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CN200969373Y - 自呼吸式直接甲醇燃料电池 - Google Patents

自呼吸式直接甲醇燃料电池 Download PDF

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CN200969373Y CNU2006201115855U CN200620111585U CN200969373Y CN 200969373 Y CN200969373 Y CN 200969373Y CN U2006201115855 U CNU2006201115855 U CN U2006201115855U CN 200620111585 U CN200620111585 U CN 200620111585U CN 200969373 Y CN200969373 Y CN 200969373Y
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廖强
丁玉栋
朱恂
石泳
田鑫
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Abstract

一种自呼吸式直接甲醇燃料电池由固体电解质膜、所述固体电解质膜一个面上的阳极组件和所述固体电解质膜另一个面上的阴极组件构成,其特征在于:所述阳极组件由阳极集流板、导电毛细芯层、阳极扩散层和阳极催化层构成,其中,所述阳极集流板与导电毛细芯层连接,导电毛细芯层与阳极扩散层连接,阳极扩散层与阳极催化层连接;所述阴极组件由阴极催化层、阴极扩散层、阴极集流网和多孔保温层构成,其中,所述阴极催化层与阴极扩散层连接,阴极扩散层与阴极集流网连接,所述阴极集流网与所述多孔保温层连接;本实用新型能有效控制甲醇和二氧化碳的传递,使燃料中甲醇浓度可以大幅度提高,而不会造成甲醇渗透量的增加。

