用于直接甲醇燃料電池的親疏水復合流場板及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于直接甲醇燃料電池的親疏水復合型功能性流場板，所述親疏水復合型功能性流場板單側均勻間隔地開有若干二維度漸擴型梯形槽道，所述槽道的內表面設置有疏水層，其余表面設置有親水層。本發(fā)明還提供了一種所述親疏水復合型功能性流場板的制備方法，包括步驟：(1) 流場板燒結成型、(2)流場板表面預處理、(3)表面沉積工藝、(4)氣氛燒結強化工藝、(5)表面修飾工藝、(6)構建親水表面。本發(fā)明能夠實現陽極側有效阻礙甲醇穿透的同時，高效率將陽極產物二氧化碳通過疏水漸擴型槽道排出，有效緩解陽極產物堵塞甲醇傳遞通道導致電池性能降低的情況，使燃料電池在不同工作電流下保證燃料供應成為可能，從而提高電池綜合性能。
【專利說明】
用于直接甲醇燃料電池的親疏水復合流場板及其制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及被動式甲醇燃料電池技術領域，特別涉及一種用于直接甲醇燃料電池的親疏水復合型功能性流場板及其制備方法。
【背景技術】
[0002]直接甲醇燃料電池憑借其在電化學轉化過程中具有不需要重整，能量密度高，操作環(huán)境溫和，結構緊湊等等優(yōu)越性，引起了世界各地研究人員的廣泛關注，投入了大量的研究工作。一般的，直接甲醇燃料電池可以分為主動式和被動式直接甲醇燃料電池。主動式直接甲醇燃料電池運用栗及氣體壓縮機為電池提供甲醇燃料及氧氣，被動式直接甲醇燃料電池利用擴散及自然對流，為電池運輸燃料及氧氣。
[0003]眾所周知，甲醇穿透的存在是抑制直接甲醇燃料電池發(fā)展的重要瓶頸，由于穿透的甲醇直接與陰極的氧氣發(fā)生反應產生混合電位，甲醇穿透不可避免的導致電壓損失，同時造成了燃料的損耗。在直接甲醇燃料電池真正應用到現實生活中之前，甲醇穿透這個問題必須得到解決。為此不少學者從改善流場板結構入手，設計合理的流場板結構，提高阻醇能力及產物二氧化碳的排放能力。傳統(tǒng)的流場板結構有排孔狀，柵狀等，然而這類流場板對阻醇能力的提高十分有限，有學者采用纖維氈做為甲醇燃料電池的阻醇層，提高了甲醇燃料電池的甲醇溶液最優(yōu)濃度，對提高電池能量比具有積極作用，然而，在高電流工作條件下，陽極產生大量氣泡需要穿過纖維氈排除，這不可避免堵塞甲醇的傳遞通道，使得在陽極易出現甲醇饑餓現象，限制了甲醇燃料電池性能的進一步提升。為此能否設計出一款可實現甲醇溶液與二氧化碳流動通道相互分離的流場板是及其重要的。
【發(fā)明內容】
[0004]針對現有技術存在的缺點和不足，本發(fā)明公開了一種用于直接甲醇燃料電池的親疏水復合型功能性流場板及其制備方法，親疏水復合型功能性流場板以多孔銅材料-銅粉燒結平板作為基體，所述銅粉燒結平板通過設計相應凸模石墨模具，通過燒結直接形成帶二維度漸擴型的的梯形槽道。進一步對流場板進行堿輔助表面氧化工藝和低表面能溶液修飾工藝，使其達到疏水性能，防止超疏水層的脫落，引入固相燒結工藝，增強了超疏水表面結構與基體的結合強度，有利于其在被動式液態(tài)和氣態(tài)直接甲醇燃料電池中的應用。進一步，需要將流場板兩側平面疏水層結構破壞，構建親水層，為此，采用負重在砂紙上打磨的工藝，定量打磨。
[0005]本發(fā)明提供的用于直接甲醇燃料電池的親疏水復合型功能性流場板技術方案如下:
