CN206422153U - 用于直接甲醇燃料电池的亲疏水复合流场板 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于直接甲醇燃料电池的亲疏水复合流场板，所述亲疏水复合流场板单侧均匀间隔地开有若干二维度渐扩型梯形槽道，所述槽道的内表面设置有疏水层，其余表面设置有亲水层。本实用新型能够实现阳极侧有效阻碍甲醇穿透的同时，高效率将阳极产物二氧化碳通过疏水渐扩型槽道排出，有效缓解阳极产物堵塞甲醇传递通道导致电池性能降低的情况，使燃料电池在不同工作电流下保证燃料供应成为可能，从而提高电池综合性能。

Description

用于直接甲醇燃料电池的亲疏水复合流场板

技术领域

本实用新型涉及被动式甲醇燃料电池技术领域，特别涉及一种用于直接甲醇燃料电池的亲疏水复合流场板。

背景技术

直接甲醇燃料电池凭借其在电化学转化过程中具有不需要重整，能量密度高，操作环境温和，结构紧凑等等优越性，引起了世界各地研究人员的广泛关注，投入了大量的研究工作。一般的，直接甲醇燃料电池可以分为主动式和被动式直接甲醇燃料电池。主动式直接甲醇燃料电池运用泵及气体压缩机为电池提供甲醇燃料及氧气，被动式直接甲醇燃料电池利用扩散及自然对流，为电池运输燃料及氧气。

众所周知，甲醇穿透的存在是抑制直接甲醇燃料电池发展的重要瓶颈，由于穿透的甲醇直接与阴极的氧气发生反应产生混合电位，甲醇穿透不可避免的导致电压损失，同时造成了燃料的损耗。在直接甲醇燃料电池真正应用到现实生活中之前，甲醇穿透这个问题必须得到解决。为此不少学者从改善流场板结构入手，设计合理的流场板结构，提高阻醇能力及产物二氧化碳的排放能力。传统的流场板结构有排孔状，栅状等，然而这类流场板对阻醇能力的提高十分有限，有学者采用纤维毡做为甲醇燃料电池的阻醇层，提高了甲醇燃料电池的甲醇溶液最优浓度，对提高电池能量比具有积极作用，然而，在高电流工作条件下，阳极产生大量气泡需要穿过纤维毡排除，这不可避免堵塞甲醇的传递通道，使得在阳极易出现甲醇饥饿现象，限制了甲醇燃料电池性能的进一步提升。为此能否设计出一款可实现甲醇溶液与二氧化碳流动通道相互分离的流场板是及其重要的。

实用新型内容

针对现有技术存在的缺点和不足，本实用新型公开了一种用于直接甲醇燃料电池的亲疏水复合流场板法，亲疏水复合流场板以多孔铜材料-铜粉烧结平板作为基体，所述铜粉烧结平板通过设计相应凸模石墨模具，通过烧结直接形成带二维度渐扩型的的梯形槽道。进一步对流场板进行碱辅助表面氧化工艺和低表面能溶液修饰工艺，使其达到疏水性能，防止超疏水层的脱落，引入固相烧结工艺，增强了超疏水表面结构与基体的结合强度，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。进一步，需要将流场板两侧平面疏水层结构破坏，构建亲水层，为此，采用负重在砂纸上打磨的工艺，定量打磨。

本实用新型提供的用于直接甲醇燃料电池的亲疏水复合流场板技术方案如下：

一种用于直接甲醇燃料电池的亲疏水复合流场板，设置在直接甲醇燃料电池阳极侧集电板中间的镂空部，所述亲疏水复合流场板单侧均匀间隔地开有若干二维度渐扩型梯形槽道，所述槽道的内表面设置有疏水层，其余表面设置有亲水层，以实现水气分流的功能，所述的梯形槽道为二维度渐扩型，沿槽道横向及径向尺寸递增，对促进气体排放具有积极作用。

进一步地，所述槽道为沿流场板宽与高方向尺寸逐渐增大的二维度渐扩型槽道。

进一步地，所述槽道的横截面为等腰梯形。

进一步地，所述疏水层接触角在150°以上。

进一步地，所述亲疏水复合流场板的孔隙率为70%~80%。

相比现有技术，本实用新型的有益效果是：二维度渐扩型流场槽道可实现液气分离，有利于产物二氧化碳的排出。其原因在于亲疏水复合的结构有利于分离水气流通通道，强化产物二氧化碳聚集在渐扩型槽道内并排出，为实现甲醇连续不断地补给提供了积极的方向。

附图说明

图1为亲疏水复合流场板示意图。

图2为亲疏水复合流场板和集电板装配示意图。

图3是用于装配亲疏水复合流场板的直接甲醇燃料电池的装配示意图。

图中1-阴极端盖，2-阴极集电板，3-聚四氟乙烯垫片，4-硅胶垫片，5-质子交换膜，6-阳极集电板，7-阳极燃料腔，8-槽道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型的实用新型目的作进一步详细地描述，实施例不再在此一一赘述，但本实用新型的实施方式并不因此限定于以下实施例。

