CN1921191A - 一种空气自吸式直接醇类燃料电池极板及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空气自吸式燃料电池的极板材料，该材料采用金属与非金属的复合材料，并对金属作表面处理，镀铂、镀金或者镀氮化钛，作为空气自吸式直接醇类燃料电池的极板，方便了电池的组装，提高电池组的集成度，减小极板腐蚀，同时降低电池内阻，从而提高电池的性能及寿命。该极板材料适用于质子交换膜燃料电池，尤其适用于氢气或者甲醇进料的室温空气自吸式的质子交换膜燃料电池。

Description

一种空气自吸式直接醇类燃料电池极板及应用
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，具体地说，涉及一种空气自吸式直接醇类燃料电池极板。
本发明还涉及上述极板的应用。
背景技术
直接醇类燃料电池是一种将燃料(甲醇、乙醇等液体燃料)和氧化剂的化学能直接转化成电能的电化学反应装置。它不受卡诺热机循环的限制，能量转换效率高，结构简单、安全可靠，环境污染少，该电池在小型便携式移动电源和传感器件等领域具有广阔的应用前景。
直接醇类燃料电池(DAFC)结构如图1所示，质子交换膜1的两侧分别是阴极催化层2与阳极催化层2’，阴阳极催化层的外侧分别是阴极扩散层3与阳极扩散层3’，阴阳极扩散层的外侧分别是集流体4与4’，最外侧分别是极板5与5’。直接醇类燃料电池按其采用的极板可以分双极板结构与单极板结构。主动式直接醇燃料电池一般采用双极板，而被动式即空气自吸式燃料电池，一般采用单极板。
传统的燃料电池采用双极板结构，其材料一般为不锈钢、碳或者是复合材料，它需要各种各样的辅助器件，不适用于便捷式电子产品。常温空气自吸式直接醇类燃料电池，在常温下工作，不需要任何辅助设备，但是它能提供所需要的功率，能量转化效率高，能量密度高，因此适用于便捷式电子产品，如笔记本电脑、移动电话等，从而成为近年来的燃料电池研究热点方向之一。
专利[US 6,458,479 B1]介绍了一种空气自吸式直接甲醇燃料电池的结构，采用了单极板，但是其集流部分与极板分离，这样不利于电池组集成，而且不利于多个电池的串联。
文献[Journal of Power Sources 118(2003)162-171]介绍了一种用于自吸式质子交换膜燃料电池的覆铜线路板，并对铜进行镀层处理，经过1500小时的寿命测试无衰减，但是这种线路板不适用于直接醇类燃料电池，因为即使经过表面处理的铜层，在酸性的液体环境中长时间工作，由于镀层不致密，也可能造成铜的腐蚀脱落，而铜对电池性能的衰减影响很大。
因此选择一种价格便宜，电阻小，耐腐蚀性能高，易于电池集成的极板对空气自吸式直接醇类燃料电池来说至关重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空气自吸式直接醇类燃料电池极板。
为实现上述目的，本发明提供的空气自吸式直接醇类燃料电池极板，该电池极板为非金属材料上复合有金属材料。
其中金属材料为316L不锈钢。
其中金属材料的厚度为0.5～0.05毫米。
其中金属表面镀有铂、金或氮化钛镀层。
其中非金属材料为玻璃纤维树脂。
其中非金属材料的厚度为0.2～2.5毫米。
其中电池极板上开设有孔阵列，孔阵列的孔径大小为1～5毫米，孔间距为0.8～3毫米。
其中金属材料之间分隔成若干个极板，各极板之间彼此绝缘。
其中分隔方法为线切割、电火花、化学腐蚀或电化学刻蚀。
