專利名稱：采用高濃度甲醇進料方式的自呼吸直接甲醇燃料電池的制作方法
技術領域：
本發明屬于電化學燃料電池領域，具體是采用高濃度甲醇進料方式的自呼吸直接
甲醇燃料電池。
背景技術：
自呼吸甲醇燃料電池作為一種替代能源，具有能量密度高，系統結構簡單，燃料補充方便、可以長期運行等優點。它以甲醇為燃料，以空氣中的氧為氧化劑，兩者通過電池的膜電極發生反應，反應的化學能則以電能形式輸出。 但是，實驗中發現如果使用低濃度甲醇，如低于5M甲醇溶液則難有如上所說的優點，只有使用高濃度甲醇如10M以上到純甲醇才具有較高的應用前景。但高濃度甲醇如果直接與膜電極接觸，膜電極將很容易被破壞，這主要是高濃度甲醇對膜有很強的溶脹能力及穿透能力，一方面導致膜電極的電極與膜之間發生脫離，另一方面甲醇透過至陰極后與氧氣直接發生燃燒反應，燒壞電極。 為了能夠早日實現直接甲醇燃料電池商業化應用，研究者們對采用高濃度甲醇進
料方式的燃料電池進行了研究，目前主要還是停留在實驗室階段。如Abdelkareem等人(參
見M.Ali Abdelkareem， N. Nakagawa， J. Power Sources 162(2006) 114.)采用了多孔碳板
來增加陽極甲醇的傳質阻力，由于多孔碳板低的孔隙率，導致高濃度的甲醇溶液只能以一
定的速率擴散到陽極表面，而陽極表面處的甲醇濃度則保持較低的水平，從而獲得較為穩
定的電能輸出。Kim等人則使用一種水凝膠來控制甲醇從燃料貯槽到陽極的擴散速度(參
見W.J.Kim， H. G.Choi ，Y.K丄ee， et al.，J.Power Sources 163(2006)98)。也有采用疏水
多孔層來控制甲醇的透過阻力(Y. Yang， Y. C. Liang， J. PowerSources 165 (2007) 185)，還有
采用一微管將高濃度甲醇溶液以一定速度輸送到膜電極陽極側的低濃度甲醇溶液區，只要
輸送的甲醇正好能夠與膜電極消耗的甲醇相抵消，電池系統就可以穩定地工作。 可以看出，這些系統雖然使用了高濃度的甲醇，但同時與膜電極接觸的卻是低濃
度甲醇溶液，而低濃度側的溶液體積變化很難控制，因為當電池在長期放電進程中，低濃度
側的水分將逐漸減少，甲醇的濃度也處于不斷變化之中，這就使得整個電池系統較為復雜，
也難以自身調節。
發明內容為了解決已有技術的問題，本發明提出了 一種采用高濃度甲醇進料方式的自呼吸直接甲醇燃料電池。如圖l所示，該電池構成包括高濃度甲醇貯存單元1，水貯存單元3和低濃度甲醇貯存單元6 ;它們作為電池殼體所用的材料為高分子材料聚乙烯、聚碳酸酯、有機玻璃、聚丙烯或聚苯乙烯；所述的高分子材料要有一定的強度，耐液體燃料甲醇腐蝕，沒有污染； 所述的高濃度甲醇貯存單元1和水貯存單元3位于低濃度甲醇貯存單元6的上部，高濃度甲醇貯存單元1與水貯存單元3之間有氣體通道2直通低濃度甲醇反應區6，用來排出電池工作時所產生的二氧化碳氣體。所述的低濃度甲醇單元6，也是該電池工作時主要反應區，用來組裝單電池或電池組，該電池的極板采用不銹鋼片來雕刻出所需要的流場，
要求所述的極板尺寸要與所述的低濃度甲醇單元6的尺寸應相適應； 貯存高濃度甲醇單元1和低濃度甲醇單元6通過傳質材料制成的通道4實現甲醇的傳輸，所述的通道4采用的甲醇傳輸材料為改性的憎水高分子材料聚四氟乙烯，聚乙烯，聚苯乙烯，聚偏氯乙烯處理過的多孔蓬松狀的棉線或海綿； 水貯存單元3與低濃度甲醇單元6通過傳質材料制成的通道5來實現甲醇和水的
