專利名稱：凝膠流動相方形直接乙醇燃料電池組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，特指一種凝膠流動相方形直接乙醇燃料電池組。
背景技術(shù)：
直接乙醇燃料電池(Direct Ethanol Fuel Cell, DEFC)直接使用液態(tài)乙醇作燃 料，且乙醇可由生物質(zhì)(Biomass)通過發(fā)酵制得，來源豐富，毒性低，含氫量高， 是一種完全可再生的資源。DEFC具有能耗少、能量密度高、操作簡單、噪聲低 等優(yōu)點，在小型獨立電源、國防通訊、單兵作戰(zhàn)武器電源以及移動電話、攝像機 和筆記本電腦電源等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，國內(nèi)外很多高校、科研機 構(gòu)和大公司均對DEFC研究開發(fā)投入了大量的人力和物力。目前研究的重點是新 型高溫電解質(zhì)膜及高催化活性和高選擇性的電催化劑開發(fā)兩方面，從而降低 DEFC的成本，提高DEFC的性能。
異形結(jié)構(gòu)(多為方形和圓形)的DEFC，在用作便攜式動力電池時，具有獨特 的優(yōu)點。在圓形DEFC研究上，國外有研究報道，但未有制作成電池組的報道。 同時也未見方形DEFC的相關(guān)報道。另夕卜，應(yīng)用的DEFC廣泛使用質(zhì)子交換Nafion 膜，價格昂貴，并且有明顯的乙醇滲透(Crossover)現(xiàn)象，使乙醇直接穿透Nafion 膜而流失，造成乙醇燃料大量損失，DEFC功率密度下降。同時乙醇燃料的滲透 會在電極產(chǎn)生反應(yīng)，毒化陽極和陰極電催化劑，使電極活性降低。有關(guān)DEFC質(zhì) 子交換膜方面的研究，取得了一些進展，文獻表明，國外學(xué)者已開發(fā)出用于DEFC 的低滲透導(dǎo)質(zhì)子復(fù)合電解質(zhì)膜，顯示出良好的導(dǎo)質(zhì)子能力和低滲透率，但是仍沒 有完全解決乙醇的滲透問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能有效解決乙醇的滲透問題，不使用質(zhì)子交換 膜，結(jié)構(gòu)合理且工作性能好的低成本方形直接乙醇燃料電池組。 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
一種凝膠流動相方形直接乙醇燃料電池組，其特征是包括電池外殼，內(nèi)外 電極，外殼內(nèi)設(shè)置外電極，外電極與外殼通過焊接點呈線接觸式連接，在內(nèi)電極 內(nèi)側(cè)與外殼和外電極與外殼之間設(shè)置上下貫通的空氣室，內(nèi)、外電池之間設(shè)置凝膠流動相室，其中凝膠流動相的制備成分(以重量計)如下:
C2H5OH 5 75%
H2S04 10 40%
H20 10 40%
混合酸 2 10%
導(dǎo)電聚合物和/或金屬粉末 1 10%
金屬有機化合物或金屬鹽 1 20%。
內(nèi)、外電極均為熱壓式膜電極，由多孔鈦板、陽極催化劑、凝膠流動相、陰 極催化劑、擴散層和多孔鈦板依次復(fù)合而成，此處的凝膠流動相與上述電池組中 所述的凝膠流動相相同。
擴散層由多孔碳纖維紙或碳纖維布組成。
外殼為塑料、不銹鋼或純鈦材料。
混合酸是全氟磺酸、磷鎢酸、磷鉬酸、硅鎢酸或磷錫酸。
導(dǎo)電聚合物是聚苯胺或聚吡咯，金屬粉末是Ag、 Au或Cu粉末。金屬有機 化合物是鈦酸酯類或硅酸酯類，金屬鹽是硅酸鈉。
制備凝膠流動相時，以金屬有機化合物或金屬鹽為前驅(qū)體，流動相中的乙醇 為分散介質(zhì)，加入硫酸、水，經(jīng)水解、縮聚反應(yīng)形成溶膠(Sol)，并進一步摻雜混 合酸、聚合物或金屬粉末制成凝膠流動相。
