基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组的制作方法
【专利摘要】一种基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组，包括聚合物单极端板、聚合物双极端板、金属集电极和膜电极，金属集电极为由两个平行相对设置的集电极连接而成的一体结构；聚合物双极端板采用阴极与阳极进料通道一体结构，其阳极侧中心设置有储液腔，上方设置注入甲醇溶液的注液孔，注液孔与储液腔相连通；阴极侧设置有气体进料沟槽；聚合物双极端板的表面设置有金属集电极固定槽，金属集电极置于金属集电极固定槽中，电池组依靠金属集电极之间的连接形成串联电池组；串联电池组最外端两侧分别为对应聚合物双极端板阴阳极结构的聚合物单极端板。本发明解决了被动式直接甲醇燃料电池组无法多节集成以及聚合物镀膜双极板功率较低的问题。
【专利说明】基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种直接甲醇燃料电池，具体涉及一种层叠式被动直接甲醇燃料电池组。
【背景技术】
[0002]直接甲醇燃料电池(DMFC)作为一种微型便携式能源，较高的比能量和能量转化效率是其吸引人们的主要优势。同时固定的外部结构和可随时填充的液体燃料，也为用户提供了便利条件，它结构简单，响应时间短，操作也很方便。相对于主动式直接甲醇燃料电池，被动式直接甲醇燃料电池不需要如泵、风扇等有源的辅助设备供给燃料，直接利用扩散和自然对流等原理对电池进行燃料供给，不但大大降低了电池系统的复杂性，有利于集成应用，而且减少了寄生能量损失，提高了电池系统的能量密度。目前的被动式直接甲醇燃料电池组多为平面型结构，由6节或少于6节单池集成，该结构对于多节(大于10)的集成会受到使用空间的限制，集成度较低。并且传统的聚合物镀膜双极板导电性差，难以满足高功率输出的需求。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种基于聚合物双极端板的层叠型被动式直接甲醇燃料电池组，解决被动式直接甲醇燃料电池组无法多节集成以及聚合物镀膜双极板功率较低的问题。
[0004]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种基于聚合物双极端板的层叠型被动式直接甲醇燃料电池组，包括2个聚合物单极端板、I个或I个以上聚合物双极端板、金属集电极、胶垫和膜电极。所述的金属集电极用于电子的收集，由两个平行相对设置的集电极连接而成，金属集电极采用一体结构，使得每节单池间串联连接，减少连接电阻。所述的聚合物双极端板采用阴极与阳极进料通道一体结构，其阳极侧中心设置有正方形凹槽(即储液腔)，用于储存甲醇水溶液，上方设置注入甲醇溶液的通孔(即注液孔)，注液孔与储液腔相连通，甲醇燃料通过注液孔进入储液腔中；阴极侧设置有气体进料沟槽(即气体沟道)，用于获取反应气体，气体通过自由扩散作用进入气体沟道，为阴极供给氧气；聚合物双极端板的表面设置有金属集电极固定槽，金属集电极置于金属集电极固定槽中，当聚合物双极端板为I个以上时，将膜电极置于相邻两组金属集电极的阴阳极之间，这样电池组依靠金属集电极之间的连接形成串联。金属集电极与膜电极之间、膜电极与聚合物单极端板之间夹有密封垫圈，用以防止甲醇溶液泄漏。串联电池组最外端两侧分别为对应聚合物双极端板阴阳极结构的单极端板，两者之间设置有膜电极，整个电池组使用螺丝拧紧固定。
[0005]本发明中，所述的聚合物基双极端板结构相同，集成阳极储液腔与阴极气体沟道于一体，并集成有集电极固定槽。
[0006]本发明中，所述的聚合物基单极端板包括阳极单极端板和阴极单极端板，阳极单极端板对应聚合物双极端板的阳极侧储液腔结构，阴极单极端板对应聚合物双极端板的阴极侧进气沟道结构。
[0007]本发明中，所述的聚合物双极端板和单极端板均为聚合物材料，由聚合物材料采用机械加工方法加工制成或直接注塑成型，包括有机玻璃、ABS或工程塑料等。
[0008]本发明中，所述的金属集电极为不锈钢材料，不锈钢上打有多个进料孔以传递反应物，孔的形状为圆形、方形或条形。
[0009]本发明中，所述的金属集电极表面进行溅射或化学镀处理形成AiuPt或TiN涂层，以防止电化学腐蚀，提高导电性及耐腐蚀性。
[0010]本发明中，所述的膜电极是MEA膜。
[0011]本发明中，所述的金属集电极的多孔结构的有效面积与膜电极的有效面积相等。
[0012]本发明中，所述的聚合物双极端板阳极侧的正方形凹槽的有效面积与膜电极的有效面积相同。
[0013]本发明具有以下优点:
1、该电池组具有结构新颖、重量轻、安装简单、材料成本低、易加工、机械强度较高等优点，适用于便携式电源应用。
[0014]2、层叠式的组装设计，使得本电池组所占的体积较小，当节数较多的电池串联时本结构仍然适用。
[0015]3、集电极的采用解决了传统聚合物双极板镀金属膜导电性不好、输出性能低的问题。
[0016]4、集电极的一体化也使得电池组整体的内阻较低，有效的减少功率损失。
[0017]5、该电池组采用全被动式进液方式，可以大大减小电池组系统的体积，不需要外接电源及辅助设备，具有快速启动和较高功率输出效性，是一种有效的便携式电源。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是聚合物双极板阳极侧结构示意图；
图2是聚合物双极板剖视图；