本发明提供的的空气自吸式直接醇类燃料电池极板，可用于质子交换膜燃料电池、直接肼类燃料电池以及直接醚类燃料电池的极板制备。
本发明采用上述极板制备电池的具体步骤如下：
(1)根据设计的单电池面积的大小选择适当厚度的金属片复合在非金属板，制成金属片复合线路板。
(2)根据单电池的节数及面积大小分隔复合线路板上的金属片，制成单个电池的极板并使各个单电池的极板之间彼此绝缘，分隔方法有线切割、电火花、化学腐蚀、电化学刻蚀等。
(3)根据电池面积的大小，在金属片复合线路板上阵列适当直径与间距的通孔，从而使电池内阻与传质传热效果相适应。
(4)在金属片表面涂覆铂、金、氮化钛等涂层，提高极板的耐腐蚀能力，减少了因极板腐蚀对电池的污染，并降低了电池内阻，从而提高了电池系统的使用寿命和输出功率。
(5)按所设计的电池组装好后，将各个单电池的极板进行串联，串联方式有内部非焊接方式与外部焊接方式两种。
本发明通过对极板表面处理，易于电池集成，降低极板的腐蚀，减小电池内阻，提高了电池能量密度与使用寿命。
本发明的有益效果是：
1.采用线路板作为空气自吸式直接醇类燃料电池的极板，方便了单电池之间的分隔与串联，在一块极板上可以同时安放多个单电池，降低了电池系统组装难度，从而提高了电池系统的集成度。
2.根据设计的单电池面积的大小选择适当厚度的不锈钢板及线路板，从而降低了电池系统的重量，提高了电池系统的重量比能量密度。
3.根据电池面积的大小，在不锈钢板上阵列适当直径与间距的孔，从而使电池内阻与传质传热效果相适应。
4.通过对并作表面处理，如镀铂、镀金、氮化钛等，提高了极板的耐腐蚀能力，减少因了极板腐蚀对电池的污染，并降低了电池内阻，从而提高了电池系统的使用寿命电池和输出功率。
附图说明
图1为燃料电池的一般结构。
图2为本发明的实施例一的极板示意图。
图3为本发明的实施例二的极板示意图。
图4为本发明实施例一的电池组放电曲线。
图5为本发明实施例二的电池组放电曲线。
图6为本发明实施例一的电池组寿命曲线。
图7为本发明实施例二的电池组寿命曲线。
具体实施方式
以下实施例仅是对本发明的详细描述，而不应理解为对本发明的限定。
实施例1：
请参阅图2，本实施例采用型号为316L的不锈钢片通过热压工艺复合在玻璃纤维树脂上，形成复合线路板；在不锈钢片上镀有氮化钛涂层，形成了氮化钛极板结构示意图，6为螺钉孔，7为连接脚，8为分隔线，9为阵列在极板上的进料孔，其孔径为3毫米。不锈钢厚度为0.4毫米，玻璃纤维板厚度为1.5毫米，单个电池有效面积为2cm×3cm，镀层为氮化钛，其厚度为2微米。
镀氮化钛极板的具体实施办法如下：
1、根据电池组的输出功率要求，计算单个电池的面积大小及电池总节数。本实施例的电池输出功率为1.5瓦，因此设计单电池面积为2cm×3cm，电池节数为12节。
2、根据单电池面积及电池总节数，裁取相应大小的不锈钢线路板，用线切割方法将极板的不锈钢层分割成6块，打出相应的进料阵列孔，其孔距为1.5毫米。同时打出螺钉孔，孔距为24毫米，总数为4片。
3、将加工好的极板进行表面处理，镀层为氮化钛，镀层厚度为2微米。
4、将密封垫分别贴于阴阳极板及甲醇腔，然后摆放膜电极，再用螺钉将电池组锁紧。
5、通过引伸出来的接线脚用导线将各个电池串联，完成电池组组装。
6、电池组经活化后，分别使用1M、2M、3M的甲醇进行放电，其放电曲线如图4所示。电池的工作条件如下：常温常压下，将阴极直接暴露于空气中，甲醇体积20ml，没有任何辅助设备。
