专利名称:一种燃料电池的密封方法
技术领域:
本发明属于一种燃料电池的密封方法,所述的燃料电池包括被动 式自呼吸直接甲醇燃料电池、直接甲酸燃料电池和乙醇燃料电池。
技术背景燃料电池是通过电化学反应将化学能直接转化为电能的一种装置。1839年,Gove首次提出了燃料电池的概念。它作为一种高效无 污染的能量转换装置近年来得到了越来越多的关注。而现阶段氢氧燃 料电池存在氢的生产、储存、运输、安全上的技术问题及费用等问题 而不能大规模应用。人们将目光转向了小的有机分子比如甲醇、甲酸 等。与气体燃料相比,这种液体燃料易于储备和运输,具有较高的能 量转换效率,无需外重整及氢气净化装置,便于携带与储存,反应产 物主要为水和少量二氧化碳,是环境友好的绿色能源。自呼吸式直接甲醇燃料电池被认为是最有市场化潜力的一种燃 料电池,它是将电池阴极直接暴露在自然空气中,空气中的氧气通过 浓差扩散和空气对流等扩散传递形式到达阴极催化层进行电化学还 原反应。它无需甲醇蠕动泵、空气泵等电池辅助设备以及加热系统, 从而降低了电池本身的能量消耗和生产成本,简化了燃料电池结构系 统,使电池系统的重量和体积能够顺利实现微型化和商业化。由于自呼吸直接甲醇燃料电池(DMFC)采用液体燃料,传统采用 硅胶垫依靠两极板界面压力来密封的方法,如图l所示,在石墨板或不锈钢片上雕刻或压制成流场的阳极极板1,在石墨板或不锈钢片上 雕刻或压制成流场的阴极极板8;阳极集流材料2和阴极集流材料9 分别置于流场上并在膜电极4两侧,起到支撑和反应物分布的作用;硅胶垫或橡胶垫制成的密封垫3置于阳极极板1和膜电极4之间,硅 胶垫或橡胶垫制成的密封垫7置于阴极极板8和膜电极之4间,依靠 两极板之间的压力达到密封效果,其中密封垫的厚度取决于集流材料和膜电极的接触侧电极厚度。其缺点有密封垫很容易老化,极板和膜电极之间压力会变小导致降低甚至失去密封效果;密封垫的厚度不 易控制。太厚导致接触不紧密,电阻变大,密封垫太薄,很柔软,难 以操作,不好实现密封;在组装过程中,密封垫不是很容易固定。效 果并不是很理想。也有很多研究者提出了不同的改进方法比如专利CN2475144Y, CN1964099A, CN2854819Y等,但是大部分是针对氢气燃料电池或 主动式甲醇燃料电池,并不适合在自呼吸直接液体燃料电池上面应 用。在自呼吸直接甲醇燃料电池中,有的采用硅胶垫或橡胶垫依靠极 板的压力来实现密封,有的采用灌密封胶来密封等方法,这些方法难 以保证密封效果,并且实现起来复杂,有时拆卸起来对膜电极有破坏, 组装起来增加难度,因此,需要对燃料电池的密封方法进行改进。 发明内容本发明的目的在于提供一种燃料电池的密封方法,所述的燃料电 池包括被动式自呼吸直接甲醇燃料电池、直接甲酸燃料电池和乙醇燃 料电池。该方法比传统采用硅胶垫和密封胶的方法,更简单、方便,效果 更好,更适合在燃料电池上应用。首先介绍本发明适用的被动式自呼吸燃料电池的结构该燃料电 池为平面式结构,包括窗口式燃料储存腔、膜电极和极板三部分。膜 电极是一种固体聚合物质子交换膜电极,它由阳极扩散层、阳极催化 层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层组成;在膜电极两侧相应 的为阴极集流网、阳极集流网,最外层分别是支撑极板,分别起到集 流和支撑的作用,所述的支撑极板由金属板、不饱和聚脂板或石墨板 经雕刻制成,阴极集流网和阳极集流网为镀金不锈钢网或石墨网;依 次将阳极极板、阳极集流网、膜电极、阴极集流网、阴极极板固定在 窗口式燃料储存腔上,进行密封,就得到完整的电池。本发明提供的一种被动式自呼吸直接甲醇燃料电池的密封方法 的步骤和条件如下如图2所示,在阳极极板11和阴极极板18上分别制备出凹槽状 流场12和凹槽状流场19,凹槽状的流场12的深度与集流材料13及 三合一膜电极16的阳极侧电极的厚度相等;凹槽状流场19的深度与 集流材料20及三合一膜电极16的阴极侧电极的厚度相等;将集流材料13嵌在阳极极板11凹槽状的流场13上面形成复合的 阳极板;将集流材料20嵌在阴极极板18凹槽状的流场19上面形成 复合的阴极板;所述的三合一膜电极16由阴极侧电极、阳极侧电极和质子交换膜 组成;所述的三合一膜电极16两侧的电极外围尺寸与凹槽状流场12和 凹槽状流场19的尺寸相等或稍小,使复合的阳极板和复合的阴极板 与三合一膜电极16两侧电极固定在一起时,三合一膜电极16两侧电 极与集流材料13和集流材料20紧密接触以减小接触电阻;
