CN101330148B - 直接醇类燃料电池用异形膜电极 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直接醇类燃料电池用异形膜电极，电极横截面呈凹形体形式，凹形体的凹槽为电池的电池液室，凹形体依次由阳极、Nafion膜、阴极复合组成，阳极位于凹槽内表面，凹形体两端分别为阳极延伸而成的阳极输出接头、阴极延伸而成的阴极输出接头。本发明结构合理，制造方便。

Description

直接醇类燃料电池用异形膜电极
技术领域：
本发明涉及一种醇类燃料电池用膜电极。
背景技术：
直接醇类燃料电池目前研究较多的是直接甲醇燃料电池(DirectMethanol Fuel Cell，DMFC)，也有极少数学者初步探索了直接乙醇燃料电池(Direct Ethanol Fuel Cell，DEFC)。
DMFC直接使用液体甲醇作燃料，除配备极其简单的甲醇存储器外，无需增设其它装置，甲醇燃料易于携带和更换，使用十分方便，国内外许多高校、研究院所以及各大公司均对DMFC研究开发花费了巨大的人力与物力，已取得了可喜的成绩，但甲醇有相当高的毒性，刺激人视神经，过量导致失明。对此，要想实现低温燃料电池在诸如手机、笔记本电脑以及电动车等可移动电源领域的应用，很有必要探索以其它的液体燃料来代替高毒性甲醇。从20世纪50年代以来，研究发现，低碳烷醇，特别是C1-C5的伯醇可在Pt/C及PtRu/C电极上直接氧化。其中人们最感兴趣的是乙醇，从结构上看，它是链醇中最简单的有机小分子，同时，它能够通过农作物发酵大量生产，也可以从生物质中制得，来源广泛，是可再生能源，因此对直接乙醇固体电解质燃料电池的研究不仅有理论上的意义，而且一旦研制成功，实际应用潜力十分广阔。DEFC直接使用液体乙醇作燃料，除配备极其简单的乙醇存储器外，无需增设其它装置，乙醇燃料易于携带和更换，使用十分方便，因此，近10年来，对DEFC技术的开发和应用发展迅速，除国内外著名的高校和研究院所院外，各大公司如Ball、NEC、Motorola和GM等，均对DEFC研究开发花费了巨大的人力与物力。
随着电子工业的迅速发展，无线通讯设备和各类便携式电动装置等电子产品不断涌现并迅猛增长，对电池的需求量也在不断增加，同时对电池性能提出了更高要求。而目前普遍采用的干电池，镍镉、镍氢、锂离子电池以及铅蓄电池由于其制造技术基本成熟、性能发展空间越来越小，已经难以满足电子产品迅速发展的要求。因此，电子产品市场亟需一种容量更高、环境友好的新型电池来替代目前广泛使用的电池。DMFC具有能耗低、能量密度高、系统简单，燃料来源丰富、价格低廉、储存携带方便、燃料更换方便等优点，而且还能够长时间连续供电，因此成为目前广泛使用的电池的最有希望的替代电源，随着DEFC研究的深入，有可能成为新一代的替代电源。
近10年来，对DMFC技术的开发和应用发展迅速，国内外许多高校、研究院所以及各大公司均对DMFC研究开发花费了巨大的人力与物力。研究较多的是延续质子交换膜燃料电池(PEMFC)的平板型结构，有极少数人研究了圆形DMFC，国外有研究报道，但均为单电池，并采用了价格昂贵的阴极和阳极材料，并且高低温性能都较低，如在200ml/min空气流量和60℃条件下，功率密度仅为17mW/cm2。国内尚未见到关于异型DEFC的研究内容。
文献表明，山东理工大学制备了一种新型的管状空气自呼吸式直接甲醇燃料电池，采用弯曲热压法制备出管状膜电极。这种电池缺点很多，最主要的是电池的功率密度仅为10mW/cm2，也未有做成电池组的报道，同时也仅仅局限于做成微型电池。
但管状结构存在管状膜电极制作困难等缺点。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种结构合理，制造方便的直接醇类燃料电池用异形膜电极。
