專利名稱：基于多孔金屬纖維板的甲醇燃料電池單體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于多孔金屬纖維板的被動式自呼吸直接甲醇燃料電池單體。
背景技術(shù)：
直接甲醇燃料電池(DMFC)是一種以甲醇為燃料將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。其具有結(jié)構(gòu)簡單、燃料儲存安全、理論比能量高、可低溫操作等特點，因此在便攜式電子產(chǎn)品領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其中被動式自呼吸直接甲醇燃料電池可實現(xiàn)完全自主運行，其陽極與燃料儲存腔(以下簡稱燃料腔)直接相連，陰極直接暴露在自然空氣中，燃料(甲醇)和氧化劑(氧氣)通過濃差擴散和對流等擴散傳遞形式到達催化層進行電化學(xué)反應(yīng)。由于其不需要泵、壓氣機、鼓風(fēng)機等輔助輸送設(shè)備，在簡化系統(tǒng)的同時，也減少了電池輸出能量的額外消耗。目前，被動式自呼吸直接甲醇燃料電池主要存在甲醇燃料利用率低和電池功率密度低兩個關(guān)鍵問題。其主要原因在于目前普遍采用的商業(yè)化電解質(zhì)膜，如Nafion膜等，未能有效阻止甲醇穿透，陽極未反應(yīng)的甲醇會穿透到陰極，因而造成燃料浪費。另外，甲醇在陰極不斷積累的同時，還會與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生混合電位，造成嚴(yán)重極化，使得整個電池性能下降。由于甲醇穿透而造成的電池性能衰退，是阻礙DMFC實現(xiàn)商業(yè)化的主要原因之一。直接甲醇燃料電池的電極和電池反應(yīng)如下陽極反應(yīng)為 CH30H+H20 — 6H++6e>C02陰極反應(yīng)為3/202+6H++6e- — 3H20電池總反應(yīng)為 CH30H+3/2& — 2H20+C02從上述電池的工作原理反應(yīng)可以看出電池工作時，在陽極甲醇發(fā)生氧化反應(yīng)要消耗水，而在陰極的氧還原反應(yīng)會產(chǎn)生水，而總反應(yīng)在陰極側(cè)會多產(chǎn)生一些水。為實現(xiàn)良好的水管理效果，傳統(tǒng)上采用碳纖維擴散介質(zhì)時，需對其進行憎水處理。傳統(tǒng)工藝是采用憎水劑 (如聚四氟乙烯PTra)對碳紙或碳布進行預(yù)處理。這種工藝較為復(fù)雜，對憎水劑的含量需嚴(yán)格控制，同時由于憎水劑的存在，可能造成通孔的堵塞，且降低了擴散介質(zhì)的導(dǎo)電性。因此尋找疏水特性良好的擴散介質(zhì)對燃料電池性能的提升也大有幫助。

實用新型內(nèi)容為解決目前直接甲醇燃料電池中甲醇滲透率過高導(dǎo)致燃料浪費和電池性能下降的問題，本實用新型提供了一種阻醇性能好，可有效提高電池能量密度的基于多孔金屬纖維板的被動式自呼吸直接甲醇燃料電池。同時，本實用新型制備的多孔金屬纖維板具有明顯的疏水特性，無需任何憎水處理，且具有良好的導(dǎo)電性，能夠?qū)崿F(xiàn)燃料電池的有效水管理和電收集。本實用新型的目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)一種基于多孔金屬纖維板的甲醇燃料電池單體，包括陽極燃料腔、電池工作單元和陰極開放式端板；電池工作單元包括陽極集電板、膜電極和陰極集電板；膜電極的兩側(cè)分別設(shè)有陽極集電板和陰極集電板；陽極燃料腔和陰極開放式端板作為電池殼體分別位于陽極集電板和陰極集電板的外側(cè)；在膜電極與陽極集電板和陰極集電板之間，陽極集電板與陽極燃料腔之間，以及陰極集電板和陰極開放式端板之間分別設(shè)有密封墊圈；在陽極集電板中部設(shè)有多孔金屬纖維板，所述多孔金屬纖維板由直徑為20 μ m-200 μ m的銅金屬纖維燒結(jié)而成，孔隙率為70% -90%,滲透率為l(T12m2-10-9m2，平均孔徑為50 μ m-500 μ m,厚度 0. 