專利名稱：可重裝的微型自吸氧式直接甲醇燃料電池及其封裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可重裝的微型自吸氧式直接甲醇燃料電池及其封裝方法，屬于微能源技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微型直接甲醇燃料電池能將甲醇與氧氣反應(yīng)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能。同其他微型能源相比，其具有能量密度大，室溫工作，環(huán)保，無可移動組件，燃料便于存儲等優(yōu)點(diǎn)。微型直接甲醇燃料電池在便攜式電子設(shè)備(如筆記本電腦，PDA，數(shù)碼相機(jī))，無線通訊網(wǎng)絡(luò)(如手機(jī)，GPS，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn))，微型系統(tǒng)(如片上系統(tǒng)，SOC，MEMS器件組成的微系統(tǒng))等方面具有突出優(yōu)勢。利用成熟的MEMS技術(shù)制作的微型硅基燃料電池具有精度高，重復(fù)性好，可以等比例縮放，批量生產(chǎn)成本低等的優(yōu)點(diǎn)，并有望同其他MEMS器件和IC電路集成，促進(jìn)自供給、低成本、高性能的微型系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。目前，根據(jù)反應(yīng)物供給方式的不同，微型直接甲醇燃料電池可分為兩大類一類是需要陰陽極均需要外部泵供給的主動式燃料電池，由于其陰陽電極均需要外部微泵提供反應(yīng)物，因此將大大提高系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，同時(shí)微泵還將占用電池產(chǎn)生的部分能源用于驅(qū)動，降低電池系統(tǒng)的效率；另一類是省去所有陰陽極的供給裝置的完全被動式燃料電池，其特征是陽極燃料的供應(yīng)依靠在陽極極板外側(cè)的燃料存儲池(methanol reservoir)內(nèi)存儲高濃度甲醇供給，陰極則直接通過自吸氧的極板從周圍空氣中獲得氧氣，此種結(jié)構(gòu)問題在于陽極甲醇存儲池內(nèi)甲醇溶液保持靜止，只能依靠反應(yīng)產(chǎn)生的濃度差以擴(kuò)散方式向膜電極供給甲醇，傳輸效率低，同時(shí)高濃度的甲醇會造成甲醇滲透問題(methanol crossover)，造成電池性能的下降，此外其在反應(yīng)生成二氧化碳的排出和工作壽命等方面也受限。
封裝工藝對于微型燃料電池穩(wěn)定的、長時(shí)間的工作至關(guān)重要。綜合來說，微型燃料電池的封裝需要達(dá)到下面幾個方面有效性，封裝好后的燃料電池不能發(fā)生陽極向陰極和外部的燃料泄漏；均勻性，反應(yīng)生成電子的收集是通過膜電極和導(dǎo)電的溝道表面金屬層接觸而實(shí)現(xiàn)，不良的接觸會造成內(nèi)阻過大。而且由于溝道作用的發(fā)揮需要MEA同極板緊密接觸來實(shí)現(xiàn)，MEA同極板如果不能均勻接觸還會造成燃料直接跨過溝脊流到相鄰溝道的情況，造成溝道圖形失效；長期性，封裝應(yīng)該能夠抵御甲醇環(huán)境的侵蝕。目前，國內(nèi)外專門研究微型燃料電池封裝的文章幾乎沒有，提到封裝部分的文章目前了解到也僅有兩種解決辦法一種是樹脂粘合(K.G.Stanley，Q.M.J.Wu，T.Vanderhoek，S.Nikumb，Z.M.Walker，M.Parameswaran，″Fabrication of a Micromachined Direct Methanol Fuel Cell″，Tech.Digest，IEEE CCECE 2002，pp.450-454，May 12-15，2002.)，另一種是熱壓的方法(Y.H.Seo and Y.-H．