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      直接醇類燃料電池及其制作方法

      文檔序號(hào):6851602閱讀:346來(lái)源:國(guó)知局
      專利名稱:直接醇類燃料電池及其制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及一種直接醇類燃料電池及其制作方法,特別適用于微型便攜式直接醇類燃料電池的制作,屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域。
      背景技術(shù)
      作為質(zhì)子交換膜燃料電池的一種,直接醇類燃料電池是將甲醇、乙醇等小分子醇類的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。鑒于小分子醇類燃料具有來(lái)源豐富、價(jià)格便宜、毒性小(或沒(méi)有毒性)、常溫下為液體,便于攜帶、儲(chǔ)存和補(bǔ)充等突出優(yōu)點(diǎn),而且直接醇類燃料電池在工作過(guò)程中具有穩(wěn)定性高、對(duì)環(huán)境友好、無(wú)噪音等優(yōu)良特性,所以直接醇類燃料電池特別適合作為微型便攜式電子設(shè)備的配套電源。
      針對(duì)氫氧微型燃料電池的結(jié)構(gòu)形式,目前中國(guó)專利CN00121124.2、CN00123627.X和CN00124380.2均提出了在一片質(zhì)子交換膜上含有多個(gè)膜電極的結(jié)構(gòu)類型。但是這種結(jié)構(gòu)形式要求陰陽(yáng)極側(cè)的導(dǎo)電板必須保持在同一個(gè)水平面上,否則將導(dǎo)致各個(gè)膜電極連接處質(zhì)子交換膜發(fā)生彎曲變形,甚至斷裂;而且在制備過(guò)程中,各個(gè)膜電極的陰極和陽(yáng)極容易發(fā)生錯(cuò)位,進(jìn)而導(dǎo)致膜電極有效利用面積降低,表現(xiàn)在實(shí)際操作中,熱壓工序難以準(zhǔn)確控制,從而導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低等。
      另外,對(duì)于直接醇類燃料電池來(lái)說(shuō),它是從氫氧質(zhì)子交換膜燃料電池演化而來(lái)的一種新型燃料電池,但是其電池結(jié)構(gòu)和制備工藝技術(shù)仍舊沿用質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)形式與制備方法。目前,對(duì)于微型直接醇類燃料電池來(lái)說(shuō),甲醇溶液一般采用蠕動(dòng)泵或循環(huán)泵將其注入到電池的各個(gè)單體中,空氣一般采用壓縮泵(如果使用氧氣,一般采用高壓氧氣瓶),但是如果物料的進(jìn)出方式還要依賴這種外部動(dòng)力(如蠕動(dòng)泵、循環(huán)泵或壓縮泵等)或附加裝置(如高壓氧氣瓶)來(lái)實(shí)現(xiàn)的話,勢(shì)必要求增加電池的輸出功率(蠕動(dòng)泵、循環(huán)泵或壓縮泵工作需要能量),從而使得電池的體積增大,不利于便攜式應(yīng)用。

      發(fā)明內(nèi)容
      本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)氫氧微型燃料電池存在的缺陷和直接醇類燃料電池的特點(diǎn),提供一種能提高質(zhì)子交換膜的利用率和電池生產(chǎn)效率,降低電池成本,特別適合制作微型便攜式電子設(shè)備所用的直接醇類燃料電池及其制作方法。
