CN101079492A - 一种微小型燃料电池的封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微小型燃料电池的封装方法，其特征在于所述的工艺是：(1)将阳极流场板组件、膜电极、阴极流场板按顺序依次放置于螺旋测微仪的底座上的平面支撑体上；(2)顺时针旋转测微仪至上、下底座平面支撑体分别接触阴、阳极流场板，同时使数显器读数归零；(3)顺时针旋转螺旋测微仪，在旋转遇阻时螺纹产生咬合力，即至一定刻度后固定；(4)在电池切面边缘注入环氧树脂，用环氧树脂密封、粘连电池切面边缘；(5)待环氧固化后松开螺旋测微仪，完成电池封装。使用螺旋侧微代遇阻时螺纹间产生的咬合力为电池封装所需的短期压力，使用各种环氧树脂固化作为封装电池所需的长程压力。本发明提供的方法适用于以氢气、甲醇、甲酸等有机小分子及各种重整气为燃料的微小型燃料电池。

Description

一种微小型燃料电池的封装方法
技术领域
本发明涉及一种微小型燃料电池的封装方法，特别是涉及一种以氢气、甲醇、甲酸等有机小分子及各种重整气为燃料的微小型燃料电池封装方法，属于能源、微电子及相关领域。
背景技术
燃料电池(Fuel Cell，FC)是一种特殊的能量转换装置，它将存储在燃料(如氢气、甲醇、甲酸等有机小分子及各种重整气等)中的化学能直接转化为电能。由于中间没有经过从热能到机械能再到电能的所谓“卡诺循环”，其理论转换效率(50-90％)远高于传统热机。在石油、煤、天然气等一次性能源逐渐枯竭、世界能源消费却日渐增长的大背景下，以燃料电池为代表的可再生能源由于理论能量密度高、添加燃料即可再次使用(即无需充电)等优点已被世界各国大力发展，其中大型燃料电池，特别是质子交换膜型燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)在技术上已基本成熟，妨碍其商业化运作的主要因素是价格问题。而微小型燃料电池(Micro/Miniature FuelCell，mFC)由于对价格的承受能力高而被人们期望率先实现商品化。然而，微小型燃料电池并不仅仅是大型燃料电池在物理尺寸的“缩微”，由于微小尺度效应，制作大型燃料电池所使用的原材料、加工技术等不再适用，特别是封装方法。例如，大型质子交换膜燃料电池通常使用石墨为流场板材料(厚度1.5-3.0mm)，流道加工一般为机械雕刻，封装时采用螺丝紧固的手段。随着电池整体尺寸的下降，继续使用上述材料及制作方法一方面意味着电池非活性部件所占比重逐渐加大，发电等活性部件有效面积/体积的降低，导致电池的能量密度及功率密度的降低；另一方面当尺寸进一步降低时，用螺丝封装电池的方法在技术上已无法实现。虽然通过使用硅片、不锈钢板材及陶瓷板等代替石墨材料，实现流场板尺寸(特别是厚度)的微小化、通过微机电系统(Micro-Electro-Mechanical-System，MEMS)中干法、湿法腐蚀和铸模等技术实现流道加工方法的更新，但到目前为止尚未看到电池封装方法的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微小型燃料电池有效的封装方法。
本发明的技术方案是：使用螺旋测微仪为微小型燃料电池封装时提供特定的短程压力(螺旋测微仪在旋转遇阻时可使螺纹间产生一定的咬合力压力)，以保证阴极/阳极流场板与膜电极组件(Membrane Electrode Assembly，MEA)之间的电接触性能良好(该制作流程是关系到燃料电池发电性能好坏的关键一环)；利用环氧树脂等高分子密封、粘接材料实现电池封装所需的长程压力(螺旋测微仪封装压力撤销后)以及密封特性。以重量为0.65g、体积为0.35ml的硅基MEMS微型质子交换膜燃料电池封装为例，其具体操作如下：
(1)将阳极流场板组件、膜电极组件、阴极流场板按顺序依次放置于螺旋测微仪的底座上的平面支撑体上；
(2)顺时针旋转测微仪至上、下底座平面支撑体分别接触阴、阳极流场板，同时使数显器读数归零；
(3)顺时针旋转螺旋测微仪，在旋转遇阻时螺纹产生咬合力，即至一定刻度后固定；
(4)在电池切面边缘注入环氧树脂，用环氧树脂密封、粘连电池切面边缘；
(5)待环氧固化后松开螺旋测微仪，完成电池封装。
所述的高分子粘结、密封材料为各种环氧树脂或其它具有相同功能的高分子材料；
所述的微小型燃料电池的电极尺寸为0.5-20cm，体积为0.01ml-500ml；
本发明所述的微小型燃料电池为甲醇、甲酸及其混合体的液体有机小分子型、纯氢型或者重整气为燃料的微小型燃料电池。
本发明使用螺旋测微仪和环氧树脂等高分子密封、粘接材料作为微小型燃料电池封装方法的好处是：(1)利用旋转螺旋测微仪时螺纹间的咬合力提供电池封装时所需的短期压力，以确保膜电极组件与阴、阳流场板之间良好的电接触，且压力的大小可以通过螺旋测微上的刻度或数显器上的数字直观反映出，方法巧妙、实用；(2)利用环氧树脂等高分子粘接、密封材料不但实现了电池的有效密封，而且利用该材料固化后牢固的粘结力保证撤销螺旋测微仪后的膜电极组件与流场板之间长期的压力接触，从而实现电池的长期有效的长程压力。
附图说明
图1为用螺旋测微仪对微小型燃料电池进行封装的示意图。
图中1-螺旋测微仪；2-阳极流场板；3-膜电极组件；4-阴极流场板；5-平面支撑体；6-数显器
具体实施方式
实施例1
使用螺旋测微仪1对重量约为0.65g、体积约为0.35ml的硅基MEMS微型质子交换膜燃料电池进行封装：将阳极流场板2、膜电极组件3、阴极流场板4按顺序依次放置于螺旋测微仪底座上的平面支撑体5上，对准后顺时针旋转测微仪至上、下底座的平面支撑体5分别接触阴、阳极流场板，读数数显器6归零，再顺时针旋转螺旋测微仪至一定刻度后固定；用环氧树脂密封、粘连电池切面边缘，等环氧固化12小时以上后松开螺旋测微仪，电池封装至此完成。
将封装好的电池与微型燃料电池测试系统对接后进行性能测试。以室温、常压、干态纯氢气为燃料、阴极自呼吸式条件下测试电池的极化性能和稳定性能，结果表明，电池的峰值功率达到了120mW/cm2，电池寿命超过1000小时。
实施例2
其它条件同实施例1，仅改变膜电极种类及测微仪相对压缩量。以2M甲醇作为燃料测试电池极化性能。结果表明电池的峰值功率密度达到了12mW/cm2。
实施例3
其它条件同实施例1，仅改变膜电极种类及测微仪相对压缩量。以5M甲酸作为燃料测试电池极化性能。结果表明电池的峰值功率密度达到了25mW/cm2。
需要说明的是，本发明不限于上述实施例，对本发明的任何等同或替换都在本发明的权利保护范围内。

