CN110957501B - 用于甲醇燃料电池的双面十字交错多孔流场板及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于甲醇燃料电池的双面十字交错多孔流场板及制备方法，所述双面十字交错多孔流场板上设置有若干的孔，所述双面十字交错多孔流场板正面有若干平行的凹槽，反面有若干与正面凹槽垂直的凹槽，所述双面十字交错多孔流场板用过硫酸铵溶液浸泡。所述双面十字交错多孔流场板的制备方法，包括步骤：(1)基板的清洗；(2)基板的一次犁切成形；(3)翻转基板的二次犁切成形；(4)双面十字交错多孔流场板的亲水性处理。本发明的双面十字交错多孔流场板的两面栅状沟槽及相应的孔洞结构有利于阳极侧CO2的生成和排除，可有效解决CO2聚集阻塞甲醇供给的问题，防止出现亲水表层脱落的现象，促进电池综合性能提升。
Description
技术领域
本发明涉及被动式直接甲醇燃料电池技术领域，特别涉及用于甲醇燃料电池的双面十字交错多孔流场板及制备方法。
背景技术
人类及社会的发展离不开能源，目前基于化石燃料的能源利用方式不仅转化效率低(热机一般为30％～40％)，浪费资源，还会不可避免的产生大量有害气体，严重污染环境。而且随着一些高速发展的新兴领域(如民用无人机、代步平衡车等)、日新月异的热点产业(如移动通讯、移动办公等消费电子产品)甚至要求极高的军事领域(如侦测传感器、无线电装置不间断电源等)，传统的化学电池，如锂离子电池、镉镍电池已经在结构、环境保护、连续使用寿命等方面越来越不能满足要求。特别是现有产品在电源的能量(容量)和续航能力方面遭遇前所未有的瓶颈。在这样的大背景下，燃料电池技术再次成为国内外的研究热点。直接甲醇燃料电池(简称DMFC)因为原料丰富，工作温度低，理论比能量高，快速加燃料，燃料便于储存，环境友好和使用安全等特点有着良好的应用前景。
然而，在被动式直接甲醇燃料电池中，一直存在由甲醇穿透引起的阳极侧“中毒”、由水穿透引起的阴极“水淹”以及蒸汽式电池中的“阳极缺水”等基础科学问题(李苗苗.μDMFC阳极流场气液输运及流场结构微细加工研究[D].大连理工大学,2012.)。其中不同结构的流场板能改善以上的问题，进而提升电池的输出性能。但是，现有的一些流场板如栅状流场板由于开孔面积过大，不利于CO2气泡长大和排出(王奥宇.直接甲醇燃料电池异形流场对产物管理的可视化研究[D].华南理工大学,2018.)；孔状流场板不能对阳极CO2气泡进行有效的疏导，阻碍了催化反应的高效进行(周波.超疏水多孔流场板的制造及在被动式直接甲醇燃料电池中的作用机理[D].华南理工大学,2016.)。
发明内容
针对现有技术存在的缺点和不足，本发明公开了用于甲醇燃料电池的双面十字交错多孔流场板及制备方法，基体经过两次交错角为90°的双面(正反面)犁切工艺成形制得，随后结合过硫酸铵溶液处理，增加亲水性，有利于产物水的吸收。而且该方法制作过程简单、高效、成本低廉、有利于其在被动式液态和气态直接甲醇燃料电池中的应用。
一种双面十字交错多孔流场板，所述双面十字交错多孔流场板上设置有若干的孔，所述双面十字交错多孔流场板正面有若干平行的凹槽，反面有若干与正面凹槽垂直的凹槽，所述双面十字交错多孔流场板用过硫酸铵溶液浸泡。
进一步地，所述双面十字交错多孔流场板的孔隙率为30％～50％。
进一步地，所述双面十字交错多孔流场板的厚度为1～3mm。
进一步地，所述双面十字交错多孔流场板的材料为铜板、石墨板、铝板或者不锈钢板。
进一步地，所述双面十字交错多孔流场板经过两次交错角为90°的双面犁切工艺成形制得。
所述双面十字交错多孔流场板的制备方法，包括如下步骤：
(1)基板的清洗：将基板置于丙酮中，超声浸泡2～5min，之后使用去离子水清洗干净，使用鼓风干燥箱烘干；
(2)基板的一次犁切成形：将步骤(1)烘干后的基板装夹于牛头刨床的虎钳上，使用百分表将基板表面校准至水平，对刀并设置加工间距为0.5～1mm，加工深度为基板厚度的60％～80％；