5_5mm0為進一步實現(xiàn)本實用新型目的，所述多孔金屬纖維板嵌于陽極集電板中部左側(cè)或右側(cè)空腔的槽內(nèi)。所述多孔金屬纖維板嵌于陽極燃料腔開口側(cè)增設(shè)的槽內(nèi)。所述陽極燃料腔和陰極開放式端板為耐液體燃料甲醇腐蝕的有機玻璃制成。所述陽極集電板和陰極集電板是由石墨板或具有耐腐蝕性和導(dǎo)電性的金屬材料制成，陽極集電板和陰極集電板上加工有孔陣列或柵陣列通道，開孔區(qū)域形狀和有效面積與膜電極的形狀和有效面積相同。所述膜電極的擴散層采用碳紙或碳布作為支撐層，陽極側(cè)經(jīng)過親水處理，陰極側(cè)經(jīng)過疏水處理。所述多孔金屬纖維板的制備方法為通過切削法將銅金屬原材料制成直徑為 20 μ m-200 μ m的連續(xù)型纖維絲，再將制成的金屬纖維剪裁成10mm-20mm長的纖維段，然后， 將松散的纖維段鋪置于制備多孔金屬纖維板的模具中，模具的空腔結(jié)構(gòu)與多孔金屬纖維板形狀相同；采用逐層平鋪法保證纖維及其構(gòu)建的空隙分布均勻，模具經(jīng)組裝后便可置于氮氣氣氛保護燒結(jié)爐內(nèi)進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為800°C _950°C、燒結(jié)時間為30min-90min。本實用新型亦可為電池組其形式可以為對稱式和平面式結(jié)構(gòu)。對稱式結(jié)構(gòu)由兩個單電池組成，兩個單電池共用陽極燃料腔，兩個單電池的陰極置于電池組兩側(cè)。平面式結(jié)構(gòu)由兩個或兩個以上的多個單電池組成，各個單電池的電極在同一塊質(zhì)子交換膜上排列， 反應(yīng)區(qū)域互不接觸，通過導(dǎo)線依次將各單電池的正負極串聯(lián)起來組成電池組。陽極燃料腔凹槽與陽極集電板或多孔金屬纖維板形成燃料儲存空間，用于儲存液體燃料甲醇；上部設(shè)有通孔為進料口，用于向凹槽注入甲醇溶液，同時用于陽極反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳氣體的排放；凹槽的截面形狀和有效面積與膜電極的形狀和有效面積相同。集電板包括陽極集電板和陰極集電板，起電流收集、燃料均勻分布、燃料透過、結(jié)構(gòu)支撐等作用，材料需具有強耐腐蝕性和高導(dǎo)電性。其上加工有孔陣列或柵陣列通道，開孔區(qū)域形狀和有效面積與膜電極的形狀和有效面積相同；本實用新型所述的集電板厚度為 0. 5mm-5mm;陽極集電板或加工有凹槽用以嵌入多孔金屬纖維板，凹槽的截面形狀和有效面積與膜電極的形狀和有效面積相同；嵌有多孔金屬纖維板的一面可正對著陽極燃料腔安裝，也可正對著膜電極安裝。膜電極由陽極擴散層、陽極催化層、質(zhì)子交換膜、陰極催化層和陰極擴散層組成，可以是熱壓型或非熱壓型組件。陰極開放式端板為框架結(jié)構(gòu)，中間開有通孔，通孔截面形狀和有效面積與膜電極的形狀和有效面積相同，用于從電池外界獲取空氣中的氧氣進入陰極反應(yīng)區(qū)域。本實用新型所述的多孔金屬纖維板由金屬纖維燒結(jié)而成，其厚度、孔隙率、孔徑、 滲透率等參數(shù)能有效地被控制和調(diào)節(jié)；通過調(diào)節(jié)該多孔金屬纖維板的結(jié)構(gòu)參數(shù)可控制甲醇的透過速度，實現(xiàn)電池燃料輸送的可控性，既保證甲醇燃料的有效輸送，又能提供傳質(zhì)阻力，提高燃料電池的阻醇性能；該多孔金屬纖維板的截面形狀和有效面積與集電板開孔區(qū)域、膜電極的形狀和有效面積相同；該多孔金屬纖維板可嵌于陽極集電板槽內(nèi)，或可嵌于陽極燃料腔開口側(cè)增設(shè)的槽內(nèi)。