一種用于直接甲醇燃料電池的親疏水復合型功能性流場板，設置在直接甲醇燃料電池陽極側集電板中間的鏤空部，所述親疏水復合型功能性流場板單側均勻間隔地開有若干二維度漸擴型梯形槽道，所述槽道的內表面設置有疏水層，其余表面設置有親水層，以實現水氣分流的功能，所述的梯形槽道為二維度漸擴型，沿槽道橫向及徑向尺寸遞增，對促進氣體排放具有積極作用。
[0006]進一步地，所述槽道為沿流場板寬與高方向尺寸逐漸增大的二維度漸擴型槽道。
[0007]進一步地，所述槽道的橫截面為等腰梯形。
[0008]進一步地，所述疏水層接觸角在150°以上。
[0009]進一步地，所述親疏水復合型功能性流場板的孔隙率為70%?80%。
[0010]如所述親疏水復合型功能性流場板的制備方法，包括步驟:
(1)流場板燒結成型:將銅粉及自制銅肩按照質量比7:3均勻填入相應的石墨模具內，接著放入爐內于940°C保溫兩小時燒結成型，引入銅肩做骨架防止流場板燒結成型過程嚴重收縮；
(2)流場板表面預處理:將燒結好的流場板在400目砂紙下負重20g打磨，使得兩表面平整，進而依次浸入濃度為150g/L的NaOH溶液中堿洗3~5min和質量分數為5的％的H2SO4溶液中酸洗3~5min，最后用去離子水清洗干凈；
(3)表面沉積工藝:將清洗后的流場板浸泡在表面沉積溶液中沉積I?2h，反應結束后取出，用去離子水清洗干凈后在空氣中風干；
(4)氣氛燒結強化工藝:將風干后的流場板放入具有保護氣體保護的氣氛爐中，在300?500°C 下保溫 l_2h;
(5)表面修飾工藝:將燒結強化后的流場板浸泡在表面修飾溶液中修飾12h~72d，修飾結束后取出，用丙酮試劑清洗干凈，然后放空氣中風干，即可在槽內得到疏水表面；
(6)構建親水表面:將處理好的流場板負重1g在200目砂紙上打磨，將平面上的疏水層打磨掉，即可得到親疏水復合型功能性流場板。
[0011 ] 一方面，流場板不同表面親疏水性能不同；另一方面，槽兩端開口均為等腰梯形，以實現雙維度漸擴，裝配時小口朝下，大口朝上，可有效促進產物的排出。
[0012]表面處理技術為表面沉積工藝和表面修飾工藝，同時引入氣氛燒結強化工藝，以增強超疏水表面結構與基體的結合強度，防止使用過程中超疏水層的脫落。
[0013]進一步地，所述表面沉積溶液為2mol/L NaOH和0.2mol/L K2S2O8的去離子水溶液。
[0014]進一步地，所述表面修飾溶液為0.0 Imo 1/L的硬脂酸乙醇溶液。
[0015]進一步地，所述的保護氣體為氬氣或氮氣。
[0016]進一步地，所述的銅粉為100目霧化樹枝狀銅粉，所述銅肩通過銑床銑平銅塊而成。
[0017]相比現有技術，本發(fā)明的有益效果是:二維度漸擴型流場槽道可實現液氣分離，有利于產物二氧化碳的排出。其原因在于親疏水復合的結構有利于分離水氣流通通道，強化產物二氧化碳聚集在漸擴型槽道內并排出，為實現甲醇連續(xù)不斷地補給提供了積極的方向。
【附圖說明】
[0018]圖1未疏水復合型功能性流場板不意圖。
[0019]圖2親疏水復合型功能性流場板和集電板裝配示意圖。
[0020]圖3是用于裝配親疏水復合型功能性流場板的直接甲醇燃料電池的裝配示意圖。
[0021]圖中1-陰極端蓋，2-陰極集電板，3-聚四氟乙烯墊片，4-硅膠墊片，5-質子交換膜，6-陽極集電板，7-陽極燃料腔，8-槽道。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明的發(fā)明目的作進一步詳細地描述，實施例不再在此一一贅述，但本發(fā)明的實施方式并不因此限定于以下實施例。
