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CN112397737B - 一种铂基磁场调控燃料电池的电堆装置及其制造方法 - Google Patents

一种铂基磁场调控燃料电池的电堆装置及其制造方法 Download PDF

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CN112397737B CN202110074363.XA CN202110074363A CN112397737B CN 112397737 B CN112397737 B CN 112397737B CN 202110074363 A CN202110074363 A CN 202110074363A CN 112397737 B CN112397737 B CN 112397737B
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Abstract

本发明公开了一种铂基磁场调控燃料电池的电堆装置及其制造方法，燃料电池的电堆装置包括U型支架，U型支架的两侧内壁均设有线圈，线圈内设有直流电磁铁的极头，位于两组极头之间的燃料电池电堆，燃料电池电堆由若干单体燃料电池顺次堆叠而成，位于燃料电池电堆下方的固定装置，固定装置上部设有温度调节装置，燃料电池的制造方法包括以下步骤：S1，制备铂基磁性多元纳米颗粒，S2，制备单体燃料电池；S3，装配燃料电池电堆。本发明将电流可控电磁铁装配在燃料电池装置外部，为燃料电池提供外磁场，改变铂基磁性多元纳米颗粒催化剂的反应过程，增强燃料电池性能。

Description

一种铂基磁场调控燃料电池的电堆装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统及核心零部件技术领域，具体是涉及一种铂基磁场调控燃料电池的电堆装置及其制造方法。
背景技术
燃料电池是新能源汽车动力的核心，提升燃料电池的能量输出效率和稳定性是推广应用的前提，其中，关键点在于负载催化剂的电极催化反应机制的改善与反应装置的设计。催化反应涉及催化剂、燃料、空气和溶液，当前多采用商业化碳负载单质铂催化剂作为燃料电池系统阳极，通过控制颗粒尺寸、负载量、晶面等工艺提升催化剂活性。
然而，商业铂碳催化剂不够优良的活性和稳定性仍然制约燃料电池的成本和广泛应用。处于实验室阶段的多元金属催化剂虽然能够提高催化活性，但是原理仅局限在用其他元素调控铂的电子结构，忽略另一重要因素磁性，而磁性可调节的范围广泛，不仅包括催化剂本身从顺磁、超顺磁、铁磁、反铁磁和抗磁状态的转变，还包括大小可调的外加磁场，此外温度对磁性也有大幅影响。将磁性纳入催化剂设计因素将有潜力大幅改善催化剂性能。
专利CN106784903A公开了一种用于燃料电池催化剂的铂-过渡金属合金纳米晶的制备方法，包括如下步骤：S1、将铂前驱体、过渡金属前驱、苯甲酸溶于N-N二甲基甲酰胺中形成前驱体混合溶液；S2、将所述前驱体混合溶液置于微波电磁场中，通过微波作用于所述前驱体混合溶液均匀加热反应后，得到八面体形貌的铂-过渡金属合金纳米晶。利用微波具有波粒二象性，能够迅速均匀并选择性加热的特性，对反应物在反应过程中持续加热，有效的加速了反应时间，缩短了反应周期。相对传统合成工艺来说，合成周期缩小了近十倍，极大了提高了反应效率。但是没有对催化剂样品的磁性进行调控。
因此，为实现磁性对燃料电池性能的提升，关键是选择具有特定磁性和晶体结构的多元金属铂基催化剂，并将磁场发生装置纳入燃料电池系统辅件中。
发明内容
针对上述存在的问题本发明提供了一种铂基磁场调控燃料电池的电堆装置及其制造方法。
本发明的技术方案是：
一种铂基磁场调控燃料电池的电堆装置，包括：
U型支架，所述U型支架的两侧内壁均设有线圈，所述线圈内设有直流电磁铁的极头，
