被动式自呼吸直接液体燃料电池的支撑极板.pdf

本发明提出了一种被动式自呼吸直接液体燃料电池的支撑极板。该支撑极板包括支撑板、凹槽状流场和集流材料；该支撑极板包括结构相同的阳极支撑极板和阴极支撑极板；所述的凹槽状流场为平行流场或行列式排列的点状流场；所述的集流材料为镀金的不锈钢网、钛网。支撑板为不饱和聚酯玻璃纤维增强板，在该支撑板上雕刻出所需要的流场，配合集流材料作为直接液体燃料电池的极板使用。该支撑极板的复合材料具有较好耐热性、绝缘性、耐水和耐化学、耐老化，以及有很高的机械加工性能。凹槽状的流场可以使膜电极与集流材料更紧密接触，能降低电池的接触电阻。该支撑极板比不锈钢板轻；比石墨板板支撑强度高，不易破碎。制作电池组，因其不导电，各个单电池可以集成在一块支撑板上制作。

1.  被动式自呼吸直接液体燃料电池的支撑极板，所述的被动式自呼吸直接液体燃料电池的构成包括窗口式燃料储存腔、支撑极板和三合一膜电极；采用的液体燃料为甲醇、甲酸或乙醇作为反应物；其特征在于，所述的支撑极板的构成包括支撑板、凹槽状流场和集流材料；所述的支撑极板包括阴极支撑极板和阳极支撑极板，阴极支撑极板与阳极支撑极板的构成相同并配对使用；所述的凹槽状流场为平行流场或行列式排列的点状流场；在组装被动式自呼吸直接液体燃料电池时，选择的阳极支撑板或阴极支撑板的凹槽状流场相同或不同；
所述的凹槽状流场为平行流场的支撑极板的构成如下：支撑板(1)上雕刻凹槽状流场为平行流场，平行流场的支撑棱(4)和传质流道(5)相间布置，集流材料引线口(2)与凹槽状流场连通，凹槽状流场的凹槽深度与集流材料和三合一膜电极的单侧电极厚度之和相等；将网状集流材料(6)嵌在凹槽状流场上就得到平行流场的支撑极板；凹槽状流场的传质通道孔隙率为整个流场的40％—60％；支撑板上(3)做为固定孔，通过(3)将支撑极板固定在电池壳体上；
所述的支撑板为不饱和聚酯玻璃纤维增强板，其厚度为1—3mm；
所述的网状集流材料(6)为镀金的不锈钢网或钛网；
所述的凹槽状流场为行列式排列的点状流场的支撑极板的构成如下：其构成的不同之处在于凹槽状流场的平行流场替换为行列式排列的点状流场，行列式排列的点状流场上的传质通道为圆孔，圆孔的面积占凹槽状流场的面积为40％—60％；其余的与凹槽状流场为平行流场的支撑极板相同。

被动式自呼吸直接液体燃料电池的支撑极板
技术领域
本发明涉及被动式自呼吸直接液体燃料电池的支撑极板。
背景技术
自呼吸直接液体燃料电池是一种直接采用液体燃料(甲醇、甲酸、乙醇等液体燃料)和空气中的氧气将化学能转换成电能的电化学反应装置。由于它能量转换效率高，结构简单，安全可靠，清洁干净，不需要复杂的外加设备比如重整，加热、冷却装置，压力泵，风扇等，被认为是最有可能首先实现商业化应用，在小型便携式移动电源和传感器等领域具有很广阔的应用前景。
自呼吸直接液体燃料电池的核心部件是膜电极(MEA)，它由一张质子交换膜和阴极电极、阳极电极组成。电极外侧由导电性较高的碳纸或碳布作为扩散层，反应物通过扩散层到达电极里的催化层进行电化学反应。在组装成电池时，膜电极两边为集流材料及支撑极板。该极板能起到支撑作用，使膜电极和集流材料紧密接触以减小电阻，并且有利于反应物和产物的分散和传输。极板可以分为单极板和双极板，而被动式自呼吸燃料电池一般采用单极板。然而，目前对于极板的研究主要集中在双极板，例如申请专利(申请号200710157448.4，200710172148.3，200610129486.4，200610145083.9，01124227.2，01124228.0，02155187.1，99811792.7，02132327.5等)它们主要为主动式燃料电池服务，并不适合在被动式燃料电池上面应用，而关于被动式自呼吸燃料电池的单极板的研究工作，报道的更少。
目前，在自呼吸直接液体燃料电池中采用的极板一般为不锈钢、石墨或其它一些复合材料(Journal of Power Sources 128(2004)119-124，Journal of Power Sources 167(2007)455-460，Nature 414(2001)345-352)。采用不锈钢片，由于其密度大，所得的极板质量比较大，而且需要复杂的防腐处理，并不适合作为便携式燃料电池电源的极板；采用石墨材料，由于其价格高，密度大，并且石墨很脆，不能做的很薄，所以有必要选择合适的极板材料。
