CN115395040A - 一种被动燃料电池阳极集流板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种被动液体燃料电池阳极集流板，旨在提高燃料电池的能量密度。本发明在45‑55％开孔率的集流板正表面设置阵列微结构凸起；并且在集流板正反双表面进行表面改性，形成气液双向导流通道。本发明用以降低集流板与扩散层之间的接触电阻并提高电池内部反应溶液传质能力、加速副产物CO2排出，从而提高燃料电池的能量密度。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种被动燃料电池阳极集流板。
背景技术
燃料电池可以将燃料的化学能直接转换转变为电能。电池运行时，阴阳极分别发生氧化和还原反应，电子沿外电路产生电流。被动式燃料电池由于发电系统简单、能量密度高、环境友好等优势，是成为新一代便携式供能系统的最可靠来源。
单体被动式燃料电池通常含有阴极和阳极两个集流板。传统被动燃料电池集流板采用平行、蛇形、点状和交指流场，创新型流场有树突、迷宫、仿生和3D流场等。流场设计会直接影响电池内部的欧姆阻抗、传质阻抗和物料管理。如果不能有效的降低接触电阻，并促进阳极侧物料传质和排出气体，那么燃料电池的能量密度会显著降低。然而，降低接触电阻和平衡气液两相的研究并没有在以往的流场设计中看到有效的结合。
发明内容
本发明的目的在于提供一种被动燃料电池阳极集流板，用以降低集流板与扩散层之间的接触电阻并提高电池内部传质能力、加速CO2排出，从而提高燃料电池的能量密度。
实现本发明目的的技术方案为：
一种被动燃料电池阳极集流板，包括板体，所述板体上制有多个通孔，多个通孔均匀排布在所述板体的中部；所述板体具有正面和反面，所述正面在组装成电池后朝向电池的阳极扩散层，所述反面在组装成电池后朝向电池的燃料贮罐，所述正面制有多个凸起部，多个凸起部均匀设置在所述通孔之间，所述反面制有疏水部，所述疏水部由多个导流槽组成，所述导流槽与各个通孔连通，所述正面除凸起部外的表面制成亲水面。
进一步地，所述亲水面的固液接触角为0～60°。优选0～10°。
进一步地，所述疏水部的固液接触角为90～160°。优选150～160°。
进一步地，所述通孔为圆形或方形或长条形或蛇形或分形。优选为圆形，所述多个通孔面积的总面积为板体正面面积的45～55％。
进一步地，所述导流槽的深度为0.2～0.3mm。
进一步地，所述凸起部的高度为0.2～0.3mm，凸起部的横向切面为圆形或多边形。优选为圆形，直径为0.2～0.4mm。
进一步地，所述亲水面的制备方法为：在所述正面刻蚀构建规则的微纳结构。所述的微纳结构尺寸为5微米，形状为条纹。
进一步地，所述板体材料为316L不锈钢或合金材料。
本发明的优点和有益效果：
1.本发明在集流板正反双表面进行表面改性，形成气液双向导流通道。将降低接触电阻和平衡气液两相进行了有效的结合。
2.本发明集流板朝向扩散层一侧设有新型流场。其中，所述流场通过设置阵列微结构凸起部，增大集流板与扩散层之间的压力，使两者接触更加紧密，从而减小两者间接触电阻；同时微结构凸起部形成的空腔有利于气液两相的传质。
3.本发明集流板设有气液双向导流通道，通道可以对气体和反应溶液同时进行定向导流。引导反应溶液从燃料贮罐渗入扩散层发生反应；引导气体从扩散层达到燃料贮罐，从而快速排出体系，确保阳极流场内的气液两相正常分布。
附图说明
图1为本发明实施例的电池爆炸结构示意图；
图2为集流板表面结构示意图；
图3为集流板正面结构放大图；
图4为集流板反面结构放大图；
1、燃料贮罐；2、阳极集流板；3、阳极扩散层；4、膜电极；5、阴极扩散层；6、阴极集流板；21、正面；22、反面；23、正面密封部；24、反面密封部；25、螺栓孔；26、阵列圆孔、27、凸起部；211、亲水面；271、凸起部顶面；272、凸起部侧壁；221、疏水部。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
本实施例提供一种被动燃料电池阳极集流板。本实施例中的集流板可应用于单电池中，但不限于此。反应物料为甲醇等。集流板的设计包括流场结构和表面改性。
结合图1，阳极集流板2密封安装在燃料贮罐1与阳极扩散层3中间，本实施例提供的燃料电池还包括膜电极4，阴极扩散层5，阴极集流板6以及相应的固定结构。
结合图2，本发明涉及的阳极集流板2为15mm×15mm大小、0.4mm厚的316L不锈钢板，包括：正面21与反面22、正面密封部23与反面密封部24、起固定作用的螺栓孔25。
