CN102315470A

CN102315470A - 一种自呼吸式微型燃料电池

Info

Publication number: CN102315470A
Application number: CN201110220762A
Authority: CN
Inventors: 刘晓为; 段加林; 张雪林; 张宇峰; 安子健
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2011-08-03
Filing date: 2011-08-03
Publication date: 2012-01-11

Abstract

本发明提供一种自呼吸式微型燃料电池，可有效解决现有技术中自呼吸燃料电池存在的电池性能低、气体分布不均匀及易造成阴极大量水存在的问题。它包括阴极极板及置于阴极极板内侧的绝缘层、置于阴极极板外侧的夹具，所述阴极极板上面设置若干个用于“呼吸”的通孔，阴极极板一侧表面设置若干条相互交叉的凹槽，所述凹槽连接在不同的通孔之间；安装时，带凹槽的阴极极板表面朝向绝缘层一侧。本发明具有提高了电池的性能、降低了电池的内阻的优点，同时，本发明还具有制作过程简单、成本低廉、占用空间小，节省体积的优点，利于推广应用。

Description

一种自呼吸式微型燃料电池

技术领域：

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，具体涉及一种自呼吸式微型燃料电池。

背景技术：

燃料电池技术是解决燃料污染环境的最有效的技术之一，它已被誉为是继火力、核电之后的第四代发电技术。相对内燃机而言，燃料电池是将化学能直接转化为电能，它的发电过程不受卡诺热机循环的限制，只要提供燃料即可发电，能量转化效率高，同时，燃料电池还是一种洁净的、环境友好的发电方式，过程中不产生SO₂、NO_X和悬浮物等有害物。相对蓄电池而言，燃料电池的能量密度和功率密度高，且无需等待充电。正是由于这些突出的优越性，燃料电池技术的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、洁净的、高效的发电技术。微型直接甲醇燃料电池由于甲醇燃料来源丰富，价格便宜，而且具有高理论比能量密度，便于携带，整个电池结构简单、方便灵活，因此具有广阔的应用前景。燃料电池的研究与开发，不仅有利于能源工业和电池工业的发展，而且必将推动电子工业、材料工业、医疗通讯等领域的技术进步，对提高资源利用率和解决环境污染问题等国家战略需求具有重要意义。然而加工用于便携式能源的微型燃料电池，并不是简单的降低电池的物理尺寸，目前质子交换膜燃料电池的研究主要存在以下问题：(1)自呼吸燃料电池阴极反应气体为空气，极板开孔率低，故参与反应的氧气含量有限，限制了氧、质子与电子的结合，降低了电池的性能。(2)传统的自呼吸燃料电池阴极结构会导致气体分布不均匀。(3)阳极反应产生的质子电拖曳大量的水透过质子交换膜。阴极由于反应生成水再加上通过电拖曳到达阴极的水造成阴极大量水存在，可能造成阴极自呼吸孔被水堵塞导致氧气无法进入阴极参与反应。

发明内容：

本发明的目的是提供一种自呼吸微型燃料电池，可有效解决现有技术中自呼吸燃料电池存在的电池性能低、气体分布不均匀及易造成阴极大量水存在的问题。

所述目的是通过如下方案实现的：

一种自呼吸式微型燃料电池，包括阴极极板及置于阴极极板内侧的绝缘层、置于阴极极板外侧的夹具，所述阴极极板上面设置若干个用于“呼吸”的通孔，阴极极板一侧表面设置若干条相互交叉的凹槽，所述凹槽连接在不同的通孔之间；安装时，带凹槽的阴极极板表面朝向绝缘层一侧。

任意两个通孔之间都连接有凹槽，或者，相邻通孔之间连接有凹槽。

本发明具有以下优点：(1)电池阴极相互交叉的微型沟道(即凹槽)与膜电极的接触面积增大，从而使氧气能够更充分的进行反应。(2)相对于传统电池，本发明使用的阴极结构在气体分布的均匀性上有了明显的改善。(3)在电池立式放置时，本发明更有利于生成水的扩散以及排出，防止了阴极自呼吸孔被堵塞。因此，本发明具有提高了电池的性能、降低了电池的内阻的优点，同时，本发明还具有制作过程简单、成本低廉、占用空间小，节省体积的优点，利于推广应用。

附图说明：

图1是本发明的分解结构示意图。

图2是实施例一所述阴极极板结构示意图。

图3是实施例一所述阴极极板背面的结构示意图。

图4是实施例二所述阴极极板结构示意图。

图5是实施例三所述阴极极板结构示意图。

图6是实施例四所述阴极极板结构示意图。

图7是图3所示阴极极板的局部放大示意图。

其中，1一夹具；2-阳极极板；3-绝缘垫；4-膜电极；5-阴极极板；6-自呼吸圆孔；7-微型沟道。

具体实施方式：

下面结合附图详细阐述本发明优选的实施方式。

实施例一：

参照图1，单电池结构是由双极极板、膜电极、绝缘层和夹具组成，双极板上两侧分别含制作出与膜电极相对应的导流场，其中阴极极板采用交叉式进气结构，利用夹具将双极极板，绝缘层和膜电极夹在一起，就可作为一个完整的单电池。

本发明相对于现有技术电池的创新点在于改进了阴极极板结构。本发明所述阴极极板背面(空气接触面)与传统直孔式结构相同(如图3所示)，阴极极板正面(膜电极接触面)则由具有一定数量的微型沟道(即凹槽)将自呼吸圆孔相连接(如图2、图7所示)。电池工作时，空气经由阴极极板背面自呼吸圆孔进入，通过微型沟道被分配到膜电极各处进行反应，反应生成的水与通过电拖曳到达阴极的水一起经由微型沟道汇聚到底部，从底部呼吸孔排出。与传统直孔式结构相比，这种改进的阴极结构开孔率保持不变，但是增加了氧化剂与扩散层之间的接触面积，从而使氧气能够更充分均匀地参与电化学反应，同时，交叉沟道结构更有利于阴极水的排出，解决了阴极自呼吸孔被水堵塞导致氧气无法进入阴极参与反应的问题。电池阳极板安装在导流有机玻璃上，利用微机械加工技术在此有机玻璃上制成导流沟道和有选择性开口的进液口；电池阴极安装在支撑有机玻璃上，安装电池阴极的有机玻璃的四周有螺丝孔、每对边的两个螺丝孔的中间一个螺丝孔作为每两节单池电连接的螺丝出口、整体四个部分通过四周的螺丝拧紧固定。

根据不同的阴极极板材料(如金属，硅，聚合物等)可选择不同的精细加工技术，这些精细加工技术都是公知的。在阴极极板上面设置的交叉沟道可以根据具体的使用需要而选择不同的数目、宽度、深度及倾斜形状，这种参数可根据实际需要进行调整，本发明中无需对其进行限定，每一排沟道的尺寸可以是均匀的，也可以是渐变的，只要能够实现本发明目的，都在本发明的保护范围之内。

实施例二：

本实施例与实施例一的区别在于，在任意两个通孔之间都连接有交叉沟道(凹槽)，如图4所示。

实施例三：

本实施例与前述实施例的区别在于，在相邻通孔之间连接有交叉沟道，如图5所示。

实施例四：

实际使用中，可以根据需要在通孔间设置不同形式的交叉沟道，如图6所示，只要通够实现进气及排水的目的即可。

上述实施方式只是对本专利的示例性说明而并不限定它的保护范围，本领域人员还可以对其进行局部改变，只要没有超出本专利的精神实质，都视为对本专利的等同替换，都在本专利的保护范围之内。

Claims

1.一种自呼吸式微型燃料电池，包括阴极极板及置于阴极极板内侧的绝缘层、置于阴极极板外侧的夹具，所述阴极极板上面设置若干个用于“呼吸”的通孔，其特征在于：

阴极极板一侧表面设置若干条相互交叉的凹槽，所述凹槽连接在不同的通孔之间；

安装时，带凹槽的阴极极板表面朝向绝缘层一侧。

2.根据权利要求1所述的自呼吸式微型燃料电池，其特征在于任意两个通孔之间都连接有凹槽。

3.根据权利要求1所述的自呼吸式微型燃料电池，其特征在于相邻通孔之间连接有凹槽。