專利名稱：一種采用純甲醇進(jìn)料方式的被動(dòng)式直接甲醇燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電化學(xué)燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種采用純甲醇進(jìn)料方式的被動(dòng) 式直接甲醇燃料電池。
背景技術(shù)：
直接甲醇燃料電池具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、室溫工作、燃料易于運(yùn)輸和存儲(chǔ)、系統(tǒng)體積 比能量高的優(yōu)點(diǎn)，特別適合作為可移動(dòng)電源和便攜式電源，在通信、交通和國(guó)防等領(lǐng)域有著 廣泛的應(yīng)用前景，成為近十年來(lái)國(guó)內(nèi)外各科研機(jī)構(gòu)、各大公司研發(fā)的熱點(diǎn)。被動(dòng)式直接甲醇燃料電池是把液體甲醇直接加入電池內(nèi)部的儲(chǔ)料室，在陽(yáng)極和儲(chǔ) 料室間形成一定濃度梯度，使甲醇擴(kuò)散到陽(yáng)極上；電池陰極直接暴露在自然空氣中，空氣中 的氧氣通過(guò)濃差擴(kuò)散和空氣對(duì)流等擴(kuò)散傳遞形式到達(dá)陰極催化層進(jìn)行電化學(xué)還原反應(yīng)。被 動(dòng)式直接甲醇燃料電池除了具有常規(guī)燃料電池的優(yōu)點(diǎn)外，它還取消了消耗電池系統(tǒng)內(nèi)能的 燃料和氧化劑的供給和循環(huán)輔助裝置，從而降低了電池本身能量消耗和生產(chǎn)成本，簡(jiǎn)化了 燃料電池結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，使電池系統(tǒng)的重量和體積能夠順利實(shí)現(xiàn)微型化和商業(yè)化。同時(shí)，與先進(jìn) 加工技術(shù)和先進(jìn)材料相結(jié)合，可以大大促進(jìn)燃料電池的微型化。正是由于被動(dòng)式DMFC的這 些特點(diǎn)，它將替代傳統(tǒng)電池成為低功率便攜式電子產(chǎn)品的電源，可以說(shuō)是有希望最先實(shí)現(xiàn) 產(chǎn)業(yè)化和實(shí)際應(yīng)用的新型清潔能源，這將形成新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，市場(chǎng)前景非常可觀。甲醇是一種可再生資源，來(lái)源豐富，價(jià)格便宜，理論比能量達(dá)到目前性能最好的 鋰離子電池的數(shù)倍以上。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IOM以上到純甲醇才具有較高的應(yīng)用前 景。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(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(W. J. Kim, H. G. Choi, Y. K. Lee, 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. Power Sources 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。盡管這些方式有的在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)高濃度進(jìn)料，但是其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，增 加了電池組裝的難度和成本，可靠性需要進(jìn)一步改進(jìn)，在實(shí)現(xiàn)方式上也有不足之處。因此， 為了提高甲醇燃料電池的工作能力，真正將其高的比能量表現(xiàn)出來(lái)，必須采用高濃度的甲 醇乃至純甲醇進(jìn)料。發(fā)明內(nèi)容為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本實(shí)用新型提出了一種采用純甲醇進(jìn)料方式的被動(dòng)式 直接甲醇燃料電池。首先介紹甲醇燃料電池的工作原理，直接甲醇燃料的電極和電池反應(yīng) 如下陽(yáng)極反應(yīng)為CH3OH的電化學(xué)氧化CH30H+H20 — C02+6H++6e" φ° = 0.046V陰極反應(yīng)為氧的電化學(xué)還原3/202+6H++6e" — 3Η20 φ0 = 1.229V電池總反應(yīng)為甲醇的完全氧化CH30H+3/202 — C02+2H20 E0 = 1. 