专利名称：一种直接液流燃料电池的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种直接液流燃料电池，属于电池装置领域。
背景技术：
直接液流燃料电池是一种新型电池，它是以有机燃料如甲醇、甲酸等做阳极燃料，以氧化还原电对做阴极氧化剂，通过电对还原与燃料氧化得失电子的过程而向外界提供电能的装置。目前已有的直接液流燃料电池单电池结构主要由阳极板、嵌入碳纸的阴极板、阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜和充气氮囊组成。在该电池结构中，各组件通过对电池壳体内部的氮囊充气加压而夹紧。这种电池结构存在不足之处由于使用氮囊导致电池组件较多，装置复杂；需要通过拧紧外部螺丝与对氮囊充气两个方面夹紧电池体，封装工艺繁琐；复合膜电极中全氟磺酸质子交换膜和催化层间接触不够紧密导致电子、质子传输阻力较大；氧化还原电对在碳纸电极上反应的速率较慢，从而对电池性能的提高形成限制。·
发明内容本实用新型的目的在于提供一种直接液流燃料电池，该直接液流燃料电池具有装置与电池封装工艺简单、密封性良好、电池性能较高的特点。本实用新型是通过以下技术方案加以实现的一种直接液流燃料电池，该直接液流燃料电池为由螺栓连接和压紧的单元部件结构块体，其中单元部件包括阳极端盖和阴极端盖，在阳极端盖和阴极端盖之内靠着阳极端盖依次设置阳极端硅胶片，阳极端聚四氟乙烯密封垫片和阳极端集流板，在靠着阴极端盖依次设置阴极端硅胶片，阴极端聚四氟乙烯密封垫片和阴极端集流板，其特征在于，在阳极端集流板和阴极端集流板之间，依次设置阳极板、聚四氟乙烯密封框片、复合膜电极和阴极板。上述结构的直接液流燃料电池，阳极板采用石墨材料，它的一内侧面为完整平面，该完整平面与阳极端集流板贴合，它的另一内侧面，其上开设双指型蛇型流道的流场，该内侧面与聚四氟乙烯密封框片贴合；在阳极板的前后两条外边缘上分别开设燃料进入孔和流出物流出孔，燃料进入孔和流出物流出孔均与流场上的双指型蛇型流道相通；在阳极板的上外边缘开设放置钼电阻的孔道。上述结构的直接液流燃料电池，复合膜电极，按着复合膜电极的轴向而言，它的结构依次为全氟磺酸质子交换膜层、PtRu/C催化剂层、导电炭黑层和碳纸扩散层，其中碳纸扩散层嵌入聚四氟乙烯密封框片内，全氟磺酸质子交换膜层与聚四氟乙烯密封框片贴合。上述结构的直接液流燃料电池，阴极板采用石墨材料，它的一内侧面为完整平面，该完整平面与阴极端集流板相贴合，它的另一内侧面，其上制有矩形槽，在矩形槽槽底相对两端分别开设有直径相等、分布均匀的小孔，该矩形槽内镶嵌聚丙烯腈基石墨毡，该内侧面与复合膜电极的全氟磺酸质子交换膜层贴合；在阴极板的前后两条外边缘上分别开设氧化还原电对溶液进入孔和流出孔，氧化还原电对溶液进入孔和流出孔均与矩形槽底的小孔相通，在该阴极板的上外边缘开设放置钼电阻的孔道。[0008]本实用新型的优点在于，该直接液流燃料电池结构和封装工艺简单、密封性较好、电池性能较高。该直接液流燃料电池通过将PtRu/C催化剂层与全氟磺酸质子交换膜层热压制备成复合膜电极，这样既保证了 PtRu/C催化剂层与全氟磺酸质子交换膜层的紧密接触，减小了质子和电子的传输阻力，又不再需要设置氮囊单元部件，简化了电池结构与封装工艺。同时，在阴极板上选用比表面积大的石墨毡材料替代原有的碳纸，这样更有利于增大氧化还原电对的反应活性，提高电池的整体性能。
图I是本实用新型去掉螺栓拆分后的各个单元部件的结构示意图。图中1为阳极端盖，2为阳极端硅胶片，3为阳极端聚四氟乙烯密封垫片，4为阳极端集流板，5为阳极板，6为聚四氟乙烯密封框片，7为复合膜电极，8为阴极板，9为阴极端集流板，10为阴极端聚四氟乙烯密封垫片，11为阴极端硅胶片，12为阴极端盖。图2是阳极板5的A-A向结构示意图。 图中5-1为流场，5-2为燃料进入孔，5-3为流出物流出孔，5-4为放置钼电阻的孔道。图3是复合膜电极7的径向剖面结构示意图。图中7-1为全氟磺酸质子交换膜，7-2为PtRu/C催化剂层，7-3为导电炭黑层，7-4为碳纸扩散层。图4是阴极板8的B-B向结构示意图。图中8-1为矩形槽,8-2为氧化还原电对溶液进入孔,8-3为氧化还原电对溶液流出孔，8-4为放置钼电阻的孔道。
具体实施方式