本發(fā)明以具有較高導(dǎo)質(zhì)子、電子能力的凝膠(Gel)流動相取代目前普遍使用的 硫酸、乙醇液相電解質(zhì)流動相，可以徹底解決乙醇滲透的問題，降低其對DEFC 陰極和陽極電催化劑的毒化，可以提高DEFC的性能；同時由于Gd流動相具有 較高的導(dǎo)質(zhì)子和電子能力，起到了質(zhì)子交換膜的作用。因此，在新型DEFC中可 以不使用質(zhì)子交換膜，從而簡化電池結(jié)構(gòu)，大大降低其制造成本，可以推動DEFC 的市場化進程。
本發(fā)明電池組的特點(1)空氣可以自吸式，也可以管道輸入壓縮空氣和氧 氣；(2)內(nèi)、外電極可以采用熱壓式，阻抗??；(3)功率密度較高，6(TC條件下， 功率密度分別為15-25 W/cm2 (自呼吸)、20-30 mW/cm2 (氧氣)；(4)不用雙極
板，制造成本低；(5)不使用質(zhì)子交換膜；(6)溫度調(diào)節(jié)方便(空氣室散熱面積大， 散熱速度快)；(7)電池組拆卸方便，有利于維修和更換組件；(8)電池組可以根 據(jù)需要增大和減小，用于不同的產(chǎn)業(yè)化目的。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。 圖1是本發(fā)明一個實施例的結(jié)構(gòu)示圖 圖2是外電極結(jié)構(gòu)示圖 圖3是內(nèi)電極結(jié)構(gòu)示圖
1、電池外殼2、焊接點3、外電極4、內(nèi)電極5、多孔鈦板6、陽極催化 劑7、凝膠流動相8、陰極催化劑9、擴散層10、第二空氣室11、凝膠流動相 室12、第一空氣室13、第三空氣室14、第四空氣室15、第五空氣室具體實施方式
實施例1
一種凝膠流動相方形直接乙醇燃料電池組，包括電池外殼l，外殼l內(nèi)設(shè)置 外電極3、內(nèi)電極4，外電極與外殼1通過焊接點2呈線接觸連接，內(nèi)電極與外 殼在兩端連接，在內(nèi)電極內(nèi)側(cè)設(shè)置上下貫通的第一空氣室12，在外電極與外殼l 之間設(shè)置上下貫通的第二空氣室ll、第三空氣室13、第四空氣室14、第五空氣 室15。
內(nèi)電極4與外電極3之間設(shè)置凝膠流動相室11，其中凝膠流動相的制備成
分(以重量計)如下
C2H5OH 20%
H2S04 40%
H20 15%
混合酸 5%
金屬粉末 3%
金屬有機化合物 17%。
混合酸是全氟磺酸；金屬粉末是Cu;金屬有機化合物是鈦酸酯類。 內(nèi)、外電極均為熱壓式膜電極，內(nèi)電極由多孔鈦板5、陽極催化劑6、凝膠 流動相7、陰極催化劑8、多孔碳纖維紙組成的擴散層9、多孔鈦板5復(fù)合組成； 外電極依次由多孔鈦板5、碳纖維布組成的擴散層9、陰極催化劑8、凝膠流動 相7、陽極催化劑6、多孔鈦板5復(fù)合組成。內(nèi)、外電極中的凝膠流動相組成和
制備方法同凝膠流動相室11的凝膠流動相。
上述凝膠流動相方形直接乙醇燃料電池組，其單池性能在1MCH3CH20H 和0.5MH2SO4條件下，氧氣流量為20 ml/min， 60。C時，開路電壓為633 mV， 最大功率密度為20mW/cm2 (不能比前面小)，自呼吸條件下最大功率密度為15 mW/cm2。國內(nèi)外有關(guān)方型直接乙醇燃料電池的報道較少，只見到英國Newcastle 大學(xué)學(xué)者關(guān)于帶有催化金屬網(wǎng)陽極的直接乙醇燃料電池的報道，該燃料電池帶有 雙極板和質(zhì)子交換膜(為普通平板型FC)，其單池性能在lMCH3CH2OH (卯 °C，流量為1 ml/min)條件下，通入氧氣(背壓為1 bar),開路電壓約為650 mV， 最大功率密度約為16 mW/cm2。文獻資料尚未發(fā)現(xiàn)空氣自呼吸DEFC性能數(shù)據(jù)。 從以上看出，本發(fā)明提出的凝膠流動相方形直接乙醇燃料電池組對于現(xiàn)有技術(shù)來 說，其性能滿足要求，具有有益的使用效果。 實施例2
凝膠流動相制備中各成分的重量配比為
C2H5OH 30%
H2S04 20%
H20 22%
混合酸 3%
導(dǎo)電聚合物 5%
金屬有機化合物 20%。 混合酸是磷鎢酸；導(dǎo)電聚合物是聚苯胺，其余同實施例l。 實施例3
凝膠流動相制備中各成分的重量配比為