位于两组所述极头之间的燃料电池电堆，所述燃料电池电堆由若干单体燃料电池顺次堆叠而成，所述单体燃料电池由位于中间的PEM聚合物涂层、位于所述PEM聚合物涂层两侧的催化剂涂层、位于所述催化剂涂层两侧的气体扩散层、以及位于所述气体扩散层两侧的阴极和阳极组成，所述催化剂涂层是由铂基磁性多元纳米颗粒构成，所述铂基磁性多元纳米颗粒为球形、立方体、截角八面体、核壳结构、空心结构、枝状结构中的至少一种或多种，
位于所述燃料电池电堆下方的固定装置，所述固定装置安装于U型支架的上表面，固定装置上部设有用于承载燃料电池电堆的温度调节装置。
进一步地，所述燃料电池电堆由若干单体燃料电池通过堆叠装置顺次堆叠而成，所述堆叠装置为两组且对称设置在所述U型支架的前后两侧，堆叠装置包括与U型支架固定连接的支杆、与所述支杆固定连接的滑轨以及与所述滑轨内侧中部设有的滑道滑动连接的固定部，所述滑轨的起始端设有固定板，位于所述滑道下方的滑轨上等间距开设有若干限位孔，能够将单体燃料电池顺次排列堆叠。
更进一步地，所述固定部通过滚轮与所述滑道滑动连接，固定部内设有用于驱动滚轮转动的滚轮电机，固定部前端设有第一液压缸，所述第一液压缸的输出端通过U型杆与第一压板连接，固定部后端底部开设有空槽，所述空槽内的固定部下表面设有滑杆，所述滑杆上滑动套设有可沿滑杆前后滑动的滑杆电机，所述滑杆电机底部与第二液压缸固定连接，所述第二液压缸的输出端与第二压板连接，位于滚轮下方的固定部上嵌设有限位部，能够将堆叠后的燃料电池固定牢靠。
优选地，所述直流电磁铁直流电源的电流为0~15A，磁场大小为10-4T~1T。
进一步地，所述温度调节装置包括半导体制冷部件以及加温部件，能够在大范围内完成升温降温。
一种铂基磁场调控燃料电池的制造方法，包括以下步骤：
S1：制备铂基磁性多元纳米颗粒，所述铂基磁性多元纳米颗粒为球形、立方体、截角八面体、核壳结构、空心结构、枝状结构中的至少一种或多种，
S1-1：将铂盐、磁性元素盐类化合物与表面活性剂分散在溶剂中得到混合溶液，均匀搅拌所述混合溶液，常温下进行超声波处理直至混合溶液澄清；
S1-2：将混合溶液转移到反应釜中，密封所述反应釜并将其置于强磁场高温炉内部的旋转底座上，开启所述强磁场高温炉两侧的电磁铁直流电源，在120~210℃的温度条件下反应8~24h，得到磁化后的铂基磁性多元纳米颗粒产物；
S1-3：将铂基磁性多元纳米颗粒产物先后进行离心沉降分离和超声波清洗，随后将清洗后得到的铂基磁性多元纳米颗粒样品与商业碳混合，混合后一同加入到乙醇溶液中进行超声混合，得到涂覆于质子交换膜上的铂基磁性多元纳米颗粒催化剂；
S2：制备单体燃料电池
所述单体燃料电池内中心为PEM聚合物涂层，在所述PEM聚合物涂层的两侧覆盖S1-3中得到的铂基磁性多元纳米颗粒催化剂制成的催化剂涂层，在两组所述催化剂涂层的外侧覆盖扩散层，在两组所述扩散层的外侧分别安装有阴极和阳极；
S3：将电堆装置装配在S2中得到的燃料电池外部，多个单体燃料电池串联形成堆叠，相邻两组单体燃料电池之间用双极板隔开，采用直流电磁铁提供强度可调的磁场。
进一步地，所述S1-1中铂盐包括乙酰丙酮铂、羰基铂、氯铂酸钾和氯亚铂酸钾，磁性元素包括铬、锰、铁、钴和镍，磁性元素盐类化合物包括乙酰丙酮铬、乙酰丙酮锰、乙酰丙酮铁、乙酰丙酮钴和乙酰丙酮镍，磁性元素盐类化合物与铂盐的质量比在1:5~5:1之间可调，溶剂为二甲基甲酰胺、乙二醇、十八烯、油酸或油胺其中的一种，如上的溶剂具有不同的还原性，可用于制备铂基催化剂，有利于增强燃料电池的性能。
进一步地，所述S1-2中电磁铁直流电源的电流为0~15A，磁场大小为10-4T~1T，并在反应过程中采用循环水冷却电磁铁部分，防止温度过高发生火灾。
进一步地，所述S1-2中旋转底座为发条式旋转底座，所述发条式旋转底座至少能够连续旋转30min，使加热磁化更为均匀，弱化样品的磁各向异性。