[0023]實施例一
如圖1和圖2所示，一種用于直接甲醇燃料電池的親疏水復合型功能性流場板，設置在直接甲醇燃料電池陽極側集電板6中間的鏤空部，所述親疏水復合型功能性流場板單側均勻間隔地開有七條二維度漸擴型等腰槽道8，所述槽道8沿流場板寬與高方向尺寸逐漸增大，且其橫截面為等腰梯形。所述槽道8的內表面設置有疏水層，其余表面設置有親水層。所述疏水層接觸角在150°以上。所述親疏水復合型功能性流場板的孔隙率為70%?80%，該流場板尺寸為30mm X 30mm X 2mm，其梯形槽道8設計為雙維度漸擴型，七條槽道8均布在流場板一側。
[0024]所述超疏水多孔流場板的材料為霧化樹枝狀銅粉以及自制銅肩。
[0025]如圖3所示，直接甲醇燃料電池由圖中陰極端蓋I，陰極集電板2，聚四氟乙烯墊片2，硅膠墊片4，質子交換膜5，陽極集電板6，陽極燃料腔7。所述親疏水復合型功能性流場板6設置在直接甲醇燃料電池陽極側集電板6中間的鏤空部，所述親疏水復合型功能性流場板開槽側正對于直接甲醇燃料電池陽極側，以實現高的阻醇能力及實現水氣通道分離，提高電池在不同電流工作下的穩(wěn)定性。
[0026]親疏水復合型功能性流場板可以提高流場板的阻醇能力，同時實心水氣通道分離的作用，從而防止產物二氧化碳堵塞甲醇傳遞通道。具體的工作原理為:甲醇從燃料腔通過致密的銅粉板中穿過，由于銅粉板空隙較小，甲醇溶液在其中擴散較慢，因而可以在維持甲醇穿透在一定程度的情況下實現直接給電池供應高濃度甲醇溶液，提高電池的能量密度。另一方面，在直接甲醇燃料電池的陽極，甲醇在催化劑的作用下分解生成二氧化碳，隨著反應的積累，小氣泡漸變成的大氣泡，對于傳統(tǒng)流場板，氣泡將在壓力的作用下從膜電極處穿透流場板，到達甲醇燃料腔排出，而親疏水復合型功能性流場板由于其在膜電極側開有二維度漸擴型槽道8，氣泡往傳遞阻力小的地方擴散，聚集在槽內，同時，由于親疏水性的差異，形成一種推力，將氣泡甲醇溶液將氣泡擠向槽道8內。氣泡在槽道8處逐漸聚集，浮力逐漸增大，同時由于槽道8的二位漸擴型結構，使得氣泡有向上的分力，進一步促使氣泡通過槽道8排出到電池外。從而避免在高電流密度工作下產生大量二氧化碳堵塞甲醇溶液傳遞通道，對維持甲醇燃料電池在不同工作電流下穩(wěn)定工作具有積極作用。
[0027]實施例二
一種如所述的親疏水復合型功能性流場板的制備方法，包括如下步驟:
步驟1、流場板燒結成型:設計流場板梯形槽結構及加工出相應的凸模石墨模具，將4.9952g 100目霧化樹枝狀銅粉及2.1408g自制銅肩填入模具后由HMZ1700-30真空氣氛電爐于940 °C保溫2小時燒結成型；
步驟2、流場板表面的預處理:將制備好的流場板在400目砂紙上負重20g打磨距離累計I米，使得兩表面平整，依次浸入濃度為150g/L的NaOH溶液中堿洗240s和質量分數為5wt%的出504溶液中酸洗240s，最后用去離子水清洗干凈； 步驟3、表面沉積工藝:將清洗后的流場板浸泡在濃度為2 m ο I / L的N a O H和濃度為
0.2mol/L的K2S2O8的去離子水溶液中沉積1.5h，反應結束后取出，采用去離子水清洗干凈，空氣中風干；
步驟4、氣氛燒結強化工藝:將風干后的流場板放入具有氮氣保護的HMZ1700-30真空氣氛電爐中，在400 °C下保溫1.5h;
步驟5、表面修飾工藝:將步驟4燒結強化后的流場板浸泡在濃度為0.0lmol/L的硬脂酸乙醇溶液中修飾24h，修飾結束后取出，采用丙酮試劑清洗干凈，然后空氣中風干，即可在槽內得到疏水表面；
