CN103928698B - 基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组 - Google Patents

基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组 Download PDF

Info

Publication number
CN103928698B
CN103928698B CN201410170076.9A CN201410170076A CN103928698B CN 103928698 B CN103928698 B CN 103928698B CN 201410170076 A CN201410170076 A CN 201410170076A CN 103928698 B CN103928698 B CN 103928698B
Authority
CN
China
Prior art keywords
polymer
end plates
metal collector
bipolar end
anode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201410170076.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103928698A (zh
Inventor
张宇峰
张雪林
刘晓为
郭超
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Institute of Technology
Original Assignee
Harbin Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Institute of Technology filed Critical Harbin Institute of Technology
Priority to CN201410170076.9A priority Critical patent/CN103928698B/zh
Publication of CN103928698A publication Critical patent/CN103928698A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103928698B publication Critical patent/CN103928698B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/249—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0221—Organic resins; Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0276—Sealing means characterised by their form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • H01M8/1011—Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2484—Details of groupings of fuel cells characterised by external manifolds
    • H01M8/2485—Arrangements for sealing external manifolds; Arrangements for mounting external manifolds around a stack
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

一种基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组，包括聚合物单极端板、聚合物双极端板、金属集电极和膜电极，金属集电极为由两个平行相对设置的集电极连接而成的一体结构；聚合物双极端板采用阴极与阳极进料通道一体结构，其阳极侧中心设置有储液腔，上方设置注入甲醇溶液的注液孔，注液孔与储液腔相连通；阴极侧设置有气体进料沟槽；聚合物双极端板的表面设置有金属集电极固定槽，金属集电极置于金属集电极固定槽中，电池组依靠金属集电极之间的连接形成串联电池组；串联电池组最外端两侧分别为对应聚合物双极端板阴阳极结构的聚合物单极端板。本发明解决了被动式直接甲醇燃料电池组无法多节集成以及聚合物镀膜双极板功率较低的问题。

