專(zhuān)利名稱(chēng)：溶膠-凝膠流動(dòng)相低成本直接甲醇燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種接甲醇燃料電池。
背景技術(shù)：
直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)具有能 耗少、能量密度高、甲醇來(lái)源豐富、價(jià)格便宜、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、運(yùn)行便捷、 噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是未來(lái)汽車(chē)動(dòng)力和其它交通工具最有希望的化學(xué) 電源，引起人們的廣泛關(guān)注。目前，直接甲醇燃料電池發(fā)展面臨的關(guān)鍵 問(wèn)題之一是在直接甲醇燃料電池中廣泛采用的固體電解質(zhì)膜是原來(lái)設(shè) 計(jì)用于氫氧質(zhì)子交換膜燃料電池中的Nafion膜，其價(jià)格昂貴，并且有 明顯的甲醇滲漏(crossover)現(xiàn)象，甲醇直接穿透Nafion膜而流失， 使甲醇燃料大量損失，DMFC功率密度下降，同時(shí)甲醇滲漏到達(dá)陰極在陰 極上發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致陰極催化劑中毒而大大縮短電池壽命，使得直接甲 醇燃料電池的制造和應(yīng)用成本高，影響其產(chǎn)業(yè)化。
目前國(guó)內(nèi)外研究、應(yīng)用的直接甲醇燃料電池均采用價(jià)格昂貴的質(zhì)子 交換膜和電池雙極板。
質(zhì)子交換膜的研究大都研究作為質(zhì)子交換膜的固體電解質(zhì)膜材料 的復(fù)合、改性等以提高其導(dǎo)質(zhì)子能力和降低對(duì)甲醇的滲漏。文獻(xiàn)報(bào)道， 以氯磺酸溶液磺化和水解作用下四種單體MeSt, tBuSt, DVB， BVPE聚合 形成高化學(xué)穩(wěn)定性的ETFE膜，比Nafion膜對(duì)甲醇的滲漏低6倍。通過(guò) 改性制備的磺化聚醚砜質(zhì)子交換膜，對(duì)甲醇的滲漏比Nafion 117膜低5-200倍。雖然對(duì)甲醇的阻漏性能大大提高，但仍沒(méi)有完全解決甲醇的 滲漏問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能有效解決甲醇在質(zhì)子交換膜上的滲 透問(wèn)題，不使用質(zhì)子交換膜和電池雙極板，提高直接甲醇燃料電池性能 的溶膠-凝膠流動(dòng)相低成本直接甲醇燃料電池。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
一種溶膠-凝膠流動(dòng)相低成本直接甲醇燃料電池，其特征是包括 電池外殼，電池外殼中設(shè)置陰極，陰極與電池外殼通過(guò)焊接點(diǎn)連接設(shè)置 為陰極輸出端，陰極與電池外殼之間設(shè)置空氣室，陰極內(nèi)設(shè)置陽(yáng)極，陽(yáng) 極與陰極之間設(shè)置凝膠流動(dòng)相室，陽(yáng)極與電池外殼通過(guò)焊接點(diǎn)連接設(shè)置 為陽(yáng)極輸出端，外殼的凝膠流動(dòng)相室部位設(shè)置加料孔，外殼的空氣室部 位設(shè)置空氣流通孔，外殼的空氣室底部部位設(shè)置水排放孔，外殼的中央 部位設(shè)置C02排放孔，其中凝膠流動(dòng)相由下列質(zhì)量百分比的原料制成
CH3OH 3 30% H2S04 10 30% H20 50 80% 導(dǎo)電聚合物和/或?qū)щ娂{米粉末 1 6 Q% 金屬有機(jī)化合物或金屬鹽 5 30%
所述凝膠流動(dòng)相是通過(guò)下列方法制成以金屬有機(jī)化合物或金屬鹽 為前驅(qū)體，流動(dòng)相中的甲醇為分散介質(zhì)，加入硫酸、水，經(jīng)水解、縮聚 反應(yīng)形成溶膠，并進(jìn)一步摻雜聚合物和/或?qū)щ娂{米粉末制成凝膠流動(dòng) 相。
所述金屬有機(jī)化合物是正硅酸甲酯，金屬鹽是硅酸鈉。陰極從內(nèi)至外依次由多孔鈦板或不銹鋼、擴(kuò)散層、陰極催化劑復(fù)合
組成；陽(yáng)極從內(nèi)至外依次由多孔鈦板或不銹鋼、擴(kuò)散層、陽(yáng)極催化劑復(fù) 合組成；陰極輸出端采用不銹鋼、銅或鈦材料，陽(yáng)極輸出端采用不銹鋼、 銅或鈦材料；加料密封蓋材料采用聚四氟乙烯。