傳輸；所述的通道5采用的水的傳輸材料為多孔蓬松的親水海綿；親水樹脂或親水性的高
分子材料聚乙二醇、聚丙烯酸或它們的共聚物，或聚丙烯酰胺處理過的親水綿。 通過上述的采用不同的親、憎水材料的傳質材料控制甲醇和水向低濃度甲醇反應
區的擴散，以達到控制反應區甲醇的濃度，使燃料電池正常工作； 不同親、憎水能力的傳質材料也可以通過采用不同比例的親、憎水乳液處理多孔材料來得到，比如采用不同比例的親、憎水乳液處理的海綿；調節親、憎水材料的比例制作疏松的多孔材料等。這些都是本領域的技術人員的常識。 所述的低濃度甲醇為l-4mol/L的甲醇溶液，此部分甲醇溶液直接和電池的陽極接觸，作為工作反應區。 所述的高濃度甲醇的濃度為6-24. 7mol/L，高濃度甲醇從高濃度甲醇貯存單元1通過憎水材料傳向低濃度單元6即電池工作直接接觸的反應區； 貯存高濃度甲醇單元1和水貯存單元3的體積比為5 : 1-5 : 3;也可以根據制作的電池單元或電池組的性能來調節。如果電池的保水能力好，甲醇滲透低，則無需補充太
多的水。理論上陽極側消耗的甲醇和水的比例是i : i，由于一般采用低濃度甲醇，水的量
會遠大于甲醇的量，則外加水的量就很少。這在很大程度上取決于所采用的電池的返水性能和滲透性能。另外，還與所采用的傳質材料有關，能控制到甲醇和水補充量與電池工作時消耗量一致為最好。 有益效果本發明提出的一種采用高濃度甲醇進料方式的自呼吸直接甲醇燃料電池，可以成功的實現高濃度甲醇進料，能極大提高燃料電池的工作時間，提供更高的能量，為滿足商業應用墊定了基礎。只要采用不同親、憎水比例的材料可以很容易的控制電池中甲醇和水的傳輸以補充電池工作時消耗的量，而不需要外加蠕動泵和甲醇傳感器來控制燃料的補充。本發明提供的電池結構能同時提供甲醇和水的補充，而對電池本身的返水性能和滲透性能要求較低，這也相應降低了制作電池的難度和成本。
圖1是用高濃度甲醇進料方式的自呼吸直接甲醇燃料電池構成示意圖。其也是摘要附圖。 圖2是采用本發明實施例1的高濃度甲醇進料方式的自呼吸直接甲醇燃料電池的工作曲線圖。 圖3是對比例采用低濃度甲醇溶液(3M)電池工作曲線圖。
具體實施方式
實施例1 :如圖1所示，采用高濃度甲醇進料方式的電池結構構成示意圖。采用聚乙烯材料作為電池殼體，電池殼體尺寸8cmX2cmX6cm ;電池殼體上半部分用來雕刻成高濃度甲醇貯存單元1和水貯存單元3，甲醇貯存單元1內腔尺寸為4. 5cmX1. 5cmX2. 5cm，水貯存單元3內腔尺寸為2cmX 1. 5cmX2. 5cm ;高濃度甲醇貯存單元1與水貯存單元3體體積比約為5 : 2，在高濃度甲醇貯存單元1與水貯存單元3上面開口處采用聚酯膜進行密封，以防止甲醇和水揮發或受到污染。高濃度甲醇貯存單元1與水貯存單元3之間有圓孔氣體通道2直徑為5mm，直通低濃度甲醇反應區6，用來排出電池工作時所產生的二氧化碳氣體；電池殼體下半部分用來雕刻低濃度甲醇貯存單元6，其內腔尺寸為6cmX1. 5cmX2cm，電極有效面積為2cmX6cm。高濃度甲醇貯存部分與低濃度甲醇貯存部分通過多孔憎水材料聚四氟乙烯來連接，要求高濃度甲醇通過憎水材料緩慢向下擴散或滲透，而不是向下流動；同理，水貯存部分采用親水海綿來實現水緩慢向下擴散或滲透。