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型具有如下優(yōu)點(1)本實用新型采用了多孔金屬纖維板，有效地緩解了甲醇的穿透問題，提高了被動式自呼吸直接甲醇燃料電池的阻醇性能和燃料利用率，使得直接甲醇燃料電池可以在高甲醇濃度條件下運行，減少燃料浪費的同時，也提高了電池的輸出性能。(2)本實用新型制備的多孔金屬纖維板其測試的表面接觸角范圍在110° -140° 之間，具有明顯的疏水特性，制作工藝簡單，無需任何憎水處理，同時又具有良好的導(dǎo)電性。 采用了該多孔金屬纖維板，燃料電池能夠?qū)崿F(xiàn)有效水管理和電收集。(3)由于該多孔金屬纖維板的截面面積、厚度、孔隙率、孔徑、滲透率等參數(shù)能有效地被控制和調(diào)節(jié)，可以此來控制甲醇的透過速度，實現(xiàn)電池燃料輸送的高可控性。(4)本實用新型可根據(jù)燃料電池不同的功率要求和操作條件來選擇不同參數(shù)的多孔金屬纖維板。(5)本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，裝配方便，生產(chǎn)成本低，特別是具有良好的阻醇性能，適合高濃度甲醇供給，能夠有效提高電池能量密度，延長工作時間，具有良好的應(yīng)用前景。

圖1是本實用新型的燃料電池裝配示意圖；圖2是本實用新型的多孔金屬纖維板的SEM圖；圖3-1是案例1的多孔金屬纖維板安裝位置示意圖，其中的多孔金屬纖維板安裝在陽極集電板靠近陽極燃料腔一側(cè)的槽內(nèi)；圖3-2是案例1的多孔金屬纖維板安裝位置示意圖，其中的多孔金屬纖維板安裝在陽極集電板靠近膜電極一側(cè)的槽內(nèi)；圖4是案例1的孔陣列陽極集電板結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是案例1的柵陣列陽極集電板結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是案例2的燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是案例2的陽極燃料腔結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是案例1的工作曲線對比圖。
具體實施方式
為進一步理解本實用新型，
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型做進一步說明， 但是需要說明的是，本實用新型要求保護的范圍并不局限于實施例表述的范圍。如圖1、3-1、3_2、6所示，基于多孔金屬纖維板的甲醇燃料電池單體，包括陽極燃料腔1、電池工作單元和陰極開放式端板10 ；電池工作單元包括陽極集電板6、膜電極8和陰極集電板9 ；膜電極8的兩側(cè)分別設(shè)有陽極集電板6和陰極集電板9 ；陽極燃料腔1和陰極開放式端板10作為電池殼體分別位于陽極集電板6和陰極集電板9的外側(cè)；在膜電極8 與陽極集電板6和陰極集電板9之間，陽極集電板6與陽極燃料腔1之間，以及陰極集電板9和陰極開放式端板10之間分別設(shè)有密封墊圈4 ；在陽極集電板6中部設(shè)有多孔金屬纖維板 5，多孔金屬纖維板5可嵌于陽極集電板6中部左側(cè)或右側(cè)空腔的槽內(nèi)(圖3-1、3-幻，或可嵌于陽極燃料腔開口側(cè)增設(shè)的槽內(nèi)(圖6)；多孔金屬纖維板5由直徑為20-200 μ m的銅金屬纖維燒結(jié)而成，孔隙率為70% -90%，滲透率為10-12-10_9m2，平均孔徑為50 μ m_500 μ m， 厚度0. 5-5mm ；多孔金屬纖維板5用于控制甲醇的傳遞速率；陽極燃料腔1和陰極開放式端板10作為電池殼體，材料為耐液體燃料甲醇腐蝕的有機玻璃。