专利名称：一种实验室用自呼吸氢-氧液体燃料电池结构的制作方法
技术领域：
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种实验室用自呼吸燃料电池的结构设计。
背景技术：
进入二十一世纪以来，全球传统能源形势日趋紧张，新能源研究和应用力度迅速增强，以燃料电池为代表新能源发电技术得到迅速发展，作为第四代发电技术的代表，燃料电池发电具有效率高、无污染、灵活性好和可用燃料丰富等优点。目前燃料电池已应用于发电系统、运输工具、便携式电源以及定置型发电系统等领域。以我国燃料电池应用市场重点运输工具领域为例，其应用已占到整个应用领域的74%，而便携式电源占16%，发电系统电源占10%左右。与此相对应的是，国内燃料电池研究投入最大的领域在于质子交换膜燃料电池(PEMFC)，其投入占燃料电池投入的五成以上，并呈稳步上升趋势。在燃料电池的研究中，设计制作优异的实验室用燃料电池对燃料电池的研究具有重要意义。燃料电池的工作环境多样，催化剂、燃料流速以及温度等因素会对电池的性能产生很大的影响。在对各部件性能的评价中，电池的结构起着关键性的作用，优异的电池结构能够准确高效地评价各部件性能，优化电池发电参数，为燃料电池研究助力。目前，在质子交换膜燃料电池的研究中，自呼吸燃料电池方面研究还较少，尤其是自呼吸氢-氧液体燃料电池的研究，可供选择的自呼吸氢-氧液体燃料电池结构甚少。哈尔滨工业大学(专利号200710072231)公布了一种被动式自呼吸直接甲醇燃料电池的串联电池组，该专利的电池组包含有多个单电池，各电池的极板均固定在平整的有机玻璃板上，不锈钢板与极板并无特殊定位或固定装置，仅依靠穿过有机玻璃板上的螺栓来固定电池极板和中间的不锈钢网等部件，而垫片放在阳极不锈钢网与带甲醇储液腔的有机玻璃中间，这种设计在安装时不能避免阴阳极板的相对位移，定位不准确，从而增加质子交换膜发生细微裙皱或偏移的可能性，电池与电池之间也极容易发生位移。此外，该专利用不锈钢网一侧作为一个电池的阳极极板，另一侧作为与之相邻电池的阴极极板，这种共用极板的设计要求电池与电池间的要保持高度的一致性，电池间的依赖性增大，一旦一块电池的定位失效，将直接影响到另一块电池的工作。不仅如此，与不锈钢板相比，有机玻璃的强度和耐磨性均使得电池组的结构强度偏低，寿命减少。
发明内容本发明目的在于提供一种实验室用自呼吸燃料电池的结构设计方法，该结构简单合理，设计巧妙可行，凹槽和固定螺栓的组合使用大大稳固了电池结构，降低了极板与极板之间发生的相对位移的可能性，解决了由于受力不均造成质子交换膜发生细微褶皱或偏移，从而影响电池性能的问题。夹板与极板间的密封圈起到绝缘作用的同时也使燃料不易产生泄露。实现了实验室用自呼吸燃料电池的设计要求，能够满足实验室对自呼吸燃料电池的研究。本发明的自呼吸燃料电池的设计结构包括两块底面采用凹槽设计的电池极板夹板、两片特殊设计的密封圈、两块电池极板、两片绝缘垫圈、一片质子交换膜以及四根塑料螺栓。凹槽位于极板夹板与极板的接触面，凹槽深度为I. 5 2. 5毫米，凹槽的长和宽与极板的长和宽吻合，特殊设计的密封圈厚度为I毫米，中部被裁空，且裁空面积与极板流场面积相同，密封圈压缩后的面积大于或等于极板的面积，该密封圈放置在极板夹板与极板之间的凹槽中。装配电池时，螺栓固定后，极板将被固定在凹槽中，极板不会产生偏移。极板夹板的厚度为5 7毫米，四角分别钻有螺纹孔，极板夹板的材质为不锈钢。极板为两块，厚度为4 6毫米，正负极板中间为平形流场，流场的长和宽分别为30和40毫米，正负极板材质为不锈钢。正负极板间为两片绝缘垫圈，绝缘垫圈的尺寸和极板相同,绝缘垫圈中间为质子交换膜，质子交换膜的面积为流场面积的I. 2倍。四根固定螺栓分别位于极板夹板的四角，材质包括聚碳酸酯、聚乙烯、聚酰胺、聚缩醛、聚酯、聚芳基酯、不饱和聚酯、酚塑料、环氧塑料和硬度和耐寒性改善的聚丙烯。燃料倾倒在阳极的流场中，阴极暴露在空气中，与空气中的氧气接触，阳极的燃料通过质子交换膜与阴极接触的氧气在催化剂的作用下进行化学反应，产生电流。本发明具有的有益效果I、本发明使电池结构更加稳固，流场定位更准确，解决了由于受力不均造成质子交换膜发生细微褶皱或偏移，导致电池性能降低的问题，同时燃料不易泄露，增加了电池的安全性。2、本发明设计达到了自呼吸燃料电池的设计要求，简单合理，结构轻巧，方便实用。3、本发明的设计成本低廉，装配操作方便，易于实验室的大量使用。
