一种被动式醇类燃料电池的阴极水管理结构

摘要

本发明公开了一种被动式醇类燃料电池的阴极水管理结构，所述阴极水管理结构包括阴极集流板、阴极流场板，其中阴极流场板上面设置自呼吸通孔，阴极流场板的背面设置有用于收集液态水的上沟道，阴极流场板的正面设置有用于收集液态水的下沟道，上沟道和下沟道利用圆孔相连通，并在上沟道上、下沟道上以及阴极流场板与阴极集流板相接触的表面上采用微弧氧化技术制备一层氧化物陶瓷膜。本发明解决了液体水淹导致的阴极流场自呼吸通道堵塞的问题，改善了氧气的传质，提高了电池的性能。

权利要求

1.一种被动式醇类燃料电池的阴极水管理结构，包括阴极集流板、阴极流场板，其中阴极流场板上面设置自呼吸通孔，其特征在于所述阴极流场板的背面设置有用于收集液态水的上沟道，阴极流场板的正面设置有用于收集液态水的下沟道，上沟道和下沟道利用圆孔相连通，并在上沟道上、下沟道上以及阴极流场板与阴极集流板相接触的表面上采用微弧氧化技术制备一层氧化物陶瓷膜，所述阴极流场板的背面、相邻两列自呼吸通孔之间设置有一条上沟道，每条上沟道的下方、阴极流场板的正面设置有一条下沟道，相邻两条上沟道和下沟道之间通过圆孔相连通。

2.根据权利要求1所述的被动式醇类燃料电池的阴极水管理结构，其特征在于采用多孔金属作为阴极集流板。

3.根据权利要求1所述的被动式醇类燃料电池的阴极水管理结构，其特征在于所述阴极流场板的材质为铝合金材料。

4.根据权利要求1或2所述的被动式醇类燃料电池的阴极水管理结构，其特征在于所述阴极集流板的表面设置有一层金层或者氮化钛层。

5.根据权利要求1所述的被动式醇类燃料电池的阴极水管理结构，其特征在于微弧氧化处理时所采用的电源为直流电源或者交流电源。

6.根据权利要求5所述的被动式醇类燃料电池的阴极水管理结构，其特征在于采用直流电源时，处理电压为300-600V。

7.根据权利要求5所述的被动式醇类燃料电池的阴极水管理结构，其特征在于采用交流电源时，正向脉冲电压为400-600V、负向脉冲电压为0-300V、脉冲频率为10-5000Hz、处理时间为10-120分钟。

8.根据权利要求1所述的被动式醇类燃料电池的阴极水管理结构，其特征在于微弧氧

2- -

化处理时所采用的电解液中含有SiO3 或者AlO2。

说明书

一种被动式醇类燃料电池的阴极水管理结构

技术领域

[0001] 本发明属于质子交换膜燃料电池领域，涉及一种被动式醇类燃料电池的阴极水管理结构。

背景技术

[0002] 随着便携式电子技术的快速发展，对高能量密度微型电源的需求越来越大。传统的电池在能量密度方面很难实现长久的增长。直接醇类燃料电池因其结构简单、能量密度可观、即刻再充能，从而成为具有很大优势的微型电源。为了使其更有竞争性，直接甲醇燃料电池可以在被动模式下运行，即去除辅助的驱动，依靠扩散和自然对流来提供燃料和氧气。被动模式下，电池的结构更加简单，但较低的传质使得电池与主动式电池相比，性能较低。在被动式醇类燃料电池中，阴极流场内部形成的液态水滴，主要依靠重力的作用来移除。在这种模式下，液态水会在自呼吸孔道中积累，最终导致水淹，阻碍氧气的传质。研究结果表明，可以通过阴极结构的设计来减少水淹。平行流场或多孔的极板能够加大水的排出速率，但不能完全避免自呼吸孔道处液态水的积累。硅基微型直接甲醇燃料电池的水淹问题可以通过阴极结构的巧妙设计加以避免，但其复杂的制作过程并不适用于金属基的微型被动式直接甲醇燃料电池。到目前为止，阴极流场水淹的问题依然是阻碍被动式醇类燃料电池输出性能及稳定性提高的主要挑战。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种被动式醇类燃料电池的阴极水管理结构，它解决了液体水淹导致的阴极流场自呼吸通道堵塞的问题，改善了氧气的传质，提高了电池的性能。

[0004] 所述目的是通过如下方案实现的：

[0005] 一种被动式自呼吸醇类燃料电池的阴极水管理结构，利用多孔金属作为电池的阴极集流板，采用铝合金料进行阴极流场板的制作，其中所述阴极流场板上面设置自呼吸通孔，阴极流场板的背面（与阴极集流板接触面）设置有用于收集液态水的上沟道，阴极流场板的正面（与空气接触面）设置有用于收集液态水的下沟道，上沟道和下沟道利用圆孔相连通，使液态水能够沿着沟道从内部流出至外部，并在上沟道上、下沟道上以及阴极流场板与阴极集流板相接触的表面上采用微弧氧化技术制备一层氧化物陶瓷膜。

