專利名稱：被動(dòng)式自呼吸直接液體燃料電池的支撐極板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及被動(dòng)式自呼吸直接液體燃料電池的支撐極板。
背景技術(shù)：
自呼吸直接液體燃料電池是一種直接采用液體燃料(甲醇、甲酸、乙醇等液體燃料)和空氣中的氧氣將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的電化學(xué)反應(yīng)裝置。由于它能量轉(zhuǎn)換效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全可靠，清潔干凈，不需要復(fù)雜的外加設(shè)備比如重整，加熱、冷卻裝置，壓力泵，風(fēng)扇等，被認(rèn)為是最有可能首先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，在小型便攜式移動(dòng)電源和傳感器等領(lǐng)域具有很廣闊的應(yīng)用前景。
自呼吸直接液體燃料電池的核心部件是膜電極(MEA)，它由一張質(zhì)子交換膜和陰極電極、陽(yáng)極電極組成。電極外側(cè)由導(dǎo)電性較高的碳紙或碳布作為擴(kuò)散層，反應(yīng)物通過(guò)擴(kuò)散層到達(dá)電極里的催化層進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。在組裝成電池時(shí)，膜電極兩邊為集流材料及支撐極板。該極板能起到支撐作用，使膜電極和集流材料緊密接觸以減小電阻，并且有利于反應(yīng)物和產(chǎn)物的分散和傳輸。極板可以分為單極板和雙極板，而被動(dòng)式自呼吸燃料電池一般采用單極板。然而，目前對(duì)于極板
的研究主要集中在雙極板，例如申請(qǐng)專利(申請(qǐng)?zhí)?QQ71Q157448.4，200710172148.3 , 200610129486.4 ， 200610145083.9 , 01124227.2 ， 01124228.0 ，
02155187.1， 99811792.7' 02132327.5等)它們主要為主動(dòng)式燃茅斗電、池月艮務(wù)，
4并不適合在被動(dòng)式燃料電池上面應(yīng)用，而關(guān)于被動(dòng)式自呼吸燃料電池的單極板的研究工作，報(bào)道的更少。
目前，在自呼吸直接液體燃料電池中采用的極板一般為不銹鋼、
石墨或其它一些復(fù)合材料(Journal of Power Sources 128 (2004)119—124， Journal of Power Sources 167 (2007) 455 - 460， Nature 414(2001) 345-352)。采用不銹鋼片，由于其密度大，所得的極板質(zhì)量比較大，而且需要復(fù)雜的防腐處理，并不適合作為便攜式燃料電池電源的極板；采用石墨材料，由于其價(jià)格高，密度大，并且石墨很脆，不能做的很薄，所以有必要選擇合適的極板材料。
因此，選擇一種密度較小，價(jià)格比較便宜，具有較高支撐強(qiáng)度，耐腐蝕的材料作為直接液體燃料電池的極板，對(duì)于實(shí)現(xiàn)便攜式燃料電池的商業(yè)化應(yīng)用來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了被動(dòng)式自呼吸直接液體燃料電池的支撐極板。
