專利名稱：基于金屬極板的自呼吸直接甲醇燃料電池系統(tǒng)與制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種基于金屬極板的自呼吸式直接甲醇燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和制作方法。
(二)
背景技術(shù)：
一個液體進(jìn)料燃料電池系統(tǒng)的實施例是直接氧化燃料電池系統(tǒng)，更具體的說，是一種直接甲醇燃料電池系統(tǒng)，(DMFC系統(tǒng))。在DMFC系統(tǒng)中，以含水溶液存在的甲醇被用作液體燃料，優(yōu)選來自室外空氣用作氧化劑。在直接甲醇燃料電池中有兩種基本反應(yīng)，以使燃料電池系統(tǒng)提供電能給耗能的設(shè)備，所述由甲醇和水組成的燃料混合物在陽極分離為C02，質(zhì)子和電子；質(zhì)子，電子和氧氣在陰極結(jié)合為水。為了這些反應(yīng)持續(xù)的進(jìn)行，燃料電池必須供應(yīng)足夠的燃料以確保電能的產(chǎn)生。此外，如果燃料電池被用在便攜式電子設(shè)備中，燃料的輸送系統(tǒng)要以連續(xù)的方式根據(jù)所需的進(jìn)液速度來輸送液體燃料，最好是沒有方向性。
燃料電池具有突出的優(yōu)點l.高效性燃料電池按電化學(xué)原理等溫地直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能；2.環(huán)境友好當(dāng)燃料電池以富氫氣體為燃料時，富氫氣體是通過礦物燃料來制取的；3.結(jié)構(gòu)簡單燃料電池具有組裝式結(jié)構(gòu)，不需要很多輔機(jī)和設(shè)施，電池的輸出功率由單電池性能、電池面積和單電池數(shù)目決定，電池組內(nèi)部呈現(xiàn)自然的積木化結(jié)構(gòu)，可任意堆積成大功率電站；4.燃料來源廣燃料電池可以使用多種多樣的初級燃料，如天然氣、煤氣、甲醇、乙醇、汽油，也可使用發(fā)電廠不宜使用的低質(zhì)燃料，如褐煤、廢木、廢紙、甚至城市垃圾，但需經(jīng)專門裝置對他們重整制??；5.負(fù)載特性好常規(guī)的熱機(jī)在全負(fù)荷運行時效率最高，而負(fù)載減小時效率迅速減?。蝗剂想姵氐陌l(fā)電效率在負(fù)載較小時更高，既受負(fù)載變化的影響較小，這非常適合分散性發(fā)電裝置；6.可靠性高燃料電池的運行高度可靠，可作為各種應(yīng)急電源和不間斷電源使用；7.無噪聲燃料電池按電化學(xué)原理工作，運動部件很少。因此它工作時安靜，噪聲很低。由于燃料電池技術(shù)具有這些突出的優(yōu)越性，其研究與開發(fā)備受各國政府與公司的青睞，被認(rèn)為是21世紀(jì)首選的、清潔的、高效的發(fā)電裝置。特別的，直接甲醇燃料電池具有低污染、高效率、燃料補充方便且安全性高，結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、體積小、比能量密度高、容易操作等優(yōu)勢，所以它成為了微型武器系統(tǒng)、便攜式軍用電子設(shè)備、移動數(shù)碼產(chǎn)品等的理想動力源。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有低污染、高效率、燃料補充方便且安全性高，結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、體積小、比能量密度高、容易操作等優(yōu)點的基于金屬極板的自呼吸直接甲醇燃料電本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的直接甲醇燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池主體，包括一組直接甲醇燃料電池單體，每個燃料電池單體包括一個具有電解質(zhì)膜的膜電極組件以及位于膜電極兩側(cè)相應(yīng)位置上的電池的陰極和陽極；燃料供應(yīng)單元，用于為電池組提供均勻流速的燃料，滿足電池組工作時所需要的燃料消耗；燃料分流裝置，用于將燃料供應(yīng)單元中的燃料以并行輸出的方式平均的分配到每一組直接甲醇燃料電池中。
