固-胶流动相圆形直接乙醇燃料电池组制造技术

一种固－胶流动相圆形直接乙醇燃料电池组，其特征是：包括电池外壳，内外电极，外壳内设置外电极，外电极与外壳通过焊接点呈线接触式连接，在内电极内侧与外壳和外电极与外壳之间设置上下贯通的空气室，内、外电极之间设置固－胶流动相室，固－胶流动相包括固相和固相两侧的凝胶流动相。本发明专利技术以具有较高导质子、电子能力的固－胶流动相取代目前普遍使用的硫酸、乙醇液相电解质流动相，可以彻底解决乙醇渗透的问题，降低其对ＤＥＦＣ阴极和阳极电催化剂的毒化，可以提高ＤＥＦＣ的性能；同时由于固－胶流动相具有较高的导质子和电子能力，起到了质子交换膜的作用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池领域，更具体地是涉及一种固-胶流动相圆形直接乙醇 燃料电池组。
技术介绍
直接乙醇燃料电池(Direct Ethanol Fuel Cell, DEFC)直接使用液态乙醇作燃 料，且乙醇可由生物质(Biomass)通过发酵制得，来源丰富，毒性低，含氢量高， 是一种完全可再生的资源。DEFC具有能耗少、能量密度高、操作简单、噪声低 等优点，在小型独立电源、国防通讯、单兵作战武器电源以及移动电话、摄像机 和笔记本电脑电源等领域具有广阔的应用前景。因此，国内外很多高校、科研机构和大公司均对DEFC研究开发投入了大量的人力和物力。目前研究的重点是新 型高温电解质膜及高催化活性和高选择性的电催化剂开发两方面，从而降低 DEFC的成本，提高DEFC的性能。异形结构(多为方形和圆形)的DEFC，在用作便携式动力电池时，具有独特 的优点。在圆形DEFC研究上，国外有研究报道，但未有制作成电池组的报道。 另外，应用的DEFC广泛使用质子交换Nafion膜，价格昂贵，并且有明显的乙 醇渗透(Crossover)现象，使乙醇直接穿透Naficm膜而流失，造成乙醇燃料大量损 失，DEFC功率密度下降。同时乙醇燃料的渗透会在电极产生反应，毒化阳极和 阴极电催化剂，使电极活性降低。有关DEFC质子交换膜方面的研究，取得了一 些进展，文献表明，国外学者已开发出用于DEFC的低渗透导质子复合电解质膜， 显示出良好的导质子能力和低渗透率，但是仍没有完全解决乙醇的渗透问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能有效解决乙醇的渗透问题，不使用质子交换 膜，结构合理且工作性能好的低成本圆形直接乙醇燃料电池组。 本专利技术的技术解决方案是一种固-胶流动相圆形直接乙醇燃料电池组，其特征是包括电池外壳，内 外电极，外壳内设置外电极，外电极与外壳通过焊接点呈线接触式连接，在内电 极内侧与外壳和外电极与外壳之间设置上下贯通的空气室，内、外电极之间设置固-胶流动相室，固-胶流动相包括固相和固相两侧的凝胶流动相，其中固相为吸 附了硫酸、乙醇电解质溶液的多孔材料，凝胶流动相的制备成分(以重量计)如下C2H5OH 5 75%H2S04 10 40%H20 10 40%混合酸 2 10%导电聚合物和/或金属粉末 1 10%金属有机化合物或金属盐 1 20%。多孔材料指蒙脱土、硅藻土、白碳黑或活性碳。内、外电极均为热压式膜电极，由多孔钛板、阳极催化剂、固-胶流动相、 阴极催化剂、扩散层、多孔钛板依次复合而成，此处的固-胶流动相与上述电池 组中所述的固-胶流动相相同。扩散层由多孔碳纤维纸或碳纤维布组成。外壳为塑料、不锈钢或纯钛材料。混合酸是全氟磺酸、磷钨酸、磷钼酸、硅钨酸或磷锡酸。导电聚合物是聚苯胺或聚吡咯，金属粉末是Ag、 Au或Cu粉末。金属有机 化合物是钛酸酯类或硅酸酯类，金属盐是硅酸钠。制备凝胶流动相时，以金属有机化合物或金属盐为前驱体，流动相中的乙醇 为分散介质，加入硫酸、水，经水解、縮聚反应形成溶胶(Sol)，并进一步掺杂混 合酸和导电聚合物或金属粉末制成凝胶流动相。本专利技术以具有较高导质子、电子能力的固-胶流动相取代目前普遍使用的硫 酸、，乙醇液相电解质流动相，可以彻底解决乙醇渗透的问题，降低其对DEFC阴 极和阳极电催化剂的毒化，可以提高DEFC的性能；同时由于固-胶流动相具有 较高的导质子和电子能力，起到了质子交换膜的作用。因此，在新型DEFC中可 以不使用质子交换膜，从而简化电池结构，大大降低其制造成本，可以推动DEFC 的市场化进程。