Cho，″MEMS-Based DirectMethanol Fuel Cells and Their Stacks Using a Common Electrolyte Sandwiched by Reinforced MicrocolumnElectrodes″，Tech.Digest，17th IEEE Int.Conf.on MEMS(MEMS2004)，pp.65-68，Maastricht，The Netherlands，Jan.25-29，2004)。這兩種方法的共同問題在于其封裝都是一次性的，即封裝好后無法拆卸重裝，因此無法重復(fù)利用或者替換其中部分組件。此外，封裝過程中它們都是將機(jī)械力直接作用在極板表面，對于硅基極板來說，容易造成硅片的破裂。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決主動式結(jié)構(gòu)復(fù)雜度高，效率低，以及完全被動式結(jié)構(gòu)甲醇傳輸效率低，存在較嚴(yán)重的甲醇擴(kuò)散等問題，本發(fā)明提出并實(shí)現(xiàn)了混合式供給結(jié)構(gòu)的微型直接甲醇燃料電池，其中陽極保留外部泵的主動供給方式，陰極采用自吸氧方式，具體方案如下可重裝的微型自吸氧式直接甲醇燃料電池，其特征在于所述電池的結(jié)構(gòu)從陰極向陽極依次為夾具載具、自吸氧陰極極板、膜電極、陽極極板和夾具上蓋，所述夾具上蓋上還設(shè)有燃料的進(jìn)入管和導(dǎo)出管，在所述電池的部分組件之間使用了作為密封緩沖材料的聚二甲基硅氧烷。
在本發(fā)明中，所述密封緩沖材料聚二甲基硅氧烷存在于所述夾具載具與自吸氧陰極極板之間和陽極極板與夾具上蓋之間，起緩沖膜作用；還存在于膜電極與自吸氧陰極極板之間和膜電極與陽極極板之間，作為密封墊圈；還存在于燃料進(jìn)入管和導(dǎo)出管周圍，并固化在所述夾具上蓋中，與位于上述夾具上蓋和陽極極板之間的聚二甲基硅氧烷薄膜粘合，作為導(dǎo)管固定結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明中，所述陽極采用由外部動力源驅(qū)動燃料的主動式供給方式，陰極采用自吸氧供給方式。
在本發(fā)明中，所述夾具載具中與自吸氧陰極極板上溝道部分對應(yīng)的區(qū)域開有 字形方孔或“口”字形方孔，為外界空氣進(jìn)入電池提供通道。
在本發(fā)明中，所述電池利用聚二甲基硅氧烷的粘附后的可剝離性實(shí)現(xiàn)其可拆卸和重裝。
在本發(fā)明中，外部導(dǎo)線與所述電池中露出夾具的極板部分直接連接或焊接。
為了解決上述現(xiàn)有微型燃料電池封裝技術(shù)中的不可重裝，均勻性差且容易造成極板破裂，以及長期穩(wěn)定性差等問題，本發(fā)明還提出了一種可重裝的微型自吸氧式直接甲醇燃料電池的封裝方法，其特征在于1)在55°～65℃下塑料容器內(nèi)，通過控制聚二甲基硅氧烷的質(zhì)量，預(yù)制所需厚度的聚二甲基硅氧烷厚塊和薄膜，并切割成封裝中所需圖形；2)依次將陽極極板、聚二甲基硅氧烷薄膜、夾具上蓋疊放在一起，然后利用上述聚二甲基硅氧烷厚塊將陽極燃料進(jìn)出管固定在所述夾具上蓋中，其中燃料進(jìn)出管周圍以及所述聚二甲基硅氧烷厚塊與聚二甲基硅氧烷薄膜之間，使用液態(tài)聚二甲基硅氧烷進(jìn)行粘合，并在55°～65℃下進(jìn)行固化。
3)依次將夾具載具、聚二甲基硅氧烷薄膜、自吸氧陰極極板、膜電極依次疊放在一起，其中所述膜電極兩面的四周部分粘附有聚二甲基硅氧薄膜；4)將步驟2)和步驟3)封裝好的陰陽極部分進(jìn)行對接，然后使用螺絲整體封裝。
實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明所述燃料電池及其封裝方法具有封裝速度快，密封效果好，有效時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明所述的可重裝的自吸氧式微型直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明所述的可重裝的微型硅基自吸氧式直接甲醇燃料電池的封裝流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖來進(jìn)一步說明本發(fā)明。
