CN100376053C - 可重装的微型自吸氧式直接甲醇燃料电池及其封装方法 - Google Patents

Abstract

可重装的微型自吸氧式直接甲醇燃料电池及其封装方法，属于微能源技术领域。为了解决主动式结构复杂度高，效率低，以及完全被动式结构甲醇传输效率低，存在较严重的甲醇扩散等问题，本发明公开了一种可重装的微型自吸氧式直接甲醇燃料电池，其结构从阴极向阳极依次为：夹具载具、自吸氧阴极极板、膜电极、阳极极板和夹具上盖，夹具上盖上还设有燃料的进入管和导出管，在电池的部分组件之间使用了作为密封缓冲材料的聚二甲基硅氧烷。为了解决现有封装技术中的不可重装，均匀性差且容易造成极板破裂，以及长期稳定性差等问题，本发明还公开了一种可重装的燃料电池封装方法，其具有封装速度快，密封效果好，有效时间长等优点。

Description

可重装的微型自吸氧式直接甲醇燃料电池及其封装方法

技术领域

本发明涉及一种可重装的微型自吸氧式直接甲醇燃料电池及其封装方法，属于微能源技术领域。

背景技术

微型直接甲醇燃料电池能将甲醇与氧气反应的化学能直接转化成电能。同其他微型能源相比，其具有能量密度大，室温工作，环保，无可移动组件，燃料便于存储等优点。微型直接甲醇燃料电池在便携式电子设备(如笔记本电脑，PDA，数码相机)，无线通讯网络(如手机，GPS，传感器网络节点)，微型系统(如片上系统，SOC，MEMS器件组成的微系统)等方面具有突出优势。利用成熟的MEMS技术制作的微型硅基燃料电池具有精度高，重复性好，可以等比例缩放，批量生产成本低等的优点，并有望同其他MEMS器件和IC电路集成，促进自供给、低成本、高性能的微型系统的实现。目前，根据反应物供给方式的不同，微型直接甲醇燃料电池可分为两大类：一类是需要阴阳极均需要外部泵供给的主动式燃料电池，由于其阴阳电极均需要外部微泵提供反应物，因此将大大提高系统实现的复杂度，同时微泵还将占用电池产生的部分能源用于驱动，降低电池系统的效率；另一类是省去所有阴阳极的供给装置的完全被动式燃料电池，其特征是阳极燃料的供应依靠在阳极极板外侧的燃料存储池(methanol reservoir)内存储高浓度甲醇供给，阴极则直接通过自吸氧的极板从周围空气中获得氧气，此种结构问题在于阳极甲醇存储池内甲醇溶液保持静止，只能依靠反应产生的浓度差以扩散方式向膜电极供给甲醇，传输效率低，同时高浓度的甲醇会造成甲醇渗透问题(methanol crossover)，造成电池性能的下降，此外其在反应生成二氧化碳的排出和工作寿命等方面也受限。

封装工艺对于微型燃料电池稳定的、长时间的工作至关重要。综合来说，微型燃料电池的封装需要达到下面几个方面：有效性，封装好后的燃料电池不能发生阳极向阴极和外部的燃料泄漏；均匀性，反应生成电子的收集是通过膜电极和导电的沟道表面金属层接触而实现，不良的接触会造成内阻过大。而且由于沟道作用的发挥需要MEA同极板紧密接触来实现，MEA同极板如果不能均匀接触还会造成燃料直接跨过沟脊流到相邻沟道的情况，造成沟道图形失效；长期性，封装应该能够抵御甲醇环境的侵蚀。目前，国内外专门研究微型燃料电池封装的文章几乎没有，提到封装部分的文章目前了解到也仅有两种解决办法：一种是树脂粘合(K.G.Stanley，Q.M.J.Wu，T.Vanderhoek，S.Nikumb，Z.M.Walker，M.Parameswaran，″Fabrication of a Micromachined Direct Methanol Fuel Cell″，Tech.Digest,IEEE CCECE 2002，pp.450-454，May 12-15，2002.)，另一种是热压的方法(Y.H.Seo and Y.-H.Cho，″MEMS-Based DirectMethanol Fuel Cells and Their Stacks Using a Common Electrolyte Sandwiched by Reinforced MicrocolumnElectrodes″，Tech.Digest，17th IEEEInt.ConnfonMEMS(MEMS2004)，pp.65-68，Maastricht，The Netherlands，Jan.25-29，2004)。这两种方法的共同问题在于其封装都是一次性的，即封装好后无法拆卸重装，因此无法重复利用或者替换其中部分组件。此外，封装过程中它们都是将机械力直接作用在极板表面，对于硅基极板来说，容易造成硅片的破裂。

发明内容

为了解决主动式结构复杂度高，效率低，以及完全被动式结构甲醇传输效率低，存在较严重的甲醇扩散等问题，本发明提出并实现了混合式供给结构的微型直接甲醇燃料电池，其中阳极保留外部泵的主动供给方式，阴极采用自吸氧方式，具体方案如下：