(3)基板的二次犁切成形：将步骤(2)成形后基板翻转过来，再一次使用百分表将基板表面校准至水平，对刀并设置加工间距为0.5～1mm，加工深度为基板厚度的60％～80％，加工完成制得双面十字交错多孔流场板；
(4)双面十字交错多孔流场板的亲水性处理：将步骤(3)中所得的双面十字交错多孔流场板置于丙酮中，超声浸泡2～5min，之后使用去离子水清洗干净，使用鼓风干燥箱烘干，将阳极侧的双面十字交错多孔流场板使用过硫酸铵溶液完全浸泡，将阴极侧的双面十字交错多孔流场板使用过硫酸铵溶液浸泡至一次犁切成形的深度。
进一步地，所述过硫酸铵溶液浓度为10wt％～30wt％。
进一步地，所述过硫酸铵溶液浸泡时间为10～30min。
一种含有所述的双面十字交错多孔流场板的甲醇燃料电池，所述甲醇燃料电池为被动式直接甲醇燃料电池，所述被动式直接甲醇燃料电池包括阴极端盖、第一硅胶垫片、第二硅胶垫片、阴极侧集电板、阳极侧集电板、第一聚四氟乙烯垫片、第二聚四氟乙烯垫片、质子交换膜和阳极燃料腔；所述阴极端盖、第一硅胶垫片、阴极侧集电板、第一聚四氟乙烯垫片、质子交换膜、第二聚四氟乙烯垫片，阳极侧集电板、第二硅胶垫片和阳极燃料腔依次排列，所述阴极侧集电板、阳极侧集电板和质子交换膜上面均设置有双面十字交错多孔流场板，并双面十字交错多孔流场板设置在阴极侧集电板、阳极侧集电板的中间。
进一步地，所述阴极侧集电板上的双面十字交错多孔流场板和阳极侧集电板上的双面十字交错多孔流场板为中心对称。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
(1)双面十字交错多孔流场板的两面栅状沟槽及相应的孔洞结构有利于阳极流场板板内CO2的运输和排除，可有效解决CO2聚集阻塞甲醇供给的问题；
(2)阴极侧实现水反补，使得阴极侧产生的水能够反补回阳极侧，防止水淹，间接阻碍甲醇穿透；
(3)同时犁切工艺简单，基体沟槽结构的表面强度高，有效防止出现亲水表层脱落的现象，综合使得电池性能提升。
附图说明
图1是本实施例装有双面十字交错多孔流场板的被动式直接甲醇燃料电池的装配示意图；
图2是本实施例双面十字交错多孔流场板的加工示意图；
图3是本实施例双面十字交错多孔流场板的正视图；
图4是本实施例在甲醇浓度为8M的情况的电池性能图；
图中：1-阴极端盖，2-第一硅胶垫片，21-第二硅胶垫片，3-阴极侧集电板，31-阳极侧集电板，4-第一聚四氟乙烯垫片，41-第二聚四氟乙烯垫片，5-质子交换膜，6-阳极燃料腔,7-双面十字交错多孔流场板。
具体实施方式
为进一步理解本发明，下面对本发明的优选实施例进行详细的描述。但是需要说明的是，本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。该领域的技术工程师可根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
如图1所示，一种含有双面十字交错多孔流场板的被动式直接甲醇燃料电池，所述被动式直接甲醇燃料电池包括阴极端盖1、第一硅胶垫片2、第二硅胶垫片21、阴极侧集电板3、阳极侧集电板31、第一聚四氟乙烯垫片4、第二聚四氟乙烯垫片41、质子交换膜5和阳极燃料腔6；所述阴极端盖1、第一硅胶垫片2、阴极侧集电板3、第一聚四氟乙烯垫片4、质子交换膜5、第二聚四氟乙烯垫片41，阳极侧集电板31、第二硅胶垫片21和阳极燃料腔6依次排列，所述阴极侧集电板3、阳极侧集电板31和质子交换膜5上面均设置有双面十字交错多孔流场板7，双面十字交错多孔流场板7设置在阴极侧集电板3、阳极侧集电板31的板中间。
所述阴极侧集电板3上的双面十字交错多孔流场板7和阳极侧集电板31上的双面十字交错多孔流场板7为中心对称。
所述流场板上设置有若干的孔，所述双面十字交错多孔流场板7正面有若干平行的凹槽，反面有若干与正面凹槽垂直的凹槽，所述双面十字交错多孔流场板7用过硫酸铵溶液浸泡。
