一種使用集電-擴(kuò)散復(fù)合層的直接甲醇燃料電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種使用集電?擴(kuò)散復(fù)合層的直接甲醇燃料電池，包括殼體、甲醇滲透汽化組件、若干電池單體，所述殼體為一端封閉的筒形件，所述甲醇滲透汽化組件設(shè)置在所述殼體內(nèi)，所述殼體的開(kāi)口處密封設(shè)置有端蓋，所述端蓋設(shè)置有排氣孔和帶密封塞的注液孔，所述電池單體通過(guò)外固定板和螺釘沿周向均勻固定在所述殼體的外周壁上，所述外固定板及所述殼體與電池單體相接觸的外周壁上均布有圓孔陣列。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)直接甲醇燃料電池雙極板成本高的缺點(diǎn)，同時(shí)大大減少了電池的重量和體積，電池組裝和拆卸方便；大大提高了電池的體積功率比和質(zhì)量功率比。電池單體之間的連接方式靈活，可以實(shí)現(xiàn)串聯(lián)或并聯(lián)，工作性能優(yōu)良。
【專利說(shuō)明】
一種使用集電-擴(kuò)散復(fù)合層的直接甲醇燃料電池
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種燃料電池，具體是使用集電-擴(kuò)散復(fù)合層的直接甲醇燃料電池。【背景技術(shù)】
[0002]能源需求和環(huán)境保護(hù)是21世紀(jì)全球面臨的主要問(wèn)題。能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)力，也是衡量綜合國(guó)力、國(guó)家文明程度和人民生活水平的重要指標(biāo)。燃料電池是一種將持續(xù)供給的燃料和氧化劑中的化學(xué)能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化成電能的電化學(xué)裝置。近年來(lái)受到廣泛關(guān)注的當(dāng)屬直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell，簡(jiǎn)稱DMFC)。傳統(tǒng)的DMFC為平板式，其典型結(jié)構(gòu)包括陽(yáng)極燃料腔、雙極板和膜電極組件。平板式DMFC的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，單電池功率大，但是同時(shí)也具有以下一些缺點(diǎn):(1)電池的功率質(zhì)量比低，雙極板和用于緊固的螺栓以及兩側(cè)的金屬板質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于膜電極的質(zhì)量；(2)雙極板在電化學(xué)反應(yīng)的環(huán)境氣氛中存在嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。所以目前主要采用石墨或鍍金的不銹鋼雙極板，但是雙極板造價(jià)高昂，難以商業(yè)化；(3)密封困難，尤其是組裝成電池的時(shí)候要考慮到每一個(gè)單電池與雙極板的密封應(yīng)力要均勻一致。(4)雙極板流道狹窄，對(duì)于水熱管理帶來(lái)很多的困難，生成的水不能及時(shí)排出，影響氣體傳質(zhì)。
[0003]考慮到平板式DMFC的上述缺點(diǎn)，研究人員開(kāi)始將目光投向管狀DMFC的研制，其基本原理同平板式DMFC—樣，但是在結(jié)構(gòu)上由于是圓柱形，體積可以減小，電池的體積比功率和質(zhì)量比功率可以增加，這對(duì)減小電池堆體積和質(zhì)量具有重要意義。目前有少量小功率管狀質(zhì)子交換膜燃料電池的報(bào)道，但是由于尚無(wú)商品化的管狀膜，需要自行制作管狀膜電極， 通常的方法是將電極放置在平面質(zhì)子交換膜兩側(cè)，然后將它們纏繞在圓柱基體上，陽(yáng)極在內(nèi)，陰極在外，用模具壓緊后進(jìn)行熱壓制得管狀膜電極。這樣的制作方法不僅繁瑣，而且催化劑層在彎曲的過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋甚至剝落，因此會(huì)大大降低膜電極的性能。