CN110212226A - 一种便携式球状直接甲醇燃料电池 - Google Patents

一种便携式球状直接甲醇燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种便携式球状直接甲醇燃料电池，包括基座、栅孔壳体、若干阳极集电板、催化层、阻醇层、膜电极、阴极集电器、外引导线，所述栅孔壳体呈圆球形或椭球形且下端封闭、上端开口并设有端盖，所述栅孔壳体的圆周壁沿周向均匀设置有若干与经线平行的弧状格栅，所述端盖设置有连接各阳极集电板的外引导线，所述阳极集电板、催化层阻醇层和膜电极弧度一致地由内向外依次紧贴地设在所述栅孔壳体各弧状格栅之间，且各膜电极与栅孔壳体外周面共面，所述阴极集电器呈弧形紧固在栅孔壳体的外周面且和对应的膜电极外表面紧密接触。本发明通过球形设计提高了电池的输出性能、体积功率比，同时可集合成堆栈实现大功率输出的同时便于后续维护。

Description

一种便携式球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，具体涉及一种便携式球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、膜电极在高度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、综合性能优异且便于携带的便携式球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，本发明公开了一种便携式球状直接甲醇燃料电池。
本发明的目的至少采用如下技术方案之一实现：
一种便携式球状直接甲醇燃料电池，包括基座、设置在基座上的栅孔壳体、若干阳极集电板、催化层、阻醇层、膜电极、阴极集电器、外引导线，所述栅孔壳体呈圆球形或椭球形且下端封闭、上端开口并设有端盖，所述栅孔壳体的圆周壁沿周向均匀设置有若干与经线平行的弧状格栅，所述端盖设置有连接各阳极集电板的外引导线，所述阳极集电板、催化层阻醇层和膜电极弧度一致地由内向外依次紧贴地设在所述栅孔壳体各弧状格栅之间，且各膜电极与栅孔壳体外周面共面，所述的阴极集电器呈弧形紧固在所述栅孔壳体的外周面且和对应的膜电极外表面紧密接触。
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，所述阳极集电板贴合所述催化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，所述弧状格栅的左右两侧设置有用于限位所述阳极集电板的弧形卡槽，方便安装拆卸同时防止在反应过程中阳极集电板的移动滑脱。
进一步地，所述阳极集电板和阴极集电器的材料为不锈钢，耐腐蚀且强度好。
进一步地，所述栅孔壳体的材料为环氧树脂；所述阻醇层的材料为碳纤维。所述栅孔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。所述碳纤维，使用静电纺丝工艺制作，能够有效阻止甲醇燃料穿透膜电极。
进一步地，所述的阴极集电器利用自身应力紧固在所述栅孔壳体的外周面且与各所述膜电极紧密接触。本方案中的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，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、催化层以及阳极集电板能够紧密贴合。
进一步地，所述端盖还设置有具有带气液分离膜的排气孔、带密硅胶封塞的注液孔。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。
进一步地所述基座是包括用于支托栅孔壳体的底座和疏导电流的弧形曲杆，所述曲杆的一端通过铰轴与底座活动铰接；所述底座顶面居中设置有与各阴极集电器相匹配的球面凹槽，所述球面凹槽的中心设有金属触头和所述阴极集电器电路连结，所述曲杆另一端的中部设有另一金属触头和外引导线自由端电路连结，所述底座内通过连接各金属触头的内部导线从所述底座下端的插头输出相应电流。
进一步地，所述的底座在与阴极集电器相切处还设置排水渠和排水孔，所述底座中部挖空设置有用于储水的中部储水区域，所述底座侧面设置有与所述中部储水区域相连用于排水的最终排水孔。在底座中部挖空用于储水同时降低基座整体重量，当反应结束之后打开底座侧面的排水口硅胶塞，使反应产物水流出。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、创新性地提出了球状直接甲醇燃料电池的设计结构与装配方式，电池的栅孔壳体为球体且带有弧状格栅结构，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，同时构成该电池的整体球状结构使之更加便于携带，提高相应的体积利用率。
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催化层之间，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、催化层位于阳极集电板和阻醇层之间，采用Pt金属催化氧化膜制成，其在相同条件下加快甲醇反应速率，同时减少因氧化不充分而产生的毒性副产物。