所述双面十字交错多孔流场板7空隙率为30％～50％,厚度为1～3mm。
阴极侧集电板3上的双面十字交错多孔流场板7面向空气的一侧为疏水处理。在机加工完成之后，如果流场板没有经过其他特殊处理，只是简单清洗，去除杂质和油污，则多孔流场板一般都具有一定的疏水性。进一步提高集电板的疏水性，可以将其浸泡在NaOH(浓度为3mol L-1)和K2S2O8(浓度0.2mol L-1)的去离子水溶液中5min，取出，去离子水清洗，风干；然后在具有氢气的保护炉中500℃下保温2h，取出后浸泡在0.01mol L-1硬脂酸乙醇中3天，进行疏水处理，取出，用丙酮清洗干净，风干，可以得到疏水结构。(因为被动式直接甲醇燃料电池的阴极侧在反应时会产生水，如果水不能有效及时地排出，那么就会产生水淹现象，进而影响电池的电化学反应的进行，而亲水结构可以及时将反应生成的水吸走，通过空气侧的疏水结构将产物水排出，而不会吸附在双面十字交错多孔流场的表面结构上)。双面十字交错多孔流场板7面向质子交换膜5的一侧为亲水结构。流场板经过过硫酸铵的处理之后，集电板上的结构会变得更加的细小均匀粗糙，对水的结合性会增强。进一步提高集电板的疏水性可以用到NaOH(浓度为3mol L-1)和K2S2O8(浓度0.2mol L-1)的去离子水溶液中5min，取出，去离子水清洗，风干；可以的得到疏水结构。同时，阳极侧集电板31的双面十字交错多孔流场板7为亲水结构。
双面十字交错多孔流场板7的原理如下：在阴极侧，空气通过阴极端盖1进入到阴极侧集电板3上的双面十字交错多孔流场板7，到达质子交换膜5的电极区域反应，阴极反应产物水在双面十字交错多孔流场板7的疏水排斥作用下，使得水不能从阴极侧少量地排出，不断地积累，并向阳极区水浓度低的区域扩散，而参与阳极区的电极反应，从而实现阴极水反补。同时，水的反补运动可以抑制阳极甲醇向阴极区穿透，对提高电池的输出性能，提高燃料利用率具有促进作用，所述的阴极侧集电板3上的双面十字交错多孔流场板7能够防止阳极水分流失，为阳极侧的反应提供必要的水分，保证电极反应的顺畅进行。
一种制备所述的双面十字交错多孔流场板的方法，选用铜板作为基体，包括如下步骤：
步骤(1)、铜基板的清洗：将准备好的厚度为1mm铜基板置于丙酮中，超声浸泡2min，之后使用去离子水清洗干净，使用鼓风干燥箱烘干；
步骤(2)、铜基板的一次犁切成形：将步骤(1)烘干后的铜板装夹于牛头刨床的虎钳上。使用百分表将铜基体表面校准至水平，对刀，设置加工间距为0.5mm，加工深度为0.6mm(占铜基体厚度的60％)；
步骤(3)、铜基板的二次犁切成形：将步骤(2)成形后铜基板翻转过来，再一次使用百分表将铜基体表面校准至水平，对刀，设置加工间距为0.5mm，加工深度为0.6mm(占铜基体厚度的60％)，制得如图2所示的双面十字交错多孔流场板7。
步骤(4)、双面十字交错多孔流场板的亲水性处理：将步骤(3)中所得的二次犁切成形的双面十字交错多孔流场板7置于丙酮中，超声浸泡2min，之后使用去离子水清洗干净，使用鼓风干燥箱烘干。将阳极侧的双面十字交错多孔流场板7用浓度为20wt％过硫酸铵溶液完全浸泡10min。将阴极侧的双面十字交错多孔流场板7使用浓度为20wt％过硫酸铵溶液浸泡至一次犁切成形的深度，浸泡时间为10min，得到如图3所示的双面十字交错多孔流场板7。
通过本次处理之后阳极侧集电板31上的双面十字交错多孔流场板7是完全亲水状态，阴极侧集电板3上的双面十字交错多孔流场板7是一侧疏水，一侧亲水状态。同时，双面十字交错多孔流场板7的孔隙率达到50％。
将以上步骤制得双面十字交错多孔流场板7与普通的开孔流场板按图1的方式装配被动直接甲醇燃料电池，在8M的甲醇浓度条件下进行测试，如图4所示，发现双面十字交错多孔流场板7的输出功率密度达到8mW cm-2，比普通开孔流场板的7mW cm-2要高，说明了新型流场板的有效性。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。