同時(shí)，管狀 DMFC性能不及平板式DMFC的一個(gè)重要原因是管狀膜電極難與集電板緊密貼合，導(dǎo)致其接觸電阻增大，輸出功率下降。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種能夠克服上述缺陷、易于密封和裝配、工作性能優(yōu)良的管狀直接甲醇燃料電池。其技術(shù)方案如下:一種使用集電-擴(kuò)散復(fù)合層的直接甲醇燃料電池，包括殼體、甲醇滲透汽化組件、若干電池單體，所述殼體為一端封閉的筒形件，所述甲醇滲透汽化組件設(shè)置在所述殼體內(nèi)，所述殼體的開(kāi)口處密封設(shè)置有端蓋，所述端蓋設(shè)置有排氣孔和帶密封塞的注液孔，所述電池單體通過(guò)外固定板和螺釘沿周向均勻固定在所述殼體的外周壁上，所述外固定板及所述殼體與電池單體相接觸的外周壁上均布有圓孔陣列。
[0005]進(jìn)一步地，所述的電池單體包括集電-擴(kuò)散復(fù)合式膜電極組件，所述集電-擴(kuò)散復(fù)合式膜電極組件包括兩面涂覆有催化劑層的質(zhì)子交換膜、對(duì)稱地固定在質(zhì)子交換膜兩側(cè)的集電-擴(kuò)散復(fù)合層，所述的集電_擴(kuò)散復(fù)合層由外向內(nèi)依次包括導(dǎo)電涂層、支撐層、微孔層，所述導(dǎo)電涂層連接有導(dǎo)線。集電-擴(kuò)散復(fù)合層相當(dāng)于將集電層與擴(kuò)散層復(fù)合在一起，形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)既可實(shí)現(xiàn)收集電流的作用又可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散層的作用，將集電-擴(kuò)散復(fù)合層與涂覆有催化劑的質(zhì)子交換膜固定在一起即可制成膜電極組件。
[0006]進(jìn)一步地，所述殼體的所用材料為質(zhì)輕、不易腐蝕的樹(shù)脂。
[0007]進(jìn)一步地，:所述的甲醇滲透汽化組件為燒結(jié)多孔材料制成的中空管狀結(jié)構(gòu)，兩端分別與殼體底部及端蓋內(nèi)壁密封連接。
[0008]進(jìn)一步地，所述的甲醇滲透汽化組件外周壁還設(shè)置帶有開(kāi)孔陣列的金屬薄管，便于控制甲醇的蒸發(fā)速率。
[0009]進(jìn)一步地，所述的排氣孔內(nèi)設(shè)置有多孔材料，反應(yīng)產(chǎn)生的CO2可以從排氣孔中排出，甲醇蒸汽則會(huì)發(fā)生液化，電池工作時(shí)，排氣孔在排出CO2的同時(shí)可以回收甲醇，避免了甲醇的浪費(fèi)。
[0010]進(jìn)一步地，所述的多孔材料包括棉纖維。
[0011]進(jìn)一步地，各電池單體通過(guò)導(dǎo)線相互并聯(lián)或串聯(lián)后向外供電，從而滿足電池對(duì)大電壓或大電流輸出的要求。
[0012]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
(I)采用了集電-擴(kuò)散復(fù)合式膜電極，克服了傳統(tǒng)直接甲醇燃料電池雙極板成本高的缺點(diǎn)，同時(shí)電池殼體采用質(zhì)輕的樹(shù)脂材料，大大減少了電池的重量和體積，提高了電池的質(zhì)量功率比和體積功率比。
[0013](2)膜電極為CCM型，陽(yáng)極和陰極的集電-擴(kuò)散復(fù)合層可以通用，無(wú)需分別制備，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程，降低了生產(chǎn)成本。
[0014](3)電池內(nèi)部設(shè)計(jì)了滲透汽化組件，可以實(shí)現(xiàn)高濃度甲醇溶液甚至純甲醇燃料供給。具有氣液分離作用的排氣孔在排出CO2的同時(shí)可以回收甲醇，避免了甲醇的浪費(fèi)。
[0015](4)圓柱形殼體上可以貼多片膜電極，各塊膜電極之間可以形成串聯(lián)或并聯(lián)，從而滿足電池對(duì)大電壓或大電流輸出的要求。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的剖視示意圖。
