專利名稱：一種采用純甲醇進(jìn)料方式的被動式直接甲醇燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電化學(xué)燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種采用純甲醇進(jìn)料方式的被動 式直接甲醇燃料電池。
背景技術(shù)：
直接甲醇燃料電池具有結(jié)構(gòu)相對簡單、室溫工作、燃料易于運(yùn)輸和存儲、系統(tǒng)體積 比能量高的優(yōu)點(diǎn)，特別適合作為可移動電源和便攜式電源，在通信、交通和國防等領(lǐng)域有著 廣泛的應(yīng)用前景，成為近十年來國內(nèi)外各科研機(jī)構(gòu)、各大公司研發(fā)的熱點(diǎn)。被動式直接甲醇燃料電池是把液體甲醇直接加入電池內(nèi)部的儲料室，在陽極和儲 料室間形成一定濃度梯度，使甲醇擴(kuò)散到陽極上；電池陰極直接暴露在自然空氣中，空氣中 的氧氣通過濃差擴(kuò)散和空氣對流等擴(kuò)散傳遞形式到達(dá)陰極催化層進(jìn)行電化學(xué)還原反應(yīng)。被 動式直接甲醇燃料電池除了具有常規(guī)燃料電池的優(yōu)點(diǎn)外，它還取消了消耗電池系統(tǒng)內(nèi)能的 燃料和氧化劑的供給和循環(huán)輔助裝置，從而降低了電池本身能量消耗和生產(chǎn)成本，簡化了 燃料電池結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，使電池系統(tǒng)的重量和體積能夠順利實(shí)現(xiàn)微型化和商業(yè)化。同時，與先進(jìn) 加工技術(shù)和先進(jìn)材料相結(jié)合，可以大大促進(jìn)燃料電池的微型化。正是由于被動式DMFC的這 些特點(diǎn)，它將替代傳統(tǒng)電池成為低功率便攜式電子產(chǎn)品的電源，可以說是有希望最先實(shí)現(xiàn) 產(chǎn)業(yè)化和實(shí)際應(yīng)用的新型清潔能源，這將形成新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，市場前景非?？捎^。甲醇是一種可再生資源，來源豐富，價格便宜，理論比能量達(dá)到目前性能最好的 鋰離子電池的數(shù)倍以上。但是，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)如果使用低濃度甲醇，如低于5M甲醇溶液則 難有如上所說的優(yōu)點(diǎn)，只有使用高濃度甲醇如IOM以上到純甲醇才具有較高的應(yīng)用前 景。研究者們對采用高濃度甲醇進(jìn)料方式的燃料電池進(jìn)行了研究，目前主要還是停留在 實(shí)驗(yàn)室階段。如 Abdelkareem 等人(M. Ali Abdelkareem, N. Nakagawa, J. Power Sources 162(2006) 114.)采用了多孔碳板來增加陽極甲醇的傳質(zhì)阻力，由于多孔碳板低的孔隙率， 導(dǎo)致高濃度的甲醇溶液只能以一定的速率擴(kuò)散到陽極表面，而陽極表面處的甲醇濃度則 保持較低的水平，從而獲得較為穩(wěn)定的電能輸出。Kim等人則使用一種水凝膠來控制甲醇 從燃料貯槽到陽極的擴(kuò)散速度(W. J. Kim, H. G. Choi, Y. K. Lee, et al.，J. Power Sources 163(2006)98)。也有采用疏水多孔層來控制甲醇的透過阻力(Y. Yang, Y. C. Liang, J. Power Sources 165 (2007) 185)，還有采用一微管將高濃度甲醇溶液以一定速度輸送到膜電極陽 極側(cè)的低濃度甲醇溶液區(qū)，只要輸送的甲醇正好能夠與膜電極消耗的甲醇相抵消，電池系 統(tǒng)就可以穩(wěn)定地工作。盡管這些方式有的在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)高濃度進(jìn)料，但是其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，增 加了電池組裝的難度和成本，可靠性需要進(jìn)一步改進(jìn)，在實(shí)現(xiàn)方式上也有不足之處。因此， 為了提高甲醇燃料電池的工作能力，真正將其高的比能量表現(xiàn)出來，必須采用高濃度的甲 醇乃至純甲醇進(jìn)料。