实施例一

如图1和图2所示，一种用于直接甲醇燃料电池的亲疏水复合流场板，设置在直接甲醇燃料电池阳极侧集电板6中间的镂空部，所述亲疏水复合流场板单侧均匀间隔地开有七条二维度渐扩型等腰槽道8，所述槽道8沿流场板宽与高方向尺寸逐渐增大，且其横截面为等腰梯形。所述槽道8的内表面设置有疏水层，其余表面设置有亲水层。所述疏水层接触角在150°以上。所述亲疏水复合流场板的孔隙率为70%~80%，该流场板尺寸为30mm×30mm×2mm，其梯形槽道8设计为双维度渐扩型，七条槽道8均布在流场板一侧。

所述超疏水多孔流场板的材料为雾化树枝状铜粉以及自制铜屑。

如图3所示，直接甲醇燃料电池由图中阴极端盖1，阴极集电板2，聚四氟乙烯垫片2，硅胶垫片4，质子交换膜5，阳极集电板6，阳极燃料腔7。所述亲疏水复合流场板设置在直接甲醇燃料电池阳极侧集电板6中间的镂空部，所述亲疏水复合流场板开槽侧正对于直接甲醇燃料电池阳极侧，以实现高的阻醇能力及实现水气通道分离，提高电池在不同电流工作下的稳定性。

亲疏水复合流场板可以提高流场板的阻醇能力，同时实心水气通道分离的作用，从而防止产物二氧化碳堵塞甲醇传递通道。具体的工作原理为：甲醇从燃料腔通过致密的铜粉板中穿过，由于铜粉板空隙较小，甲醇溶液在其中扩散较慢，因而可以在维持甲醇穿透在一定程度的情况下实现直接给电池供应高浓度甲醇溶液，提高电池的能量密度。另一方面，在直接甲醇燃料电池的阳极，甲醇在催化剂的作用下分解生成二氧化碳，随着反应的积累，小气泡渐变成的大气泡，对于传统流场板，气泡将在压力的作用下从膜电极处穿透流场板，到达甲醇燃料腔排出，而亲疏水复合流场板由于其在膜电极侧开有二维度渐扩型槽道8，气泡往传递阻力小的地方扩散，聚集在槽内，同时，由于亲疏水性的差异，形成一种推力，将气泡甲醇溶液将气泡挤向槽道8内。气泡在槽道8处逐渐聚集，浮力逐渐增大，同时由于槽道8的二位渐扩型结构，使得气泡有向上的分力，进一步促使气泡通过槽道8排出到电池外。从而避免在高电流密度工作下产生大量二氧化碳堵塞甲醇溶液传递通道，对维持甲醇燃料电池在不同工作电流下稳定工作具有积极作用。

实施例二

一种如所述的亲疏水复合流场板的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、流场板烧结成型：设计流场板梯形槽结构及加工出相应的凸模石墨模具，将4.9952g 100目雾化树枝状铜粉及2.1408g自制铜屑填入模具后由HMZ1700-30真空气氛电炉于940℃保温2小时烧结成型；

步骤2、流场板表面的预处理：将制备好的流场板在400目砂纸上负重20g打磨距离累计1米，使得两表面平整，依次浸入浓度为150g/L的NaOH 溶液中碱洗240s和质量分数为5wt%的H₂SO₄溶液中酸洗240s，最后用去离子水清洗干净；

步骤3、表面沉积工艺：将清洗后的流场板浸泡在浓度为2mol/L的 NaOH和浓度为0.2mol/L的 K₂S₂O₈的去离子水溶液中沉积1.5h，反应结束后取出，采用去离子水清洗干净，空气中风干；

步骤4、气氛烧结强化工艺：将风干后的流场板放入具有氮气保护的HMZ1700-30真空气氛电炉中，在400℃下保温1.5h；

步骤5、表面修饰工艺：将步骤4烧结强化后的流场板浸泡在浓度为0.01mol/L的硬脂酸乙醇溶液中修饰24h，修饰结束后取出，采用丙酮试剂清洗干净，然后空气中风干，即可在槽内得到疏水表面；

步骤6、构建亲水表面:将处理好的流场板负重10g在200目砂纸上打磨距离累计0.5米，将平面上的疏水层结构打磨掉，即可得到亲疏水复合流场板。

所述步骤1中，铜屑通过铣床铣平铜块而成，铣床主轴转速为2000r/min，进给量为1mm/r，背吃刀量为0.2mm，刀具直径为5mm，加工后将铜屑去油除氧化后即可。

本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属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或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于直接甲醇燃料电池的亲疏水复合流场板，设置在直接甲醇燃料电池阳极侧集电板中间的镂空部，其特征在于：所述亲疏水复合型功能性流场板单侧均匀间隔地开有若干二维度渐扩型梯形槽道，所述槽道的内表面设置有疏水层，其余表面设置有亲水层。

2.根据权利要求1所述的亲疏水复合流场板，其特征在于：所述槽道为沿流场板宽与高方向尺寸逐渐增大的二维度渐扩型槽道。

3.根据权利要求1所述的亲疏水复合流场板，其特征在于：所述槽道的横截面为等腰梯形。

4.根据权利要求1所述的亲疏水复合流场板，其特征在于：所述疏水层接触角在150°以上。

5.根据权利要求1所述的亲疏水复合流场板，其特征在于：所述亲疏水复合型功能性流场板的孔隙率为70%~80%。