结合图2，阳极集流板2与阳极扩散层3接触的正面21包括阵列圆孔26和形成阵列的凸起部27；与燃料贮罐1接触的反面22包括疏水部221。
上述集流板阵列圆孔26与凸起部27，通过“双面光刻—双面蚀刻”工艺制作，首先在不锈钢板的正面蚀刻阵列凸起部27，然后在具有阵列微结构凸起的正面光刻阵列圆孔。接着，在反面光刻阵列圆孔。最后，采用不锈钢蚀刻工艺，两面同时蚀刻至对穿，并去除光刻胶。
结合图3，反应物料由阵列圆孔26流向阳极扩散层3，生成的CO2气体通过阵列圆孔26排出体系。所述凸起部27间隔设置在阵列圆孔26之间，将原有的平面接触变为点接触，使接触更加充分，有效降低接触电阻。凸起部27间隔设置，形成导流槽空腔，反应溶液可以均匀分布在导流槽空腔内，使阳极扩散层3同反应物料接触面积提高。导流槽空腔同样有利于将CO2排出体系。
疏水性是一种趋向于不溶于水的性质，而亲水性是一种对水具有亲合力的性质。在本实施例中，亲水性意味着液体表面和固体表面之间的接触角小于60°，疏水性意味着液体表面和固体表面之间的接触角大于90°。
本发明中集流板表面亲水及疏水性的制备流程为：在集流板上选取正面及反面区域，使用纳秒激光进行刻蚀，构建规则的微纳结构，此时正面及反面的表面均呈亲水性，再将集流板反面放置低表面能修饰液中，进行低表面能工艺处理，之后放入烘箱加热，制备出超疏水的集流板反面。此时集流板正面除凸起部外均呈现为亲水性，反面呈现为疏水性。
结合图3，所述集流板正面21设有定向导流通道，包括：在正面21除阵列圆孔26、凸起部27之外的区域设置亲水面211。可以对气体和液体进行导流，快速将气体排出空腔，抑制空腔壁面对气体的黏附，并吸引反应溶液向扩散层传质。
结合图4，所述集流板反面22设有定向导流通道，包括：在所述阵列圆孔26之间设置疏水部221。树状疏水部221可以对气体和液体进行导流，促使反应溶液脱离疏水部221进入圆孔，并将从圆孔溢出的气体快速排出燃料贮罐。
电池反应过程中，集流板反面的疏水部221对燃料贮罐1内的反应溶液进行导流，使溶液涌入疏水部周围的阵列圆孔26，与正面的亲水面211接触，亲水表面破坏掉水滴的表面张力，使溶液铺满亲水表面，快速导向阳极扩散层3。另一方面，由于扩散层正对着正面的亲水面211，亲水面211抑制了气体的黏附，扩散层鼓出的CO2气体会很快的逃离出集流板正面21，通过阵列圆孔26排出，反面的树状疏水部221则会形成定向通道，引导气泡快速排出体系。
本发明的上述实施例仅是为了清楚说明本发明所创的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所述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和变动。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)
1.一种被动液体燃料电池阳极集流板，其特征在于，包括板体，所述板体上制有多个通孔，多个通孔均匀排布在所述板体的中部；所述板体具有正面和反面，所述正面在组装成电池后朝向电池的阳极扩散层，所述反面在组装成电池后朝向电池的燃料贮罐，所述正面制有多个凸起部，多个凸起部均匀设置在所述通孔之间，所述反面制有疏水部，所述疏水部由多个导流槽组成，所述导流槽与各个通孔连通，所述正面除凸起部外的表面制成亲水面。
2.根据权利要求1所述的被动燃料电池阳极集流板，其特征在于，所述亲水面的固液接触角为0～60°。
3.根据权利要求1所述的被动燃料电池阳极集流板，其特征在于，所述疏水部的固液接触角为90°～160°。
4.根据权利要求1所述的被动燃料电池阳极集流板，其特征在于，所述通孔为圆形或方形或长条形或蛇形或分形。
5.根据权利要求1所述的被动燃料电池阳极集流板，其特征在于，所述导流槽的深度为0.2～0.3mm。
6.根据权利要求1所述的被动燃料电池阳极集流板，其特征在于，所述多个通孔面积的总面积为板体正面面积的45～55％。
7.根据权利要求1所述的被动燃料电池阳极集流板，其特征在于，所述凸起部的高度为0.2～0.3mm，凸起部的横向切面为圆形或多边形。
8.根据权利要求1所述的被动燃料电池阳极集流板，其特征在于，所述亲水面的制备方法为：在所述正面刻蚀构建规则的微纳结构。
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