专利名称：一种自呼吸式直接醇类燃料电池的装配方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池技术领域，更具体地说，涉及一种自呼吸式直接醇类燃料电池的装配方法。
背景技术：
燃料电池是通过电化学反应将化学能直接转化为电能的一种装置。1839年，Gove 首次提出了燃料电池的概念，近年来，燃料电池作为一种高效无污染的能量转换装置得到了越来越多的关注。由于氢氧燃料电池存在安全方面的问题，因此，采用甲醇、甲酸等液体燃料的燃料电池得到发展。与气体燃料相比，液体燃料易于存储和运输，具有较高的能量转换效率，是环境友好的绿色能源。自呼吸式直接醇类燃料电池采用质子交换膜作为电解质，直接采用甲醇、乙醇等低碳醇作为燃料，将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转换为电能。该燃料电池将阴极直接暴露在自然空气中，空气中的氧气通过浓度差扩散和空气对流等扩散传递形式达到阴极催化层进行电化学还原反应，无需甲醇蠕动泵、空气泵等电池辅助设备以及加热系统，从而降低了电池本身的能量消耗和生产成本，简化了燃料电池结构系统，使电池系统的重量和体积实现了微型化。自呼吸式直接醇类燃料电池具有能量转化率高、环境友好、发电系统简单、能量密度高、方便灵活等优点，在小型便携式移动电源和传感器领域具有广阔的应用前景。密封性能是影响自呼吸式直接醇类燃料电池的重要性能，传统装配方法一般采用密封胶密封，具体为使用密封胶密封时，在两个电极间涂一层密封胶，避免各个电极间相互接触。但是，由于密封胶中含有有机溶剂，这样，质子交换膜不可避免的会受到一定程度的污染，对电池的性能和寿命都会产生很大的影响。其次，由于密封胶固化需要一定时间， 不能立刻检验自呼吸式直接醇类燃料电池的密封效果，增加了装配时间。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种自呼吸式直接醇类燃料电池的装配方法，该方法的密封效果好，不会对质子交换膜产生污染。为了解决以上技术问题，本发明提供一种自呼吸式直接醇类燃料电池的装配方法，包括以下步骤提供阴极极板和阳极极板，所述阴极极板的侧面和所述阳极极板的侧面分别设置有U型槽，所述阳极极板的上表面设置有与所述阴极极板相匹配的第一凹槽；将第一密封圈和第二密封圈分别套在所述阴极极板的U型槽和所述阳极极板的U 型槽内；将阳极集流网、膜电极复合体、阴极集流网和所述套有第一密封圈的阴极极板置于所述第一凹槽内，压紧后形成复合极板；提供具有第二凹槽的燃料储存腔，所述第二凹槽与所述复合极板相匹配，将所述复合极板置于所述第二凹槽内，压紧后形成自呼吸式直接醇类燃料电池。优选的，所述阴极极板和阳极极板的材质各自独立为金属材料、石墨材料或聚酰亚胺。优选的，所述第一密封圈和第二密封圈各自独立为全氟硅胶密封圈。优选的，所述阳极集流网和所述阴极集流网各自独立为镀金不锈钢网、镀金钛网、 镀钯不锈钢网或镀钯钛网。优选的，所述膜电极复合体的质子交换膜为全氟磺酸质子交换膜。优选的，所述膜电极复合体的阴极侧电极包括阴极催化层和阴极扩散层。优选的，所述阴极催化层为钼黑电催化剂或碳载钼电催化剂。优选的，所述膜电极复合体的阳极侧电极包括阳极催化层和阳极扩散层。优选的，所述阳极催化层为钼钌黑或碳载钼钌电催化剂。优选的，所述阴极扩散层和阳极扩散层各自独立为碳纸或碳布。本发明提供一种自呼吸式直接醇类燃料电池的装配方法，将第一密封圈和第二密封圈分别圈套在与阴极极板的U型槽和阳极极板的U型槽内；将阳极集流网、膜电极复合体、阴极集流网和所述套有第一密封圈的阴极极板置于阳极极板的第一凹槽内，形成复合极板；然后将所述复合极板置于燃料储存腔的第二凹槽内，压紧后形成自呼吸式直接醇类燃料电池。与现有技术相比，该密封圈不含有机溶剂，避免了对质子交换膜的污染，保证了电池的性能和使用寿命。其次，该密封圈的密封效果好，装配工艺简单，可以实现每片膜电极复合体(MEA)都独立装配，各电极间不会互相影响，拆装容易，适合批量生产。再次，本发明采用的固态密封圈在电池装配完成后可以立即检验密封效果，减少了装配时间。
