CN210467993U - 管式甲醇燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种管式甲醇燃料电池，包括由内到外封装的阳极多孔内螺纹圆柱甲醇腔、管式膜电极、多孔金属网以及多孔集流加压环，所述多孔集流加压环的环周均有设有加压环小孔，多孔集流加压环的侧部呈开口状，在该位置固定有两个连接块，在连接块上设有若干个连接孔，螺栓穿过所述连接孔，螺栓的两端通过螺母固定，通过调整螺母松紧调节多孔集流加压环的压力，所述阳极多孔内螺纹圆柱甲醇腔的侧壁上均匀设有甲醇腔薄壁小孔，所述阳极多孔内螺纹圆柱甲醇腔的上部密封安装有气液分离装置。本实用新型环保、容易密封、串并联组合方式多样、体积比功率密度高。
Description
技术领域
本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种管式甲醇燃料电池。
背景技术
直接甲醇燃料电池是一种将阳极的甲醇水溶液与阴极空气中的氧气通过电化学反应将化学能转化为电能的发电装置，而不需通过甲醇、汽油及天然气的重整制氢以供发电，其本身没有燃料的燃烧反应过程，因此不受卡诺循环的限制，其能量转化率可达到60％。低排放，高能量密度，充电快速方便的电池吸引了越来越多的人的关注，直接甲醇燃料电池似乎是一个合适的选择，因为它不仅绿色环保而且能量利用率高。直接甲醇燃料电池膜电极大都是采用平板型设计，所以组成电堆只能采用双极板串联起来，形成板框式结构、形式比较单一、体积比较笨重，体积比功率密度不高，而且双极板造价昂贵，技术要求较高，不利于甲醇燃料电池的商业化进程。
目前，中国专利CN109411792A中提供的管状直接甲醇燃料电池依靠阴极集电器自身紧固力封装电池，该专利的缺点是：这样封装压力是不可控的，而封装压力对甲醇燃料电池性能影响较大，长时间工作后上述专利中的电池结构必定出现松动、各部件不能紧密贴合，影响电池性能。另外，中国专利CN100590923C中提供的圆形直接甲醇燃料电池，该专利的封装压力也不可调节，另外电池用到单向阀进行物理管理，结构复杂，成本更高。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种管式甲醇燃料电池。
本实用新型为实现上述目的，采用以下技术方案：一种管式甲醇燃料电池，其特征在于：包括由内到外封装的阳极多孔内螺纹圆柱甲醇腔、管式膜电极、多孔金属网以及多孔集流加压环，所述多孔集流加压环的环周均有设有加压环小孔，多孔集流加压环的侧部呈开口状，在该位置固定有两个连接块，在连接块上设有若干个连接孔，螺栓穿过所述连接孔，螺栓的两端通过螺母固定，通过调整螺母松紧调节多孔集流加压环的压力，所述阳极多孔内螺纹圆柱甲醇腔的侧壁上均匀设有甲醇腔薄壁小孔，所述阳极多孔内螺纹圆柱甲醇腔的上部密封安装有气液分离装置。
优选地，所述气液分离装置包括外螺纹旋拧头、气液分离膜以及外螺纹空心换气头，所述外螺纹旋拧头与所述阳极多孔内螺纹圆柱甲醇腔螺纹连接，所述外螺纹旋拧头内部带有腔体，腔体底部带有连接孔，所述气液分离膜放置在所述连接孔的上部，所述外螺纹空心换气头与所述外螺纹旋拧头的腔体螺纹配合并压紧所述气液分离膜，所述外螺纹空心换气头的内部设有排气通道，排气通道的一端位于外螺纹空心换气头的底部，另一端延伸至外螺纹空心换气头的外部。电池燃料腔内电化学反应产生二氧化碳气体有效排出，而物料被挡在燃料腔内。
优选地，所述管式膜电极包括管式结构的阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、管式结构的阴极气体扩散层，管式阳极气体扩散层在最内侧，然后是阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层，管式阴极气体扩散层在最外侧，五层夹心结构紧密贴合组成了管式膜电极。
优选地，所述排气通道的另一端位于外螺纹空气换气头的上部一侧。
优选地，所述排气通道的直径与所述外螺纹旋拧头底部的连接孔直径相同。
优选地，所述阳极多孔内螺纹圆柱甲醇腔的材质为石墨或者不锈钢等金属材料。
优选地，所述管式结构的阳极气体扩散层和管式结构的阴极气体扩散层为碳布、泡沫金属、可以弯曲的导电透气材料或者泡沫镍基三维石墨烯。
优选地，所述管式膜电极的边缘与阳极多孔内螺纹圆柱甲醇腔之间设有一层透明聚酯薄膜双面防水胶。