实施例I阳极端盖I和阴极端盖12均米用不锈钢材料,尺寸为90mm X 90mm,厚度为IOmm ;阳极端聚四氟乙烯密封垫片2和阴极端聚四氟乙烯密封垫片11，尺寸为90mm X90mm，厚度为O. 5mm ；阳极端娃胶片3和阴极端娃胶片10,尺寸为90mm X 90mm,厚度为O. 5mm ;在上述结构的端盖、聚四氟乙烯密封垫片和硅胶片的四个角对称开设孔径为IOmm的螺栓孔，用于放置螺栓夹紧电池单元部件。阳极端集流板4和阴极端集流板9采用铜箔材料，尺寸为50mmX 50mm,厚度为O. 2mm ；阳极板5和阴极板8米用石墨材料，尺寸为50mmX 50mm,厚度为30mm ;阳极板5上贴合聚四氟乙烯密封框片一侧制有流场,流场面积为20mmX20mm,该流场上开设双指型蛇型流道，流道宽度为I. 05mm，深度为1mm，流道间距为I. 05mm;阴极板8上贴合全氟磺酸质子交换膜层一侧制有正方形槽,槽边长为20mmX20mm,槽深IOmm,槽底面上下两端分别制有孔径为2mm的5个小孔；聚四氟乙烯密封框片6的外边尺寸为50mmX50mm,内框尺寸为20mmX20mm ;复合膜电极的碳纸扩散层7_4米用Toray TGP-H-060型碳纸，平面面积为20mmX 20mm,该碳纸用质量分数10%的聚四氟乙烯乳液疏水处理,在该碳纸扩散层上涂覆导电炭黑层7-3，该导电炭黑层采用商用导电炭黑Vulcan XC-72，导电炭黑的载量为lmg/cm2，在该导电炭黑层上涂覆PtRu/C催化剂层，该PtRu/C催化剂层采用Johnson Mattery公司的产品，该催化剂层中金属载量为2mg/cm2,其中Pt质量分数为20%,Ru质量分数为10%，全氟磺酸质子交换膜层7-1采用杜邦公司的nafionl 15型全氟磺酸质子交换膜，尺寸为50mmX50mm，将上述四层结构用热压机在120°C下压合成复合膜电极；在阳极板5和阴极板8上放置Pt -100钼电阻，钼电阻外径为4mm，用于测试阳极板和阴极板温度。具体工作过程上述结构的直接液流燃料电池，工作过程如下以甲醇作阳极燃料通过阳极板进入口 5-2进入阳极板，通过阳极板上的双指型蛇形流道与复合膜电极的碳纸扩散层接触，并逐步渗透到复合膜电极的PtRu/C催化层发生甲醇氧化反应，反应生成的CO2随未反应的甲醇通过流出口 5-3排出阳极板。Fe3YFe2+氧化还原电对溶液作阴极氧化剂通过阴极板进入口 8-2进入阴极板的矩形槽内，并逐渐浸润石墨毡，Fe37Fe2+在石墨毡上发生还原反应，未参加的Fe3YFe2+溶液通过流出口 8-3排出阴极板。该直接液流燃料电池通过阳、阴极端集流板向外界输出一定的电流与电压。·
权利要求1.一种直接液流燃料电池，该直接液流燃料电池为由螺栓连接和压紧的单元部件结构块体，其中单元部件包括阳极端盖和阴极端盖，在阳极端盖和阴极端盖之内靠着阳极端盖依次设置阳极端硅胶片，阳极端聚四氟乙烯密封垫片和阳极端集流板，在靠着阴极端盖依次设置阴极端硅胶片，阴极端聚四氟乙烯密封垫片和阴极端集流板，其特征在于，在阳极端集流板和阴极端集流板之间，依次设置阳极板、聚四氟乙烯密封框片、复合膜电极和阴极板。
2.按权利要求I所述的直接液流燃料电池，其特征在于，阳极板采用石墨材料，它的一内侧面为完整平面，该完整平面与阳极端集流板贴合，它的另一内侧面，其上开设双指型蛇型流道的流场，该内侧面与聚四氟乙烯密封框片贴合；在阳极板的前后两条外边缘上分别开设燃料进入孔和流出物流出孔，燃料进入孔和流出物流出孔均与流场上的双指型蛇型流道相通；在阳极板的上外边缘开设放置钼电阻的孔道。
3.按权利要求I所述的直接液流燃料电池，其特征在于，复合膜电极，按着复合膜电极的轴向而言，它的结构依次为全氟磺酸质子交换膜层、PtRu/C催化剂层、导电炭黑层和碳纸扩散层，其中碳纸扩散层嵌入聚四氟乙烯密封框片内，全氟磺酸质子交换膜层与聚四氟乙烯密封框片贴合。
4.按权利要求I所述的直接液流燃料电池，其特征在于，阴极板采用石墨材料，它的一内侧面为完整平面，该完整平面与阴极端集流板相贴合，它的另一内侧面，其上制有矩形槽，在矩形槽槽底相对两端分别开设有直径相等、分布均匀的小孔，该矩形槽内镶嵌聚丙烯腈基石墨毡，该内侧面与复合膜电极的全氟磺酸质子交换膜层贴合；在阴极板的前后两条外边缘上分别开设氧化还原电对溶液进入孔和流出孔，氧化还原电对溶液进入孔和流出孔均与矩形槽底的小孔相通，在该阴极板的上外边缘开设放置钼电阻的孔道。
专利摘要本实用新型公开了一种直接液流燃料电池，属于电池装置领域。该直接液流燃料电池为由螺栓连接和压紧的单元部件结构块体，其中单元部件包括两端的端盖板，在两端盖板之内分别依次设置阳、阴极端的硅胶片，阳、阴极端的聚四氟乙烯密封垫片和阳、阴极端的集流板，在阳极端集流板和阴极端集流板之间，依次设置阳极板、聚四氟乙烯密封框片、复合膜电极和阴极板。该直接液流燃料电池具有结构和封装工艺简单、密封性较好、电池性能较高的特点。
文档编号H01M4/86GK202712347SQ20122035410
公开日2013年1月30日 申请日期2012年7月20日 优先权日2012年7月20日
发明者黄成德, 米南 申请人:天津大学