本發(fā)明所述自吸氧式(air-breathing)可重裝的微型硅基直接甲醇燃料電池的一個典型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)如圖1所示。電池內(nèi)部呈三明治結(jié)構(gòu)，包括自吸氧陰極極板1，陽極極板2，和位于兩者之間的膜電極。膜電極由兩塊涂有催化劑的碳紙3a、3b和夾在中間的質(zhì)子交換膜4組成。陰極自吸氧極板1緊靠膜電極陰極催化劑一側(cè)，其具有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，以利于外界空氣透過其向膜電極反應(yīng)場所流動，同時(shí)陰極反應(yīng)生成的水汽也將通過陰極多孔結(jié)構(gòu)蒸發(fā)進(jìn)周圍空氣中，自吸氧極板1同膜電極接觸的表面金屬層具有傳導(dǎo)并分布電流作用。陽極極板2緊靠膜電極陽極催化劑一側(cè)，其內(nèi)部微型溝道用于從外部向膜電極輸送液態(tài)甲醇燃料，同時(shí)導(dǎo)走反應(yīng)生成的二氧化碳?xì)怏w和反應(yīng)剩余的甲醇溶液，其同膜電極接觸表面的金屬淀積層具有收集并傳導(dǎo)電流作用。本發(fā)明設(shè)計(jì)的微型直接甲醇燃料電池的陽極采用由外部動力源驅(qū)動燃料的主動式供給方式，陰極采用自吸氧供給方式。
電池封裝中使用的聚二甲基硅氧烷作為密封緩沖材料。在膜電極同硅極板之間設(shè)有用作密封墊圈的聚二甲基硅氧烷薄膜5a、5b。在硅極板和夾具之間設(shè)有用作緩沖層的聚二甲基硅氧烷薄膜6a、6b。固定陽極燃料導(dǎo)管7a、7b的周圍設(shè)有聚二甲基硅氧烷厚塊8a、8b；其中聚二甲基硅氧烷厚塊8a、8b固化在所述夾具上蓋中，并通過液態(tài)聚二甲基硅氧烷同聚二甲基硅氧烷薄膜6a粘合為一體。
聚二甲基硅氧烷薄膜采用澆鑄剝離方法制備成，并切割成電池封裝所需的尺寸圖形。由于固化后聚二甲基硅氧烷表面具有一定粘附性，所以不需外界粘合劑便可直接同相鄰組件粘合，同時(shí)也有利于未來分離和重裝；電池外圍封裝夾具由兩部分組成，分別為夾具載具9和陽極上蓋10組成，采用四個位于角上的螺絲11固定。夾具材料可以為有機(jī)玻璃或者金屬，制備方法可以采用常規(guī)精密機(jī)械制造工藝。所述夾具載具中與自吸氧陰極極板上溝道部分對應(yīng)的區(qū)域開有 字形方孔或“凵”字形方孔，為外界空氣進(jìn)入電池提供通道。所述 字方孔中的“十”字部分是為了提高夾具與自吸氧極板間的受力均勻性。
圖2為本發(fā)明介紹的微型自吸氧式直接甲醇燃料電池的封裝工藝流程。封裝過程主要分為四步，其中第一步可以預(yù)先完成作為備用(a)聚二甲基硅氧烷薄膜和厚塊的預(yù)制。采用在55°～65℃下塑料容器內(nèi)固化聚二甲基硅氧烷制備一定體積的薄膜和厚塊，然后切割成電池封裝中需要的圖形。其中聚二甲基硅氧烷厚度的改變通過控制放入容器中的聚二甲基硅氧烷的質(zhì)量決定；(b)陽極極板和上蓋的封裝。依次將陽極極板、聚二甲基硅氧烷薄膜、夾具上蓋疊放在一起，然后利用上述聚二甲基硅氧烷厚塊將陽極燃料進(jìn)出管固定在所述夾具上蓋中。其中極板同聚二甲基硅氧烷薄膜間和聚二甲基硅氧烷薄膜同夾具上蓋間均采用直接粘附的方法，無需其它材料。在聚二甲基硅氧烷厚塊與聚二甲基硅氧烷薄膜之間以及插入在聚二甲基硅氧烷厚塊中的燃料進(jìn)出導(dǎo)管周圍，采用液態(tài)聚二甲基硅氧烷粘合并在55°～65℃固化的方法固定。本封裝方法中僅此一步需要液態(tài)聚二甲基硅氧烷的粘合；(c)陰極自吸氧極板同夾具載具的封裝。將聚二甲基硅氧烷薄膜，自吸氧陰極極板，和膜電極依次放入夾具載具中，并調(diào)整位置。其中所述膜電極兩面的四周部分粘附有聚二甲基硅氧薄膜；(d)將步驟(b)和步驟(c)封裝好的組件對接，并用螺絲固定，完成整個電池的封裝，其中部分極板面積露出夾具用于連接外電路。
權(quán)利要求
1.可重裝的微型自吸氧式直接甲醇燃料電池，其特征在于所述電池的結(jié)構(gòu)從陰極向陽極依次為夾具載具、自吸氧陰極極板、膜電極、陽極極板和夾具上蓋，所述夾具上蓋上還設(shè)有燃料的進(jìn)入管和導(dǎo)出管，在所述電池的部分組件之間使用了作為密封緩沖材料的聚二甲基硅氧烷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重裝的微型自吸氧式直接甲醇燃料電池，其特征在于所述密封緩沖材料聚二甲基硅氧烷存在于所述夾具載具與自吸氧陰極極板之間和陽極極板與夾具上蓋之間，起緩沖膜作用；還存在于膜電極與自吸氧陰極極板之間和膜電極與陽極極板之間，作為密封墊圈；還存在于燃料進(jìn)入管和導(dǎo)出管周圍，并固化在所述夾具上蓋中，與位于上述夾具上蓋和陽極極板之間的聚二甲基硅氧烷薄膜粘合，作為導(dǎo)管固定結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重裝的微型自吸氧式直接甲醇燃料電池，其特征在于所述陽極采用由外部動力源驅(qū)動燃料的主動式供給方式，陰極采用自吸氧供給方式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重裝的微型自吸氧式直接甲醇燃料電池，其特征在于所述夾具載具中與自吸氧陰極極板上溝道部分對應(yīng)的區(qū)域開有“田”字形方孔或“口”字形方孔，為外界空氣進(jìn)入電池提供通道。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重裝的微型自吸氧式直接甲醇燃料電池，其特征在于所述電池利用聚二甲基硅氧烷的粘附后的可剝離性實(shí)現(xiàn)其可拆卸和重裝。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重裝的微型自吸氧式直接甲醇燃料電池，其特征在于外部導(dǎo)線與所述電池中露出夾具的極板部分直接連接或焊接。
7.一種可重裝的微型自吸氧式直接甲醇燃料電池的封裝方法，其特征在于1)在55°～65℃下塑料容器內(nèi)，通過控制聚二甲基硅氧烷的質(zhì)量，預(yù)制所需厚度的聚二甲基硅氧烷厚塊和薄膜，并切割成封裝中所需圖形；2)依次將陽極極板、聚二甲基硅氧烷薄膜、夾具上蓋疊放在一起，然后利用上述聚二甲基硅氧烷厚塊將陽極燃料進(jìn)出管固定在所述夾具上蓋中，其中燃料進(jìn)出管周圍以及所述聚二甲基硅氧烷厚塊與聚二甲基硅氧烷薄膜之間，使用液態(tài)聚二甲基硅氧烷進(jìn)行粘合，并在55°～65℃下進(jìn)行固化；3)依次將夾具載具、聚二甲基硅氧烷薄膜、自吸氧陰極極板、膜電極依次疊放在一起，其中所述膜電極兩面的四周部分粘附有聚二甲基硅氧烷薄膜；4)將步驟2)和步驟3)封裝好的陰陽極部分進(jìn)行對接，然后使用螺絲整體封裝。
全文摘要
可重裝的微型自吸氧式直接甲醇燃料電池及其封裝方法，屬于微能源技術(shù)領(lǐng)域。為了解決主動式結(jié)構(gòu)復(fù)雜度高，效率低，以及完全被動式結(jié)構(gòu)甲醇傳輸效率低，存在較嚴(yán)重的甲醇擴(kuò)散等問題，本發(fā)明公開了一種可重裝的微型自吸氧式直接甲醇燃料電池，其結(jié)構(gòu)從陰極向陽極依次為夾具載具、自吸氧陰極極板、膜電極、陽極極板和夾具上蓋，夾具上蓋上還設(shè)有燃料的進(jìn)入管和導(dǎo)出管，在電池的部分組件之間使用了作為密封緩沖材料的聚二甲基硅氧烷。為了解決現(xiàn)有封裝技術(shù)中的不可重裝，均勻性差且容易造成極板破裂，以及長期穩(wěn)定性差等問題，本發(fā)明還公開了一種可重裝的燃料電池封裝方法，其具有封裝速度快，密封效果好，有效時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H01M8/00GK1787265SQ20051008675
公開日2006年6月14日 申請日期2005年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月1日
發(fā)明者王曉紅, 姜英琪, 鐘凌燕 申請人:清華大學(xué)