一种驱动四轴旋翼飞行器的蒸汽式直接甲醇燃料电池的制作方法

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体是一种驱动四轴旋翼飞行器的蒸汽式直接甲醇燃料电池。

背景技术：

蒸汽被动式直接甲醇燃料电池(V-DMFC)因为其更高的能量密度、更弱的甲醇穿透现象、延长的工作时间，具有更广泛的开发和研究价值。

较大型的无人机配备燃烧式发动机，使用传统燃油，如JP-8 或混合燃油来驱动，存在着能量转换效率低、噪音大、续航能力差的问题；小型的无人机则大多使用电力发动机，一般由锂电池来驱动，存在着寿命短、续航能力差的问题。

将蒸汽被动式直接甲醇燃料电池(V-DMFC)用于飞行器既可以降低飞行器的整体重量又可以提供稳定且工作时间长的动力。

技术实现要素：

本实用新型就是针对上述问题，提供了一种实现蒸汽被动式直接甲醇燃料电池(V-DMFC)电池堆化以降低质量、提高功率并应用到四轴旋翼飞行器上的设计方法，本实用新型采用渗透汽化膜作为电池的甲醇蒸汽供给工作原件，实现常温状态下的蒸汽供给；采用光固化树脂作为电池框架的制造材料，保证电池质量超轻量化，使小型四轴旋翼飞行器有能力承载；采用光固化快速成型技术作为制造工艺，解决传统机械加工新型电池难度大的问题，同时使得电池轻量化。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种驱动四轴旋翼飞行器的蒸汽式直接甲醇燃料电池，包括具有空腔的外部框架及内部框架，所述的外部框架及内部框架的横截面均为边数相同的正多边形，所述内部框架居中设置在外部框架空腔内，

所述内部框架的空腔中设置有甲醇燃料腔，其外侧面固定有渗透汽化膜；

所述外部框架内壁的各平面上沿远离外部框架轴线方向依次设置有阳极集电板、阳极亲水烧结板、电池膜电极区、阴极疏水烧结板、阴极集电板。

进一步地，所述的外部框架及内部框架的横截面均为正八边形。

进一步地，所述的内部框架各侧面开有直径为2~4mm的圆孔，开孔率为45~60%；所述外部框架各侧面沿长度方向分别开有若干矩形孔。

进一步地，所述阳极集电板上设置有直径为2~4mm圆孔阵列，开孔率为45-60%。

进一步地，所述阳极亲水烧结板采用铜粉或不锈钢粉烧结而成，孔隙率50~60%。

进一步地，阴极疏水烧结板为具有疏水性质的纤维烧结多孔板，烧结原材料为铜纤维或者不锈钢纤维，孔隙率为70~80%，接触角130~140°。

进一步地，所述阴极集电板设置有直径为2~4mm圆孔阵列，开孔率为45-60%。

进一步地，所述的渗透汽化膜采用质子交换膜。

进一步地，所述内部框架和外部框架为一体式结构，由光敏树脂经光固化快速成型技术制备而成。

进一步地，所述的内部框架和外部框架均设置有拔模斜度。

相对于现有技术，本实用新型的具有如下优点：

（1）本实用新型采用了单一液态腔的供料方式，设计出多棱台燃料电池堆结构，很大程度上减少了燃料电池堆所占用的空间，降低了整体质量，达到轻量化的效果。

（2）本实用新型采用了一体化的电池框架结构，避免了螺栓等所需零件较多且增加质量的联接方式。

（3）本实用新型采用了光固化快速成型技术作为制造工艺，解决传统机械加工新型电池难度大，价格昂贵等问题，在保证机械强度的同时使得电池轻量化。

（4）本实用新型根据外部结构和内部结构同锥度的锥形结构设计以及光敏树脂材料的使用，使得外部结构和内部结构能在压力下相互压紧装配。

（5）本实用新型将蒸汽式直接甲醇燃料电池应用到四轴旋翼飞行器，提高了飞行器的续航能力。

附图说明

图1是本实用新型实施例的燃料电池整体外观示意图。

图2是本实用新型实施例的燃料电池全剖视图。

图3是图2中A处放大示意图。

图中所述为：1-外部框架；2-阴极集电板；3-阴极疏水烧结板；4-电池膜电极区；5-阳极亲水烧结板；6-阳极集电板；7-蒸汽腔；8-渗透汽化膜；9-甲醇燃料腔；10-侧面窗体结构。

具体实施方式

为进一步理解本实用新型，下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明，但是需要说明的是，本实用新型要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

如图2中所示，一种驱动四轴旋翼飞行器的蒸汽式直接甲醇燃料电池，包括具有空腔的外部框架1及内部框架，所述的外部框架1及内部框架的横截面均为边数相同的正八边形，所述内部框架居中设置在外部框架1空腔内，所述内部框架的空腔中设置有甲醇燃料腔9，其外侧面固定有渗透汽化膜8；所述外部框架1内壁的各平面上沿远离外部框架1轴线方向依次设置有阳极集电板6、阳极亲水烧结板5、电池膜电极区4、阴极疏水烧结板3、阴极集电板2。

所述阴极集电板2采用直径为2~4mm开孔率为64%的大圆孔阵列，阴极疏水烧结板3采用8块具有疏水性质的铜纤维烧结多孔板，尺寸参数为170mmx27mm，孔隙率为70%，厚度1mm，接触角130°；所述阳极集电板6上设置有直径为2~4mm小圆孔阵列，开孔率为28%；所述阳极亲水烧结板5采用铜粉烧结烧结板，尺寸参数170mmx27mm，铜粉粒径100~125μm，孔隙率50%，厚度1mm；所示渗透汽化膜8采用杜邦公司的N117质子交换膜，单个有效工作面积为105mmx7mm，有6个工作面；所述渗透膜电极区4单个反应区域面积160mmx20mm，有8个工作面。外部框架1为正八棱台，底面为边长27mm的正八边形，棱台高176mm，拔模斜度为3度，8个侧面分别开有3个5mmx160mm矩形孔10，形成侧面窗体结构。内部框架为与外部结构相配套的正八棱台状结构，其侧面开有直径3mm的圆孔，开孔率45%。

如图1至图3所示，甲醇燃料腔9为液态甲醇的暂存空间，并在侧面固定渗透汽化膜8，并保证液态甲醇与渗透汽化膜8接触，液态甲醇在渗透汽化膜8中发生吸附-溶解-释放的过程，由于甲醇具有易挥发性质，会在蒸汽腔7中挥发形成甲醇蒸汽，形成的甲醇蒸汽经过扩散过程后充满蒸汽腔7，接着通过阳极集电板6到达阳极亲水烧结板5，阳极集电板6具有一定开口率，以增加甲醇传质阻力，起到抑制甲醇穿透的作用，到达阳极亲水烧结板5的甲醇蒸汽会在毛细作用下被吸附蓄积，并在阳极亲水烧结板5中均匀扩散，通过控制阳极亲水烧结板5的孔隙率参数可以达到控制甲醇浓度的目的。

在阴极侧，空气通过侧面窗体结构、阴极集电板2中的开孔进入到阴极疏水烧结板3，到达电池膜电极区4进行反应，阴极反应产物水蓄积在阴极疏水烧结板3的排斥作用下，被迫向阳极水浓度低的区域运动，从而实现阴极水反补，同时抑制阳极甲醇向阴极穿透，提到电池性能。

本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。