将热熔胶膜裁剪成与三合一膜电极16电极外侧形状一样的热熔 胶膜框,热熔胶膜框的框内尺寸与三合一膜电极16电极外侧尺寸一 样,将热溶胶膜框14粘贴在阳极侧的复合的阳极板上制成粘有热溶 胶膜的阳极复合极板15;将粘有热溶胶膜的阳极复合极板15与三合 一膜电极16的阳极侧电极热压在一起得到与阳极复合极板热压在一 起的三合一膜电极17,所述的热压温度取决于所采用的热溶胶膜, 但是不能超过质子交换膜的玻璃化转变温度,热压温度为在60_120 °C,压力为3-5Mpa,热压时间为10-90s;或者,
采取热压方法,因为三合一膜电极两侧电极自身有一定的厚度, 如果直接压上面电极,会影响电极的性能,所以要在热压时要采取保 护措施。将三合一膜电极16的阳极侧电极平放于粘有热溶胶膜的阳 极复合极板15上,在三合一膜电极16的阴极侧电极的四周贴上聚酯 膜进行保护,聚酯厚度要高于电极的厚度, 一般为0.6 — lcm,热压 时直接压在三合一膜电极16阴极侧上,得到与阳极复合极板热压在 一起的三合一膜电极17;
将集流材料20嵌在阴极极板18凹槽状的流场19上面形成复合
的阴极板;然后将复合的阴极极板平放在与阳极复合极板热压在一 的三合一膜电极17阴极侧上面,扣在一起,得到电池单元21,最后将单元电池21组装在窗口式电池壳体上就得到一种被动式自呼吸直
接甲醇燃料电池;
所述的热熔胶膜为共聚酯(PES)热熔胶膜、共聚酰胺(COPA)热熔 胶膜、聚氨酯(TPU)热熔胶膜、聚酯PET热熔胶膜或乙烯一醋酸乙 烯共聚物(EVA)热熔胶膜;
所述的阳极极板11和阴极极板18材料为金属板、不锈钢片、不 饱和聚酯板或石墨板;
所述的集流材料为镀金的不锈钢网或钛网;
所述的三合一膜电极的中间的质子交换膜为全氟磺酸质子交换 膜,采用Dupont公司的Nafion膜;
所述的三合一膜电极阳极侧电极、阴极侧电极均分为催化层和扩 散层两部分,扩散层均为碳纸或碳布;阳极催化层为PtRu黑或PtRu/C 电催化剂,阴极催化层为Pt黑或Pt/C电催化剂。
有益效果将粘有热溶胶膜的阳极复合极板与三合一膜电极的阳 极侧热压在一起,然后将阴极复合极板平放在与阳极复合极板热压在 一起的三合一膜电极的阴极侧上面,扣在一起,得到单元电池;将单 元电池固定在电池壳体上就可以实现密封;本发明方法采用热熔胶来 实现密封,只要将三合一膜电极的阳极与阳极复合极板热压与阴极复 合极板扣在一起在固定在电池上就可以实现密封,不需要外加太大的 压力,密封效果比采用传统方法好,而且操作简单,能大规模生产并 提高了效率;极板上的凹槽状的流场,适合把集流材料嵌在里面,减 小电池的接触电阻;拆装起来比较简单,可以反复操作,对电池性能影响较小。
图1是传统已有的采用密封垫依靠极板压力密封的方法示意图。
图中,1含有流场阳极极板,2阳极集流材料,3密封垫,4 膜电极,5阳极侧电极,6阴极侧电极,7密封垫,8含有流场阴 极极板,9阴极集流材料。
图2是本发明的一种燃料电池的密封方法采用热熔胶膜密封的 示意图。
图中,11阳极极板,12凹槽形流场,13集流材料,14热膜 胶膜框,15粘有热溶胶膜的阳极复合极板,16三合一膜电极,17 三合一膜电极阳极侧与阳极复合极板热压在一起;18阴极极板,19 凹槽形流场,20集流材料,21把阴极复合极板平放在与阳极复合极 板热压在一起的三合一膜电极的阴极侧上面,扣在一起,得到电池单 元。
具体实施例方式
实施例1
本发明提供的一种被动式自呼吸直接甲醇燃料电池的密封方法, 其步骤和条件如下
