专利名称：一种阵列管式自呼吸直接甲醇燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及属于清洁能源领域，尤其涉及一种阵列管式自呼吸直接甲醇燃料电池系统。
背景技术：
燃料电池作为一种不经燃烧过程的低污染、高效的发电装置，是21世纪未来的第四代主要发电技术。被动式直接甲醇燃料电池(DMFC)以其系统结构简单、体积能量密度高、运行可靠及燃料补充方便等优点，特别适合用作各种用途的移动式或可携带式的电源。 管状结构的DMFC由于其具有电极反应面积大于平板型以及密封简单等优势，其应用在便携式电源方面有着特有的优势。近年来，国内外都出现过对于管状直接甲醇燃料电池的研究报道，文献显示国外的研究多集中在单池的性能上，且多采用价格昂贵的阴阳极材料。国内山东理工大学报道了一种新型管状空气自呼吸直接甲醇燃料电池，但是未有组成电池组的报道；南通大学报道的圆形直接甲醇燃料电池，其复杂的阴阳极结构对于电池的微型化以及提升电池的比功率密度都不利。总结起来，现有的管状直接甲醇燃料电池，多停留在单池设计的阶段，对电池组的组装以及后续的输出控制等问题未能得到综合的考虑和有效的解决；降低成本、提升电池的性能尤其是提高电池的比功率密度是一个系统化的工作， 整体化的设计理念已经得到了已经为人们所共识。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种结构简单、性能可靠的、效率高的阵列管式自呼吸直接甲醇燃料电池系统。本发明通过下述技术方案实现—种阵列管式自呼吸直接甲醇燃料电池系统，包括基板、电池组及其运行系统，所述电池组有多个电池单池模块构成，所述电池单池模块由外到内依次包括阴极极板层、阴极扩散层、膜电极、阳极扩散层、阳极极板层，所述阳极极板层的周壁均勻分布有贯穿孔；所述阳极极板层的一端设置有聚四氟乙烯绝缘盖，阳极极板层的另一端设置有聚四氟乙烯绝缘环，所述阳极极板层与阴极极板层之间相互绝缘，所述阴极极板层与阳极极板层之间由外至里依次包括阴极扩散层、膜电极和阳极扩散层，所述膜电极的一面通过阴极密封垫片与阳极极板层的端部密封，所述膜电极的另一面通过阳极密封垫片与阴极极板层的端部密封。所述多个电池单池模块阵列安装，具体是按照行列的划分阵列安装在基板上，其中同一列的电池单池模块之间是串联连接，各列之间并联连接。所述电池单池模块通过单池安装支座设置在基板上，所述单池安装支座包括支座接口、设置在支座接口底部的绝缘底座、设置在绝缘底座中部的压紧弹簧和阴极板，在支座接口的底部还设置有阴极引脚和阳极引脚，压紧弹簧与阳极引脚连接，电池单池模块的阴极、阳极分别与阴极引脚和阳极引脚连接，所述电池单池模块的外壁设置有凸耳，凸耳与支座接口的卡口卡合，压紧弹簧与电池单池模块的阳极相抵并电接触。所述运行系统包括参数显示装置、数据采集控制单元、系统运行开关、DC/DC单元。阳极极板层为不锈钢圆筒结构，所述阳极极板层的周壁均勻分布有贯穿孔，该贯穿孔的形状为圆形、方形或者六边形中的一种。所述的数据采集控制单元包括ARM单片机、数据采集芯片、电压电流传感器、温度传感器。所述阴极极板层的一端外部套设有上缩紧卡箍，阴极极板层的另一端外部套设有下缩紧卡箍。所述阳极扩散层和阴极扩散层采用炭布或者不锈钢纤维毡制成。所述电池单池模块通过单池安装支座固定在基板上，所述单池安装支座为弹簧卡合结构。所述运行系统还包括系统运行开关、接线端；所述基板为PCB板。与现有技术相比本发明的有益效果在于本发明由内外两层圆柱形不锈钢管状结构，构成阳极极板层和阴极极板层，同时内层阳极极板层又是甲醇溶液储液腔和单池的结构支撑，外层阴极极板层兼做单池的紧固装置，结构功能的复用极大提高了单池模块的紧凑性；一体化设计的基板，电池单池通过的安装支座将其与基板连接，使电池组拆装方便灵活。并运用布线技术将各单池根据系统输出设计需要实现串/并联连接的电池组的功能。同时集成了 DC/DC转换单元和运行参数监控单元可以将电池组的输出稳压到可调节的设计输出并实时监控系统的电压、电流等运行参数。该系统采用整体化的设计理念，通过电池单池结构上的创新和模块化设计，同时将各电池单池的安装、连接、输出稳压以及参数监控功能集成化设计在一块PCB板上，实现了组装方便、结构紧凑、功能集成、功率设计灵活、比功率高的直接甲醇燃料电池系统。阴极极板层的一端外部套设有上缩紧卡箍，阴极极板层的另一端外部套设有下缩紧卡箍，采用卡箍式锁紧结构，电池单池组装方便。本发明专利采用模块化构造，配合特殊设计的基板可以很容易实现电池之间的串并联连接和电池组功率的扩展。本发明专利采用结构功能复用的设计，舍弃了传统的电池两极的支撑、紧固等结构，简化了电池结构，降低了电池成本，提高了电池的比功率密度。本发明系统集成了数据采集控制单元，稳压控制以及运行监控单元，具有高集成度；同时数据采集控制单元应用了 ARM单片机及其外围电路进一步智能化的升级提供了基石出。