7、电池组的寿命测试，其寿命测试曲线如图6所示。测试条件如下：在室温下，将阴极直接暴露于空气中，然后用浓度为2M甲醇以1ml/min的进料速度，50mA/cm2电流密度进行测试。
从图4中可以看出，采用3M甲醇在电流为800mA时，电池组的峰值功率达1.9W，即功率密度为26mW/cm2。从图6中可以看出，电池组在50mA/cm2的电流密度下工作70个小时，电压未见明显衰减。
实施例2：
请参阅图3，所示为一镀金极板结构示意图，6为螺钉孔，7为连接脚，8为分隔线，9为阵列在极板上的进料孔，其孔径为3毫米。不锈钢厚度为0.3毫米，玻璃纤维板厚度为1.5毫米，单个电池有效面积为3cm×3cm，镀层为金，其厚度为2微米。
镀金极板的具体实施办法如下：
1、根据电池组的输出功率要求，计算单个电池的面积大小及电池总节数。本实施例的电池输出功率为1.5瓦，因此设计单电池面积为3cm×3cm，电池节数为8节。
2、根据单电池面积及电池总节数，裁取相应大小的不锈钢线路板，用线切割方法将极板的不锈钢层分割成2块，打出相应的进料阵列孔，其孔距为1.5毫米。同时打出螺钉孔，孔距为18毫米，总数为8块。
3、将加工好的极板进行表面处理，镀层为金，镀层厚度为2微米。
4、将密封垫分别贴于阴阳极板及甲醇腔，然后摆放膜电极，再用螺钉将电池组锁紧。
5、通过引伸出来的接线脚用导线将各个电池串联，完成电池组组装。
6、电池组经活化后，用2M的甲醇进行放电，其放电曲线如图5所示。电池的工作条件如下：常温常压下，将阴极直接暴露于空气中，甲醇体积15ml甲醇，没有任何辅助设备。
7、电池组的寿命测试，其寿命测试曲线如图7所示。测试条件如下：在室温下，将阴极直接暴露于空气中，然后用浓度为2M甲醇以1ml/min的进料速度，以60mA/cm2电流密度进行测试。
从图5中可以看出，采用2M甲醇在电流为800mA时，电池组的峰值功率达2.2W，即功率密度为30mW/cm2。从图7中可以看出，电池组在60mA/cm2的电流密度下工作22个小时，电压未见明显衰减。

Claims (10)

1、一种空气自吸式直接醇类燃料电池极板，该电池极板为非金属材料上复合有金属材料。
2、如权利要求1的空气自吸式直接醇类燃料电池极板，其特征在于，金属材料为316L不锈钢。
3、如权利要求1或2的空气自吸式直接醇类燃料电池极板，其特征在于，金属材料的厚度为0.5～0.05毫米。
4、权利要求1或2的空气自吸式直接醇类燃料电池极板，其特征在于，金属表面镀有铂、金或氮化钛镀层。
5、如权利要求1的空气自吸式直接醇类燃料电池极板，其特征在于，非金属材料为玻璃纤维树脂。
6、如权利要求1或5的空气自吸式直接醇类燃料电池极板，其特征在于，非金属材料的厚度为0.2～2.5毫米。
7、如权利要求1的空气自吸式直接醇类燃料电池极板，其特征在于，电池极板上开设有孔阵列孔，其阵列的孔径大小为1～5毫米，孔间距为0.8～3毫米。
8、如权利要求1的空气自吸式直接醇类燃料电池极板，其特征在于，金属材料之间分隔成若干个极板，各极板之间彼此绝缘。
9、如权利要求8的空气自吸式直接醇类燃料电池极板，其特征在于，分隔方法为线切割、电火花、化学腐蚀或电化学刻蚀。
10、权利要求1的空气自吸式直接醇类燃料电池极板，可用于质子交换膜燃料电池、直接肼类燃料电池以及直接醚类燃料电池的极板制备。
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