进一步地，所述S1-3中商业碳为BP2000，EC-300J，XC-72其中的一种，有利于增强燃料电池的性能。
本发明的有益效果是：
（1）本发明涉及一种铂基磁场调控燃料电池的电堆装置，通过给燃料电池电堆增配直流电磁铁的设计，搭配上具有合适磁性与性能的铂基磁性多元纳米颗粒催化剂，并控制反应温度，能够方便有效地提升燃料电池电堆的性能与稳定性。
（2）本发明涉及一种铂基磁场调控燃料电池的制造方法，通过发条式旋转底座结合强磁场高温炉合成催化剂，实现合成阶段的原位磁化，并弱化样品的磁各向异性，使催化剂的温度可调，实现磁性在顺磁、超顺磁、铁磁等状态之间的转换，具有重要的应用前景和商业价值。
本发明的堆叠装置能够与电堆装置相互配合并快速高效地进行燃料电池的堆叠，提高了效率，节省了工作时间。
附图说明
图1是本发明实施例1的电堆装置整体结构示意图；
图2是本发明实施例2的电堆装置俯视图；
图3是本发明实施例2的电堆装置整体结构示意图；
图4是本发明实施例2的电堆装置中固定部外侧结构示意图；
图5是本发明实施例2的电堆装置中固定部内侧结构示意图；
图6是本发明实施例2的电堆装置中滑轨结构示意图；
图7是本发明实施例2中电堆装置限位部对接状态下的横向剖面图；
图8是本发明实施例2中电堆装置限位部脱离状态下的横向剖面图；
图9是本发明的单体燃料电池单电池结构示意图；
图10是本发明的单体燃料电池的制造方法工艺流程图；
图11是本发明实施例1中制备铂基磁性多元纳米颗粒催化剂的强磁场高温反应装置图；
图12是本发明实施例1中制备的铂基磁性多元纳米颗粒催化剂的形貌模型图。
其中，1-U型支架，11-线圈，12-极头，2-燃料电池电堆，21-PEM聚合物涂层，22-催化剂涂层，23-扩散层，3-固定装置，31-温度调节装置，4-堆叠装置，41-支杆，42-滑轨，421-滑道，422-固定板，423-限位孔，5-固定部，51-第一液压缸，511-第一压板，512-U型杆，52-第二液压缸，521-第二压板，522-磁铁，53-滚轮，54-空槽，55-滑杆，551-滑杆电机，6限位部，61-限位槽，62-限位柱，63-松紧绳，7-发条式旋转底座，8-循环水冷却装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，本发明实施例中所用术语“前后”、“左右”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的位置。
实施例1
如图1、9所示，一种铂基磁场调控燃料电池的电堆装置，包括：U型支架1，U型支架1的两侧内壁均设有线圈11，线圈11内设有直流电磁铁的极头12，直流电磁铁的电流为0~15A，磁场大小为10-4T~1T，并在反应过程中采用循环水冷却电磁铁部分，防止温度过高发生火灾，位于两组极头12之间的燃料电池电堆2，燃料电池电堆2由10组单体燃料电池顺次堆叠而成，单体燃料电池由位于中间的PEM聚合物涂层21、位于PEM聚合物涂层21两侧的催化剂涂层22、位于催化剂涂层22两侧的气体扩散层23、以及位于气体扩散层23两侧的阴极和阳极组成，催化剂涂层22是由铂基磁性多元纳米颗粒构成，还包括位于燃料电池电堆2下方的固定装置3，固定装置3安装于U型支架1的上表面，固定装置3上部设有用于承载燃料电池电堆2的温度调节装置31，温度调节装置31为半导体制冷部件和加温部件并排摆放，半导体致冷部件可采用国产妍东牌TEC系列制冷片，加温部件采用国产苏泊特EL系列加热元件。
如图10所示，一种铂基磁场调控燃料电池的制造方法，包括以下步骤：
S1：制备铂基磁性多元纳米颗粒，所述铂基磁性多元纳米颗粒为球形、立方体、截角八面体、核壳结构、空心结构、枝状结构中的至少一种或多种，
