基于聚合物雙極端板的層疊式被動(dòng)直接甲醇燃料電池組的制作方法
【專利摘要】一種基于聚合物雙極端板的層疊式被動(dòng)直接甲醇燃料電池組，包括聚合物單極端板、聚合物雙極端板、金屬集電極和膜電極，金屬集電極為由兩個(gè)平行相對(duì)設(shè)置的集電極連接而成的一體結(jié)構(gòu)；聚合物雙極端板采用陰極與陽(yáng)極進(jìn)料通道一體結(jié)構(gòu)，其陽(yáng)極側(cè)中心設(shè)置有儲(chǔ)液腔，上方設(shè)置注入甲醇溶液的注液孔，注液孔與儲(chǔ)液腔相連通；陰極側(cè)設(shè)置有氣體進(jìn)料溝槽；聚合物雙極端板的表面設(shè)置有金屬集電極固定槽，金屬集電極置于金屬集電極固定槽中，電池組依靠金屬集電極之間的連接形成串聯(lián)電池組；串聯(lián)電池組最外端兩側(cè)分別為對(duì)應(yīng)聚合物雙極端板陰陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的聚合物單極端板。本發(fā)明解決了被動(dòng)式直接甲醇燃料電池組無(wú)法多節(jié)集成以及聚合物鍍膜雙極板功率較低的問(wèn)題。
【專利說(shuō)明】基于聚合物雙極端板的層疊式被動(dòng)直接甲醇燃料電池組
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種直接甲醇燃料電池，具體涉及一種層疊式被動(dòng)直接甲醇燃料電池組。
【背景技術(shù)】
[0002]直接甲醇燃料電池(DMFC)作為一種微型便攜式能源，較高的比能量和能量轉(zhuǎn)化效率是其吸引人們的主要優(yōu)勢(shì)。同時(shí)固定的外部結(jié)構(gòu)和可隨時(shí)填充的液體燃料，也為用戶提供了便利條件，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)時(shí)間短，操作也很方便。相對(duì)于主動(dòng)式直接甲醇燃料電池，被動(dòng)式直接甲醇燃料電池不需要如泵、風(fēng)扇等有源的輔助設(shè)備供給燃料，直接利用擴(kuò)散和自然對(duì)流等原理對(duì)電池進(jìn)行燃料供給，不但大大降低了電池系統(tǒng)的復(fù)雜性，有利于集成應(yīng)用，而且減少了寄生能量損失，提高了電池系統(tǒng)的能量密度。目前的被動(dòng)式直接甲醇燃料電池組多為平面型結(jié)構(gòu)，由6節(jié)或少于6節(jié)單池集成，該結(jié)構(gòu)對(duì)于多節(jié)(大于10)的集成會(huì)受到使用空間的限制，集成度較低。并且傳統(tǒng)的聚合物鍍膜雙極板導(dǎo)電性差，難以滿足高功率輸出的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種基于聚合物雙極端板的層疊型被動(dòng)式直接甲醇燃料電池組，解決被動(dòng)式直接甲醇燃料電池組無(wú)法多節(jié)集成以及聚合物鍍膜雙極板功率較低的問(wèn)題。
[0004]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種基于聚合物雙極端板的層疊型被動(dòng)式直接甲醇燃料電池組，包括2個(gè)聚合物單極端板、I個(gè)或I個(gè)以上聚合物雙極端板、金屬集電極、膠墊和膜電極。所述的金屬集電極用于電子的收集，由兩個(gè)平行相對(duì)設(shè)置的集電極連接而成，金屬集電極采用一體結(jié)構(gòu)，使得每節(jié)單池間串聯(lián)連接，減少連接電阻。所述的聚合物雙極端板采用陰極與陽(yáng)極進(jìn)料通道一體結(jié)構(gòu)，其陽(yáng)極側(cè)中心設(shè)置有正方形凹槽(即儲(chǔ)液腔)，用于儲(chǔ)存甲醇水溶液，上方設(shè)置注入甲醇溶液的通孔(即注液孔)，注液孔與儲(chǔ)液腔相連通，甲醇燃料通過(guò)注液孔進(jìn)入儲(chǔ)液腔中；陰極側(cè)設(shè)置有氣體進(jìn)料溝槽(即氣體溝道)，用于獲取反應(yīng)氣體，氣體通過(guò)自由擴(kuò)散作用進(jìn)入氣體溝道，為陰極供給氧氣；聚合物雙極端板的表面設(shè)置有金屬集電極固定槽，金屬集電極置于金屬集電極固定槽中，當(dāng)聚合物雙極端板為I個(gè)以上時(shí)，將膜電極置于相鄰兩組金屬集電極的陰陽(yáng)極之間，這樣電池組依靠金屬集電極之間的連接形成串聯(lián)。金屬集電極與膜電極之間、膜電極與聚合物單極端板之間夾有密封墊圈，用以防止甲醇溶液泄漏。串聯(lián)電池組最外端兩側(cè)分別為對(duì)應(yīng)聚合物雙極端板陰陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的單極端板，兩者之間設(shè)置有膜電極，整個(gè)電池組使用螺絲擰緊固定。
[0005]本發(fā)明中，所述的聚合物基雙極端板結(jié)構(gòu)相同，集成陽(yáng)極儲(chǔ)液腔與陰極氣體溝道于一體，并集成有集電極固定槽。