發(fā)明內(nèi)容為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，本實(shí)用新型提出了一種采用純甲醇進(jìn)料方式的被動式 直接甲醇燃料電池。首先介紹甲醇燃料電池的工作原理，直接甲醇燃料的電極和電池反應(yīng) 如下陽極反應(yīng)為CH3OH的電化學(xué)氧化CH30H+H20 — C02+6H++6e" φ° = 0.046V陰極反應(yīng)為氧的電化學(xué)還原3/202+6H++6e" — 3Η20 φ0 = 1.229V電池總反應(yīng)為甲醇的完全氧化CH30H+3/202 — C02+2H20 E0 = 1. 183V從上述反應(yīng)可以看出來電池工作時，在陽極甲醇發(fā)生氧化反應(yīng)要消耗水，而在陰 極的氧還原反應(yīng)會產(chǎn)生水；而總反應(yīng)會在陰極側(cè)多生產(chǎn)出一些水。如果膜電極具有一定的 返水能力，則從陰極產(chǎn)生的水返回到陽極就能滿足電池的正常工作。本實(shí)用新型要求電池 的膜電極具有一定的返水能力。如圖1所示，一種采用純甲醇進(jìn)料方式的被動式直接甲醇燃料電池的構(gòu)成包括純 甲醇貯存腔1、滲透膜3、甲醇緩沖區(qū)4 ；電池單元由電池陽極極板6、三合一膜電極7和陰極 極板8，用螺釘和螺母通過各組元的四個角上的孔9把所有的組元進(jìn)行固定組成電池；純甲 醇貯存腔1和甲醇緩沖區(qū)4作為電池殼體，為高分子聚乙烯、聚碳酸酯、有機(jī)玻璃、聚丙烯或 聚苯乙烯；所采用的材料耐液體燃料甲醇腐蝕，沒有污染；在純甲醇貯存腔1上部有進(jìn)料口 2，用以注入純甲醇，裝入純甲醇后，將該進(jìn)料口 2 封死，以防止純甲醇揮發(fā)出來，浪費(fèi)燃料及污染環(huán)境；在甲醇緩沖區(qū)4上有用以排出電池工 作時產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w的孔狀氣體出口 5 ；所述的滲透膜3位于純甲醇貯存腔1和甲醇緩沖區(qū)4之間；所述的滲透膜3為微 孔濾膜、超濾膜或滲透汽化膜，該膜能讓甲醇緩慢的擴(kuò)散到電極表面，以氣體形式或液膜形 式吸附到三合一膜電極7陽極電極表面進(jìn)行反應(yīng)；通過調(diào)節(jié)該膜的面積可以控制甲醇的透 過的速度，從而可以補(bǔ)充電池工作時消耗的甲醇燃料；所述的電池單元的單電池的陽極極板6和陰極極板8材料為石墨板、鍍金的不銹 鋼板或鍍鉬金的鈦板，其厚度為l_4mm ；所述的陽極極板6和陰極極板8采用的流場為平行 流場或孔狀的點(diǎn)狀流場；如圖2所示，所述的電池單元的單電池的三合一膜電極7由中間的質(zhì)子交換膜 7-1,陽極催化層7-2，陽極擴(kuò)散層7-4，陰極催化層7-3和陰極擴(kuò)散層7-5組成；所述的中間的質(zhì)子交換膜為全氟磺酸質(zhì)子交換膜；陽極擴(kuò)散層7-4為5%-15%質(zhì) 量分?jǐn)?shù)聚四氟乙烯乳液處理的碳紙或碳布；陰極擴(kuò)散層7-5為15% -40%質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚四氟 乙烯乳液處理的碳紙或碳布；陽極催化層7-2為PtRu黑或PtRu/C電催化劑；陰極催化層 7-3為Pt黑或Pt/C電催化劑；所述的電池單元是單電池或電池組；具體的來說單電池是只有一個陰極板、陽極板和一個膜電極組成的電池；而電池組是由二個或二個以上的多個單電池元組成，各個單 電池之間不接觸，通過導(dǎo)線依次將各單電池的正、負(fù)極串聯(lián)起來組成電池組，圖1給出的電 池單元為單電池。[0021]電池工作時，會在陰極側(cè)多生產(chǎn)出一些水，因此，所述的三合一膜電極7要求具有 一定的返水能力，即電池工作時陰極產(chǎn)生的水能有20% -90%返回到陽極，以供甲醇氧化 反應(yīng)所需要的水。有益效果本實(shí)用新型提出的一種采用純甲醇進(jìn)料方式的被動式自呼吸直接甲 醇燃料電池，可以成功的實(shí)現(xiàn)純甲醇進(jìn)料，能極大提高燃料電池的工作時間，提供更高的能 量，為滿足商業(yè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。