被動(dòng)式自呼吸直接液體燃料電池的支撐極板，所述的被動(dòng)式自呼吸直接液體燃料電池的構(gòu)成包括窗口式燃料儲(chǔ)存腔、支撐極板和三合一膜電極；采用的液體燃料為甲醇、甲酸或乙醇作為反應(yīng)物；其特征在于，所述的支撐極板的構(gòu)成包括支撐板、凹槽狀流場(chǎng)和集流材料;所述的支撐極板包括陰極支撐極板和陽(yáng)極支撐極板，陰極支撐極板與陽(yáng)極支撐極板的構(gòu)成相同并配對(duì)使用；所述的凹槽狀流場(chǎng)為平行流場(chǎng)或行列式排列的點(diǎn)狀流場(chǎng)；在組裝被動(dòng)式自呼吸直接液體燃料電池時(shí)，選擇的陽(yáng)極支撐板或陰極支撐板的凹槽狀流場(chǎng)相同或不同；
如圖l、 2所示的是凹槽狀流場(chǎng)為平行流場(chǎng)的支撐極板，其構(gòu)成如下
支撐板1上雕刻凹槽狀流場(chǎng)為平行流場(chǎng)，平行流場(chǎng)的支撐棱4和傳質(zhì)流道5相間布置，集流材料引線口 2與凹槽狀流場(chǎng)連通，凹槽狀流場(chǎng)的凹槽深度與集流材料和三合一膜電極的單側(cè)電極厚度之和相等；將網(wǎng)狀集流材料6嵌在凹槽狀流場(chǎng)上就得到平行流場(chǎng)的支撐極板；支撐板上的固定孔3能將支撐極板固定在電池殼體上；
為了利于反應(yīng)物和產(chǎn)物的傳遞，凹槽狀流場(chǎng)的傳質(zhì)流道的底面積為整個(gè)流場(chǎng)的底面積的40%—60%。
如圖3、 4所示的是的凹槽狀流場(chǎng)為行列式排列的點(diǎn)狀流場(chǎng)的支撐極板，其構(gòu)成的不同之處在于凹槽狀流場(chǎng)的平行流場(chǎng)替換為行列式排列的點(diǎn)狀流場(chǎng)，行列式排列的點(diǎn)狀流場(chǎng)的傳質(zhì)通道為的圓孔，圓孔的面積占凹槽狀流場(chǎng)的面積為40%—60%;其余的與圖1、 2所示的
凹槽狀流場(chǎng)為平行流場(chǎng)的支撐極板相同；
所述的陰極支撐極板的構(gòu)成與陽(yáng)極支撐極板相同，并配對(duì)使用；在組裝被動(dòng)式自呼吸直接液體燃料電池時(shí)，選擇的陽(yáng)極支撐板或
陰極支撐板的凹槽狀流場(chǎng)相同或不同；
所述的支撐板為不飽和聚酯玻璃纖維增強(qiáng)板，是由二元醇與全部
或部分不飽和二元酸縮合聚合所得的具有酯鍵和不飽和雙鍵的線型
高分子化合物，再采用玻璃纖維進(jìn)行增強(qiáng)其機(jī)械性能的復(fù)合材料；該
支撐板在市場(chǎng)上可以購(gòu)買，其厚度為l一3mm;所述的網(wǎng)狀集流材料6為鍍金的不銹鋼網(wǎng)或鈦網(wǎng)。
本發(fā)明的一種被動(dòng)式自呼吸直接液體燃料電池支撐極板，可以用
于被動(dòng)式單電池支撐極板和平面被動(dòng)式自呼吸直接液體燃料電池組
支撐極板。
在組裝電池時(shí)，先將陽(yáng)極支撐極板固定在窗口式電池殼體上，加上三合一膜電極，使三合一膜電極的陽(yáng)極側(cè)電極與陽(yáng)極支撐極板接觸，使三合一膜電極的陰極側(cè)電極與陰極支撐極板接觸，固定，密封，得到完整電池。
圖5、圖6是凹槽狀流場(chǎng)為平行流場(chǎng)的被動(dòng)式自呼吸直接液體燃料電池組的支撐極板構(gòu)成示意圖。該電池組有5個(gè)單電池單元組成。
圖7、圖8是凹槽狀流場(chǎng)為行列式排列的點(diǎn)狀流場(chǎng)的被動(dòng)式自呼吸直接液體燃料電池組的支撐極板構(gòu)成示意圖。該電池組有5個(gè)單電池單元組成。
有益效果本發(fā)明的一種被動(dòng)式自呼吸直接液體燃料電池的支撐極板的復(fù)合材料具有較好耐熱性、絕緣性、耐水和耐化學(xué)、耐老化，以及有很高的機(jī)械加工性能。凹槽狀的流場(chǎng)可以使膜電極與集流材料更緊密接觸，能降低電池的接觸電阻。該支撐極板與不銹鋼板相比，比較輕便；比石墨板支撐強(qiáng)度高，不易破碎。在制作電池組時(shí)，因?yàn)橹伟宀粚?dǎo)電，各個(gè)單電池可以集成在一塊支撐板上制作。


