CN105244526B - 一种自呼吸式直接液体燃料电池装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自呼吸式直接液体燃料电池装置，属于燃料电池技术领域。该装置包括左端盖板、左阴极隔板、左阴极集流体、左膜电极、左阳极集流体、阳极隔板、右阳极集流体、右膜电极、右阴极集流体、右阴极隔板和右端盖板的一个放电单元组成；本发明电池装置可以通过放电单元的叠加实现功率的放大，本发明装置采用多层叠片技术，使得多种功能的模块能有机的组合到一起，大大减小了电池的体积，而且结构简单，可以灵活拆装，可以较容易的实现拓展放大；各部件都是采用精密数控微机械加工的方式获得，结构加工容易实现，加工成本低，设备集成性能良好；电池装置结构采用气体和液体垂直交叉扩散的方式，实现了多层气体扩散问题。

Description

一种自呼吸式直接液体燃料电池装置
技术领域
本发明涉及一种自呼吸式直接液体燃料电池装置，属于燃料电池技术领域。
背景技术
直接液体燃料电池由于具有燃料来源广泛，便于携带，储存、补充方便，体积和质量比能量高，结构简单，无需外重整设备等特点，而在便携电源和小型民用电源等方面具有广阔的应用前景。被认为是最有市场化潜力和最符合便携电子设备电池发展要求的一种燃料电池。被动式，被动式直接液体燃料电池的阳极进料和阴极氧气进料均不采用外带循环泵，阳极配有燃料储存腔，燃料的供给完全依靠分子从的自主扩散；阴极氧气的供给则完全依靠空气中的氧气通过浓差扩散和空气对流等扩散传递形式到达阴极催化层进行电化学还原反应。因此被动式直接液体燃料电池去除了蠕动泵、空气泵等电池辅助设备以及加热加湿装置，从而降低了电池本身的能量消耗，更加简化了燃料电池系统结构，使电池系统的重量和体积更能满足便携式电源的要求。
但是目前自呼吸式直接液体燃料电池装置存在以下问题：(1)由于自呼吸的方式，多数电池的设计都是单层或双层，这就大大限制了集成电堆的拓展问题(201110220762.9)；(2)多数电池结构设计电堆时都是平面的拓展(201110327664.5)，层叠式的结构很难实现自呼吸。
发明内容
本发明目的是提出一种自呼吸式直接液体燃料电池装置，改变已有液体燃料电池装置的结构，采用层叠式结构，可以通过拓展电池单元的个数来提高功率，使电池装置能实现多层叠加下的自呼吸运行，又能保证单个电池的放电效率，电池装置属于自呼吸式直接液体燃料电池，运行状态下无需外加动力装置。
本发明提出的自呼吸式直接液体燃料电池装置，包括左端盖板、左阴极隔板、左阴极集流体、左膜电极、左阳极集流体、阳极隔板、右阳极集流体、右膜电极、右阴极集流体、右阴极隔板和右端盖板，所述的左端盖板、左阴极隔板、左阴极集流体、左膜电极、左阳极集流体、阳极隔板、右阳极集流体、右膜电极、右阴极集流体、右阴极隔板和右端盖板的四角上各开有装配孔，上端部各开有燃料槽；左端盖板、左阴极隔板、左阴极集流体、左膜电极、左阳极集流体、阳极隔板、右阳极集流体、右膜电极、右阴极集流体、右阴极隔板和右端盖板由左至右依次相互叠压后使用紧固螺栓通过各自四角上的装配孔紧固成一体；
上述的左阴极隔板和右阴极隔板的结构相同，左阴极隔板和右阴极隔板的纵向两边各开有横向空气通道，横向空气通道通过连通槽相连通；
上述的左阴极集流体和所述的右阴极集流体的结构相同，左阴极集流体由上部的绝缘板和下部的金属板组成，金属板上开有纵向通气孔，金属板的下端部设有正极接线柱；
上述的左膜电极的左表面涂有阴极催化剂涂层，左膜电极的右表面涂有阳极催化剂涂层；
上述的左阳极集流体和所述的右阳极集流体的结构相同，左阳极集流体和右阳极集流体的中部各开有横向通液孔，左阳极集流体和右阳极集流体的上端部设有负极接线柱；
上述的阳极隔板由两个阳极隔板单体组成，每个阳极隔板单体上开有导液孔，导液孔通过方形导液槽，方形导液槽与阳极隔板单体上的燃料槽相连通，两个阳极隔板单体相合，半方形导液槽成为方形导液槽；
