一种增强阴极水反补阳极能力的被动式直接甲醇燃料电池

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，涉及一种增强阴极水反补阳极能力的被动式直接甲醇燃料电池。

背景技术

燃料电池以电化学方式直接将化学能转化为电能，能量转化效率高，环境友好，几乎不排放氮的氧化物和硫的氧化物，作为可移动电源和便携式电源有着广泛的应用前景。由于这些突出的优越性，燃料电池技术的研究和开发备受各国政府的重视。

被动式直接甲醇燃料电池依靠浓度梯度扩散和自然对流来提供燃料和氧化剂，省去了辅助设备，简化了电池结构。同时由于电池内甲醇存储总量有限，电池的理论发电量受甲醇浓度影响较大，为获得更高的发电量，往往采用较高浓度的甲醇作为燃料。电池阴极反应生成的液态水随着时间的推移会缓慢累积，形成水淹，最终阻挡氧气的传质。电池阳极需要一定量的水参与电极反应、降低局部甲醇浓度，防止大量甲醇未经反应而穿过质子交换膜到达阴极，或阳极催化剂中毒。

聚乙烯醇薄膜是一种水溶性的亲水的有机高分子聚合物薄膜，通过化学试剂或物理手段进行交联后可降低其水溶性。聚乙烯醇薄膜具有优先透水性，能透过水蒸气，很难透过醇蒸气、氧气、二氧化碳，可用于醇水分离等用途。

发明内容

一种增强阴极水反补阳极能力的被动式直接甲醇燃料电池，其特征在于，该电池是质子交换膜燃料电池单电池，其结构包括甲醇溶液存储腔1、穿孔板3、蒸气腔4、绝缘垫片7、阳极集流板6、复合膜电极8、阴极集流板9、阴极空气自呼吸腔10，各部件的中心是同轴的，各部件利用四角和边上的孔12通过绝缘螺栓和螺母进行连接和固定。

甲醇溶液存储腔1与穿孔板3相邻的表面上有一个槽1-3，槽1-3内放置渗透汽化膜2，槽1-3的大小和深度与渗透汽化膜2的尺寸相等。改变穿孔板3的开孔率可以改变阳极反应物的流量。

复合膜电极8包括六个部分，分别为阳极扩散层8-1、阳极催化层8-2、质子交换膜8-3、阴极催化层8-4、阴极扩散层8-5、聚乙烯醇膜8-6。阳极扩散层8-1、阳极催化层8-2、质子交换膜8-3、阴极催化层8-4、阴极扩散层8-5的长宽相等，逐层依次压紧在一起。聚乙烯醇膜8-6在四周，阳极扩散层8-1、阳极催化层8-2、质子交换膜8-3、阴极催化层8-4、阴极扩散层8-5构成的整体在中心，聚乙烯醇膜8-6内部的侧面边界与中心的各层的外部侧面边界用Nafion乳液粘接，紧密相连，不留缝隙。聚乙烯醇膜8-6的厚度与阳极扩散层8-1、阳极催化层8-2、质子交换膜8-3、阴极催化层8-4、阴极扩散层8-5构成的整体的厚度相等。

阴极集流板9包括氧气通道9-1、脊9-2和收集电流的孔9-3。氧气通道9-1和脊9-2互相平行，交错布置，组成阴极流场。氧气通道9-1是两面贯通的，通道长度大于阴极扩散层8-5的长度，阴极流场总宽度大于阴极扩散层8-5的宽度。

阳极集流板6包括甲醇通道6-1、脊6-2、水流道6-3和收集电流的孔6-4，靠近复合膜电极8的一面(称为正面)上有甲醇通道6-1、脊6-2、水流道6-3，与正面相对的另一面(称为背面)上有甲醇通道6-1。在正面上开槽形成的水流道6-3深度是阳极集流板6厚度的一半，所有流道范围内未开槽的部分称为脊6-2，水流道6-3和脊6-2互相平行，交错布置。各个平行的水流道6-3两端通过一根垂直的流道联通，水流道6-3的长度大于阳极扩散层8-1的长度。在部分脊6-2的中央再开两面贯通的槽作为甲醇通道6-1，甲醇通道6-1的长度与阳极扩散层8-1长度相等，包含所有甲醇通道6-1的区域宽度与阳极扩散层8-1宽度相等。甲醇通道6-1、脊6-2、水流道6-3共同组成阳极流场。

阴极空气自呼吸腔10上有自呼吸通孔10-1和槽10-2。阴极水管理层11放置在槽10-2内。自呼吸通孔10-1的面积小于阴极水管理层11的面积。槽10-2的大小和深度与阴极水管理层11相等。阴极水管理层11是进行疏水处理的。