S1-1：将铂盐、磁性元素盐类化合物与表面活性剂分散在二甲基甲酰胺溶剂中得到混合溶液，均匀搅拌混合溶液，常温下进行超声波处理直至混合溶液澄清，铂盐包括乙酰丙酮铂、羰基铂、氯铂酸钾和氯亚铂酸钾，磁性元素包括铬、锰、铁、钴和镍，其中不同种类的元素成分可以表示为二元、三元或四元等，磁性元素盐类化合物包括乙酰丙酮铬、乙酰丙酮锰、乙酰丙酮铁、乙酰丙酮钴和乙酰丙酮镍，磁性元素盐类化合物与铂盐的质量比为1:5；
S1-2：将混合溶液转移到反应釜中，如图11所示，密封反应釜并将其置于强磁场高温炉内部的旋转底座上，旋转底座为发条式旋转底座7，发条式旋转底座7为市售发条式旋转底座并对其进行外形结构调整以适配上述装置，发条式旋转底座7的具体尺寸为4cm，能够连续旋转30min，载重2kg，开启强磁场高温炉两侧的电磁铁直流电源，电磁铁直流电源的电流控制在0.01A，磁场大小为10-4T，并在反应过程中采用循环水冷却装置8冷却电磁铁部分，循环水冷却装置8为套设在电磁铁外的两圈冷却水管，由市售循环水机驱动自来水循环并以风冷的方式降温，在120℃的温度条件下反应8h，得到磁化后的铂基磁性多元纳米颗粒产物，如图12所示；
S1-3：将铂基磁性多元纳米颗粒产物先后进行离心沉降分离和超声波清洗，随后将清洗后得到的铂基磁性多元纳米颗粒样品与商业碳混合，商业碳为XC-72，混合后一同加入到乙醇溶液中进行超声混合，得到涂覆于质子交换膜上的铂基磁性多元纳米颗粒催化剂；
S2：制备单体燃料电池
单体燃料电池内中心为PEM聚合物涂层21，在PEM聚合物涂层21的两侧覆盖S1-3中得到的铂基磁性多元纳米颗粒催化剂制成的催化剂涂层22，在两组催化剂涂层22的外侧覆盖扩散层23，在两组扩散层23的外侧分别安装有阴极和阳极，如图9所示；
S3：将电堆装置装配在S2中得到的燃料电池外部，10组单体燃料电池串联形成堆叠，相邻两组单体燃料电池之间用双极板隔开，采用直流电磁铁提供强度可调的磁场，从燃料电池阳极和阴极引出线路，使燃料电池电堆2与直流电磁铁的极头靠近到10mm以下，如图1所示。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于设置了用于堆叠燃料电池的堆叠装置4。
如图2、3、6所示，堆叠装置4为两组且对称设置在U型支架1的前后两侧，堆叠装置4包括与U型支架1固定连接的支杆41、与支杆41固定连接的滑轨42以及与滑轨42内侧中部设有的滑道421滑动连接的固定部5，滑轨42的起始端设有固定板422，位于滑道421下方的滑轨42上等间距开设有10组限位孔423，两组限位孔423之间的间距为单体燃料电池的宽度。
如图4、5所示，固定部5通过滚轮53与滑道421滑动连接，滑道421下部设有与滚轮53外圆周相匹配的齿，用于使滚轮53沿滑道421转动，固定部5内设有用于驱动滚轮53转动的滚轮电机，固定部5前端设有第一液压缸51，第一液压缸51的输出端通过U型杆512与第一压板511连接，固定部5后端底部开设有空槽54，空槽54内的固定部5下表面设有滑杆55，滑杆55上滑动套设有可沿滑杆55前后滑动的滑杆电机551，滑杆电机551底部与第二液压缸52固定连接，滑杆55为U型设置，其两端与空槽54内的固定部5下表面固定连接，第二液压缸52的输出端与第二压板521连接，位于滚轮53下方的固定部5上嵌设有限位部6。
如图7、8所示，限位部6包括开设在固定部5侧面的限位槽61以及与限位槽61滑动连接的限位柱62，限位槽61外端设有用于将限位柱62推入限位孔423的松紧绳63，限位柱62内端头为铁质，第二液压缸52靠近限位部6的一侧面设有用于吸引限位柱62内端头的磁铁522。
应用上述堆叠装置4将燃料电池堆叠为燃料电池电堆2的工作原理为：
