一种直接甲醇燃料电池堆的制作方法

本发明涉及直接甲醇燃料电池技术领域，具体涉及一种直接甲醇燃料电池堆。

背景技术：

燃料电池产生的电能直接由原料本身的化学能直接转化而来，并且具有较高的能量密度、较低的环境污染性，再加上原料的丰富性等优势，受到了越来越多的关注。其中，相比属于质子交换膜燃料电池的氢燃料电池的氢原料制取成本高、储运危险以及使用条件苛刻等诸多因素，属于同类的直接甲醇燃料电池以甲醇为阳极原料，因其工作温度低（一般在室温工作）、理论比能量高、携带方便和使用安全等特点有着良好的应用前景，被业界认为是最有希望率先实现市场化的一类燃料电池。

对于阳极二氧化碳堵塞造成的“气淹”和阴极水堵塞造成的“水淹”，均属于产物管理问题，产物生成后，通过多孔气体扩散层进入到流场中，合适的多孔气体扩散层和流场结构将有助于产物及时有效脱离和排出，否则将会影响反应物的分布，甚至完全阻隔，无法为电化学反应提供基本的燃料供给，导致电池性能降低，甚至停止工作。因此，从这方面来讲，两极的产物管理问题是dmfc中一个亟待解决的部分，不容忽视。

目前，大部分的研究者在解决产物管理问题时的研究主体是集电板的结构，但大部分的探究是集中于被动式的直接甲醇燃料单电池，而对被动式的直接甲醇燃料电池堆的探究却较少，但后者中的产物管理相比前者而言更为重要，且存在更高的应用价值。与此同时，传统的集电板大多为二维结构，加工工艺繁琐，加工成本较高。再加上，传统集电板整体均为金属材料，导致电池堆重量增加的同时，使得电池内部的电阻也相应增大。本发明中，电池大部分的构成元件均采用环氧树脂材料，有效降低电池堆的重量和电池内阻。再者，拉伸网作为集电板的一部分，通过设备冲压变形而形成，成品零件呈三维结构。在加工过程中，拉伸网仅存在塑性变形，且无废料产生，省去传统加工的热处理、线切割、抛光等步骤，节省时间和经济成本。进一步地，拉伸网有利于阳极二氧化碳气体的排放，缓解阳极“气淹”。拉伸网亦有利于将阴极水滴形成水通道，缓解阴极“水淹”，因而更好地实现了全被动式的直接甲醇燃料电池堆。

技术实现要素：

为了可以有效地减轻电池堆的重量，有效地缓解阳极的“气淹”和阴极的“水淹”现象，从而更好实现全被动式燃料电池堆，并且减少电池的内阻，提高电池的输出性能，本发明公开了一种直接甲醇燃料电池堆。

一种直接甲醇燃料电池堆，电池堆中的各级单电池包括膜电极组件6、位于膜电极组件两侧的阳极集电板和阴极集电板、分别位于阳极集电板和阴极集电板外侧的阳极双极支撑板5和阴极支撑板4、位于电池堆两端的右侧阳极支撑板3和左侧阳极支撑板7；

电池堆还包括用于固定的螺栓组2、导电连接器8、注液装置1和外围电路控制系统；所述注液装置（1）位于导电连接器（8）的上方；所述的燃料电池电池堆上方为导电连接器和注液装置；所述的阳极集电板和阴极集电板为流场板与集电极的一体化，阳极集电板和阴极集电板均由金属导电引出框和导电鱼鳞状拉伸网组合而成。

优选的，膜电极组件包括阴阳极多孔气体扩散层、阴阳极催化层和质子交换膜。

优选的，所述的拉伸网具有三维结构，为一独立零件嵌入金属导电引出框内。

优选的，所述金属导电引出框和拉伸网的材料均为不锈钢316。

优选的，所述的拉伸网，既起到流场板的作用，均匀分配燃料，同时起到导电的作用，传导电子。

优选的，在阳极集电板中，拉伸网水平放置，粗糙一面贴于阳极侧的膜电极，阳极双极支撑板5中部采取五点圆柱体对拉伸网支撑；而在阴极集电板中，拉伸网竖直放置，与阳极集电板上的拉伸网相差90度，粗糙一面贴于阴极侧的膜电极，阴极支撑板中部采用平行肋条结构对拉伸网支撑。

优选的，所述的导电连接器8由印刷电路板12、弹性金属片11和单端输出接插件13组合而成；所述的导电连接器采用印刷电子技术工艺，在印刷电路板基础上，置有弹性金属片和单端输出接插件；所述金属导电引出框通过弹性金属片11与导电连接器8相通，各级单电池则可通过导电连接器8进行串联，并在印刷电路板12两端焊有单端输出接插件13，实现电路输出，以便负载的接入。