Claims (9)
1.一种双面十字交错多孔流场板的制备方法，其特征在于：所述双面十字交错多孔流场板（7）上设置有若干的孔，所述双面十字交错多孔流场板（7）正面有若干平行的凹槽，反面有若干与正面凹槽垂直的凹槽，所述双面十字交错多孔流场板（7）用过硫酸铵溶液浸泡；制备方法包括如下步骤：
(1) 基板的清洗：将基板置于丙酮中，超声浸泡2~5 min， 之后使用去离子水清洗干净，使用鼓风干燥箱烘干；
(2) 基板的一次犁切成形：将步骤(1) 烘干后的基板装夹于牛头刨床的虎钳上，使用百分表将基板表面校准至水平，对刀并设置加工间距为0.5~1 mm，加工深度为基板厚度的60%~80%；
(3) 基板的二次犁切成形：将步骤(2)成形后基板翻转过来，再一次使用百分表将基板表面校准至水平，对刀并设置加工间距为0.5~1 mm，加工深度为基板厚度的60%~80%，加工完成制得双面十字交错多孔流场板（7）；
(4) 双面十字交错多孔流场板（7）的亲水性处理：将步骤(3)中所得的双面十字交错多孔流场板（7）置于丙酮中，超声浸泡2~5 min，之后使用去离子水清洗干净，使用鼓风干燥箱烘干，将阳极侧的双面十字交错多孔流场板（7）使用过硫酸铵溶液完全浸泡，将阴极侧的双面十字交错多孔流场板（7）使用过硫酸铵溶液浸泡至一次犁切成形的深度。
2.根据权利要求1所述的一种双面十字交错多孔流场板的制备方法，其特征在于：所述双面十字交错多孔流场板（7）的孔隙率为30%~50%。
3.根据权利要求1所述的一种双面十字交错多孔流场板的制备方法，其特征在于：所述双面十字交错多孔流场板（7）的厚度为1~3 mm。
4.根据权利要求1所述的一种双面十字交错多孔流场板的制备方法，其特征在于：所述双面十字交错多孔流场板（7）的材料为铜板、石墨板、铝板或者不锈钢板。
5.根据权利要求1所述的一种双面十字交错多孔流场板的制备方法，其特征在于：所述双面十字交错多孔流场板（7）经过两次交错角为90°的双面犁切工艺成形制得。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述过硫酸铵溶液浓度为10 wt%~30wt%。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述过硫酸铵溶液浸泡时间为10~30min。
8.一种含有权利要求1所述的一种双面十字交错多孔流场板的甲醇燃料电池，所述甲醇燃料电池为被动式直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述被动式直接甲醇燃料电池包括阴极端盖（1）、第一硅胶垫片（2）、第二硅胶垫片（21）、阴极侧集电板（3）、阳极侧集电板（31）、第一聚四氟乙烯垫片（4）、第二聚四氟乙烯垫片（41）、质子交换膜（5）和阳极燃料腔（6）；所述阴极端盖（1）、第一硅胶垫片（2）、阴极侧集电板（3）、第一聚四氟乙烯垫片（4）、质子交换膜（5）、第二聚四氟乙烯垫片（41）、阳极侧集电板（31）、第二硅胶垫片（21）和阳极燃料腔（6）依次排列，所述阴极侧集电板（3）、阳极侧集电板（31）和质子交换膜（5）上面均设置有双面十字交错多孔流场板（7），并双面十字交错多孔流场板（7）设置在阴极侧集电板（3）、阳极侧集电板（31）的中间。
9.根据权利要求8所述的被动式直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述阴极侧集电板（3）上的双面十字交错多孔流场板（7）和阳极侧集电板（31）上的双面十字交错多孔流场板（7）为中心对称。
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