首先，将第一组单体燃料电池放置在滑轨42起始端一侧的温度调节装置31上，并使单体燃料电池紧贴两组固定板422，随后启动两组第一液压缸51使其带动U型杆512向内侧回缩，直至两组第一压板511将单体燃料电池压紧，随后启动两组第二液压缸52使其带动第二压板521向外伸缩，将单体燃料电池的两侧夹紧，随后两组第一液压缸51使其带动U型杆512向外侧伸缩，放入第二组单体燃料电池，然后以上述同样的方法将第二组燃料电池压紧；
随后，启动两组第二液压缸52使其带动第二压板521向内侧收缩，两组第二压板521不在夹紧第一组单体燃料电池，启动滑杆电机551使其带动第二液压缸52沿滑杆55向前滑动，直至第二液压缸52侧面设有的磁铁522与限位柱62的内端头对接并将限位柱62吸引使其沿限位槽61滑动，此时限位柱62从限位孔423内脱离，在以同样的方法将单体燃料电池的两侧夹紧；
启动滚轮电机使其带动滚轮53向前滑动过一组单体燃料电池宽度的距离，滑动的同时由于第二压板521正夹紧第二组单体燃料电池，因此第二液压缸52不会随固定部5同时滑动而是沿滑杆55相对滑动，此时磁铁522与限位柱62的内端头不再接触，限位柱62在松紧绳63的作用下回弹，直至固定部5运动至下一个限位孔423的位置，使限位柱62进入限位孔423内，重复上述操作直至每一组单体燃料电池均被固定在温度调节装置31上。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于S1-2中的反应温度不同；
S1-2：将混合溶液转移到反应釜中，密封所述反应釜并将其置于强磁场高温炉内部的旋转底座上，开启所述强磁场高温炉两侧的电磁铁直流电源，在160℃的温度条件下反应8h，得到磁化后的铂基磁性多元纳米颗粒产物。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于S1-2中的反应温度不同；
S1-2：将混合溶液转移到反应釜中，密封所述反应釜并将其置于强磁场高温炉内部的旋转底座上，开启所述强磁场高温炉两侧的电磁铁直流电源，在210℃的温度条件下反应8h，得到磁化后的铂基磁性多元纳米颗粒产物。
实施例5
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于S1-2中的反应时间不同；
S1-2：将混合溶液转移到反应釜中，密封所述反应釜并将其置于强磁场高温炉内部的旋转底座上，开启所述强磁场高温炉两侧的电磁铁直流电源，在120℃的温度条件下反应16h，得到磁化后的铂基磁性多元纳米颗粒产物。
实施例6
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于S1-2中的反应时间不同；
S1-2：将混合溶液转移到反应釜中，密封所述反应釜并将其置于强磁场高温炉内部的旋转底座上，开启所述强磁场高温炉两侧的电磁铁直流电源，在120℃的温度条件下反应24h，得到磁化后的铂基磁性多元纳米颗粒产物。
实施例7
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于S1-1中的磁性元素盐类化合物与铂盐的质量比不同；
S1-1：将铂盐、磁性元素盐类化合物与表面活性剂分散在二甲基甲酰胺溶剂中得到混合溶液，均匀搅拌混合溶液，常温下进行超声波处理直至混合溶液澄清，磁性元素盐类化合物与铂盐的质量比为2:3。
实施例8
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于S1-1中的磁性元素盐类化合物与铂盐的质量比不同；
S1-1：将铂盐、磁性元素盐类化合物与表面活性剂分散在二甲基甲酰胺溶剂中得到混合溶液，均匀搅拌混合溶液，常温下进行超声波处理直至混合溶液澄清，磁性元素盐类化合物与铂盐的质量比为3:2。
实施例9
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于S1-1中的磁性元素盐类化合物与铂盐的质量比不同；