进一步，蒸气腔4使用透明的有机玻璃作为材料，上部有一个排放阳极反应产生的二氧化碳的孔5。

进一步，阳极扩散层8-1是经过亲水处理的，聚乙烯醇膜8-6在工作温度下在水和/或甲醇中不溶解。

进一步，阴极流场和阳极流场的尺寸相等。改变氧气通道9-1宽度和脊9-2宽度可以改变阴极的反应物流量。改变甲醇通道6-1和脊6-2的宽度可以改变阳极反应物的流量。

一种为被动式直接甲醇燃料电池燃料存储腔添加燃料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将甲醇溶液存储腔1和穿孔板3一起卸下；

步骤2，卸下穿孔板3，替换为不透过甲醇的实心板；

步骤3，卸下甲醇溶液存储腔底板1-1，再直接注入甲醇；

步骤4，重新装配甲醇溶液存储腔底板1-1；

步骤5，卸下替换的板重新换为穿孔板3；

步骤6，重新组装电池。

在以上所有步骤中，全过程中可使开口向上，避免燃料泄漏或流出。

本发明提出的一种增强阴极水反补阳极能力的被动式直接甲醇燃料电池结构能够增强阴极水反补阳极的能力，将阴极生成的水输回阳极，解决阴极水淹的问题、改善阳极缺水的情况；降低阳极甲醇浓度、缓解阳极甲醇穿透的问题、减缓阳极催化剂中毒的速度；保证质子交换膜的含水量；提升燃料电池的输出功率、能量转化率和使用寿命。使得直接甲醇燃料电池能够使用较高浓度甲醇溶液或纯甲醇作为燃料正常工作，提升电池的总发电量。使用全密封式的燃料储存腔，避免了燃料泄漏的问题。

附图说明

图1是本发明的增强阴极水反补阳极能力的被动式直接甲醇燃料电池结构示意图；

图中：1甲醇溶液存储腔；2渗透汽化膜；3穿孔板；4蒸气腔；5二氧化碳排放孔；7绝缘垫片；6阳极集流板；8复合膜电极；9阴极集流板；10阴极空气自呼吸腔；11阴极水管理层；12连接孔。

图2是本发明的增强阴极水反补阳极能力的被动式直接甲醇燃料电池甲醇溶液存储腔1结构示意图；

图中：1-1甲醇溶液存储腔底板；1-2甲醇溶液存储腔侧壁；1-3槽。

图3是本发明的增强阴极水反补阳极能力的被动式直接甲醇燃料电池阳极集流板正面结构示意图；

图中：6-1甲醇通道；6-2脊；6-3水流道；6-4收集电流的孔。

图4是本发明的增强阴极水反补阳极能力的被动式直接甲醇燃料电池阳极集流板背面结构示意图。

图5是本发明的增强阴极水反补阳极能力的被动式直接甲醇燃料电池复合膜电极结构前视示意图。

图6是本发明的增强阴极水反补阳极能力的被动式直接甲醇燃料电池复合膜电极剖面图和局部放大图；

图中：8-1阳极扩散层；8-2阳极催化层；8-3质子交换膜；8-4阴极催化层；8-5阴极扩散层；8-6聚乙烯醇膜。

图7是本发明的增强阴极水反补阳极能力的被动式直接甲醇燃料电池阴极集流板结构示意图；

图中：9-1氧气通道；9-2脊；9-3收集电流的孔。

图8是本发明的增强阴极水反补阳极能力的被动式直接甲醇燃料电池阴极空气自呼吸腔结构示意图；

图中：10-1自呼吸通孔；10-2槽。

具体实施方式

如图1所示一种增强阴极水反补阳极能力的被动式直接甲醇燃料电池，包括甲醇溶液存储腔1、穿孔板3、蒸气腔4、绝缘垫片7、阳极集流板6、复合膜电极8、阴极集流板9、阴极空气自呼吸腔10，各部件之间利用孔12通过绝缘螺栓和螺母进行连接和固定。