導(dǎo)電聚合物是聚苯胺或聚吡咯，導(dǎo)電納米粉末是C、 Cu或Ag。 本發(fā)明以具有較高導(dǎo)質(zhì)子、電子能力的Gel (凝膠)流動(dòng)相取代目 前普遍使用的硫酸、甲醇液相電解質(zhì)溶液流動(dòng)相，可以從根本上解決甲 醇滲漏的問(wèn)題，降低其對(duì)直接甲醇燃料電池陰極和陽(yáng)極催化劑的毒化， 可以提高直接甲醇燃料電池的性能；同時(shí)由于Gel流動(dòng)相具有較高的導(dǎo) 質(zhì)子和電子能力，能起到質(zhì)子交換膜的作用，因此，在直接甲醇燃料電 池中可以不使用質(zhì)子交換膜。同時(shí)，通過(guò)通過(guò)簡(jiǎn)化電池結(jié)構(gòu)，不使用電 池雙極板，使直接甲醇燃料電池成本大大降低，可以推動(dòng)直接甲醇燃料 電池的市場(chǎng)化進(jìn)程。本發(fā)明專(zhuān)利提出以Ge I流動(dòng)相取代目前普遍使用的 硫酸、甲醇液相電解質(zhì)溶液流動(dòng)相，不使用質(zhì)子交換膜和雙極板的低成 本直接甲醇燃料電池，可以作為手機(jī)、筆記本電腦、移動(dòng)電話等便攜式 裝置和摩托車(chē)、汽車(chē)等的動(dòng)力電池，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用?？梢愿鶕?jù)實(shí)際使 用的要求，既可以做成微型燃料電池及電池組，也可以做成大型電燃料 電池。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，電池可制成各種形狀。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。 圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示圖。 圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)剖面圖。 圖3是陰極的結(jié)構(gòu)示圖。 圖4是陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)示圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1:
一種溶膠-凝膠流動(dòng)相低成本直接甲醇燃料電池，包括電池外殼1， 電池外殼中設(shè)置陰極4，陰極與電池外殼通過(guò)焊接點(diǎn)連接設(shè)置為陰極輸
出端3，陰極與電池外殼之間設(shè)置空氣室2，陰極內(nèi)設(shè)置陽(yáng)極7，陽(yáng)極與 陰極之間設(shè)置凝膠流動(dòng)相室6，陽(yáng)極與電池外殼通過(guò)焊接點(diǎn)連接設(shè)置為 陽(yáng)極輸出端5，外殼的凝膠流動(dòng)相室部位設(shè)置加料孔15，加料密封蓋16， 外殼的空氣室部位設(shè)置空氣流通孔14，外殼的空氣室底部部位設(shè)置水排 放孔12，外殼的中央部位設(shè)置C02排放孔13。其中凝膠流動(dòng)相由下列
質(zhì)量成分的原料制成
CH3OH 10%
H2S04 15%
H20 50%
導(dǎo)電聚合物和/或?qū)щ娂{米粉末 5 %
金屬有機(jī)化合物或金屬鹽 20%
金屬有機(jī)化合物是正硅酸甲酯，金屬鹽是硅酸鈉。導(dǎo)電聚合物是聚 苯胺或聚吡咯，導(dǎo)電納米粉末是C、 Cu或Ag。
制備凝膠流動(dòng)相時(shí)，以金屬有機(jī)化合物或金屬鹽為前驅(qū)體，流動(dòng)相 中的甲醇為分散介質(zhì)，加入硫酸、水，經(jīng)水解、縮聚反應(yīng)形成溶膠，并 進(jìn)一步摻雜聚合物和/或?qū)щ娂{米粉末制成凝膠流動(dòng)相。
陰極4從內(nèi)至外依次由多孔鈦板或不銹鋼18、擴(kuò)散層9、陰極催化 劑8復(fù)合組成；陽(yáng)極7從內(nèi)至外依次由多孔鈦板或不銹鋼17、擴(kuò)散層 11、陽(yáng)極催化劑IO復(fù)合組成。
陰極輸出端采用不銹鋼、銅或鈦材料，陽(yáng)極輸出端采用不銹鋼、銅或鈦材料。加料密封蓋材料采用聚四氟乙烯。 實(shí)施例2:
凝膠流動(dòng)相制備中各原料的質(zhì)量配比為:
CH3OH 5%
H2S04 10%
H20 65 %
導(dǎo)電聚合物 3% 金屬有機(jī)化合物或金屬鹽 17%。
