CN1305156C - 空气自呼吸式微型直接醇类燃料电池结构与制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池技术，特别是一种直接醇类燃料电池的结构与制作方法。其由隔板、密封件、端板和固紧装置组成，其特征在于，其隔板两侧为密封件，密封件外侧为膜电极体，膜电极体外侧为端板，端板四周边有固紧装置。本发明将集流网的一端与某一单电池的阳极完全接触，而另一部分则与其相邻的单电池的阴极完全接触，将带有集流网的阳极、阴极和电解质膜热压形成膜电极体，从而得到带有多个单电池，且各个单电池都已经连接好的电池组。本发明由于将集流网与电极的扩散层直接压在一起，减小了集流网与电极之间的接触电阻，有效的提高了电池的性能。

Description

空气自呼吸式微型直接醇类燃料电池结构与制作方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术，特别是一种直接醇类燃料电池的结构与制作方法。

背景技术

近年来，便捷式电子产品快速发展，但目前市面上存在的各种电池价格贵、能量密度较低、使用寿命较短，而且还存在着各种各样的废弃处理问题。因此，功率在几瓦到几百瓦、高能量密度、使用寿命长、无污染的移动电源需求迫切。

燃料电池是将燃料和氧化剂的化学能直接转变为电能的一种电化学反应装置。由于发电时无污染、无噪音、能量转换效率高、使用寿命长，因此在国防通讯、航天交通、移动电源等领域有着广泛的应用前景。

直接醇类燃料电池由于能量密度高、资源丰富、电池系统简单、制备成本低廉，尤其是常温空气自呼吸式微型直接醇类燃料电池，常温下不需要任何辅助设备，能量转化效率高，在便捷式移动电源方面具有广阔的应用前景。

直接醇类燃料电池是以甲醇、乙醇、乙二醇、乙醚、甲酸等有机小分子液体为燃料，氧气(或者空气)为氧化剂，通过在电极上发生电化学反应产生电能的电化学装置。目前，直接醇类燃料电池大多采用板框式设计，即将双极板与膜电极间隔排列。通常采用强制甲醇循环进料在阳极氧化，阴极则通入一定压力的纯氧(或空气)。电池系统包括很多的组件，如物料平衡系统、水热管理系统、温控系统、传感监测系统等。而空气自呼吸式微型直接醇类燃料电池阳极醇类燃料直接进料，阴极直接与空气接触，利用自由扩散机理传递氧气来进行发电。这种结构系统简单、操作方便、比能量密度高(约为锂离子电池的10倍)、在移动电源方面具有广阔的应用前景。

下列文献介绍了几种正在采用的空气自呼吸式直接甲醇燃料电池：

美国专利1[US 6596422]介绍了一种空气自呼吸式直接甲醇燃料电池。将两个单电池膜电极(MEA)的阳极相对放置，在两个阳极之间形成空腔，注入甲醇溶液；两个阴极向外，暴露在空气中，外加端板固定整个系统。但其结构只适用于两个单电池，且电流不易引出。

美国专利2[US 6497975]介绍了一种带有微型泵和甲醇传感器的直接甲醇燃料电池。它采用微型泵来进行阳极甲醇溶液循环进料，其中微型泵所需动力由直接甲醇燃料电池自身提供。阴极则直接与空气接触，利用自由扩散使氧气在其上发生还原反应，从而发电。其虽然阴极是直接与空气接触，但是阳极则利用微型泵使甲醇循环进料，不仅使系统增加了微型泵，甲醇传感器等器件，还会消耗电池的功率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的空气自呼吸式微型直接醇类燃料电池的结构与制作方法。这种结构的最大优点就是解决了电池的集流和密封问题，以及各个单电池之间的连接问题，有效降低电池内阻，提高电池性能，降低制备成本。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种空气自呼吸式微型直接甲醇燃料电池，由隔板、密封件、端板和固紧装置组成，其特征在于，其隔板两侧为密封件，密封件外侧为膜电极体，膜电极体外侧为端板，端板四周边有固紧装置。

所述的微型直接甲醇燃料电池，其膜电极体由许多单个的膜电极和集流网组成，这些单个的膜电极的阳极和阴极分别位于膜电极体的两侧，集流网穿过两相邻膜电极的中间，它的一端与一膜电极的阳极相连，另一端与该膜电极相邻的膜电极的阴极相连，采用多个集流网依次连接多个膜电极；集流网的外侧有密封框；密封框的四周边有通孔。

