专利名称：直接醇类燃料电池及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种直接醇类燃料电池及其制作方法，特别适用于微型便携式直接醇类燃料电池的制作，属于燃料电池技术领域。
背景技术：
作为质子交换膜燃料电池的一种，直接醇类燃料电池是将甲醇、乙醇等小分子醇类的化学能转化为电能的装置。鉴于小分子醇类燃料具有来源丰富、价格便宜、毒性小(或没有毒性)、常温下为液体，便于携带、储存和补充等突出优点，而且直接醇类燃料电池在工作过程中具有稳定性高、对环境友好、无噪音等优良特性，所以直接醇类燃料电池特别适合作为微型便携式电子设备的配套电源。
针对氢氧微型燃料电池的结构形式，目前中国专利CN00121124.2、CN00123627.X和CN00124380.2均提出了在一片质子交换膜上含有多个膜电极的结构类型。但是这种结构形式要求阴阳极侧的导电板必须保持在同一个水平面上，否则将导致各个膜电极连接处质子交换膜发生弯曲变形，甚至断裂；而且在制备过程中，各个膜电极的阴极和阳极容易发生错位，进而导致膜电极有效利用面积降低，表现在实际操作中，热压工序难以准确控制，从而导致生产效率降低等。
另外，对于直接醇类燃料电池来说，它是从氢氧质子交换膜燃料电池演化而来的一种新型燃料电池，但是其电池结构和制备工艺技术仍旧沿用质子交换膜燃料电池的结构形式与制备方法。目前，对于微型直接醇类燃料电池来说，甲醇溶液一般采用蠕动泵或循环泵将其注入到电池的各个单体中，空气一般采用压缩泵(如果使用氧气，一般采用高压氧气瓶)，但是如果物料的进出方式还要依赖这种外部动力(如蠕动泵、循环泵或压缩泵等)或附加装置(如高压氧气瓶)来实现的话，势必要求增加电池的输出功率(蠕动泵、循环泵或压缩泵工作需要能量)，从而使得电池的体积增大，不利于便携式应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对氢氧微型燃料电池存在的缺陷和直接醇类燃料电池的特点，提供一种能提高质子交换膜的利用率和电池生产效率，降低电池成本，特别适合制作微型便携式电子设备所用的直接醇类燃料电池及其制作方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是直接醇类燃料电池主要由单体电池、紧固板和外壳构成，单体电池由集流体、膜电极、密封件组合成，改进之处是集流体上有阵列式通孔，集流体靠近膜电极的一侧有连接各通孔的直形或斜形沟槽，所述紧固板的内侧有m×n个阵列式凹腔，2≤m、n≤10，凹腔内部四周有台阶，集流体放置在台阶上，正极紧固板凹腔的底部有阵列式通孔，负极紧固板各凹腔中台阶以下的空腔之间有连接孔相连通，负极紧固板的一侧有与上述空腔相连的注液孔和排出孔，注液孔和排出孔的端口有安全阀。
上述集流体上阵列式通孔为圆孔、矩形孔、三角形孔、菱形孔或其它异形孔。集流体与负极紧固板凹腔中台阶的接触处有密封胶或密封垫片。外壳的上、下端面有通气孔，通气孔为圆孔、矩形孔、三角形孔、菱形孔、长条形孔或其它异形孔，外壳的侧面与紧固板相应处有注液孔、排出孔窗口和电源引出线。
上述直接醇类燃料电池的制作方法是按如下步骤进行第一步，根据负载要求的工作电压和电流，计算电池的输出功率，进而确定单体电池的面积和数量，然后制作出相应数量的单体电池。单体电池结构由正负极集流体、膜电极和密封件组成。其中膜电极的制备工艺采用通常的七层结构，即负极导电层、负极扩散层、负极催化剂层、质子交换膜、正极催化剂层、正极扩散层和正极导电层。正负极集流体可采用表面改性的不锈钢板、石墨板或导电聚合物等材料。集流体的电流电压引出端设有极耳或在正负极集流体的侧面设有导线引出孔，集流体靠近膜电极的一侧刻有直形或斜形沟槽。密封件可选择硅橡胶、氯丁橡胶或聚酯薄膜等密封材料。
第二步，根据单体电池的面积和数量，确定平面阵列式紧固板的结构和尺寸。紧固板可采用有机玻璃、酚醛、环氧等热固性树脂，表面改性的不锈钢板、镍板、镀镍钢板、镀金钢板或铝合金等材料。在负极紧固板上设置醇类储存空腔，空腔之间通过连接孔相互连通，并备有统一的醇类注液孔和排出孔，且在醇类注液孔和排出孔处设置安全阀，安全阀装配后不露出紧固板外；同时在正极紧固板上刻有阵列式小孔，小孔中嵌有过滤灰尘等颗粒状物质的透气膜，以便空气进出。