因此，选择一种密度较小，价格比较便宜，具有较高支撑强度，耐腐蚀的材料作为直接液体燃料电池的极板，对于实现便携式燃料电池的商业化应用来说至关重要。
发明内容
为了解决现有存在的问题，本发明提供了被动式自呼吸直接液体燃料电池的支撑极板。
被动式自呼吸直接液体燃料电池的支撑极板，所述的被动式自呼吸直接液体燃料电池的构成包括窗口式燃料储存腔、支撑极板和三合一膜电极；采用的液体燃料为甲醇、甲酸或乙醇作为反应物；其特征在于，所述的支撑极板的构成包括支撑板、凹槽状流场和集流材料；所述的支撑极板包括阴极支撑极板和阳极支撑极板，阴极支撑极板与阳极支撑极板的构成相同并配对使用；所述的凹槽状流场为平行流场或行列式排列的点状流场；在组装被动式自呼吸直接液体燃料电池时，选择的阳极支撑板或阴极支撑板的凹槽状流场相同或不同；
如图1、2所示的是凹槽状流场为平行流场的支撑极板，其构成如下：
支撑板1上雕刻凹槽状流场为平行流场，平行流场的支撑棱4和传质流道5相间布置，集流材料引线口2与凹槽状流场连通，凹槽状流场的凹槽深度与集流材料和三合一膜电极的单侧电极厚度之和相等；将网状集流材料6嵌在凹槽状流场上就得到平行流场的支撑极板；支撑板上的固定孔3能将支撑极板固定在电池壳体上；
为了利于反应物和产物的传递，凹槽状流场的传质流道的底面积为整个流场的底面积的40％—60％。
如图3、4所示的是的凹槽状流场为行列式排列的点状流场的支撑极板，其构成的不同之处在于凹槽状流场的平行流场替换为行列式排列的点状流场，行列式排列的点状流场的传质通道为的圆孔，圆孔的面积占凹槽状流场的面积为40％—60％；其余的与图1、2所示的凹槽状流场为平行流场的支撑极板相同；
所述的阴极支撑极板的构成与阳极支撑极板相同，并配对使用；
在组装被动式自呼吸直接液体燃料电池时，选择的阳极支撑板或阴极支撑板的凹槽状流场相同或不同；
所述的支撑板为不饱和聚酯玻璃纤维增强板，是由二元醇与全部或部分不饱和二元酸缩合聚合所得的具有酯键和不饱和双键的线型高分子化合物，再采用玻璃纤维进行增强其机械性能的复合材料；该支撑板在市场上可以购买，其厚度为1—3mm；
所述的网状集流材料6为镀金的不锈钢网或钛网。
本发明的一种被动式自呼吸直接液体燃料电池支撑极板，可以用于被动式单电池支撑极板和平面被动式自呼吸直接液体燃料电池组支撑极板。
在组装电池时，先将阳极支撑极板固定在窗口式电池壳体上，加上三合一膜电极，使三合一膜电极的阳极侧电极与阳极支撑极板接触，使三合一膜电极的阴极侧电极与阴极支撑极板接触，固定，密封，得到完整电池。
图5、图6是凹槽状流场为平行流场的被动式自呼吸直接液体燃料电池组的支撑极板构成示意图。该电池组有5个单电池单元组成。
图7、图8是凹槽状流场为行列式排列的点状流场的被动式自呼吸直接液体燃料电池组的支撑极板构成示意图。该电池组有5个单电池单元组成。
有益效果：本发明的一种被动式自呼吸直接液体燃料电池的支撑极板的复合材料具有较好耐热性、绝缘性、耐水和耐化学、耐老化，以及有很高的机械加工性能。凹槽状的流场可以使膜电极与集流材料更紧密接触，能降低电池的接触电阻。该支撑极板与不锈钢板相比，比较轻便；比石墨板支撑强度高，不易破碎。在制作电池组时，因为支撑板不导电，各个单电池可以集成在一块支撑板上制作。
附图说明
图1、2是凹槽状流场为平行流场的被动式自呼吸直接液体燃料电池的支撑极板构成示意图。
图3、4是凹槽状流场为行列式排列的点状流场的被动式自呼吸直接液体燃料电池的支撑极板构成示意图。
图5、6是凹槽状流场为平行流场的被动式自呼吸直接液体燃料电池组的支撑极板构成示意图。该电池组有5个单电池单元组成。
图7、8是凹槽状流场为行列式排列的点状流场的被动式自呼吸直接液体燃料电池组的支撑极板构成示意图。该电池组有5个单电池单元组成。
具体实施方式
实施例1  凹槽状流场为平行流场的被动式自呼吸直接液体燃料电池的支撑极板