如图2所示,单电池尺寸为3cmX3cm。阳极极板11和阴极极板 18材料和尺寸为5cmX5cm的不锈钢片,在阳极极板11和阴极极板 18上分别制备出凹槽状流场12和凹槽状流场19,流场有效尺寸3cm X3cm;凹槽状的流场12的深度与集流材料13及三合一膜电极16的阳极侧电极的厚度相等;凹槽状流场19的深度与集流材料20及三 合一膜电极16的阴极侧电极的厚度相等;集流材料釆用镀金的不锈 钢网,其尺寸为3cmX3cmX0.3mm;热溶胶膜采用共聚酰胺(COPA) 热熔胶膜,其厚度为0.2mm。
将集流材料13嵌在阳极极板11凹槽状的流场13上面形成复合的 阳极板;将集流材料20嵌在阴极极板18凹槽状的流场19上面形成 复合的阴极板;
所述的三合一膜电极16由阴极侧电极、阳极侧电极和质子交换 膜组成。阴、阳极侧电极均为催化层和扩散层两部分,其中扩散层均 为日本TORAY公司的TGP-H-060碳纸,其厚度为0.19mm;催化层 均为JohnsonMatthey公司的电催化剂,阴极侧催化层为Hispec 1000 Pt黑,阳极侧催化层为Hispec6000PtRu黑,其载量均为5mg/cm2。 质子交换膜为全氟磺酸质子交换膜采用Dupont公司的Nafion 117 膜。
所述的三合一膜电极16两侧的电极外围尺寸与凹槽状流场12和 凹槽状流场19的尺寸相比要稍小1毫米,使复合的阳极板和复合的 阴极板与三合一膜电极16两侧电极固定在一起时,三合一膜电极16 两侧电极与集流材料13和集流材料20紧密接触以减小接触电阻;
将共聚酰胺(COPA)热熔胶膜裁剪成与三合一膜电极16电极外 侧形状一样的热熔胶膜框,热熔胶膜框的框内尺寸与三合一膜电极 16电极外侧尺寸一样,将热溶胶膜框14热压在阳极侧的复合的阳极 板上制成粘有热溶胶膜的阳极复合极板15;将粘有热溶胶膜的阳极复合极板15与三合一膜电极16的阳极侧电极热压在一起得到与阳极 复合极板热压在一起的三合一膜电极17,所述的热压温度取决于所 采用的热溶胶膜,但是不能超过质子交换膜的玻璃化转变温度,本例 的操作条件为热压温度110°C,压力3.5Mpa,热压时间30s。
在热压三合一膜电极与阳极复合极板时,需要对电极进行保护。 因为三合一膜电极两侧电极自身有一定的厚度,如果直接压在上面电 极,会影响电极的性能,所以要在热压时要采取保护措施。将三合一 膜电极16的阳极侧电极平放于粘有热溶胶膜的阳极复合极板15上, 在三合一膜电极16的阴极侧电极的四周贴上聚酯膜进行保护,聚酯 厚度为lcm,热压时直接压在三合一膜电极16阴极侧上,得到与阳 极复合极板热压在一起的三合一膜电极17。
将集流材料20嵌在阴极极板18凹槽状的流场19上面形成复合 的阴极极板;然后将复合的阴极极板平放在与阳极复合极板热压在一 起的三合一膜电极17阴极侧上面,扣在一起,得到电池单元21,最 后将单元电池21组装在窗口式电池壳体上就得到一种被动式自呼吸 直接甲醇燃料电池;
实施例2:对于由4个单电池每个单电池尺寸为1.5cmX4cm组
成的电池组采用本发明的方法进行密封
与实施例1的差别是采用的阳极极板、阴极极板材料和热溶胶膜 不一样,其它材料都一样。阳极极板、阴极极板采用一种不导电的不 饱和聚酯板,尺寸为8cmX6cm,在极板上雕刻出4个凹槽状平行流 场,每个流场有效尺寸为1.55cmX4.05cm,各个流场之间间隔为2mm。热溶胶膜采用聚氨酯(TPU)改性热熔胶膜,热压时温度为105 。C,压力3.5Mpa,时间为40s。膜电极采取单片多电极形式,即一片 膜上有四个电极,其位置与极板上流场位置相对应,尺寸为1.5cmX 4cm。首先,将热溶胶膜热压在阳极复合极板上的单电池流场外围边 框上,接着将膜电极阳极侧热压在粘有热溶胶膜的复合阳极极板上, 在热压膜电极时,将单片多电极作为整体进行热行。具体操作方法同 实施例1。最后将做好的电池组单元组装在电池壳上即可。
实施例3: 对于4个单电池组成小型电池组采用本发明的方法 进行密封
