CN101599549B - 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 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种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。直接甲醇燃料电池系统包括：燃料电池主体，包括一组直接甲醇燃料电池单体，每个燃料电池单体包括一个具有电解质膜的膜电极组件以及位于膜电极两侧相应位置上的电池的阴极和阳极；燃料供应单元，用于为电池组提供均匀流速的燃料，满足电池组工作时所需要的燃料消耗；燃料分流装置，用于将燃料供应单元中的燃料以并行输出的方式平均的分配到每一组直接甲醇燃料电池中。本发明具有低污染、高效率、燃料补充方便且安全性高，结构简单、质量轻、体积小、比能量密度高、容易操作等优点。

Description

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

(一)技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，具体涉及一种基于金属极板的自呼吸式直接甲醇燃料电池系统结构和制作方法。

(二)背景技术

一个液体进料燃料电池系统的实施例是直接氧化燃料电池系统，更具体的说，是一种直接甲醇燃料电池系统，(DMFC系统)。在DMFC系统中，以含水溶液存在的甲醇被用作液体燃料，优选来自室外空气用作氧化剂。在直接甲醇燃料电池中有两种基本反应，以使燃料电池系统提供电能给耗能的设备，所述由甲醇和水组成的燃料混合物在阳极分离为CO2，质子和电子；质子，电子和氧气在阴极结合为水。为了这些反应持续的进行，燃料电池必须供应足够的燃料以确保电能的产生。此外，如果燃料电池被用在便携式电子设备中，燃料的输送系统要以连续的方式根据所需的进液速度来输送液体燃料，最好是没有方向性。

燃料电池具有突出的优点：1.高效性：燃料电池按电化学原理等温地直接将化学能转化为电能；2.环境友好：当燃料电池以富氢气体为燃料时，富氢气体是通过矿物燃料来制取的；3.结构简单：燃料电池具有组装式结构，不需要很多辅机和设施，电池的输出功率由单电池性能、电池面积和单电池数目决定，电池组内部呈现自然的积木化结构，可任意堆积成大功率电站；4.燃料来源广：燃料电池可以使用多种多样的初级燃料，如天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油，也可使用发电厂不宜使用的低质燃料，如褐煤、废木、废纸、甚至城市垃圾，但需经专门装置对他们重整制取；5.负载特性好：常规的热机在全负荷运行时效率最高，而负载减小时效率迅速减小；燃料电池的发电效率在负载较小时更高，既受负载变化的影响较小，这非常适合分散性发电装置；6.可靠性高：燃料电池的运行高度可靠，可作为各种应急电源和不间断电源使用；7.无噪声：燃料电池按电化学原理工作，运动部件很少。因此它工作时安静，噪声很低。由于燃料电池技术具有这些突出的优越性，其研究与开发备受各国政府与公司的青睐，被认为是21世纪首选的、清洁的、高效的发电装置。特别的，直接甲醇燃料电池具有低污染、高效率、燃料补充方便且安全性高，结构简单、质量轻、体积小、比能量密度高、容易操作等优势，所以它成为了微型武器系统、便携式军用电子设备、移动数码产品等的理想动力源。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种具有低污染、高效率、燃料补充方便且安全性高，结构简单、质量轻、体积小、比能量密度高、容易操作等优点的基于金属极板的自呼吸直接甲醇燃料电池系统。

本发明的目的是这样实现的：直接甲醇燃料电池系统，包括：燃料电池主体，包括一组直接甲醇燃料电池单体，每个燃料电池单体包括一个具有电解质膜的膜电极组件以及位于膜电极两侧相应位置上的电池的阴极和阳极；燃料供应单元，用于为电池组提供均匀流速的燃料，满足电池组工作时所需要的燃料消耗；燃料分流装置，用于将燃料供应单元中的燃料以并行输出的方式平均的分配到每一组直接甲醇燃料电池中。

