一種被動式醇類燃料電池的陰極水管理結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種被動式醇類燃料電池的陰極水管理結(jié)構(gòu)，所述陰極水管理結(jié)構(gòu)包括陰極集流板、陰極流場板，其中陰極流場板上面設(shè)置自呼吸通孔，陰極流場板的背面設(shè)置有用于收集液態(tài)水的上溝道，陰極流場板的正面設(shè)置有用于收集液態(tài)水的下溝道，上溝道和下溝道利用圓孔相連通，并在上溝道上、下溝道上以及陰極流場板與陰極集流板相接觸的表面上采用微弧氧化技術(shù)制備一層氧化物陶瓷膜。本發(fā)明解決了液體水淹導(dǎo)致的陰極流場自呼吸通道堵塞的問題，改善了氧氣的傳質(zhì)，提高了電池的性能。
【專利說明】—種被動式醇類燃料電池的陰極水管理結(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，涉及一種被動式醇類燃料電池的陰極水管
理結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著便攜式電子技術(shù)的快速發(fā)展，對高能量密度微型電源的需求越來越大。傳統(tǒng)的電池在能量密度方面很難實現(xiàn)長久的增長。直接醇類燃料電池因其結(jié)構(gòu)簡單、能量密度可觀、即刻再充能，從而成為具有很大優(yōu)勢的微型電源。為了使其更有競爭性，直接甲醇燃料電池可以在被動模式下運行，即去除輔助的驅(qū)動，依靠擴(kuò)散和自然對流來提供燃料和氧氣。被動模式下，電池的結(jié)構(gòu)更加簡單，但較低的傳質(zhì)使得電池與主動式電池相比，性能較低。在被動式醇類燃料電池中，陰極流場內(nèi)部形成的液態(tài)水滴，主要依靠重力的作用來移除。在這種模式下，液態(tài)水會在自呼吸孔道中積累，最終導(dǎo)致水淹，阻礙氧氣的傳質(zhì)。研究結(jié)果表明，可以通過陰極結(jié)構(gòu)的設(shè)計來減少水淹。平行流場或多孔的極板能夠加大水的排出速率，但不能完全避免自呼吸孔道處液態(tài)水的積累。硅基微型直接甲醇燃料電池的水淹問題可以通過陰極結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計加以避免，但其復(fù)雜的制作過程并不適用于金屬基的微型被動式直接甲醇燃料電池。到目前為止，陰極流場水淹的問題依然是阻礙被動式醇類燃料電池輸出性能及穩(wěn)定性提高的主要挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種被動式醇類燃料電池的陰極水管理結(jié)構(gòu)，它解決了液體水淹導(dǎo)致的陰極流場自呼吸通道堵塞的問題，改善了氧氣的傳質(zhì)，提高了電池的性能。
[0004]所述目的是通過如下方案實現(xiàn)的:
一種被動式自呼吸醇類燃料電池的陰極水管理結(jié)構(gòu)，利用多孔金屬作為電池的陰極集流板，采用鋁合金料進(jìn)行陰極流場板的制作，其中所述陰極流場板上面設(shè)置自呼吸通孔，陰極流場板的背面(與陰極集流板接觸面)設(shè)置有用于收集液態(tài)水的上溝道，陰極流場板的正面(與空氣接觸面)設(shè)置有用于收集液態(tài)水的下溝道，上溝道和下溝道利用圓孔相連通，使液態(tài)水能夠沿著溝道從內(nèi)部流出至外部，并在上溝道上、下溝道上以及陰極流場板與陰極集流板相接觸的表面上采用微弧氧化技術(shù)制備一層氧化物陶瓷膜。
[0005]本發(fā)明中，多孔金屬表面采用磁控濺射或者電鍍的方式制備一層具有防護(hù)、導(dǎo)電性質(zhì)的金層或者氮化鈦層。
[0006]本發(fā)明中，微弧氧化技術(shù)制備的氧化物陶瓷膜是超親水并且絕緣的。
[0007]本發(fā)明中，微弧氧化處理時所采用的電源可以為直流電源或者交流電源。
[0008]本發(fā)明中，微弧氧化處理時所采用的電解液中含有Si032_或者AlO2'
[0009]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點在于改進(jìn)了電池陰極的結(jié)構(gòu)。采用此種陰極水管理結(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。對于陰極流場板的改進(jìn)之處在于正反兩面都設(shè)計了用于收集水的溝道，且在收集水的溝道上采用微弧氧化技術(shù)進(jìn)行了超親水處理，以便使水能夠迅速的擴(kuò)散成一個平面，不形成水滴。電池工作時，空氣經(jīng)由陰極流場板的自呼吸通孔進(jìn)入，陰極氧氣與電子、質(zhì)子反應(yīng)生成水，通過陰極流場板上的溝道流出陰極流場板。與傳統(tǒng)直孔式結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明陰極流場板開孔率保持不變，但是增加了陰極水與空氣的接觸面積，在陰極流場板上設(shè)置了用于收集液態(tài)水的溝道，并且進(jìn)行了超親水處理，使陰極產(chǎn)生的水能夠迅速的擴(kuò)散并從陰極流場排出，從而避免了陰極水淹。
[0010]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
(1)陰極集流板采用多孔金屬，使得電池能夠在更高的甲醇濃度下達(dá)到最佳性能；
(2)利用微弧氧化技術(shù)制作的氧化物陶瓷膜，不僅具有良好的絕緣性能，防止電池短路，而且具有超親水特性，使得陰極產(chǎn)生的水不會沿著自呼吸的孔道堆積；
(3)通過連接陰極流場板兩側(cè)溝道的圓孔，使陰極產(chǎn)生的水能夠從里面?zhèn)鬏斨镣饷?，防止水淹形成?br> [0011]【專利附圖】

【附圖說明】:
圖1是本發(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是陰極流場板背面(與膜電極接觸面)結(jié)構(gòu)圖；
圖3是陰極流場板正面(與空氣接觸面)結(jié)構(gòu)圖；
圖4是具有本發(fā)明的陰極結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)的被動式直接甲醇燃料電池在120mA/cm2的電流密度下的放電測試結(jié)果；
圖5是在120mA/cm2的電流密度下放電90分鐘之后的傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)的自呼吸通孔的照片；
圖6是在120mA/cm2的電流密度下放電90分鐘之后的本發(fā)明中的陰極結(jié)構(gòu)自呼吸通孔的照片；
圖7是陰極流場板表面溝道內(nèi)的液體水照片；
