CN101894960B - 一种自主热控流速的直接甲醇燃料电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种自主热控流速的直接甲醇燃料电池系统。此种自动控制的直接甲醇燃料电池系统包括直接甲醇燃料电池和热控流速阀。上述直接甲醇燃料电池包括阴阳极板及质子交换膜MEA，电池双极板为金属、硅等导热材料。温控阀的沟道结构与直接甲醇燃料电池阳极板集成一体，以便进行热传导。使用甲醇水溶液作为燃料。该装置能够直接在甲醇燃料电池运行过程中通过温度自动调节流速使电池具有更高，更稳定的功率输出，并且能大大提高燃料的利用率。

Description

一种自主热控流速的直接甲醇燃料电池及其制备方法
(一)技术领域
本发明涉及直接甲醇燃料电池系统领域，具体的说是利用温控阀控制并优化供液流速的新方法以及可温控流速的液体燃料电池系统的新结构。
(二)背景技术
燃料电池是一种新型的发电装置，直接将化学能转变成电能。其种类包括：碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换摸燃料电池。
其中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其输出性能高、工作温度低、启动速度快等特点，优于其他燃料电池。直接甲醇燃料电池(DMFC)由于是以液体甲醇为燃料，更适用于笔记本电脑、手机、掌上电脑等便携式电子设备及车载电源。
在DMFC中，其稳定工作条件包括：电池组流速、工作温度、以及工作电压电流。而其每种条件都是相互影响，相互制约的。流速可为电池提供充足的燃料以供反应，并且流速的加快还能够带走更多的热量从而影响电池的温度。而工作的温度升高又能大大地提高电池性能，产生更大的电流。而直接甲醇燃料电池本身还有一定内阻，大电流又会使电池放出大量热。因此，对于电池组整体工作条件的控制是十分复杂的。要使得微型直接甲醇燃料电池组稳定工作，就要兼顾上述三种条件。使得在工作时每种条件都达到稳定的输入和输出的平衡。以工作温度为例，要达到工作温度的稳定，就要使得电池达到热量产生和散发的平衡。而热量的产生取决于工作电流大小，而产生的热量会提高电池内的电化学反应从而增大电流。因此，协调好三者的关系显得十分重要，而其稳定的工作条件即为在一定的流速下、达到一个稳定的电流电压输出、而此时电池的工作温度也基本恒定。此时，其热量输入输出达到平衡。
(三)发明内容
本发明的目的是通过将温控微阀与直接甲醇燃料电池集成于一体，通过工作中电池本身的反应热调节供液流速。最终达到一个流速、温度、功率输出的平衡，提高电池的工作稳定性。
本发明的目的是这样实现的：一种可温控流速的直接甲醇燃料电池系统，它包括微阀封装板1、阳极极板4、膜电极6和阴极极板7。微阀封装板1连接阳极极板4的a面、阳极极板4的b面连接膜电极6、膜电极6连接阴极极板7；阳极板4的材料为导热材料，为金属、硅或石墨；利用双面化学刻蚀技术对阳极极板4的a、b两面进行加工，a面蚀刻出温控阀微沟道2，b面蚀刻出蛇形沟道8；其中，a面的温控阀微沟道2的一端为燃料进液口3，另一端为通孔9；b面的蛇形沟道8，一端为通孔9，另一端为燃料出液口5；温控阀微沟道2和阳极蛇形沟道8以通孔9连接。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述的膜电极6是MEA。
2.阳极极板4与微阀封装板1结合，形成温控流速阀单元；阳极极板4与阴极极板7将膜电极6与绝缘材料夹在一起形成直接甲醇燃料电池发电单元。
3.所述的阴极极板7上的沟道为平行自呼吸结构。
本发明的优点在于：结构新颖，安装简单，由于阳极采用导热较好的材料，工作状态时，温控阀微沟道的液体燃料温度升高，使液体燃料的动态粘滞系数降低，从而导致微沟道内的溶液流速增大，提供更多的燃料以及更大的功率密度，最终使流速、温度、功率输出的平衡。从而提高性能及工作稳定性。
(四)附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为阳极极板a面示意图；
图3为阳极极板b面示意图；
图4为阴极极板上的平行自呼吸结构示意图；
图5为装配图。
(五)具体实施方案
下面结合附图举例对本发明作更详细的描述：
结合图1、图2、图3，一种可温控流速的直接甲醇燃料电池系统，包括微阀封装板1、阳极极板4、膜电极6和阴极极板7。微阀封装板1连接阳极极板4的a面、阳极极板4的b面连接膜电极6、膜电极6连接阴极极板7；阳极板4的材料为导热材料，为金属、硅或石墨；利用双面化学刻蚀技术对阳极极板4的a、b两面进行加工，a面蚀刻出温控阀微沟道2，b面蚀刻出蛇形沟道8；其中，a面的温控阀微沟道2的一端为燃料进液口3，另一端为通孔9；b面的蛇形沟道8，一端为通孔9，另一端为燃料出液口5；温控阀微沟道2和阳极蛇形沟道8以通孔9连接。所述的膜电极6是MEA。阳极极板4与微阀封装板1结合，形成温控流速阀单元；阳极极板4与阴极极板7将膜电极6与绝缘材料夹在一起形成直接甲醇燃料电池发电单元。所述的阴极极板7上的沟道为平行自呼吸结构。
如图2、图3所示，利用化学蚀刻技术或微机械加工技术，加工由金属或硅等材料制作出阳极板的双面沟道，即a面的温控阀微沟道和b面的蛇形沟道；两极板中间为膜电极MEA及绝缘材料。阳极极板与膜电极MEA、金属或硅等材料制成的阴极极板及微阀封装板集成，构成温控阀与电池一体的直接甲醇燃料电池系统。装配如图4所示。
当直接甲醇燃料电池处在工作状态时，由于电化学反应放出一定热量，由于阳极板是导热较好的材料，热量将迅速传递温控阀微沟道处，使微沟道内的液体燃料，即甲醇水溶液的温度升高。随着温度升高，液体燃料的动态粘滞系数降低，从而导致温控阀微沟道内的溶液流速增大，提供更多的燃料以及更大的功率密度。最终，电池将通过一系列的变化达到一个流速、温度、功率输出的平衡。从而提高性能及工作稳定性。