本发明的技术解决方案是：
一种直接醇类燃料电池用异形膜电极，其特征是：电极呈凹形体形式，凹形体的凹槽为电池的电池液室，凹形体依次由阳极、Nafion膜、阴极复合组成，阳极位于凹槽内表面，凹形体两端分别为阳极延伸而成的阳极输出接头、阴极延伸而成的阴极输出接头。
凹形体横截面为V形、梯形或半圆形。多个凹形体电极串联连接，在相邻凹形体接头部位填充绝缘材料，但前一个凹形体的阴极与后一个凹形体的阳极连接成一体。
本发明结构合理，(1)空气可以自吸式，燃料可以直接储存在膜电极内部；(2)膜电极可以采用涂覆和热压法制备，阻抗小；(3)热压磨具和热压工艺简单，制造难度低；(4)不用带流场双极板，制造成本低；(5)功率密度高；(6)散热面积大，散热速度快，温度调节方便；(9)组装电池组时拆卸方便，有利于维修和更换组件；(10)可以用甲醇作为燃料，也可以用乙醇作为燃料；(10)应用广泛，可以应用于笔记本电脑、电动自行车、电动玩具等。
工作性能：(1)使用甲醇作为燃料时，60℃条件下，功率密度为40-70mW/cm2，(2)使用乙醇作为燃料时，60℃条件下，功率密度为15-30mW/cm2。
附图说明：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是V形膜电极的结构示图。
图2是一种串联式结构示图。
图3是另一种串联式结构示图。
图4是梯形膜电极的结构示图。
图5半圆形膜电极的结构示图。
具体实施方式：
一种直接醇类燃料电池用异形膜电极，电极呈凹形体形式，凹形体横截面为V形，凹形体的凹槽1为电池的电池液室，凹形体依次由阳极2、Nafion膜3、阴极4复合组成，阳极位于凹槽内表面，凹形体两端分别为阳极延伸而成的阳极输出接头5、阴极延伸而成的阴极输出接头6。多个凹形体电极串联连接，在相邻凹形体接头部位填充绝缘材料7(聚四氟乙烯)，但前一个凹形体的阴极与后一个凹形体的阳极连接成一体。
V型膜电极组装电池(或电池组)技术要求：
电池组的两端断面可以采用聚四氟乙烯材料密封，单体V型膜电极设计时在上表面阳极输出接头和阴极输出接头部分各留出了一块平面，为了最终电池液室的密封做好了充分的准备。密封完毕后加上产品需要的外壳即组装成了电池(或电池组)
V型膜电极的制作方法：
V型膜电极采用涂覆和热压法制备，具体实现路径有两条：
路径一：(1)先通过对应凸模和凹模将预处理过的钛网(或碳布、碳纸)模压成V型膜电极需要的电极结构，(2)然后再分别涂覆扩散层和催化剂层，(3)最后将处理完毕的阳极、Nafion膜和阴极依次叠加热压(热压温度130～160℃，热压压力为4～8MPa)
路径二：(1)直接在预处理过的钛网(或碳布、碳纸)上涂覆扩散层和催化剂层，(2)将处理完毕的阳极、Nafion膜和阴极依次叠加，(3)通过对应凸模和凹模热压(热压温度130～160℃，热压压力为4～8MPa)制备V型膜电极。
凹形体横截面还可以为梯形(图4)或半圆形(图5)。

Claims (3)

1.一种直接醇类燃料电池用异形膜电极，其特征是：电极呈凹形体形式，凹形体的凹槽为电池的电池液室，凹形体依次由阳极、Nafion膜、阴极复合组成，阳极位于凹槽内表面，凹形体两端分别为阳极延伸而成的阳极输出接头、阴极延伸而成的阴极输出接头。
2.根据权利要求1所述的直接醇类燃料电池用异形膜电极，其特征是：凹形体横截面为V形、梯形或半圆形。
3.根据权利要求1或2所述的直接醇类燃料电池用异形膜电极，其特征是：多个凹形体电极串联连接，在相邻凹形体接头部位填充绝缘材料，但前一个凹形体的阴极与后一个凹形体的阳极连接成一体。
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