      為解決上述技術(shù)問(wèn)題,本發(fā)明的技術(shù)方案是直接醇類燃料電池主要由單體電池、緊固板和外殼構(gòu)成,單體電池由集流體、膜電極、密封件組合成,改進(jìn)之處是集流體上有陣列式通孔,集流體靠近膜電極的一側(cè)有連接各通孔的直形或斜形溝槽,所述緊固板的內(nèi)側(cè)有m×n個(gè)陣列式凹腔,2≤m、n≤10,凹腔內(nèi)部四周有臺(tái)階,集流體放置在臺(tái)階上,正極緊固板凹腔的底部有陣列式通孔,負(fù)極緊固板各凹腔中臺(tái)階以下的空腔之間有連接孔相連通,負(fù)極緊固板的一側(cè)有與上述空腔相連的注液孔和排出孔,注液孔和排出孔的端口有安全閥。
      上述集流體上陣列式通孔為圓孔、矩形孔、三角形孔、菱形孔或其它異形孔。集流體與負(fù)極緊固板凹腔中臺(tái)階的接觸處有密封膠或密封墊片。外殼的上、下端面有通氣孔,通氣孔為圓孔、矩形孔、三角形孔、菱形孔、長(zhǎng)條形孔或其它異形孔,外殼的側(cè)面與緊固板相應(yīng)處有注液孔、排出孔窗口和電源引出線。
      上述直接醇類燃料電池的制作方法是按如下步驟進(jìn)行第一步,根據(jù)負(fù)載要求的工作電壓和電流,計(jì)算電池的輸出功率,進(jìn)而確定單體電池的面積和數(shù)量,然后制作出相應(yīng)數(shù)量的單體電池。單體電池結(jié)構(gòu)由正負(fù)極集流體、膜電極和密封件組成。其中膜電極的制備工藝采用通常的七層結(jié)構(gòu),即負(fù)極導(dǎo)電層、負(fù)極擴(kuò)散層、負(fù)極催化劑層、質(zhì)子交換膜、正極催化劑層、正極擴(kuò)散層和正極導(dǎo)電層。正負(fù)極集流體可采用表面改性的不銹鋼板、石墨板或?qū)щ娋酆衔锏炔牧?。集流體的電流電壓引出端設(shè)有極耳或在正負(fù)極集流體的側(cè)面設(shè)有導(dǎo)線引出孔,集流體靠近膜電極的一側(cè)刻有直形或斜形溝槽。密封件可選擇硅橡膠、氯丁橡膠或聚酯薄膜等密封材料。
      第二步,根據(jù)單體電池的面積和數(shù)量,確定平面陣列式緊固板的結(jié)構(gòu)和尺寸。緊固板可采用有機(jī)玻璃、酚醛、環(huán)氧等熱固性樹(shù)脂,表面改性的不銹鋼板、鎳板、鍍鎳鋼板、鍍金鋼板或鋁合金等材料。在負(fù)極緊固板上設(shè)置醇類儲(chǔ)存空腔,空腔之間通過(guò)連接孔相互連通,并備有統(tǒng)一的醇類注液孔和排出孔,且在醇類注液孔和排出孔處設(shè)置安全閥,安全閥裝配后不露出緊固板外;同時(shí)在正極緊固板上刻有陣列式小孔,小孔中嵌有過(guò)濾灰塵等顆粒狀物質(zhì)的透氣膜,以便空氣進(jìn)出。
      第三步,將各單體電池分別鑲嵌在負(fù)極或正極緊固板的各個(gè)凹腔的臺(tái)階上,在各單體電池正負(fù)極集流體的極耳上或正負(fù)極集流體側(cè)面的導(dǎo)線引出孔中接上導(dǎo)線,根據(jù)負(fù)載要求的電壓和電流,將各單體電池串、并聯(lián)起來(lái)。
      第四步,加蓋另一側(cè)正極或負(fù)極緊固板,其中負(fù)極緊固板與集流體接觸處加密封膠或密封墊片,然后用緊固螺栓將緊固板固定。