采用本實(shí)用新型提供的電池結(jié)構(gòu)，在工作時由于純甲醇進(jìn) 料口已經(jīng)封死，出氣口位于甲醇緩沖區(qū)，而在甲醇緩沖區(qū)，燃料以氣體形式或液膜形式吸附 到三合一膜電極陽極電極表面進(jìn)行反應(yīng)，不存在燃料泄漏問題，電池可以任意方向放置，而 傳統(tǒng)被動式燃料電池由于進(jìn)料口和出氣口均位于燃料貯存腔，電池只能朝一個方向放置， 否則會導(dǎo)致燃料泄漏。只要采用特殊的滲透膜可以很容易的控制電池中甲醇的傳輸以補(bǔ)充 電池工作時消耗的量，而不需要外加蠕動泵和甲醇傳感器來控制燃料的補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)方式上 更為簡便，操作難度更低。采用本實(shí)用新型的電池結(jié)構(gòu)，雖然對膜電極返水能力有一定的要 求，但是這種返水能力目前已經(jīng)可以做到，不會成為制約本實(shí)用新型應(yīng)用的因素。該電池 組裝簡單，性能可靠，與采用甲醇溶液作燃料的電池相比，同樣條件下工作時間能提高6-7 倍，因此，在甲醇燃料電池商業(yè)應(yīng)用方面具有一定的使用價值。
圖1是本實(shí)用新型的純甲醇進(jìn)料方式的被動式直接甲醇燃料 電池結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型的純甲醇進(jìn)料方式的被動式直接甲醇燃料電池的單電池的三 合一膜電極7結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是采用本實(shí)用新型實(shí)施例1的純甲醇進(jìn)料方式的被動式直接甲醇燃料電池在 IOOmA放電時的工作曲線圖。圖4對比例采用低濃度甲醇溶液(3M)電池在IOOmA放電時工作曲線圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1如圖1所示，一種采用純甲醇進(jìn)料方式的被動式直接甲醇燃料電池的構(gòu)成包括純 甲醇貯存腔1、滲透膜3、甲醇緩沖區(qū)4 ；電池單元由電池陽極極板6、三合一膜電極7和陰極 極板8，用螺釘和螺母通過各組元的四個角上的孔9把所有的組元進(jìn)行固定組成電池；純甲 醇貯存腔1和甲醇緩沖區(qū)4作為電池殼體，為高分子聚乙烯、聚碳酸酯、有機(jī)玻璃、聚丙烯或 聚苯乙烯；所采用的材料耐液體燃料甲醇腐蝕，沒有污染；在純甲醇貯存腔1上部有進(jìn)料口 2，用以注入純甲醇，裝入純甲醇后，將該進(jìn)料口 2 封死，以防止純甲醇揮發(fā)出來，浪費(fèi)燃料及污染環(huán)境；在甲醇緩沖區(qū)4上有用以排出電池工 作時產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w的孔狀氣體出口 5 ；所述的滲透膜3位于純甲醇貯存腔1和甲醇緩沖區(qū)4之間；所述的滲透膜3為微 孔濾膜、超濾膜或滲透汽化膜，該膜能讓甲醇緩慢的擴(kuò)散到電極表面，以氣體形式或液膜形 式吸附到三合一膜電極7陽極電極表面進(jìn)行反應(yīng)；通過調(diào)節(jié)該膜的面積可以控制甲醇的透 過的速度，從而可以補(bǔ)充電池工作時消耗的甲醇燃料；所述的所述的電池單元的單電池的陽極極板6和陰極極板8材料為石墨板、鍍金 的不銹鋼板或鍍鉬金的鈦板，其厚度為l_4mm ；所述的陽極極板6和陰極極板8采用的流場為平行流場或孔狀的點(diǎn)狀流場；如圖2所示，所述的電池單元的單電池的三合一膜電極7由中間的質(zhì)子交換膜 7-1,陽極催化層7-2，陽極擴(kuò)散層7-4，陰極催化層7-3和陰極擴(kuò)散層7-5組成；所述的中間的 質(zhì)子交換膜為全氟磺酸質(zhì)子交換膜；陽極擴(kuò)散層7-4為5% -15%質(zhì) 量分?jǐn)?shù)聚四氟乙烯乳液處理的碳紙或碳布；陰極擴(kuò)散層7-5為15% -40%質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚四氟 乙烯乳液處理的碳紙或碳布；陽極催化層7-2為PtRu黑或PtRu/C電催化劑；陰極催化層 7-3為Pt黑或Pt/C電催化劑；所述的電池單元是單電池或電池組；具體的來說單電池是只有一個陰極板、陽極 板和一個膜電極組成的電池；而電池組是由二個或二個以上的多個單電池元組成，各個單 電池之間不接觸，通過導(dǎo)線依次將各單電池的正、負(fù)極串聯(lián)起來組成電池組，圖1給出的電 池單元為單電池。電池工作時，會在陰極側(cè)多生產(chǎn)出一些水，因此，所述的三合一膜電極7要求具有 一定的返水能力，即電池工作時陰極產(chǎn)生的水能有20% -90%返回到陽極，以供甲醇氧化 反應(yīng)所需要的水。