图3是聚合物双极板阴极侧结构示意图；
图4是集电极结构示意图；
图5是本发明结构示意图；
图6是本发明电池组组装后效果图。
[0019]其中，1-聚合物双极端板；2_金属集电极；3_密封垫圈；4_膜电极；5_聚合物单极端板；6_储液腔，7-注液孔，8-气体进料沟槽，9-通孔；10-集电极。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
[0021]如图1-图3所示，聚合物双极端板I的一侧为阳极，另一侧为阴极，聚合物双极端板I是由聚合物材料经机械加工方法或直接注塑成型制成，从而达到所需双极板结构。聚合物双极端板I阳极侧有一个正方形凹槽，即为储液腔6，用于储存燃料。同时，在阳极侧上方还有一个通孔，即为注液孔7，用于向储液腔内注入甲醇溶液。聚合物双极端板I阴极侧为气体进料沟槽8，用于电池获取足够的反应气体。
[0022]如图4和图5所示，聚合物双极端板I的阳极侧和阴极侧均与金属集电极2相连，聚合物双极端板I两侧的金属集电极2采用一体结构，由两个平行相对设置的集电极连接而成，金属集电极2上采用激光切割或化学腐蚀加工有多个进料通孔9，通过在表面溅射Au或TiN涂层以提高导电性及耐腐蚀性。金属集电极2与膜电极4之间夹有密封垫圈3，用以防止甲醇溶液的泄露，聚合物双极端板I阳极侧的储液腔6的有效面积与膜电极4的有效面积相同。
[0023]如图5所示，将金属集电极2与聚合物双极端板I结合，金属集电极2中的两个平行相对设置的集电极10，其中的一个集电极10作为前一节电池的阴极，另一个集电极10作为后一节电池的阳极，该结构可实现前后两节单池之间的串联。以上述形式将多个金属集电极2分别与聚合物双极端板I结合，各组成部分依次层叠放置、串联连接，电池组外侧分别为对应的阴阳极单端极板5结构，并用螺丝螺帽将整个电池组拧紧固定。
[0024]如图6所示即为组装完成的电池组整体示意图，其特征在于整个电池组由金属集电极2实现各节电池之间的串联，有效的减少连接电阻，减小功率损失。
【权利要求】
1.一种基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组，包括聚合物阳极单极端板、聚合物阴极单极端板、I个或I个以上聚合物双极端板、金属集电极和膜电极，其特征在于: 所述的金属集电极为由两个平行相对设置的集电极连接而成的一体结构； 所述的聚合物双极端板采用阴极与阳极进料通道一体结构，其阳极侧中心设置有储液腔，上方设置注入甲醇溶液的注液孔，注液孔与储液腔相连通；阴极侧设置有气体进料沟槽；聚合物双极端板的表面设置有金属集电极固定槽，金属集电极置于金属集电极固定槽中，电池组依靠金属集电极之间的连接形成串联电池组； 所述的串联电池组最外端两侧分别为对应聚合物双极端板阴阳极结构的聚合物阳极单极端板、聚合物阴极单极端板。
2.根据权利要求1所述的基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组，其特征在于所述储液腔为正方形凹槽。
3.根据权利要求1所述的基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组，其特征在于所述聚合物双极端板为I个以上时，相邻两组金属集电极的阴阳极之间设置有膜电极。
4.根据权利要求1所述的基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组，其特征在于所述金属集电极与膜电极之间、膜电极与聚合物阳极单极端板、聚合物阴极单极端板之间夹有密封垫圈。
5.根据权利要求1所述的基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组，其特征在于所述聚合物双极端板、聚合物阳极单极端板、聚合物阴极单极端板均为聚合物材料，由聚合物材料采用机械加工方法加工制成或直接注塑成型。
6.根据权利要求1所述的基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组，其特征在于所述金属集电极为不锈钢材料，不锈钢上打有多个进料孔，孔的形状为圆形、方形或条形。
7.根据权利要求1所述的基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组，其特征在于所述金属集电极表面进行溅射或化学镀处理形成Au、Pt或TiN涂层。
8.根据权利要求1、3或4所述的基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组，其特征在于所述膜电极是MEA膜。
9.根据权利要求1、6或7所述的基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组，其特征在于所述金属集电极的多孔结构的有效面积与膜电极的有效面积相等。
10.根据权利要求1、2、3或5所述的基于聚合物双极端板的层叠式被动直接甲醇燃料电池组，其特征在于所述聚合物双极端板阳极侧的正方形凹槽的有效面积与膜电极的有效面积相同。
【文档编号】H01M8/02GK103928698SQ201410170076
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月25日 优先权日:2014年4月25日
【发明者】张宇峰, 郭超, 张雪林, 刘晓为 申请人:哈尔滨工业大学