陽極燃料腔1中設(shè)有凹槽2和通孔3為，凹槽2與陽極集電板6形成燃料儲存空間，用于儲存液體燃料甲醇；通孔3為進料口，用于向凹槽2注入甲醇溶液，同時用于陽極反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳氣體的排放；陽極集電板6和陰極集電板9優(yōu)選為石墨板，也可為具有強耐腐蝕性和高導(dǎo)電性的金屬材料，其上加工有孔陣列或柵陣列通道，開孔區(qū)域形狀和有效面積與膜電極8的形狀和有效面積相同；膜電極8的擴散層采用碳紙或碳布作為支撐層， 陽極側(cè)經(jīng)過親水處理，陰極側(cè)經(jīng)過疏水處理。陽極側(cè)采用鉬釕二元催化劑，載量為％ig/cm2， 陰極側(cè)采用鉬催化劑，載量為ang/cm2。多孔金屬纖維板的厚度、孔隙率、孔徑、滲透率等參數(shù)能有效地被控制和調(diào)節(jié)；通過調(diào)節(jié)該多孔金屬纖維板的結(jié)構(gòu)參數(shù)可控制甲醇的透過速度，實現(xiàn)電池燃料輸送的可控性，既保證甲醇燃料的有效輸送，又能提供傳質(zhì)阻力，提高燃料電池的阻醇性能，能夠根據(jù)燃料電池不同的功率要求和操作條件來選擇不同參數(shù)的多孔金屬纖維板；該多孔金屬纖維板的截面形狀和有效面積與集電板開孔區(qū)域、膜電極的形狀和有效面積相同。多孔金屬纖維板的制備方法如下通過切削法將銅金屬原材料制成直徑為 20 μ m-200 μ m的連續(xù)型纖維絲，再將制成的金屬纖維剪裁成10mm-20mm長的纖維段。然后， 將松散的纖維段鋪置于制備多孔金屬纖維板的模具中，模具的空腔結(jié)構(gòu)與多孔金屬纖維板形狀相同；采用逐層平鋪法保證纖維及其構(gòu)建的空隙分布均勻。模具經(jīng)組裝后便可置于氮氣氣氛保護燒結(jié)爐內(nèi)進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為800°C _950°C、燒結(jié)時間為30min-90min。燒結(jié)完成后制得孔隙率為70% -80%、平均孔徑為50μπι-500μπι，滲透率為l(T12m2-10-9m2、厚度為0. 5mm-5mm的多孔金屬纖維板。應(yīng)用該多孔金屬纖維板5可實現(xiàn)良好的水管理效果，傳統(tǒng)上采用碳纖維擴散介質(zhì)時，需對其進行憎水處理。傳統(tǒng)工藝是采用憎水劑(如PTFE乳液)對碳紙或碳布進行預(yù)處理。這種工藝較為復(fù)雜，對憎水劑的含量需嚴(yán)格控制，同時由于憎水劑的存在，可能造成通孔的堵塞，且降低了擴散介質(zhì)的導(dǎo)電性。本實用新型制成的纖維板本身具有明顯的疏水特性，無需任何憎水處理，測試的表面接觸角范圍在110° -140°之間，且該多孔金屬纖維板 5同時還具有高導(dǎo)電性。多個單電池組裝成電池組，其形式可以為對稱式和平面式結(jié)構(gòu)。對稱式結(jié)構(gòu)由兩個單電池組成，兩個單電池共用陽極燃料腔1，兩個單電池的陰極置于電池組的兩側(cè)。平面式結(jié)構(gòu)由兩個或兩個以上的多個單電池組成，各個單電池的電極在同一塊質(zhì)子交換膜上排列，反應(yīng)區(qū)域互不接觸，通過導(dǎo)線依次將各單電池的正負極串聯(lián)起來組成電池組。實施例1通過切削法將銅金屬原材料制成直徑為100 μ m的連續(xù)型纖維，再將制成的金屬纖維剪裁成10mm-20mm長的纖維段。然后，將36. 7g松散的纖維段鋪置于制備多孔金屬纖維板的模具中；采用逐層平鋪法盡量保證纖維及其構(gòu)建的空隙分布均勻。模具經(jīng)組裝后置于氮氣氣氛保護燒結(jié)爐內(nèi)，900°C燒結(jié)30min。燒結(jié)后便可制備具有80%孔隙率的多孔金屬纖維板。