      第五步,將緊固后的電池放入電池外殼中并固定,電池外殼由噴漆鋼板、不銹鋼板、有機(jī)玻璃板、電木板或酚醛樹(shù)脂板等材料制作,外殼的上、下端面刻有許多小孔,小孔形狀包括圓形、菱形、三角形、長(zhǎng)條形、橢圓形或多邊形等,以便空氣進(jìn)出和電池溫度的調(diào)節(jié)。外殼的一側(cè)設(shè)置與負(fù)極固定板匹配的醇類注液孔和排出孔的窗口,外殼的另一側(cè)設(shè)置電源引出線,用作與負(fù)載連接。
      第六步,將醇類溶液通過(guò)電池外殼上的窗口和負(fù)極緊固板上的醇類注液孔注入,并儲(chǔ)存在各單體電池負(fù)極緊固板的空腔中,然后蓋好安全閥。
      至此直接醇類燃料電池制作完畢。
      本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)方案,即主要是單體間串聯(lián)并聯(lián)的平面陣列式結(jié)構(gòu)、醇類溶液儲(chǔ)存在各單體電池負(fù)極緊固板的空腔中,空氣的進(jìn)出通過(guò)正極集流體和正極緊固板的陣列式小孔來(lái)實(shí)現(xiàn)的方案,較好地滿足了不同負(fù)載工作電壓和電流的要求,提高了質(zhì)子交換膜的利用率和電池生產(chǎn)效率,降低了電池成本,特別適合制作微型便攜式直接醇類燃料電池。另外,由于采用了多個(gè)單體串聯(lián)并聯(lián)的連接方式,所以該電池也不需要升壓電路,可以直接給負(fù)載供電。


      圖1為電池總裝結(jié)構(gòu)示意圖;其中1、緊固板2、膜電極2a——質(zhì)子交換膜2b——正負(fù)極催化劑層2c——正負(fù)極擴(kuò)散層2d——正負(fù)極導(dǎo)電層3、集流體4、密封件5、緊固螺栓6、電池外殼圖2a為正極緊固板3×3陣列式示意圖;圖2b為圖2a中A-A處剖視圖;圖3a為負(fù)極緊固板3×3陣列式示意圖;圖3b為圖3a中B-B處剖視圖;圖4a為圓孔直流道集流體結(jié)構(gòu)示意圖;圖4b為圖4a中D-D處剖視圖;圖5為圓孔斜流道集流體結(jié)構(gòu)示意圖;圖6為菱形孔集流體結(jié)構(gòu)示意圖;圖7為三角形孔集流體結(jié)構(gòu)示意圖;
      圖8為帶有極耳的圓孔直流道集流體結(jié)構(gòu)示意圖;圖9a為電池外殼上下端面示意圖,圖9b為電池外殼上帶引出線的側(cè)面示意圖;圖10為2×4陣列式結(jié)構(gòu)集流體連接示意圖;圖11為3×3陣列式結(jié)構(gòu)集流體連接示意圖。
      具體實(shí)施例方式
      下面參照附圖,通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的電池結(jié)構(gòu)和制作方法及其積極效果。
      實(shí)施例1第一步根據(jù)手機(jī)3.6v工作電壓和100~300mA工作電流的要求,確定單體電池面積為(2cm×2cm)4cm2,數(shù)量為9個(gè)。采用圓孔直流道石墨板15作為集流體3,密封件4采用硅橡膠,膜電極采用七層結(jié)構(gòu),即負(fù)極導(dǎo)電層2d、負(fù)極擴(kuò)散層2c、負(fù)極催化劑層2b、質(zhì)子交換膜2a、正極催化劑層2b、正極擴(kuò)散層2c和正極導(dǎo)電層2d,制作出9個(gè)單體電池。
      第二步根據(jù)單體電池的面積(4cm2)和數(shù)量(9個(gè)),確定有機(jī)玻璃緊固板1的平面陣列式結(jié)構(gòu)為3×3,緊固板長(zhǎng)97mm,寬97mm,厚8mm;負(fù)極緊固板一側(cè)設(shè)置9個(gè)2×2cm2的凹腔7,凹腔內(nèi)臺(tái)階以下部分為儲(chǔ)存醇類溶液的空腔8,這些空腔通過(guò)連接孔9相互連通,臺(tái)階寬2.5mm,負(fù)極緊固板一側(cè)有與空腔8相通的注液孔、排出孔11,孔的端口有安全閥12。正極緊固板的一側(cè)也有9個(gè)2×2cm2的凹腔7,凹腔內(nèi)臺(tái)階以下空腔8的底部有陣列式圓孔10,圓孔中嵌有過(guò)濾灰塵等顆粒狀物質(zhì)的透氣膜,以便空氣進(jìn)出。