图1为本发明实施例1公开的阴极极板的主视图；图2为本发明实施例1公开的阴极极板的左视图；图3为本发明实施例1公开的阴极极板的俯视图；图4为本发明实施例1公开的第一密封圈的主视图；图5为本发明实施例1公开的三个单电池的阳极极板的主视图；图6为本发明实施例1公开的三个单电池的阳极极板的左视图；图7为本发明实施例1公开的三个单电池的阳极极板的俯视图；图8为本发明实施例1公开的与三个单电池的阳极极板相匹配的第二密封圈的主视图；图9为本发明实施例1公开的两个单电池的阳极极板的主视图；图10为本发明实施例1公开的两个单电池的阳极极板的左视图；图11为本发明实施例1公开的两个单电池的阳极极板的俯视图；图12为本发明实施例1公开的与两个单电池的阳极极板相匹配的第二密封圈的主视图；图13为本发明实施例1制备的燃料电池的主视图；图14为本发明实施例1制备的燃料电池的左视图；图15为本发明实施例1制备的燃料电池的俯视图。
具体实施例方式下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明公开了一种自呼吸式直接醇类燃料电池的装配方法，包括以下步骤提供阴极极板和阳极极板，所述阴极极板的侧面和所述阳极极板的侧面分别设置有U型槽，所述阳极极板的上表面设置有与所述阴极极板相匹配的第一凹槽；将第一密封圈和第二密封圈分别套在所述阴极极板的U型槽和所述阳极极板的U 型槽内；将阳极集流网、膜电极复合体、阴极集流网和所述套有第一密封圈的阴极极板置于所述第一凹槽内，压紧后形成复合极板；提供具有第二凹槽的燃料储存腔，所述第二凹槽与所述复合极板相匹配，将所述复合极板置于所述第二凹槽内，压紧后形成自呼吸式直接醇类燃料电池。直接甲醇燃料电池的工作原理为甲醇水溶液经阳极反应，产生的质子通过质子交换膜迁移到阴极，电子通过外电路传递到阴极，二氧化碳在酸性电解质帮助下从阳极出口排出。在直接甲醇燃料电池的阴极区，氧气或空气经阴极流场板均勻分配后，通过阴极扩散层扩散并进入阴极催化层中(即阴极电化学活性反应区域)，在催化剂的作用下，与从阳极迁移过来的质子发生电化学还原反应生成水，并随反应尾气从阴极出口排出。阴极极板和阳极极板的总重量一般为燃料电池重量的70% 80%，占据生产成本约60%，主要功能为完全隔离并均勻分配电池中的燃料和氧化剂；良好的导电性，收集并传导电流；良好的热导性，有效的冷却电池组；传输生成水、湿气；实现电池组中的单电池的连接。鉴于上述功能方面的考虑，双极板材料及阴极极板材料和阳极极板材料应具有良好的导电性和化学稳定性，以及高机械强度和低渗透性等，本发明采用的阴极极板和阳极极板的材质优选各自独立为金属材料、石墨材料或聚酰亚胺。按照本发明，所述阴极极板的侧面设置有U型槽，所述U型槽呈贯通状态，该U型槽与第一密封圈相匹配，即第一密封圈的长、宽和厚度等分别与U型槽相匹配。然后，将第一密封圈套在所述阴极极板的U型槽内。所述第一密封圈优选采用全氟硅胶密封圈，该全氟硅胶密封圈具有较高的均质性，表面不易渗透、开裂和产生针孔等，具有很好的密封性能。另一方面，本发明采用的阳极基板的上表面设置有与所述阴极极板相匹配的第一凹槽，即第一凹槽的深度与阴极极板的厚度相同，第一凹槽长度和宽度分别与阴极极板的长度和宽度相同。然后，将阳极集流网、膜电极复合体、阴极集流网和所述套有第一密封圈的阴极极板置于所述第一凹槽内，压紧后形成复合极板。对于本发明而言，所述阳极基板上可以设置1个或多个第一凹槽，即1个单电池的阳极基板或多个单电池的阳极基板，从而可以将多个大小相同或不同的阴极极板与阳极基板装配在一起形成复合极板。在制备复合极板的步骤中，本发明采用了不含有机溶剂的密封圈，该密封圈的密封效果好，装配工艺简单，可以实现每片膜电极复合体(MEA)都独立装配，各电极间不会互相影响，拆装容易，装配起来快捷方便，适合批量生产。所述阳极集流网、膜电极复合体和阴极集流网均为自呼吸式直接醇类燃料电池的必要部件，在本发明中，所述阳极集流网和所述阴极集流网各自独立优选为镀金不锈钢网、 镀金钛网、镀钯不锈钢网或镀钯钛网；所述膜电极复合体中的质子交换膜优选为全氟磺酸质子交换膜；所述膜电极复合体的阴极侧电极优选包括阴极催化层和阴极扩散层，所述阴极催化层优选为钼黑或碳载钼电催化剂，所述阴极扩散层优选为碳纸或碳布；所述膜电极复合体的阳极侧电极优选包括阳极催化层和阳极扩散层，所述阳极催化层优选为钼钌黑或碳载钼钌电催化剂，所述阳极扩散层优选为碳纸或碳布。在燃料电池的装配过程中，还包括将第二密封圈套在所述阳极极板的U型槽内的步骤，上述步骤可以在形成复合极板之间完成，也可以在形成复合极板之后完成。以在形成复合极板之前完成为例，将第二密封圈套在所述阳极极板的U型槽内，然后将阳极集流网、 膜电极复合体、阴极集流网和所述套有第一密封圈的阴极极板置于所述第一凹槽内，压紧后形成复合极板。或者，该步骤在形成复合极板之后完成，即在形成复合极板后，将第二密封圈套在所述阳极极板的U型槽内。所述第二密封圈优选采用全氟硅胶密封圈，该全氟硅胶密封圈具有较高的均质性，表面不易渗透、开裂和产生针孔等，具有很好的密封性能。另外，本发明还提供具有第二凹槽的燃料储存腔，所述第二凹槽与所述复合极板相匹配，即第二凹槽的深度与阳极极板的厚度相同，第二凹槽的长度和宽度分别与阳极极板的长度和宽度相同。对于本发明而言，所述燃料储存腔可以设置1个或多个第二凹槽，从而将一个或多个复合极板与所述燃料储存腔装配在一起。本发明采用的第一密封圈和第二密封圈本身具有很好的密封性能；另外，可以通过对第一密封圈和第二密封圈的挤压变形，更好的保证对电池的密封性能。与现有技术相比，本发明采用密封圈对燃料电池进行密封，该密封圈不含有机溶剂，避免了对质子交换膜的污染，保证了电池的性能和使用寿命。其次，该密封圈的密封效果好，装配工艺简单，可以实现每片膜电极复合体(MEA)都独立装配，各电极间不会互相影响，容易拆装，如果有电极出现问题，可以单独进行处理，不会影响到其他电极，大大降低了装配时的工作量，适合批量生产。再次，本发明采用的固态密封圈在电池装配完成后可以立即检验密封效果，减少了装配时间。为了进一步说明本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。实施例1制备由10个单电池组成的自呼吸直接甲醇燃料电池(11.0cmX6. 0cmX4. 0cm)， 采用本发明的方法进行密封，每个单电池尺寸为2. OcmX2. 5cm。如图1、图2和图3，图1为本实施例采用的阴极极板的主视图；图1为阴极极板的左视图；图3为阴极极板的俯视图；图4为第一密封圈的主视图。提供阴极极板1，阴极极板1的侧面设置有U型槽2 ；将第一密封圈3套在阴极极板1的U型槽2内；重复上述步骤，制备十块相同的阴极极板。图5为本实施例采用的三个单电池的阳极极板的主视图；图6为阳极极板的左视图；图7为阳极极板的俯视图；图8为与三个单电池的阳极极板相匹配的第二密封圈的主视图。提供阳极极板5，阴极极板5的侧面设置有U型槽6，阳极极板1的上表面设置有三个与阴极极板1相匹配的第一凹槽4 ；将阳极集流网、膜电极复合体、阴极集流网和三块套有第一密封圈3的阴极极板1 置于第一凹槽4内，压紧后形成复合极板；将第二密封圈7套在复合极板中的阳极极板的U型槽6内。重复上述步骤，制备两块三个单电池的复合极板，将第二密封圈套在复合极板中的阳极极板的U型槽内。图9为本实施例采用的两个单电池的阳极极板的主视图；图10为阳极极板的左视图；图11为阳极极板的俯视图；图12为与两个单电池的阳极极板相匹配的第二密封圈的主视图。