本發(fā)明的另一 目的在于提供上述基于金屬極板的自呼吸直接甲醇燃料電池系統(tǒng)的制備方
法。膜電極組件包括質(zhì)子交換膜及質(zhì)子交換膜兩側(cè)的陽極催化層和陰極催化層，以及相應(yīng)的
陰陽極擴(kuò)散層。質(zhì)子交換膜為Nafion系列全氟磺酸質(zhì)子交換膜，陽極催化層是鉑釕的混合物，
陰極催化層是鉑和炭黑的混合物。陽極和陰極擴(kuò)散層為炭紙或炭布。電池陰陽極極板材料為
金屬，采用薄金屬流場板，陽極流場結(jié)構(gòu)可以是柵型流場，點型流場也可以是蛇型流場。陰
極為通透的"百葉窗"結(jié)構(gòu)，這可以使燃料電池陰極側(cè)基本暴露于空氣中，使電池獲得反應(yīng)所
需的氧氣，薄金屬可以降低歐姆過電位，陰陽極極板都是通過高溫沖壓得到的，極板的平整
度優(yōu)異。高溫沖壓后的極板需要經(jīng)過表面處理，通過表面處理，不但可以防止輕微腐蝕的產(chǎn)
生，而且接觸電阻在燃料電池運行過程中可以基本恒定。表面改性的方法包括電鍍、化學(xué)鍍、
物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)。陽極極板需要進(jìn)液孔和出液孔，燃料從進(jìn)液孔進(jìn)
入電池，通過流道并在電池中反應(yīng)后從出液孔流出電池，所需的燃料進(jìn)液孔和出液孔是通過
激光打孔的方法制作的。直接甲醇燃料電池單體的封裝是通過將夾具套于組裝完畢的直接甲
醇燃料電池單體陰陽極極板的四周完成的，此夾具的材料必須不具有導(dǎo)電性，耐高溫，可以
為高分子聚合物，如聚四氟乙烯，有機(jī)玻璃等，在其中間可以用雕刻技術(shù)雕刻出凹槽，也可
以銑出凹槽，凹槽的寬度為陽極極板厚度加上陰極極板厚度加上陰陽極膠墊厚度加上膜電極
厚度，凹槽的深度為2-3mm。燃料供應(yīng)單元可以是電力產(chǎn)品，如電子蠕動泵；也可以是燃
料自釋放裝置。燃料的分流裝置是將燃料通過一個腔體，分成任意個分支，并且從各個分支
中流出燃料的速度是相同的。腔體材料可以是聚合物，如有機(jī)玻璃，在腔體上有一個進(jìn)液孔
和所需分流數(shù)量的出液孔，每個出液孔連有一段毛細(xì)管，每段毛細(xì)管的孔徑和長度相等，以
保證分液后從每個分流孔中流出的液體燃料速度相等。直接甲醇燃料電池的燃料為甲醇的水
溶液，參考濃度范圍為1至4mol/L。燃料電池主體是由若干個直接甲醇燃料電池單體串聯(lián)而
成，每節(jié)單電池的電聯(lián)是在電路板上實現(xiàn)的，通過電路板將單體電池進(jìn)行連接，大大減小了
電池組的連接電阻損失，并且使電池組整齊美觀。
本發(fā)明提供的是一種高性能為筆記本電腦供電的直接甲醇燃料電池組，涉及的是基于金
屬極板的自呼吸式直接甲醇燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和制作方法，目標(biāo)為便攜式電子設(shè)備如筆記本
4電腦提供電能輸出。
本發(fā)明還有這樣一些技術(shù)特征
1. 所述的膜電極組件包括質(zhì)子交換膜及質(zhì)子交換膜兩側(cè)的陽極催化層和陰極催化層， 以及相應(yīng)的陰陽極擴(kuò)散層。
2. 所述的電池陰陽極極板材料為金屬，采用薄金屬流場板，可以降低歐姆過電位。
3. 所述的直接甲醇燃料電池單體的封裝是通過將夾具套于組裝完畢的直接甲醇燃料電 池單體的陰陽極極板四周來完成。
4. 所述的燃料供應(yīng)單元可以是電力產(chǎn)品，如電子蠕動泵；也可以是燃料自釋放裝置。
5. 所述的燃料分流裝置是將燃料通過一個腔體，分成若干個分支，并且使各個分支中 流出燃料的速度是相同的。
6. 所述的質(zhì)子交換膜為Nafion系列全氟磺酸質(zhì)子交換膜.