183V從上述反應(yīng)可以看出來(lái)電池工作時(shí)，在陽(yáng)極甲醇發(fā)生氧化反應(yīng)要消耗水，而在陰 極的氧還原反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生水；而總反應(yīng)會(huì)在陰極側(cè)多生產(chǎn)出一些水。如果膜電極具有一定的 返水能力，則從陰極產(chǎn)生的水返回到陽(yáng)極就能滿足電池的正常工作。本實(shí)用新型要求電池 的膜電極具有一定的返水能力。如圖1所示，一種采用純甲醇進(jìn)料方式的被動(dòng)式直接甲醇燃料電池的構(gòu)成包括純 甲醇貯存腔1、滲透膜3、甲醇緩沖區(qū)4 ；電池單元由電池陽(yáng)極極板6、三合一膜電極7和陰極 極板8，用螺釘和螺母通過(guò)各組元的四個(gè)角上的孔9把所有的組元進(jìn)行固定組成電池；純甲 醇貯存腔1和甲醇緩沖區(qū)4作為電池殼體，為高分子聚乙烯、聚碳酸酯、有機(jī)玻璃、聚丙烯或 聚苯乙烯；所采用的材料耐液體燃料甲醇腐蝕，沒(méi)有污染；在純甲醇貯存腔1上部有進(jìn)料口 2，用以注入純甲醇，裝入純甲醇后，將該進(jìn)料口 2 封死，以防止純甲醇揮發(fā)出來(lái)，浪費(fèi)燃料及污染環(huán)境；在甲醇緩沖區(qū)4上有用以排出電池工 作時(shí)產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w的孔狀氣體出口 5 ；所述的滲透膜3位于純甲醇貯存腔1和甲醇緩沖區(qū)4之間；所述的滲透膜3為微 孔濾膜、超濾膜或滲透汽化膜，該膜能讓甲醇緩慢的擴(kuò)散到電極表面，以氣體形式或液膜形 式吸附到三合一膜電極7陽(yáng)極電極表面進(jìn)行反應(yīng)；通過(guò)調(diào)節(jié)該膜的面積可以控制甲醇的透 過(guò)的速度，從而可以補(bǔ)充電池工作時(shí)消耗的甲醇燃料；所述的電池單元的單電池的陽(yáng)極極板6和陰極極板8材料為石墨板、鍍金的不銹 鋼板或鍍鉬金的鈦板，其厚度為l_4mm ；所述的陽(yáng)極極板6和陰極極板8采用的流場(chǎng)為平行 流場(chǎng)或孔狀的點(diǎn)狀流場(chǎng)；如圖2所示，所述的電池單元的單電池的三合一膜電極7由中間的質(zhì)子交換膜 7-1,陽(yáng)極催化層7-2，陽(yáng)極擴(kuò)散層7-4，陰極催化層7-3和陰極擴(kuò)散層7-5組成；所述的中間的質(zhì)子交換膜為全氟磺酸質(zhì)子交換膜；陽(yáng)極擴(kuò)散層7-4為5%-15%質(zhì) 量分?jǐn)?shù)聚四氟乙烯乳液處理的碳紙或碳布；陰極擴(kuò)散層7-5為15% -40%質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚四氟 乙烯乳液處理的碳紙或碳布；陽(yáng)極催化層7-2為PtRu黑或PtRu/C電催化劑；陰極催化層 7-3為Pt黑或Pt/C電催化劑；所述的電池單元是單電池或電池組；具體的來(lái)說(shuō)單電池是只有一個(gè)陰極板、陽(yáng)極板和一個(gè)膜電極組成的電池；而電池組是由二個(gè)或二個(gè)以上的多個(gè)單電池元組成，各個(gè)單 電池之間不接觸，通過(guò)導(dǎo)線依次將各單電池的正、負(fù)極串聯(lián)起來(lái)組成電池組，圖1給出的電 池單元為單電池。[0021]電池工作時(shí)，會(huì)在陰極側(cè)多生產(chǎn)出一些水，因此，所述的三合一膜電極7要求具有 一定的返水能力，即電池工作時(shí)陰極產(chǎn)生的水能有20% -90%返回到陽(yáng)極，以供甲醇氧化 反應(yīng)所需要的水。有益效果本實(shí)用新型提出的一種采用純甲醇進(jìn)料方式的被動(dòng)式自呼吸直接甲 醇燃料電池，可以成功的實(shí)現(xiàn)純甲醇進(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)用奠定了基礎(chǔ)。采用本實(shí)用新型提供的電池結(jié)構(gòu)，在工作時(shí)由于純甲醇進(jìn) 料口已經(jīng)封死，出氣口位于甲醇緩沖區(qū)，而在甲醇緩沖區(qū)，燃料以氣體形式或液膜形式吸附 到三合一膜電極陽(yáng)極電極表面進(jìn)行反應(yīng)，不存在燃料泄漏問(wèn)題，電池可以任意方向放置，而 傳統(tǒng)被動(dòng)式燃料電池由于進(jìn)料口和出氣口均位于燃料貯存腔，電池只能朝一個(gè)方向放置， 否則會(huì)導(dǎo)致燃料泄漏。只要采用特殊的滲透膜可以很容易的控制電池中甲醇的傳輸以補(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，實(shí)現(xiàn)方式上 更為簡(jiǎn)便，操作難度更低。采用本實(shí)用新型的電池結(jié)構(gòu)，雖然對(duì)膜電極返水能力有一定的要 求，但是這種返水能力目前已經(jīng)可以做到，不會(huì)成為制約本實(shí)用新型應(yīng)用的因素。該電池 組裝簡(jiǎn)單，性能可靠，與采用甲醇溶液作燃料的電池相比，同樣條件下工作時(shí)間能提高6-7 倍，因此，在甲醇燃料電池商業(yè)應(yīng)用方面具有一定的使用價(jià)值。