C2H5OH 50%
H2S04 10%
H20 10%
混合酸 10%
導(dǎo)電聚合物 8%
金屬鹽 12%。 金屬鹽是硅酸鈉，導(dǎo)電聚合物是聚吡咯，其余同實施例2。
實施例4
凝膠流動相制備中各成分的重量配比為
C2H5OH 70%
H2S04 10%
H20 10%
混合酸 3%
導(dǎo)電聚合物 1%
金屬粉末 1%
金屬有機化合物 5%。
混合酸是磷錫酸；導(dǎo)電聚合物是聚苯胺，金屬粉末是Ag，金屬有機化合物
權(quán)利要求
1.一種凝膠流動相方形直接乙醇燃料電池組，其特征是包括電池外殼(1)，電池外殼(1)內(nèi)設(shè)置外電極(3)，外電極(3)與電池外殼(1)通過焊接點(2)呈線接觸式連接，在內(nèi)電極(4)內(nèi)側(cè)與電池外殼(1)和外電極(3)與電池外殼(1)之間設(shè)置上下貫通的空氣室，內(nèi)電極(4)與外電極(3)之間設(shè)置凝膠流動相室(11)，凝膠流動相的制備成分(以重量計)如下C2H5OH 5～75％H2SO4 10～40％H2O10～40％混合酸 2～10％導(dǎo)電聚合物和/或金屬粉末1～10％金屬有機化合物或金屬鹽 1～20％。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的凝膠流動相方形直接乙醇燃料電池組，其特征是內(nèi)、外電極 均為熱壓式膜電極，由多孔鈦板(5)、陽極催化劑(6)、凝膠流動相(7)、陰極催化劑(8)、 擴散層(9)和多孔鈦板(5)依次復(fù)合而成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方形直接乙醇燃料電池組，其特征是電池外殼(1)為塑料、 不銹鋼或純鈦材料。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方形直接乙醇燃料電池組，其特征是內(nèi)電極(4)內(nèi)側(cè)的貫 通空氣室截面為方形。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的凝膠流動相方形直接乙醇燃料電池組，其特征是混合酸是全氟磺酸、磷鎢酸、磷鉬酸、硅鎢酸或磷錫酸。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的凝膠流動相方形直接乙醇燃料電池組，其特征是導(dǎo)電聚合物是聚苯胺或聚吡咯，金屬粉末是Ag、 Au或Cu粉末。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的凝膠流動相方形直接乙醇燃料電池組，其特征是金屬有機化合物是鈦酸酯類或硅酸酯類，金屬鹽是硅酸鈉。
8、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的凝膠流動相方形直接乙醇燃料電池組，其特征是擴散層(9)由多孔碳纖維紙或碳纖維布組成。
全文摘要
一種凝膠流動相方形直接乙醇燃料電池組，涉及燃料電池領(lǐng)域，其特征是包括電池外殼，內(nèi)外電極，外殼內(nèi)設(shè)置外電極，外電極與外殼通過焊接點呈線接觸式連接，在內(nèi)電極內(nèi)側(cè)與外殼和外電極與外殼之間設(shè)置上下貫通的空氣室，內(nèi)、外電池之間設(shè)置凝膠流動相室。本發(fā)明以具有較高導(dǎo)質(zhì)子、電子能力的凝膠(Gel)流動相取代目前普遍使用的硫酸、乙醇液相電解質(zhì)流動相，可以徹底解決乙醇滲透的問題，降低其對DEFC陰極和陽極電催化劑的毒化，可以提高DEFC的性能；同時由于Gel流動相具有較高的導(dǎo)質(zhì)子和電子能力，起到了質(zhì)子交換膜的作用。
文檔編號H01M8/24GK101369669SQ200810156930
公開日2009年2月18日 申請日期2008年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月12日
發(fā)明者倪紅軍, 東 湯, 羅福強 申請人:江蘇大學(xué)