[0017]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的集電-擴(kuò)散復(fù)合式膜電極組件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3是電池單體并聯(lián)示意圖(圖1的A-A剖視圖，省略螺釘)。
[0019]圖4是電池單體串聯(lián)示意圖(圖1的A-A剖視圖，省略螺釘)。
[0020]圖中所示為:1、端蓋；2、殼體；3、滲透汽化組件;4、集電擴(kuò)散復(fù)合層；5、質(zhì)子交換膜;6、外固定板;7、螺釘;8、導(dǎo)線;9、排氣孔；10、注液孔；11、密封塞；12、導(dǎo)電鍍層；13、支撐層;14、微孔層;15、催化劑層。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的發(fā)明目的作進(jìn)一步詳細(xì)地描述，實(shí)施例不能在此一一贅述，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不因此限定于以下實(shí)施例。
[0022]如圖1所示，一種使用集電-擴(kuò)散復(fù)合層的直接甲醇燃料電池，包括殼體2、甲醇滲透汽化組件3、六個(gè)電池單體，所述殼體2為一端封閉的筒形件，所用材料為質(zhì)輕、不易腐蝕的樹(shù)脂。所述甲醇滲透汽化組件3設(shè)置在所述殼體2內(nèi)，其為燒結(jié)多孔材料制成的中空管狀結(jié)構(gòu)，兩端分別與殼體2底部及端蓋1內(nèi)壁密封連接。所述殼體2的開(kāi)口處密封設(shè)置有端蓋1， 所述端蓋1設(shè)置有排氣孔9和帶密封塞11的注液孔10,六個(gè)電池單體通過(guò)外固定板6和螺釘7 沿周向均勻固定在所述殼體2的外周壁上，所述外固定板6及所述殼體2與電池單體相接觸的外周壁上均布有圓孔陣列。
[0023]組裝電池時(shí)，由內(nèi)至外依次為殼體2、集電-擴(kuò)散復(fù)合式膜電極組件、外固定板6,通過(guò)螺釘7將各部分壓緊固定。將甲醇溶液注入滲透汽化組件3，塞好密封塞11，甲醇溶液通過(guò)管壁的毛細(xì)作用汽化為甲醇蒸汽并擴(kuò)散至膜電極參與電池的陽(yáng)極反應(yīng)，電池開(kāi)始工作，各個(gè)電池單體之間共用端蓋1、殼體2和甲醇滲透汽化組件3。
[0024]如圖2所示，所述的電池單體包括集電-擴(kuò)散復(fù)合式膜電極組件，所述集電-擴(kuò)散復(fù)合式膜電極組件包括兩面涂覆有催化劑層15的質(zhì)子交換膜5、對(duì)稱地固定在質(zhì)子交換膜5兩側(cè)的集電-擴(kuò)散復(fù)合層4,所述的集電-擴(kuò)散復(fù)合層4由外向內(nèi)依次包括導(dǎo)電涂層12、支撐層 13、微孔層14,所述導(dǎo)電涂層12連接有導(dǎo)線。本實(shí)施例取消了傳統(tǒng)直接甲醇燃料電池的流場(chǎng)板/集電板，集電-擴(kuò)散復(fù)合層4將相當(dāng)于將集電層與擴(kuò)散層復(fù)合在一起，形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)既可實(shí)現(xiàn)收集電流的作用又可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散層的作用，將集電-擴(kuò)散復(fù)合層與涂覆有催化劑的質(zhì)子交換膜固定在一起即可制成膜電極組件。
[0025]本實(shí)施例的集電-擴(kuò)散復(fù)合式膜電極組件的制備方法，其支撐層13材料為碳布或碳納米管紙，包括步驟:1、對(duì)碳布或碳納米管紙為材料的支撐層13進(jìn)行疏水處理；2、在支撐層13—側(cè)涂覆微孔層14,在支撐層13另一側(cè)用導(dǎo)電金屬鍍層做導(dǎo)電處理，得到導(dǎo)電涂層12;3、進(jìn)行防腐、提高鍍層粘結(jié)強(qiáng)度處理，得到集電-擴(kuò)散復(fù)合層4;4、將制好的集電-擴(kuò)散復(fù)合層4與含催化劑層15的質(zhì)子交換膜5固定在一起形成集電-擴(kuò)散復(fù)合式膜電極。
