CN101409357B - 基于金属双极板结构的被动式自呼吸直接甲醇燃料电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于金属双极板结构的被动式自呼吸直接甲醇燃料电池组。电池组由双极板、膜电极、集流板用紧固螺栓方法串联组成，双极板包括阳极侧与阴极侧，阳极侧中心设置有正方形凹槽，阴极侧为有助于电池获取足够反应气体的通透气体沟槽，阳极侧与集流板相连，集流板与膜电极的阳极相连，膜电极的阴极与双极板阴极侧相连。本发明安装简单，材料成本低，易加工，机械强度高，反应物甲醇与阳极接触面积大，反应完全，是一种十分便利的便携式电池组。

Description

基于金属双极板结构的被动式自呼吸直接甲醇燃料电池组
(一)技术领域
本发明涉及的领域是燃料电池，具体地说是一种被动式自呼吸直接甲醇燃料电池组结构设计与制作方法。
(二)背景技术
直接甲醇燃料电池(DMFC)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，它结构简单，响应时间短，操作也很方便。相对于主动式直接甲醇燃料电池，被动式自呼吸直接甲醇燃料电池接触面积大，反应完全，进液不需要外加动力源，只需要有甲醇储液腔，阴极反应所需要的氧气来源于空气，也就是阴极不需要通入纯氧，只需要在阴极极板上留有与空气相通的气体通道就可以了。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种安装简单，材料成本低，易加工，机械强度高，反应物甲醇与阳极接触面积大，反应完全，是一种十分便利的便携式基于金属双极板结构的被动式自呼吸直接甲醇燃料电池组。
本发明的目的是这样实现的：电池组由双极板、膜电极、集流板用紧固螺栓方法串联组成，双极板包括阳极侧与阴极侧，阳极侧中心设置有正方形凹槽，阴极侧为有助于电池获取足够反应气体的通透气体沟槽，阳极侧与集流板相连，集流板与膜电极的阳极相连，膜电极的阴极与双极板阴极侧相连。
本发明还有这样一些技术特征：
1、所述的集流板为多孔结构，集流板与膜电极的阳极之间夹有密封垫圈，膜电极的阴极与双极板阴极之间亦夹有密封垫圈，密封垫圈密封甲醇溶液；
2、所述的双极板阳极侧正方形凹槽的有效面积与膜电极的有效面积相同；
3、所述的双极板阳极侧上方设置有一个用于向凹槽内注入甲醇溶液的通孔；
4、所述的双极板阳极侧正方形凹槽与集流板形成燃料储存腔；
5、所述的膜电极是MEA膜；
6、所述的电池组依次串联连接，最外端两侧分别为与双极板阳极侧和双极板阴极侧结构相同的阳极单极板和阴极单极板，并用封装套件将整个电池组夹紧后用螺丝拧紧固定。
本发明提供的是基于金属双极板结构的被动式自呼吸直接甲醇燃料电池组。电池的极板采用双极板结构，双极板材料为金属，经双面化学腐蚀及表面改性后，获得所需双极板结构，并使极板达到强耐蚀性和高导电性。电池阳极侧加有集流板，集流板为多孔结构，双极板阳极侧中心有正方形凹槽，双极板阳极侧与集流板形成燃料储存腔，双极板阴极侧为通透气体沟槽。电池组由双极板、膜电极、集流板等单元用紧固螺栓方法串连而成。本发明的优点在于：此设计结构新颖，安装简单，材料成本低，易加工，机械强度高，反应物甲醇与阳极接触面积大，反应完全，是一种十分便利的便携式电源。
本发明包括双极板，双极板阳极侧为正方形凹槽，此凹槽作为储液腔，用于储存电池燃料，双极板阴极侧为通透气体沟槽，这种结构有助于电池获取足够的反应气体；集流板，用于导入反应物，支撑膜电极，收集电子；膜电极组件；胶垫；封装套件，具有较强机械强度，绝缘性好。燃料由阳极集流板供给到阳极，在阳极发生氧化反应，并向外电路放出电子，氧化剂通过阴极集流板供给到阴极，在阴极处从外电路获得电子，发生还原反应，电子通过外电路由阳极流向阴极，电池内部电荷载体的传导借助电解质来完成，这样，内外电路一起构成闭合回路，完成化学能向电能的直接转化。
本发明的特点有：
1、所述双极板的材料为金属，经双面化学腐蚀制成，并经过表面改性处理，使其具有高的导电率、耐腐蚀性。
2、所述集流板具有多孔结构，导电性好，耐腐蚀性好。
3、所述的膜电极是MEA膜。
4、所述集流板的多孔结构的有效面积与膜电极的有效面积相等。
5、所述的胶垫具有耐腐蚀性及耐高温性。
6、所述封装套件具有较强机械强度，绝缘性好。
本发明是一种可以采用非硅微机械加工(MEMS)工艺加工的并行进液方式的双极板层叠型被动式自呼吸直接甲醇燃料电池组。它包括电池双极板4，它是由金属材料双面化学腐蚀及表面改性后制成，达到所需双极板结构，并使其达到强耐蚀性和高导电性，双极板阳极侧有一个正方形凹槽，用于储存燃料，还有一个通孔，用于向凹槽内注入甲醇溶液，凹槽的有效面积与MEA7的有效面积相同，双极板阴极侧为通透气体沟槽，用于电池获取足够的反应气体，双极板阳极连有集流板5，集流板5中间为多孔结构，集流板亦为金属材料，经表面改性后达到强腐蚀性和高导电性，集流板与膜电极阳极之间夹有密封垫圈6，密封垫圈用以密封甲醇溶液，膜电极的阴极与双极板阴极之间亦夹有密封垫圈6，整个电池组依次串联连接，封装套件2由具有较强机械强度，绝缘性好的材料制成，如有机玻璃，聚四氟乙烯，用其将整个电池组夹紧后用螺丝1拧紧固定。