本发明的另一目的在于提供上述基于金属极板的自呼吸直接甲醇燃料电池系统的制备方法。膜电极组件包括质子交换膜及质子交换膜两侧的阳极催化层和阴极催化层，以及相应的阴阳极扩散层。质子交换膜为Nafion系列全氟磺酸质子交换膜，阳极催化层是铂钌的混合物，阴极催化层是铂和炭黑的混合物。阳极和阴极扩散层为炭纸或炭布。电池阴阳极极板材料为金属，采用薄金属流场板，阳极流场结构可以是栅型流场，点型流场也可以是蛇型流场。阴极为通透的“百叶窗”结构，这可以使燃料电池阴极侧基本暴露于空气中，使电池获得反应所需的氧气，薄金属可以降低欧姆过电位，阴阳极极板都是通过高温冲压得到的，极板的平整度优异。高温冲压后的极板需要经过表面处理，通过表面处理，不但可以防止轻微腐蚀的产生，而且接触电阻在燃料电池运行过程中可以基本恒定。表面改性的方法包括电镀、化学镀、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)。阳极极板需要进液孔和出液孔，燃料从进液孔进入电池，通过流道并在电池中反应后从出液孔流出电池，所需的燃料进液孔和出液孔是通过激光打孔的方法制作的。直接甲醇燃料电池单体的封装是通过将夹具套于组装完毕的直接甲醇燃料电池单体阴阳极极板的四周完成的，此夹具的材料必须不具有导电性，耐高温，可以为高分子聚合物，如聚四氟乙烯，有机玻璃等，在其中间可以用雕刻技术雕刻出凹槽，也可以铣出凹槽，凹槽的宽度为阳极极板厚度加上阴极极板厚度加上阴阳极胶垫厚度加上膜电极厚度，凹槽的深度为2-3mm。燃料供应单元可以是电力产品，如：电子蠕动泵；也可以是燃料自释放装置。燃料的分流装置是将燃料通过一个腔体，分成任意个分支，并且从各个分支中流出燃料的速度是相同的。腔体材料可以是聚合物，如有机玻璃，在腔体上有一个进液孔和所需分流数量的出液孔，每个出液孔连有一段毛细管，每段毛细管的孔径和长度相等，以保证分液后从每个分流孔中流出的液体燃料速度相等。直接甲醇燃料电池的燃料为甲醇的水溶液，参考浓度范围为1至4mol/L。燃料电池主体是由若干个直接甲醇燃料电池单体串联而成，每节单电池的电联是在电路板上实现的，通过电路板将单体电池进行连接，大大减小了电池组的连接电阻损失，并且使电池组整齐美观。

本发明提供的是一种高性能为笔记本电脑供电的直接甲醇燃料电池组，涉及的是基于金属极板的自呼吸式直接甲醇燃料电池系统结构和制作方法，目标为便携式电子设备如笔记本电脑提供电能输出。

本发明还有这样一些技术特征：

1.所述的膜电极组件包括质子交换膜及质子交换膜两侧的阳极催化层和阴极催化层，以及相应的阴阳极扩散层。

2.所述的电池阴阳极极板材料为金属，采用薄金属流场板，可以降低欧姆过电位。

3.所述的直接甲醇燃料电池单体的封装是通过将夹具套于组装完毕的直接甲醇燃料电池单体的阴阳极极板四周来完成。

4.所述的燃料供应单元可以是电力产品，如：电子蠕动泵；也可以是燃料自释放装置。

5.所述的燃料分流装置是将燃料通过一个腔体，分成若干个分支，并且使各个分支中流出燃料的速度是相同的。

6.所述的质子交换膜为Nafion系列全氟磺酸质子交换膜.

7.所述的阳极催化层是铂钌的混合物，阴极催化层是铂和炭黑的混合物。阳极和阴极扩散层为碳纸或碳布。

8.所述的极板是通过高温冲压得到的，高温冲压后的极板还需要经过表面处理，通过表面处理，不但可以防止轻微腐蚀的产生，而且接触电阻在燃料电池运行过程中可以基本恒定。表面改性的方法主要有电镀、化学镀、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)。

9.所述的分支的核心部分是具有相同孔径和长度的毛细管，燃料由燃料腔通过各个分支分流，以平均速度供给每节直接甲醇燃料电池单体电池。

10.所述的阴阳极极板的作用是分离反应气体、收集电流、将各个单电池串联起来和通过流场为反应气进入电极及水的排出提供通道。

11.所述的燃料电池主体是由若干个直接甲醇燃料电池单体串联而成，每节单电池的电联是在电路板上实现的，通过电路板将单体电池进行连接，大大减小了电池组的连接电阻损失，并且使电池组整齐美观。

12.所述的每一组直接甲醇燃料电池，可以是一节也可以是多节单电池的串联。

13.所述的夹具的材料必须不具有导电性，耐高温，可以为高分子聚合物，如聚四氟乙烯，有机玻璃等。

14.所述的夹具含有一个凹槽，可以将电池极板四周卡住，起到封装的作用。

15.所述的腔体材料为易加工的材料，如有机玻璃。

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)制成直接甲醇燃料电池组封装夹具。采用金属(不锈钢、铝等)作为直接甲醇燃料电池极板材料，利用模具冲压技术制作出极板，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。

