CN105958095B - 一种使用集电-扩散复合层的直接甲醇燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种使用集电‑扩散复合层的直接甲醇燃料电池，包括壳体、甲醇渗透汽化组件、若干电池单体，所述壳体为一端封闭的筒形件，所述甲醇渗透汽化组件设置在所述壳体内，所述壳体的开口处密封设置有端盖，所述端盖设置有排气孔和带密封塞的注液孔，所述电池单体通过外固定板和螺钉沿周向均匀固定在所述壳体的外周壁上，所述外固定板及所述壳体与电池单体相接触的外周壁上均布有圆孔阵列。本发明克服了传统直接甲醇燃料电池双极板成本高的缺点，同时大大减少了电池的重量和体积，电池组装和拆卸方便；大大提高了电池的体积功率比和质量功率比。电池单体之间的连接方式灵活，可以实现串联或并联，工作性能优良。

Description

一种使用集电-扩散复合层的直接甲醇燃料电池
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，具体是使用集电-扩散复合层的直接甲醇燃料电池。
背景技术
能源需求和环境保护是21世纪全球面临的主要问题。能源是国民经济发展的动力，也是衡量综合国力、国家文明程度和人民生活水平的重要指标。燃料电池是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化成电能的电化学装置。近年来受到广泛关注的当属直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，简称DMFC）。传统的DMFC为平板式，其典型结构包括阳极燃料腔、双极板和膜电极组件。平板式DMFC的优点是结构简单，制作方便，单电池功率大，但是同时也具有以下一些缺点：（1）电池的功率质量比低，双极板和用于紧固的螺栓以及两侧的金属板质量远远大于膜电极的质量；（2）双极板在电化学反应的环境气氛中存在严重的腐蚀现象。所以目前主要采用石墨或镀金的不锈钢双极板，但是双极板造价高昂，难以商业化；（3）密封困难，尤其是组装成电池的时候要考虑到每一个单电池与双极板的密封应力要均匀一致。（4）双极板流道狭窄，对于水热管理带来很多的困难，生成的水不能及时排出，影响气体传质。
考虑到平板式DMFC的上述缺点，研究人员开始将目光投向管状DMFC的研制，其基本原理同平板式DMFC一样，但是在结构上由于是圆柱形，体积可以减小，电池的体积比功率和质量比功率可以增加，这对减小电池堆体积和质量具有重要意义。目前有少量小功率管状质子交换膜燃料电池的报道，但是由于尚无商品化的管状膜，需要自行制作管状膜电极，通常的方法是将电极放置在平面质子交换膜两侧，然后将它们缠绕在圆柱基体上，阳极在内，阴极在外，用模具压紧后进行热压制得管状膜电极。这样的制作方法不仅繁琐，而且催化剂层在弯曲的过程中容易产生裂纹甚至剥落，因此会大大降低膜电极的性能。同时，管状DMFC性能不及平板式DMFC的一个重要原因是管状膜电极难与集电板紧密贴合，导致其接触电阻增大，输出功率下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够克服上述缺陷、易于密封和装配、工作性能优良的管状直接甲醇燃料电池。其技术方案如下：
一种使用集电-扩散复合层的直接甲醇燃料电池，包括壳体、甲醇渗透汽化组件、若干电池单体，所述壳体为一端封闭的筒形件，所述甲醇渗透汽化组件设置在所述壳体内，所述壳体的开口处密封设置有端盖，所述端盖设置有排气孔和带密封塞的注液孔，所述电池单体通过外固定板和螺钉沿周向均匀固定在所述壳体的外周壁上，所述外固定板及所述壳体与电池单体相接触的外周壁上均布有圆孔阵列。
进一步地，所述的电池单体包括集电-扩散复合式膜电极组件，所述集电-扩散复合式膜电极组件包括两面涂覆有催化剂层的质子交换膜、对称地固定在质子交换膜两侧的集电-扩散复合层，所述的集电-扩散复合层由外向内依次包括导电涂层、支撑层、微孔层，所述导电涂层连接有导线。集电-扩散复合层相当于将集电层与扩散层复合在一起，形成的复合结构既可实现收集电流的作用又可实现扩散层的作用，将集电-扩散复合层与涂覆有催化剂的质子交换膜固定在一起即可制成膜电极组件。
进一步地，所述壳体的所用材料为质轻、不易腐蚀的树脂。
进一步地，：所述的甲醇渗透汽化组件为烧结多孔材料制成的中空管状结构，两端分别与壳体底部及端盖内壁密封连接。
进一步地，所述的甲醇渗透汽化组件外周壁还设置带有开孔阵列的金属薄管，便于控制甲醇的蒸发速率。
进一步地，所述的排气孔内设置有多孔材料，反应产生的CO2可以从排气孔中排出，甲醇蒸汽则会发生液化，电池工作时，排气孔在排出CO2的同时可以回收甲醇，避免了甲醇的浪费。
进一步地，所述的多孔材料包括棉纤维。
进一步地，各电池单体通过导线相互并联或串联后向外供电，从而满足电池对大电压或大电流输出的要求。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
（1）采用了集电-扩散复合式膜电极，克服了传统直接甲醇燃料电池双极板成本高的缺点，同时电池壳体采用质轻的树脂材料，大大减少了电池的重量和体积，提高了电池的质量功率比和体积功率比。
（2）膜电极为CCM型，阳极和阴极的集电-扩散复合层可以通用，无需分别制备，简化了生产流程，降低了生产成本。
（3）电池内部设计了渗透汽化组件，可以实现高浓度甲醇溶液甚至纯甲醇燃料供给。具有气液分离作用的排气孔在排出CO2的同时可以回收甲醇，避免了甲醇的浪费。
（4）圆柱形壳体上可以贴多片膜电极，各块膜电极之间可以形成串联或并联，从而满足电池对大电压或大电流输出的要求。
附图说明
图1是本发明实施例的剖视示意图。
图2是本发明实施例的集电-扩散复合式膜电极组件结构示意图。
图3是电池单体并联示意图（图1的A-A剖视图，省略螺钉）。
图4是电池单体串联示意图（图1的A-A剖视图，省略螺钉）。
图中所示为：1、端盖；2、壳体；3、渗透汽化组件；4、集电-扩散复合层；5、质子交换膜；6、外固定板；7、螺钉；8、导线；9、排气孔；10、注液孔；11、密封塞；12、导电涂层；13、支撑层；14、微孔层；15、催化剂层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
如图1所示，一种使用集电-扩散复合层的直接甲醇燃料电池，包括壳体2、甲醇渗透汽化组件3、六个电池单体，所述壳体2为一端封闭的筒形件，所用材料为质轻、不易腐蚀的树脂。所述甲醇渗透汽化组件3设置在所述壳体2内，其为烧结多孔材料制成的中空管状结构，两端分别与壳体2底部及端盖1内壁密封连接。所述壳体2的开口处密封设置有端盖1，所述端盖1设置有排气孔9和带密封塞11的注液孔10，六个电池单体通过外固定板6和螺钉7沿周向均匀固定在所述壳体2的外周壁上，所述外固定板6及所述壳体2与电池单体相接触的外周壁上均布有圆孔阵列。
组装电池时，由内至外依次为壳体2、集电-扩散复合式膜电极组件、外固定板6，通过螺钉7将各部分压紧固定。将甲醇溶液注入渗透汽化组件3，塞好密封塞11，甲醇溶液通过管壁的毛细作用汽化为甲醇蒸汽并扩散至膜电极参与电池的阳极反应，电池开始工作，各个电池单体之间共用端盖1、壳体2和甲醇渗透汽化组件3。
如图2所示，所述的电池单体包括集电-扩散复合式膜电极组件，所述集电-扩散复合式膜电极组件包括两面涂覆有催化剂层15的质子交换膜5、对称地固定在质子交换膜5两侧的集电-扩散复合层4，所述的集电-扩散复合层4由外向内依次包括导电涂层12、支撑层13、微孔层14，所述导电涂层12连接有导线。本实施例取消了传统直接甲醇燃料电池的流场板/集电板，集电-扩散复合层4将相当于将集电层与扩散层复合在一起，形成的复合结构既可实现收集电流的作用又可实现扩散层的作用，将集电-扩散复合层与涂覆有催化剂的质子交换膜固定在一起即可制成膜电极组件。
