CN105098204B - 一种基于镁合金的微型甲醇燃料电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，具体涉及一种被动式微型甲醇燃料电池及其制备方法，该微型甲醇燃料电池由阳极储液腔、阳极流场板、绝缘垫、膜电极和阴极流场板构成，所述的阳极储液腔、阳极流场板和阴极流场板采用镁合金材料制作而成，所述的镁合金材料表面利用微弧氧化技术生长氧化铝微弧氧化多孔陶瓷膜。该电池电池的重量轻，电池重量比能量高，由于在镁合金表面制备微弧氧化多孔陶瓷膜，提高了镁合金的耐腐蚀性能。

Description

一种基于镁合金的微型甲醇燃料电池及其制备方法
技术领域：
本发明属于质子交换膜燃料电池领域，具体涉及一种被动式微型甲醇燃料电池及其制备方法。
背景技术：
微型直接甲醇燃料电池（Micro Direct methanol fuel cell, uDMFC）是质子交换膜燃料电池的一种，采用全氟磺酸型固态聚合物作为质子交换膜，直接利用甲醇或甲醇水溶液作为阳极燃料，氧或空气作为氧化剂，由于甲醇来源广泛，储存、运输方便，能量密度高，因此uDMFC具有比能量高、结构简单、无需要外重整设备等特点，在便携电源、小型民用电源及车用电源等方面具有广阔的应用前景。
从目前国内外的研究现状来看, 微型甲醇燃料电池所采用的基底材料主要有硅材料、聚合物材料和金属材料，硅材料虽然具有很好的可加工性，但其本身脆性太大，封装困难，而且硅材料导电性差，电池内阻较大；聚合物材料密度小，但是其导热性差，且高温下易变形，在作为集流板使用时需要解决其导电性问题；金属材料机械强度高，导电性好，但是金属材料密度高，而且其耐腐蚀性能较差，需要通过表面处理来提高其耐蚀性能。
发明内容：
本发明的目的是要提供一种基于镁合金的微型甲醇燃料电池及其制备方法，该电池采用轻金属镁合金加工阳极储液腔、阴极流场板和阳极流场板，减少了电池的重量，提高了电池重量比能量；同时在镁合金表面制备微弧氧化多孔陶瓷膜，提高了镁合金的耐腐蚀性能。
所述目的是通过如下方案实现的：
该微型甲醇燃料电池由阳极储液腔、阳极流场板、绝缘垫、膜电极和阴极流场板构成，所述的阳极储液腔、阳极流场板和阴极流场板采用镁合金材料制作而成，所述的镁合金材料表面利用微弧氧化技术生长氧化铝微弧氧化多孔陶瓷膜。
基于镁合金的微型甲醇燃料电池的制备方法，该方法包括以下步骤：
①、先用镁合金AZ91块材制作阳极储液腔，再用2mm厚的AZ91制作阴极和阳极流场板，然后将做好的阳极储液腔、以及阴极流场板和阳极流场板分别用酒精和去离子水各清洗一次，然后分别将清洗后的阳极储液腔、阴极流场板和阳极流场板放在由1～5g/L的氢氧化钾和5～15g/L的硅酸钠所组成的电解液中并以阳极储液腔、阴极流场板和阳极流场板作为阳极，以电解槽作为阴极，电解液温度20～40℃，正向脉冲电压为300-600V、负向脉冲电压为0-300V、脉冲频率为10-5000Hz的条件下微弧氧化处理10-180分钟，最后将处理后的阳极储液腔、阴极流场板和阳极流场板放入水热反应釜中，在120-200oC下处理1-24小时，之后取出晾干；
②、将步骤①中制得的阴极流场板、阳极流场板与膜电极接触的一侧用磁控溅射的方式沉积Cu/Ti/Au的复合导电层作为集流板；
③、将溅射有导电层的阴极流场板、绝缘垫、膜电极、绝缘垫、阳极流场板和阳极储液腔依次组装在一起制成微型甲醇燃料电池。
本发明具有以下优点和积极效果：
（1）、本发明微型甲醇燃料电池中的阳极储液腔、阳极流场板和阴极流场板采用镁合金材料制作，减少了电池的重量，提高了电池重量比能量。
（2）、本发明微型甲醇燃料电池在镁合金表面制备微弧氧化多孔陶瓷膜，提高了镁合金的耐腐蚀性能。
（3）、本发明的微型甲醇燃料电池采用镁合金降低了电池整体质量，提高了重量比能量；同时通过表面改性处理方式增强了流场板抗腐蚀能力，提高了电池的稳定性。
附图说明：
图1是本发明基于镁合金的微型甲醇燃料电池的结构分解示意图。
图2是本发明阳极流场板和阴极流场板的横截面结构示意图。
图3是本发明所述覆盖微弧氧化多孔陶瓷膜前后铝合金流场板的抗腐蚀能力对比测试图。
图1中：1、阳极储液腔； 2、阳极流场板； 3、绝缘垫； 4、膜电极； 5、绝缘垫；6、阴极流场板。
图2中：a、镁合金基体； b、微弧氧化多孔陶瓷膜； c、Cu层； d、Ti层； e、Au层。
具体实施方式：
实施例1：
由附图1所示：该微型甲醇燃料电池由阳极储液腔1、阳极流场板2、绝缘垫3、膜电极4、绝缘垫5和阴极流场板6构成，所述的阳极储液腔1、阳极流场板3和阴极流场板6采用镁合金材料AZ91制作而成，所述的镁合金材料表面利用微弧氧化技术生长氧化铝微弧氧化多孔陶瓷膜。
基于镁合金的微型甲醇燃料电池的制备方法，该方法包括以下步骤：
①、先用镁合金AZ91块材制作阳极储液腔，再用2mm厚的AZ91制作阴极和阳极流场板，然后将做好的阳极储液腔、以及阴极流场板和阳极流场板分别用酒精和去离子水各清洗一次，然后分别将清洗后的阳极储液腔、阴极流场板和阳极流场板放在由1～5g/L的氢氧化钾和5～15g/L的硅酸钠所组成的电解液中并以阳极储液腔、阴极流场板和阳极流场板作为阳极，以电解槽作为阴极，电解液温度20～40℃，正向脉冲电压为300-600V、负向脉冲电压为0-300V、脉冲频率为10-5000Hz的条件下微弧氧化处理10-180分钟，最后将处理后的阳极储液腔、阴极流场板和阳极流场板放入水热反应釜中，在120-200oC下处理1-24小时，之后取出晾干；
②、将步骤①中制得的阴极流场板、阳极流场板与膜电极接触的一侧用磁控溅射的方式沉积Cu/Ti/Au的复合导电层作为集流板，此时流场板的横截面结构如图2所示；
③、将溅射有导电层的阴极流场板、绝缘垫、膜电极、绝缘垫、阳极流场板和阳极储液腔依次组装在一起制成微型甲醇燃料电池。
由附图3所示：，将表面改性处理前后的AZ91在0.001 M H2SO4+1 M CH3OH+ 2 ppmF-的燃料电池模拟腐蚀环境中进行塔菲尔曲线测试，结果表明陶瓷化处理使得铝合金的腐蚀电流由1.789E-3下降到1.562E-5 A cm-2。
结论表明本发明的微型甲醇燃料电池采用镁合金降低了电池整体质量，提高了重量比能量；同时通过表面改性处理方式增强了流场板抗腐蚀能力，提高了电池的稳定性。
实施例2：
本实施例与前述实施例1的区别在于，微弧氧化过程中采用的电解液中含有5-15g/L的磷酸钠和1-5g/L的氢氧化钾。
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 (2)

