CN1713429A - 一种微型液体直接甲醇燃料电池及电池堆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型液体直接甲醇燃料电池及电池堆。电池包括一个膜电极组件、位于膜电极组件两侧的阳极集流体和阴极集流体、位于集流体之间的内密封圈和外密封圈以及集流体外侧的阳极端板和阴极端板。其中阳极集流体的基板材料是聚甲醛、聚碳酸酯类或酚醛树脂类聚合物，阴极集流体的基板材料是聚丙烯酸酯类、聚乙烯酸类或醋酸乙烯共聚类聚合物；且其均采用印刷电路板技术制造，可以有效的排出阴极产生的水分和导出膜电极组件产生的电流，并可简化电池设计和便于批量加工。电池堆包括若干个单电池和插槽式连接器，可以按照需要方便的组合。

Description

一种微型液体直接甲醇燃料电池及电池堆

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特指一种直接从液态甲醇中获得电能的微型液体直接甲醇燃料电池及电池堆。

背景技术

直接使用甲醇作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)燃料的直接甲醇燃料电池(DMFC)的构想是20世纪90年代初NASA(美国国家航空和宇宙航行局)的JPL(美喷气推进实验所)和南加州大学的研究者提出的。由于甲醇在常温下是液态(沸点64.51℃)，比其他燃料电池所用的氢气、甲烷或一氧化碳有更好的储存性能和更高的能量密度(燃烧热726.83kJ/mol)。另外，甲醇也是非常廉价的工业产品，能够很容易的从石油、天然气和煤炭获得。其工作温度和压力都很低，因而结构简单，安全性也好。工作时，电池只释放二氧化碳和水蒸气，不含其他有毒有害成份。在诸燃料电池种类中，直接甲醇燃料电池具有的这些特点使其成为在便携电源领域中最有发展潜力的。

见图1，普通的自呼吸式直接甲醇燃料单电池的结构主要由阳极端板11、绝缘层12、阳极集流体13、密封圈14、膜电极组件15、阴极集流体17、绝缘层18和阴极端板19组成。

目前，公知的直接甲醇燃料电池集流体是由金属或导电非金属板材制成。在制作燃料电池的时候，将阴、阳集流体与膜电极紧组件压在一起，以起到导出电极上产生电荷的作用。除了需要具备良好的导电性和与电极之间较小的接触电阻之外，由于甲醇溶液具有一定的腐蚀性，构成集流体的金属或导电非金属板必须具备相当的抗腐蚀性能。这使得选择材料十分困难，常用的金属集流体以镀金板材为主，不仅价格较贵，重量较大，而且在组装燃料电池电堆的时候绝缘和接线较困难，也给电池的密封造成了不便；非金属板的集流体材料，如炭质(石墨)的板材虽然抗腐蚀性和电导均符合要求，但其强度低易损坏，价格也不低，不适用于大规模生产。另外，由于没有强制流动的空气，电池阴极产生的水分，如积聚在对空气敞开的电极表面，也会对电池性能有非常不利的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是为了克服现有的集流体绝缘和接线的困难，并简化电池密封的设计，提供一种具有集流体的直接甲醇燃料电池及电池堆。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种微型液体直接甲醇燃料电池，包括：膜电极组件、位于膜电极组件两侧的阳极集流体和阴极集流体、位于阴、阳集流体之间的密封圈以及位于阴、阳集流体外侧的阳极端板和阴极端板，所述的阳、阴极集流体采用印刷电路板技术制造，且该阳、阴集流体包括基板和设置于基板上的金属层。

所述的阳极集流体的基板所采用的材料是聚甲醛、聚碳酸酯类或酚醛树脂类聚合物。

所述的阴极集流体的基板所采用的材料是聚丙烯酸酯类、聚乙烯酸类或醋酸乙烯共聚类聚合物。

所述的密封圈包括外密封圈和内密封圈，其中外密封圈设置于阴极集流体和阳极集流体之间，且外密封圈位于内密封圈及膜电极组件之外。

本发明中一种微型液体直接甲醇燃料电池堆所采用的技术方案为：其包括多数个使用印刷电路板技术制造阴、阳集流体的直接甲醇燃料电池以及插槽式连接器，该直接甲醇燃料电池包括阳极端板、阳极集流体、外密封圈、内密封圈、膜电极组件、阴极集流体和阴极端板，该直接甲醇燃料电池插入插槽式连接器的插槽内。