图1为本发明阵列管式自呼吸直接甲醇燃料电池系统的结构示意图；图2为本发明阵列管式自呼吸直接甲醇燃料电池系统的功能原理图；图3为本发明阵列管式自呼吸直接甲醇燃料电池系统电池单池模块的剖视结构示意图；图4为本发明电池单池模块的阳极极板层结构示意图5为本发明电池单池模块的阴极极板层结构示意图；图6为本发明电池单池模块与安装支座的装配示意图；图7为本发明安装支座的结构示意图；图8为本发明DC/DC单元的电路原理图。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。实施例如图1所示，本发明阵列管式自呼吸直接甲醇燃料电池系统，包括基板7 (为PCB 板)、电池组及其运行系统，所述电池组有多个电池单池模块1构成。如图3所示，所述电池单池模块1由外到内依次包括阴极极板层21 (图5为结构立体图)、阴极扩散层23、膜电极 24、阳极扩散层25、阳极极板层观(图4为结构立体图)，所述阳极极板层观的周壁均勻分布有贯穿孔；所述阳极极板层观的一端设置有聚四氟乙烯绝缘盖27，阳极极板层观的另一端设置有聚四氟乙烯绝缘环26，所述阳极极板层观与阴极极板层21之间相互绝缘，所述阴极极板层21与阳极极板层观之间由外至里依次包括阴极扩散层23、膜电极M和阳极扩散层25，所述膜电极M的一面通过阴极密封垫片四与阳极极板层观的端部密封，所述膜电极M的另一面通过阳极密封垫片30与阴极极板层21的端部密封。如图5所示，为组装方便，该阴极极板层21可采用两瓣式拼接结构。如图4所示。阳极极板层观由具有一定厚度的不锈钢棒经过车削加工出筒状储液腔结构，综合考虑阳极极板层观结构强度以及传质效果等因素在其与膜电极M的有效反应区对应的区域，其贯穿孔可在按照一定的开孔率(45% -60% )及开孔形状(圆形、方形、六边形)均勻分布。阳极极板层观的内壁同时具有甲醇水溶液容腔、积流板和单池的结构支撑的功能。阳极极板层观的周壁上预留一定面积的非反应区(不打孔)作为膜电极M的接头密封区域。一定浓度(1摩尔每升一2摩尔每升)的甲醇水溶液通过阳极极板层观上的贯穿孔同阳极扩散层25接触。紧贴阳极极板层观内层的阳极扩散层25，由具有良好韧性的多孔毛细介质构成，如炭布或毛细金属纤维毡，并经过一定疏水性预处理。质子交换膜膜电极M为Nafionl 15热压一体膜电极，为防止膜电极在折弯过程中造成扩散层的折断或者催化层的散落、破坏，膜电极M进行弯曲热压处理。在其外为阴极扩散层23， 结构上与阳极扩散层25相似，但经不同的预处理具有一定亲水性。阴极极板层21在最外层，通过上缩紧卡箍22、下缩紧卡箍31锁紧给于电池单池模块1的多层结构一定机械预紧力使各层之间紧密接触实现密封。聚四氟乙烯绝缘环26隔绝阳极极板层观和阴极极板层 21，防止他们短路。不导电材料制成的聚四氟乙烯绝缘盖27，其密封内腔作为甲醇容腔，在燃料电池中灌注甲醇后密封，即可构成一燃料电池单池。如图1，多个电池单池模块1，可按照行列的划分阵列安装在基板7上，其中同一列的电池单池模块1之间是串联连接，各列之间并联连接。或者根据系统输出设计需要确定连接方法。如图6、图7所示，所述电池单池模块1通过单池安装支座2设置在基板1上，所述单池安装支座2包括支座接口 41、设置在支座接口 41底部的绝缘底座42、设置在绝缘底座42中部的压紧弹簧43和阴极板44，在支座接口 41的底部还设置有阴极引脚45和阳极引脚46，压紧弹簧43与阳极引脚46连接，电池单池模块1的阴极、阳极分别与阴极引脚45 和阳极引脚46连接，所述电池单池模块1的外壁设置有凸耳47，凸耳47与支座接口 41的卡口 48卡合，压紧弹簧43与电池单池模块1的阳极相抵并电接触。这种结构的支座2，可以方便灵活的安装和拆卸电池单池1，牢固并电接触可靠。如图1。