被动式自呼吸直接液体燃料电池的支撑极板，所述的被动式自呼吸直接液体燃料电池的构成包括窗口式燃料储存腔、支撑极板和三合一膜电极；采用的液体燃料为甲醇、甲酸或乙醇作为反应物；其特征在于，所述的支撑极板的构成包括支撑板、凹槽状流场和集流材料；所述的支撑极板包括阴极支撑极板和阳极支撑极板，阴极支撑极板与阳极支撑极板的构成相同并配对使用；所述的凹槽状流场为平行流场或行列式排列的点状流场；在组装被动式自呼吸直接液体燃料电池时，选择的阳极支撑板或阴极支撑板的凹槽状流场相同或不同；
如图1、2所示，凹槽状流场为平行流场的被动式自呼吸直接液体燃料电池的支撑极板，其构成如下：支撑板1上雕刻出的凹槽状流场为平行流场，支撑棱4和传质流道5相间布置，集流材料引线口2与凹槽状流场连通，凹槽状流场的凹槽深度与集流材料和的单侧电极厚度之和相等；
所述的被动式自呼吸直接液体燃料电池有效面积为3cm×3cm。该电池壳体的尺寸为5cm×5cm，支撑板为5cm×5cm×1.5mm的玻璃纤维增强不饱和聚酯板，集流材料为镀金的不锈钢316材料制备的网，尺寸为3cm×3cm×0.3mm；在上述支撑板上雕刻出尺寸为3cm×3cm×0.5mm凹槽状流场，凹槽状流场为平行流场，其中，支撑棱4的尺寸为0.2cm×3cm×1mm，平行流场的传质流道5尺寸为0.2cm×3cm，引线尺寸为2cm×2mm。
将网状集流材料6嵌在凹槽状流场上，得到凹槽状流场为平行流场的被动式自呼吸直接液体燃料电池的阳极支撑板。
被动式自呼吸直接液体燃料电池的阴极支撑板与上述得到的凹槽状流场为平行流场的被动式自呼吸直接液体燃料电池的阳极支撑板的构成相同。
在组装电池时，先将所述的凹槽状流场为平行流场的被动式自呼吸直接液体燃料电池的支撑极板固定在窗口式电池壳体上，加上三合一膜电极，使三合一膜电极的阳极侧电极与该阳极支撑极板接触，使三合一膜电极的阴极侧电极与所述的凹槽状流场为行列式排列的点状流场的被动式自呼吸直接液体燃料电池的阴极支撑板接触，固定，密封，得到完整电池。
实施例2  如图3、4所示的是的凹槽状流场为行列式排列的点状流场的支撑极板，其构成的不同之处在于凹槽状流场为行列式排列的点状流场，所述的行列式排列的点状流场的传质流道为圆孔，其直径尺寸为3mm；为了利于反应物和产物的传递，凹槽状流场的行列式排列的圆孔的面积占凹槽状流场的面积要大于40％；其余的包括制备方法均与实施例1的凹槽状流场为平行流场的支撑极板相同。
实施例3  使用本发明提供的支撑极板的平面被动式自呼吸直接液体燃料电池组
平面被动式自呼吸直接液体燃料电池组使用本发明提供的支撑极板及制备方法同实施例1。如图5、图6所示，该平面被动式自呼吸直接液体燃料电池组由5个单电池组成，其中单电池尺寸为1.2cm×4.2cm；由于所述的支撑板不导电，电池组可以集成在一块支撑板，可以作为一个整体进行组装，较为方便。组装，密封比采用石墨和不锈钢板要简单。而采用传统的石墨板、不锈钢板，由于其具有导电性，各个单电池必须分开组装，不能接触否则就成了一个整体大电池，从而增加了难度和成本。
图5、6为由5个单电池组成的平面被动式小型电池组的阳极支撑极板。13为不饱和聚酯支撑板，14为平行矩形槽流场，15为集流材料引线出口，16为平行流场支撑棱，17为平行流场传质流道，18为单电池网状集流材料。
实施例4  使用本发明提供的支撑极板的凹槽状流场为行列式排列的点状流场的平面被动式自呼吸直接液体燃料池组
图7、8是凹槽状流场为行列式排列的点状流场的被动式自呼吸直接液体燃料电池组的支撑极板构成示意图。
如图7、8所示的凹槽状流场为行列式排列的点状流场的支撑极板，其凹槽状流场为行列式排列的点状流场，所述的行列式排列的点状流场的传质流道为圆孔，圆孔直径尺寸为3mm；为了利于反应物和产物的传递，凹槽状流场的行列式排列的圆孔的面积占凹槽状流场的面积要大于40％，平面被动式自呼吸直接液体燃料池组使用本发明提供的行列式排列的点状流场支撑极板及制备方法同实施例2。
图7、8为由5个单电池组成的平面被动式小型电池组的阳极支撑极板。19为不饱和聚酯支撑板，20为凹槽形点状流场，21为集流材料引线出口，22为固定孔，23为点状流场支撑棱，24为点状流场传质流道，25为网状集流材料。