一種醇類燃料電池的自呼吸式陰極結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種醇類燃料電池的自呼吸式陰極結(jié)構(gòu)，以解決水淹導致的陰極板自呼吸通道堵塞的問題。本發(fā)明的醇類燃料電池的陰極板采用鋁合金材料進行制作，上面設置用于“自呼吸”的通孔，陰極板表面與膜電極接觸的部分覆蓋有一層薄的金層，而與空氣接觸的部分采用微弧氧化技術(shù)制備一層具有超親水特性的氧化物陶瓷膜。本發(fā)明可以解決由于陰極水淹導致的自呼吸通道堵塞的問題，改善氧氣的傳質(zhì)，進而提高醇類燃料電池的輸出性能。
【專利說明】—種醇類燃料電池的自呼吸式陰極結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種醇類燃料電池的自呼吸式陰極結(jié)構(gòu)的設計。
【背景技術(shù)】
[0002]直接醇類燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell - DMFC)以甲醇、乙醇、二甲醚等作為燃料，具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換效率高、可低溫啟動等優(yōu)點，在微小型便攜式產(chǎn)品領(lǐng)域有著良好的應用前景。特別是自呼吸式醇類燃料電池，由于有源輔助器件的取消，其結(jié)構(gòu)緊湊，因此更加適合低功率要求(〈10W)的便攜式和微小型設備應用。在實際應用中，自呼吸式直接醇類燃料電池的陰極板不僅起著收集陰極電流的作用，而且是陰極氧氣與水的傳輸通道?？諝庵械难鯕庥申帢O板的自呼吸通道經(jīng)擴散進入電池內(nèi)部參與反應；陰極反應產(chǎn)生的水以及從陽極滲透到陰極的水在毛細作用下會由陰極催化層傳輸?shù)疥帢O的自呼許通道中，然后依靠自然蒸發(fā)和重力排出。在這一過程中，很容易發(fā)生液體水在自呼吸通道內(nèi)的累積，從而阻礙氧氣的傳至，特別是在大電流放電時，陰極自呼吸通道有可能完全堵塞，從而嚴重降低了電池的性能和穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種醇類燃料電池的自呼吸式陰極結(jié)構(gòu)，它增強了陰極板的排水能力，解決了由于液體水阻塞陰極板自呼吸通道的問題。
[0004]所述目的是通過如下方案實現(xiàn)的:
一種醇類燃料電池的自呼吸式陰極結(jié)構(gòu)，包括鋁合金材料制作的陰極極板，陰極極板上面設置有用于“自呼吸”的通孔；在陰極極板表面與膜電極直接接觸的部分采用電鍍或者磁控濺射的方法覆蓋一層金層，防止腐蝕并減少接觸電阻；在陰極極板表面直接接觸空氣的部分采用微弧氧化技術(shù)制作一層具有超親水性的氧化物陶瓷膜。由于該陶瓷膜具有超親水的特性，使得陰極產(chǎn)生的水能夠在陶瓷膜的表面迅速擴散成一個平面，防止其形成液態(tài)水滴，從而有效地的避免陰極極板水淹。
[0005]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
(O陰極極板的開孔率與傳統(tǒng)電池的陰極極板開孔率保持不變，但由于超親水薄層的存在，使得陰極自呼吸通道內(nèi)的水無法形成水滴，從而避免了自呼吸孔的堵塞問題；
(2)利用微弧氧化技術(shù)，能夠保證所制備的超親水膜層完全、均勻的覆蓋陰極板表面與空氣接觸的部分，而且該超親水膜層與基底之間具有良好的結(jié)合力，同時也能夠明顯的提高極板的耐腐蝕能力。
[0006]【專利附圖】

【附圖說明】:
圖1為本發(fā)明中被動式直接甲醇燃料電池的結(jié)構(gòu)分解示意圖；
圖2為陰極極板背面(與膜電極接觸一側(cè))金層示意圖；
圖3為陰極極板正面(與空氣接觸一側(cè))氧化物陶瓷膜示意圖； 圖4具有本發(fā)明的陰極結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)的直接甲醇燃料電池在lOOmA/cm2的電流密度下的放電測試結(jié)果；
圖5在lOOmA/cm2的電流密度下經(jīng)過長時間放電之后的傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)的自呼吸通道的照片；
圖6在100mA/cm2的電流密度下經(jīng)過長時間放電之后的本發(fā)明中的陰極結(jié)構(gòu)的自呼吸通道的照片。
[0007]圖1-圖3中:1-燃料腔；2_陽極極板；3_絕緣墊；4_膜電極；5_陰極極板；6_通孔；7_金層；8_具有超親水特性的氧化物陶瓷膜。
[0008]【具體實施方式】:
【具體實施方式】一:本實施方式采用鋁合金進行如圖2和圖3所示的陰極極板的制作，采用酒精或者丙酮進行除油處理之后，將其放入含有硅酸鈉(5-15g/mL)和次亞磷酸鈉(0.5-2g/mL)的工作液中，并以其作為正極，以工作槽作為負極，控制工作液溫度在50度以下，在雙向脈沖電源、正向脈沖電壓為400-600V、負向脈沖電壓為0-300V、脈沖頻率為10-5000HZ的條件下處理10-120分鐘；微弧氧化處理過的陰極極板用自來水沖洗干凈，然后將其表面與膜電極接觸的部分的微弧氧化陶瓷膜打磨掉，采用磁控濺射或者電鍍的方式在此部分表面沉積一層金層。
[0009]將處理過的陰極極板與陽極極板、膜電極、絕緣墊以及儲液腔按照圖1所示的順序利用夾具固定于一處，即可作為一個完整的單電池。室溫下采用2M的甲醇在lOOmA/cm2的電流密度下進行放電測試，結(jié)果見圖4。如圖5所示，傳統(tǒng)的陰極結(jié)構(gòu)的自呼吸通道很快就出現(xiàn)了水淹，而本發(fā)明的陰極結(jié)構(gòu)在整個放電過程中并未出現(xiàn)自呼吸通道的水淹現(xiàn)象，如圖6所示。因此，圖4中傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)的電池放電電壓快速衰減，而具有本發(fā)明的陰極結(jié)構(gòu)的電池放電電壓非常平穩(wěn)。
[0010]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一的不同點在于，陰極極板微弧氧化處理時所采用的電解液為5-15g/mL的鋁酸鈉和0.5-2g/mL次亞磷酸鈉。
[0011]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一的不同點在于，陰極極板微弧氧化處理時所采用的電源為直流電源，處理電壓為300-600V。
[0012]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點在于改進了電池陰極極板的結(jié)構(gòu)。采用此種陰極極板結(jié)構(gòu)的燃料電池依然使用富氫物質(zhì)(氫氣，甲醇，乙醇等)作為燃料，氧氣由大氣直接供給。對陰極極板的改進之處在于，在陰極極板的背面(接觸膜電極一側(cè))利用磁控濺射或者電鍍技術(shù)形成一層金的薄層，在陰極板正面(接觸空氣的部分)進行了超親水處理，使水進入自呼吸通道時能夠迅速擴散，不形成液滴。電池工作時，空氣經(jīng)由陰極極板的通孔進入，陰極氧氣與電子、質(zhì)子反應生成水，通過陰極孔道流出極板。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明陰極極板的開孔率保持不變，但是增加了陰極水與空氣的接觸面積，在陰極極板的正面進行了超親水處理，使陰極產(chǎn)生的水能夠迅速地擴散，不易形成水滴，從而使水能夠更加充分快速地蒸發(fā)及排出。
[0013]本實施方式只是對本專利的示例性說明而并不限定它的保護范圍，本領(lǐng)域人員還可以對其進行局部改變，只要沒有超出本專利的精神實質(zhì)，都視為對本專利的等同替換，都在本專利的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種醇類燃料電池的自呼吸式陰極結(jié)構(gòu)，包括陰極極板，陰極極板上面設置有用于“自呼吸”的通孔，其特征在于所述陰極極板表面與膜電極接觸的部分覆蓋有一層金層，與空氣接觸的部分覆蓋有一層具有超親水特性的氧化物陶瓷膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的醇類燃料電池的自呼吸式陰極結(jié)構(gòu)，其特征在于所述金層是采用磁控濺射或者電鍍的方式進行制備的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的醇類燃料電池的自呼吸式陰極結(jié)構(gòu)，其特征在于所述具有超親水特性的氧化物陶瓷膜是采用微弧氧化技術(shù)制備的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的醇類燃料電池的自呼吸式陰極結(jié)構(gòu)，其特征在于所述微弧氧化處理時所采用的電源為直流電源或者交流電源。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的醇類燃料電池的自呼吸式陰極結(jié)構(gòu)，其特征在于所述微弧氧化處理時所采用的電解液中含有Si032_或者AlO2'
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的醇類燃料電池的自呼吸式陰極結(jié)構(gòu)，其特征在于所述陰極極板采用鋁合金材料制作而成。
【文檔編號】H01M4/86GK103825031SQ201410098387
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月18日
【發(fā)明者】劉曉為, 袁瑋健, 張雪林, 張宇峰, 王志剛 申請人:哈爾濱工業(yè)大學