第三步，将各单体电池分别镶嵌在负极或正极紧固板的各个凹腔的台阶上，在各单体电池正负极集流体的极耳上或正负极集流体侧面的导线引出孔中接上导线，根据负载要求的电压和电流，将各单体电池串、并联起来。
第四步，加盖另一侧正极或负极紧固板，其中负极紧固板与集流体接触处加密封胶或密封垫片，然后用紧固螺栓将紧固板固定。
第五步，将紧固后的电池放入电池外壳中并固定，电池外壳由喷漆钢板、不锈钢板、有机玻璃板、电木板或酚醛树脂板等材料制作，外壳的上、下端面刻有许多小孔，小孔形状包括圆形、菱形、三角形、长条形、椭圆形或多边形等，以便空气进出和电池温度的调节。外壳的一侧设置与负极固定板匹配的醇类注液孔和排出孔的窗口，外壳的另一侧设置电源引出线，用作与负载连接。
第六步，将醇类溶液通过电池外壳上的窗口和负极紧固板上的醇类注液孔注入，并储存在各单体电池负极紧固板的空腔中，然后盖好安全阀。
至此直接醇类燃料电池制作完毕。
本发明由于采用了以上技术方案，即主要是单体间串联并联的平面阵列式结构、醇类溶液储存在各单体电池负极紧固板的空腔中，空气的进出通过正极集流体和正极紧固板的阵列式小孔来实现的方案，较好地满足了不同负载工作电压和电流的要求，提高了质子交换膜的利用率和电池生产效率，降低了电池成本，特别适合制作微型便携式直接醇类燃料电池。另外，由于采用了多个单体串联并联的连接方式，所以该电池也不需要升压电路，可以直接给负载供电。
图1为电池总装结构示意图；其中1、紧固板2、膜电极2a——质子交换膜2b——正负极催化剂层2c——正负极扩散层2d——正负极导电层3、集流体4、密封件5、紧固螺栓6、电池外壳图2a为正极紧固板3×3阵列式示意图；图2b为图2a中A-A处剖视图；图3a为负极紧固板3×3阵列式示意图；图3b为图3a中B-B处剖视图；图4a为圆孔直流道集流体结构示意图；图4b为图4a中D-D处剖视图；图5为圆孔斜流道集流体结构示意图；图6为菱形孔集流体结构示意图；图7为三角形孔集流体结构示意图；
图8为带有极耳的圆孔直流道集流体结构示意图；图9a为电池外壳上下端面示意图，图9b为电池外壳上带引出线的侧面示意图；图10为2×4阵列式结构集流体连接示意图；图11为3×3阵列式结构集流体连接示意图。
具体实施例方式
下面参照附图，通过实施例进一步说明本发明的电池结构和制作方法及其积极效果。
实施例1第一步根据手机3.6v工作电压和100～300mA工作电流的要求，确定单体电池面积为(2cm×2cm)4cm2，数量为9个。采用圆孔直流道石墨板15作为集流体3，密封件4采用硅橡胶，膜电极采用七层结构，即负极导电层2d、负极扩散层2c、负极催化剂层2b、质子交换膜2a、正极催化剂层2b、正极扩散层2c和正极导电层2d，制作出9个单体电池。
第二步根据单体电池的面积(4cm2)和数量(9个)，确定有机玻璃紧固板1的平面阵列式结构为3×3，紧固板长97mm，宽97mm，厚8mm；负极紧固板一侧设置9个2×2cm2的凹腔7，凹腔内台阶以下部分为储存醇类溶液的空腔8，这些空腔通过连接孔9相互连通，台阶宽2.5mm，负极紧固板一侧有与空腔8相通的注液孔、排出孔11，孔的端口有安全阀12。正极紧固板的一侧也有9个2×2cm2的凹腔7，凹腔内台阶以下空腔8的底部有阵列式圆孔10，圆孔中嵌有过滤灰尘等颗粒状物质的透气膜，以便空气进出。
第三步将各个单体电池分别镶嵌在负极紧固板的各个凹腔内的台阶上，接触处涂上密封胶，在各单体电池集流体的导线引出孔中接上导线20，将各单体电池串联起来。
第四步加盖正极紧固板，用螺栓5将紧固板固定。
第五步将电池置入电池外壳6中，将醇类溶液通过电池外壳的窗口和负极紧固板上的注液孔注入空腔8中，然后盖好安全阀。电池外壳的上下端面有长条形通气孔13。
第六步通过电池外壳侧面的电源引出线14与手机的电源插口连接，电池即可开始供电。
在常压空气、0.8M醇类溶液浓度、室温条件下，可以输出3.6V电压和约1W的功率，能够满足对手机的供电要求。
实施例2第一步根据PDA3.0V工作电压和50～300mA工作电流的要求，确定单体电池的面积为(2cm×2cm)4cm2，数量为8个。采用圆孔斜流道石墨板16作为集流体3，密封件4采用硅橡胶，膜电极采用同上例的七层结构，制作出8个单体电池。