[0006]本發(fā)明中，所述的聚合物基單極端板包括陽(yáng)極單極端板和陰極單極端板，陽(yáng)極單極端板對(duì)應(yīng)聚合物雙極端板的陽(yáng)極側(cè)儲(chǔ)液腔結(jié)構(gòu)，陰極單極端板對(duì)應(yīng)聚合物雙極端板的陰極側(cè)進(jìn)氣溝道結(jié)構(gòu)。
[0007]本發(fā)明中，所述的聚合物雙極端板和單極端板均為聚合物材料，由聚合物材料采用機(jī)械加工方法加工制成或直接注塑成型，包括有機(jī)玻璃、ABS或工程塑料等。
[0008]本發(fā)明中，所述的金屬集電極為不銹鋼材料，不銹鋼上打有多個(gè)進(jìn)料孔以傳遞反應(yīng)物，孔的形狀為圓形、方形或條形。
[0009]本發(fā)明中，所述的金屬集電極表面進(jìn)行濺射或化學(xué)鍍處理形成AiuPt或TiN涂層，以防止電化學(xué)腐蝕，提高導(dǎo)電性及耐腐蝕性。
[0010]本發(fā)明中，所述的膜電極是MEA膜。
[0011]本發(fā)明中，所述的金屬集電極的多孔結(jié)構(gòu)的有效面積與膜電極的有效面積相等。
[0012]本發(fā)明中，所述的聚合物雙極端板陽(yáng)極側(cè)的正方形凹槽的有效面積與膜電極的有效面積相同。
[0013]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、該電池組具有結(jié)構(gòu)新穎、重量輕、安裝簡(jiǎn)單、材料成本低、易加工、機(jī)械強(qiáng)度較高等優(yōu)點(diǎn)，適用于便攜式電源應(yīng)用。
[0014]2、層疊式的組裝設(shè)計(jì)，使得本電池組所占的體積較小，當(dāng)節(jié)數(shù)較多的電池串聯(lián)時(shí)本結(jié)構(gòu)仍然適用。
[0015]3、集電極的采用解決了傳統(tǒng)聚合物雙極板鍍金屬膜導(dǎo)電性不好、輸出性能低的問(wèn)題。
[0016]4、集電極的一體化也使得電池組整體的內(nèi)阻較低，有效的減少功率損失。
[0017]5、該電池組采用全被動(dòng)式進(jìn)液方式，可以大大減小電池組系統(tǒng)的體積，不需要外接電源及輔助設(shè)備，具有快速啟動(dòng)和較高功率輸出效性，是一種有效的便攜式電源。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是聚合物雙極板陽(yáng)極側(cè)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是聚合物雙極板剖視圖；
圖3是聚合物雙極板陰極側(cè)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是集電極結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6是本發(fā)明電池組組裝后效果圖。
[0019]其中，1-聚合物雙極端板；2_金屬集電極；3_密封墊圈；4_膜電極；5_聚合物單極端板；6_儲(chǔ)液腔，7-注液孔，8-氣體進(jìn)料溝槽，9-通孔；10-集電極。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明，但并不局限于此，凡是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0021]如圖1-圖3所示，聚合物雙極端板I的一側(cè)為陽(yáng)極，另一側(cè)為陰極，聚合物雙極端板I是由聚合物材料經(jīng)機(jī)械加工方法或直接注塑成型制成，從而達(dá)到所需雙極板結(jié)構(gòu)。聚合物雙極端板I陽(yáng)極側(cè)有一個(gè)正方形凹槽，即為儲(chǔ)液腔6，用于儲(chǔ)存燃料。同時(shí)，在陽(yáng)極側(cè)上方還有一個(gè)通孔，即為注液孔7，用于向儲(chǔ)液腔內(nèi)注入甲醇溶液。聚合物雙極端板I陰極側(cè)為氣體進(jìn)料溝槽8，用于電池獲取足夠的反應(yīng)氣體。
[0022]如圖4和圖5所示，聚合物雙極端板I的陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)均與金屬集電極2相連，聚合物雙極端板I兩側(cè)的金屬集電極2采用一體結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)平行相對(duì)設(shè)置的集電極連接而成，金屬集電極2上采用激光切割或化學(xué)腐蝕加工有多個(gè)進(jìn)料通孔9，通過(guò)在表面濺射Au或TiN涂層以提高導(dǎo)電性及耐腐蝕性。金屬集電極2與膜電極4之間夾有密封墊圈3，用以防止甲醇溶液的泄露，聚合物雙極端板I陽(yáng)極側(cè)的儲(chǔ)液腔6的有效面積與膜電極4的有效面積相同。