圖1、 2是凹槽狀流場(chǎng)為平行流場(chǎng)的被動(dòng)式自呼吸直接液體燃料電池的支撐極板構(gòu)成示意圖。圖3、 4是凹槽狀流場(chǎng)為行列式排列的點(diǎn)狀流場(chǎng)的被動(dòng)式自呼吸 直接液體燃料電池的支撐極板構(gòu)成示意圖。
圖5、 6是凹槽狀流場(chǎng)為平行流場(chǎng)的被動(dòng)式自呼吸直接液體燃料 電池組的支撐極板構(gòu)成示意圖。該電池組有5個(gè)單電池單元組成。
圖7、 8是凹槽狀流場(chǎng)為行列式排列的點(diǎn)狀流場(chǎng)的被動(dòng)式自呼吸 直接液體燃料電池組的支撐極板構(gòu)成示意圖。該電池組有5個(gè)單電池 單元組成。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1 凹槽狀流場(chǎng)為平行流場(chǎng)的被動(dòng)式自呼吸直接液體燃 料電池的支撐極板
被動(dòng)式自呼吸直接液體燃料電池的支撐極板，所述的被動(dòng)式自呼 吸直接液體燃料電池的構(gòu)成包括窗口式燃料儲(chǔ)存腔、支撐極板和三合 一膜電極；采用的液體燃料為甲醇、甲酸或乙醇作為反應(yīng)物；其特征 在于，所述的支撐極板的構(gòu)成包括支撐板、凹槽狀流場(chǎng)和集流材料; 所述的支撐極板包括陰極支撐極板和陽(yáng)極支撐極板，陰極支撐極板與 陽(yáng)極支撐極板的構(gòu)成相同并配對(duì)使用；所述的凹槽狀流場(chǎng)為平行流場(chǎng) 或行列式排列的點(diǎn)狀流場(chǎng)；在組裝被動(dòng)式自呼吸直接液體燃料電池 時(shí)，選擇的陽(yáng)極支撐板或陰極支撐板的凹槽狀流場(chǎng)相同或不同；
如圖l、 2所示，凹槽狀流場(chǎng)為平行流場(chǎng)的被動(dòng)式自呼吸直接液 體燃料電池的支撐極板，其構(gòu)成如下支撐板l上雕刻出的凹槽狀流 場(chǎng)為平行流場(chǎng)，支撐棱4和傳質(zhì)流道5相間布置，集流材料引線口2 與凹槽狀流場(chǎng)連通，凹槽狀流場(chǎng)的凹槽深度與集流材料和的單側(cè)電極厚度之和相等；
所述的被動(dòng)式自呼吸直接液體燃料電池有效面積為3cmX3cm。 該電池殼體的尺寸為5cmX5cm，支撐板為5cmX5cmX 1.5mm的玻 璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯板，集流材料為鍍金的不銹鋼316材料制備的 網(wǎng)，尺寸為3cmX3cmX0.3mm;在上述支撐板上雕刻出尺寸為3cm X3cmX0.5mm凹槽狀流場(chǎng)，凹槽狀流場(chǎng)為平行流場(chǎng)，其中，支撐棱 4的尺寸為0.2cmX3cmXlmm，平行流場(chǎng)的傳質(zhì)流道5尺寸為0.2cm X3cm，引線尺寸為2cmX2mm。
將網(wǎng)狀集流材料6嵌在凹槽狀流場(chǎng)上，得到凹槽狀流場(chǎng)為平行流 場(chǎng)的被動(dòng)式自呼吸直接液體燃料電池的陽(yáng)極支撐板。
被動(dòng)式自呼吸直接液體燃料電池的陰極支撐板與上述得到的凹 槽狀流場(chǎng)為平行流場(chǎng)的被動(dòng)式自呼吸直接液體燃料電池的陽(yáng)極支撐 板的構(gòu)成相同。