Claims (5)

1、一种微小型燃料电池的封装方法，其特征在于工艺步骤是：
(1)将阳极流场板组件、膜电极组件、阴极流场板按顺序依次放置于螺旋测微仪的底座上的平面支撑体上；
(2)顺时针旋转测微仪至上、下底座平面支撑体分别接触阴、阳极流场板，同时使数显器读数归零；
(3)顺时针旋转螺旋测微仪，在旋转遇阻时螺纹产生咬合力，即至一定刻度后固定；
(4)在电池切面边缘注入环氧树脂，用环氧树脂密封、粘连电池切面边缘；
(5)待环氧固化后松开螺旋测微仪，完成电池封装。
2、按权利要求1所述的微小型燃料电池的封装方法，其特征在于步骤(3)旋转遇阻时螺纹间产生的咬合力提供电池封装时的短期压力。
3、按权利要求1所述的微小型燃料电池的封装方法，其特征在于步骤(5)环氧固化后的粘力作为电池封装所需的长程压力。
4、按权利要求1所述的微小型燃料电池的封装方法，其特征在于所述的燃料电池的电极尺寸为0.5-20cm，体积为0.01ml-500ml。
5、按权利要求1所述的微小型燃料电池的封装方法，其特征在于所述的微小型燃料电池为甲醇、甲酸及其混合体的液体有机小分子型、纯氢型或者重整气为燃料的微小型燃料电池。
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