与实施例2的区别只是极板材料采用不锈钢片。由于不锈钢片导 电,所以各个流场必须断开做成独立的流场,每个独立的不锈钢片尺 寸为2cmX6cm,在其上面雕刻出凹槽流场有效尺寸为1.55cmX 4.05cm。具体操作过程同实施例2。最后,将电池组装入电池壳体组 装成电池。组装成电池时,由于各个单电池之间不能接触,在流场极 板各边端之间的缝隙采用硅胶进行密封。
权利要求
1.一种被动式自呼吸直接甲醇燃料电池的密封方法,其特征在于步骤和条件如下在阳极极板(11)和阴极极板(18)上分别制备出凹槽状流场(12)和凹槽状流场(19),凹槽状的流场(12)的深度与集流材料(13)及三合一膜电极(16)的阳极侧电极的厚度相等;凹槽状流场(19)的深度与集流材料(20)及三合一膜电极(16)的阴极侧电极的厚度相等;将集流材料(13)嵌在阳极极板(11)凹槽状的流场(12)上面形成复合的阳极板;将集流材料(20)嵌在阴极极板(18)凹槽状的流场(19)上面形成复合的阴极板;所述的三合一膜电极(16)由阴极侧电极、阳极侧电极和质子交换膜组成;所述的三合一膜电极(16)两侧的电极外围尺寸与凹槽状流场(12)和凹槽状流场(19)的尺寸相等或稍小,使复合的阳极板和复合的阴极板与三合一膜电极(16)两侧电极固定在一起时,使三合一膜电极(16)两侧电极与集流材料(13)和集流材料(20)紧密接触以减小接触电阻;将热熔胶膜裁剪成与三合一膜电极(16)电极外侧形状一样的热熔胶膜框,热熔胶膜框的框内尺寸与三合一膜电极(16)电极外侧尺寸一样,将热溶胶膜框(14)粘贴在阳极侧的复合的阳极板上制成粘有热溶胶膜的阳极复合极板(15);将粘有热溶胶膜的阳极复合极板(15)与三合一膜电极(16)的阳极侧电极热压在一起得到与阳极复合极板热压在一起的三合一膜电极(17),所述的热压温度取决于所采用的热溶胶膜,热压温度为在60-120℃,压力为3-5Mpa,热压时间为10-90s;或者,采取热压方法,要将三合一膜电极(16)的阳极侧电极平放于粘有热溶胶膜的阳极复合极板(15)上,在三合一膜电极(16)的阴极侧电极的四周贴上聚酯膜进行保护,聚酯厚度要高于电极的厚度,热压时直接压在三合一膜电极(16)阴极侧上,得到与阳极复合极板热压在一起的三合一膜电极(17);将集流材料(20)嵌在阴极极板(18)凹槽状的流场(19)上面形成复合的阴极极板;然后将复合的阴极极板平放在与阳极复合极板热压在一起的三合一膜电极(17)阴极侧上面,扣在一起,得到电池单元(21),最后将单元电池(21)组装在窗口式电池壳体上就得到一种被动式自呼吸直接甲醇燃料电池;所述的热熔胶膜为共聚酯热熔胶膜、共聚酰胺热熔胶膜、聚氨酯热熔胶膜、聚酯热熔胶膜或乙烯-醋酸乙烯共聚物热熔胶膜;所述的阳极极板(11)和阴极极板(18)材料为金属板、不锈钢片、不饱和聚酯板或石墨板;所述的集流材料为镀金的不锈钢网或钛网;所述的三合一膜电极的中间的质子交换膜为全氟磺酸质子交换膜;所述的三合一膜电极阳极侧电极、阴极侧电极均分为催化层和扩散层两部分,扩散层均为碳纸或碳布,阳极催化层为PtRu黑或PtRu/C电催化剂,阴极催化层为Pt黑或Pt/C电催化剂。
全文摘要
本发明提出了一种被动式自呼吸直接甲醇燃料电池的密封方法。该方法将粘有热溶胶膜的阳极复合极板与三合一膜电极的阳极侧热压在一起,然后将阴极复合极板平放在与阳极复合极板热压在一起的三合一膜电极的阴极侧上面,扣在一起,得到单元电池;将单元电池固定在电池壳体上就可以实现密封;采用热熔胶来实现密封,只要将三合一膜电极的阳极与阳极复合极板热压与阴极复合极板扣在一起在固定在电池上就可以实现密封,不需要外加太大的压力,密封效果比采用传统方法好,而且操作简单,能大规模生产并提高了效率;极板上的凹槽状的流场,适合把集流材料嵌在里面,减小电池的接触电阻;拆装起来比较简单,可以反复操作,对电池性能影响较小。
文档编号H01M8/10GK101656323SQ20091006672
公开日2010年2月24日 申请日期2009年3月31日 优先权日2009年3月31日
发明者冯立纲, 刘长鹏, 廖建辉, 晶 张, 晓 赵, 巍 邢 申请人:中国科学院长春应用化学研究所