7. 所述的陽極催化層是鉑釕的混合物，陰極催化層是鉑和炭黑的混合物。陽極和陰極 擴(kuò)散層為碳紙或碳布。
8. 所述的極板是通過高溫沖壓得到的，高溫沖壓后的極板還需要經(jīng)過表面處理，通過 表面處理，不但可以防止輕微腐蝕的產(chǎn)生，而且接觸電阻在燃料電池運行過程中可以基本恒 定。表面改性的方法主要有電鍍、化學(xué)鍍、物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉枳(CVD)。
9. 所述的分支的核心部分是具有相同孔徑和長度的毛細(xì)管，燃料由燃料腔通過各個分 支分流，以平均速度供給每節(jié)直接甲醇燃料電池單體電池。
10. 所述的陰陽極極板的作用是分離反應(yīng)氣體、收集電流、將各個單電池串聯(lián)起來和通 過流場為反應(yīng)氣進(jìn)入電極及水的排出提供通道。
11. 所述的燃料電池主體是由若干個直接甲醇燃料電池單體串聯(lián)而成，每節(jié)單電池的電 聯(lián)是在電路板上實現(xiàn)的，通過電路板將單體電池進(jìn)行連接，大大減小了電池組的連接電阻損 失，并且使電池組整齊美觀。
12. 所述的每一組直接甲醇燃料電池，可以是一節(jié)也可以是多節(jié)單電池的串聯(lián)。
13. 所述的夾具的材料必須不具有導(dǎo)電性，耐高溫，可以為高分子聚合物，如聚四氟乙 烯，有機(jī)玻璃等。
14. 所述的夾具含有一個凹槽，可以將電池極板四周卡住，起到封裝的作用。
15. 所述的腔體材料為易加工的材料，如有機(jī)玻璃。
本發(fā)明利用微細(xì)精密加工技術(shù)加工高分子材料(如有機(jī)玻璃、塑料等)制成直接甲醇燃 料電池組封裝夾具。采用金屬(不銹鋼、鋁等)作為直接甲醇燃料電池極板材料，利用模具 沖壓技術(shù)制作出極板，這樣做具有以下優(yōu)點(1)金屬材料雙極板具有導(dǎo)電能力強(qiáng)、機(jī)械性能好、易于封裝等特點，而且可以保證電池結(jié)構(gòu)的緊密，從而有效地降低電池內(nèi)阻；(2)相 對于其他工藝來說可以降低研發(fā)成本，確保一定的成品率，便于批量生產(chǎn)。
(四)


圖1-2是直接甲醇燃料電池陽極極板結(jié)構(gòu)圖3是直接甲醇燃料電池陰極極板結(jié)構(gòu)圖4是封裝直接甲醇燃料電池所用的夾具結(jié)構(gòu)圖5是直接甲醇燃料電池組裝圖； .