S1-1：将铂盐、磁性元素盐类化合物与表面活性剂分散在二甲基甲酰胺溶剂中得到混合溶液，均匀搅拌混合溶液，常温下进行超声波处理直至混合溶液澄清，磁性元素盐类化合物与铂盐的质量比为5:1。
实施例10
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于S1-3中的商业碳选材不同；
S1-3：将铂基磁性多元纳米颗粒产物先后进行离心沉降分离和超声波清洗，随后将清洗后得到的铂基磁性多元纳米颗粒样品与商业碳混合，商业碳为BP2000，混合后一同加入到乙醇溶液中进行超声混合，得到涂覆于质子交换膜上的铂基磁性多元纳米颗粒催化剂。
实施例11
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于S1-3中的商业碳选材不同；
S1-3：将铂基磁性多元纳米颗粒产物先后进行离心沉降分离和超声波清洗，随后将清洗后得到的铂基磁性多元纳米颗粒样品与商业碳混合，商业碳为EC-300J，混合后一同加入到乙醇溶液中进行超声混合，得到涂覆于质子交换膜上的铂基磁性多元纳米颗粒催化剂。
实施例12
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于S1-2中的磁场大小不同；
S1-2：将混合溶液转移到反应釜中，密封所述反应釜并将其置于强磁场高温炉内部的旋转底座上，开启所述强磁场高温炉两侧的电磁铁直流电源，电磁铁直流电源的电流为1.5A，磁场大小为0.1T，在120℃的温度条件下反应8h，得到磁化后的铂基磁性多元纳米颗粒产物。
实施例13
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于S1-2中的磁场大小不同；
S1-2：将混合溶液转移到反应釜中，密封所述反应釜并将其置于强磁场高温炉内部的旋转底座上，开启所述强磁场高温炉两侧的电磁铁直流电源，电磁铁直流电源的电流为5A，磁场大小为0.35T，在120℃的温度条件下反应8h，得到磁化后的铂基磁性多元纳米颗粒产物。
实施例14
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于S1-2中的磁场大小不同；
S1-2：将混合溶液转移到反应釜中，密封所述反应釜并将其置于强磁场高温炉内部的旋转底座上，开启所述强磁场高温炉两侧的电磁铁直流电源，电磁铁直流电源的电流为10A，磁场大小为0.7T，在120℃的温度条件下反应8h，得到磁化后的铂基磁性多元纳米颗粒产物。
实施例15
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于S1-2中的磁场大小不同；
S1-2：将混合溶液转移到反应釜中，密封所述反应釜并将其置于强磁场高温炉内部的旋转底座上，开启所述强磁场高温炉两侧的电磁铁直流电源，电磁铁直流电源的电流为15A，磁场大小为1T，在120℃的温度条件下反应8h，得到磁化后的铂基磁性多元纳米颗粒产物。
实验例
采用磁场调控电化学测试实验检测实施例1~15中制备的燃料电池电堆2的质量，分别对燃料电池电堆2的功率和开启磁场后的电流提升率进行测量，测量结果如下表所示：
表1使用堆叠装置4后燃料电池电堆2质量对比
Figure DEST_PATH_IMAGE001
如表1所示，实施例2中的燃料电池电堆2功率和电流提升率均有所提高，如果开启磁场后电流提升20%以上，则满足要求，可以看出使用堆叠装置4进行燃料电池的堆叠可以提高燃料电池电堆2的质量。
表2不同反应温度下燃料电池电堆2质量对比
Figure DEST_PATH_IMAGE002
如表2所示，实施例3、4中的燃料电池电堆2功率和电流提升率均有所提高，说明提高反应温度对燃料电池电堆2的质量有帮助，可以看出实施例3中160℃的反应温度燃料电池电堆2的质量最优，温度对燃料电池电堆2质量的总体影响较小。