上述的右膜电极的右表面涂有阴极催化剂涂层，右膜电极的左表面涂有阳极催化剂涂层。
本发明提出的自呼吸式直接液体燃料电池装置，其特点和优点为：
1、本发明电池装置采用多层叠片技术，使得多种功能的模块能有机的组合到一起，大大减小了电池的体积，而且结构简单，可以灵活拆装，可以较容易的实现拓展放大；
2、本发明电池装置中的各部件都是采用精密数控微机械加工的方式获得，结构加工容易实现，加工成本低，设备集成性能良好；
3、本发明电池装置结构采用气体和液体垂直交叉扩散的方式，实现了多层气体扩散问题；
附图说明
图1是本发明提出的自呼吸式直接液体燃料电池装置的结构示意图。
图2是自呼吸式直接液体燃料电池装置的装配图。
图3是自呼吸式直接液体燃料电池装置中阴极隔板的左面结构示意图。
图4是图3所示的阴极隔板的右面结构示意图。
图5是自呼吸式直接液体燃料电池装置中阴极集流体的结构示意图。
图6是自呼吸式直接液体燃料电池装置中膜电极的左面结构示意图。
图7是图6所示的膜电极的右面结构示意图。
图8是自呼吸式直接液体燃料电池装置中阳极集流体的结构示意图。
图9是自呼吸式直接液体燃料电池装置中阳极隔板值单板的结构示意图。
图10是图9所示的两个阳极隔板单板装配成阳极隔板的示意图。
图11是本发明醇类燃料电池装置的放电测试结果。
图1～图10中，1为左端盖板，2为左阴极隔板，3为左阴极集流体，4为左膜电极(包括密封垫的)，5为左阳极集流体，6为阳极隔板，7为右阳极集流体，8为右膜电极(包括密封垫的)，9为右阴极集流体，10为右阴极隔板，11为右端盖板，12为燃料槽，13为紧固螺栓，14为负极接线柱，15为正极接线柱，16为空气通道，21为联通槽，22为装配孔，31为绝缘板，32为金属集流体，33为通气孔，41为阴极催化剂涂层；42为阳极催化剂涂层；51为通液孔，61为导液槽，62为导液孔。
具体实施方法
本发明提出的自呼吸式直接液体燃料电池装置，其结构如图1所示，包括左端盖板1、左阴极隔板2、左阴极集流体3、左膜电极4、左阳极集流体5、阳极隔板6、右阳极集流体7、右膜电极8、右阴极集流体9、右阴极隔板10和右端盖板11，所述的左端盖板1、左阴极隔板2、左阴极集流体3、左膜电极4、左阳极集流体5、阳极隔板6、右阳极集流体7、右膜电极8、右阴极集流体9、右阴极隔板10和右端盖板11的四角上各开有装配孔22，上端部各开有燃料槽12；左端盖板1、左阴极隔板2、左阴极集流体3、左膜电极4、左阳极集流体5、阳极隔板6、右阳极集流体7、右膜电极8、右阴极集流体9、右阴极隔板10和右端盖板11由左至右依次相互叠压后使用紧固螺栓13通过各自四角上的装配孔22紧固成一体；
如图3和图4所示，左阴极隔板2和右阴极隔板10的纵向两边各开有横向空气通道16，横向空气通道16通过连通槽21相连通；如图5所示，左阴极集流体3由上部的绝缘板31和下部的金属板32组成，金属板32上开有纵向通气孔33，金属板32的下端部设有正极接线柱15；
如图6和图7所示，左膜电极4的左表面涂有阴极催化剂涂层41，左膜电极4的右表面涂有阳极催化剂涂层42，右膜电极8的右表面涂有阴极催化剂涂层41，右膜电极的左表面涂有阳极催化剂涂层42；
如图8所示，左阳极集流体5和所述的右阳极集流体7的结构相同，左阳极集流体5和右阳极集流体7的中部各开有横向通液孔51，左阳极集流体5和右阳极集流体7的上端部设有负极接线柱14；
如图9和图10所示，阳极隔板6由两个阳极隔板单体组成，每个阳极隔板单体上开有导液孔62，导液孔62通过方形导液槽61，方形导液槽61与阳极隔板6单体上的燃料槽12相连通，两个阳极隔板单体相合，使得半方形凹槽成为方形导液槽61；
以下结合图2，详细介绍本发明电池装置的工作原理：