1.一种基于镁合金的微型甲醇燃料电池的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
①、先用镁合金AZ91块材制作阳极储液腔，再用2mm厚的AZ91制作阴极和阳极流场板，然后将做好的阳极储液腔、以及阴极流场板和阳极流场板分别用酒精和去离子水各清洗一次，然后分别将清洗后的阳极储液腔、阴极流场板和阳极流场板放在由1～5g/L的氢氧化钾和5～15g/L的硅酸钠所组成的电解液中并以阳极储液腔、阴极流场板和阳极流场板作为阳极，以电解槽作为阴极，电解液温度20～40℃，正向脉冲电压为300-600V、负向脉冲电压为0-300V、脉冲频率为10-5000Hz的条件下微弧氧化处理10-180分钟，最后将处理后的阳极储液腔、阴极流场板和阳极流场板放入水热反应釜中，在120-200℃下处理1-24小时，之后取出晾干；
②、将步骤①中制得的阴极流场板、阳极流场板与膜电极接触的一侧用磁控溅射的方式沉积Cu/Ti/Au的复合导电层作为集流板；
③、将溅射有导电层的阴极流场板、绝缘垫、膜电极、绝缘垫、阳极流场板和阳极储液腔依次组装在一起制成微型甲醇燃料电池。
2.根据权利要求1所述的一种基于镁合金的微型甲醇燃料电池的制备方法，其特征在于：所述电解液由5-15g/L的磷酸钠和1-5g/L的氢氧化钾组成。
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