可重装的微型自吸氧式直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述电池的结构从阴极向阳极依次为：夹具载具、自吸氧阴极极板、膜电极、阳极极板和夹具上盖，所述夹具上盖上还设有燃料的进入管和导出管，在所述电池的部分组件之间使用了作为密封缓冲材料的聚二甲基硅氧烷。

在本发明中，所述密封缓冲材料聚二甲基硅氧烷存在于所述夹具载具与自吸氧阴极极板之间和阳极极板与夹具上盖之间，起缓冲膜作用；还存在于膜电极与自吸氧阴极极板之间和膜电极与阳极极板之间，作为密封垫圈；还存在于燃料进入管和导出管周围，并固化在所述夹具上盖中，与位于上述夹具上盖和阳极极板之间的聚二甲基硅氧烷薄膜粘合，作为导管固定结构。

在本发明中，所述阳极采用由外部动力源驱动燃料的主动式供给方式，阴极采用自吸氧供给方式。

在本发明中，所述夹具载具中与自吸氧阴极极板上沟道部分对应的区域开有“田”字形方孔或“口”字形方孔，为外界空气进入电池提供通道。

在本发明中，所述电池利用聚二甲基硅氧烷的粘附后的可剥离性实现其可拆卸和重装。

在本发明中，外部导线与所述电池中露出夹具的极板部分直接连接或焊接。

为了解决上述现有微型燃料电池封装技术中的不可重装，均匀性差且容易造成极板破裂，以及长期稳定性差等问题，本发明还提出了一种可重装的微型自吸氧式直接甲醇燃料电池的封装方法，其特征在于：

1)在55°～65℃下塑料容器内，通过控制聚二甲基硅氧烷的质量，预制所需厚度的聚二甲基硅氧烷厚块和薄膜，并切割成封装中所需图形；

2)依次将阳极极板、聚二甲基硅氧烷薄膜、夹具上盖叠放在一起，然后利用上述聚二甲基硅氧烷厚块将阳极燃料进出管固定在所述夹具上盖中，其中燃料进出管周围以及所述聚二甲基硅氧烷厚块与聚二甲基硅氧烷薄膜之间，使用液态聚二甲基硅氧烷进行粘合，并在55°～65℃下进行固化。

3)依次将夹具载具、聚二甲基硅氧烷薄膜、自吸氧阴极极板、膜电极依次叠放在一起，其中所述膜电极两面的四周部分粘附有聚二甲基硅氧烷薄膜；

4)将步骤2)和步骤3)封装好的阴阳极部分进行对接，然后使用螺丝整体封装。实验证明，本发明所述燃料电池及其封装方法具有封装速度快，密封效果好，有效时间长等优点。

附图说明

图1是本发明所述的可重装的自吸氧式微型直接甲醇燃料电池结构图。

图2是本发明所述的可重装的微型硅基自吸氧式直接甲醇燃料电池的封装流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图来进一步说明本发明。

本发明所述自吸氧式(air-breathing)可重装的微型硅基直接甲醇燃料电池的一个典型实施例的结构如图1所示。电池内部呈三明治结构，包括自吸氧阴极极板1，阳极极板2，和位于两者之间的膜电极。膜电极由两块涂有催化剂的碳纸3a、3b和夹在中间的质子交换膜4组成。阴极自吸氧极板1紧靠膜电极阴极催化剂一侧，其具有网格结构，以利于外界空气透过其向膜电极反应场所流动，同时阴极反应生成的水汽也将通过阴极多孔结构蒸发进周围空气中，自吸氧极板1同膜电极接触的表面金属层具有传导并分布电流作用。阳极极板2紧靠膜电极阳极催化剂一侧，其内部微型沟道用于从外部向膜电极输送液态甲醇燃料，同时导走反应生成的二氧化碳气体和反应剩余的甲醇溶液，其同膜电极接触表面的金属淀积层具有收集并传导电流作用。本发明设计的微型直接甲醇燃料电池的阳极采用由外部动力源驱动燃料的主动式供给方式，阴极采用自吸氧供给方式。

电池封装中使用的聚二甲基硅氧烷作为密封缓冲材料。在膜电极同硅极板之间设有用作密封垫圈的聚二甲基硅氧烷薄膜5a、5b。在硅极板和夹具之间设有用作缓冲层的聚二甲基硅氧烷薄膜6a、6b。固定阳极燃料导管7a、7b的周围设有聚二甲基硅氧烷厚块8a、8b；其中聚二甲基硅氧烷厚块8a、8b固化在所述夹具上盖中，并通过液态聚二甲基硅氧烷同聚二甲基硅氧烷薄膜6a粘合为一体。

