專(zhuān)利名稱(chēng)：基于金屬雙極板結(jié)構(gòu)的被動(dòng)式自呼吸直接甲醇燃料電池組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的領(lǐng)域是燃料電池，具體地說(shuō)是一種被動(dòng)式自呼吸直接甲醇燃料電池組結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)與制作方法。
(二)
背景技術(shù)：
直接甲醇燃料電池(DMFC)作為一種微型便攜式能源，有其內(nèi)在的優(yōu)勢(shì)。較高的比能 量和能量轉(zhuǎn)化效率是人們感興趣的主要原因。同時(shí)固定的外部結(jié)構(gòu)和可隨時(shí)填充的液體燃料， 也為用戶提供了便利條件，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)時(shí)間短，操作也很方便。相對(duì)于主動(dòng)式直接甲 醇燃料電池，被動(dòng)式自呼吸直接甲醇燃料電池接觸面積大，反應(yīng)完全，進(jìn)液不需要外加動(dòng)力 源，只需要有甲醇儲(chǔ)液腔，陰極反應(yīng)所需要的氧氣來(lái)源于空氣，也就是陰極不需要通入純氧， 只需要在陰極極板上留有與空氣相通的氣體通道就可以了。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種安裝簡(jiǎn)單，材料成本低，易加工，機(jī)械強(qiáng)度高，反應(yīng)物甲醇 與陽(yáng)極接觸面積大，反應(yīng)完全，是一種十分便利的便攜式基于金屬雙極板結(jié)構(gòu)的被動(dòng)式自呼 吸直接甲醇燃料電池組。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的電池組由雙極板、膜電極、集流板用緊固螺栓方法串聯(lián)組
成，雙極板包括陽(yáng)極側(cè)與陰極側(cè)，陽(yáng)極側(cè)中心設(shè)置有正方形凹槽，陰極側(cè)為有助于電池獲取 足夠反應(yīng)氣體的通透氣體溝槽，陽(yáng)極側(cè)與集流板相連，集流板與膜電極的陽(yáng)極相連，膜電極 的陰極與雙極板陰極側(cè)相連。
本發(fā)明還有這樣一些技術(shù)特征
1、 所述的集流板為多孔結(jié)構(gòu)，集流板與膜電極的陽(yáng)極之間夾有密封墊圈，膜電極的陰極 與雙極板陰極之間亦夾有密封墊圈，密封墊圈密封甲醇溶液；
2、 所述的雙極板陽(yáng)極側(cè)正方形凹槽的有效面積與膜電極的有效面積相同；
3、 所述的雙極板陽(yáng)極側(cè)上方設(shè)置有一個(gè)用于向凹槽內(nèi)注入甲醇溶液的通孔；
4、 所述的雙極板陽(yáng)極側(cè)正方形凹槽與集流板形成燃料儲(chǔ)存腔；
5、 所述的膜電極是MEA膜；
6、 所述的電池組依次串聯(lián)連接，最外端兩側(cè)分別為與雙極板陽(yáng)極側(cè)和雙極板陰極側(cè)結(jié)構(gòu)
相同的陽(yáng)極單極板和陰極單極板，并用封裝套件將整個(gè)電池組夾緊后用螺絲擰緊固 定。
本發(fā)明提供的是基于金屬雙極板結(jié)構(gòu)的被動(dòng)式自呼吸直接甲醇燃料電池組。電池的極板采用雙極板結(jié)構(gòu)，雙極板材料為金屬，經(jīng)雙面化學(xué)腐蝕及表面改性后，獲得所需雙極板結(jié)構(gòu)， 并使極板達(dá)到強(qiáng)耐蝕性和高導(dǎo)電性。電池陽(yáng)極側(cè)加有集流板，集流板為多孔結(jié)構(gòu)，雙極板陽(yáng) 極側(cè)中心有正方形凹槽，雙極板陽(yáng)極側(cè)與集流板形成燃料儲(chǔ)存腔，雙極板陰極側(cè)為通透氣體 溝槽。電池組由雙極板、膜電極、集流板等單元用緊固螺栓方法串連而成。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在 于此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)新穎，安裝簡(jiǎn)單，材料成本低，易加工，機(jī)械強(qiáng)度高，反應(yīng)物甲醇與陽(yáng)極接 觸面積大，反應(yīng)完全，是一種十分便利的便攜式電源。