導(dǎo)電聚合物是聚苯胺(或聚吡咯)。 其余同實(shí)施例1。
凝膠流動(dòng)相制備中各原料的重量配比為:
CH3OH 10%
H2S04 8%
H20 70%
導(dǎo)電聚合物 2% 金屬有機(jī)化合物或金屬鹽 10%。 其余同實(shí)施例2。 實(shí)施例4:
凝膠流動(dòng)相制備中各原料的重量配比為:
CH3OH 15% H2S04 15% H20 50%
導(dǎo)電C 2%金屬粉末 3% 金屬有機(jī)化合物或金屬鹽 15%。 其余同實(shí)施例2。
權(quán)利要求
1、一種溶膠-凝膠流動(dòng)相低成本直接甲醇燃料電池，其特征是包括電池外殼，電池外殼中設(shè)置陰極，陰極與電池外殼通過(guò)焊接點(diǎn)連接設(shè)置為陰極輸出端，陰極與電池外殼之間設(shè)置空氣室，陰極內(nèi)設(shè)置陽(yáng)極，陽(yáng)極與陰極之間設(shè)置凝膠流動(dòng)相室，陽(yáng)極與電池外殼通過(guò)焊接點(diǎn)連接設(shè)置為陽(yáng)極輸出端，外殼的凝膠流動(dòng)相室部位設(shè)置加料孔，外殼的空氣室部位設(shè)置空氣流通孔，外殼的空氣室底部部位設(shè)置水排放孔，外殼的中央部位設(shè)置CO2排放孔，其中凝膠流動(dòng)相由下列質(zhì)量百分比的原料制成CH3OH 3～30％H2SO4 10～30％H2O 50～80％導(dǎo)電聚合物和/或?qū)щ娂{米粉末1～6％金屬有機(jī)化合物或金屬鹽 5～30％所述凝膠流動(dòng)相是通過(guò)下列方法制成以金屬有機(jī)化合物或金屬鹽為前驅(qū)體，流動(dòng)相中的甲醇為分散介質(zhì)，加入硫酸、水，經(jīng)水解、縮聚反應(yīng)形成溶膠，并進(jìn)一步摻雜聚合物和/或?qū)щ娂{米粉末制成凝膠流動(dòng)相；所述金屬有機(jī)化合物是正硅酸甲酯，金屬鹽是硅酸鈉。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溶膠-凝膠流動(dòng)相低成本直接甲醇燃料電 池，其特征是陰極從內(nèi)至外依次由多孔鈦板或不銹鋼、擴(kuò)散層、陰極 催化劑復(fù)合組成；陽(yáng)極從內(nèi)至外依次由多孔鈦板或不銹鋼、擴(kuò)散層、陽(yáng) 極催化劑復(fù)合組成；陰極輸出端采用不銹鋼、銅或鈦材料，陽(yáng)極輸出端采用不銹鋼、銅或鈦材料；加料密封蓋材料采用聚四氟乙烯。
3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的溶膠-凝膠流動(dòng)相低成本直接甲醇燃 料電池，其特征是導(dǎo)電聚合物是聚苯胺或聚吡咯，導(dǎo)電納米粉末是C、 Cu或Ag。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種溶膠-凝膠流動(dòng)相低成本直接甲醇燃料電池，包括電池外殼，電池外殼中設(shè)置陰極，陰極與電池外殼通過(guò)焊接點(diǎn)連接設(shè)置為陰極輸出端，陰極與電池外殼之間設(shè)置空氣室，陰極內(nèi)設(shè)置陽(yáng)極，陽(yáng)極與陰極之間設(shè)置凝膠流動(dòng)相室，陽(yáng)極與電池外殼通過(guò)焊接點(diǎn)連接設(shè)置為陽(yáng)極輸出端，外殼設(shè)置加料孔，空氣流通孔，水和CO₂排放孔。本發(fā)明以具有較高導(dǎo)質(zhì)子、電子能力的凝膠流動(dòng)相取代目前普遍使用的硫酸、甲醇液相電解質(zhì)溶液流動(dòng)相，可以從根本上解決甲醇滲漏的問(wèn)題，降低其對(duì)直接甲醇燃料電池陰極和陽(yáng)極催化劑的毒化，可以提高直接甲醇燃料電池的性能，由于不使用質(zhì)子交換膜和雙極板，可以大大降低直接甲醇燃料電池的制造成本，推動(dòng)直接甲醇燃料電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
文檔編號(hào)H01M2/08GK101533921SQ20091003041
公開(kāi)日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2009年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月10日
發(fā)明者平 華, 吳東輝, 張瑞萍, 李建華, 健 石, 琴 章, 鞠劍峰, 顧學(xué)芳 申請(qǐng)人:南通大學(xué)