(四)附图说明

图1-2是直接甲醇燃料电池阳极极板结构图；

图3是直接甲醇燃料电池阴极极板结构图；

图4是封装直接甲醇燃料电池所用的夹具结构图；

图5是直接甲醇燃料电池组装图；

图6-7是组装完成后的直接甲醇燃料料电池图；

图8是串联电池组结构图；

图9是分液装置结构图；

图10是电路板结构图。

(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1-2，直接甲醇燃料电池的阳极极板的流场主要由沟脊和沟道两部分组成，它们分别起到支撑扩散层和导流的作用，流场的设计就是要使当外部供给电池燃料时，甲醇溶液在流场内能尽可能均匀的分布，有利于甲醇溶液经电极的扩散层向催化层的传质，并同时能促进生成物CO2的顺利排出，设计完流场结构后，通过高温冲压制作电池极板，以保证电池极板的平整度，如图1中当阳极极板与膜电极压紧后流场的沟脊4相应的形成流场通道，燃料的进液口1、出液口2分别是通过激光打孔的方法得到的。制作完极板后，需要在其表面进行表面处理，通过表面处理，可以防止轻微腐蚀的产生，增加耐磨性能，使接触电阻在燃料电池运行过程中可以基本恒定。表面改性的方法包括有电镀、化学镀、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)。图3为直接甲醇燃料电池阴极极板结构图，它是百叶窗结构，阴极极板21上设置有百叶窗22，这种结构可以使膜电极的阴极侧与空气的接触面积更大，通过自呼吸方式，使电池阴极侧从空气中获得反应所需的氧气。图4为封装燃料电池所用的夹具31，此夹具的材料必须不具有导电性，耐高温，可以为高分子聚合物，如聚四氟乙烯，有机玻璃等，在其中间可以用雕刻技术雕刻出凹槽，也可以用铣刀铣出凹槽32，凹槽32的宽度为阳极极板厚度，阴极极板厚度，阴阳极胶垫厚度与膜电极厚度之和，凹槽的深度为2-3mm。图5为直接甲醇燃料电池的组装结构图，在膜电极42的四周加有-圈胶垫43，胶垫43起到密封反应物的作用，然后将阳极极板41放在膜电极42的阳极一侧，将阴极极板21放在膜电极的阴极一侧，最后将夹具31分别套于极板四周，将极板边缘夹紧，这样便完成了直接甲醇燃料电池单体的制作，需要多少节电池串联就制作多少节单体电池。图6是通过外加夹具的新封装方法封装好的燃料电池。图8是串联电池组结构图，图中61为燃料甲醇溶液的进液口，62为燃料甲醇溶液的出液口，63为从电池的阴阳极极板引出的导线，将这些导线相应的接在电路板上完成电池组的串联连接，图6显示的是两节电池为一组的并行进液结构。图9为分流装置，首先选择的材料应该易于加工，如有机玻璃等，在所选材料71上制作出一个腔体72，然后在腔体的一侧上打一个进液孔73，并与进液管74密封连接，在腔体的一侧打有分流数量个出液孔75，并接有出液管76，每个出液管中都接有相同长度和相同孔径的毛细管77，最后用上盖78把腔体密封，这样从进液管74进入分流装置的甲醇溶液就可以通过分流装置以相同的速度从分流管中并行分配到每组串行进液的直接甲醇燃料电池中了。图10是简单串联连接的电路板。将封装好的各单体电池阴阳极端的引线分别焊在相应位置的电路板83上，将电池的进液管81和出液管82固定在电路板上整齐的孔中，整个电池组就组装完成了，84是测试单体电池的引线。

Claims (8)

1.一种基于金属极板的自呼吸直接甲醇燃料电池系统，其特征在于它包括：燃料电池主体，包括一组直接甲醇燃料电池单体，每个燃料电池单体包括一个具有电解质膜的膜电极组件以及位于膜电极两侧相应位置上的电池的阴极和阳极；燃料供应单元，用于为电池组提供均匀流速的燃料，满足电池组工作时所需的燃料消耗；燃料分流装置，用于将燃料供应单元中的燃料以并行输出的方式平均的分配到每一组直接甲醇燃料电池单体中，燃料分流装置是将燃料通过一个腔体，分成一组分支，并且使各个分支中流出燃料的速度是相同的，分支是具有相同孔径和长度的毛细管，燃料由燃料腔通过各个分支分流，以平均速度供给每节直接甲醇燃料电池单体电池。

2.根据权利要求1所述的基于金属极板的自呼吸直接甲醇燃料电池系统，其特征在于所述的膜电极组件包括质子交换膜及质子交换膜两侧的阳极催化层和阴极催化层，以及相应的阴阳极扩散层。

3.根据权利要求1所述的基于金属极板的自呼吸直接甲醇燃料电池系统，其特征在于所述的电池阴极和阳极极板材料为金属，采用可以降低欧姆过电位的薄金属流场板。

4.根据权利要求3所述的基于金属极板的自呼吸直接甲醇燃料电池系统，其特征在于直接甲醇燃料电池单体的封装是通过将夹具套于组装完毕的直接甲醇燃料电池单体的阴阳极极板四周来完成。

5.根据权利要求2所述的基于金属极板的自呼吸直接甲醇燃料电池系统，其特征在于所述的质子交换膜为Nafion系列全氟磺酸质子交换膜，阳极催化层是铂钌的混合物，阴极催化层是铂和炭黑的混合物，阳极和阴极扩散层为碳纸或碳布。

6.根据权利要求3所述的基于金属极板的自呼吸直接甲醇燃料电池系统，其特征在于所述的极板是通过高温冲压得到的，高温冲压后的极板还需要经过表面改性处理，表向改性处理的方法包括电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积。

7.根据权利要求1所述的基于金属极板的自呼吸直接甲醇燃料电池系统，其特征在于所述的燃料电池主体是由一组直接甲醇燃料电池单体串联而成，每节单电池的电联是在电路板上实现的，通过电路板将单体电池进行连接。

8.根据权利要求4所述的基于金属极板的自呼吸直接甲醇燃料电池系统，其特征在于所述的夹具含有一个可以将电池极板四周卡住，起封装作用的凹槽。

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