      第三步將各個(gè)單體電池分別鑲嵌在負(fù)極緊固板的各個(gè)凹腔內(nèi)的臺(tái)階上,接觸處涂上密封膠,在各單體電池集流體的導(dǎo)線引出孔中接上導(dǎo)線20,將各單體電池串聯(lián)起來(lái)。
      第四步加蓋正極緊固板,用螺栓5將緊固板固定。
      第五步將電池置入電池外殼6中,將醇類溶液通過(guò)電池外殼的窗口和負(fù)極緊固板上的注液孔注入空腔8中,然后蓋好安全閥。電池外殼的上下端面有長(zhǎng)條形通氣孔13。
      第六步通過(guò)電池外殼側(cè)面的電源引出線14與手機(jī)的電源插口連接,電池即可開(kāi)始供電。
      在常壓空氣、0.8M醇類溶液濃度、室溫條件下,可以輸出3.6V電壓和約1W的功率,能夠滿足對(duì)手機(jī)的供電要求。
      實(shí)施例2第一步根據(jù)PDA3.0V工作電壓和50~300mA工作電流的要求,確定單體電池的面積為(2cm×2cm)4cm2,數(shù)量為8個(gè)。采用圓孔斜流道石墨板16作為集流體3,密封件4采用硅橡膠,膜電極采用同上例的七層結(jié)構(gòu),制作出8個(gè)單體電池。
      第二步根據(jù)單體電池面積(4cm2)和數(shù)量(8個(gè)),確定有機(jī)玻璃緊固板1的平面陣列式結(jié)構(gòu)為2×4,緊固板長(zhǎng)126mm,寬68mm,厚8mm;正負(fù)極緊固板一側(cè)分別設(shè)置8個(gè)2×2cm2的凹腔,其余要求與實(shí)施例1中第二步相同。
      第三步至第六步與實(shí)施例1相同。
      在常壓空氣、0.8M醇類溶液濃度、室溫條件下,可以輸出3.2V電壓和約0.9W的功率,能夠滿足對(duì)PDA的供電要求。
      以上實(shí)施例中,單體電池中的集流體3也可采用菱形孔的結(jié)構(gòu)形式17、或三角形孔的形式18,其接線方式也可采用帶有極耳的結(jié)構(gòu)形式19。
      權(quán)利要求
      1.一種直接醇類燃料電池,包括由集流體、膜電極、密封件組合成的單體電池、緊固板和外殼,其特征是所述集流體上有陣列式通孔,集流體靠近膜電極的一側(cè)有連接各通孔的直形或斜形溝槽,所述緊固板的內(nèi)側(cè)有m×n個(gè)陣列式凹腔,2≤m、n≤10,凹腔內(nèi)部四周有臺(tái)階,集流體放置在臺(tái)階上,正極緊固板凹腔的底部有陣列式通孔,負(fù)極緊固板各凹腔中臺(tái)階以下的空腔之間有連接孔相連通,負(fù)極緊固板的一側(cè)有與上述空腔相連的注液孔和排出孔,注液孔和排出孔的端口有安全閥。
      2.按權(quán)利要求1所述的直接醇類燃料電池,其特征是所述集流體上陣列式通孔為圓孔、矩形孔、三角形孔、菱形孔或其它異形孔。
      3.按權(quán)利要求1所述的直接醇類燃料電池,其特征是集流體與負(fù)極緊固板凹腔中臺(tái)階的接觸處有密封膠或密封墊片。
      4.按權(quán)利要求1所述的直接醇類燃料電池,其特征是外殼的上、下端面有通氣孔,通氣孔為圓孔、矩形孔、三角形孔、菱形孔、長(zhǎng)條形孔或其它異形孔,外殼的側(cè)面與緊固板相應(yīng)處有注液孔、排出孔窗口和電源引出線。