本發(fā)明包括雙極板，雙極板陽(yáng)極側(cè)為正方形凹槽，此凹槽作為儲(chǔ)液腔，用于儲(chǔ)存電池燃 料，雙極板陰極側(cè)為通透氣體溝槽，這種結(jié)構(gòu)有助于電池獲取足夠的反應(yīng)氣體；集流板，用 于導(dǎo)入反應(yīng)物，支撐膜電極，收集電子；膜電極組件；膠墊；封裝套件，具有較強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度， 絕緣性好。燃料由陽(yáng)極集流板供給到陽(yáng)極，在陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，并向外電路放出電子，氧 化劑通過(guò)陰極集流板供給到陰極，在陰極處從外電路獲得電子，發(fā)生還原反應(yīng)，電子通過(guò)外 電路由陽(yáng)極流向陰極，電池內(nèi)部電荷載體的傳導(dǎo)借助電解質(zhì)來(lái)完成，這樣，內(nèi)外電路一起構(gòu) 成閉合回路，完成化學(xué)能向電能的直接轉(zhuǎn)化。
本發(fā)明的特點(diǎn)有
1、 所述雙極板的材料為金屬，經(jīng)雙面化學(xué)腐蝕制成，并經(jīng)過(guò)表面改性處理，使其具有高 的導(dǎo)電率、耐腐蝕性。
2、 所述集流板具有多孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電性好，耐腐蝕性好。
3、 所述的膜電極是MEA膜。
4、 所述集流板的多孔結(jié)構(gòu)的有效面積與膜電極的有效面積相等。
5、 所述的膠墊具有耐腐蝕性及耐高溫性。
6、 所述封裝套件具有較強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度，絕緣性好。
本發(fā)明是一種可以采用非硅微機(jī)械加工(MEMS)工藝加工的并行進(jìn)液方式的雙極板層 疊型被動(dòng)式自呼吸直接甲醇燃料電池組。它包括電池雙極板4，它是由金屬材料雙面化學(xué)腐 蝕及表面改性后制成，達(dá)到所需雙極板結(jié)構(gòu)，并使其達(dá)到強(qiáng)耐蝕性和高導(dǎo)電性，雙極板陽(yáng)極 側(cè)有一個(gè)正方形凹槽，用于儲(chǔ)存燃料，還有一個(gè)通孔，用于向凹槽內(nèi)注入甲醇溶液，凹槽的 有效面積與MEA7的有效面積相同，雙極板陰極側(cè)為通透氣體溝槽，用于電池獲取足夠的反 應(yīng)氣體，雙極板陽(yáng)極連有集流板5，集流板5中間為多孔結(jié)構(gòu)，集流板亦為金屬材料，經(jīng)表 面改性后達(dá)到強(qiáng)腐蝕性和高導(dǎo)電性，集流板與膜電極陽(yáng)極之間夾有密封墊圈6，密封墊圈用 以密封甲醇溶液，膜電極的陰極與雙極板陰極之間亦夾有密封墊圈6，整個(gè)電池組依次串聯(lián) 連接，封裝套件2由具有較強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度，絕緣性好的材料制成，如有機(jī)玻璃，聚四氟乙烯， 用其將整個(gè)電池組夾緊后用螺絲1擰緊固定。目前，通常制備燃料電池雙極板的材料是石墨材料。盡管石墨的價(jià)格不高，但是由于雙 極板表面要求有復(fù)雜的流道，所以機(jī)械加工石墨雙極板流道的費(fèi)用非常高，并且由于石墨是 一種多孔脆性材料，導(dǎo)致不易制備厚度小于3mm的薄板。為降低電池的生產(chǎn)成本，減少電池 組的體積，我們選擇金屬作為雙極板材料，通過(guò)雙面化學(xué)腐蝕加工技術(shù)制作雙極板，然后經(jīng) 過(guò)表面處理使其達(dá)到良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性和耐腐蝕性，制作工藝簡(jiǎn)便，成本低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 并且，基于本電池組的被動(dòng)式進(jìn)液方式，可以大大減小電池組系統(tǒng)的體積，不需要外加電源 及輔助設(shè)備，具有快速高效性，是一種有效的便攜式電源。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)新穎，安裝簡(jiǎn)單，反應(yīng)物甲醇與陽(yáng)極接觸面積大，反應(yīng)
