CN109411792B - 一种新型管状直接甲醇燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型管状直接甲醇燃料电池，包括栅形壳体、阳极集电板、阻醇层和膜电极、阴极集电器，所述栅形壳体呈筒形且下端封闭、上端开口并设有端盖，所述栅形壳体圆周壁均匀设置有若干竖状格栅，所述端盖设置有连接各阳极集电板的导线；所述阳极集电板、阻醇层和膜电极由内向外依次紧贴地设在所述栅形壳体各竖状格栅之间且各膜电极与栅形壳体外周面共面，所述的阴极集电器紧固在所述栅形壳体的外周面且与各膜电极紧密接触。本发明有效减少了电池的重量和体积，解决了管状燃料电池组装、拆卸较为困难的问题；改善了阳极气淹、甲醇穿透、阴极水淹造成的影响且降低了电池的接触内阻，提高了电池的输出性能、体积功率比和质量功率比。

Description

一种新型管状直接甲醇燃料电池
技术领域
本发明涉及直接甲醇燃料电池技术领域，具体涉及一种新型管状直接甲醇燃料电池。
背景技术
燃料电池产生的电能直接由原料本身的化学能直接转化而来，并且具有较高的能量密度、较低的环境污染性，再加上原料的丰富性等优势，受到了越来越多的关注。其中，相比属于质子交换膜燃料电池的氢燃料电池的氢原料制取成本高、储运危险以及使用条件苛刻等诸多因素，属于同类的直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，简称DMFC）以甲醇为阳极原料，因其工作温度低（一般在室温工作）、理论比能量高、携带方便和使用安全等特点有着良好的应用前景，被业界认为是最有希望率先实现市场化的一类燃料电池。
传统的平板式DMFC虽然结构简单，制作较为方便，但同时也存在电池整体结构笨重，体积功率比和质量功率比低、产物管理性能较差，双极板造价高昂以及电池组件密封困难等诸多缺点。而对于现有的管状DMFC，制作方法繁琐，组装较为困难、质量重、流场结构单一，不能满足电池对于良好产物管理的需求、膜电极在弯曲过程中易产生裂纹导致催化剂层脱落，很大程度上降低了膜电极的性能。
因此，为较好地解决上述问题，提供一种质量轻盈、易于组装和密封、综合性能优异的新型管状直接甲醇燃料电池具有非常重要的现实意义。
发明内容
为了能够有效地降低电池整体重量，更好地实现电池结构紧凑且便于组装和密封，同时有效地缓解阳极反应产物导致的“气淹”和阴极反应产物导致的“水淹”，进而提高电池的综合性能，本发明公开了一种新型管状直接甲醇燃料电池。
本发明采用如下技术方案实现：
一种新型管状直接甲醇燃料电池，包括栅形壳体、阳极集电板、阻醇层和膜电极、阴极集电器，所述栅形壳体呈筒形且下端封闭、上端开口并设有端盖，所述栅形壳体圆周壁均匀设置有若干竖状格栅，所述端盖设置有连接各阳极集电板的导线，起到导通电路的作用；所述阳极集电板、阻醇层和膜电极由内向外依次紧贴地设在所述栅形壳体各竖状格栅之间且各膜电极与栅形壳体外周面共面，所述的阴极集电器紧固在所述栅形壳体的外周面且与各膜电极紧密接触。
进一步地，所述阳极集电板为具有一定曲率的三维结构鱼鳞状拉伸网。所述阳极集电板既起到了流场板的作用，均匀分配燃料、加速气泡排放，还兼具阳极集电的作用，能够传导电子。
进一步地，所述竖状格栅左右两侧设置有用于安装所述阳极集电板的卡槽，方便安装拆卸。
进一步地，所述阳极集电板贴合所述阻醇层一面的各节点为粗糙面，相对的另一面的各节点为光滑面，拉伸网的特殊结构及特定的装配方式为产物气泡提供了同其浮力方向相同的向上分力，使得气泡更快脱离，减轻对燃料的堵塞作用，促进了甲醇的供给和均匀分布。
进一步地，所述阳极集电板的材料为不锈钢。
进一步地，所述栅形壳体的材料为环氧树脂，所述栅形壳体即可作为燃料腔储存甲醇燃料，同时起到了支撑阳极集电板的作用，环氧树脂易于加工且质量轻盈，能够有效降低电池整体重量。
进一步地，所述阻醇层的材料为碳纤维，能够有效阻止甲醇燃料穿透膜电极。
进一步地，所述的阴极集电器呈螺旋状并利用自身应力紧固在所述栅形壳体的外周面与各膜电极紧密接触。本方案中的螺旋状阴极集电器既能够传导电子，起到了阴极集电的作用，又起到了流场板的作用，加速水排放、保证氧气供应充足，同时还具有紧固的作用，使得膜电极、阻醇层以及阳极集电板能够紧密贴合
进一步地，所述阴极集电器的材料为不锈钢。
进一步地，所述端盖还设置有具有带气液分离膜的排气孔、带密封塞的注液孔，所述气液分离膜能够防止燃料泄露且及时排放燃料腔内的废气。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、电池的栅形壳体为竖状格栅结构，采用环氧树脂材料制作而成，原料容易获取，价格低廉，易于加工且质量轻盈，能够有效降低电池整体重量。
2、阳极集电板采用嵌入式放置，阴极集电器利用自身应力紧固，集电板集电器为流场板与集电极一体化，结构紧凑且便于组装和密封，达到了低电阻、轻量化和便携式的效果。
3、阻醇层位于膜电极和阳极集电板之间，采用静电纺丝工艺制备而成，简单易得且价格低廉，同时能够有效阻止甲醇燃料穿透膜电极，提高电池的输出性能。
4、阳极集电板为具有三维结构的鱼鳞状拉伸网，利用不锈钢塑性变形加工成型，无废料产生，节省时间和经济成本，且其独特的三维结构有利于气体排放，改善阳极侧产物二氧化碳管理的同时还能够保证甲醇燃料的充分供给。
5、阴极集电器采用不锈钢螺旋加工形成，易于加工且导电性能良好，同时，其独特的螺旋结构为阴极侧排水提供了积极的方向，因而能够很好地实现综合性能优异的新型管状直接甲醇燃料电池。
附图说明
图1是本发明实施例的剖视示意图；
图2是图1中A-A剖视示意图；
图3是阳极集电板正面鱼鳞状拉伸网光滑面示意图；
图4是阳极集电板反面鱼鳞状拉伸网粗糙面示意图；
图中所示为：1-栅形壳体；2-阳极集电板；3-阻醇层；4-膜电极；5-阴极集电器；6-端盖；7-排气孔；8-注液孔；9-导线。
具体实施方式
为进一步理解本发明，下面结合附图对本发明做进一步说明。但是需要说明的是，本发明要求保护的范围并不局限于以下实施例表述的范围。
如图1与图2所示，一种新型管状直接甲醇燃料电池，包括栅形壳体1、各竖状格栅间的阳极集电板2、阻醇层3和膜电极4、阴极集电器5。栅形壳体1为圆周均匀设置有竖状格栅的筒形件，其下端封闭，上端开口设置有端盖6，所用材料为质量轻盈、成本低廉、加工性好且不易腐蚀的环氧树脂。所述阳极集电板2、阻醇层3和膜电极4由内向外依次紧贴地设在所述栅形壳体1各竖状格栅之间且各膜电极4与栅形壳体1外周面共面。所述阳极集电板2为具有三维结构的鱼鳞状拉伸网，其竖直嵌入栅形壳体1的所述竖状格栅左右两侧设置的卡槽内，所述阳极集电板2贴合所述阻醇层3一面的各节点为粗糙面，相对的另一面的各节点为光滑面，此时的装配模式最有利于阳极产物二氧化碳气泡的排放，从而缓解阳极气淹所造成的电池性能下降。所述阻醇层3位于阳极集电板2和膜电极4之间，材料选用碳纤维，采用静电纺丝工艺制备而成，简单易得且价格低廉，同时能够有效阻止甲醇燃料穿透膜电极，提高电池的输出性能。位于最外侧的阴极集电器5利用自身应力紧固，使得膜电极4、阻醇层3以及阳极集电板2能够紧密贴合，其结构为螺旋状，采用不锈钢螺旋加工形成，易于加工且导电性能良好，同时，其独特的螺旋结构为阴极侧排水提供了积极的方向。所述端盖6设置有注液孔8、排气孔7和导线9，其中，排气孔7利用气液分离膜进行密封，在防止甲醇溶液泄露的同时平衡气压、排放二氧化碳废气，导线9通过与各阳极集电板2直接接触导通电路。
所述的膜电极4为气体扩散电极，主要包括阳极气体扩散电极、阴极气体扩散电极和质子交换膜。其中，气体扩散电极由基底和催化层构成，基底又由支撑层和微孔层构成。支撑层采用日本Toray公司的TGP-H-060型号燃料电池专用碳纸。微孔层主要成分为导电炭黑Vulcan XC72，美国E-TEK，形成于支撑层一侧表面。催化剂粉末美国Johnson Matthey和适量异丙醇分析纯试剂混合、悬浮均匀后，形成催化剂浆料，将其均匀喷涂在微孔层表面，形成催化层。阳极为Pt-Ru催化剂，载量为4 mg·cm-2，阴极为Pt催化剂，载量为2mg·cm-2。质子交换膜采用美国DuPont公司的商用Nafion 117型电解质膜。质子交换膜在使用前需要进行预处理，依次浸泡于体积分数5%的双氧水、去离子水、0.5 mol·L-1的稀硫酸溶液和去离子水中各1h，浸泡期间各溶液都处在80 ℃，以分别去除质子交换膜表面的有机物杂质、残留的双氧水试剂、金属杂质和残留的硫酸。预处理好后的质子交换膜浸泡于去离子水中保存，使用时取出放于空气中自然晾干。制备好的阳极气体扩散电极和阴极气体扩散电极将各自催化层一侧面对质子交换膜，并置于中间区域，放入热压机中，热压后形成膜电极，热压压力为2MPa，温度为120 ℃，时间为2min。制备后的膜电极放入密封样品袋中保存。
如图3与图4所示的具有三维结构的鱼鳞状拉伸网，其正反面有着不同的结构特征，特别在节点处，正面连接节点较为平缓光滑，而反面连接节点却粗糙起伏。上述具有三维结构的鱼鳞状拉伸网通过冲压塑性变形而成，即一定厚度的不锈钢板从设备背面水平进入，设备中上下移动的刀具将进入的不锈钢板撕开切口并进行拉伸，刀具的形状和下移的距离决定了拉伸网网孔的形状，加工好的拉伸网便从设备正面持续挤出。加工完成后，应根据需要将拉伸网弯成一定曲率，以便其能够更好地嵌入栅形壳体内部。根据文献，传统拉伸网可以通过如下元素来进行结构表征：长节距Long Way of Mesh Dimension，简称LWD、短节距Short Way of Mesh Dimension，简称SWD、梗宽Strand Width，简称SW和梗厚StrandThickness，简称ST，本实施例附图中的拉伸网结构的部分尺寸如下，长节距为4mm，短节距为2.5mm、梗宽为1mm，梗厚为0.5mm，整体大小为16 mm×65 mm。
综上所述，本发明中，电池壳体采用环氧树脂材料，为竖状格栅结构，能够有效降低电池整体重量。再者，阳极集电板2采用嵌入式放置，阴极集电器5利用自身应力紧固，集电板集电器为流场板与集电极一体化，结构紧凑且便于组装和密封。另外，所述阳极集电板2为具有三维结构的鱼鳞状拉伸网，利用不锈钢塑性变形加工成型，无废料产生，节省时间和经济成本，且其独特的三维结构有利于气体排放，能够有效缓解“气淹”。同时，所述阴极集电器5利用不锈钢螺旋加工形成，简单易得且导电性能良好，其独特的螺旋结构为阴极侧排水提供了积极的方向，因而能够很好地实现综合性能优异的新型管状直接甲醇燃料电池。
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 (8)

1.一种新型管状直接甲醇燃料电池，其特征在于，包括栅形壳体(1)、阳极集电板(2)、阻醇层(3)、膜电极(4)和阴极集电器(5)，所述栅形壳体(1)呈筒形且下端封闭、上端开口并设有端盖(6)，所述栅形壳体(1)圆周壁均匀设置有若干竖状格栅，所述端盖(6)设置有连接各阳极集电板(2)的导线(9)，所述阳极集电板(2)、阻醇层(3)和膜电极(4)由内向外依次紧贴地设在所述栅形壳体(1)各竖状格栅之间且各膜电极(4)与栅形壳体(1)外周面共面，所述的阴极集电器(5)紧固在所述栅形壳体(1)的外周面且与各膜电极(4)紧密接触；
所述阳极集电板(2)为具有一定曲率的三维结构鱼鳞状拉伸网；
所述的阴极集电器(5)呈螺旋状并利用自身应力紧固在所述栅形壳体(1)的外周面与各膜电极(4)紧密接触。
2.根据权利要求1所述的新型管状直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述竖状格栅左右两侧设置有用于安装所述阳极集电板(2)的卡槽。
3.根据权利要求1所述的新型管状直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述阳极集电板(2)贴合所述阻醇层(3)一面的各节点为粗糙面，相对的另一面的各节点为光滑面。
4.根据权利要求1所述的新型管状直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述阳极集电板(2)的材料为不锈钢。
5.根据权利要求1所述的新型管状直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述栅形壳体(1)的材料为环氧树脂。
6.根据权利要求1所述的新型管状直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述阻醇层(3)的材料为碳纤维。
7.根据权利要求1所述的新型管状直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述阴极集电器(5)的材料为不锈钢。
8.根据权利要求1所述的新型管状直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述端盖(6)还设置有具有带气液分离膜的排气孔(7)、带密封塞的注液孔(8)。
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GR01 Patent grant
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