專利名稱：采用高濃度甲醇進(jìn)料方式的自呼吸直接甲醇燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電化學(xué)燃料電池領(lǐng)域，具體是采用高濃度甲醇進(jìn)料方式的自呼吸直接
甲醇燃料電池。
背景技術(shù)：
自呼吸甲醇燃料電池作為一種替代能源，具有能量密度高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，燃料補(bǔ)充方便、可以長(zhǎng)期運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。它以甲醇為燃料，以空氣中的氧為氧化劑，兩者通過(guò)電池的膜電極發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)的化學(xué)能則以電能形式輸出。 但是，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)如果使用低濃度甲醇，如低于5M甲醇溶液則難有如上所說(shuō)的優(yōu)點(diǎn)，只有使用高濃度甲醇如10M以上到純甲醇才具有較高的應(yīng)用前景。但高濃度甲醇如果直接與膜電極接觸，膜電極將很容易被破壞，這主要是高濃度甲醇對(duì)膜有很強(qiáng)的溶脹能力及穿透能力，一方面導(dǎo)致膜電極的電極與膜之間發(fā)生脫離，另一方面甲醇透過(guò)至陰極后與氧氣直接發(fā)生燃燒反應(yīng)，燒壞電極。 為了能夠早日實(shí)現(xiàn)直接甲醇燃料電池商業(yè)化應(yīng)用，研究者們對(duì)采用高濃度甲醇進(jìn)
料方式的燃料電池進(jìn)行了研究，目前主要還是停留在實(shí)驗(yàn)室階段。如Abdelkareem等人(參
見(jiàn)M.Ali Abdelkareem， N. Nakagawa， J. Power Sources 162(2006) 114.)采用了多孔碳板
來(lái)增加陽(yáng)極甲醇的傳質(zhì)阻力，由于多孔碳板低的孔隙率，導(dǎo)致高濃度的甲醇溶液只能以一
定的速率擴(kuò)散到陽(yáng)極表面，而陽(yáng)極表面處的甲醇濃度則保持較低的水平，從而獲得較為穩(wěn)
定的電能輸出。Kim等人則使用一種水凝膠來(lái)控制甲醇從燃料貯槽到陽(yáng)極的擴(kuò)散速度(參
見(jiàn)W.J.Kim， H. G.Choi ，Y.K丄ee， et al.，J.Power Sources 163(2006)98)。也有采用疏水
多孔層來(lái)控制甲醇的透過(guò)阻力(Y. Yang， Y. C. Liang， J. PowerSources 165 (2007) 185)，還有
采用一微管將高濃度甲醇溶液以一定速度輸送到膜電極陽(yáng)極側(cè)的低濃度甲醇溶液區(qū)，只要
輸送的甲醇正好能夠與膜電極消耗的甲醇相抵消，電池系統(tǒng)就可以穩(wěn)定地工作。 可以看出，這些系統(tǒng)雖然使用了高濃度的甲醇，但同時(shí)與膜電極接觸的卻是低濃
度甲醇溶液，而低濃度側(cè)的溶液體積變化很難控制，因?yàn)楫?dāng)電池在長(zhǎng)期放電進(jìn)程中，低濃度
側(cè)的水分將逐漸減少，甲醇的濃度也處于不斷變化之中，這就使得整個(gè)電池系統(tǒng)較為復(fù)雜，
也難以自身調(diào)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容為了解決已有技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明提出了 一種采用高濃度甲醇進(jìn)料方式的自呼吸直接甲醇燃料電池。如圖l所示，該電池構(gòu)成包括高濃度甲醇貯存單元1，水貯存單元3和低濃度甲醇貯存單元6 ;它們作為電池殼體所用的材料為高分子材料聚乙烯、聚碳酸酯、有機(jī)玻璃、聚丙烯或聚苯乙烯；所述的高分子材料要有一定的強(qiáng)度，耐液體燃料甲醇腐蝕，沒(méi)有污染； 所述的高濃度甲醇貯存單元1和水貯存單元3位于低濃度甲醇貯存單元6的上部，高濃度甲醇貯存單元1與水貯存單元3之間有氣體通道2直通低濃度甲醇反應(yīng)區(qū)6，用來(lái)排出電池工作時(shí)所產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w。所述的低濃度甲醇單元6，也是該電池工作時(shí)主要反應(yīng)區(qū)，用來(lái)組裝單電池或電池組，該電池的極板采用不銹鋼片來(lái)雕刻出所需要的流場(chǎng)，