完全，層疊式的組裝設(shè)計(jì)，使得本發(fā)明電池組所占的平面面積小，當(dāng)節(jié)數(shù)較多的電池串聯(lián)時(shí) 本發(fā)明結(jié)構(gòu)仍然適用。由于金屬材料具有較好的熱傳導(dǎo)性，可以使陰極側(cè)產(chǎn)生的水快速蒸發(fā)， 有利于陰極反應(yīng)氣體順利傳輸。同時(shí)，金屬雙極板具有高的電導(dǎo)率，好的力學(xué)強(qiáng)度，價(jià)格不 高，生產(chǎn)工藝多樣，如可通過(guò)沖壓或蝕刻來(lái)加工，并且可加工成薄板，減少電池體積。由于 本串聯(lián)電池組的被動(dòng)式進(jìn)液方式，可以大大減小電池組系統(tǒng)的體積，不需要外加電源及輔助 設(shè)備，具有快速高效性，是一種有效的便攜式電源。
(四)


圖l是雙極板結(jié)構(gòu)示意圖2是圖1的左視圖； 圖3是圖1的右視圖； 圖4是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖5是本發(fā)明的電池組組裝后效果圖。
(五)
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明作更詳細(xì)的描述
結(jié)合圖1-5，本實(shí)施例電池組由雙極板4、膜電極(MEA) 7、集流板5用緊固螺栓方法 串聯(lián)組成，雙極板4包括陽(yáng)極側(cè)與陰極側(cè)，陽(yáng)極側(cè)中心設(shè)置有正方形凹槽IO，陰極側(cè)為有助 于電池獲取足夠反應(yīng)氣體的通透氣體溝槽ll，陽(yáng)極側(cè)與集流板5相連，集流板5與膜電極7 的陽(yáng)極相連，膜電極7的陰極與雙極板4陰極側(cè)相連。雙極板4是由金屬材料雙面化學(xué)腐蝕 及表面改性后制成，達(dá)到所需雙極板結(jié)構(gòu)，并使其達(dá)到強(qiáng)耐蝕性和高導(dǎo)電性，雙極板陽(yáng)極側(cè) 有一個(gè)正方形凹槽IO，用于儲(chǔ)存燃料，還有一個(gè)通孔9，用于向凹槽10內(nèi)注入甲醇溶液，凹 槽10的有效面積與MEA7的有效面積相同，雙極板陰極側(cè)為通透氣體溝槽11，用于電池獲 取足夠的反應(yīng)氣體，雙極板陽(yáng)極連有集流板5，集流板5中間為多孔結(jié)構(gòu)，集流板亦為金屬 材料，經(jīng)表面改性后達(dá)到強(qiáng)腐蝕性和高導(dǎo)電性，集流板5與膜電極7陽(yáng)極之間夾有密封墊圈6，密封墊圈用以密封甲醇溶液，膜電極7的陰極與雙極板4陰極之間亦夾有密封墊圈6，整 個(gè)電池組依次串聯(lián)連接，最外端兩側(cè)分別為與雙極板陽(yáng)極側(cè)和雙極板陰極側(cè)結(jié)構(gòu)相同的陽(yáng)極 單極板3和陰極單極板8，封裝套件2由具有較強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度，絕緣性好的材料制成，如有機(jī) 玻璃，聚四氟乙烯，用其將整個(gè)電池組夾緊后用螺絲1擰緊固定。
結(jié)合圖1，雙極板一側(cè)為陽(yáng)極另一側(cè)為陰極，雙極板是由金屬材料經(jīng)非硅MEMS工藝(沖 壓或蝕刻)及表面改性(鍍金或鍍氮化鈦)后制成，從而達(dá)到所需雙極板結(jié)構(gòu)，并使其達(dá)到 強(qiáng)耐蝕性和高導(dǎo)電性。
結(jié)合圖2，雙極板陽(yáng)極側(cè)與集流板5相連，集流板5中間為多孔結(jié)構(gòu)，集流板亦為金屬 材料，經(jīng)表面改性后達(dá)到強(qiáng)腐蝕性和高導(dǎo)電性，集流板與電池膜電極7陽(yáng)極之間夾有密封墊 圈6，密封墊圈可以密封甲醇溶液，陽(yáng)極極板凹槽的有效面積與MEA7的有效面積相同，膜 電極的陰極與雙極板陰極之間亦夾有密封墊圈6