Claims (4)

1.一种可温控流速的直接甲醇燃料电池系统，包括微阀封装板(1)、阳极极板(4)、膜电极(6)和阴极极板(7)，其特征在于：微阀封装板(1)连接阳极极板(4)的a面、阳极极板(4)的b面连接膜电极(6)、膜电极(6)连接阴极极板(7)；阳极板(4)的材料为导热材料；利用化学刻蚀技术对阳极极板(4)的a、b两面进行加工，a面蚀刻出温控阀微沟道(2)，b面蚀刻出蛇形沟道(8)；其中，a面的温控阀微沟道(2)的一端为燃料进液口(3)，另一端为通孔(9)；b面的蛇形沟道(8)一端为通孔(9)，另一端为燃料出液口(5)；温控阀微沟道(2)和蛇形沟道(8)以通孔(9)连接。
2.根据权利要求1所述的一种可温控流速的直接甲醇燃料电池系统，其特征在于：阳极极板(4)与微阀封装板(1)结合，形成温控流速阀单元；阳极极板(4)与阴极极板(7)将膜电极(6)与绝缘材料夹在一起形成直接甲醇燃料电池发电单元。
3.根据权利要求1中所述的一种可温控流速的直接甲醇燃料电池系统，其特征在于：所述的阴极极板(7)为平行自呼吸结构。
4.根据权利要求1中所述的一种可温控流速的直接甲醇燃料电池系统，其特征在于：所述的导热材料为金属、硅或石墨。
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