Description

基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组
技术领域
本发明涉及一种直接甲醇燃料电池，具体涉及一种层叠式被动直接甲醇燃料电池组。
背景技术
直接甲醇燃料电池（DMFC）作为一种微型便携式能源，较高的比能量和能量转化效率是其吸引人们的主要优势。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，被动式直接甲醇燃料电池不需要如泵、风扇等有源的辅助设备供给燃料，直接利用扩散和自然对流等原理对电池进行燃料供给，不但大大降低了电池系统的复杂性，有利于集成应用，而且减少了寄生能量损失，提高了电池系统的能量密度。目前的被动式直接甲醇燃料电池组多为平面型结构，由6节或少于6节单池集成，该结构对于多节（大于10）的集成会受到使用空间的限制，集成度较低。并且传统的聚合物镀膜双极板导电性差，难以满足高功率输出的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于聚合物双极端板的层叠型被动式直接甲醇燃料电池组，解决被动式直接甲醇燃料电池组无法多节集成以及聚合物镀膜双极板功率较低的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于聚合物双极端板的层叠型被动式直接甲醇燃料电池组，包括2个聚合物单极端板、1个或1个以上聚合物双极端板、金属集电极、胶垫和膜电极。所述的金属集电极用于电子的收集，由两个平行相对设置的集电极连接而成，金属集电极采用一体结构，使得每节单池间串联连接，减少连接电阻。所述的聚合物双极端板采用阴极与阳极进料通道一体结构，其阳极侧中心设置有正方形凹槽（即储液腔），用于储存甲醇水溶液，上方设置注入甲醇溶液的通孔（即注液孔），注液孔与储液腔相连通，甲醇燃料通过注液孔进入储液腔中；阴极侧设置有气体进料沟槽（即气体沟道），用于获取反应气体，气体通过自由扩散作用进入气体沟道，为阴极供给氧气；聚合物双极端板的表面设置有金属集电极固定槽，金属集电极置于金属集电极固定槽中，当聚合物双极端板为1个以上时，将膜电极置于相邻两组金属集电极的阴阳极之间，这样电池组依靠金属集电极之间的连接形成串联。金属集电极与膜电极之间、膜电极与聚合物单极端板之间夹有密封垫圈，用以防止甲醇溶液泄漏。串联电池组最外端两侧分别为对应聚合物双极端板阴阳极结构的单极端板，两者之间设置有膜电极，整个电池组使用螺丝拧紧固定。
本发明中，所述的聚合物基双极端板结构相同，集成阳极储液腔与阴极气体沟道于一体，并集成有集电极固定槽。
本发明中，所述的聚合物基单极端板包括阳极单极端板和阴极单极端板，阳极单极端板对应聚合物双极端板的阳极侧储液腔结构，阴极单极端板对应聚合物双极端板的阴极侧进气沟道结构。
本发明中，所述的聚合物双极端板和单极端板均为聚合物材料，由聚合物材料采用机械加工方法加工制成或直接注塑成型，包括有机玻璃、ABS或工程塑料等。
本发明中，所述的金属集电极为不锈钢材料，不锈钢上打有多个进料孔以传递反应物，孔的形状为圆形、方形或条形。
本发明中，所述的金属集电极表面进行溅射或化学镀处理形成Au、Pt或TiN涂层，以防止电化学腐蚀，提高导电性及耐腐蚀性。
本发明中，所述的膜电极是MEA膜。
本发明中，所述的金属集电极的多孔结构的有效面积与膜电极的有效面积相等。
本发明中，所述的聚合物双极端板阳极侧的正方形凹槽的有效面积与膜电极的有效面积相同。
本发明具有以下优点：
1、该电池组具有结构新颖、重量轻、安装简单、材料成本低、易加工、机械强度较高等优点，适用于便携式电源应用。
2、层叠式的组装设计，使得本电池组所占的体积较小，当节数较多的电池串联时本结构仍然适用。
3、集电极的采用解决了传统聚合物双极板镀金属膜导电性不好、输出性能低的问题。
4、集电极的一体化也使得电池组整体的内阻较低，有效的减少功率损失。
5、该电池组采用全被动式进液方式，可以大大减小电池组系统的体积，不需要外接电源及辅助设备，具有快速启动和较高功率输出效性，是一种有效的便携式电源。
附图说明
图1是聚合物双极板阳极侧结构示意图；
图2是聚合物双极板剖视图；
图3是聚合物双极板阴极侧结构示意图；
图4是集电极结构示意图；
图5是本发明结构示意图；
图6是本发明电池组组装后效果图。
其中，1-聚合物双极端板；2-金属集电极；3-密封垫圈；4-膜电极；5-聚合物单极端板；6-储液腔，7-注液孔，8-气体进料沟槽，9-通孔；10-集电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
如图1-图3所示，聚合物双极端板1的一侧为阳极，另一侧为阴极，聚合物双极端板1是由聚合物材料经机械加工方法或直接注塑成型制成，从而达到所需双极板结构。聚合物双极端板1阳极侧有一个正方形凹槽，即为储液腔6，用于储存燃料。同时，在阳极侧上方还有一个通孔，即为注液孔7，用于向储液腔内注入甲醇溶液。聚合物双极端板1阴极侧为气体进料沟槽8，用于电池获取足够的反应气体。
如图4和图5所示，聚合物双极端板1的阳极侧和阴极侧均与金属集电极2相连，聚合物双极端板1两侧的金属集电极2采用一体结构，由两个平行相对设置的集电极连接而成，金属集电极2上采用激光切割或化学腐蚀加工有多个进料通孔9，通过在表面溅射Au或TiN涂层以提高导电性及耐腐蚀性。金属集电极2与膜电极4之间夹有密封垫圈3，用以防止甲醇溶液的泄露，聚合物双极端板1阳极侧的储液腔6的有效面积与膜电极4的有效面积相同。
如图5所示，将金属集电极2与聚合物双极端板1结合，金属集电极2中的两个平行相对设置的集电极10，其中的一个集电极10作为前一节电池的阴极，另一个集电极10作为后一节电池的阳极，该结构可实现前后两节单池之间的串联。以上述形式将多个金属集电极2分别与聚合物双极端板1结合，各组成部分依次层叠放置、串联连接，电池组外侧分别为对应的阴阳极单端极板5结构，并用螺丝螺帽将整个电池组拧紧固定。
如图6所示即为组装完成的电池组整体示意图，其特征在于整个电池组由金属集电极2实现各节电池之间的串联，有效的减少连接电阻，减小功率损失。

Claims (9)