上述的阳、阴集流体包括基板和设置于基板上的金属层。

所述阳极集流体的基板所采用的材料是聚甲醛、聚碳酸酯类或酚醛树脂类聚合物。

所述阴极集流体的基板所采用的材料是聚丙烯酸酯类、聚乙烯酸类或醋酸乙烯共聚类聚合物。

上述插槽式连接器由多个插槽和按照电路要求设计的金属导线组成。

采用上述技术方案后，该直接甲醇燃料电池及电池堆不仅具有良好的抗腐蚀性和导电性，而且能容易的对其进行外围绝缘和线路连接，并具有导出阴极产生水分的能力。这种电池具有模块化的特点，可以方便的按照需要组成燃料电池电堆。

附图说明

图1是目前直接甲醇燃料电池的结构示意图；

图2是本发明一电池实施例的结构示意图；

图3是本发明一电池实施例中阴极集流体的剖面结构示意图；

图4是本发明一电池实施例中阳极集流体的剖面结构示意图；

图5是本发明电池堆插槽式连接器的示意图；

图6是本发明一电池堆实施例的性能表。

具体实施方式

见图2、3、4，为明确说明，该图3、4中部件的形状被夸大。本发明微型液体直接甲醇燃料电池包括：阳极端板1、阳极集流体2、外密封圈3、内密封圈4、膜电极组件5、阴极集流体7和阴极端板8。所述的阳、阴极集流体2、7采用印刷电路板技术制造，且该阳、阴集流体2、7包括基板21、71和设置于基板21、71上的金属层22、72。

所述的阳极集流体2的基板21所采用的材料是聚甲醛、聚碳酸酯类或酚醛树脂类聚合物。

所述的阴极集流体7的基板71所采用的材料是聚丙烯酸酯类、聚乙烯酸类或醋酸乙烯共聚类聚合物。

于阴极集流体7和阳极集流体2之间设置有外密封圈3，且外密封圈3位于内密封圈4及膜电极组件5之外。

在本发明的此实施例中，聚丙烯酸酯类、聚乙烯酸类或醋酸乙烯共聚类聚合物的板材被用作直接甲醇燃料电池中阴极集流体7的基板71，采用常用工业制造印刷电路板的技术制造成阴极集流体7(即在基板71上形成金属层72)。此集流体最后应经过电镀金的过程，以保证该阴极集流体7与膜电极组件5中炭质电极扩散层之间的良好接触。阴极集流体7需要留有栅格，以保证氧气的传质过程；此栅格由印刷电路板上的孔组成。电路板起集流作用的是表面覆盖金属层72的部分；此金属层72与膜电极组件5的阴极部分相接。印刷电路板可以按照所需接线方式容易的制出引线，以方便使用的时候连接。

由于基板71是绝缘的，所以此阴极集流体7的绝缘设计变得相对简单。基板71采用的聚丙烯酸酯类、聚乙烯酸类或醋酸乙烯共聚类聚合物可以避免出现采用金属集流体时，其被从阳极侧通过膜电极组件5渗漏过来的甲醇溶液腐蚀的严重问题。聚丙烯酸酯类、聚乙烯酸类或醋酸乙烯共聚类聚合物的强度、韧性很大，避免了像石墨质集流体易碎的缺陷，为装配提供了方便。由于聚丙烯酸酯类、聚乙烯酸类或醋酸乙烯共聚类聚合物具有一定的吸水性，阴极产生的水分将被基板71吸去，避免水分在集流体孔道积攒成为水珠而堵住空气中的氧气自由进入阴极的通道。聚丙烯酸酯类、聚乙烯酸类或醋酸乙烯共聚类聚合物在可加工性上优于金属或石墨，可制成复杂的形状，且加工的成本也较低。聚丙烯酸酯类、聚乙烯酸类或醋酸乙烯共聚类聚合物密度较小，有利于降低电池的结构重量。制造印刷电路板是极为常用、成熟而又廉价的技术，特别适合大规模制造，所以用印刷电路板为集流体有着成本低廉的优势。在同一块印刷电路板上不仅能做单电池的集流体，也能同时做多个电池的集流体，并能在其上设计不同的电路连接方式。

见图4所示，聚甲醛、聚碳酸酯类或酚醛树脂类聚合物板材被用作直接甲醇燃料电池系统阳极集流体2的基板21，采用常用的工业制造印刷电路板的技术制造成阳极集流体2，即在基板21表面形成金属层22。阳极集流体2最后应经过电镀金的过程以保证表面的金属层22不会被甲醇溶液腐蚀以及保证阳极集流体2与膜电极组件5炭质电极扩散层之间的良好接触。同样，阳极集流体2需要留有栅格，以保证甲醇溶液的通过；此栅格由印刷电路板上的孔组成。电路板起集流作用的是表面覆盖金属层22的部分；此层与膜电极组件5的阳极部分相接。