本专利技术电池组的特点(1)空气可以自吸式，也可以管道输入压缩空气和氧 气；(2)内、外电极可以釆用热压式，阻抗小；(3)功率密度较高，6(TC条件下， 功率密度分别为15-25 W/cm2 (自呼吸)、20-30 mW/cm2 (氧气)；(4)不用双极板，制造成本低；(5)不使用质子交换膜；(6)温度调节方便(空气室散热面积大， 散热速度快)；(7)电池组拆卸方便，有利于维修和更换组件；(8)电池组可以根 据需要增大和减小，用于不同的产业化目的。 附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。 图l是本专利技术结构示意图。 图2是外电极结构示图。 图3是内电极结构示图。1、外壳2、焊接点3、外电极4、内电极5、多孔钛板6、阳极催化剂 7、固-胶流动相8、阴极催化剂9、扩散层10、第二空气室11、固-胶流动相室 12、第一空气室13、第三空气室14、第四空气室15、第五空气室 具体实施例方式实施例1:一种固-胶流动相圆形直接乙醇燃料电池组，包括电池外壳1，外壳1内设置外电极3、内电极4，外电极与外壳1通过焊接点2呈线接触连接，内电极与外 壳在两端连接，在内电极内侧设置上下贯通的第一空气室12，在外电极与外壳l 之间设置上下贯通的第二空气室10、第三空气室13、第四空气室14、第五空气 室15。内电极4与外电极3之间设置固-胶流动相室11 ，固-胶流动相包括固相和固 相两侧的凝胶流动相，其中固相为吸附了硫酸、乙醇电解质溶液的蒙脱土多孔材料，凝胶流动相的制备成分(以重量计)如下C2H5OH 20%H2S04 40%H20 15%混合酸 5%金属粉末 3%金属有机化合物 17%。混合酸是全氟磺酸。金属粉末是Cu。金属有机化合物是钛酸酯类。内、外电极均为热压式膜电极，内电极由多孔钛板5、阳极催化剂6、固-胶流动相7、阴极催化剂8、由多孔碳纤维纸组成的扩散层9、多孔钛板5复合 组成；外电极依次由多孔钛板5、由碳纤维布组成的扩散层9、阴极催化剂8、 固-胶流动相7、阳极催化剂6、多孔钛板5复合组成。内、外电极中的固-胶流 动相组成和制备方法同固-胶流动相室11的固-胶流动相。按上述思想形成的凝胶流动相方形直接乙醇燃料电池组，其单池性能在 1M CH3CH2OH和0.5M H2S04条件下，氧气流量为20 ml/min， 60°C时，开路电 压为633 mV，最大功率密度为22 mW/cm2 (不能比前面小)，自呼吸条件下最 大功率密度为16 mW/cm2。国内外有关方型直接乙醇燃料电池的报道较少，只 见到英国Newcastle大学学者关于带有催化金属网阳极的直接乙醇燃料电池的报 道，该燃料电池带有双极板和质子交换膜(为普通平板型FC)，其单池性能 在1M CH3CH2OH (卯。C，流量为1 ml/min)条件下，通入氧气(背压为1 bar)， 开路电压约为650 mV，最大功率密度约为16 mW/cm2。文献资料尚未发现空 气自呼吸DEFC性能数据。从以上看出，本专利技术提出的凝胶流动相方形直接乙 醇燃料电池组对于现有技术来说，其性能满足要求，具有有益的使用效果。实施例2:凝胶流动相制备中各成分的重量配比为C2H5OH 30%H2S04 20%H20 22%混合酸 3% 金属粉末 5% 金属有机化合物 20%。多孔材料为硅藻土，混合酸是磷钨酸；金属粉末是Ag;金属有机化合物是硅酸酯类。实施例3:凝胶流动相制备中各成分的重量配比为C2H5OH 50% H2S04 10% H20 10%混合酸 10%导电聚合物 8%金属盐 12%。多孔材料为白碳黑，混合酸是磷钼酸；导电聚合物是聚苯胺；金属盐是硅酸钠。实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固－胶流动相圆形直接乙醇燃料电池组，其特征是：包括电池外壳（１），电池外壳（１）内设置外电极（３），外电极（３）与电池外壳（１）通过焊接点（２）呈线接触式连接，在内电极（４）内侧与电池外壳（１）和外电极（３）与电池外壳（１）之间设置上下贯通的空气室，内电极（４）与外电极（３）之间设置固－胶流动相室（１１），固－胶流动相包括固相和固相两侧的凝胶流动相，其中固相为吸附了硫酸、乙醇电解质溶液的多孔材料，凝胶流动相的制备成分（以重量计）如下：　Ｃ↓［２］Ｈ↓［５］ＯＨ　５～７５％　Ｈ↓［２］ＳＯ↓［４］　１０～４０％　Ｈ↓［２］Ｏ　１０～４０％　混合酸　２～１０％　导电聚合物和／或金属粉末　１～１０％　金属有机化合物或金属盐　１～２０％。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：汤东，倪红军，袁银南，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]