1.一种基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组，包括聚合物阳极单极端板、聚合物阴极单极端板、1个以上聚合物双极端板、金属集电极和膜电极，其特征在于：
所述的金属集电极为由两个平行相对设置的集电极连接而成的一体结构；
所述的聚合物双极端板采用阴极与阳极进料通道一体结构，其阳极侧中心设置有储液腔，上方设置注入甲醇溶液的注液孔，注液孔与储液腔相连通；阴极侧设置有气体进料沟槽；聚合物双极端板的表面设置有金属集电极固定槽，金属集电极置于金属集电极固定槽中，电池组依靠金属集电极之间的连接形成串联电池组；
所述的串联电池组最外端两侧分别为对应聚合物双极端板阴阳极结构的聚合物阳极单极端板、聚合物阴极单极端板。
2.根据权利要求1所述的基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组，其特征在于所述储液腔为正方形凹槽。
3.根据权利要求1所述的基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组，其特征在于所述金属集电极与膜电极之间、膜电极与聚合物阳极单极端板、聚合物阴极单极端板之间夹有密封垫圈。
4.根据权利要求1所述的基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组，其特征在于所述聚合物双极端板、聚合物阳极单极端板、聚合物阴极单极端板均为聚合物材料，由聚合物材料采用机械加工方法加工制成或直接注塑成型。
5.根据权利要求1所述的基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组，其特征在于所述金属集电极为不锈钢材料，不锈钢上打有多个进料孔，孔的形状为圆形、方形或条形。
6.根据权利要求1所述的基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组，其特征在于所述金属集电极表面进行溅射或化学镀处理形成Au、Pt或TiN涂层。
7.根据权利要求1或3所述的基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组，其特征在于所述膜电极是MEA膜。
8.根据权利要求1、5或6所述的基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组，其特征在于所述金属集电极的多孔结构的有效面积与膜电极的有效面积相等。
9.根据权利要求1、2或5所述的基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组，其特征在于所述聚合物双极端板阳极侧的正方形凹槽的有效面积与膜电极的有效面积相同。
CN201410170076.9A 2014-04-25 2014-04-25 基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组 Active CN103928698B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410170076.9A CN103928698B (zh) 2014-04-25 2014-04-25 基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410170076.9A CN103928698B (zh) 2014-04-25 2014-04-25 基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103928698A CN103928698A (zh) 2014-07-16
CN103928698B true CN103928698B (zh) 2016-07-06

Family

ID=51146838

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410170076.9A Active CN103928698B (zh) 2014-04-25 2014-04-25 基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103928698B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104037442A (zh) * 2014-05-30 2014-09-10 杭州电子科技大学 一种基于聚合物双极端板层叠式被动直接甲醇燃料电池组
CN109301284B (zh) * 2018-09-30 2021-02-26 东北大学 基于高效废热利用复合极板的发热器件用燃料电池

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101409357A (zh) * 2008-11-28 2009-04-15 哈尔滨工业大学 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
CN101821891A (zh) * 2007-08-02 2010-09-01 夏普株式会社 燃料电池堆及燃料电池系统

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100450820B1 (ko) * 2002-04-23 2004-10-01 삼성에스디아이 주식회사 공기 호흡형 직접 메탄올 연료전지 셀팩
JP2007059315A (ja) * 2005-08-26 2007-03-08 Hitachi Ltd 電池ホルダ、燃料電池モジュール及び電子機器

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101821891A (zh) * 2007-08-02 2010-09-01 夏普株式会社 燃料电池堆及燃料电池系统
CN101409357A (zh) * 2008-11-28 2009-04-15 哈尔滨工业大学 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

Also Published As

Publication number Publication date
CN103928698A (zh) 2014-07-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101719556B (zh) 氧化还原液流电池的电堆结构
JP2012517078A (ja) フロー電池の電極
CN104393322B (zh) 一种能够自主排水进气的燃料电池堆
KR20130054548A (ko) 레독스 흐름전지
CN101409357B (zh) 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
WO2013149512A1 (zh) 集流板和包括该集流板的双极集流板、单电池和液流电池
CN103928698B (zh) 基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组
KR20110113513A (ko) 메탈 폼 전극을 가지는 레독스 플로우 이차 전지
CN103035937B (zh) 自呼吸甲醇燃料电池堆及其系统
CN101599549B (zh) 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
CN103647102B (zh) 一种燃料电池堆组装方法和装置
CN1327555C (zh) 自呼吸空气的便携式电源
US20150072261A1 (en) High power high efficiency flow type battery
CN104037442A (zh) 一种基于聚合物双极端板层叠式被动直接甲醇燃料电池组
CN106450404A (zh) 液流电池电堆
KR20170006099A (ko) 플로우 전지
CN203932216U (zh) 基于聚合物双极端板层叠式被动直接甲醇燃料电池组
CN202474081U (zh) 具有较高空间利用率的管式固体氧化物燃料电池组
CN101409356A (zh) 一种自呼吸微型直接甲醇燃料电池组及其制备方法
CN105428671B (zh) 一种高功率密度pemfc电堆
WO2005050766A1 (ja) 燃料電池
CN111106397B (zh) 一种锌镍蓄电池
CN102299359A (zh) 一种自呼吸醇类燃料电池
CN205355156U (zh) 一种高功率密度pemfc电堆
CN205335351U (zh) 一种小型便携电源

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C53 Correction of patent for invention or patent application
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Zhang Yufeng

Inventor after: Zhang Xuelin

Inventor after: Liu Xiaowei

Inventor after: Guo Chao

Inventor before: Zhang Yufeng

Inventor before: Guo Chao

Inventor before: Zhang Xuelin

Inventor before: Liu Xiaowei

COR Change of bibliographic data

Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: ZHANG YUFENG GUO CHAO ZHANG XUELIN LIU XIAOWEI TO: ZHANG YUFENG ZHANG XUELIN LIU XIAOWEI GUO CHAO

C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant