CN109950568A - 用于水收集及输运的直接甲醇燃料电池双层阴极结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水收集及输运的直接甲醇燃料电池双层阴极结构，所述双层阴极结构包括阴极集流板和阴极水收集板，其中：所述阴极水收集板的表面设置有超亲水界面区和超疏水界面区，超亲水界面区和超疏水界面区的交界处形成排水沟道；所述超亲水界面区在与阴极流场区相对应处设置阴极水收集区，阴极水收集区内开孔，开孔位置与阴极水收集板的开孔位置相同；所述排水沟道的内部为超亲水界面区，外部为超疏水界面区；所述排水沟道具有一入口和一出口，入口侧与阴极水收集区相连。该双层阴极结构可将原本均匀覆盖在阴极表面的水滴聚集并排出，防止阴极“水淹”现象，排除阴极水聚集对氧气传输的影响，提升直接甲醇燃料电池的工作稳定性。

Description

用于水收集及输运的直接甲醇燃料电池双层阴极结构

技术领域

本发明属于被动式直接甲醇燃料电池技术领域，涉及一种具有水收集及定向输运的双层阴极结构。

背景技术

随着移动计算、通信设备的高集成化和高性能化，可移动设备对相应的电源系统提出了更为严苛的要求。新一代的可移动电源系统需要具备高能量密度（即高能量储量，小体积及小重量）、启动速度快、输出功率高的特点。在此背景下，直接甲醇燃料电池凭借其高能量转化效率、高能量密度、燃料存放简单、便于补充等优点成为了可移动微型电源系统的全新发展方向。在目前仍有一些制约直接甲醇燃料电池应用发展的问题存在，阴极“水淹”现象即是其中之一：在直接甲醇燃料电池工作时，电池的阴极处会不断发生反应生成水，若不能及时排出，则会出现“水淹”现象，即水滴凝结并堵塞阴极空气入口，阻碍被动式燃料电池的自呼吸过程，从而导致燃料电池的输出能力下降。

目前针对这一问题主要的解决方案是通过优化阴极极板的开孔率，提高液态水的扩散以及气态水的蒸发速率，从而提高阴极的排水能力，但是在传统极板中，液态水的自主扩散现象并不明显，而气态水的蒸发主要依靠空气的传质，即空气流速的变化影响，优化开孔率对“水淹”现象的影响十分有限。近年来出现了使用多孔介质材料（例如铜或不锈钢纤维毡等）作为被动式直接甲醇燃料电池极板的设计，该设计大幅增大了阴极板上水与空气接触的面积，增快了水的蒸发，但本质上仍未改变阴极上水的分布，仍然存在空气与水传输相互受阻的问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种用于水收集及输运的直接甲醇燃料电池双层阴极结构。该双层阴极结构可将原本均匀覆盖在阴极表面的水滴聚集并排出，防止阴极“水淹”现象，排除阴极水聚集对氧气传输的影响，提升直接甲醇燃料电池的工作稳定性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于水收集及输运的直接甲醇燃料电池双层阴极结构，包括一层阴极集流板和一层阴极水收集板，其中：

所述阴极集流板的表面对应膜电极的位置设置有阴极流场区，阴极流场区内开孔；

所述阴极水收集板的表面设置有超亲水界面区和超疏水界面区，超亲水界面区和超疏水界面区的交界处形成排水沟道；

所述超亲水界面区在与阴极流场区相对应处设置阴极水收集区，阴极水收集区内开孔，开孔位置与阴极水收集板的开孔位置相同；

所述排水沟道的内部为超亲水界面区，外部为超疏水界面区；

所述排水沟道具有一入口和一出口，入口侧与阴极水收集区相连。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

本发明提出了一种全新的直接甲醇燃料电池的双层阴极结构，其可实现阴极反应所生成水的定向输运，防止“水淹”现象造成电池性能下降，而且排出的水得到收集，可通过循环回路进入阳极，实现阳极的补水。

附图说明

图1为本发明阴极水收集板的设计图；

图2为使用双层阴极结构的直接甲醇燃料电池装配示意图。

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2所示，本发明提供的用于水收集及输运的直接甲醇燃料电池双层阴极结构包括一层阴极集流板3和一层阴极水收集板2，其中：所述阴极集流板3与阴极催化层贴合，用于收集电流；所述阴极水收集板2不收集电流，而是通过表面改性的方式进行定向水输运，将阴极水经引水槽排出至储水槽，实现阴极排水的作用。

如图2所示，使用本发明所述双层阴极结构的直接甲醇燃料电池从左到右依次为阴极端板1、阴极水收集板2、阴极集流板3、膜电极4、阳极集流板5和阳极储液腔6，另外配合有密封用的硅胶垫7。

本发明中，所述阴极端板1与阳极储液腔6由有机塑料经铣削工艺加工而成，所述阴极端板1上开一个1mm的深凹槽，作为引水槽，延伸至端板下方；相对应的，阳极储液腔6下方加工一贯通槽，与阴极端板上的引水槽经装配配合形成储水槽8，所述引水槽和储水槽用于储存水收集板定向输运出的水，可进一步将其导回阳极，实现“阴极返水”功能，进一步提高电池效率。

本发明中，所述阴极集流板3与阴极水收集板2尺寸设计完全一致，以保证紧密贴合，其设计图如图2所示，阴极集流板3厚0.5mm，表面对应膜电极4的位置设置12mm×12mm的阴极流场区，其上开7×7阵列的孔，作为空气通路，阴极流场区内开孔率为38.5%，在阴极流场区的下方预留面积72mm²的区域以进行后续水输运沟道的处理。

本发明中，所述阴极水收集板2在与阴极流场区相对应处设置阴极水收集区，阴极水收集区内开孔，开孔位置与阴极水收集板2的开孔位置相同。阴极水收集板与阴极集流板上开孔经装配配合形成完整空气通路。

本发明中，如图1所示，所述阴极水收集板2通过表面改性形成超亲水界面区和超疏水界面区，超亲水界面区和超疏水界面区的交界处形成排水沟道，阴极水收集区位于超亲水界面区域。

本发明中，所述排水沟道具有一入口和一出口，其内部为超亲水界面区，外部为超疏水界面区。

本发明中，所述超疏水界面区的接触角至少为150°。

本发明中，所述排水沟道的入口侧与阴极水收集区相连，出口侧与引水槽相连。

本发明中，所述阴极水收集板2选用表面易处理的铝合金材质加工制成，对导电率与机械强度要求较低。具体实施加工与改性工艺为：

（1）取0.5mm厚的铝合金板材，按照设计尺寸进行激光雕刻，随后利用酒精和超纯水反复清洗几次并烘干表表面。

（2）取200ml的盐酸水溶液（2mol/L），将加工后的铝合金板放置其中浸泡5min，取出后用超纯水反复冲洗。

（3）将铝合金板放入超纯水中进行水热反应，温度保持在90-100℃持续4小时。经过水热处理的铝合金板表面将呈现出超亲水特性。

（4）对铝合金表面进行官能化处理，在室温下将样品浸入0.5%的FAS乙醇溶液中1小时，然后在120℃下干燥一小时，获得超疏水表面。

（5）按照设计图对获得的表面疏水铝合金板进行激光刻蚀，去除表面输出层，刻蚀出具有亲水界面的阴极水收集区与排水沟道。

本发明中，所述阴极集流板3由具有较高导电率与较高机械强度的材料制成，以尽量减少电池的接触阻抗，同时满足封装压力要求。例如：选用304不锈钢材质加工（根据需要可进一步对阴极集流板3进行镀金处理以进一步提升导电性），以保证双层流场板的贴合紧密且一致。

本发明中，所述阳极集流板5为304不锈钢材质；所使用的膜电极4加工工艺为现有加工工艺；最终双层阴极结构直接甲醇燃料电池通过螺丝紧固装配，保证封装压力。

本发明实现了双层阴极结构的制备及应用，通过对阴极水收集板的表面改性制备了指定形状的超亲水/超疏水界面，在应用于直接甲醇燃料电池时，直接甲醇燃料电池阴极产生的水聚集在双层阴极结构的水收集区，通过超亲水与超疏水界面上水分子间作用力束缚住水滴，水滴聚集后即在重力作用下沿着亲水的排水沟道快速排出至引水槽，并储存最终储存在储水槽中，从而实现了阴极水的定向排出，保证了水滴不分散分布在阴极表面，解决了直接甲醇燃料电池阴极“水淹”的问题。

Claims (10)

1.一种用于水收集及输运的直接甲醇燃料电池双层阴极结构，其特征在于所述双层阴极结构包括一层阴极集流板和一层阴极水收集板，其中：

所述阴极水收集板的表面设置有超亲水界面区和超疏水界面区，超亲水界面区和超疏水界面区的交界处形成排水沟道；

所述超亲水界面区在与阴极流场区相对应处设置阴极水收集区，阴极水收集区内开孔，开孔位置与阴极水收集板的开孔位置相同；

所述排水沟道的内部为超亲水界面区，外部为超疏水界面区；

所述排水沟道具有一入口和一出口，入口侧与阴极水收集区相连。

2.根据权利要求1所述的用于水收集及输运的直接甲醇燃料电池双层阴极结构，其特征在于所述阴极集流板与阴极水收集板尺寸设计完全一致。

3.根据权利要求1或2所述的用于水收集及输运的直接甲醇燃料电池双层阴极结构，其特征在于所述阴极集流板厚0.5mm。

4.根据权利要求1所述的用于水收集及输运的直接甲醇燃料电池双层阴极结构，其特征在于所述超疏水界面区的接触角至少为150°。

5.根据权利要求1所述的用于水收集及输运的直接甲醇燃料电池双层阴极结构，其特征在于所述阴极集流板选用304不锈钢材质加工。

6.根据权利要求1所述的用于水收集及输运的直接甲醇燃料电池双层阴极结构，其特征在于所述阴极水收集板选用铝合金材质加工制成。

7.一种使用权利要求1-6任一权利要求所述双层阴极结构的直接甲醇燃料电池，其特征在于所述直接甲醇燃料电池从左到右依次为阴极端板、阴极水收集板、阴极集流板、膜电极、阳极集流板和阳极储液腔。

8.根据权利要求7所述的直接甲醇燃料电池，其特征在于所述阴极端板与阳极储液腔由有机塑料经铣削工艺加工而成，阳极集流板为304不锈钢材质。

9.根据权利要求7所述的直接甲醇燃料电池，其特征在于所述阴极端板上开一个深凹槽作为引水槽，延伸至端板下方。

10.根据权利要求7所述的直接甲醇燃料电池，其特征在于所述阳极储液腔下方加工一贯通槽，与阴极端板上的引水槽经装配配合形成储水槽。