Description

自呼吸式直接甲醇燃料电池
技术领域
本实用新型涉及电池,具体涉及将甲醇或者甲醇水溶液作为燃料使用的自呼吸式直接甲醇燃料电池。
背景技术
直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,简称DMFC)是质子交换膜燃料电池的一种,以直接甲醇或者甲醇水溶液为阳极燃料,无需将甲醇或者甲醇水溶液重整为富氢气体的甲醇重整器装置,具有系统结构简单、体积能量密度高、燃料补充方便等特点,是最适合用于移动电源、车用电源等的燃料电池,也最有可能实现商业化。
目前已有的自呼吸式直接甲醇燃料电池单电池结构主要由阴极集流板、阳极集流板、阴极扩散层、阳极扩散层、阴极催化层、阳极催化层、固体电解质膜组成。
将一定浓度的燃料(一般不高于5M的甲醇溶液,根据操作压力和温度的不同,它们可以是液相或者气相)送到阳极,进入阳极流道,通过扩散作用进入阳极扩散层,到达阳极催化层,发生电催化反应,释放出电子,产生氢离子。阳极电化学反应其它生成物通过阳极扩散层回到阳极流道中形成阳极反应生成物及未反应物的混合物而排出;氢离子通过固体电解质膜传递到阴极催化层,在阴极催化层中与氧化剂中的氧反应,同时消耗相应的由外电路传到来的电子,反应生成物通过扩散由阴极扩散层进入阴极流道,形成阴极生成物及未反应物的混合物而排出;氧化剂在自然对流及浓差扩散的作用下到达阴极流道,通过阴极扩散层传递到阴极催化层,并发生电化学反应。电子从阳极(负极)经外电路转移到阴极(正极)形成直流电,其电极反应如下:
阳极反应:CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-      E=0.046V
阴极反应:3/2O2+6H++6e-→3H2O                  E=1.23V
总反应:CH3OH+3/2O2+H2O→CO2+3H2O   E=1.184V
在这一过程中,部分甲醇在扩散和水携带的作用下,从阳极渗透到阴极,在阴极催化层于氧气直接反应生成CO2和H2O。因此,只要不断地补充燃料,燃料电池就能不间断地运行,提供电能。
然而,在作为直接甲醇型燃料电池的使用过程中存在如下问题:阴极扩散层及流道暴露在空气中,反应产热很快散失到周围环境,电极反应温度只能是常温,电化学反应速度低,电池性能较差,供给阳极的甲醇未进行反应就通过电解质膜到达阴极,即存在较严重的甲醇渗透问题,不仅燃料利用率低,而且阴极的电位也降低,发电特性显著低下,同时甲醇浓度越高、工作温度越高,甲醇渗透越严重,为避免甲醇渗透造成电池性能的降低,现有燃料中甲醇浓度一般不高于5M,从而对单位能量密度的提高形成限制。
发明内容
针对上述已有技术存在的缺陷,本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种能提高电极反应温度,控制甲醇渗透量,大幅提高甲醇浓度的自呼吸式直接甲醇燃料电池。
为了解决上述技术问题,根据本实用新型的一个技术方案,一种自呼吸式直接甲醇燃料电池由固体电解质膜、所述固体电解质膜一个面上的阳极组件和所述固体电解质膜另一个面上的阴极组件构成,其特征在于:所述阳极组件由阳极集流板、导电毛细芯层、阳极扩散层和阳极催化层构成,其中,所述阳极集流板与导电毛细芯层连接,导电毛细芯层与阳极扩散层连接,阳极扩散层与阳极催化层连接,阳极催化层与固体电解质膜的一个面连接;所述阴极组件由阴极催化层、阴极扩散层、阴极集流网和多孔保温层构成,其中,所述阴极催化层与阴极扩散层连接,阴极扩散层与阴极集流网连接,所述阴极集流网与所述多孔保温层连接,阴极催化层与固体电解质膜的另一个面连接。
根据本实用新型所述的自呼吸式直接甲醇燃料电池的一个优选方案,导电毛细芯层与阳极扩散层和阳极催化层热压成一整体结构,阴极催化层、阴极扩散层、阴极集流网和多孔保温层热压成一整体结构,可以使电池模块化,结构简单,且便于封装,延长使用时间。
根据本实用新型所述的自呼吸式直接甲醇燃料电池的一个优选方案,所述阳极组件由阳极流场板、毛细芯层、阳极集流网、阳极扩散层和阳极催化层构成,所述阳极流场板与毛细芯层连接,毛细芯层与阳极集流网连接,阳极集流网与阳极扩散层连接,阳极扩散层与阳极催化层连接。
根据本实用新型所述的自呼吸式直接甲醇燃料电池的一个优选方案,毛细芯层、阳极集流网、阳极扩散层和阳极催化层热压成一整体结构。
根据本实用新型所述的自呼吸式直接甲醇燃料电池的一个优选方案,所述阴极集流网是网状结构。
本实用新型所述的自呼吸式直接甲醇燃料电池能有效控制甲醇和二氧化碳的传递,使燃料中甲醇浓度可以大幅度提高(接近采用分析纯),而不会造成甲醇渗透量的增加,从而提高了单位能量密度,对于携带相同质量或体积的燃料可以输出更多能量,工作更长时间;该实用新型内阻小,体积小,能减少电池的散热,提高电极反应温度,加快电极反应速度,从而提高电池性能;该实用新型结构简单,且便于封装,使用时间长,能广泛应用于移动电源、车用电源等领域。
附图说明
下面结合附图对本实用新型作详细说明。
图1是本实用新型所述的采用导电毛细芯层结构的自呼吸式直接甲醇燃料电池的结构示意图。
图2是本实用新型所述的采用阳极集流网结构的自呼吸式直接甲醇燃料电池的结构示意图。
具体实施方式
参见图1,图1是本实用所述的采用导电毛细芯层结构的自呼吸式直接甲醇燃料电池,由固体电解质膜8、所述固体电解质膜8一个面上的阳极组件和所述固体电解质膜8另一个面上的阴极组件构成,所述阳极组件由阳极集流板2、导电毛细芯层5、阳极扩散层6和阳极催化层7构成,其中,所述阳极集流板2与导电毛细芯层5连接,导电毛细芯层5与阳极扩散层6连接,阳极扩散层6与阳极催化层7连接,阳极催化层7与固体电解质膜8的一个面连接;所述阴极组件由阴极催化层9、阴极扩散层10、阴极集流网13和多孔保温层14构成,其中,所述阴极催化层9与阴极扩散层10连接,阴极扩散层10与阴极集流网13连接,所述阴极集流网13与所述多孔保温层14连接,阴极催化层9与固体电解质膜8的另一个面连接。其中,所述导电毛细芯层5可以采用经过憎水处理的金属泡沫材料压成微米级厚度,上面分布有多个孔,阳极集流板2采用诸如石墨、不锈钢等导电材料,所述导电毛细芯层5可以控制甲醇和二氧化碳的传递,使燃料中甲醇浓度可以大幅度提高(接近采用分析纯),而不会造成甲醇渗透量的增加,从而提高了单位能量密度,对于携带相同质量或体积的燃料可以输出更多能量,工作更长时间;多孔保温层14采用导热系数较低的诸如二氧化硅、陶瓷等保温透气材料,上面分布有多个孔,所述多孔保温层14可以减少电池的散热,提高电极反应温度,加快电极反应速度,从而提高电池性能,阴极集流网13可以降低内阻,减小占据的空间,降低对阴极氧化剂和阴极生成物及未反应物传递的阻碍。
其中,导电毛细芯层5与阳极扩散层6和阳极催化层7热压成一整体结构,阴极催化层9、阴极扩散层10、阴极集流网13和多孔保温层14热压成一整体结构,可以使电池模块化,结构简单,且便于封装,延长使用时间。
参见图2,图2是本实用新型所述的采用阳极集流网结构的自呼吸式直接甲醇燃料电池,其中阳极组件由阳极流场板16、毛细芯层17、阳极集流网15、阳极扩散层6和阳极催化层7构成,所述阳极流场板16与毛细芯层17连接,毛细芯层17与阳极集流网15连接,阳极集流网15与阳极扩散层6连接,阳极扩散层6与阳极催化层7连接;所述阳极流场板16可以采用不导电又易成型的硬质塑料,可以降低成本,所述毛细芯层17可以采用经过憎水处理的高分子材料,上面分布有多个孔,所述毛细芯层17可以控制甲醇和二氧化碳的传递,使燃料中甲醇浓度可以大幅度提高(接近采用分析纯),而不会造成甲醇渗透量的增加。
其中,毛细芯层17、阳极集流网15、阳极扩散层6和阳极催化层7热压成一整体结构。
其中,所述阴极集流网13是网状结构。
参见图1,将一定浓度的燃料1送到阳极,进入阳极流道3,通过扩散作用进入由一层很薄的电子良导体构成的导电毛细芯层5,导电毛细芯层5控制甲醇和二氧化碳的传递,逐渐进入阳极扩散层6和阳极催化层7,发生电催化反应,释放出电子,产生氢离子。阳极电化学反应其它生成物通过阳极扩散层6回到阳极流道3中形成阳极反应生成物及未反应物4的混合物而排出;氢离子通过固体电解质膜8传递到阴极催化层9,在阴极催化层9中与氧化剂11中的氧反应,同时消耗相应的由外电路传到来的电子,反应生成物通过扩散由阴极扩散层10进入阴极流道13及多孔保温层14,形成阴极生成物及未反应物12的混合物而排出;氧化剂在自然对流及浓差扩散的作用下到达阴极集流网13,通过阴极扩散层10传递到阴极催化层9,并发生电化学反应。
参见图2,将一定浓度的燃料1送到阳极,进入阳极流道3,通过扩散作用进入由一层很薄的电子良导体构成的毛细芯层17,阳极集流网15收集电流,因而对阳极流场板16和毛细芯层17的要求降低,不再要求其导电性,毛细芯层17控制甲醇和二氧化碳的传递,逐渐进入阳极集流网15、阳极扩散层6和阳极催化层7,发生电催化反应,释放出电子,产生氢离子,阳极电化学反应其它生成物通过阳极扩散层6回到阳极流道3中形成阳极反应生成物及未反应物4的混合物而排出;氢离子通过固体电解质膜8传递到阴极催化层9,在阴极催化层9中与氧化剂11中的氧反应,同时消耗相应的由外电路传到来的电子,反应生成物通过扩散由阴极扩散层10进入阴极流道13,形成阴极生成物及未反应物12的混合物而排出;氧化剂在自然对流及浓差扩散的作用下到达阴极集流网13,通过阴极扩散层10传递到阴极催化层9,并发生电化学反应。

