一种醇类燃料电池的自呼吸式阴极结构制造技术

本发明专利技术提供了一种醇类燃料电池的自呼吸式阴极结构，以解决水淹导致的阴极板自呼吸通道堵塞的问题。本发明专利技术的醇类燃料电池的阴极板采用铝合金材料进行制作，上面设置用于“自呼吸”的通孔，阴极板表面与膜电极接触的部分覆盖有一层薄的金层，而与空气接触的部分采用微弧氧化技术制备一层具有超亲水特性的氧化物陶瓷膜。本发明专利技术可以解决由于阴极水淹导致的自呼吸通道堵塞的问题，改善氧气的传质，进而提高醇类燃料电池的输出性能。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供了一种醇类燃料电池的自呼吸式阴极结构，以解决水淹导致的阴极板自呼吸通道堵塞的问题。本专利技术的醇类燃料电池的阴极板采用铝合金材料进行制作，上面设置用于“自呼吸”的通孔，阴极板表面与膜电极接触的部分覆盖有一层薄的金层，而与空气接触的部分采用微弧氧化技术制备一层具有超亲水特性的氧化物陶瓷膜。本专利技术可以解决由于阴极水淹导致的自呼吸通道堵塞的问题，改善氧气的传质，进而提高醇类燃料电池的输出性能。【专利说明】—种醇类燃料电池的自呼吸式阴极结构
本专利技术属于质子交换膜燃料电池领域，具体涉及一种醇类燃料电池的自呼吸式阴极结构的设计。
技术介绍
直接醇类燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell - DMFC)以甲醇、乙醇、二甲醚等作为燃料，具有结构简单、转换效率高、可低温启动等优点，在微小型便携式产品领域有着良好的应用前景。特别是自呼吸式醇类燃料电池，由于有源辅助器件的取消，其结构紧凑，因此更加适合低功率要求(〈10W)的便携式和微小型设备应用。在实际应用中，自呼吸式直接醇类燃料电池的阴极板不仅起着收集阴极电流的作用，而且是阴极氧气与水的传输通道。空气中的氧气由阴极板的自呼吸通道经扩散进入电池内部参与反应；阴极反应产生的水以及从阳极渗透到阴极的水在毛细作用下会由阴极催化层传输到阴极的自呼许通道中，然后依靠自然蒸发和重力排出。在这一过程中，很容易发生液体水在自呼吸通道内的累积，从而阻碍氧气的传至，特别是在大电流放电时，阴极自呼吸通道有可能完全堵塞，从而严重降低了电池的性能和稳定性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种醇类燃料电池的自呼吸式阴极结构，它增强了阴极板的排水能力，解决了由于液体水阻塞阴极板自呼吸通道的问题。所述目的是通过如下方案实现的: 一种醇类燃料电池的自呼吸式阴极结构，包括铝合金材料制作的阴极极板，阴极极板上面设置有用于“自呼吸”的通孔；在阴极极板表面与膜电极直接接触的部分采用电镀或者磁控溅射的方法覆盖一层金层，防止腐蚀并减少接触电阻；在阴极极板表面直接接触空气的部分采用微弧氧化技术制作一层具有超亲水性的氧化物陶瓷膜。由于该陶瓷膜具有超亲水的特性，使得阴极产生的水能够在陶瓷膜的表面迅速扩散成一个平面，防止其形成液态水滴，从而有效地的避免阴极极板水淹。本专利技术具有以下优点: (O阴极极板的开孔率与传统电池的阴极极板开孔率保持不变，但由于超亲水薄层的存在，使得阴极自呼吸通道内的水无法形成水滴，从而避免了自呼吸孔的堵塞问题； (2)利用微弧氧化技术，能够保证所制备的超亲水膜层完全、均匀的覆盖阴极板表面与空气接触的部分，而且该超亲水膜层与基底之间具有良好的结合力，同时也能够明显的提高极板的耐腐蚀能力。【专利附图】【附图说明】: 图1为本专利技术中被动式直接甲醇燃料电池的结构分解示意图； 图2为阴极极板背面(与膜电极接触一侧)金层示意图； 图3为阴极极板正面(与空气接触一侧)氧化物陶瓷膜示意图； 图4具有本专利技术的阴极结构与传统阴极结构的直接甲醇燃料电池在lOOmA/cm2的电流密度下的放电测试结果； 图5在lOOmA/cm2的电流密度下经过长时间放电之后的传统阴极结构的自呼吸通道的照片； 图6在100mA/cm2的电流密度下经过长时间放电之后的本专利技术中的阴极结构的自呼吸通道的照片。图1-图3中:1-燃料腔；2_阳极极板；3_绝缘垫；4_膜电极；5_阴极极板；6_通孔；7_金层；8_具有超亲水特性的氧化物陶瓷膜。