步驟6、構建親水表面:將處理好的流場板負重1g在200目砂紙上打磨距離累計0.5米，將平面上的疏水層結構打磨掉，即可得到親疏水復合型功能性流場板。
[0028]所述步驟I中，銅肩通過銑床銑平銅塊而成，銑床主軸轉速為2000r/min，進給量為lmm/r，背吃刀量為0.2mm，刀具直徑為5mm，加工后將銅肩去油除氧化后即可。
[0029]本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明權利要求的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種用于直接甲醇燃料電池的親疏水復合型功能性流場板，設置在直接甲醇燃料電池陽極側集電板中間的鏤空部，其特征在于:所述親疏水復合型功能性流場板單側均勻間隔地開有若干二維度漸擴型梯形槽道，所述槽道的內表面設置有疏水層，其余表面設置有未水層。2.根據權利要求1所述的親疏水復合型功能性流場板，其特征在于:所述槽道為沿流場板寬與高方向尺寸逐漸增大的二維度漸擴型槽道。3.根據權利要求1所述的親疏水復合型功能性流場板，其特征在于:所述槽道的橫截面為等腰梯形。4.根據權利要求1所述的親疏水復合型功能性流場板，其特征在于:所述疏水層接觸角在150°以上。5.根據權利要求1所述的親疏水復合型功能性流場板，其特征在于:所述親疏水復合型功能性流場板的孔隙率為70%?80%。6.如權利要求1至5中任一項所述親疏水復合型功能性流場板的制備方法，其特征在于，包括步驟: (1)流場板燒結成型:將銅粉及自制銅肩按照質量比7:3均勻填入相應的石墨模具內，接著放入爐內于940 °C保溫兩小時燒結成型； (2)流場板表面預處理:將燒結好的流場板在400目砂紙下負重20g打磨，使得兩表面平整，進而依次浸入濃度為150g/L的NaOH溶液中堿洗3~5min和質量分數為5的％的H2SO4溶液中酸洗3~5min，最后用去離子水清洗干凈； (3)表面沉積工藝:將清洗后的流場板浸泡在表面沉積溶液中沉積I?2h，反應結束后取出，用去離子水清洗干凈后在空氣中風干； (4)氣氛燒結強化工藝:將風干后的流場板放入具有保護氣體保護的氣氛爐中，在300?500°C 下保溫 l_2h; (5)表面修飾工藝:將燒結強化后的流場板浸泡在表面修飾溶液中修飾12h~72d，修飾結束后取出，用丙酮試劑清洗干凈，然后放空氣中風干，即可在槽內得到疏水表面； (6)構建親水表面:將處理好的流場板負重1g在200目砂紙上打磨，將平面上的疏水層打磨掉，即可得到親疏水復合型功能性流場板。7.根據權利要求6所述的制備方法，其特征在于:所述表面沉積溶液為2mol/LNaOH和0.2mol/L K2S2O8的去離子水溶液。8.根據權利要求6所述的制備方法，其特征在于:所述表面修飾溶液為0.0Imo 1/L的硬脂酸乙醇溶液。9.根據權利要求6所述的制備方法，其特征在于:所述的保護氣體為氬氣或氮氣。10.根據權利要求6所述的制備方法，其特征在于:所述的銅粉為100目霧化樹枝狀銅粉，所述銅肩通過銑床銑平銅塊而成。
【文檔編號】H01M8/026GK105932313SQ201610410999
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月12日
【發(fā)明人】袁偉, 陳文軍, 徐笑天, 湯勇, 閆志國, 王奧宇
【申請人】華南理工大學