本实用新型的有益效果是:相对于现有技术，电池膜电极内表面有一层聚酯薄膜双面防水胶，电池外端有多孔集流加压环，通过调节螺栓螺母控制封装压力，这样“里应外合”电池各部件贴合更加紧密，接触内阻更小；简化了气液分离装置，摒弃了单向阀、泵等复杂部件，仅用一层气液分离膜，外螺纹旋拧头、外螺纹空心换气头自螺旋形成，结构更加简单。
附图说明
图1为本实用新型管式甲醇燃料电池封装后外观结构示意图；
图2为本实用新型管式甲醇燃料电池封装后轴侧剖视图；
图3为图2中A处的放大图；
图4为本实用新型管式甲醇燃料电池封装后爆炸示意图；
图5为本实用新型管式甲醇燃料电池的电压电流-曲线以及功率-电流曲线；
图6为本实用新型管式甲醇燃料电池的Nyquist曲线；
图中：1-外螺纹空心换气头，2-外螺纹旋拧头，3-阳极多孔内螺纹圆柱甲醇腔，4-气液分离膜，5-甲醇腔薄壁小孔，6-阳极气体扩散层，7-阳极催化层，8-质子交换膜，9-阴极催化层，10-阴极气体扩散层，11-多孔金属网，12-多孔集流加压环，13-螺母，14-螺丝。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本实用新型的具体实施方式。图1-4示出一种管式甲醇燃料电池，包括由内到外封装的阳极多孔内螺纹圆柱甲醇腔3、管式膜电极(管式结构的阳极气体扩散层6、阳极催化层7、质子交换膜8、阴极催化层9、管式结构的阴极气体扩散层10)、多孔金属网11、多孔集流加压环12、螺丝14、螺母13。阳极多孔内螺纹圆柱甲醇腔3整体高度为60mm，内径为17mm，外径为18mm，壁厚0.5mm，甲醇腔高度为40mm，甲醇腔薄壁小孔直径为2mm(实验发现孔径1-2毫米电池性能最优)，管式结构的阳极气体扩散层6和阴极气体扩散层10厚度为0.5mm。所述管式结构的阳极气体扩散层和管式结构的阴极气体扩散层为碳布、泡沫金属、可以弯曲的导电透气材料，本实施列中气体扩散层的材料为泡沫镍基三维石墨烯。管式膜电极的阳极侧边缘与阳极多孔内螺纹圆柱甲醇腔之间设有一层透明聚酯薄膜双面防水胶。使两者紧密贴合，防止物料泄露。
所述多孔集流加压环的环周均有设有加压环小孔，有利于甲醇燃料电池产物排出以及呼吸。多孔集流加压环的侧部呈开口状，在该位置固定有两个连接块，在连接块上设有若干个连接孔，螺栓穿过所述连接孔，螺栓的两端通过螺母固定，通过拧紧螺母调节多孔集流加压环的压力。多孔集流加压自身具有一定的预紧力，若其达不到封装压力要求，可以通过拧紧螺母增加压力，另外在电池工作过程中也可以通过旋拧螺母灵活调节封装压力。
所述的电池内放置气液分离装置包括自上而下设置的外螺纹空心换气头1、气液分离膜4、外螺纹旋拧头2，外螺纹旋拧头2与阳极多孔内螺纹圆柱甲醇腔3螺纹配合旋紧，所述外螺纹旋拧头内部带有腔体，腔体底部带有连接孔，所述气液分离膜放置在所述连接孔的上部，所述外螺纹空心换气头1与所述外螺纹旋拧头2的腔体螺纹配合并压紧所述气液分离膜，所述外螺纹空心换气头的内部设有排气通道，排气通道的一端位于外螺纹空心换气头的底部，另一端延伸至外螺纹空心换气头的外部。封装后甲醇腔内电化学反应产生的二氧化碳气泡依次通过连接孔、气液分离膜、排气通道排出，而甲醇溶液则留在甲醇腔内。
图5示出本实例中的得到的方形框实心标志曲线为管式甲醇燃料电池的功率-电流曲线，圆形空心标志曲线为管式甲醇燃料电池的电压-电流曲线，通过曲线可以看出电池的最高输出功率为72mW，电池高度为6cm，外径为1.8cm，电池的体积为15.26cm3，则管式甲醇燃料电池的体积比功率密度为4.72mW/cm3，因为电池测试时外部环境为室温26℃，湿度为40％，若提高温度和湿度，管式甲醇燃料电池的功率会更高，性能也会更好。上部的方形框实心标志曲线为有多孔金属网11结构的管式甲醇燃料电池的功率-电流曲线，下部的方形框实心标志曲线为无多孔金属网11结构的管式甲醇燃料电池的功率-电流曲线，可以看出有多孔金属网11结构的电池最高输出功率为72mW，而无多孔金属网11结构的电池最高输出功率仅为53mW。上部的圆形标志曲线为有多孔金属网11结构的管式甲醇燃料电池的电压-电流曲线，下部的圆形标志曲线为无多孔金属网11结构的管式甲醇燃料电池的电压-电流曲线，可以看出有多孔金属网11结构的电池最高输出电流为540mA，而无多孔金属网11结构的电池最高输出电流仅为380mA。