圖1是本實(shí)用新型的純甲醇進(jìn)料方式的被動(dòng)式直接甲醇燃料 電池結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型的純甲醇進(jìn)料方式的被動(dòng)式直接甲醇燃料電池的單電池的三 合一膜電極7結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是采用本實(shí)用新型實(shí)施例1的純甲醇進(jìn)料方式的被動(dòng)式直接甲醇燃料電池在 IOOmA放電時(shí)的工作曲線圖。圖4對(duì)比例采用低濃度甲醇溶液(3M)電池在IOOmA放電時(shí)工作曲線圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1如圖1所示，一種采用純甲醇進(jìn)料方式的被動(dòng)式直接甲醇燃料電池的構(gòu)成包括純 甲醇貯存腔1、滲透膜3、甲醇緩沖區(qū)4 ；電池單元由電池陽(yáng)極極板6、三合一膜電極7和陰極 極板8，用螺釘和螺母通過(guò)各組元的四個(gè)角上的孔9把所有的組元進(jìn)行固定組成電池；純甲 醇貯存腔1和甲醇緩沖區(qū)4作為電池殼體，為高分子聚乙烯、聚碳酸酯、有機(jī)玻璃、聚丙烯或 聚苯乙烯；所采用的材料耐液體燃料甲醇腐蝕，沒(méi)有污染；在純甲醇貯存腔1上部有進(jìn)料口 2，用以注入純甲醇，裝入純甲醇后，將該進(jìn)料口 2 封死，以防止純甲醇揮發(fā)出來(lái)，浪費(fèi)燃料及污染環(huán)境；在甲醇緩沖區(qū)4上有用以排出電池工 作時(shí)產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w的孔狀氣體出口 5 ；所述的滲透膜3位于純甲醇貯存腔1和甲醇緩沖區(qū)4之間；所述的滲透膜3為微 孔濾膜、超濾膜或滲透汽化膜，該膜能讓甲醇緩慢的擴(kuò)散到電極表面，以氣體形式或液膜形 式吸附到三合一膜電極7陽(yáng)極電極表面進(jìn)行反應(yīng)；通過(guò)調(diào)節(jié)該膜的面積可以控制甲醇的透 過(guò)的速度，從而可以補(bǔ)充電池工作時(shí)消耗的甲醇燃料；所述的所述的電池單元的單電池的陽(yáng)極極板6和陰極極板8材料為石墨板、鍍金 的不銹鋼板或鍍鉬金的鈦板，其厚度為l_4mm ；所述的陽(yáng)極極板6和陰極極板8采用的流場(chǎng)為平行流場(chǎng)或孔狀的點(diǎn)狀流場(chǎng)；如圖2所示，所述的電池單元的單電池的三合一膜電極7由中間的質(zhì)子交換膜 7-1,陽(yáng)極催化層7-2，陽(yáng)極擴(kuò)散層7-4，陰極催化層7-3和陰極擴(kuò)散層7-5組成；所述的中間的 質(zhì)子交換膜為全氟磺酸質(zhì)子交換膜；陽(yáng)極擴(kuò)散層7-4為5% -15%質(zhì) 量分?jǐn)?shù)聚四氟乙烯乳液處理的碳紙或碳布；陰極擴(kuò)散層7-5為15% -40%質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚四氟 乙烯乳液處理的碳紙或碳布；陽(yáng)極催化層7-2為PtRu黑或PtRu/C電催化劑；陰極催化層 7-3為Pt黑或Pt/C電催化劑；所述的電池單元是單電池或電池組；具體的來(lái)說(shuō)單電池是只有一個(gè)陰極板、陽(yáng)極 板和一個(gè)膜電極組成的電池；而電池組是由二個(gè)或二個(gè)以上的多個(gè)單電池元組成，各個(gè)單 電池之間不接觸，通過(guò)導(dǎo)線依次將各單電池的正、負(fù)極串聯(lián)起來(lái)組成電池組，圖1給出的電 池單元為單電池。電池工作時(shí)，會(huì)在陰極側(cè)多生產(chǎn)出一些水，因此，所述的三合一膜電極7要求具有 一定的返水能力，即電池工作時(shí)陰極產(chǎn)生的水能有20% -90%返回到陽(yáng)極，以供甲醇氧化 反應(yīng)所需要的水。所述的純甲醇貯存腔的有效尺寸為3CmX3CmXlCm，甲醇緩沖區(qū)的有效尺寸為 3cmX3cmX0. 