表3不同反应时间下燃料电池电堆2质量对比
Figure DEST_PATH_IMAGE003
如表3所示，实施例5、6中的燃料电池电堆2功率和电流提升率均有所提高，说明增加反应时间对燃料电池电堆2的质量有帮助，可以看出实施例5中16h的反应时间燃料电池电堆2的质量最优，反应时间对燃料电池电堆2质量的总体影响较小。
表4不同磁性元素盐类化合物与铂盐的质量比下燃料电池电堆2质量对比
Figure DEST_PATH_IMAGE004
如表4所示，实施例7~9中的燃料电池电堆2功率和电流提升率波动比较明显，说明磁性元素盐类化合物与铂盐的质量比对燃料电池电堆2的质量有较大影响，可以看出实施例7中磁性元素盐类化合物与铂盐的质量比为2:3燃料电池电堆2的质量最优，而实施例9中磁性元素盐类化合物与铂盐的质量比为5:1燃料电池电堆2的质量最差。
表5不同商业碳材质下燃料电池电堆2质量对比
Figure DEST_PATH_IMAGE005
如表5所示，实施例10、11中的燃料电池电堆2功率和电流提升率略微有所波动，说明选用不同材质的商业碳对燃料电池电堆2的质量有较小的影响，可以看出实施例1中XC-72商业碳的燃料电池电堆2的质量最优，这是因为XC-72为孔径适当、导电率高和表面含氧基团较少的炭载体。
表6不同磁场强度下燃料电池电堆2质量对比
Figure DEST_PATH_IMAGE006
如表6所示，实施例12~15中的燃料电池电堆2功率和电流提升率均有所提高，说明改变磁场强度对燃料电池电堆2的质量有帮助，可以看出实施例13中磁场强度为0.35T的燃料电池电堆2的质量最优，而实施例1中磁场强度为10-4T的燃料电池电堆2的质量相对最差，磁场强度对燃料电池电堆2质量的总体影响较大。

Claims (10)

1.一种铂基磁场调控燃料电池的电堆装置，其特征在于，包括：
U型支架（1），所述U型支架（1）的两侧内壁均设有线圈（11），所述线圈（11）内设有直流电磁铁的极头（12），
位于两组所述极头（12）之间的燃料电池电堆（2），所述燃料电池电堆（2）由若干单体燃料电池顺次堆叠而成，所述单体燃料电池由位于中间的PEM聚合物涂层（21）、位于所述PEM聚合物涂层（21）两侧的催化剂涂层（22）、位于所述催化剂涂层（22）两侧的气体扩散层（23）、以及位于所述气体扩散层（23）两侧的阴极和阳极组成；
位于所述燃料电池电堆（2）下方的固定装置（3），所述固定装置（3）安装于U型支架（1）的上表面，固定装置（3）上部设有用于承载燃料电池电堆（2）的温度调节装置（31）；
其中，所述催化剂涂层（22）是由铂基磁性多元纳米颗粒构成，所述铂基磁性多元纳米颗粒为球形、立方体、截角八面体、核壳结构、空心结构、枝状结构中的至少一种或多种；
所述铂基磁性多元纳米颗粒由以下方法制得：将铂盐、磁性元素盐类化合物与表面活性剂分散在溶剂中得到混合溶液，均匀搅拌所述混合溶液；将混合溶液转移到反应釜中，密封所述反应釜并将其置于强磁场高温炉内部的旋转底座上，开启所述强磁场高温炉两侧的电磁铁直流电源，在120~210℃的温度条件下反应8~24h，得到磁化后的铂基磁性多元纳米颗粒产物。
2.根据权利要求1所述的一种铂基磁场调控燃料电池的电堆装置，其特征在于，所述燃料电池电堆（2）由若干单体燃料电池通过堆叠装置（4）顺次堆叠而成，所述堆叠装置（4）为两组且对称设置在所述U型支架（1）的前后两侧，堆叠装置（4）包括与U型支架（1）固定连接的支杆（41）、与所述支杆（41）固定连接的滑轨（42）以及与所述滑轨（42）内侧中部设有的滑道（421）滑动连接的固定部（5），所述滑轨（42）的起始端设有固定板（422），位于所述滑道（421）下方的滑轨（42）上等间距开设有若干限位孔（423）。