优选的，所述的阳极双极支撑板5和阴极支撑板4为环氧树脂材料。

优选的，在阳极双极支撑板5的中部，支撑结构为五点圆柱体，起支撑拉伸网的作用；在阴极支撑板4的中部，支撑结构为平行肋条，起支撑拉伸网的作用。

优选的，所述的阳极双极支撑板5为双极板，具有两级电池的支撑结构和燃料腔，并开有排气孔，内部贴有气液分离膜，防止燃料泄露且排放废气。

优选的，所述的外围电路控制系统的功能与电池的极化曲线相匹配，电池堆输出后，经过控制电路中的dc-dc变换单元与直流配电单元后输出至用电设备或储能设备，其中，控制电路中还包括巡检单元和电路保护单元。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、传统的集电板大多设计为二维结构，对电池堆产物管理效果的改善并不明显，同时由于其与膜电极接触面积过大而导致氧气、甲醇燃料的供给不足，造成电池性能改善不明显，而拉伸网具有三维结构，与膜电极接触面积大大减少，既能够改善产物管理的同时还能保证燃料的供给充分。

2、拉伸网与导电引出框两者组合形成集电板，避免了传统集电板重量大，耗材多而导致便携性差、电池内阻升高的缺点。

3、拉伸网作为集电板的一部分，通过设备冲压变形而形成，成品零件呈三维结构。在加工过程中，拉伸网仅存在塑性变形，且无废料产生，省去传统加工的热处理、线切割、抛光等步骤，节省时间和经济成本。

4、阳极双极支撑板和阴极支撑板均采用环氧树脂材料制作而成，原料容易获取，成本低廉，加工性好，达到绝缘的效果，防止电池内部短路的同时还大大减轻了电池的重量，达到轻量化、便携性的效果。

5、在电池堆上方，基于电子印刷术制作成导电连接器，在各个孔中，加入金属弹片，使得其与各级导电引出框紧密接触，减少接触电阻。

6、在电池堆上方的注液装置，在一定程度上缓解了逐级重复供给燃料的繁琐，达到一次性注液的目的。

附图说明

图1是电池堆整体俯视图；

图2是电池堆整体正视图；

图3是导电连接器背部示意图；

图4是阳极导电引出框的正视图、右视图。

图5是阴极导电引出框的正视图、右视图。

图6a、图6b分别是阴极支撑板的内部结构与外部结构示意图。

图7a、图7b分别是阳极支撑板的内部结构与外部结构示意图。

图8是鱼鳞状拉伸网正面（光滑面）示意图。

图9是鱼鳞状拉伸网反面（粗糙面）示意图。

图10是电池堆输出控制电路示意图。

具体实施方式

为进一步理解本发明，下面结合附图对本发明做进一步说明。但是需要说明的是，本发明要求保护的范围并不局限于以下实施例表述的范围。

本发明的膜电极组件6由膜电极和ptfe密封垫（厚度为0.2mm）组成。本实例中所有膜电极均为气体扩散电极，主要包括阳极气体扩散电极、阴极气体扩散电极和质子交换膜。其中，气体扩散电极由基底和催化层构成，基底又由支撑层和微孔层构成。支撑层采用日本toray公司的tgp-h-060型号燃料电池专用碳纸。微孔层主要成分为导电炭黑（vulcanxc72，美国e-tek），形成于支撑层一侧表面。催化剂粉末（美国johnsonmatthey）和适量异丙醇分析纯试剂混合、悬浮均匀后，形成催化剂浆料，将其均匀喷涂在微孔层表面，形成催化层。阳极为pt-ru催化剂，载量为4mg·cm^-2，阴极为pt催化剂，载量为2mg·cm^-2。质子交换膜采用美国dupont公司的商用nafion117型电解质膜。质子交换膜在使用前需要进行预处理，依次浸泡于体积分数5%的双氧水、去离子水、0.5mol·l^-1的稀硫酸溶液和去离子水中各1h，浸泡期间各溶液都处在80℃，以分别去除质子交换膜表面的有机物杂质、残留的双氧水试剂、金属杂质和残留的硫酸。预处理好后的质子交换膜浸泡于去离子水中保存，使用时取出放于空气中自然晾干。制备好的阳极气体扩散电极和阴极气体扩散电极将各自催化层一侧面对质子交换膜，并置于中间区域，放入热压机中，热压后形成膜电极，热压压力为10mpa，温度为120℃，时间为2min。制备后的膜电极放入密封样品袋中保存。