所述运行系统包括参数显示装置4、数据采集控制单元6、系统运行开关 3、DC/DC单元5 (图8为DC/DC单元电路原理图)。所述的数据采集控制单元6包括ARM单片机、数据采集芯片、电压电流传感器、温度传感器、系统运行开关3、接线端8。运行系统启动，参数显示装置4实时监控系统的运行参数，同时可以通过外围电路的改变、程序的更新，实现功能的扩展、升级(可以引入单列电压、电流监测、电池单池温度监测、甲醇浓度监测，系统运行过程中的自诊断以及故障报警的等功能)，提高系统的智能化。在各电池单池模块中加注甲醇水溶液后，打开系统运行开关3则DC/DC单元5、数据采集控制单元6开始工作，OUTPUT接线端8提供给外部负载可调、稳定的输出。整个系统的功能原理如图2所
7J\ ο如上所述便可较好地实现本发明。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种阵列管式自呼吸直接甲醇燃料电池系统，包括基板、电池组及其运行系统，其特征在于所述电池组有多个电池单池模块构成，所述电池单池模块由外到内依次包括阴极极板层、阴极扩散层、膜电极、阳极扩散层、阳极极板层，所述阳极极板层的周壁均勻分布有贯穿孔；所述阳极极板层的一端设置有聚四氟乙烯绝缘盖，阳极极板层的另一端设置有聚四氟乙烯绝缘环，所述阳极极板层与阴极极板层之间相互绝缘，所述阴极极板层与阳极极板层之间由外至里依次包括阴极扩散层、膜电极和阳极扩散层，所述膜电极的一面通过阴极密封垫片与阳极极板层的端部密封，所述膜电极的另一面通过阳极密封垫片与阴极极板层的端部密封。
2.根据权利要求1所述的阵列管式自呼吸直接甲醇燃料电池系统，其特征在于所述多个电池单池模块阵列安装，具体是按照行列的划分阵列安装在基板上，其中同一列的电池单池模块之间是串联连接，各列之间并联连接。
3.根据权利要求2所述的阵列管式自呼吸直接甲醇燃料电池系统，其特征在于所述电池单池模块通过单池安装支座设置在基板上，所述单池安装支座包括支座接口、设置在支座接口底部的绝缘底座、设置在绝缘底座中部的压紧弹簧和阴极板，在支座接口的底部还设置有阴极引脚和阳极引脚，压紧弹簧与阳极引脚连接，电池单池模块的阴极、阳极分别与阴极引脚和阳极引脚连接，所述电池单池模块的外壁设置有凸耳，凸耳与支座接口的卡口卡合，压紧弹簧与电池单池模块的阳极相抵并电接触。
4.根据权利要求3所述的阵列管式自呼吸直接甲醇燃料电池系统，其特征在于所述运行系统包括参数显示装置、数据采集控制单元、系统运行开关、DC/DC单元。
5.根据权利要求4所述的阵列管式自呼吸直接甲醇燃料电池系统，其特征在于阳极极板层为不锈钢圆筒结构，所述阳极极板层的周壁均勻分布有贯穿孔，该贯穿孔的形状为圆形、方形或者六边形中的一种。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的阵列管式自呼吸直接甲醇燃料电池系统，其特征在于所述的数据采集控制单元包括ARM单片机、数据采集芯片、电压电流传感器、温度传感器，所述。
7.根据权利要求6所述的阵列管式自呼吸直接甲醇燃料电池系统，其特征在于所述阴极极板层的一端外部套设有上缩紧卡箍，阴极极板层的另一端外部套设有下缩紧卡箍。
8.根据权利要求6所述的阵列管式自呼吸直接甲醇燃料电池系统，其特征在于所述阳极扩散层和阴极扩散层采用炭布或者不锈钢纤维毡制成。
9.根据权利要求6所述的阵列管式自呼吸直接甲醇燃料电池系统，其特征在于所述基板为PCB板。
10.根据权利要求6所述的阵列管式自呼吸直接甲醇燃料电池系统，其特征在于所述运行系统还包括系统运行开关、接线端。
全文摘要
本发明公开了一种阵列管式自呼吸直接甲醇燃料电池系统，包括基板、电池组及其运行系统，电池组有多个电池单池模块构成，电池单池模块由外到内依次包括阴极极板层、阴极扩散层、膜电极、阳极扩散层、阳极极板层，阳极极板层的周壁均匀分布有贯穿孔；该系统采用整体化的设计理念，通过电池单池结构上的创新和模块化设计，同时将各单池的安装、连接、输出稳压以及参数监控功能集成化设计在一块PCB母板上，实现了组装方便、结构紧凑、功能集成、功率设计灵活、比功率高的直接甲醇燃料电池系统。
文档编号H01M2/20GK102306816SQ20111016998
公开日2012年1月4日 申请日期2011年6月22日 优先权日2011年6月22日
发明者付婷, 汤勇 申请人:华南理工大学