【具体实施方式】: 【具体实施方式】一:本实施方式采用铝合金进行如图2和图3所示的阴极极板的制作，采用酒精或者丙酮进行除油处理之后，将其放入含有硅酸钠(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的条件下处理10-120分钟；微弧氧化处理过的阴极极板用自来水冲洗干净，然后将其表面与膜电极接触的部分的微弧氧化陶瓷膜打磨掉，采用磁控溅射或者电镀的方式在此部分表面沉积一层金层。将处理过的阴极极板与阳极极板、膜电极、绝缘垫以及储液腔按照图1所示的顺序利用夹具固定于一处，即可作为一个完整的单电池。室温下采用2M的甲醇在lOOmA/cm2的电流密度下进行放电测试，结果见图4。如图5所示，传统的阴极结构的自呼吸通道很快就出现了水淹，而本专利技术的阴极结构在整个放电过程中并未出现自呼吸通道的水淹现象，如图6所示。因此，图4中传统阴极结构的电池放电电压快速衰减，而具有本专利技术的阴极结构的电池放电电压非常平稳。【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，阴极极板微弧氧化处理时所采用的电解液为5-15g/mL的铝酸钠和0.5-2g/mL次亚磷酸钠。【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一的不同点在于，阴极极板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。本专利技术相对于现有技术的创新点在于改进了电池阴极极板的结构。采用此种阴极极板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。对阴极极板的改进之处在于，在阴极极板的背面(接触膜电极一侧)利用磁控溅射或者电镀技术形成一层金的薄层，在阴极板正面(接触空气的部分)进行了超亲水处理，使水进入自呼吸通道时能够迅速扩散，不形成液滴。电池工作时，空气经由阴极极板的通孔进入，阴极氧气与电子、质子反应生成水，通过阴极孔道流出极板。与传统结构相比，本专利技术阴极极板的开孔率保持不变，但是增加了阴极水与空气的接触面积，在阴极极板的正面进行了超亲水处理，使阴极产生的水能够迅速地扩散，不易形成水滴，从而使水能够更加充分快速地蒸发及排出。本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。【权利要求】1.一种醇类燃料电池的自呼吸式阴极结构，包括阴极极板，阴极极板上面设置有用于“自呼吸”的通孔，其特征在于所述阴极极板表面与膜电极接触的部分覆盖有一层金层，与空气接触的部分覆盖有一层具有超亲水特性的氧化物陶瓷膜。2.根据权利要求1所述的醇类燃料电池的自呼吸式阴极结构，其特征在于所述金层是采用磁控溅射或者电镀的方式进行制备的。3.根据权利要求1所述的醇类燃料电池的自呼吸式阴极结构，其特征在于所述具有超亲水特性的氧化物陶瓷膜是采用微弧氧化技术制备的。4.根据权利要求3所述的醇类燃料电池的自呼吸式阴极结构，其特征在于所述微弧氧化处理时所采用的电源为直流电源或者交流电源。5.根据权利要求3所述的醇类燃料电池的自呼吸式阴极结构，其特征在于所述微弧氧化处理时所采用的电解液中含有Si032_或者AlO2'6.根据权利要求1所述的醇类燃料电池的自呼吸式阴极结构，其特征在于所述阴极极板采用铝合金材料制作而成。【文档编号】H01M4/86GK103825031SQ201410098387【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月18日 优先权日:2014年3月18日 【本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种醇类燃料电池的自呼吸式阴极结构，包括阴极极板，阴极极板上面设置有用于“自呼吸”的通孔，其特征在于所述阴极极板表面与膜电极接触的部分覆盖有一层金层，与空气接触的部分覆盖有一层具有超亲水特性的氧化物陶瓷膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓为，袁玮健，张雪林，张宇峰，王志刚，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23