圖6-7是組裝完成后的直接甲醇燃料料電池圖8是串聯(lián)電池組結(jié)構(gòu)圖9是分液裝置結(jié)構(gòu)圖IO是電路板結(jié)構(gòu)圖。
(五)
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明作更詳細(xì)的描述
結(jié)合圖1-2，直接甲醇燃料電池的陽極極板的流場主要由溝脊和溝道兩部分組成，它們分 別起到支撐擴(kuò)散層和導(dǎo)流的作用，流場的設(shè)計就是要使當(dāng)外部供給電池燃料時，甲醇溶液在 流場內(nèi)能盡可能均勻的分布，有利于甲醇溶液經(jīng)電極的擴(kuò)散層向催化層的傳質(zhì)，并同時能促 迸生成物C02的順利排出，設(shè)計完,流場結(jié)構(gòu)后，通過高溫沖壓制作電池極板，以保證電池極 板的平整度，如圖1中當(dāng)陽極極板與膜電極壓緊后流場的溝脊4相應(yīng)的形成流場通道，燃料 的進(jìn)液口 1、出液口 2分別是通過激光打孔的方法得到的。制作完極板后，需要在其表面進(jìn) 行表而處理，通過表面處理，可以防止輕微腐蝕的產(chǎn)生，增加耐磨性能，使接觸電阻在燃料 電池運行過程中可以基本恒定。表面改性的方法包括有電鍍、化學(xué)鍍、物理氣相沉積(PVD)、 化學(xué)氣相沉積(CVD)。圖3為直接甲醇燃料電池陰極極板結(jié)構(gòu)圖，它是百葉窗結(jié)構(gòu)，陰極極 板21上設(shè)置有百葉窗22，這種結(jié)構(gòu)可以使膜電極的陰極側(cè)與空氣的接觸面積更大，通過自 呼吸方式，使電池陰極側(cè)從空氣中獲得反應(yīng)所需的氧氣。圖4為封裝燃料電池所用的夾具31， 此夾具的材料必須不具有導(dǎo)電性，耐高溫，可以為高分子聚合物，如聚四氟乙烯，有機(jī)玻璃 等，在其中間可以用雕刻技術(shù)雕刻出凹槽，也可以用銑刀銑出凹槽32，凹槽32的寬度為陽 極極板厚度，陰極極板厚度，陰陽極膠墊厚度與膜電極厚度之和，凹槽的深度為2-3mm。圖 5為直接甲醇燃料電池的組裝結(jié)構(gòu)圖，在膜電極42的四周加有一圈膠墊43，膠^43起到密 封反應(yīng)物的作用，然后將陽極極板41放在膜電極42的陽極一側(cè)，將陰極極板21放在膜電極 的陰極一側(cè)，最后將夾具31分別套于極板四周，將極板邊緣夾緊，這樣便完成了直接甲醇燃 料電池單體的制作，需要多少節(jié)電池串聯(lián)就制作多少節(jié)單體電池。圖6是通過外加夾具的新封裝方法封裝好的燃料電池。圖8是串聯(lián)電池組結(jié)構(gòu)圖，圖中61為燃料甲醇溶液的進(jìn)液口， 62為燃料甲醇溶液的出液口， 63為從電池的陰陽極極板引出的導(dǎo)線，將這些導(dǎo)線相應(yīng)的接在 電路板上完成電池組的串聯(lián)連接，圖6顯示的是兩節(jié)電池為i且的并行進(jìn)液結(jié)構(gòu)。圖9為分 流裝置，首先選擇的材料應(yīng)該易于加工，如有機(jī)玻璃等，在所選材料71上制作出一個腔體 72,然后在腔體的一側(cè)上打一個進(jìn)液孔73，并與進(jìn)液管74密封連接，在腔體的一側(cè)打有分 流數(shù)量個出液孔75，并接有出液管76，每個出液管中都接有相同長度和相同孔徑的毛細(xì)管 77，最后用上蓋78把腔體密封，這樣從進(jìn)液管74進(jìn)入分流裝置的甲醇溶液就可以通過分流 裝置以相同的速度從分流管中并行分配到每組串行進(jìn)液的直接甲醇燃料電池中了。圖10是簡 單串聯(lián)連接的電路板。將封裝好的各單體電池陰陽極端的引線分別焊在相應(yīng)位置的電路板83 上，將電池的進(jìn)液管81和出液管82固定在電路板上整齊的孔中，整個電池組就組裝完成了， 84是測試單體電池的引線。
權(quán)利要求