Claims (5)

1、一种自呼吸式直接甲醇燃料电池,由固体电解质膜(8)、所述固体电解质膜(8)一个面上的阳极组件和所述固体电解质膜(8)另一个面上的阴极组件构成,其特征在于:
所述阳极组件由阳极集流板(2)、导电毛细芯层(5)、阳极扩散层(6)和阳极催化层(7)构成,其中,所述阳极集流板(2)与导电毛细芯层(5)连接,导电毛细芯层(5)与阳极扩散层(6)连接,阳极扩散层(6)与阳极催化层(7)连接,阳极催化层(7)与固体电解质膜(8)的一个面连接;
所述阴极组件由阴极催化层(9)、阴极扩散层(10)、阴极集流网(13)和多孔保温层(14)构成,其中,所述阴极催化层(9)与阴极扩散层(10)连接,阴极扩散层(10)与阴极集流网(13)连接,所述阴极集流网(13)与所述多孔保温层(14)连接,阴极催化层(9)与固体电解质膜(8)的另一个面连接。
2、根据权利要求1所述的自呼吸式直接甲醇燃料电池,其特征在于:导电毛细芯层(5)与阳极扩散层(6)和阳极催化层(7)热压成一整体结构,阴极催化层(9)、阴极扩散层(10)、阴极集流网(13)和多孔保温层(14)热压成一整体结构。
3、根据权利要求1所述的自呼吸式直接甲醇燃料电池,其特征在于:所述阳极组件由阳极流场板(16)、毛细芯层(17)、阳极集流网(15)、阳极扩散层(6)和阳极催化层(7)构成,所述阳极流场板(16)与毛细芯层(17)连接,毛细芯层(17)与阳极集流网(15)连接,阳极集流网(15)与阳极扩散层(6)连接,阳极扩散层(6)与阳极催化层(7)连接。
4、根据权利要求3所述的自呼吸式直接甲醇燃料电池,其特征在于:毛细芯层(17)、阳极集流网(15)、阳极扩散层(6)和阳极催化层(7)热压成一整体结构。
5、根据权利要求1或2或3或4所述的自呼吸式直接甲醇燃料电池,其特征在于:所述阴极集流网(13)是网状结构。
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