      5.一種直接醇類燃料電池的制作方法,其特征是按如下步驟進(jìn)行第一步,根據(jù)負(fù)載要求計(jì)算電池輸出功率,確定單體電池的面積和數(shù)量,用不銹鋼板,石墨板或?qū)щ娋酆衔锛庸ず脦缀蜏喜鄣募黧w,按現(xiàn)有工藝制作相應(yīng)數(shù)量的單體電池;第二步,根據(jù)單體電池的面積和數(shù)量,確定緊固板的結(jié)構(gòu)和尺寸,采用有機(jī)玻璃、酚醛、環(huán)氧等熱固性樹(shù)脂,改性不銹鋼板、鎳板、鍍鎳鋼板、鍍金鋼板或鋁合金材料制作緊固板,負(fù)極緊固板上的安全閥裝配后不露出緊固板外;第三步,將各單體電池分別鑲嵌在緊固板的各個(gè)凹腔內(nèi),在各單體電池正負(fù)極集流體的極耳上或其側(cè)面的螺孔中接上導(dǎo)線,根據(jù)負(fù)載要求將各單體電池串、并聯(lián)起來(lái);第四步,在單體電池另一側(cè)加蓋緊固板,其中負(fù)極緊固板與集流體接觸處加密封膠或密封墊片,然后用螺栓將緊固板夾緊;第五步,將緊固后的電池放入電池外殼中并固定,外殼由噴漆鋼板、不銹鋼板、有機(jī)玻璃板、電木板或酚醛樹(shù)脂板等材料制作,外殼一側(cè)接上電源引出線;第六步,將醇類溶液通過(guò)電池外殼窗口和負(fù)極緊固板上的注液孔注入,儲(chǔ)存在各單體電池負(fù)極緊固板的空腔中,然后蓋好安全閥。
      6.按權(quán)利要求5所述的直接醇類燃料電池的制作方法,其特征是所述安全閥采用開(kāi)閥壓力為10~50kpa的橡膠件安全閥或其它安全閥。
      7.按權(quán)利要求5所述的直接醇類燃料電池的制作方法,其特征是緊固板厚1~15mm。
      8.按權(quán)利要求5所述的直接醇類燃料電池的制作方法,其特征是殼體厚1~5mm。
      9.按權(quán)利要求5所述的直接醇類燃料電池的制作方法,其特征是集流體厚0.1~5mm。
      全文摘要
      本發(fā)明涉及一種直接醇類燃料電池及其制作方法。其突出特點(diǎn)有(1)采取平面陣列式結(jié)構(gòu),即各單體電池分別鑲嵌在緊固板各個(gè)空腔的臺(tái)階上。(2)各單體電池通過(guò)串并聯(lián)來(lái)滿足負(fù)載工作電壓和電流的要求。(3)各個(gè)單體電池緊固板的負(fù)極一側(cè)設(shè)有空腔,用來(lái)儲(chǔ)存醇類溶液;這些空腔通過(guò)連接孔相互連通,并備有統(tǒng)一的醇類注液孔和排出孔;且在醇類注液孔和排出孔處設(shè)有安全閥,以便排出反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳。(4)正極集流體和緊固板的正極一側(cè),刻有陣列式小孔以便空氣進(jìn)出。本發(fā)明提高了質(zhì)子交換膜的利用率和電池生產(chǎn)效率,降低了生產(chǎn)成本,特別適合制作微型便攜式電子設(shè)備所用的直接醇類燃料電池。
      文檔編號(hào)H01M8/10GK1487611SQ0315292
      公開(kāi)日2004年4月7日 申請(qǐng)日期2003年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月4日
      發(fā)明者佘沛亮, 孫延先, 邵雙喜, 陳懷林, 楊善基 申請(qǐng)人:江蘇雙登電源有限公司
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