CN101409356A - 一种自呼吸微型直接甲醇燃料电池组及其制备方法 - Google Patents

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刘晓为
张宇峰
张博
张鹏
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Abstract

本发明提供了一种自呼吸式微型直接甲醇燃料电池组及其制备方法，它包括串联的金属双极板组和一对金属单极板，金属单极板设置在金属双极板组的两侧，金属双极板组之间设置有膜电极(Membrane Electrolyte Assembly，MEA)及绝缘材料，金属单极板的外侧设置有封装用夹具，夹具通过固定螺帽和螺钉装配。本发明的优点在于：1.燃料电池内阻降低；2.便于自呼吸式电池组连接；3.工艺流程简单，制造成本低，确保一定的成品率，便于批量生产；4.占用空间小，节省体积；5.机械性能好，可加强电池的结构强度。

Description

一种自呼吸微型直接甲醇燃料电池组及其制备方法
(一)技术领域
本发明属于质子交换膜燃料电池领域，涉及的是自呼吸式微型直接甲醇燃料电池技术。
(二)背景技术
微型直接甲醇燃料电池μDMFC作为一种微型便携式能源，有其内在的优势。较高的比能量和能量转化效率是人们感兴趣的主要原因。同时固定的外部结构和可随时填充的液体燃料，也为用户提供了便利条件。微型直接甲醇燃料电池不但体积小、能量密度高而且可以在常温下使用，非常适合于笔记本电脑、手机、掌上电脑等功率越来越大的移动电子设备，是目前最有可能取代传统能源的新能源之一。然而加工用于便携式能源的微型燃料电池，并不是单一的降低电池的物理尺寸那么简单，目前微型直接甲醇燃料电池μDMFC的研究主要存在以下问题：(1)采用石墨、硅或聚合物材料制作的μDMFC极板强度过低，实用性不强；(2)采用硅或聚合物材料制作的μDMFC极板内阻较大；(3)采用金属材料无法制作μDMFC双面流场板(双极板)，不利于电池组连接，占用无效空间过大；(4)采用金属材料制作的μDMFC腐蚀现象比较严重。因此新的双极板就结构和加工方法必须被采用，这将不同于以往的传统结构。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池内阻低、便于自呼吸式电池组连接、工艺流程简单、制造成本低、占用空间小、机械性能好，可加强电池的结构强度的自呼吸式微型直接甲醇燃料电池组及其制备方法。
本发明的目的是这样实现的：自呼吸式微型直接甲醇燃料电池组包括串联的金属双极板组和一对金属单极板，金属单极板设置在金属双极板组的两侧，金属双极板组之间设置有膜电极(Membrane Electrolyte Assembly，MEA)及绝缘材料，金属单极板的外侧设置有封装用夹具，夹具通过固定螺帽和螺钉装配。
本发明自呼吸式微型直接甲醇燃料电池组还有这样一些技术特征：
1、所述的金属双极板组的金属双极板结构相同，采用阴极与阳极流道一体结构，金属双极板4上两侧分别含有与膜电极相对应的阳极流场和阴极流场；
2、所述的一对金属单极板包括金属阳极单极板和金属阴极单极板，金属阳极单极板对应金属双极板组的阴极流场一侧设置，金属阴极单极板对应金属双极板组的阳极流场一侧设置；
3、所述的金属阳极单极板上设置有阳极流场，和金属双极板组的阳极流场结构相同，其上设置有单蛇形、平行或点型结构沟槽，用于填充甲醇水溶液作为燃料；
4、所述的金属阴极单极板上设置有阴极流场，和金属双极板组的阴极流场结构相同，为平行结构通透气体沟槽，且侧面设置有进气口；
5、所述的夹具为微细精密加工技术加工高分子材料，包括有机玻璃或塑料；
6、所述的金属双极板和金属单极板均为金属材料，金属材料包括铜或铝。
本发明提供的是一种自呼吸式微型直接甲醇燃料电池(Micro Direct Methanol Fuel Cell，μDMFC)双极板的新金属材料和加工方法以及基于金属材料的自呼吸式微型直接甲醇燃料电池组的新结构。此种结构的微型直接甲醇燃料电池组使用甲醇水溶液作为燃料，氧气由大气直接供给，电池双极板为金属材料。电池双极板采用阴极与阳极流道一体结构，便于单体电池之间的连接。金属双极板上两侧分别含有与膜电极相对应的流场，阳极流场为单蛇形结构(或者平行、点型等其他结构流场)；阴极流场为平行结构，且侧面进气。利用夹具与螺丝将金属单双极板、膜电极与绝缘材料夹在一起，就可以作为发电单元使用。封装方法是利用夹具对电池组两侧进行夹紧。具有此种金属材料双极板的微型直接甲醇燃料电池组的结构和加工方法可有效缩小电池组体积、降低单体电池之间电连接内阻、利于批量加工和提高燃料电池性能。
本发明自呼吸式微型直接甲醇燃料电池组的制备方法为：利用双面化学刻蚀加工技术在金属材料上制作出金属双极板以及金属单极板，在金属双极板、金属单极板表面沉积金或氮化钛薄膜进行防腐蚀处理，而后将其与膜电极MEA及绝缘材料组装成μDMFC串联电池组，封装方法是利用夹具对电池组两侧进行夹紧。
本发明涉及的是自呼吸式微型直接甲醇燃料电池双极板的新金属材料和加工方法以及基于金属材料的自呼吸式微型直接甲醇燃料电池组的新结构。自呼吸式微型直接甲醇燃料电池双极板的新金属材料和加工方法以及基于金属材料的自呼吸式微型直接甲醇燃料电池组的新结构。采用金属(铜、铝等)作为微型直接甲醇燃料电池双极板材料，利用双面化学刻蚀技术制作出μDMFC双极板，这样做具有以下优点：(1)金属材料双极板具有导电能力强、机械性能好、易于封装等特点，而且可以保证电池结构的紧密，从而有效地降低电池内阻；(2)相对于其他工艺来说可以降低研发成本，确保一定的成品率，便于批量生产。
本发明利用微细精密加工技术加工高分子材料(如有机玻璃、塑料等)制成微型直接甲醇燃料电池组封装夹具。本发明的优点在于：1、燃料电池内阻降低；2、便于自呼吸式电池组连接；3、工艺流程简单，制造成本低，确保一定的成品率，便于批量生产；4、占用空间小，节省体积；5、机械性能好，可加强电池的结构强度。
(四)附图说明
图1为本发明电池组截面图；
图2为本发明装配完成后的立体图；
图3为金属双极板的结构示意图；
图4为金属双极板阳极流场结构示意图；
图5为金属双极板阴极流场结构示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明：
结合图1-图2，本实施例包括固定螺帽1和螺钉6、封装夹具2、金属单极板(金属阳极单极板3、金属阴极单极板7)、金属双极板4和膜电极MEA及绝缘材料5。图3为金属双极板4的示意图，其中图4为阳极流场结构，图5为阴极流场结构。
结合图3，本实施例利用双面化学刻蚀技术加工金属材料(如铜、铝等)制作出金属双极板4以及金属单极板3和7；双极板中间为膜电极MEA及绝缘材料5；2为封装所使用的夹具，利用微细精密加工技术加工高分子材料(如有机玻璃、塑料等)制成，数量为2个；利用螺帽1和螺钉6以及夹具2将装配好的电池组封装好，保证电池不会漏液及双极板连接的紧密性。装配好的电池如图2所示。
本实施例利用微细精密加工技术加工高分子材料(如有机玻璃、塑料等)，即可完成夹具的制作。

Claims (8)

1、一种自呼吸式微型直接甲醇燃料电池组，其特征在于它包括串联的金属双极板组和一对金属单极板，金属单极板设置在金属双极板组的两侧，金属双极板组之间设置有膜电极及绝缘材料，金属单极板的外侧设置有封装用夹具，夹具通过固定螺帽和螺钉装配。
2、根据权利要求1所述的一种自呼吸式微型直接甲醇燃料电池组，其特征在于所述的金属双极板组的金属双极板结构相同，采用阴极与阳极流道一体结构，金属双极板上两侧分别含有与膜电极相对应的阳极流场和阴极流场。
3、根据权利要求2所述的一种自呼吸式微型直接甲醇燃料电池组，其特征在于所述的一对金属单极板包括金属阳极单极板和金属阴极单极板，金属阳极单极板对应金属双极板组的阴极流场一侧设置，金属阴极单极板对应金属双极板组的阳极流场一侧设置。
4、根据权利要求3所述的一种自呼吸式微型直接甲醇燃料电池组，其特征在于所述的金属阳极单极板上设置有阳极流场，和金属双极板组的阳极流场结构相同，其上设置有单蛇形、平行或点型结构沟槽，用于填充甲醇水溶液作为燃料。
5、根据权利要求4所述的一种自呼吸式微型直接甲醇燃料电池组，其特征在于所述的金属阴极单极板上设置有阴极流场，和金属双极板组的阴极流场结构相同，为平行结构通透气体沟槽，且侧面设置有进气口。
6、根据权利要求5所述的一种自呼吸式微型直接甲醇燃料电池组，其特征在于所述的夹具为微细精密加工技术加工高分子材料，包括有机玻璃或塑料。
7、根据权利要求6所述的一种自呼吸式微型直接甲醇燃料电池组，其特征在于所述的金属双极板和金属单极板均为金属材料，金属材料包括铜或铝。
8、根据权利要求1所述的一种自呼吸式微型直接甲醇燃料电池组的制备方法，其特征在于：首先利用双面化学刻蚀加工技术在金属材料上制作出金属双极板以及金属单极板，在金属双极板、金属单极板表面沉积金或氮化钛薄膜进行防腐蚀处理，而后将其与膜电极MEA及绝缘材料组装成μDMFC串联电池组，封装方法是利用夹具对电池组两侧进行夹紧。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN101599549B (zh) * 2009-07-02 2011-01-12 哈尔滨工业大学水资源国家工程研究中心有限公司 基于金属极板的自呼吸直接甲醇燃料电池系统与制备方法
CN101599548B (zh) * 2009-07-02 2012-03-21 哈尔滨工业大学水资源国家工程研究中心有限公司 一种百叶窗结构的自呼吸微型燃料电池结构与制备方法
CN105098204A (zh) * 2014-05-19 2015-11-25 吉林师范大学 一种基于镁合金的微型甲醇燃料电池及其制备方法
CN114597437A (zh) * 2022-03-16 2022-06-07 浙江锋源氢能科技有限公司 一种金属双极板及直接甲醇燃料电池

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