在組裝電池時(shí)，先將所述的凹槽狀流場(chǎng)為平行流場(chǎng)的被動(dòng)式自呼 吸直接液體燃料電池的支撐極板固定在窗口式電池殼體上，加上三合 一膜電極，使三合一膜電極的陽(yáng)極側(cè)電極與該陽(yáng)極支撐極板接觸，使 三合一膜電極的陰極側(cè)電極與所述的凹槽狀流場(chǎng)為行列式排列的點(diǎn) 狀流場(chǎng)的被動(dòng)式自呼吸直接液體燃料電池的陰極支撐板接觸，固定， 密封，得到完整電池。
實(shí)施例2 如圖3、 4所示的是的凹槽狀流場(chǎng)為行列式排列的點(diǎn) 狀流場(chǎng)的支撐極板，其構(gòu)成的不同之處在于凹槽狀流場(chǎng)為行列式排列 的點(diǎn)狀流場(chǎng)，所述的行列式排列的點(diǎn)狀流場(chǎng)的傳質(zhì)流道為圓孔，其直徑尺寸為3mm;為了利于反應(yīng)物和產(chǎn)物的傳遞，凹槽狀流場(chǎng)的行列 式排列的圓孔的面積占凹槽狀流場(chǎng)的面積要大于40%;其余的包括制 備方法均與實(shí)施例1的凹槽狀流場(chǎng)為平行流場(chǎng)的支撐極板相同。
實(shí)施例3 使用本發(fā)明提供的支撐極板的平面被動(dòng)式自呼吸直 接液體燃料電池組
平面被動(dòng)式自呼吸直接液體燃料電池組使用本發(fā)明提供的支撐 極板及制備方法同實(shí)施例1。如圖5、圖6所示，該平面被動(dòng)式自呼 吸直接液體燃料電池組由5個(gè)單電池組成，其中單電池尺寸為1.2cm X4.2cm;由于所述的支撐板不導(dǎo)電，電池組可以集成在一塊支撐板， 可以作為一個(gè)整體進(jìn)行組裝，較為方便。組裝，密封比采用石墨和不 銹鋼板要簡(jiǎn)單。而采用傳統(tǒng)的石墨板、不銹鋼板，由于其具有導(dǎo)電性， 各個(gè)單電池必須分開組裝，不能接觸否則就成了一個(gè)整體大電池，從 而增加了難度和成本。
圖5、 6為由5個(gè)單電池組成的平面被動(dòng)式小型電池組的陽(yáng)極支 撐極板。13為不飽和聚酯支撐板，14為平行矩形槽流場(chǎng)，15為集流 材料引線出口， 16為平行流場(chǎng)支撐棱，17為平行流場(chǎng)傳質(zhì)流道，18 為單電池網(wǎng)狀集流材料。
實(shí)施例4 使用本發(fā)明提供的支撐極板的凹槽狀流場(chǎng)為行列式 排列的點(diǎn)狀流場(chǎng)的平面被動(dòng)式自呼吸直接液體燃料池組
圖7、 8是凹槽狀流場(chǎng)為行列式排列的點(diǎn)狀流場(chǎng)的被動(dòng)式自呼吸 直接液體燃料電池組的支撐極板構(gòu)成示意圖。
如圖7、 8所示的凹槽狀流場(chǎng)為行列式排列的點(diǎn)狀流場(chǎng)的支撐極板，其凹槽狀流場(chǎng)為行列式排列的點(diǎn)狀流場(chǎng)，所述的行列式排列的點(diǎn)
狀流場(chǎng)的傳質(zhì)流道為圓孔，圓孔直徑尺寸為3mm;為了利于反應(yīng)物 和產(chǎn)物的傳遞，凹槽狀流場(chǎng)的行列式排列的圓孔的面積占凹槽狀流場(chǎng) 的面積要大于40%，平面被動(dòng)式自呼吸直接液體燃料池組使用本發(fā)明 提供的行列式排列的點(diǎn)狀流場(chǎng)支撐極板及制備方法同實(shí)施例2。
圖7、 8為由5個(gè)單電池組成的平面被動(dòng)式小型電池組的陽(yáng)極支 撐極板。19為不飽和聚酯支撐板，20為凹槽形點(diǎn)狀流場(chǎng)，21為集 流材料引線出口， 22為固定孔，23為點(diǎn)狀流場(chǎng)支撐棱，24為點(diǎn)狀流 場(chǎng)傳質(zhì)流道，25為網(wǎng)狀集流材料。
權(quán)利要求