[0023]如圖5所示，將金屬集電極2與聚合物雙極端板I結(jié)合，金屬集電極2中的兩個(gè)平行相對(duì)設(shè)置的集電極10，其中的一個(gè)集電極10作為前一節(jié)電池的陰極，另一個(gè)集電極10作為后一節(jié)電池的陽(yáng)極，該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)前后兩節(jié)單池之間的串聯(lián)。以上述形式將多個(gè)金屬集電極2分別與聚合物雙極端板I結(jié)合，各組成部分依次層疊放置、串聯(lián)連接，電池組外側(cè)分別為對(duì)應(yīng)的陰陽(yáng)極單端極板5結(jié)構(gòu)，并用螺絲螺帽將整個(gè)電池組擰緊固定。
[0024]如圖6所示即為組裝完成的電池組整體示意圖，其特征在于整個(gè)電池組由金屬集電極2實(shí)現(xiàn)各節(jié)電池之間的串聯(lián)，有效的減少連接電阻，減小功率損失。
【權(quán)利要求】
1.一種基于聚合物雙極端板的層疊式被動(dòng)直接甲醇燃料電池組，包括聚合物陽(yáng)極單極端板、聚合物陰極單極端板、I個(gè)或I個(gè)以上聚合物雙極端板、金屬集電極和膜電極，其特征在于: 所述的金屬集電極為由兩個(gè)平行相對(duì)設(shè)置的集電極連接而成的一體結(jié)構(gòu)； 所述的聚合物雙極端板采用陰極與陽(yáng)極進(jìn)料通道一體結(jié)構(gòu)，其陽(yáng)極側(cè)中心設(shè)置有儲(chǔ)液腔，上方設(shè)置注入甲醇溶液的注液孔，注液孔與儲(chǔ)液腔相連通；陰極側(cè)設(shè)置有氣體進(jìn)料溝槽；聚合物雙極端板的表面設(shè)置有金屬集電極固定槽，金屬集電極置于金屬集電極固定槽中，電池組依靠金屬集電極之間的連接形成串聯(lián)電池組； 所述的串聯(lián)電池組最外端兩側(cè)分別為對(duì)應(yīng)聚合物雙極端板陰陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的聚合物陽(yáng)極單極端板、聚合物陰極單極端板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚合物雙極端板的層疊式被動(dòng)直接甲醇燃料電池組，其特征在于所述儲(chǔ)液腔為正方形凹槽。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚合物雙極端板的層疊式被動(dòng)直接甲醇燃料電池組，其特征在于所述聚合物雙極端板為I個(gè)以上時(shí)，相鄰兩組金屬集電極的陰陽(yáng)極之間設(shè)置有膜電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚合物雙極端板的層疊式被動(dòng)直接甲醇燃料電池組，其特征在于所述金屬集電極與膜電極之間、膜電極與聚合物陽(yáng)極單極端板、聚合物陰極單極端板之間夾有密封墊圈。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚合物雙極端板的層疊式被動(dòng)直接甲醇燃料電池組，其特征在于所述聚合物雙極端板、聚合物陽(yáng)極單極端板、聚合物陰極單極端板均為聚合物材料，由聚合物材料采用機(jī)械加工方法加工制成或直接注塑成型。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚合物雙極端板的層疊式被動(dòng)直接甲醇燃料電池組，其特征在于所述金屬集電極為不銹鋼材料，不銹鋼上打有多個(gè)進(jìn)料孔，孔的形狀為圓形、方形或條形。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚合物雙極端板的層疊式被動(dòng)直接甲醇燃料電池組，其特征在于所述金屬集電極表面進(jìn)行濺射或化學(xué)鍍處理形成Au、Pt或TiN涂層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、3或4所述的基于聚合物雙極端板的層疊式被動(dòng)直接甲醇燃料電池組，其特征在于所述膜電極是MEA膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、6或7所述的基于聚合物雙極端板的層疊式被動(dòng)直接甲醇燃料電池組，其特征在于所述金屬集電極的多孔結(jié)構(gòu)的有效面積與膜電極的有效面積相等。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或5所述的基于聚合物雙極端板的層疊式被動(dòng)直接甲醇燃料電池組，其特征在于所述聚合物雙極端板陽(yáng)極側(cè)的正方形凹槽的有效面積與膜電極的有效面積相同。
【文檔編號(hào)】H01M8/02GK103928698SQ201410170076
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】張宇峰, 郭超, 張雪林, 劉曉為 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)