所述的微型直接甲醇燃料电池，其所述固紧装置为螺母螺杆。

所述的微型直接甲醇燃料电池，其所述密封框的通孔与隔板、端板四周边的通孔相适配。

所述的微型直接甲醇燃料电池，其所述集流网为金属网。

所述的微型直接甲醇燃料电池，其所述金属网是铂网、金网、铁网、不锈钢网、镍网、钛网或带有镀层的金属网。

所述的微型直接甲醇燃料电池，其所述密封框的材料为聚酯、涤纶、聚四氟乙烯。

一种空气自呼吸式微型直接甲醇燃料电池的制作方法，其包括以下步骤：

a)将质子交换膜在使用之前进行预处理，备用；

b)在热压机内，将电极摆在最外面，质子交换膜置于最中间，电极由扩散层与催化层组成，电极的催化层要面向质子交换膜；

c)以热压成型，得到单电池膜电极；

d)通过多个集流网将多个单电池膜电极连接在一起，即一片集流网的一端与一膜电极的阴极相连接，另一端与该膜电极相邻的膜电极的阳极相连接，与两端膜电极相连接的集流网可以直接引出，所有单电池膜电极阴极或阳极应在同一侧；再在最外面加密封框；

e)以热压成型，得电池膜电极体；

f)重复b)c)d)e)步，得复数个电池膜电极体；

g)将密封件置于隔板的两侧，再将所得两电池膜电极体分别置于其两外侧；

h)将端板置于两最外侧后，以固紧装置固定，得燃料电池成品。

一种空气自呼吸式微型直接甲醇燃料电池的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

i)将质子交换膜在使用之前进行预处理，备用；

j)在热压机内，将电极摆在最外面，质子交换膜置于最中间，电极由扩散层与催化层组成，电极的催化层要面向质子交换膜；

k)将j)步中所得的多个单电池膜电极组件按顺序摆好，通过一片集流网的一端与一膜电极的阴极相连接，另一端与该膜电极相邻的膜电极的阳极相连接，与两端膜电极相连接的集流网可以直接引出，所有单电池膜电极阴极或阳极应在同一侧；再在最外面加密封框；

l)再热压成型，得电池膜电极体；

m)重复i)j)k)l))步，得复数个电池膜电极体；

n)将密封件置于隔板的两侧，再将所得两电池膜电极体分别置于其两外侧；

o)将端板置于两最外侧后，以固紧装置固定，得燃料电池成品。本发明提供的这种结构适用于质子交换膜燃料电池，尤其适合室温自呼吸式直接醇类燃料电池组的制备。

室温下直接醇类燃料电池输出电压较低，如直接甲醇燃料电池中，单电池理论电动势为1.18V，但实际上每个单电池的开路电压仅为0.6～0.7V，必须将多个单电池串联起来才能使用，电池系统比较复杂。本发明的电池结构如下：

将集流网的一部分与某一单电池的阳极完全接触，而另一部分则与其相邻的单电池的阴极完全接触，将带有集流网的阳极、阴极和电解质膜热压形成膜电极体，从而得到带有多个单电池，且各个单电池都已经连接好的电池组。采用厚度较小的金属网作为集流网，如铂网、金网、铁网、不锈钢网、镍网、钛网或带有镀层的金属网等。

上述方法不仅可以连接各个单电池，而且由于将集流网与电极的扩散层直接压在一起，减小了集流网与电极之间的接触电阻，有效的提高了电池的性能。

在压制膜电极的时候，密封框可以由各种聚酯、涤纶等物质制成。它的主要作用是用来固定膜电极，保证单电池之间的电流连接与物料的密封。

本发明的效果在于：

1、采用在电池之间内部连接各个单电池，并将密封框同时压在电极的外框以及单电池之间相互连接的集流网上。这样既可以在热压时起到固定电极和集流网的作用，又可以将单电池之间的连接处完全密封上，使甲醇溶液不致在单电池之间渗漏出来。