由氣泡法測得多孔金屬纖維板的平均孔徑為120μπι，滲透率為2X10_1(lm2。如圖2所示，為具有80%孔隙率的多孔金屬纖維板5放大50倍的SEM圖。多孔金屬纖維板5由金屬纖維燒結(jié)而成，構(gòu)成纖維板的各纖維段呈隨機分布狀態(tài)，相互交錯疊加， 纖維段之間通過燒結(jié)頸聯(lián)接在一起，形成三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)。一般而言，纖維板^mmX^mm和32mmX32mm兩種尺寸的選擇取決于纖維板在燃料電池中的安裝位置，若膜電極有效面積為3mmX3mm，則朝向燃料腔安裝時采用 28mmX28mm的尺寸、朝向膜電極安裝時采用32mmX32mm的尺寸。實施例2通過切削法將銅金屬原材料制成直徑為20 μ m的連續(xù)型纖維，再將制成的金屬纖維剪裁成10mm-20mm長的纖維段。然后，將松散的纖維段鋪置于制備多孔金屬纖維板的模具中；采用逐層平鋪法盡量保證纖維及其構(gòu)建的空隙分布均勻。模具經(jīng)組裝后置于氮氣氣氛保護燒結(jié)爐內(nèi)，800°C燒結(jié)60min。燒結(jié)后便可制備具有70%孔隙率的多孔金屬纖維板。 由氣泡法測得多孔金屬纖維板的平均孔徑為37 μ m，滲透率為1. 2 X ΙΟ—1、2。實施例3通過切削法將銅金屬原材料制成直徑為200 μ m的連續(xù)型纖維，再將制成的金屬纖維剪裁成10mm-20mm長的纖維段。然后，將松散的纖維段鋪置于制備多孔金屬纖維板的模具中；采用逐層平鋪法盡量保證纖維及其構(gòu)建的空隙分布均勻。模具經(jīng)組裝后置于氮氣氣氛保護燒結(jié)爐內(nèi)，900°C燒結(jié)30min。燒結(jié)后便可制備具有80%孔隙率的多孔金屬纖維板。由氣泡法測得多孔金屬纖維板的平均孔徑為580 μ m,滲透率為3. 4X 10_9m2。實施例4如圖1所示，一種基于多孔金屬纖維板的被動式自呼吸直接甲醇燃料電池的單電池主要由陽極燃料腔1、電池工作單元和陰極開放式端板10用緊固螺栓方法串聯(lián)密封組成。電池工作單元包括陽極集電板6、膜電極8和陰極集電板9 ；在電池工作單元的陽極集電板6中嵌入實施例1制備的多孔金屬纖維板5來控制甲醇的傳遞速率；陽極燃料腔1和陰極開放式端板10作為電池殼體，材料為耐液體燃料甲醇腐蝕的有機玻璃。陽極燃料腔中凹槽2與陽極集電板6形成燃料儲存空間，用于儲存液體燃料甲醇； 通孔3為進料口，用于向凹槽2注入甲醇溶液，同時用于陽極反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳氣體的排放；凹槽2的截面形狀和有效面積與膜電極8的形狀和有效面積相同；在電池工作單元的陽極集電板6上加工有凹槽7，其內(nèi)嵌入實施例制備的多孔金屬纖維板5來控制甲醇的傳遞速率；集電板包括陽極集電板6和陰極集電板9，為石墨板，也可為具有強耐腐蝕性和高導(dǎo)電性的金屬材料，，其上加工有孔陣列或柵陣列通道，開孔區(qū)域形狀和有效面積與膜電極 8的形狀和有效面積相同；膜電極8的擴散層采用碳紙或碳布作為支撐層，陽極側(cè)經(jīng)過親水處理，陰極側(cè)經(jīng)過疏水處理。陽極側(cè)采用鉬釕二元催化劑，載量為％ig/cm2，陰極側(cè)采用鉬催化劑，載量為ang/cm2。質(zhì)子交換膜為杜邦公司的Nafion膜。膜電極8可以是熱壓型或非熱壓型組件；陰極開放式端板10為框架結(jié)構(gòu)，中間開有通孔11，其截面形狀和有效面積與膜電極8的形狀和有效面積相同，用于從電池外界獲取空氣中的氧氣進入陰極反應(yīng)區(qū)域； 陽極集電板6與膜電極8的陽極側(cè)之間、陰極集電板9與膜電極8的陰極側(cè)之間夾有密封墊圈4，材料為聚四氟乙烯，用以密封甲醇液體，防止燃料泄漏；陽極燃料腔1與陽極集電板