目前，通常制备燃料电池双极板的材料是石墨材料。尽管石墨的价格不高，但是由于双极板表面要求有复杂的流道，所以机械加工石墨双极板流道的费用非常高，并且由于石墨是一种多孔脆性材料，导致不易制备厚度小于3mm的薄板。为降低电池的生产成本，减少电池组的体积，我们选择金属作为双极板材料，通过双面化学腐蚀加工技术制作双极板，然后经过表面处理使其达到良好的导电导热性和耐腐蚀性，制作工艺简便，成本低廉，结构简单。并且，基于本电池组的被动式进液方式，可以大大减小电池组系统的体积，不需要外加电源及辅助设备，具有快速高效性，是一种有效的便携式电源。
本发明的优点在于：此设计结构新颖，安装简单，反应物甲醇与阳极接触面积大，反应完全，层叠式的组装设计，使得本发明电池组所占的平面面积小，当节数较多的电池串联时本发明结构仍然适用。由于金属材料具有较好的热传导性，可以使阴极侧产生的水快速蒸发，有利于阴极反应气体顺利传输。同时，金属双极板具有高的电导率，好的力学强度，价格不高，生产工艺多样，如可通过冲压或蚀刻来加工，并且可加工成薄板，减少电池体积。由于本串联电池组的被动式进液方式，可以大大减小电池组系统的体积，不需要外加电源及辅助设备，具有快速高效性，是一种有效的便携式电源。
(四)附图说明
图1是双极板结构示意图；
图2是图1的左视图；
图3是图1的右视图；
图4是本发明的结构示意图；
图5是本发明的电池组组装后效果图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作更详细的描述：
结合图1-5，本实施例电池组由双极板4、膜电极(MEA)7、集流板5用紧固螺栓方法串联组成，双极板4包括阳极侧与阴极侧，阳极侧中心设置有正方形凹槽10，阴极侧为有助于电池获取足够反应气体的通透气体沟槽11，阳极侧与集流板5相连，集流板5与膜电极7的阳极相连，膜电极7的阴极与双极板4阴极侧相连。双极板4是由金属材料双面化学腐蚀及表面改性后制成，达到所需双极板结构，并使其达到强耐蚀性和高导电性，双极板阳极侧有一个正方形凹槽10，用于储存燃料，还有一个通孔9，用于向凹槽10内注入甲醇溶液，凹槽10的有效面积与MEA7的有效面积相同，双极板阴极侧为通透气体沟槽11，用于电池获取足够的反应气体，双极板阳极连有集流板5，集流板5中间为多孔结构，集流板亦为金属材料，经表面改性后达到强腐蚀性和高导电性，集流板5与膜电极7阳极之间夹有密封垫圈6，密封垫圈用以密封甲醇溶液，膜电极7的阴极与双极板4阴极之间亦夹有密封垫圈6，整个电池组依次串联连接，最外端两侧分别为与双极板阳极侧和双极板阴极侧结构相同的阳极单极板3和阴极单极板8，封装套件2由具有较强机械强度，绝缘性好的材料制成，如有机玻璃，聚四氟乙烯，用其将整个电池组夹紧后用螺丝1拧紧固定。
结合图1，双极板一侧为阳极另一侧为阴极，双极板是由金属材料经非硅MEMS工艺(冲压或蚀刻)及表面改性(镀金或镀氮化钛)后制成，从而达到所需双极板结构，并使其达到强耐蚀性和高导电性。
结合图2，双极板阳极侧与集流板5相连，集流板5中间为多孔结构，集流板亦为金属材料，经表面改性后达到强腐蚀性和高导电性，集流板与电池膜电极7阳极之间夹有密封垫圈6，密封垫圈可以密封甲醇溶液，阳极极板凹槽的有效面积与MEA7的有效面积相同，膜电极的阴极与双极板阴极之间亦夹有密封垫圈6
结合图3，整个电池组依次串联连接，封装套件2由具有较强机械强度，绝缘性好的材料制成，如有机玻璃，聚四氟乙烯，用其将整个电池组夹紧后用螺丝1拧紧固定。

Claims (1)

1.一种基于金属双极板结构的被动式自呼吸直接甲醇燃料电池组，其特征在于电池组由双极板、膜电极、集流板用紧固螺栓方法串联组成，双极板包括阳极侧与阴极侧，阳极侧中心设置有正方形凹槽，阴极侧为有助于电池获取足够反应气体的通透气体沟槽，阳极侧与集流板相连，集流板与膜电极的阳极相连，膜电极的阴极与双极板阴极侧相连；所述的电池组依次串联连接，最外端两侧分别为与双极板阳极侧和双极板阴极侧结构相同的阳极单极板和阴极单极板，并用封装套件将整个电池组夹紧后用螺丝拧紧固定；所述的集流板为多孔结构，集流板与膜电极的阳极之间夹有密封垫圈，密封垫圈密封甲醇溶液，膜电极的阴极与双极板阴极之间亦夹有密封垫圈；所述的双极板的阳极侧正方形凹槽的有效面积与膜电极的有效面积相同；所述的双极板阳极侧上方设置有一个用于向凹槽内注入甲醇溶液的通孔；所述的双极板阳极侧正方形凹槽与集流板形成燃料储存腔；所述的膜电极是MEA膜。
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