图6示出本实例中管式甲醇燃料电池的Nyquist曲线图，左侧圆形曲线为有多孔金属网11结构的管式甲醇燃料电池的Nyquist曲线图，右侧圆形曲线为有多孔金属网11结构的管式甲醇燃料电池的Nyquist曲线图，可以看出有多孔金属网11结构的管式甲醇燃料电池内阻为0.13Ω，无多孔金属网11结构的管式甲醇燃料电池内阻为0.19Ω，所以有多孔金属网11结构的管式甲醇燃料电池内阻更低，输出电流更高，最高功率更大，性能更优。
电池外螺纹空心换气头1和电池多孔集流加压环12(或者多孔金属网11连接导线)接负载时，管式甲醇燃料电池放电工作，注入甲醇到阳极多孔内螺纹圆柱甲醇腔3后，甲醇通过小孔均匀散布到管式结构的阳极环状泡沫镍基石墨烯气体扩散层(阳极扩散层)6的表面，然后通过管式结构的阳极环状泡沫镍基石墨烯气体扩散层(阳极扩散层)6的多孔结构均匀的散布在阳极催化层7表面，甲醇水溶液在阳极催化层发生电化学反应生成二氧化碳小气泡、氢离子和电子，同时空气中的氧气通过多孔集流加压环12小孔和多孔金属网11小孔以及阴极管状泡沫镍基石墨烯气体扩散层(阴极扩散层)10均匀的到达阴极催化层9，和阳极侧通过外电路导入阴极的电子以及穿过质子交换膜8的氢离子发生电化学反应生成水。管式甲醇燃料电池阳极侧产生的二氧化碳小气泡在阳极多孔内螺纹圆柱甲醇腔3聚集并透过气液分离膜4后，通过外螺纹旋拧头2和外螺纹空心换气头1的中空结构排出电池，电池阴极侧生成的水则通过阴极管状泡沫镍基石墨烯气体扩散层(阴极扩散层)10和多孔集流加压环12小孔以及多孔金属网11小孔排出。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.一种管式甲醇燃料电池，其特征在于：包括由内到外封装的阳极多孔内螺纹圆柱甲醇腔、管式膜电极、多孔金属网以及多孔集流加压环，所述多孔集流加压环的环周均有设有加压环小孔，多孔集流加压环的侧部呈开口状，在该位置固定有两个连接块，在连接块上设有若干个连接孔，螺栓穿过所述连接孔，螺栓的两端通过螺母固定，通过调整螺母松紧调节多孔集流加压环的压力，所述阳极多孔内螺纹圆柱甲醇腔的侧壁上均匀设有甲醇腔薄壁小孔，所述阳极多孔内螺纹圆柱甲醇腔的上部密封安装有气液分离装置。
2.根据权利要求1所述的管式甲醇燃料电池，其特征在于：所述气液分离装置包括外螺纹旋拧头、气液分离膜以及外螺纹空心换气头，所述外螺纹旋拧头与所述阳极多孔内螺纹圆柱甲醇腔螺纹连接，所述外螺纹旋拧头内部带有腔体，腔体底部带有连接孔，所述气液分离膜放置在所述连接孔的上部，所述外螺纹空心换气头与所述外螺纹旋拧头的腔体螺纹配合并压紧所述气液分离膜，所述外螺纹空心换气头的内部设有排气通道，排气通道的一端位于外螺纹空心换气头的底部，另一端延伸至外螺纹空心换气头的外部。
3.根据权利要求2所述的管式甲醇燃料电池，其特征在于：所述管式膜电极包括管式结构的阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、管式结构的阴极气体扩散层，管式阳极气体扩散层在最内侧，然后是阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层，管式阴极气体扩散层在最外侧，五层夹心结构紧密贴合组成了管式膜电极。
4.根据权利要求3所述的管式甲醇燃料电池，其特征在于：所述排气通道的另一端位于外螺纹空气换气头的上部一侧。
5.根据权利要求4所述的管式甲醇燃料电池，其特征在于：所述排气通道的直径与所述外螺纹旋拧头底部的连接孔直径相同。
6.根据权利要求5所述的管式甲醇燃料电池，其特征在于：所述阳极多孔内螺纹圆柱甲醇腔的材质为石墨或者不锈钢等金属材料。
7.根据权利要求6所述的管式甲醇燃料电池，其特征在于：所述管式结构的阳极气体扩散层和管式结构的阴极气体扩散层为碳布、泡沫金属、可以弯曲的导电透气材料或者泡沫镍基三维石墨烯。
8.根据权利要求7所述的管式甲醇燃料电池，其特征在于：所述管式膜电极的边缘与阳极多孔内螺纹圆柱甲醇腔之间设有一层透明聚酯薄膜双面防水胶。
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| CN110492157A (zh) * | 2019-07-29 | 2019-11-22 | 天津科技大学 | 管式甲醇燃料电池 |
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