聚甲醛、聚碳酸酯类或酚醛树脂类聚合物跟聚丙烯酸酯类、聚乙烯酸类或醋酸乙烯共聚类聚合物不同的是其没有吸水性，相反的，聚甲醛、聚碳酸酯类或酚醛树脂类聚合物比较致密，保证甲醇溶液不会从阳极集流体2中漏出。相比于金属基集流体和石墨集流体，聚甲醛、聚碳酸酯类或酚醛树脂类聚合物有较好弹性，与端板1之间可以不需要密封圈直接压力密封。

见图5，本发明的直接甲醇燃料电池还可通过插槽式连接器6连接形成电池堆。上述电池中阳极集流体2和阴极集流体7比阳、阴极端板1、8的边缘稍长，方便安排插槽式连接器6。插槽式连接器6设置有插槽61和用于电路连接的导线62，其中导线62可以设计各种并联或者串联的电路。使用时，将上述模块化的电池插入该插槽式连接器6的插槽61内，使插槽61中的金属弹簧片与电池阴、阳集流体2、7相连接，再通过导线62导接起来，即可设计形成电池堆。

采用上述方案设计的直接甲醇燃料电池堆性能表现如图6所示。电堆由四个电池个体串联形成，每个单电池的活性面积是10cm²；质子交换膜选用Dupont的N117膜；电池阳极催化剂为负载在炭黑上的20wt.％Pt+10wt％Ru，金属载量为3mg/cm²；电池阴极催化剂为负载在炭黑上的20wt.％Pt，金属载量为1mg/cm²；测试在25℃完成；所使用甲醇溶液浓度为2mol/L。

当然，以上所述之实施例只为本发明的较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、构造及原理所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。

Claims (10)

1、一种微型液体直接甲醇燃料电池，包括：膜电极组件(5)、位于膜电极组件(5)两侧的阳极集流体(2)和阴极集流体(7)、位于阴、阳集流体(7、2)之间的密封圈以及位于阴、阳集流体(7、2)外侧的阳极端板(1)和阴极端板(8)，其特征在于：所述的阳、阴极集流体(2、7)采用印刷电路板技术制造，且该阳、阴集流体(2、7)包括基板(21、71)和设置于基板(21、71)上的金属层(22、72)。

2、根据权利要求1所述的一种微型液体直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述的阳极集流体(2)的基板(21)所采用的材料是聚甲醛、聚碳酸酯类或酚醛树脂类聚合物。

3、根据权利要求1所述的一种微型液体直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述的阴极集流体(7)的基板(71)所采用的材料是聚丙烯酸酯类、聚乙烯酸类或醋酸乙烯共聚类聚合物。

4、根据权利要求1所述的一种微型液体直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述的密封圈包括外密封圈(3)和内密封圈(4)，其中外密封圈(3)设置于阴极集流体(7)和阳极集流体(2)之间，且外密封圈(3)位于内密封圈(4)及膜电极组件(5)之外。

5、根据权利要求1所述的一种微型液体直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述的阴、阳集流体(7、2)上设置有用以保证氧气的传质过程的栅格。

6、一种微型液体直接甲醇燃料电池堆，其特征在于：该电池堆包括：多数个使用印刷电路板技术制造阴、阳集流体(7、2)的直接甲醇燃料电池以及插槽式连接器(6)，该直接甲醇燃料电池包括阳极端板(1)、阳极集流体(2)、外密封圈(3)、内密封圈(4)、膜电极组件(5)、阴极集流体(7)和阴极端板(8)，该直接甲醇燃料电池插入插槽式连接器(6)的插槽内，且阴、阳集流体(7、2)与插槽式连接器(6)内导电件导接。

7、根据权利要求6所述的一种微型液体直接甲醇燃料电池堆，其特征在于：所述阳、阴集流体(2、7)包括基板(21、71)和设置于基板(21、71)上的金属层(22、72)。

8、根据权利要求7所述的一种微型液体直接甲醇燃料电池堆，其特征在于：所述阳极集流体(2)的基板(21)所采用的材料是聚甲醛、聚碳酸酯类或酚醛树脂类聚合物。

9、根据权利要求7所述的一种微型液体直接甲醇燃料电池堆，其特征在于：所述阴极集流体(7)的基板(71)所采用的材料是聚丙烯酸酯类、聚乙烯酸类或醋酸乙烯共聚类聚合物。

10、根据权利要求6～9任意一条所述的一种微型液体直接甲醇燃料电池堆，其特征在于：该插槽式连接器(6)由多个插槽(61)和按照电路要求设计的金属导线(62)组成，插入插槽式连接器(6)的直接甲醇燃料电池通过金属导线(62)串联或并联。

Images