提供阳极极板9，阴极极板9的侧面设置有U型槽10，阳极极板9的上表面设置有两个与阴极极板1相匹配的第一凹槽8 ；将阳极集流网、膜电极复合体、阴极集流网和两块套有第一密封圈11的阴极极板 1置于第一凹槽8内，压紧后形成复合极板；将第二密封圈11套在复合极板中的阳极极板的U型槽10内。重复上述步骤，制备两块两个单电池的复合极板，将第二密封圈套在复合极板中的阳极极板的U型槽内。图13为本发明制备的燃料电池的主视图，图14为燃料电池的左视图；图15为燃料电池的俯视图。提供具有四个第二凹槽13、17的燃料储存腔，12、14、18分别代表燃料储存腔腔体；第二凹槽与上述制备的复合极板相匹配；分别将上述制备的三个单电池的复合极板和三个单电池的复合极板，共四块复合极板16置于第二凹槽内，压紧后形成自呼吸式直接醇类燃料电池15。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。 对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
权利要求
1.一种自呼吸式直接醇类燃料电池的装配方法，包括以下步骤提供阴极极板和阳极极板，所述阴极极板的侧面和所述阳极极板的侧面分别设置有U 型槽，所述阳极极板的上表面设置有与所述阴极极板相匹配的第一凹槽；将第一密封圈和第二密封圈分别套在所述阴极极板的U型槽和所述阳极极板的U型槽内；将阳极集流网、膜电极复合体、阴极集流网和所述套有第一密封圈的阴极极板置于所述第一凹槽内，压紧后形成复合极板；提供具有第二凹槽的燃料储存腔，所述第二凹槽与所述复合极板相匹配，将所述复合极板置于所述第二凹槽内，压紧后形成自呼吸式直接醇类燃料电池。
2.根据权利要求1所述的装配方法，其特征在于，所述阴极极板和阳极极板的材质各自独立为金属材料、石墨材料或聚酰亚胺。
3.根据权利要求1所述的装配方法，其特征在于，所述第一密封圈和第二密封圈各自独立为全氟硅胶密封圈。
4.根据权利要求1所述的装配方法，其特征在于，所述阳极集流网和所述阴极集流网各自独立为镀金不锈钢网、镀金钛网、镀钯不锈钢网或镀钯钛网。
5.根据权利要求1所述的装配方法，其特征在于，所述膜电极复合体的质子交换膜为全氟磺酸质子交换膜。
6.根据权利要求1所述的装配方法，其特征在于，所述膜电极复合体的阴极侧电极包括阴极催化层和阴极扩散层。
7.根据权利要求6所述的装配方法，其特征在于，所述阴极催化层为钼黑电催化剂或碳载钼电催化剂。
8.根据权利要求6所述的装配方法，其特征在于，所述膜电极复合体的阳极侧电极包括阳极催化层和阳极扩散层。
9.根据权利要求8所述的装配方法，其特征在于，所述阳极催化层为钼钌黑或碳载钼钌电催化剂。
10.根据权利要求8所述的装配方法，其特征在于，所述阴极扩散层和阳极扩散层各自独立为碳纸或碳布。
全文摘要
本发明公开了一种自呼吸式直接醇类燃料电池的装配方法，将第一密封圈和第二密封圈分别圈套在与阴极极板的U型槽和阳极极板的U型槽内；将阳极集流网、膜电极复合体、阴极集流网和所述套有第一密封圈的阴极极板置于阳极极板的第一凹槽内，形成复合极板；将所述复合极板置于燃料储存腔的第二凹槽内，压紧后形成自呼吸式直接醇类燃料电池。该密封圈不含有机溶剂，避免了对质子交换膜的污染，保证了电池的性能和使用寿命。该密封圈的密封效果好，装配工艺简单，可以实现每片膜电极复合体(MEA)都独立装配，各电极间不会互相影响，拆装容易，适合批量生产。再次，本发明采用的固态密封圈在电池装配完成后可以立即检验密封效果，减少了装配时间。
文档编号H01M8/10GK102420335SQ20111032766
公开日2012年4月18日 申请日期2011年10月25日 优先权日2011年10月25日
发明者冯立纲, 刘长鹏, 廖建辉, 李晨阳, 梁亮, 蔡卫卫, 邢巍 申请人:中国科学院长春应用化学研究所