第二步根据单体电池面积(4cm2)和数量(8个)，确定有机玻璃紧固板1的平面阵列式结构为2×4，紧固板长126mm，宽68mm，厚8mm；正负极紧固板一侧分别设置8个2×2cm2的凹腔，其余要求与实施例1中第二步相同。
第三步至第六步与实施例1相同。
在常压空气、0.8M醇类溶液浓度、室温条件下，可以输出3.2V电压和约0.9W的功率，能够满足对PDA的供电要求。
以上实施例中，单体电池中的集流体3也可采用菱形孔的结构形式17、或三角形孔的形式18，其接线方式也可采用带有极耳的结构形式19。
权利要求
1.一种直接醇类燃料电池，包括由集流体、膜电极、密封件组合成的单体电池、紧固板和外壳，其特征是所述集流体上有阵列式通孔，集流体靠近膜电极的一侧有连接各通孔的直形或斜形沟槽，所述紧固板的内侧有m×n个阵列式凹腔，2≤m、n≤10，凹腔内部四周有台阶，集流体放置在台阶上，正极紧固板凹腔的底部有阵列式通孔，负极紧固板各凹腔中台阶以下的空腔之间有连接孔相连通，负极紧固板的一侧有与上述空腔相连的注液孔和排出孔，注液孔和排出孔的端口有安全阀。
2.按权利要求1所述的直接醇类燃料电池，其特征是所述集流体上阵列式通孔为圆孔、矩形孔、三角形孔、菱形孔或其它异形孔。
3.按权利要求1所述的直接醇类燃料电池，其特征是集流体与负极紧固板凹腔中台阶的接触处有密封胶或密封垫片。
4.按权利要求1所述的直接醇类燃料电池，其特征是外壳的上、下端面有通气孔，通气孔为圆孔、矩形孔、三角形孔、菱形孔、长条形孔或其它异形孔，外壳的侧面与紧固板相应处有注液孔、排出孔窗口和电源引出线。
5.一种直接醇类燃料电池的制作方法，其特征是按如下步骤进行第一步，根据负载要求计算电池输出功率，确定单体电池的面积和数量，用不锈钢板，石墨板或导电聚合物加工好带通孔和沟槽的集流体，按现有工艺制作相应数量的单体电池；第二步，根据单体电池的面积和数量，确定紧固板的结构和尺寸，采用有机玻璃、酚醛、环氧等热固性树脂，改性不锈钢板、镍板、镀镍钢板、镀金钢板或铝合金材料制作紧固板，负极紧固板上的安全阀装配后不露出紧固板外；第三步，将各单体电池分别镶嵌在紧固板的各个凹腔内，在各单体电池正负极集流体的极耳上或其侧面的螺孔中接上导线，根据负载要求将各单体电池串、并联起来；第四步，在单体电池另一侧加盖紧固板，其中负极紧固板与集流体接触处加密封胶或密封垫片，然后用螺栓将紧固板夹紧；第五步，将紧固后的电池放入电池外壳中并固定，外壳由喷漆钢板、不锈钢板、有机玻璃板、电木板或酚醛树脂板等材料制作，外壳一侧接上电源引出线；第六步，将醇类溶液通过电池外壳窗口和负极紧固板上的注液孔注入，储存在各单体电池负极紧固板的空腔中，然后盖好安全阀。
6.按权利要求5所述的直接醇类燃料电池的制作方法，其特征是所述安全阀采用开阀压力为10～50kpa的橡胶件安全阀或其它安全阀。
7.按权利要求5所述的直接醇类燃料电池的制作方法，其特征是紧固板厚1～15mm。
8.按权利要求5所述的直接醇类燃料电池的制作方法，其特征是壳体厚1～5mm。
9.按权利要求5所述的直接醇类燃料电池的制作方法，其特征是集流体厚0.1～5mm。
全文摘要
本发明涉及一种直接醇类燃料电池及其制作方法。其突出特点有(1)采取平面阵列式结构，即各单体电池分别镶嵌在紧固板各个空腔的台阶上。(2)各单体电池通过串并联来满足负载工作电压和电流的要求。(3)各个单体电池紧固板的负极一侧设有空腔，用来储存醇类溶液；这些空腔通过连接孔相互连通，并备有统一的醇类注液孔和排出孔；且在醇类注液孔和排出孔处设有安全阀，以便排出反应过程中产生的二氧化碳。(4)正极集流体和紧固板的正极一侧，刻有阵列式小孔以便空气进出。本发明提高了质子交换膜的利用率和电池生产效率，降低了生产成本，特别适合制作微型便携式电子设备所用的直接醇类燃料电池。
文档编号H01M8/10GK1487611SQ0315292
公开日2004年4月7日 申请日期2003年9月4日 优先权日2003年9月4日
发明者佘沛亮, 孙延先, 邵双喜, 陈怀林, 杨善基 申请人:江苏双登电源有限公司