专利名称：凝胶流动相方形直接乙醇燃料电池组的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池领域，特指一种凝胶流动相方形直接乙醇燃料电池组。
背景技术：
直接乙醇燃料电池(Direct Ethanol Fuel Cell, DEFC)直接使用液态乙醇作燃 料，且乙醇可由生物质(Biomass)通过发酵制得，来源丰富，毒性低，含氢量高， 是一种完全可再生的资源。DEFC具有能耗少、能量密度高、操作简单、噪声低 等优点，在小型独立电源、国防通讯、单兵作战武器电源以及移动电话、摄像机 和笔记本电脑电源等领域具有广阔的应用前景。因此，国内外很多高校、科研机 构和大公司均对DEFC研究开发投入了大量的人力和物力。目前研究的重点是新 型高温电解质膜及高催化活性和高选择性的电催化剂开发两方面，从而降低 DEFC的成本，提高DEFC的性能。
异形结构(多为方形和圆形)的DEFC，在用作便携式动力电池时，具有独特 的优点。在圆形DEFC研究上，国外有研究报道，但未有制作成电池组的报道。 同时也未见方形DEFC的相关报道。另夕卜，应用的DEFC广泛使用质子交换Nafion 膜，价格昂贵，并且有明显的乙醇渗透(Crossover)现象，使乙醇直接穿透Nafion 膜而流失，造成乙醇燃料大量损失，DEFC功率密度下降。同时乙醇燃料的渗透 会在电极产生反应，毒化阳极和阴极电催化剂，使电极活性降低。有关DEFC质 子交换膜方面的研究，取得了一些进展，文献表明，国外学者已开发出用于DEFC 的低渗透导质子复合电解质膜，显示出良好的导质子能力和低渗透率，但是仍没 有完全解决乙醇的渗透问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能有效解决乙醇的渗透问题，不使用质子交换 膜，结构合理且工作性能好的低成本方形直接乙醇燃料电池组。 本发明的技术解决方案是
一种凝胶流动相方形直接乙醇燃料电池组，其特征是包括电池外壳，内外 电极，外壳内设置外电极，外电极与外壳通过焊接点呈线接触式连接，在内电极 内侧与外壳和外电极与外壳之间设置上下贯通的空气室，内、外电池之间设置凝胶流动相室，其中凝胶流动相的制备成分(以重量计)如下:
C2H5OH 5 75%
H2S04 10 40%
H20 10 40%
混合酸 2 10%
导电聚合物和/或金属粉末 1 10%
金属有机化合物或金属盐 1 20%。
内、外电极均为热压式膜电极，由多孔钛板、阳极催化剂、凝胶流动相、阴 极催化剂、扩散层和多孔钛板依次复合而成，此处的凝胶流动相与上述电池组中 所述的凝胶流动相相同。
扩散层由多孔碳纤维纸或碳纤维布组成。
外壳为塑料、不锈钢或纯钛材料。
混合酸是全氟磺酸、磷钨酸、磷钼酸、硅钨酸或磷锡酸。
导电聚合物是聚苯胺或聚吡咯，金属粉末是Ag、 Au或Cu粉末。金属有机 化合物是钛酸酯类或硅酸酯类，金属盐是硅酸钠。
制备凝胶流动相时，以金属有机化合物或金属盐为前驱体，流动相中的乙醇 为分散介质，加入硫酸、水，经水解、縮聚反应形成溶胶(Sol)，并进一步掺杂混 合酸、聚合物或金属粉末制成凝胶流动相。
本发明以具有较高导质子、电子能力的凝胶(Gel)流动相取代目前普遍使用的 硫酸、乙醇液相电解质流动相，可以彻底解决乙醇渗透的问题，降低其对DEFC 阴极和阳极电催化剂的毒化，可以提高DEFC的性能；同时由于Gd流动相具有 较高的导质子和电子能力，起到了质子交换膜的作用。因此，在新型DEFC中可 以不使用质子交换膜，从而简化电池结构，大大降低其制造成本，可以推动DEFC 的市场化进程。
本发明电池组的特点(1)空气可以自吸式，也可以管道输入压縮空气和氧 气；(2)内、外电极可以采用热压式，阻抗小；(3)功率密度较高，6(TC条件下， 功率密度分别为15-25 W/cm2 (自呼吸)、20-30 mW/cm2 (氧气)；(4)不用双极
板，制造成本低；(5)不使用质子交换膜；(6)温度调节方便(空气室散热面积大， 散热速度快)；(7)电池组拆卸方便，有利于维修和更换组件；(8)电池组可以根 据需要增大和减小，用于不同的产业化目的。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 图1是本发明一个实施例的结构示图 图2是外电极结构示图 图3是内电极结构示图
1、电池外壳2、焊接点3、外电极4、内电极5、多孔钛板6、阳极催化 剂7、凝胶流动相8、阴极催化剂9、扩散层10、第二空气室11、凝胶流动相 室12、第一空气室13、第三空气室14、第四空气室15、第五空气室具体实施方式
实施例1
一种凝胶流动相方形直接乙醇燃料电池组，包括电池外壳l，外壳l内设置 外电极3、内电极4，外电极与外壳1通过焊接点2呈线接触连接，内电极与外 壳在两端连接，在内电极内侧设置上下贯通的第一空气室12，在外电极与外壳l 之间设置上下贯通的第二空气室ll、第三空气室13、第四空气室14、第五空气 室15。