图I本发明电池结构的主视图。图中1、2为正负极板的夹板；3、4为正负极板；
5、6为绝缘垫圈；7、8为密封圈；9为质子交换膜；10为螺栓。图2本发明的极板夹板的凹槽结构和密封圈的平面图。图中11为螺栓孔；12为极板夹板凹槽；图3本发明密封圈的正视图和侧视图。图中13为密封圈主视图；14为密封圈侧视图。图4本发明电池极板结构平面图。图中15为极板条形流场。
具体实施方式
实施方式一(参见图I)本实施方式由两块底面采用凹槽设计的电池极板夹板I和2、两片特殊设计的密封圈7和8、两块电池极板3和4、两片绝缘垫圈5和6、一片质子交换膜9以及四根塑料螺栓10构成。实施方式二 (参见图2)凹槽12位于极板夹板与极板的接触面，极板夹板的厚度为5 7毫米，四角分别钻有螺纹孔，极板夹板的材质为不锈钢。凹槽深度为I. 5 2. 5毫米，凹槽12的长和宽与极板的长和宽吻合，特殊设计的密封圈13厚度为I毫米，中部被裁空，且裁空面积与极板流场面积相同，密封圈13压缩后的面积大于或等于极板的面积，该密封圈13放置在极板夹板与极板之间的凹槽中。装配电池时，螺栓固定后，极板将被固定在凹槽中，旋紧螺栓过程中，极板不会产生偏移。装配完成时，正负极板精确相对，装配过程简单高效，其他与实施方式一相同。实施方式三(参见图I和图4)极板为两块3和4,厚度为4 6毫米,正负极板中间为条形流场15，流场的长与宽分别为30和40毫米，材质为不锈钢。正负极板间为两片绝缘垫圈5和6。绝缘垫圈的尺寸和极板相同，绝缘垫圈中间为质子交换膜，质子交换膜的 面积为流场面积的I. 2倍。燃料倾倒在阳极3的流场中，阴极4暴露在空气中，与空气中的氧气接触，阳极3的燃料通过质子交换膜与阴极4接触的氧气在催化剂的作用下进行化学反应，产生电流。其他与实施方式一相同。
权利要求1.一种实验室用自呼吸氢-氧液体燃料电池的结构，其特征在于该结构包括两块底面采用凹槽设计的电池极板夹板、两片特殊设计的密封圈、两块电池极板、两片绝缘垫圈、一片质子交换膜以及四根塑料螺栓。
2.如权利要求I所述的实验室用自呼吸氢-氧液体燃料电池的结构，其特征在于极板夹板的厚度为5 7毫米， 四角分别钻有螺纹孔，极板夹板的材质为不锈钢。
3.如权利要求I所述的实验室用自呼吸氢-氧液体燃料电池的结构，其特征在于燃料电池的凹槽结构位于极板夹板与极板的接触面，凹槽深度为I. 5 2. 5毫米，凹槽的长和宽与极板的长和宽吻合。
4.如权利要求I所述的实验室用自呼吸氢-氧液体燃料电池的结构，其特征在于特殊设计的密封圈厚度为I毫米，中部被裁空，且裁空面积与极板流场面积相同，密封圈压缩后的面积大于或等于极板的面积，该密封圈放置在极板夹板与极板之间的凹槽中。
5.如权利要求I所述的实验室用自呼吸氢-氧液体燃料电池的结构，其特征在于所述的燃料电池极板为两块，厚度为4 6毫米，正负极板中间为平形流场，流场的长和宽分别为30和40毫米,材质为不锈钢，正负极板间为两片绝缘垫圈，绝缘垫圈的尺寸和极板相同，绝缘垫圈中间为质子交换膜，质子交换膜的面积为流场面积的I. 2倍。
6.如权利要求I所述的实验室用自呼吸氢-氧液体燃料电池的结构，其特征在于所述的燃料电池四根固定螺栓分别位于极板夹板的四角。
专利摘要本实用新型公开了一种实验室用自呼吸氢-氧液体燃料电池的结构设计方法，它包括两块底面采用凹槽设计的电池极板夹板、两片特殊设计的密封圈、两块薄的电池极板、两片绝缘垫圈、一片质子交换膜以及四根塑料螺栓。特殊设计的密封圈放置在极板夹板与极板之间的凹槽中，极板的中间为平行流场，正负极板间为两片绝缘垫圈，绝缘垫圈中间为质子交换膜。将燃料倾倒于阳极的流场中，阴极暴露在空气中，与空气中的氧气接触，则阳极的燃料通过质子交换膜与阴极接触的氧气在催化剂的作用下进行化学反应，产生电流。本实用新型设计轻巧简单合理，凹槽和固定螺栓的组合使用大大稳固了电池结构，降低了极板与极板之间发生的相对位移的可能性，夹板与极板间的密封圈起到绝缘作用的同时也使燃料不易产生泄露。
文档编号H01M8/10GK202772228SQ20112050059
公开日2013年3月6日 申请日期2011年12月1日 优先权日2011年12月1日
发明者马静忠, 李艳, 游文武, 秦海英, 刘嘉斌 申请人:中国计量学院