所述的純甲醇貯存腔的有效尺寸為3CmX3CmXlCm，甲醇緩沖區(qū)的有效尺寸為 3cmX3cmX0. 3cm ；滲透膜采用滲透汽化膜，其有效面積尺寸為3cmX3cm ；在純甲醇貯存腔 上部有進(jìn)料口，用以注入純甲醇，裝入純甲醇后，將該進(jìn)料口用硅膠帶封死，以防止純甲醇 揮發(fā)出來，浪費(fèi)燃料及污染環(huán)境；在甲醇緩沖區(qū)上有個微小的孔狀氣體出口，用以排出電 池工作時產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w。三合一膜電極有效尺寸為3cmX3cm ；陽極側(cè)電極、陰極側(cè) 電極均分為催化層和擴(kuò)散層兩部分，擴(kuò)散層均為碳紙，其中，陽極聚四氟乙烯乳液質(zhì)量分為 10%，陰極質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%;陽極催化層和陰極催化層分別為商業(yè)用PtRu黑電催化劑和Pt 黑電催化劑，載量均為8mg/cm2。陽極、陰極極板為鍍金不銹鋼片，其中陽極極板上的流場為 平行流場，陰極極板上的流場為孔狀的點(diǎn)狀流場。如圖3所示該電池在IOOmA放電時的工作曲線圖，工作時間大約為45個小時遠(yuǎn)大 于對比實(shí)例的工作時間。對比例1在對比測式中，電池結(jié)構(gòu)去掉了滲透膜和甲醇緩沖腔，作為傳統(tǒng)電池用， 其它與實(shí)施例1相同。其中，甲醇貯存腔全部采用濃度為3mol/L甲醇溶液，該濃度為自呼 吸直接甲醇燃料電池常用濃度，在IOOmA放電時，電池工作曲線如圖4所示，工作時間約為 7. 5個小時。
權(quán)利要求一種采用純甲醇進(jìn)料方式的被動式直接甲醇燃料電池，其特征在于，該電池為單電池，其構(gòu)成包括純甲醇貯存腔(1)、滲透膜(3)、甲醇緩沖區(qū)(4)；電池單元由電池陽極極板(6)、三合一膜電極(7)和陰極極板(8)，用螺釘和螺母配合通過各組元的四個角上的孔(9)把所有的組元進(jìn)行固定組成電池；純甲醇貯存腔(1)和甲醇緩沖區(qū)(4)作為電池殼體；在純甲醇貯存腔(1)上部有進(jìn)料口(2)；在甲醇緩沖區(qū)(4)上有用以排出電池工作時產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w的孔狀氣體出口(5)；所述的滲透膜(3)位于純甲醇貯存腔(1)和甲醇緩沖區(qū)(4)之間；所述的電池單元的單電池的陽極極板(6)和陰極極板(8)，其厚度為1-4mm；所述的陽極極板(6)和陰極極板(8)采用的流場為平行流場或孔狀的點(diǎn)狀流場；所述的電池單元的單電池的三合一膜電極(7)由中間的質(zhì)子交換膜(7-1)，陽極催化層(7-2)，陽極擴(kuò)散層(7-4)，陰極催化層(7-3)和陰極擴(kuò)散層(7-5)組成。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種采用純甲醇進(jìn)料方式的被動式自呼吸直接甲醇燃料電池。該電池構(gòu)成包括純甲醇貯存腔，甲醇緩沖區(qū)和電池工作單元。在純甲醇貯存腔和甲醇緩沖腔之間采用一種特殊的滲透膜來控制甲醇的傳遞，實(shí)現(xiàn)純甲醇進(jìn)料，以滿足甲醇燃料電池的長效工作能力。該電池可以成功的實(shí)現(xiàn)純甲醇進(jìn)料，能極大提高燃料電池的工作時間，提供更高的能量密度。只要通過控制這種膜的面積來控制甲醇的傳遞速度，可以很容易的補(bǔ)充電池工作時消耗甲醇的量，而不需要外加蠕動泵和甲醇傳感器來控制燃料的補(bǔ)充。在甲醇緩沖腔，甲醇燃料以蒸汽形式或液膜形式吸附在電極表面進(jìn)行反應(yīng)，電池可以多個方向放置，而傳統(tǒng)被動式燃料電池由于進(jìn)料口和出氣口均位于燃料貯存腔，電池只能朝一個方向放置，否則會導(dǎo)致燃料泄漏。該電池組裝簡單，性能可靠，極大的提高了電池的工作時間，具有一定的使用價值。
文檔編號H01M8/04GK201570541SQ20092009392
公開日2010年9月1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)明者馮立綱, 劉長鵬, 梁亮, 邢巍 申請人:中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所