内电极4与外电极3之间设置凝胶流动相室11，其中凝胶流动相的制备成
分(以重量计)如下
C2H5OH 20%
H2S04 40%
H20 15%
混合酸 5%
金属粉末 3%
金属有机化合物 17%。
混合酸是全氟磺酸；金属粉末是Cu;金属有机化合物是钛酸酯类。 内、外电极均为热压式膜电极，内电极由多孔钛板5、阳极催化剂6、凝胶 流动相7、阴极催化剂8、多孔碳纤维纸组成的扩散层9、多孔钛板5复合组成； 外电极依次由多孔钛板5、碳纤维布组成的扩散层9、阴极催化剂8、凝胶流动 相7、阳极催化剂6、多孔钛板5复合组成。内、外电极中的凝胶流动相组成和
制备方法同凝胶流动相室11的凝胶流动相。
上述凝胶流动相方形直接乙醇燃料电池组，其单池性能在1MCH3CH20H 和0.5MH2SO4条件下，氧气流量为20 ml/min， 60。C时，开路电压为633 mV， 最大功率密度为20mW/cm2 (不能比前面小)，自呼吸条件下最大功率密度为15 mW/cm2。国内外有关方型直接乙醇燃料电池的报道较少，只见到英国Newcastle 大学学者关于带有催化金属网阳极的直接乙醇燃料电池的报道，该燃料电池带有 双极板和质子交换膜(为普通平板型FC)，其单池性能在lMCH3CH2OH (卯 °C，流量为1 ml/min)条件下，通入氧气(背压为1 bar),开路电压约为650 mV， 最大功率密度约为16 mW/cm2。文献资料尚未发现空气自呼吸DEFC性能数据。 从以上看出，本发明提出的凝胶流动相方形直接乙醇燃料电池组对于现有技术来 说，其性能满足要求，具有有益的使用效果。 实施例2
凝胶流动相制备中各成分的重量配比为
C2H5OH 30%
H2S04 20%
H20 22%
混合酸 3%
导电聚合物 5%
金属有机化合物 20%。 混合酸是磷钨酸；导电聚合物是聚苯胺，其余同实施例l。 实施例3
凝胶流动相制备中各成分的重量配比为
C2H5OH 50%
H2S04 10%
H20 10%
混合酸 10%
导电聚合物 8%
金属盐 12%。 金属盐是硅酸钠，导电聚合物是聚吡咯，其余同实施例2。
实施例4
凝胶流动相制备中各成分的重量配比为
C2H5OH 70%
H2S04 10%
H20 10%
混合酸 3%
导电聚合物 1%
金属粉末 1%
金属有机化合物 5%。
混合酸是磷锡酸；导电聚合物是聚苯胺，金属粉末是Ag，金属有机化合物
权利要求
1.一种凝胶流动相方形直接乙醇燃料电池组，其特征是包括电池外壳(1)，电池外壳(1)内设置外电极(3)，外电极(3)与电池外壳(1)通过焊接点(2)呈线接触式连接，在内电极(4)内侧与电池外壳(1)和外电极(3)与电池外壳(1)之间设置上下贯通的空气室，内电极(4)与外电极(3)之间设置凝胶流动相室(11)，凝胶流动相的制备成分(以重量计)如下C2H5OH 5～75％H2SO4 10～40％H2O10～40％混合酸 2～10％导电聚合物和/或金属粉末1～10％金属有机化合物或金属盐 1～20％。
2、 根据权利要求1所述的凝胶流动相方形直接乙醇燃料电池组，其特征是内、外电极 均为热压式膜电极，由多孔钛板(5)、阳极催化剂(6)、凝胶流动相(7)、阴极催化剂(8)、 扩散层(9)和多孔钛板(5)依次复合而成。
3、 根据权利要求1所述的方形直接乙醇燃料电池组，其特征是电池外壳(1)为塑料、 不锈钢或纯钛材料。
4、 根据权利要求1所述的方形直接乙醇燃料电池组，其特征是内电极(4)内侧的贯 通空气室截面为方形。
5、 根据权利要求1所述的凝胶流动相方形直接乙醇燃料电池组，其特征是混合酸是全氟磺酸、磷钨酸、磷钼酸、硅钨酸或磷锡酸。
6、 根据权利要求1所述的凝胶流动相方形直接乙醇燃料电池组，其特征是导电聚合物是聚苯胺或聚吡咯，金属粉末是Ag、 Au或Cu粉末。
7、 根据权利要求1所述的凝胶流动相方形直接乙醇燃料电池组，其特征是金属有机化合物是钛酸酯类或硅酸酯类，金属盐是硅酸钠。
8、 根据权利要求2所述的凝胶流动相方形直接乙醇燃料电池组，其特征是扩散层(9)由多孔碳纤维纸或碳纤维布组成。
全文摘要
一种凝胶流动相方形直接乙醇燃料电池组，涉及燃料电池领域，其特征是包括电池外壳，内外电极，外壳内设置外电极，外电极与外壳通过焊接点呈线接触式连接，在内电极内侧与外壳和外电极与外壳之间设置上下贯通的空气室，内、外电池之间设置凝胶流动相室。本发明以具有较高导质子、电子能力的凝胶(Gel)流动相取代目前普遍使用的硫酸、乙醇液相电解质流动相，可以彻底解决乙醇渗透的问题，降低其对DEFC阴极和阳极电催化剂的毒化，可以提高DEFC的性能；同时由于Gel流动相具有较高的导质子和电子能力，起到了质子交换膜的作用。
文档编号H01M8/24GK101369669SQ200810156930
公开日2009年2月18日 申请日期2008年9月12日 优先权日2008年9月12日
发明者倪红军, 东 汤, 罗福强 申请人:江苏大学