先通過實驗調節親、憎水材料性能來控制甲醇和水的傳輸，甲醇側傳遞速度略微大于水的傳遞。然后，按照一般組裝程序將電池單元進行組裝和測試。高濃度甲醇貯存單元采用的甲醇濃度為20mol/L，水貯存單元采用的水為二次蒸餾水，低濃度甲醇貯存單元采用的甲醇濃度為2mol/L。[0020] 60mA電池工作曲線如圖2所示，工作時間大約為65個小時遠大于對比實例的工作時間。 對比例采用同樣體積大小的電池殼體和電池單元進行對比測試。其中，甲醇溶液全部采用濃度為3mol/L甲醇溶液，該濃度為自呼吸直接甲醇燃料電池常用濃度，60mA電池工作曲線如圖3所示，工作時間約為6. 5個小時。
權利要求一種采用高濃度甲醇進料方式的自呼吸直接甲醇燃料電池，其特征在于，該電池構成包括高濃度甲醇貯存單元(1)，水貯存單元(3)和低濃度甲醇貯存單元(6)；它們作為電池殼體所用的材料為高分子材料聚乙烯、聚碳酸酯、有機玻璃、聚丙烯或聚苯乙烯；所述的高濃度甲醇貯存單元(1)和水貯存單元(3)位于低濃度甲醇貯存單元(6)的上部；高濃度甲醇貯存單元(1)與水貯存單元(3)之間有氣體通道(2)直通低濃度甲醇反應區(6)，所述的低濃度甲醇單元(6)，也是該電池工作時主要反應區，組裝單電池或電池組，該電池的極板采用不銹鋼片來雕刻出所需要的流場，要求所述的極板尺寸要與所述的低濃度甲醇單元(6)的尺寸應相適應；貯存高濃度甲醇單元(1)和低濃度甲醇單元(6)通過傳質材料制成傳輸甲醇的通道(4)，所述的通道(4)采用的甲醇傳輸材料為改性的憎水高分子材料聚四氟乙烯，聚乙烯，聚苯乙烯，聚偏氯乙烯處理過的多孔蓬松狀的棉線或海綿；水貯存單元(3)與低濃度甲醇單元(6)通過傳質材料制成傳輸水的通道(5)；所述的通道(5)采用的水的傳輸材料為多孔蓬松的親水海綿；親水樹脂或親水性的高分子材料聚乙二醇、聚丙烯酸或它們的共聚物，或聚丙烯酰胺處理過的親水綿；所述的低濃度甲醇為1-4mol/L的甲醇溶液，低濃度甲醇直接和電池的陽極接觸為工作反應區；所述的高濃度甲醇的濃度為6-24.7mol/L，高濃度甲醇從高濃度貯存單元(1)通過憎水材料傳向電池的工作反應區即低濃度甲醇貯存單元(6)；貯存高濃度甲醇單元(1)和水貯存單元(3)的體積比為5∶1-5∶3。
專利摘要本實用新型涉及一種采用高濃度甲醇進料方式的自呼吸直接甲醇燃料電池。該電池構成包括高濃度甲醇貯存單元，水貯存單元和低濃度甲醇貯存單元；在高濃度甲醇貯存單元、水貯存單元與低濃度甲醇單元相連區域，采用一種親水或憎水材料將上、下兩部分連接起來，從而使高濃度甲醇和水傳遞到低濃度的反應區。該電池可以成功的實現高濃度甲醇進料，能極大提高燃料電池的工作時間，提供更高的能量。只要采用不同親、憎水比例的材料可以很容易的控制電池中甲醇和水的傳輸以補充電池工作時消耗的量，而不需要外加蠕動泵和甲醇傳感器來控制燃料的補充。該電池能同時提供甲醇和水的補充，而對電池本身的返水性能和滲透性能要求較低，降低了制作電池的難度和成本。
文檔編號H01M8/10GK201438485SQ20092009330
公開日2010年4月14日 申請日期2009年3月31日 優先權日2009年3月31日
發明者馮立綱, 劉長鵬, 廖建輝, 張晶, 蔡衛衛, 邢巍 申請人:中國科學院長春應用化學研究所