如图5、图6所示复合膜电极8包括六个部分，分别为阳极扩散层8-1、阳极催化层8-2、质子交换膜8-3、阴极催化层8-4、阴极扩散层8-5、聚乙烯醇膜8-6。阳极扩散层8-1、阳极催化层8-2、质子交换膜8-3、阴极催化层8-4、阴极扩散层8-5的长宽相等，逐层依次压紧在一起。聚乙烯醇膜8-6与阳极扩散层8-1、阳极催化层8-2、质子交换膜8-3、阴极催化层8-4、阴极扩散层8-5的整体在同一平面内，聚乙烯醇膜8-6在四周，阳极扩散层8-1、阳极催化层8-2、质子交换膜8-3、阴极催化层8-4、阴极扩散层8-5的整体在中心，聚乙烯醇膜8-6内部的侧面边界与中心的各层的外部侧面边界用Nafion乳液粘接，紧密相连，不留缝隙。聚乙烯醇膜8-6的厚度与其余五部分整体的厚度相等，防止反应物从侧面泄漏。改变阴极流场面积和阴极扩散层8-5的面积可以改变等于两者差值的聚乙烯醇膜8-6有效面积，进而改变受浓度梯度作用从阴极穿过复合膜电极8到达阳极的水流量。

如图7所示阴极集流板9包括氧气通道9-1、脊9-2和收集电流的孔9-3。氧气通道9-1和脊9-2互相平行，交错布置，组成阴极流场。氧气通道9-1是两面贯通的，通道长度大于阴极扩散层8-5的长度，阴极流场总宽度大于阴极扩散层8-5的宽度。在阴极集流板9靠近阴极空气自呼吸腔10的一侧有绝缘垫片7防止电流通过。

如图3、图4所示阳极集流板6包括甲醇通道6-1、脊6-2、水流道6-3和收集电流的孔6-4，靠近复合膜电极8的一面(称为正面)上有甲醇通道6-1、脊6-2、水流道6-3，与正面相对的另一面(称为背面)上有甲醇通道6-1。在正面上开槽形成的水流道6-3深度是阳极集流板6厚度的一半，所有流道范围内未开槽的部分称为脊6-2，水流道6-3和脊6-2互相平行，交错布置。各个平行的水流道6-3两端通过一根垂直的流道联通。在部分脊6-2的中央再开两面贯通的槽作为甲醇通道6-1，甲醇通道6-1的长度与阳极扩散层8-1长度相等，包含所有甲醇通道6-1的区域宽度与阳极扩散层8-1宽度相等。甲醇通道6-1、脊6-2、水流道6-3共同组成阳极流场。在阳极集流板6和蒸气腔4之间有绝缘垫片7防止电流通过。

当阴极催化层8-4产生的水离开阴极扩散层8-5时，首先进入氧气通道9-1的中央部分，接着沿流道向两端流动，在聚乙烯醇膜8-6两侧水浓度差和压力差的控制下经聚乙烯醇膜8-6进行扩散。穿过聚乙烯醇膜8-6的水首先到达水流道6-3的两端部分，并沿着流道向中央流动，经过亲水的阳极扩散层8-1后到达阳极催化层8-2参与电极反应并不断消耗。在这一过程中，由于水作为反应物在阳极催化层8-2不断被消耗，在各部件之间可以保持稳定的水的浓度梯度，为氧气通道9-1中央部分的水穿过聚乙烯醇膜8-6提供了动力。疏水的阴极水管理层11完全覆盖阴极流场，具有多孔结构，在不影响空气进入阴极的前提下阻止阴极内的水通过，降低了阴极水排出电池的能力，为电池内水循环提供了保证。

如图1所示的蒸气腔4上部有一个排放阳极反应产生的二氧化碳的孔5。蒸气腔4可以使用透明的有机玻璃作为材料，以便观察甲醇透过渗透汽化膜2的汽化情况和流动情况、二氧化碳的排放情况。

如图2所示甲醇溶液存储腔1包括溶液存储腔底板1-1和溶液存储腔侧壁1-2。在溶液存储腔底板1-1和溶液存储腔侧壁1-2之间有绝缘垫片7防止硬接触面间的泄漏。在甲醇溶液存储腔与底板1-1相对的表面上有一个与渗透汽化膜等大的槽1-3，用以放置渗透汽化膜2并固定渗透汽化膜2的位置。渗透汽化膜2另一侧是穿孔板3，穿孔板3将渗透汽化膜2压紧在槽1-3内。改变穿孔板3上的孔直径可以改变穿孔板的开孔率，进而调节通过穿孔板3的甲醇蒸气流量。当为甲醇溶液储存腔1注入甲醇时，可将甲醇溶液存储腔1和穿孔板3卸下，将穿孔板3替换为不透过甲醇的金属板后卸下甲醇溶液存储腔底板1-1，再直接注入甲醇，之后重新装配甲醇溶液存储腔底板1-1，卸下替换的金属板重新换为穿孔板3，重新组装电池。这样做的目的是避免在甲醇溶液存储腔上开一个用于注入甲醇溶液的孔，及其带来的密封问题。