要求所述的極板尺寸要與所述的低濃度甲醇單元6的尺寸應(yīng)相適應(yīng)； 貯存高濃度甲醇單元1和低濃度甲醇單元6通過(guò)傳質(zhì)材料制成的通道4實(shí)現(xiàn)甲醇的傳輸，所述的通道4采用的甲醇傳輸材料為改性的憎水高分子材料聚四氟乙烯，聚乙烯，聚苯乙烯，聚偏氯乙烯處理過(guò)的多孔蓬松狀的棉線或海綿； 水貯存單元3與低濃度甲醇單元6通過(guò)傳質(zhì)材料制成的通道5來(lái)實(shí)現(xiàn)甲醇和水的
傳輸；所述的通道5采用的水的傳輸材料為多孔蓬松的親水海綿；親水樹(shù)脂或親水性的高
分子材料聚乙二醇、聚丙烯酸或它們的共聚物，或聚丙烯酰胺處理過(guò)的親水綿。 通過(guò)上述的采用不同的親、憎水材料的傳質(zhì)材料控制甲醇和水向低濃度甲醇反應(yīng)
區(qū)的擴(kuò)散，以達(dá)到控制反應(yīng)區(qū)甲醇的濃度，使燃料電池正常工作； 不同親、憎水能力的傳質(zhì)材料也可以通過(guò)采用不同比例的親、憎水乳液處理多孔材料來(lái)得到，比如采用不同比例的親、憎水乳液處理的海綿；調(diào)節(jié)親、憎水材料的比例制作疏松的多孔材料等。這些都是本領(lǐng)域的技術(shù)人員的常識(shí)。 所述的低濃度甲醇為l-4mol/L的甲醇溶液，此部分甲醇溶液直接和電池的陽(yáng)極接觸，作為工作反應(yīng)區(qū)。 所述的高濃度甲醇的濃度為6-24. 7mol/L，高濃度甲醇從高濃度甲醇貯存單元1通過(guò)憎水材料傳向低濃度單元6即電池工作直接接觸的反應(yīng)區(qū)； 貯存高濃度甲醇單元1和水貯存單元3的體積比為5 : 1-5 : 3;也可以根據(jù)制作的電池單元或電池組的性能來(lái)調(diào)節(jié)。如果電池的保水能力好，甲醇滲透低，則無(wú)需補(bǔ)充太
多的水。理論上陽(yáng)極側(cè)消耗的甲醇和水的比例是i : i，由于一般采用低濃度甲醇，水的量
會(huì)遠(yuǎn)大于甲醇的量，則外加水的量就很少。這在很大程度上取決于所采用的電池的返水性能和滲透性能。另外，還與所采用的傳質(zhì)材料有關(guān)，能控制到甲醇和水補(bǔ)充量與電池工作時(shí)消耗量一致為最好。 有益效果本發(fā)明提出的一種采用高濃度甲醇進(jìn)料方式的自呼吸直接甲醇燃料電池，可以成功的實(shí)現(xiàn)高濃度甲醇進(jìn)料，能極大提高燃料電池的工作時(shí)間，提供更高的能量，為滿足商業(yè)應(yīng)用墊定了基礎(chǔ)。只要采用不同親、憎水比例的材料可以很容易的控制電池中甲醇和水的傳輸以補(bǔ)充電池工作時(shí)消耗的量，而不需要外加蠕動(dòng)泵和甲醇傳感器來(lái)控制燃料的補(bǔ)充。本發(fā)明提供的電池結(jié)構(gòu)能同時(shí)提供甲醇和水的補(bǔ)充，而對(duì)電池本身的返水性能和滲透性能要求較低，這也相應(yīng)降低了制作電池的難度和成本。

圖1是用高濃度甲醇進(jìn)料方式的自呼吸直接甲醇燃料電池構(gòu)成示意圖。其也是摘要附圖。 圖2是采用本發(fā)明實(shí)施例1的高濃度甲醇進(jìn)料方式的自呼吸直接甲醇燃料電池的工作曲線圖。 圖3是對(duì)比例采用低濃度甲醇溶液(3M)電池工作曲線圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1 :如圖1所示，采用高濃度甲醇進(jìn)料方式的電池結(jié)構(gòu)構(gòu)成示意圖。采用聚乙烯材料作為電池殼體，電池殼體尺寸8cmX2cmX6cm ;電池殼體上半部分用來(lái)雕刻成高濃度甲醇貯存單元1和水貯存單元3，甲醇貯存單元1內(nèi)腔尺寸為4. 5cmX1. 5cmX2. 5cm，水貯存單元3內(nèi)腔尺寸為2cmX 1. 5cmX2. 5cm ;高濃度甲醇貯存單元1與水貯存單元3體體積比約為5 : 2，在高濃度甲醇貯存單元1與水貯存單元3上面開(kāi)口處采用聚酯膜進(jìn)行密封，以防止甲醇和水揮發(fā)或受到污染。高濃度甲醇貯存單元1與水貯存單元3之間有圓孔氣體通道2直徑為5mm，直通低濃度甲醇反應(yīng)區(qū)6，用來(lái)排出電池工作時(shí)所產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w；電池殼體下半部分用來(lái)雕刻低濃度甲醇貯存單元6，其內(nèi)腔尺寸為6cmX1. 5cmX2cm，電極有效面積為2cmX6cm。