图2所示为在右阴极隔板10和右端盖板11之间再加一组左阴极集流体3、左膜电极4、左阳极集流体5、阳极隔板6、右阳极集流体7、右膜电极8、右阴极集流体9和右阴极隔板10，所得到的两组电池单元组合后的电堆结构示意图。将液体燃料加入到由所有叠片上端的缺口所组成的燃料槽12，液体燃料会经过由两个阳极隔板单体组成的阳极隔板6上方的方形导液槽61进入到导液孔62中，导液孔62中的液体燃料会通过阳极隔板6两侧的左阳极集流体5和右阳极集流体7上的横向通液孔51流入到与之相接触的左膜电极4和右膜电极8的涂有阳极催化剂涂层42上，发生阳极催化反应，液体燃料被氧化失去电子，使得左阳极集流体5和右阳极集流体7汇集到上端部设有的负极接线柱14上电子富集；同时空气进入到由阴极隔板和阴极集流体结合组成的空气通道16中，空气会通过阴极集流体3或9上的通气孔33进入到与之相接触的左膜电极4和右膜电极8的涂有阴极催化剂涂层41上，发生阴极催化反应，空气中的氧被还原得到电子，使得左阴极集流体3和右阴极集流体9汇集到下端部设有的正极接线柱15上电子缺失；当在负极接线柱14和正极接线柱15之间连接负载时，电子就会通过负极接线柱14流向正极接线柱15形成电流。
上述的左端盖板和右端盖板的结构相同，为厚5-10mm的不锈钢板；
上述的紧固螺栓为Φ3-10不锈钢螺栓；
上述的阴极隔板不导电材料有机玻璃，厚度为1-3mm；
上述的阴极集流体上部分为不导电的绝缘板有机玻璃材料，下部分为不锈钢、钛合金材料中的一种，厚度为0.1-0.3mm；
上述的阳极隔板和阳极集流体材料为不锈钢、钛合金中的一种；
上述的阳极隔板厚度为1-5mm；
上述的阳极集流厚度为0.1-0.3mm；
本发明的自呼吸式直接液体燃料电池装置的一个实施例中，电池尺寸为40mm*50mm*24mm，装配两组电池单元的操作程序为：制备阳极催化剂涂层41和阴极催化剂涂层42大小为30mm*30mm的膜电极4个，阳极催化剂涂层41为铂碳催化剂，阴极催化剂涂层42为二氧化锰碳催化剂，按照图2的结构组装电池堆。其中左端盖板和右端盖板为厚5mm的不锈钢板；紧固螺栓为Φ4不锈钢螺栓；阴极隔板为厚度为2mm的有机玻璃；阴极集流体为厚度0.1mm，上部分为有机玻璃材料，下部分为不锈钢；阳极集流厚度为0.1mm的不锈钢；上述的阳极隔板为厚度为2mm的不锈钢；液体燃料为4mol/L KOH的6mol/LC2H5OH溶液，常温下测试其放电性能结果如图11所示，从图中可以看出，该电池开路电位为0.8V，最大功率为130mW。

Claims (1)

1.一种自呼吸式直接液体燃料电池装置，其特征在于该装置包括左端盖板、左阴极隔板、左阴极集流体、左膜电极、左阳极集流体、阳极隔板、右阳极集流体、右膜电极、右阴极集流体、右阴极隔板和右端盖板，所述的左端盖板、左阴极隔板、左阴极集流体、左膜电极、左阳极集流体、阳极隔板、右阳极集流体、右膜电极、右阴极集流体、右阴极隔板和右端盖板的四角上各开有装配孔，上端部各开有燃料槽；左端盖板、左阴极隔板、左阴极集流体、左膜电极、左阳极集流体、阳极隔板、右阳极集流体、右膜电极、右阴极集流体、右阴极隔板和右端盖板由左至右依次相互叠压后使用紧固螺栓通过各自四角上的装配孔紧固成一体；
所述的左阴极隔板和右阴极隔板的结构相同，左阴极隔板和右阴极隔板的纵向两边各开有横向空气通道，横向空气通道通过连通槽相连通；
所述的左阴极集流体和所述的右阴极集流体的结构相同，左阴极集流体由上部的绝缘板和下部的金属板组成，金属板上开有纵向通气孔，金属板的下端部设有正极接线柱；
所述的左膜电极的左表面涂有阴极催化剂涂层，左膜电极的右表面涂有阳极催化剂涂层；
所述的左阳极集流体和所述的右阳极集流体的结构相同，左阳极集流体和右阳极集流体的中部各开有横向通液孔，左阳极集流体和右阳极集流体的上端部设有负极接线柱；
所述的阳极隔板由两个阳极隔板单体组成，每个阳极隔板单体上开有导液孔，导液孔通过方形导液槽，方形导液槽与阳极隔板单体上的燃料槽相连通，两个阳极隔板单体相合，半方形导液槽成为方形导液槽；
所述的右膜电极的右表面涂有阴极催化剂涂层，右膜电极的左表面涂有阳极催化剂涂层。
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