1.一種基于金屬極板的自呼吸直接甲醇燃料電池系統(tǒng)，其特征在于它包括燃料電池主體，包括一組直接甲醇燃料電池單體，每個燃料電池單體包括一個具有電解質(zhì)膜的膜電極組件以及位于膜電極兩側(cè)相應(yīng)位置上的電池的陰極和陽極；燃料供應(yīng)單元，用于為電池組提供均勻流速的燃料，滿足電池組工作時所需的燃料消耗；燃料分流裝置，用于將燃料供應(yīng)單元中的燃料以并行輸出的方式平均的分配到每一組直接甲醇燃料電池中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于金屬極板的自呼吸直接甲醇燃料電池系統(tǒng)，其特征在于膜電 極組件包括質(zhì)子交換膜及質(zhì)子交換膜兩側(cè)的陽極催化層和陰極催化層，以及相應(yīng)的陰陽 極擴(kuò)散層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于金屬極板的自呼吸直接甲醇燃料電池系統(tǒng)，其特征在于電池 陰極和陽極極板材料為金屬，采用可以降低歐姆過電位的薄金屬流場板。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于金屬極板的自呼吸直接甲醇燃料電池系統(tǒng)，其特征在于直接 甲醇燃料電池單體的封裝是通過將夾具套于組裝完畢的直接甲醇燃料電池單體的陰陽極 極板四周來完成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于金屬極板的自呼吸直接甲醇燃料電池系統(tǒng)，其特征在于燃料 分流裝置是將燃料通過一個腔體，分成一組分支，并且使各個分支中流出燃料的速度是 相同的，分支是具有相同孔徑和長度的毛細(xì)管，燃料由燃料腔通過各個分支分流，以平 均速度供給每節(jié)直接甲醇燃料電池單體電池。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于金屬極板的自呼吸直接甲醇燃料電池系統(tǒng)，其特征在于質(zhì)子 交換膜為Nafion系列全氟磺酸質(zhì)子交換膜，陽極催化層是鉑釘?shù)幕旌衔?，陰極催化層是 鉑和炭黑的混合物，陽極和陰極擴(kuò)散層為碳紙或碳布。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于金屬極板的自呼吸直接甲醇燃料電池系統(tǒng)，其特征在于極板 是通過高溫沖壓得到的，高溫沖壓后的極板還需要經(jīng)過表面改性處理，表面改性處理的 方法包括電鍍、化學(xué)鍍、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于金屬極板的自呼吸直接甲醇燃料電池系統(tǒng)，其特征在于燃料 電池主體是由一組直接甲醇燃料電池爭體串聯(lián)而成，每節(jié)單電池的電聯(lián)是在電路板上實 現(xiàn)的，通過電路板將單體電池進(jìn)行連接。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于金屬極板的自呼吸直接甲醇燃料電池系統(tǒng)，其特征在于夾具 含有一個可以將電池極板四周卡住，起封裝作用的凹槽。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于金屬極板的自呼吸直接甲醇燃料電池系統(tǒng)的制備方法，其特 征在于利用微細(xì)精密加工技術(shù)加工高分子材料制成直接甲醇燃料電池組封裝夾具，采用 金屬作為直接甲醇燃料電池極板材料，利用模具沖壓技術(shù)制作出極板。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于金屬極板的自呼吸直接甲醇燃料電池系統(tǒng)與制備方法。直接甲醇燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池主體，包括一組直接甲醇燃料電池單體，每個燃料電池單體包括一個具有電解質(zhì)膜的膜電極組件以及位于膜電極兩側(cè)相應(yīng)位置上的電池的陰極和陽極；燃料供應(yīng)單元，用于為電池組提供均勻流速的燃料，滿足電池組工作時所需要的燃料消耗；燃料分流裝置，用于將燃料供應(yīng)單元中的燃料以并行輸出的方式平均的分配到每一組直接甲醇燃料電池中。本發(fā)明具有低污染、高效率、燃料補充方便且安全性高，結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、體積小、比能量密度高、容易操作等優(yōu)點。
文檔編號H01M8/10GK101599549SQ20091007244
公開日2009年12月9日 申請日期2009年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月2日
發(fā)明者劉曉為, 鵬 張, 張宇峰, 王路文, 索春光, 苑振宇 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)水資源國家工程研究中心有限公司