1. 被動(dòng)式自呼吸直接液體燃料電池的支撐極板，所述的被動(dòng)式自呼吸直接液體燃料電池的構(gòu)成包括窗口式燃料儲(chǔ)存腔、支撐極板和三合一膜電極；采用的液體燃料為甲醇、甲酸或乙醇作為反應(yīng)物；其特征在于，所述的支撐極板的構(gòu)成包括支撐板、凹槽狀流場(chǎng)和集流材料；所述的支撐極板包括陰極支撐極板和陽(yáng)極支撐極板，陰極支撐極板與陽(yáng)極支撐極板的構(gòu)成相同并配對(duì)使用；所述的凹槽狀流場(chǎng)為平行流場(chǎng)或行列式排列的點(diǎn)狀流場(chǎng)；在組裝被動(dòng)式自呼吸直接液體燃料電池時(shí)，選擇的陽(yáng)極支撐板或陰極支撐板的凹槽狀流場(chǎng)相同或不同；所述的凹槽狀流場(chǎng)為平行流場(chǎng)的支撐極板的構(gòu)成如下支撐板(1)上雕刻凹槽狀流場(chǎng)為平行流場(chǎng)，平行流場(chǎng)的支撐棱(4)和傳質(zhì)流道(5)相間布置，集流材料引線口(2)與凹槽狀流場(chǎng)連通，凹槽狀流場(chǎng)的凹槽深度與集流材料和三合一膜電極的單側(cè)電極厚度之和相等；將網(wǎng)狀集流材料(6)嵌在凹槽狀流場(chǎng)上就得到平行流場(chǎng)的支撐極板；凹槽狀流場(chǎng)的傳質(zhì)通道孔隙率為整個(gè)流場(chǎng)的40％—60％；支撐板上(3)做為固定孔，通過(guò)(3)將支撐極板固定在電池殼體上；所述的支撐板為不飽和聚酯玻璃纖維增強(qiáng)板，其厚度為1—3mm；所述的網(wǎng)狀集流材料(6)為鍍金的不銹鋼網(wǎng)或鈦網(wǎng)；所述的凹槽狀流場(chǎng)為行列式排列的點(diǎn)狀流場(chǎng)的支撐極板的構(gòu)成如下其構(gòu)成的不同之處在于凹槽狀流場(chǎng)的平行流場(chǎng)替換為行列式排列的點(diǎn)狀流場(chǎng)，行列式排列的點(diǎn)狀流場(chǎng)上的傳質(zhì)通道為圓孔，圓孔的面積占凹槽狀流場(chǎng)的面積為40％—60％；其余的與凹槽狀流場(chǎng)為平行流場(chǎng)的支撐極板相同。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種被動(dòng)式自呼吸直接液體燃料電池的支撐極板。該支撐極板包括支撐板、凹槽狀流場(chǎng)和集流材料；該支撐極板包括結(jié)構(gòu)相同的陽(yáng)極支撐極板和陰極支撐極板；所述的凹槽狀流場(chǎng)為平行流場(chǎng)或行列式排列的點(diǎn)狀流場(chǎng)；所述的集流材料為鍍金的不銹鋼網(wǎng)、鈦網(wǎng)。支撐板為不飽和聚酯玻璃纖維增強(qiáng)板，在該支撐板上雕刻出所需要的流場(chǎng)，配合集流材料作為直接液體燃料電池的極板使用。該支撐極板的復(fù)合材料具有較好耐熱性、絕緣性、耐水和耐化學(xué)、耐老化，以及有很高的機(jī)械加工性能。凹槽狀的流場(chǎng)可以使膜電極與集流材料更緊密接觸，能降低電池的接觸電阻。該支撐極板比不銹鋼板輕；比石墨板板支撐強(qiáng)度高，不易破碎。制作電池組，因其不導(dǎo)電，各個(gè)單電池可以集成在一塊支撐板上制作。
文檔編號(hào)H01M4/86GK101510616SQ20091006672
公開日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2009年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月31日
發(fā)明者馮立綱, 劉長(zhǎng)鵬, 廖建輝, 晶 張, 亮 梁, 巍 邢 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所