5、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。
6、阴极集电器采用不锈钢弯曲加工形成，导电性能良好，同时，其独特的花苞流线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便携式球状直接甲醇燃料电池。
7、基座采用环氧树脂，其中空储水部分的设计既可以极大程度上减轻基座的整体重量，也可以在最大速度上排出在阴极集电器上生成的水，消除水膜水滴堆积造成氧气供应减弱，最终导致反应速率降低的影响。
8、此整体设计构型设计合理可以通过连接多个球装电池配合使用，极大地提高了输出能量密度。
附图说明
图1是本发明实施例的便携式球状直接甲醇燃料电池剖视示意图；
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结构示意图；
图4是阳极集电板反面鱼鳞状拉伸网粗糙面结构示意图；
图5是球状直接甲醇燃料电池与基座配合侧视图；
图6是球状直接甲醇燃料电池多联使用侧视图。
图中所示为：1-栅孔壳体；2-阳极集电板；3-催化层；4-阻醇层；5-膜电极；6-阴极集电器；7-外引导线；8-基座；9-端盖；10-排气孔；11-注液孔；12-底座；13-曲杆。
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，一种便携式球状直接甲醇燃料电池，包括基座8、设置在基座8上的栅孔壳体1、若干阳极集电板2、催化层3、阻醇层4、膜电极5、阴极集电器6。所述栅孔壳体1呈圆球形且下端封闭、上端开口并设有端盖9，所述栅孔壳体1的圆周壁沿周向均匀设置有若干与经线平行的弧状格栅，所述弧状格栅的左右两侧设置有用于限位所述阳极集电板2的弧形卡槽。所述栅孔壳体1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、催化层3阻醇层4和膜电极5弧度一致地由内向外依次紧贴地设在所述栅孔壳体1各弧状格栅之间，且各膜电极5与栅孔壳体1外周面共面。所述的阴极集电器6呈弧形紧固在所述栅孔壳体1的外周面且和对应的膜电极5外表面紧密接触。
如图3和图4所示，所述阳极集电板2为具有三维结构的鱼鳞状拉伸网，其以弯曲弧状结构嵌入栅孔壳体1的所述弧状格栅左右两侧设置的弧形卡槽内，所述阳极集电板2贴合所述催化层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。所述催化层3、阻醇层4位于阳极集电板2和膜电极5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，同时加快甲醇与氧气反应速率，减少由于氧气不足而导致的副产物的产生，提高电池的输出性能。位于最外侧的各个阴极集电器6利用自身应力紧固，使得膜电极5、阻醇层4、催化层3以及阳极集电板2能够紧密贴合，采用不锈钢加工形成，易于加工且导电性能良好，同时，其流线曲面状的外壁结构为阴极侧排水提供了积极的方向。所述端盖9设置有注液孔10、排气孔11和外引导线7，其中，排气孔10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，外引导线7通过与各阳极集电板2直接接触导通电路。
所述的膜电极5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。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3~10%的双氧水、去离子水、0.5~1.5mol·L-1的稀硫酸溶液和去离子水中各1~1.5h，浸泡期间各溶液都处在75~85 ℃，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1.8~2.5MPa，温度为120 ~135℃，时间为1.5~4min。制备后的膜电极放入密封样品袋中保存。
所述催化层3中催化剂粉末美国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。其催化剂为Pt，载量为4±0.5mg·cm-2，阳极侧为Pt-Ru催化剂，载量为2±0.5mg·cm-2直接喷涂于膜电极5上。
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孔壳体内部。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。附图说明中仅为拉伸网结构的部分结构，只为展示说明其正反面不同的结构特征，而非本实例中使用结构。
如图5所示，所述基座8主体由环氧树脂制成，分为底座部分和曲杆13部分，底座12与曲杆13一端通过不锈钢轴所铰接，使得曲杆13可以绕不锈钢轴转动。底座12中部开有球面凹槽，其大小可以使球形电池下三分之一部分放入，在球面凹槽底部有铜制触头和阴极集电器6相接触用于导出电流。曲杆13另一端横杆中心位置同样设有与外引导线7相连用于导出电流的铜制触点。当放入球状电池正常工作时，电流通过触点从球状电池中导出流经基座外引导线从底座侧壁的插头流出。同时基座紧贴圆槽外沿设有与阴极集电器6外侧相切的环状排水渠，排水渠底部沿圆周方向均布有四个排水孔，所述底座12中部挖空设置有用于储水的中部储水区域，排水孔直通底座12的中部储水区域，用于储存阴极集电器生6成的水，所述底座侧面设置有与所述中部储水区域相连用于排水的最终排水孔，当反应结束打开底座12侧壁的最终排水孔将水流出。