聚二甲基硅氧烷薄膜采用浇铸剥离方法制备成，并切割成电池封装所需的尺寸图形。由于固化后聚二甲基硅氧烷表面具有一定粘附性，所以不需外界粘合剂便可直接同相邻组件粘合，同时也有利于未来分离和重装；

电池外围封装夹具由夹具载具9和阳极上盖10两部分组成，采用四个位于角上的螺丝11固定。夹具材料可以为有机玻璃或者金属，制备方法可以采用常规精密机械制造工艺。所述夹具载具中与自吸氧阴极极板上沟道部分对应的区域开有“田”字形方孔或“口”字形方孔，为外界空气进入电池提供通道。所述“田”字方孔中的“十”字部分是为了提高夹具与自吸氧极板间的受力均匀性。

图2为本发明介绍的微型自吸氧式直接甲醇燃料电池的封装工艺流程。封装过程主要分为四步，其中第一步可以预先完成作为备用：

(a)聚二甲基硅氧烷薄膜和厚块的预制。采用在55°～65℃下塑料容器内固化聚二甲基硅氧烷制备一定体积的薄膜和厚块，然后切割成电池封装中需要的图形。其中聚二甲基硅氧烷厚度的改变通过控制放入容器中的聚二甲基硅氧烷的质量决定；

(b)阳极极板和上盖的封装。依次将阳极极板、聚二甲基硅氧烷薄膜、夹具上盖叠放在一起，然后利用上述聚二甲基硅氧烷厚块将阳极燃料进出管固定在所述夹具上盖中。其中极板同聚二甲基硅氧烷薄膜间和聚二甲基硅氧烷薄膜同夹具上盖间均采用直接粘附的方法，无需其它材料。在聚二甲基硅氧烷厚块与聚二甲基硅氧烷薄膜之间以及插入在聚二甲基硅氧烷厚块中的燃料进出导管周围，采用液态聚二甲基硅氧烷粘合并在55°～65℃固化的方法固定。本封装方法中仅此一步需要液态聚二甲基硅氧烷的粘合；

(c)阴极自吸氧极板同夹具载具的封装。将聚二甲基硅氧烷薄膜，自吸氧阴极极板，和膜电极依次放入夹具载具中，并调整位置。其中所述膜电极两面的四周部分粘附有聚二甲基硅氧薄膜；

(d)将步骤(b)和步骤(c)封装好的组件对接，并用螺丝固定，完成整个电池的封装，其中部分极板面积露出夹具用于连接外电路。

Claims (6)

1.可重装的微型自吸氧式直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述电池的结构从阴极向阳极依次为：夹具载具、自吸氧阴极极板、膜电极、阳极极板和夹具上盖，所述夹具上盖上还设有燃料的进入管和导出管，在所述电池的部分组件之间使用了作为密封缓冲材料的聚二甲基硅氧烷。

2.根据权利要求1所述的可重装的微型自吸氧式直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述密封缓冲材料聚二甲基硅氧烷存在于所述夹具载具与自吸氧阴极极板之间和阳极极板与夹具上盖之间，起缓冲膜作用；还存在于膜电极与自吸氧阴极极板之间和膜电极与阳极极板之间，作为密封垫圈；还存在于燃料进入管和导出管周围，并固化在所述夹具上盖中，与位于上述夹具上盖和阳极极板之间的聚二甲基硅氧烷薄膜粘合，作为导管固定结构。

3.根据权利要求1所述的可重装的微型自吸氧式直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述阳极采用由外部动力源驱动燃料的主动式供给方式，阴极采用自吸氧供给方式。

4.根据权利要求1所述的可重装的微型自吸氧式直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述夹具载具中与自吸氧阴极极板上沟道部分对应的区域开有“田”字形方孔或“口”字形方孔，为外界空气进入电池提供通道。

5.根据权利要求1所述的可重装的微型自吸氧式直接甲醇燃料电池，其特征在于：外部导线与所述电池中露出夹具的极板部分直接连接或焊接。

6.一种可重装的微型自吸氧式直接甲醇燃料电池的封装方法，其特征在于：

1)在55°～65℃下塑料容器内，通过控制聚二甲基硅氧烷的质量，预制所需厚度的聚二甲基硅氧烷厚块和薄膜，并切割成封装中所需图形；

2)依次将阳极极板、聚二甲基硅氧烷薄膜、夹具上盖叠放在一起，然后利用上述聚二甲基硅氧烷厚块将阳极燃料进出管固定在所述夹具上盖中，其中燃料进出管周围以及所述聚二甲基硅氧烷厚块与聚二甲基硅氧烷薄膜之间，使用液态聚二甲基硅氧烷进行粘合，并在55°～65℃下进行固化；

3)依次将夹具载具、聚二甲基硅氧烷薄膜、自吸氧阴极极板、膜电极依次叠放在一起，其中所述膜电极两面的四周部分粘附有聚二甲基硅氧烷薄膜；

4)将步骤2)和步骤3)封装好的阴阳极部分进行对接，然后使用螺丝整体封装。