76之間，陰極集電板9與陰極開放式端板10之間亦夾有密封墊圈4，材料為硅膠圈，用于密封甲醇燃料，同時也起到緩沖裝配力的作用。本實施例1制備的多孔金屬纖維板5的安裝位置可以為多孔金屬纖維板5安裝在陽極集電板6靠近陽極燃料腔1 一側(cè)的槽7內(nèi)，如圖3-1所示；亦可為多孔金屬纖維板5安裝在陽極集電板6靠近膜電極8 —側(cè)的槽7內(nèi)，如圖3-2所示。本實施例1所述的陽極集電板6加工有凹槽7，用于嵌入多孔金屬纖維板5 ；該凹槽7內(nèi)空腔面積與嵌入的多孔金屬纖維板5的實際截面面積相同，大于其上加工有孔陣列或柵陣列通道的開孔區(qū)域的面積， 以使所有燃料先經(jīng)過該多孔區(qū)域再經(jīng)過開孔區(qū)域；由于開槽需要，陽極集電板6需具有合適的厚度，一般為2mm-5mm。如圖3-1、3-2、4、5所示，所述的陽極集電板6和陰極集電板9材料為石墨板、鍍金不銹鋼板或鍍鉬金鈦板，其厚度為0. 5mm-5mm ；該集電板具有強耐腐蝕性和高導(dǎo)電性，起電流收集、燃料均勻分布、燃料透過、結(jié)構(gòu)支撐等作用；陽極集電板6比陰極集電板9多設(shè)有用以鑲嵌多孔金屬纖維板5的凹槽7，凹槽7可正對著陽極燃料腔安裝，此時，其實際截面面積應(yīng)大于燃料腔1凹槽2的截面面積，以保證多孔金屬纖維板5安裝后能夠固定于陽極燃料腔1及陽極集電板6之間。凹槽7亦可正對膜電極8安裝，其實際截面面積應(yīng)小于膜電極 8的有效面積，以保證所有燃料能夠接觸到陽極催化層。如圖8所示，本實施例采用實施例1制備的多孔金屬纖維板5位于陽極燃料腔1 一側(cè)的燃料電池單電池，與未采用多孔金屬纖維板的傳統(tǒng)電池，在相同操作條件下的性能曲線對比。相同操作條件為1)供給的甲醇溶液濃度為2mol/L ；2)常壓操作，環(huán)境溫度為 ^°C，濕度為85%。膜電極、燃料腔截面、集電板開孔區(qū)域的有效面積均為3mmX3mm ；陽極側(cè)采用12X12的孔陣列集電板，每個孔直徑為1.5mm，間距為Imm;陰極側(cè)采用IX 12柵陣列集電板，每個槽寬1. 5mm，長^mm,間距1mm。實施效果由圖8可見，采用多孔金屬纖維板作為阻醇介質(zhì)，最大功率密度提高了 62%，其電池性能遠優(yōu)于未采用多孔金屬纖維板的電池性能。實施例5如圖6、7所示，與實施例3不同之處在于，多孔金屬纖維板5由實施例2制備，安裝于陽極燃料腔1增設(shè)的槽12內(nèi)。陽極燃料腔1中凹槽2與多孔金屬纖維板5形成燃料儲存空間，用于儲存液體燃料甲醇；通孔1為進料口，同時也為氣體排放口 ；凹槽2的截面形狀和有效面積與膜電極8的形狀和有效面積相同；陽極燃料腔1的開口側(cè)加工有槽12， 用以嵌入本實用新型制備的結(jié)構(gòu)參數(shù)可控的燒結(jié)式多孔金屬纖維板來控制甲醇的傳遞速率；陽極燃料腔1中凹槽12的截面面積與嵌入的多孔金屬纖維板5的截面面積相同，均大于凹槽2的截面面積，以方便多孔金屬纖維板5封裝。集電板包括陽極集電板6和陰極集電板9，材料需具有強耐腐蝕性和高導(dǎo)電性，其上加工有孔陣列或柵陣列通道，開孔區(qū)域形狀和有效面積與膜電極8的形狀和有效面積相同；本實施例陽極集電板6和陰極集電板9 厚度相同，為2mm。膜電極8由陽極擴散層、陽極催化層、質(zhì)子交換膜、陰極催化層和陰極擴散層組成，可以是熱壓型或非熱壓型組件。陰極開放式端板10為框架結(jié)構(gòu)，中間開有通孔， 通孔截面形狀和有效面積與膜電極8的形狀和有效面積相同，用于從電池外界獲取空氣中的氧氣進入陰極反應(yīng)區(qū)域。陽極集電板6與膜電極8的陽極側(cè)之間、陰極集電板9與膜電極8的陰極側(cè)之間夾有密封墊圈4，材料為聚四氟乙烯，用以密封甲醇液體，防止燃料泄漏；陽極燃料腔1與陽極集電板6之間，陰極集電板9與陰極開放式端板10之間亦夾有密封墊圈4，材料為硅膠圈，用于密封甲醇燃料，同時也起到緩沖裝配力的作用。與實施例3相似， 本實施例燃料電池可為電池組其形式可以為對稱式和平面式結(jié)構(gòu)。對稱式結(jié)構(gòu)由兩個單電池組成，兩個單電池共用陽極燃料腔，兩個單電池的陰極置于電池組兩側(cè)。平面式結(jié)構(gòu)由兩個或兩個以上的多個單電池組成，各個單電池的電極在同一塊質(zhì)子交換膜上排列，反應(yīng)區(qū)域互不接觸，通過導(dǎo)線依次將各單電池的正負極串聯(lián)起來組成電池組。