2、集流网与电极的扩散层一体化，可以使集流网与电极结合的更加紧密，减小了二者之间接触电阻，有效的提高了电池的性能。

3、用密封框密封其电池之间的连接，有效的防止了甲醇溶液渗漏。

4、可以根据不同需要来串联不同数目的单电池，而不需改变其结构，仅改变它的尺寸即可。

5、可根据需要选用不同连接方式，使电流由不同方式输出。

6、适合批量化生产。

附图说明

图1是本发明的具体实施例的部件分解图；

图2是图1中膜电极(MEA)的截面图；

图3是图1所示的空气自呼吸式直接醇类燃料电池的结构的截面图，(a)(b)为两种不同的集流连接方式；

图4是本发明的具体实施实例，由单电池面积为1.8cm×2.8cm六片电池组成的空气自呼吸式直接甲醇燃料电池组的放电性能曲线。

具体实施方法

采用已有的膜电极(MEA)制备技术，如涂抹法、转压法等先制备不带集流网的膜电极(MEA)，然后再将集流网热压到该膜电极(MEA)的表面上。也可将集流网与电极的扩散层一体化，如：将扩散层浆液直接涂于集流网上形成含有集流网的扩散层，这样可以减少物料传输阻力，显著降低电池内阻。集流网可采用厚度较小的金属网，如铂网、金网、铁网、不锈钢网、镍网、钛网、带有镀层的金属网等均可。

本发明可以根据实际需求的不同，串联或者并联不同的单电池数目，仅需改变一些相应的设计尺寸，而无需改变其结构。

详细描述如下：

图1是本发明的具体实施例的部件分解图。隔板11两侧为密封件30，密封件30外侧为膜电极体20，膜电极体20外侧为端板10。端板10、隔板11采用绝缘材料制成，可以是有机玻璃、亚克力板、酚醛树脂、PVC塑料等材料。其中隔板11主要是用来分隔两片电池膜电极体的阳极，并在两片阳极区之间形成空腔以储存甲醇；端板10的作用则是通过四周的螺母螺杆来固定电池以及整个系统；膜电极体20是已经压好的带有集流网的膜电极体。至于隔板11与膜电极体20之间的密封件30，可采用线密封或者面密封的方式，密封材料采用各种高分子材料，如橡胶类、聚氨酯类材料等。

图2是一片已经压好的带有集流网的膜电极体的截面图。其膜电极体20由许多单个的膜电极和集流网24组成，这些单个的膜电极的阳极22和阴极23分别位于膜电极体的两侧，集流网24穿过两相邻膜电极的中间，它的一端与一膜电极的阳极相连，另一端与该膜电极相邻的膜电极的阴极相连，采用多个集流网24依次连接多个膜电极，从而形成膜电极体20。其中21是质子交换膜，22和23分别为阳极和阴极，24是集流网，25是密封框。两阳极22和两阴极23一一相对，分为两组，置于质子交换膜21两侧；质子交换膜21左下方的阳极22，通过集流网24与右上方的阴极23相连；左上方的阴极23和右下方的阳极22各自分别与集流网相连并引出；集流网24的外侧有密封框25。集流网24主要采用厚度较小的各种金属网，如铂网、金网、铁网、不锈钢网、镍网、钛网或带有镀层的金属网等制作。密封框25的材料可以采用各种聚酯、涤纶、聚四氟乙烯等材料。密封框25的四周边有与隔板11、端板10四周边的通孔相适配的通孔。

图3描述了两种不同电流导出方式，(a)是同侧电流输出，(b)是异侧电流输出。在图(a)中，两个膜电极体中电流的导出为左端引出的均为正极，右端引出的均为负极。在图(b)中，两个膜电极体电流的引出为左端引出一个正极和一个负极，右端也是引出一个正极和一个负极。可根据实际情况及应用来选择各自适宜的结构。

本发明的膜电极制备过程如下：

阳极22多孔扩散电极由100目不锈钢编织集流网24、支撑层碳纸(Toray公司)、整平层碳粉(XC-72)及催化层钌化铂(PtRu)黑(JohnsonMatthey公司)组成，催化层中钌化铂(PtRu)总量为3.0mg/cm²，Nafion含量为15Wt％。阴极23多孔扩散电极由100目不锈钢编织集流网24、支撑层碳纸(Toray公司)、扩散层碳粉(XC-72)及催化层铂(Pt)黑(JohnsonMatthey公司)组成，催化层中Pt总量为3.2mg/cm²，Nafion含量为10Wt％。实验采用Nafion115膜作为电解质。Nafion膜在使用之前进行预处理，以去除膜表面的有机物和金属离子。