[0006] 本发明中，多孔金属表面采用磁控溅射或者电镀的方式制备一层具有防护、导电性质的金层或者氮化钛层。

[0007] 本发明中，微弧氧化技术制备的氧化物陶瓷膜是超亲水并且绝缘的。

[0008] 本发明中，微弧氧化处理时所采用的电源可以为直流电源或者交流电源。

[0009] 本发明中，微弧氧化处理时所采用的电解液中含有SiO32-或者AlO2-。

[0010] 本发明相对于现有技术的创新点在于改进了电池阴极的结构。采用此种阴极水管理结构的燃料电池依然使用富氢物质（氢气，甲醇，乙醇等）作为燃料，氧气由大气直接供给。对于阴极流场板的改进之处在于正反两面都设计了用于收集水的沟道，且在收集水的沟道上采用微弧氧化技术进行了超亲水处理，以便使水能够迅速的扩散成一个平面，不形成水滴。电池工作时，空气经由阴极流场板的自呼吸通孔进入，阴极氧气与电子、质子反应生成水，通过阴极流场板上的沟道流出阴极流场板。与传统直孔式结构相比，本发明阴极流场板开孔率保持不变，但是增加了阴极水与空气的接触面积，在阴极流场板上设置了用于收集液态水的沟道，并且进行了超亲水处理，使阴极产生的水能够迅速的扩散并从阴极流场排出，从而避免了阴极水淹。

[0011] 本发明具有以下优点：

[0012] （1）阴极集流板采用多孔金属，使得电池能够在更高的甲醇浓度下达到最佳性能；

[0013] （2）利用微弧氧化技术制作的氧化物陶瓷膜，不仅具有良好的绝缘性能，防止电池短路，而且具有超亲水特性，使得阴极产生的水不会沿着自呼吸的孔道堆积；

[0014] （3）通过连接阴极流场板两侧沟道的圆孔，使阴极产生的水能够从里面传输至外面，防止水淹形成。

[0015] 附图说明：

[0016] 图1是本发明中被动式直接甲醇燃料电池的结构分解示意图；

[0017] 图2是阴极流场板背面（与膜电极接触面）结构图；

[0018] 图3是阴极流场板正面（与空气接触面）结构图；

[0019] 图4是具有本发明的阴极结构与传统阴极结构的被动式直接甲醇燃料电池在2
120mA/cm的电流密度下的放电测试结果；

[0020] 图5是在120mA/cm2的电流密度下放电90分钟之后的传统阴极结构的自呼吸通孔的照片；

[0021] 图6是在120mA/cm2的电流密度下放电90分钟之后的本发明中的阴极结构自呼吸通孔的照片；

[0022] 图7 是阴极流场板表面沟道内的液体水照片；

[0023] 图中：1—储液腔；2—阳极端板；3—阳极集流板；4—绝缘层；5—膜电极；6—阴极集流板；7—阴极流场板；8—上沟道；9—超亲水薄层；10—自呼吸通孔；11—圆孔；12—下沟道。

具体实施方式

[0024] 具体实施方式一：本实施方式采用铝合金制作阴极流场板7，其结构如图2-3所示，阴极流场板7上面设置自呼吸通孔10，阴极流场板7的背面、相邻两列自呼吸通孔10之间设置有一条上沟道8，每条上沟道8的下方、阴极流场板7的正面设置有一条下沟道12，相邻两条上沟道8和下沟道12之间通过圆孔11相连通，使液态水能够沿着上沟道8和下沟道12从内部流出至外部，并在收集液态水的上沟道8上、下沟道12上以及阴极流场板7与阴极集流板6相接触的表面上采用微弧氧化技术制备一层超亲水薄膜9，具体制备步骤如下：使用乙醇或丙酮对阴极流场板7表面进行除油处理，然后将阴极流场板7浸润在含有硅酸钠（5-15g/mL）和次亚磷酸钠（0.5-2g/mL）的工作液中，并以其作为正极，以工作槽作为负极，控制工作液温度在50度以下，在双向脉冲电源、正向脉冲电压为400-600V、负向脉冲电压为0-300V、脉冲频率为10-5000Hz的条件下微弧氧化处理10-120分钟。由于所制备的微弧氧化陶瓷膜具有超亲水特性，液体水会在垂直放置的微弧氧化膜的表面形成一层水膜，并且在重力的作用下向下流动。

[0025] 本实施方式中所提出的被动式直接甲醇燃料电池结构由阴极集流板6与阳极集流板3、膜电极5、绝缘层4、阴极流场板7与阳极端板2和储液腔1组成，将各组件按照相应如图1所示的顺序固定在一起，即可作为一个完整的单电池。室温下采用2mol/L的甲醇2
在120mA/cm的电流密度下进行放电测试，测试结果如图4，传统阴极结构的电池放电电压衰减速度快，而具有本发明的阴极结构的电池放电电压非常平稳。放电90分钟后进行观察发现，传统阴极结构的自呼吸通孔出现水淹（图5），而本实施方式的阴极结构并未出现自呼吸通道的水淹现象（图6），同时在外侧水的收集沟道上出现了大量的液体水（图7）。

[0026] 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于：阴极流场板7微弧氧化处理时所采用的电解液为10g/mL的铝酸钠和1g/mL次亚磷酸钠的混合溶液。

[0027] 具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一、二的不同点在于：阴极流场板7微弧氧化处理时所采用的电源为直流电源，处理电压为300-600V。

[0028] 上述实施方式只是对本专利的示例性说明而并不限定它的保护范围，本领域人员还可以对其进行局部改变，只要没有超出本专利的精神实质，都视为对本专利的等同替换，都在本专利的保护范围之内。