權(quán)利要求1.一種基于多孔金屬纖維板的甲醇燃料電池單體，包括陽極燃料腔、電池工作單元和陰極開放式端板；電池工作單元包括陽極集電板、膜電極和陰極集電板；膜電極的兩側(cè)分別設(shè)有陽極集電板和陰極集電板；陽極燃料腔和陰極開放式端板作為電池殼體分別位于陽極集電板和陰極集電板的外側(cè)；在膜電極與陽極集電板和陰極集電板之間，陽極集電板與陽極燃料腔之間，以及陰極集電板和陰極開放式端板之間分別設(shè)有密封墊圈；其特征在于 在陽極集電板中部設(shè)有多孔金屬纖維板，所述多孔金屬纖維板由直徑為20-200 μ m的銅金屬纖維燒結(jié)而成，孔隙率為70% -90%,滲透率為10-12m2-l(r9m2，平均孔徑為50 μ m-500 μ m, 厚度 0. 5mm-5mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多孔金屬纖維板的甲醇燃料電池單體，其特征在于所述多孔金屬纖維板嵌于陽極集電板中部左側(cè)或右側(cè)空腔的槽內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多孔金屬纖維板的甲醇燃料電池單體，其特征在于所述多孔金屬纖維板嵌于陽極燃料腔開口側(cè)增設(shè)的槽內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多孔金屬纖維板的甲醇燃料電池單體，其特征在于所述陽極燃料腔和陰極開放式端板為耐液體燃料甲醇腐蝕的有機玻璃制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多孔金屬纖維板的甲醇燃料電池單體，其特征在于所述陽極集電板和陰極集電板是由石墨板或具有耐腐蝕性和導(dǎo)電性的金屬材料制成，陽極集電板和陰極集電板上加工有孔陣列或柵陣列通道，開孔區(qū)域形狀和有效面積與膜電極的形狀和有效面積相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多孔金屬纖維板的甲醇燃料電池單體，其特征在于所述膜電極的擴散層采用碳紙或碳布作為支撐層，陽極側(cè)經(jīng)過親水處理，陰極側(cè)經(jīng)過疏水處理。
專利摘要本實用新型公開了基于多孔金屬纖維板的甲醇燃料電池單體，包括陽極燃料腔、電池工作單元和陰極開放式端板；電池工作單元包括陽極集電板、膜電極和陰極集電板；膜電極的兩側(cè)分別設(shè)有陽極集電板和陰極集電板；陽極燃料腔和陰極開放式端板作為電池殼體分別位于陽極集電板和陰極集電板的外側(cè)；在陽極集電板中部設(shè)有多孔金屬纖維板，多孔金屬纖維板由直徑為20-200μm的銅金屬纖維燒結(jié)而成，孔隙率為70％-90％，滲透率為10-12-10-9m2，平均孔徑為50μm-500μm。本實用新型采用多孔金屬纖維板，有效解決甲醇的穿透問題并實現(xiàn)電池的有效水管理，提高被動式自呼吸直接甲醇燃料電池的燃料利用率，提高了電池的輸出性能。
文檔編號H01M8/10GK202308172SQ20112027064
公開日2012年7月4日 申請日期2011年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月28日
發(fā)明者萬珍平, 吳菊紅, 湯勇, 袁偉 申請人:華南理工大學(xué)