3.根据权利要求2所述的一种铂基磁场调控燃料电池的电堆装置，其特征在于，所述固定部（5）通过滚轮（53）与所述滑道（421）滑动连接，所述固定部（5）内设有用于驱动所述滚轮（53）转动的滚轮电机，所述固定部（5）前端设有第一液压缸（51），所述第一液压缸（51）的输出端通过U型杆（512）与第一压板（511）连接，所述第一压板（511）用于抵压所述燃料电池电堆（2），所述固定部（5）后端底部开设有空槽（54），所述空槽（54）内的固定部（5）下表面设有滑杆（55），所述滑杆（55）上滑动套设有可沿其前后滑动的滑杆电机（551），所述滑杆电机（551）底部与第二液压缸（52）固定连接，所述第二液压缸（52）的输出端与第二压板（521）连接，位于滚轮（53）下方的所述固定部（5）上嵌设有限位部（6），所述限位部（6）与所述限位孔（423）配合固定所述固定部（5）和滑轨（42）。
4.根据权利要求1所述的一种铂基磁场调控燃料电池的电堆装置，其特征在于，所述直流电磁铁的电流为0~15A，磁场大小为10-4T~1T。
5.根据权利要求1所述的一种铂基磁场调控燃料电池的电堆装置，其特征在于，所述温度调节装置（31）包括半导体制冷部件以及加温部件。
6.一种铂基磁场调控燃料电池的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：制备铂基磁性多元纳米颗粒，所述铂基磁性多元纳米颗粒为球形、立方体、截角八面体、核壳结构、空心结构、枝状结构中的至少一种或多种，
S1-1：将铂盐、磁性元素盐类化合物与表面活性剂分散在溶剂中得到混合溶液，均匀搅拌所述混合溶液，常温下进行超声波处理直至混合溶液澄清；
S1-2：将混合溶液转移到反应釜中，密封所述反应釜并将其置于强磁场高温炉内部的旋转底座上，开启所述强磁场高温炉两侧的电磁铁直流电源，在120~210℃的温度条件下反应8~24h，得到磁化后的铂基磁性多元纳米颗粒产物；
S1-3：将铂基磁性多元纳米颗粒产物先后进行离心沉降分离和超声波清洗，随后将清洗后得到的铂基磁性多元纳米颗粒样品与商业碳混合，混合后一同加入到乙醇溶液中进行超声混合，得到涂覆于质子交换膜上的铂基磁性多元纳米颗粒催化剂；
S2：制备单体燃料电池
所述单体燃料电池内中心为PEM聚合物涂层（21），在所述PEM聚合物涂层（21）的两侧覆盖S1-3中得到的铂基磁性多元纳米颗粒催化剂制成的催化剂涂层（22），在两组所述催化剂涂层（22）的外侧覆盖扩散层（23），在两组所述扩散层（23）的外侧分别安装有阴极和阳极；
S3：将电堆装置装配在S2中得到的燃料电池外部，多个单体燃料电池串联形成堆叠，相邻两组单体燃料电池之间用双极板隔开，采用直流电磁铁提供强度可调的磁场。
7.根据权利要求6所述的一种铂基磁场调控燃料电池的制造方法，其特征在于，所述S1-1中铂盐包括乙酰丙酮铂、羰基铂、氯铂酸钾和氯亚铂酸钾中的一种或几种，磁性元素包括铬、锰、铁、钴和镍，磁性元素盐类化合物包括乙酰丙酮铬、乙酰丙酮锰、乙酰丙酮铁、乙酰丙酮钴和乙酰丙酮镍中的一种或几种，磁性元素盐类化合物与铂盐的质量比在1:5~5:1之间可调，溶剂为二甲基甲酰胺、乙二醇、十八烯、油酸或油胺其中的一种。
8.根据权利要求6所述的一种铂基磁场调控燃料电池的制造方法，其特征在于，所述S1-2中电磁铁直流电源的电流为0~15A，磁场大小为10-4T~1T，并在反应过程中采用循环水冷却电磁铁部分。
9.根据权利要求6所述的一种铂基磁场调控燃料电池的制造方法，其特征在于，所述S1-2中旋转底座为发条式旋转底座，所述发条式旋转底座至少能够连续旋转30min。
10.根据权利要求6所述的一种铂基磁场调控燃料电池的制造方法，其特征在于，所述S1-3中商业碳为BP2000，EC-300J，XC-72其中的一种。
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