[0026]本實(shí)施例的膜電極為CCM型，即催化劑制備到膜上，陽(yáng)極和陰極的集電-擴(kuò)散復(fù)合層可以通用，無(wú)需分別制備。
[0027]同時(shí)，所述的甲醇滲透汽化組件3外周壁還可復(fù)合帶有開(kāi)孔陣列的金屬薄管，便于控制甲醇的蒸發(fā)速率。
[0028]所述的排氣孔9內(nèi)設(shè)置有多孔材料，如棉纖維，反應(yīng)產(chǎn)生的C02可以從排氣孔中排出，甲醇蒸汽則會(huì)發(fā)生液化，電池工作時(shí)，排氣孔在排出C02的同時(shí)可以回收甲醇，避免了甲醇的浪費(fèi)。
[0029]各電池單體通過(guò)導(dǎo)線8相互并聯(lián)或串聯(lián)后向外供電，從而滿足電池對(duì)大電壓或大電流輸出的要求。如圖3所示，并聯(lián)時(shí)，各塊膜電極的陽(yáng)極與相鄰膜電極的陽(yáng)極依次相連，各塊膜電極的陰極與相鄰膜電極的陰極依次相連，最后引出導(dǎo)線連接至負(fù)載，以滿足需要較高輸出電流的場(chǎng)合。如圖4所述，串聯(lián)時(shí)，各塊膜電極的陽(yáng)極和相鄰膜電極的陰極依次相連， 最后引出導(dǎo)線連接至負(fù)載，以滿足需要較高電壓輸出的場(chǎng)合。
[0030]本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種使用集電-擴(kuò)散復(fù)合層的直接甲醇燃料電池，其特征在于，包括殼體(2)、甲醇滲透汽化組件(3)、若干電池單體，所述殼體(2)為一端封閉的筒形件，所述甲醇滲透汽化組件(3)設(shè)置在所述殼體(2)內(nèi)，所述殼體(2)的開(kāi)口處密封設(shè)置有端蓋(1)，所述端蓋(I)設(shè)置有排氣孔(9)和帶密封塞(11)的注液孔(10)，所述電池單體通過(guò)外固定板(6)和螺釘(7)沿周向均勻固定在所述殼體(2)的外周壁上，所述外固定板(6)及所述殼體(2)與電池單體相接觸的外周壁上均布有圓孔陣列。2.如權(quán)利要求1所述的使用集電-擴(kuò)散復(fù)合層的直接甲醇燃料電池，其特征在于:所述的電池單體包括集電-擴(kuò)散復(fù)合式膜電極組件，所述集電-擴(kuò)散復(fù)合式膜電極組件包括兩面涂覆有催化劑層(15)的質(zhì)子交換膜(5)、對(duì)稱地固定在質(zhì)子交換膜(5)兩側(cè)的集電-擴(kuò)散復(fù)合層(4)，所述的集電-擴(kuò)散復(fù)合層(4)由外向內(nèi)依次包括導(dǎo)電涂層(12)、支撐層(13)、微孔層(14)，所述導(dǎo)電涂層(12)連接有導(dǎo)線。3.如權(quán)利要求1所述的使用集電-擴(kuò)散復(fù)合層的直接甲醇燃料電池，其特征在于:所述殼體(2)的所用材料為樹(shù)脂。4.如權(quán)利要求1所述的使用集電-擴(kuò)散復(fù)合層的直接甲醇燃料電池，其特征在于:所述的甲醇滲透汽化組件(3)為燒結(jié)多孔材料制成的中空管狀結(jié)構(gòu)，兩端分別與殼體(2)底部及端蓋(I)內(nèi)壁密封連接。5.如權(quán)利要求1或4所述的使用集電-擴(kuò)散復(fù)合層的直接甲醇燃料電池，其特征在于:所述的甲醇滲透汽化組件(3)外周壁還設(shè)置帶有開(kāi)孔陣列的金屬薄管。6.如權(quán)利要求1所述的使用集電-擴(kuò)散復(fù)合層的直接甲醇燃料電池，其特征在于:所述的排氣孔(9)內(nèi)設(shè)置有多孔材料。7.如權(quán)利要求6所述的使用集電-擴(kuò)散復(fù)合層的直接甲醇燃料電池，其特征在于:所述的多孔材料包括棉纖維。8.如權(quán)利要求1所述的使用集電-擴(kuò)散復(fù)合層的直接甲醇燃料電池，其特征在于:各電池單體通過(guò)導(dǎo)線(8)相互并聯(lián)或串聯(lián)后向外供電。
【文檔編號(hào)】H01M8/1004GK105958095SQ201610412434
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年6月12日
【發(fā)明人】袁偉, 徐笑天, 陳文軍, 張兆春, 湯勇, 王奧宇, 閆志國(guó)
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué)