4的厚度为0.6mm。

[0028] 进一步地，所述燃料电池电极表面涂覆的碳基薄膜2和抗菌抗冻薄膜3构成功能膜，采用旋转涂覆法涂覆于所述燃料电池电极表面，且所述碳基薄膜2和抗菌抗冻薄膜3交替涂覆3次；所述碳基薄膜2和所述抗菌抗冻薄膜3界面经过氧化溶液处理；所述抗菌抗冻薄膜3中含有正丙醇作为抗冻剂。

[0029] 图2是根据一示例性实施例示出的本申请燃料电池中功能膜的制备方法流程图。参照图2所示，所述功能膜的制备包括以下步骤：

[0030] S1，配制酚醛树脂，取10g苯酚于40～42℃水浴中加热至使其融化，然后滴加20wt％的KOH，超声30min，制得溶液A；将20wt％的甲醛溶液滴加入溶液A中，置于磁力搅拌器上加热至80℃并搅拌20min，制得溶液B，将溶液B置于0℃的冰水浴中20min，待溶液B冷却至0℃，缓慢滴加0.1M的硝酸-盐酸溶液调节pH值为6.8后，置于真空干燥箱中，压力为
0.1MPa～0.5MPa，温度调节至60～80℃，1h，制得酚醛树脂；

[0031] S2，配制介孔碳溶液，取1.5g三嵌段共聚物F127和经步骤S1制得的3.0g酚醛树脂，加入100ml无水乙醇，室温下置于振荡器上震荡30min，震荡后置于真空干燥箱中10min，真空箱的压力为30KPa～50KPa；

[0032] S3，配制抗菌溶液，1.5gε-聚赖氨酸中依次加入80ml超纯水、2％(w/v)甘油10ml和2％(w/v)聚乙烯醇10ml；置于电磁搅拌器上60℃搅拌1h，

[0033] 然后量取20ml正丙醇加入混合溶液，在水浴50℃下搅拌5min，取下后置于烘箱中加热至90℃保温2h，即得抗菌溶液；

[0034] S4，涂覆碳基薄膜，(1)将步骤S2中制得的介孔碳溶液真空脱气1h后取50ml，采用旋转涂覆法涂覆于燃料电池电极表面，其中，真空压力为20KPa～50KPa，滴胶采用第一低速-高速-第二低速的方法进行，第一低速滴胶的滴胶转速为200～400rpm/s，高速滴胶的滴胶转速为800～1000rpm/s，第二低速的滴胶转速为100～200rpm/s，对应的匀胶时间分别为60s、30s、20s，反复滴胶和匀胶3～5次；(2)将涂覆好的燃料电池电极放入120～150℃的烘箱中过夜，取出后置于真空干燥箱中负压2h，真空干燥箱的压力范围为1±0.05MPa，真空干燥箱对应的温度为45～150℃；(3)将经步骤(2)处理的涂覆有薄膜的燃料电池壳体在有氮气保护的管式炉中进行热处理，热处理采用的温度为低温-高温模式，其中低温400℃保温
4h，高温800℃保温1h；

[0035] S5，氧化溶液处理，取摩尔比为5:1:2的苯胺、过硫酸铵、磷酸，依次加入到乙醇溶液中，高速搅拌2h，形成均匀氧化溶液，将涂覆有碳基薄膜的燃料电池电极浸入该氧化溶液，静置20min，取出用氮气枪吹干；

[0036] S6，涂覆抗菌抗冻薄膜，将步骤S3中制得的抗菌溶液真空脱气1h后取20ml，真空压力为20KPa～50KPa，采用旋转涂覆法涂覆于经步骤S5处理的燃料电池电极表层，滴胶采用300rpm/s转速，匀胶2min；将燃料电池电极置于50～90℃的真空干燥箱中干燥20～30h，真空箱的压力为20KPa～50Kpa，然后重复步骤S4、S5、S6两次。通过以上步骤，完成了本发明的制备。

[0037] 燃料电池电化学性能测试：将未涂覆有碳基薄膜的燃料电池作为空白试验，将两种燃料电池放置于0.2M H2SO4溶液中浸渍。在浸渍过程中，露出1cm×1cm的面积，其余部分用胶覆盖。经测试，未覆盖碳基薄膜(空白试验)和覆盖碳基薄膜的燃料电池在不同的温度(T-300，T-400，T-500，T-600)处理下的腐蚀电位和腐蚀电流密度数据如表1。

[0038] 表1燃料电池的电化学性能

[0039]

[0040] 试验表明，相比于空白对照试验，本申请的实施例提供的功能膜，在制备过程中，通过使用酚醛树脂作为碳源、三嵌段共聚物F127作为模板剂制备而成碳基薄膜，该碳基薄膜经过不同的真空箱压力处理和热处理，经试验证明，涂覆有碳基薄膜后，燃料电池的腐蚀电位移动了200～500mV，其腐蚀电流密度相对于空白对照减小了约1.5个数量级，但是温度超过500℃后，涂覆有碳基薄膜和没有涂覆碳基薄膜的燃料电池性能一样，也就是说碳基薄膜对燃料电池的电化学性能失去保护作用。

[0041] 燃料电池的抗菌性能测试：采用吸光度法，检测燃料对霉菌和金黄色葡萄球菌的抑菌效果。结果如表2所示。

[0042] 表2燃料电池的抑菌效果

[0043]  OD600
空白对照 6±0.01
0.25％ 4±0.08
0.5％ 3±0.05
0.75％ 1.5±0.03
1.0％ 0±0.02

[0044] 试验表明，使用了添加有ε-聚赖氨酸的碳基薄膜的燃料电池在使用过程中不产生细菌，对常见的霉菌和金黄色葡萄球菌具有抑菌效果，抑制了细菌的生长，使燃料电池的表面不易生长细菌，降低了燃料电池的腐蚀速度，此外，在实验过程中，我们还发现，由于在制备燃料电池过程中，由于正丙醇的加入提高了薄膜的抗冻性的同时，燃料电池具有耐寒特性，也进一步延长了燃料电池的使用寿命。此外，构成燃料电池的功能膜的碳基薄膜和抗菌抗冻薄膜的界面进过氧化溶液处理，该氧化层可以隔离碳基薄膜和抗菌抗冻薄膜，使其相互渗透作用减小，对抗腐蚀、抗菌抗冻功能的发挥起到了意想不到的效果。

[0045] 本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。