如图8与图9所示的拉伸网结构，拉伸网的正反面有着不同的结构特征，特别在节点处，正面连接节点较为平缓光滑，而反面连接节点却粗糙起伏。上述拉伸网通过冲压塑性变形而成，即一定厚度的不锈钢板从设备背面水平进入，设备中上下移动的刀具将进入的不锈钢板撕开切口并进行拉伸，刀具的形状和下移的距离决定了拉伸网网孔的形状，加工好的拉伸网便从设备正面持续挤出。根据文献，传统拉伸网可以通过如下元素来进行结构表征：长节距（longwayofmeshdimension，简称lwd）、短节距（shortwayofmeshdimension，简称swd）、梗宽（strandwidth，简称sw）和梗厚（strandthickness，简称st），附图中的拉伸网结构的部分尺寸如下，长节距为4mm，短节距为2.5mm、梗宽为1mm，梗厚为0.5mm，整体大小为60mm·60mm。

如图1、图2与图3所示，所述的燃料电池堆中，在阳极侧，拉伸网与阳极导电引出框10两者组合后置于阳极双极支撑板5中，阳极双极支撑板5中部采用五点式对阳极拉伸网进行支撑。其中，拉伸网水平放置于阳极导电引出框10中，并且其粗糙面贴向膜电极的一侧，此时的装配模式最有利于阳极的二氧化碳气泡的排放，从而缓解阳极气淹所造成的电池性能下降。而在阴极侧，拉伸网从阳极导电引出框9的水平位置旋转90度，竖直放置于阴极导电引出框9中，且粗糙面贴向膜电极一侧，此装配模式最有利阴水的排放，且因拉伸网的特殊结构加速了水通道的形成，降低流动阻力。此侧的拉伸网与阴极导电引出框9两者组合后置于阴极支撑板4中，而阴极支撑板4中部采用平行竖状肋对阳极拉伸网进行支撑。本发明的直接甲醇燃料电池堆采用分离式的集电板，避免了传统集电板重量大，耗材多而导致的电池内阻升高的缺点。阳极双极支撑板5上方分别加工出注液孔与出气孔，其中，出气孔用气液分离膜进行密封，从而防止漏液的同时平衡气压和排放二氧化碳废气。阳极双极支撑板5和阴极支撑板4均采用环氧树脂材料制作而成，原料容易获取，成本低廉，加工性好，并达到绝缘的效果，防止电池内部短路的同时还大大减轻了电池的重量。在电池堆的两端，分别设置有左侧阳极支撑板7和右极阳极支撑板3。各级单电池通过螺栓组2层叠组装从而形成电池堆，在电池堆上方，基于印刷电路板12，形成导电连接器8，并在印刷电路板12的各个孔中，加入金属弹片11，用以将印刷电路板12和导电引出框紧密连接，减少接触电阻。各级单电池通过导电连接器8进行串联，并在导电连接器8的两端加工有通孔焊盘，焊上单端输出接插件13便于外电路负载的连接。在导电连接器8的上方为注液装置1，注甲醇溶液于细长槽当中，燃料将输送到各级燃料腔体内，避免逐级重复添加燃料，待各级燃料腔注满，用胶塞将各孔进行密封即可。

本发明的阳极导电引出框的正视图、右视图如图4、图5所示；阴极支撑板的内部结构与外部结构示意图分别如图6a、图6b所示；阳极支撑板的内部结构与外部结构示意图分别如图7a、图7b所示。

燃料电池堆接入负载，即处于工作状态时，甲醇溶液通过拉伸网流场均匀分布，垂直穿过阳极多孔气体扩散层，进入到阳极催化层的区域。甲醇分子和水分子在阳极催化层中的催化剂作用下发生氧化反应，生成二氧化碳、氢离子和电子。二氧化碳气体在持续生成的反应压力下，整体上垂直通过阳极多孔气体扩散层，逆向于甲醇分子移动方向，返回阳极集电板中的拉伸网，二氧化碳气泡在浮力作用下凝聚、移动并排出阳极侧，氢离子穿过质子交换膜到达阴极催化层区域，而电子则经过集电板导出到电池外部，经导电连接器8传递到阴极侧，形成回路。与此同时，氧气通过阴极侧的拉伸网，进行平面分布，垂直于多孔气体扩散层进行传递，进入到阴极催化层的区域，与经质子交换膜传输过来的质子和经外部导线传递过来的电子在阴极催化层中的催化剂作用下，发生还原反应，生成的水以水蒸气或者液态水的形式穿过阴极多孔气体扩散层后，逆于氧气的移动方向，进入阴极集电板中的拉伸网，在重力和氧气气流的作用下排出阴极。燃料电池堆外围电路控制系统的功能与电池的极化曲线相匹配，如图10所示，电池堆输出后，经过dc-dc变换单元与直流配电单元后输出至用电设备或储能设备，其中，控制电路中还包括巡检单元和电路保护单元。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。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。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。