处理过程如下：将一定尺寸的Nafion115膜依次在3-5％H₂O₂，二次蒸馏水，0.5MH₂SO₄溶液，二次蒸馏水中处理1小时，处理温度是80℃。处理之后的Nafion115膜放在二次蒸馏水中备用。热压时将密封框(涤纶)25摆在最外面，其次夹有集流网24的电极22、23，最中间是质子交换膜21，电极22、23的催化层要面向质子交换膜21。热压时可一次性将整片的多个单电池同时压好；也可分别压各个单电池，再将它们摆好压在一起，成为一片。集流网24穿过质子交换膜21将邻近的阳极22和阴极23连接。将端板10、膜电极体20和隔板11组装在一起，用螺杆和螺母固定。

电池的工作条件：置于空气中，2mol/L的甲醇溶液，单电池电极面积为1.8cm×2.8cm。

图4是由上述六片电池组成的空气自呼吸式直接甲醇燃料电池组的放电性能曲线。

Claims (8)

1、一种空气自呼吸式微型直接甲醇燃料电池，由隔板、密封件、端板和固紧装置组成，其特征在于，其隔板两侧为密封件，密封件外侧为膜电极体，膜电极体外侧为端板，端板四周边有固紧装置；

将带有集流网的阳极、阴极和电解质膜热压在一起形成膜电极体；

其膜电极体由多个单电池膜电极和多片集流网组成，这些单个的膜电极的阳极和阴极分别位于质子交换膜的两侧，集流网穿过两相邻膜电极的中间，它的一端与一膜电极的阳极相连，另一端与该膜电极相邻的膜电极的阴极相连，采用多个集流网依次连接多个膜电极；集流网的外侧有密封框；密封框的四周边有通孔。

2、如权利要求1所述的微型直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述固紧装置为螺母螺杆。

3、如权利要求1所述的微型直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述密封框的通孔与隔板、端板四周边的通孔相适配。

4、如权利要求1所述的微型直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述集流网为金属网。

5、如权利要求4所述的微型直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述金属网是铂网、金网、铁网、不锈钢网、镍网、钛网或带有镀层的金属网。

6、如权利要求1所述的微型直接甲醇燃料电池，其特征在于，所述密封框的材料为聚酯、涤纶、聚四氟乙烯。

7、一种空气自呼吸式微型直接甲醇燃料电池的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)将质子交换膜在使用之前进行预处理，备用；

b)在热压机内，将电极摆在最外面，质子交换膜置于最中间，电极由扩散层与催化层组成，电极的催化层要面向质子交换膜；

c)以热压成型，得到单电池膜电极；

d)通过一片集流网的一端与一膜电极的阴极相连接，另一端与该膜电极相邻的膜电极的阳极相连接，与两端膜电极相连接的集流网可以直接引出，所有单电池膜电极阴极或阳极应在同一侧；再在最外面加密封框；

e)以热压成型，得电池膜电极体；

f)重复b)c)d)e)步，得复数个电池膜电极体；

g)将密封件置于隔板的两侧，再将所得两电池膜电极体分别置于其两外侧；

h)将端板置于两最外侧后，以固紧装置固定，得燃料电池成品。

8、一种空气自呼吸式微型直接甲醇燃料电池的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

i)将质子交换膜在使用之前进行预处理，备用；

j)在热压机内，将电极摆在最外面，质子交换膜置于最中间，电极由扩散层与催化层组成，电极的催化层要面向质子交换膜；

k)将j)步中所得的多个单电池膜电极组件按顺序摆好，通过一片集流网的一端与一膜电极的阴极相连接，另一端与该膜电极相邻的膜电极的阳极相连接，与两端膜电极相连接的集流网可以直接引出，所有单电池膜电极阴极或阳极应在同一侧；再在最外面加密封框；

l)再热压成型，得电池膜电极体；

m)重复i)j)k)l))步，得复数个电池膜电极体；

n)将密封件置于隔板的两侧，再将所得两电池膜电极体分别置于其两外侧；

o)将端板置于两最外侧后，以固紧装置固定，得燃料电池成品。

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