圖中:1一儲液腔；2—陽極端板；3—陽極集流板；4一絕緣層；5—膜電極；6—陰極集流板；7 —陰極流場板；8—上溝道；9—超未水薄層；10 —自呼吸通孔；11—圓孔；12—下溝道。
【具體實施方式】
[0012]【具體實施方式】一:本實施方式采用鋁合金制作陰極流場板7，其結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，陰極流場板7上面設(shè)置自呼吸通孔10，陰極流場板7的背面、相鄰兩列自呼吸通孔10之間設(shè)置有一條上溝道8，每條上溝道8的下方、陰極流場板7的正面設(shè)置有一條下溝道12，相鄰兩條上溝道8和下溝道12之間通過圓孔11相連通，使液態(tài)水能夠沿著上溝道8和下溝道12從內(nèi)部流出至外部，并在收集液態(tài)水的上溝道8上、下溝道12上以及陰極流場板7與陰極集流板6相接觸的表面上采用微弧氧化技術(shù)制備一層超親水薄膜9，具體制備步驟如下:使用乙醇或丙酮對陰極流場板7表面進(jìn)行除油處理，然后將陰極流場板7浸潤在含有硅酸鈉(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(fù)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(fù)向脈沖電壓為0-300V、脈沖頻率為10-5000HZ的條件下微弧氧化處理10-120分鐘。由于所制備的微弧氧化陶瓷膜具有超親水特性，液體水會在垂直放置的微弧氧化膜的表面形成一層水膜，并且在重力的作用下向下流動。
[0013]本實施方式中所提出的被動式直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)由陰極集流板6與陽極集流板3、膜電極5、絕緣層4、陰極流場板7與陽極端板2和儲液腔I組成，將各組件按照相應(yīng)如圖1所示的順序固定在一起，即可作為一個完整的單電池。室溫下采用2mol/L的甲醇在120mA/cm2的電流密度下進(jìn)行放電測試，測試結(jié)果如圖4，傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)的電池放電電壓衰減速度快，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)。放電90分鐘后進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)的自呼吸通孔出現(xiàn)水淹(圖5)，而本實施方式的陰極結(jié)構(gòu)并未出現(xiàn)自呼吸通道的水淹現(xiàn)象(圖6)，同時在外側(cè)水的收集溝道上出現(xiàn)了大量的液體水(圖7)。
[0014]【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:陰極流場板7微弧氧化處理時所采用的電解液為10g/mL的鋁酸鈉和lg/mL次亞磷酸鈉的混合溶液。
[0015]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一、二的不同點在于:陰極流場板7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。
[0016]上述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(hù)范圍，本領(lǐng)域人員還可以對其進(jìn)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(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種被動式醇類燃料電池的陰極水管理結(jié)構(gòu)，包括陰極集流板、陰極流場板，其中陰極流場板上面設(shè)置自呼吸通孔，其特征在于所述陰極流場板的背面設(shè)置有用于收集液態(tài)水的上溝道，陰極流場板的正面設(shè)置有用于收集液態(tài)水的下溝道，上溝道和下溝道利用圓孔相連通，并在上溝道上、下溝道上以及陰極流場板與陰極集流板相接觸的表面上采用微弧氧化技術(shù)制備一層氧化物陶瓷膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的被動式醇類燃料電池的陰極水管理結(jié)構(gòu)，其特征在于采用多孔金屬作為陰極集流板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的被動式醇類燃料電池的陰極水管理結(jié)構(gòu)，其特征在于所述陰極流場板的材質(zhì)為鋁合金材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的被動式醇類燃料電池的陰極水管理結(jié)構(gòu)，其特征在于所述陰極集流板的表面設(shè)置有一層金層或者氮化鈦層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的被動式醇類燃料電池的陰極水管理結(jié)構(gòu)，其特征在于所述陰極流場板的背面、相鄰兩列自呼吸通孔之間設(shè)置有一條上溝道，每條上溝道的下方、陰極流場板的正面設(shè)置有一條下溝道，相鄰兩條上溝道和下溝道之間通過圓孔相連通。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的被動式醇類燃料電池的陰極水管理結(jié)構(gòu)，其特征在于微弧氧化處理時所采用的電源為直流電源或者交流電源。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的被動式醇類燃料電池的陰極水管理結(jié)構(gòu)，其特征在于采用直流電源時，處理電壓為300-600V。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的被動式醇類燃料電池的陰極水管理結(jié)構(gòu)，其特征在于采用交流電源時，正向脈沖電壓為400-600V、負(fù)向脈沖電壓為0-300V、脈沖頻率為10_5000Hz、處理時間為10-120分鐘。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的被動式醇類燃料電池的陰極水管理結(jié)構(gòu)，其特征在于微弧氧化處理時所采用的電解液中含有Si032_或者AlO2'
【文檔編號】H01M8/04GK103943872SQ201410174249
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月29日
【發(fā)明者】劉曉為, 袁瑋鍵, 張雪林, 張宇峰, 王志剛 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)