本实施例的集电-扩散复合式膜电极组件的制备方法，其支撑层13材料为碳布或碳纳米管纸，包括步骤：
1、对碳布或碳纳米管纸为材料的支撑层13进行疏水处理；
2、在支撑层13一侧涂覆微孔层14，在支撑层13另一侧用导电金属镀层做导电处理，得到导电涂层12；
3、进行防腐、提高镀层粘结强度处理，得到集电-扩散复合层4；
4、将制好的集电-扩散复合层4与含催化剂层15的质子交换膜5固定在一起形成集电-扩散复合式膜电极。
本实施例的膜电极为CCM型，即催化剂制备到膜上，阳极和阴极的集电-扩散复合层可以通用，无需分别制备。
同时，所述的甲醇渗透汽化组件3外周壁还可复合带有开孔阵列的金属薄管，便于控制甲醇的蒸发速率。
所述的排气孔9内设置有多孔材料，如棉纤维，反应产生的CO2可以从排气孔中排出，甲醇蒸汽则会发生液化，电池工作时，排气孔在排出CO2的同时可以回收甲醇，避免了甲醇的浪费。
各电池单体通过导线8相互并联或串联后向外供电，从而满足电池对大电压或大电流输出的要求。如图3所示，并联时，各块膜电极的阳极与相邻膜电极的阳极依次相连，各块膜电极的阴极与相邻膜电极的阴极依次相连，最后引出导线连接至负载，以满足需要较高输出电流的场合。如图4所述，串联时，各块膜电极的阳极和相邻膜电极的阴极依次相连，最后引出导线连接至负载，以满足需要较高电压输出的场合。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种使用集电-扩散复合层的直接甲醇燃料电池，其特征在于，包括壳体（2）、甲醇渗透汽化组件（3）、若干电池单体，所述壳体（2）为一端封闭的筒形件，所述甲醇渗透汽化组件（3）设置在所述壳体（2）内，所述壳体（2）的开口处密封设置有端盖（1），所述端盖（1）设置有排气孔（9）和带密封塞（11）的注液孔（10），所述电池单体通过外固定板（6）和螺钉（7）沿周向均匀固定在所述壳体（2）的外周壁上，所述外固定板（6）及所述壳体（2）与电池单体相接触的外周壁上均布有圆孔阵列；
所述的电池单体包括集电-扩散复合式膜电极组件，所述集电-扩散复合式膜电极组件包括两面涂覆有催化剂层（15）的质子交换膜（5）、对称地固定在质子交换膜（5）两侧的集电-扩散复合层（4），所述的集电-扩散复合层（4）由外向内依次包括导电涂层（12）、支撑层（13）、微孔层（14），所述导电涂层（12）连接有导线。
2.如权利要求1所述的使用集电-扩散复合层的直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述壳体（2）的所用材料为树脂。
3.如权利要求1所述的使用集电-扩散复合层的直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述的甲醇渗透汽化组件（3）为烧结多孔材料制成的中空管状结构，两端分别与壳体（2）底部及端盖（1）内壁密封连接。
4.如权利要求1或3所述的使用集电-扩散复合层的直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述的甲醇渗透汽化组件（3）外周壁还设置带有开孔阵列的金属薄管。
5.如权利要求1所述的使用集电-扩散复合层的直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述的排气孔（9）内设置有多孔材料。
6.如权利要求5所述的使用集电-扩散复合层的直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述的多孔材料包括棉纤维。
7.如权利要求1所述的使用集电-扩散复合层的直接甲醇燃料电池，其特征在于：各电池单体通过导线（8）相互并联或串联后向外供电。
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