3cm ；滲透膜采用滲透汽化膜，其有效面積尺寸為3cmX3cm ；在純甲醇貯存腔 上部有進(jìn)料口，用以注入純甲醇，裝入純甲醇后，將該進(jìn)料口用硅膠帶封死，以防止純甲醇 揮發(fā)出來(lái)，浪費(fèi)燃料及污染環(huán)境；在甲醇緩沖區(qū)上有個(gè)微小的孔狀氣體出口，用以排出電 池工作時(shí)產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w。三合一膜電極有效尺寸為3cmX3cm ；陽(yáng)極側(cè)電極、陰極側(cè) 電極均分為催化層和擴(kuò)散層兩部分，擴(kuò)散層均為碳紙，其中，陽(yáng)極聚四氟乙烯乳液質(zhì)量分為 10%，陰極質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%;陽(yáng)極催化層和陰極催化層分別為商業(yè)用PtRu黑電催化劑和Pt 黑電催化劑，載量均為8mg/cm2。陽(yáng)極、陰極極板為鍍金不銹鋼片，其中陽(yáng)極極板上的流場(chǎng)為 平行流場(chǎng)，陰極極板上的流場(chǎng)為孔狀的點(diǎn)狀流場(chǎng)。如圖3所示該電池在IOOmA放電時(shí)的工作曲線圖，工作時(shí)間大約為45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1在對(duì)比測(cè)式中，電池結(jié)構(gòu)去掉了滲透膜和甲醇緩沖腔，作為傳統(tǒng)電池用， 其它與實(shí)施例1相同。其中，甲醇貯存腔全部采用濃度為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，在IOOmA放電時(shí)，電池工作曲線如圖4所示，工作時(shí)間約為 7. 5個(gè)小時(shí)。
權(quán)利要求一種采用純甲醇進(jìn)料方式的被動(dòng)式直接甲醇燃料電池，其特征在于，該電池為單電池，其構(gòu)成包括純甲醇貯存腔(1)、滲透膜(3)、甲醇緩沖區(qū)(4)；電池單元由電池陽(yáng)極極板(6)、三合一膜電極(7)和陰極極板(8)，用螺釘和螺母配合通過(guò)各組元的四個(gè)角上的孔(9)把所有的組元進(jìn)行固定組成電池；純甲醇貯存腔(1)和甲醇緩沖區(qū)(4)作為電池殼體；在純甲醇貯存腔(1)上部有進(jìn)料口(2)；在甲醇緩沖區(qū)(4)上有用以排出電池工作時(shí)產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w的孔狀氣體出口(5)；所述的滲透膜(3)位于純甲醇貯存腔(1)和甲醇緩沖區(qū)(4)之間；所述的電池單元的單電池的陽(yáng)極極板(6)和陰極極板(8)，其厚度為1-4mm；所述的陽(yáng)極極板(6)和陰極極板(8)采用的流場(chǎng)為平行流場(chǎng)或孔狀的點(diǎn)狀流場(chǎng)；所述的電池單元的單電池的三合一膜電極(7)由中間的質(zhì)子交換膜(7-1)，陽(yáng)極催化層(7-2)，陽(yáng)極擴(kuò)散層(7-4)，陰極催化層(7-3)和陰極擴(kuò)散層(7-5)組成。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種采用純甲醇進(jìn)料方式的被動(dòng)式自呼吸直接甲醇燃料電池。該電池構(gòu)成包括純甲醇貯存腔，甲醇緩沖區(qū)和電池工作單元。在純甲醇貯存腔和甲醇緩沖腔之間采用一種特殊的滲透膜來(lái)控制甲醇的傳遞，實(shí)現(xiàn)純甲醇進(jìn)料，以滿足甲醇燃料電池的長(zhǎng)效工作能力。該電池可以成功的實(shí)現(xiàn)純甲醇進(jìn)料，能極大提高燃料電池的工作時(shí)間，提供更高的能量密度。只要通過(guò)控制這種膜的面積來(lái)控制甲醇的傳遞速度，可以很容易的補(bǔ)充電池工作時(shí)消耗甲醇的量，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。在甲醇緩沖腔，甲醇燃料以蒸汽形式或液膜形式吸附在電極表面進(jìn)行反應(yīng)，電池可以多個(gè)方向放置，而傳統(tǒng)被動(dòng)式燃料電池由于進(jìn)料口和出氣口均位于燃料貯存腔，電池只能朝一個(gè)方向放置，否則會(huì)導(dǎo)致燃料泄漏。該電池組裝簡(jiǎn)單，性能可靠，極大的提高了電池的工作時(shí)間，具有一定的使用價(jià)值。
文檔編號(hào)H01M8/04GK201570541SQ20092009392
公開(kāi)日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2009年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月2日
發(fā)明者馮立綱, 劉長(zhǎng)鵬, 梁亮, 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