综上所述，上述实施例中，栅孔壳体1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6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”。而且，所述阴极集电器6利用不锈钢加工形成，简单易得且导电性能良好，其独特的流线曲面状的外壁结构为阴极侧排水提供了积极的方向。同时，所述基座8利用环氧树脂加工而成，内部开设储水部分，既极大地降低了自身重量，同时解决了反应过程中产物水的暂时储存问题，基座将电池的电能导出方便利用，而连接多个基座的大功率输出方式能够很好地实现便携式球状直接甲醇燃料电池优异的综合性能。
与前述实施例不同的是，在本发明的另一个可行的实施例中，所述栅孔壳体1呈椭球形，其中，椭球形栅孔壳体1的长轴竖直设置。
如图6所示，在另一可行的实施例中，将多个如上述实施例所述装有球状电池的基座8串联成堆栈时，可输出较大功率电能，满足大功率工况的需要。
本发明的上述实施例创新性地提出了球状直接甲醇燃料电池的设计结构与装配方式，极大地提高了甲醇燃料电池的便携性能、有效减少了电池的重量和体积，提高了电池的输出性能、体积功率比，同时可将单电池集合成堆栈，大功率输出电能的同时又为后期检测维修提供了便捷。
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 (10)

1.一种便携式球状直接甲醇燃料电池，其特征在于，包括基座(8)、设置在基座(8)上的栅孔壳体(1)、若干阳极集电板(2)、催化层(3)、阻醇层(4)、膜电极(5)、阴极集电器(6)、外引导线(7)，所述栅孔壳体(1)呈圆球形或椭球形且下端封闭、上端开口并设有端盖(9)，所述栅孔壳体(1)的圆周壁沿周向均匀设置有若干与经线平行的弧状格栅，所述端盖(9)设置有连接各阳极集电板(2)的外引导线(7)，所述阳极集电板(2)、催化层(3)阻醇层(4)和膜电极(5)弧度一致地由内向外依次紧贴地设在所述栅孔壳体(1)各弧状格栅之间，且各膜电极(5)与栅孔壳体(1)外周面共面，所述的阴极集电器(6)呈弧形紧固在所述栅孔壳体(1)的外周面且和对应的膜电极(5)外表面紧密接触。
2.根据权利要求1所述的便携式球状直接甲醇燃料电池，其特征在于，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。
3.根据权利要求2所述的便携式球状直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述阳极集电板(2)贴合所述催化层(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所述的便携式球状直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述弧状格栅的左右两侧设置有用于限位所述阳极集电板(2)的弧形卡槽。
5.根据权利要求1所述的便携式球状直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述阳极集电板(2)和阴极集电器(6)的材料为不锈钢。
6.根据权利要求1所述的便携式球状直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述栅孔壳体(1)的材料为环氧树脂；所述阻醇层(3)的材料为碳纤维。
7.根据权利要求1所述的便携式球状直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述的阴极集电器(6)利用自身应力紧固在所述栅孔壳体(1)的外周面且与各所述膜电极(5)紧密接触。
8.根据权利要求1所述的便携式球状直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述端盖(9)还设置有具有带气液分离膜的排气孔(10)、带密硅胶封塞的注液孔(11)。
9.根据权利要求1所述的便携式球状直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述基座(8)是包括用于支托栅孔壳体(1)的底座(12)和疏导电流的弧形曲杆(13)，所述曲杆(13)的一端通过铰轴与底座(12)活动铰接；所述底座(12)顶面居中设置有与各阴极集电器(6)相匹配的球面凹槽，所述球面凹槽的中心设有金属触头和所述阴极集电器(6)电路连结，所述曲杆(13)另一端的中部设有另一金属触头和外引导线(7)自由端电路连结，所述底座(12)内通过连接各金属触头的内部导线从所述底座(12)下端的插头输出相应电流。
10.根据权利要求9所述的便携式球状直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述的底座(12)在与阴极集电器(6)相切处还设置排水渠和排水孔，所述底座(12)中部挖空设置有用于储水的中部储水区域，所述底座侧面设置有与所述中部储水区域相连用于排水的最终排水孔。
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