高濃度甲醇貯存部分與低濃度甲醇貯存部分通過(guò)多孔憎水材料聚四氟乙烯來(lái)連接，要求高濃度甲醇通過(guò)憎水材料緩慢向下擴(kuò)散或滲透，而不是向下流動(dòng)；同理，水貯存部分采用親水海綿來(lái)實(shí)現(xiàn)水緩慢向下擴(kuò)散或滲透。先通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)親、憎水材料性能來(lái)控制甲醇和水的傳輸，甲醇側(cè)傳遞速度略微大于水的傳遞。然后，按照一般組裝程序?qū)㈦姵貑卧M(jìn)行組裝和測(cè)試。高濃度甲醇貯存單元采用的甲醇濃度為20mol/L，水貯存單元采用的水為二次蒸餾水，低濃度甲醇貯存單元采用的甲醇濃度為2mol/L。[0020] 60mA電池工作曲線如圖2所示，工作時(shí)間大約為65個(gè)小時(shí)遠(yuǎn)大于對(duì)比實(shí)例的工作時(shí)間。 對(duì)比例采用同樣體積大小的電池殼體和電池單元進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。其中，甲醇溶液全部采用濃度為3mol/L甲醇溶液，該濃度為自呼吸直接甲醇燃料電池常用濃度，60mA電池工作曲線如圖3所示，工作時(shí)間約為6. 5個(gè)小時(shí)。
權(quán)利要求一種采用高濃度甲醇進(jìn)料方式的自呼吸直接甲醇燃料電池，其特征在于，該電池構(gòu)成包括高濃度甲醇貯存單元(1)，水貯存單元(3)和低濃度甲醇貯存單元(6)；它們作為電池殼體所用的材料為高分子材料聚乙烯、聚碳酸酯、有機(jī)玻璃、聚丙烯或聚苯乙烯；所述的高濃度甲醇貯存單元(1)和水貯存單元(3)位于低濃度甲醇貯存單元(6)的上部；高濃度甲醇貯存單元(1)與水貯存單元(3)之間有氣體通道(2)直通低濃度甲醇反應(yīng)區(qū)(6)，所述的低濃度甲醇單元(6)，也是該電池工作時(shí)主要反應(yīng)區(qū)，組裝單電池或電池組，該電池的極板采用不銹鋼片來(lái)雕刻出所需要的流場(chǎng)，要求所述的極板尺寸要與所述的低濃度甲醇單元(6)的尺寸應(yīng)相適應(yīng)；貯存高濃度甲醇單元(1)和低濃度甲醇單元(6)通過(guò)傳質(zhì)材料制成傳輸甲醇的通道(4)，所述的通道(4)采用的甲醇傳輸材料為改性的憎水高分子材料聚四氟乙烯，聚乙烯，聚苯乙烯，聚偏氯乙烯處理過(guò)的多孔蓬松狀的棉線或海綿；水貯存單元(3)與低濃度甲醇單元(6)通過(guò)傳質(zhì)材料制成傳輸水的通道(5)；所述的通道(5)采用的水的傳輸材料為多孔蓬松的親水海綿；親水樹(shù)脂或親水性的高分子材料聚乙二醇、聚丙烯酸或它們的共聚物，或聚丙烯酰胺處理過(guò)的親水綿；所述的低濃度甲醇為1-4mol/L的甲醇溶液，低濃度甲醇直接和電池的陽(yáng)極接觸為工作反應(yīng)區(qū)；所述的高濃度甲醇的濃度為6-24.7mol/L，高濃度甲醇從高濃度貯存單元(1)通過(guò)憎水材料傳向電池的工作反應(yīng)區(qū)即低濃度甲醇貯存單元(6)；貯存高濃度甲醇單元(1)和水貯存單元(3)的體積比為5∶1-5∶3。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種采用高濃度甲醇進(jìn)料方式的自呼吸直接甲醇燃料電池。該電池構(gòu)成包括高濃度甲醇貯存單元，水貯存單元和低濃度甲醇貯存單元；在高濃度甲醇貯存單元、水貯存單元與低濃度甲醇單元相連區(qū)域，采用一種親水或憎水材料將上、下兩部分連接起來(lái)，從而使高濃度甲醇和水傳遞到低濃度的反應(yīng)區(qū)。該電池可以成功的實(shí)現(xiàn)高濃度甲醇進(jìn)料，能極大提高燃料電池的工作時(shí)間，提供更高的能量。只要采用不同親、憎水比例的材料可以很容易的控制電池中甲醇和水的傳輸以補(bǔ)充電池工作時(shí)消耗的量，而不需要外加蠕動(dòng)泵和甲醇傳感器來(lái)控制燃料的補(bǔ)充。該電池能同時(shí)提供甲醇和水的補(bǔ)充，而對(duì)電池本身的返水性能和滲透性能要求較低，降低了制作電池的難度和成本。
文檔編號(hào)H01M8/10GK201438485SQ20092009330
公開(kāi)日2010年4月14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, 張晶, 蔡衛(wèi)衛(wèi), 邢巍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所