結(jié)合圖3，整個(gè)電池組依次串聯(lián)連接，封裝套件2由具有較強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度，絕緣性好的材 料制成，如有機(jī)玻璃，聚四氟乙烯，用其將整個(gè)電池組夾緊后用螺絲l擰緊固定。
權(quán)利要求
1、一種基于金屬雙極板結(jié)構(gòu)的被動(dòng)式自呼吸直接甲醇燃料電池組，其特征在于電池組由雙極板、膜電極、集流板用緊固螺栓方法串聯(lián)組成，雙極板包括陽(yáng)極側(cè)與陰極側(cè)，陽(yáng)極側(cè)中心設(shè)置有正方形凹槽，陰極側(cè)為有助于電池獲取足夠反應(yīng)氣體的通透氣體溝槽，陽(yáng)極側(cè)與集流板相連，集流板與膜電極的陽(yáng)極相連，膜電極的陰極與雙極板陰極側(cè)相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于金屬雙極板結(jié)構(gòu)的被動(dòng)式自呼吸直接甲醇燃料電池組，其特征 在于所述的集流板為多孔結(jié)構(gòu)，集流板與膜電極的陽(yáng)極之間夾有密封墊圈，膜電極的陰極 與雙極板陰極之間亦夾有密封墊圈，密封墊圈密封甲醇溶液。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于金屬雙極板結(jié)構(gòu)的被動(dòng)式自呼吸直接甲醇燃料電池組，其特征 在于所述的雙極板陽(yáng)極側(cè)正方形凹槽的有效面積與膜電極的有效面積相同。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于金屬雙極板結(jié)構(gòu)的被動(dòng)式自呼吸直接甲醇燃料電池組，其特征 在于所述的雙極板陽(yáng)極側(cè)上方設(shè)置有一個(gè)用于向凹槽內(nèi)注入甲醇溶液的通孔。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于金屬雙極板結(jié)構(gòu)的被動(dòng)式自呼吸直接甲醇燃料電池組，其特征 在于所述的雙極板陽(yáng)極側(cè)正方形凹槽與集流板形成燃料儲(chǔ)存腔。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于金屬雙極板結(jié)構(gòu)的被動(dòng)式自呼吸直接甲醇燃料電池組，其特征 在于所述的膜電極是MEA膜。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于金屬雙極板結(jié)構(gòu)的被動(dòng)式自呼吸直接甲醇燃料電池組，其特征 在于所述的電池組依次串聯(lián)連接，最外端兩側(cè)分別為與雙極板陽(yáng)極側(cè)和雙極板陰極側(cè)結(jié)構(gòu) 相同的陽(yáng)極單極板和陰極單極板，并用封裝套件將整個(gè)電池組夾緊后用螺絲擰緊固定。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于金屬雙極板結(jié)構(gòu)的被動(dòng)式自呼吸直接甲醇燃料電池組。電池組由雙極板、膜電極、集流板用緊固螺栓方法串聯(lián)組成，雙極板包括陽(yáng)極側(cè)與陰極側(cè)，陽(yáng)極側(cè)中心設(shè)置有正方形凹槽，陰極側(cè)為有助于電池獲取足夠反應(yīng)氣體的通透氣體溝槽，陽(yáng)極側(cè)與集流板相連，集流板與膜電極的陽(yáng)極相連，膜電極的陰極與雙極板陰極側(cè)相連。本發(fā)明安裝簡(jiǎn)單，材料成本低，易加工，機(jī)械強(qiáng)度高，反應(yīng)物甲醇與陽(yáng)極接觸面積大，反應(yīng)完全，是一種十分便利的便攜式電池組。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101409357SQ20081020955
公開(kāi)日2009年4月15日 申請(qǐng)日期2008年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月28日
發(fā)明者劉曉為, 博 張, 鵬 張, 張宇峰, 苑振宇 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)