本发明专利技术公开了一种基于空气阴极的微型直接甲酸燃料电池。在阳极集电板和阴极集电板的内侧分别设有一块密封垫圈，两密封垫圈之间设有膜电极，膜电极位于阴极集电板一侧设有阴极气体扩散层，膜电极位于阳极集电板一侧设有阳极扩散层，阳极集电板外侧设有端板，阳极集电板和端板之间设有储液腔，阳极集电板与储液腔之间以及储液腔与端板之间都设有密封垫圈；该电池以甲酸为燃料，由喷涂有催化剂的质子交换膜作为膜电极，直接采用空气电极，结构简单，拆卸方便，减少了电池重量、并有效收集反应热，较为密闭的体系减少了甲酸的挥发，可采用不同的催化剂来满足设备对电源不同的放电需求。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料电池领域，特别是涉及一种基于空气阴极微型直接甲酸燃料电池 及其阳极催化剂。
技术介绍
伴随着个人便携式用电设备如手机、笔记本电脑、个人数字设备(PDA)等大量新 型电子产品不断进入人们的生活，人们开始对电源的要求迅速提高，常用的一次和二次电 池已无法满足人们的需求。而燃料电池作为一种能直接将化学能转化为电能的装置，较普 通电池具有高效、环保、启动迅速、质量比能量高等显著优点。因此，研究和开发基于燃料电 池的新型电源具有重要的意义。目前的研究主要致力于质子交换膜燃料电池(PEMFC)和直 接甲醇燃料电池(DMFC)。按照有关资料公布的2008年调查报告显示2008年全球生产的 便携式设备用燃料电池中，质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池分别占70%和对％。 但是，以上两类电池均存在着一定的问题。PEMFC的主要问题是氢的存储及携带的安全性，以及气态的氢气体积能源密度低 (仅为39. lWh/L)。尽管已经开发出新型的储氢材料代替常用的高压气瓶储氢，常用的储氢 材料主要是稀土系、镁系、钛系。但普遍存在吸放氢条件苛刻、储氢量少等缺点。例如MgH2 储氢量仅为7.6% (质量百分数)，吸放氢温度达到280 320°C。LaNi5合金储氢量仅为 1.4% (质量百分数)，Tii^*TiMn合金的储氢量也只有2.0% (质量百分数)。上述难题 限制着PEMFC的发展。使用液体燃料的直接醇类燃料电池备受关注，DMFC以液体甲醇为燃料，其理论体 积能量密度高(约为4900Wh/L)，且相比PEMFC而言在燃料的安全性方面有着突出的优点。 但是甲醇的电氧化活性远不及H2,同时甲醇能透过质子交换膜(PEM)，且有较高的透过率， 大大降低甲醇的利用率，透过PEM的甲醇会在阴极氧化形成混合电位，降低电池性能，40% 的燃料因甲醇渗透而被浪费。为保证良好的电池性能只能使用低浓度的甲醇作为燃料(通 常为IM 2M)，使用过程中无疑需频繁更换燃料，使DMFC的续航能力差，降低了 DMFC工作 效率。甲醇阳极氧化的副产物CO对催化剂的毒化也一直未能得到很好的解决。当然甲 醇所固有的挥发性、毒性和易燃性也是DMFC商业化必须考虑的问题。据报道，甲醇对人的 致死量为75ml (约60g)，属“中等毒”范围，误入人眼会造成永久性失明。同样是鉴于安全 方面的考虑，东芝公司原定2009年4月量产的封装在手机和笔记本电脑的DMFC被迫推迟 上市时间。甲醇的诸多不足，大大限制着DMFC商业化进程。鉴于以上PEMFC和DMFC的不足，人们开始寻求新型的可替代甲醇的燃料，目前研 究的有甲酸、乙醇、乙二醇、丙醇、2-丙醇、1-甲氧基-2-丙醇、丁醇、2- 丁醇、异丁醇、叔丁 醇、二甲醚、二甲氧基甲烷、三甲氧基甲烷等。而甲酸成为首选，直接甲酸燃料电池(DFAFC) 且被认为最有可能率先实现商业化的燃料电池。甲酸在室温下为液体，不易燃，存储和运输 安全。低浓度的甲酸被美国食品和药品管理部门列为安全的食品添加剂。在比较了各类型直接液体燃料电池燃料(DLFC)安全性后，人们总结出了直接甲酸燃料电池的四大优点一 是甲酸较甲醇更容易被氧化；二是甲酸可燃性低，比甲醇更安全；三是甲酸的环境毒性更 低；四是甲酸的膜穿透率远远低于甲醇。由于甲酸在溶液中形成的HC00_与PEM表面磺酸 基团的排斥作用，甲酸对PEM的穿透率极低。单纯膜条件下大约为甲醇的1/100，在单电池 测试条件下，综合考虑催化剂等因素影响，甲酸的膜透过率也仅为甲醇的1/6。由于甲酸较 低的膜穿透率，因此DFAFC对甲酸浓度适应范围广，采用20M甲酸为燃料时电池也能正常工 作，使用IOM甲酸时电池工作效率最佳。另外，甲酸作为一种酸性电解质，有利于提高阳极 室的质子电导率，降低电池内阻。甲酸在催化剂表面有较高的电化学活性，理论开路电压 1. 48V，较甲醇的1. 21V和氢气的1. 23V均高。选择合适的催化剂采用脱氢的直接路径机理 时，不产生CO中间体，不存在着催化剂中毒问题。目前针对DFAFC主要的研究方向包括阳极催化剂、阴极催化剂、小型电池、测试 用电池等。常见的阳极催化剂制备采用NaBH4还原，普遍存在着催化剂颗粒度大，团聚现象 严重等问题。而小型电池由于采用的电极板材料及主动供料需附加设备等问题，普遍存在 着甲酸腐蚀、加工难度大、不易携带等问题，这些都将直接影响到电池的宿命和实用型。Craig M. Miesse、Won Suk Jung 等 人(Journal of Power Sources 162(2006)532-540)报道了一款用于供笔记本电脑电源的直接甲酸燃料电池电堆，说明使 用甲酸替代燃料的可行性，表现出较高的放电功率密度，280ml 50%的甲酸能供笔记本电 脑持续工作2.证。但是由于电极板采用的是石墨板，该材料易碎、加工难度大、受压能力有 限，同时整个电池需要外加附属设备供应燃料及氧，势必将影响到整个电池的效率及实用 性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种利用甲酸为燃料，自呼吸的空气为氧化剂，效率高，使 用便利的基于空气阴极的微型直接甲酸燃料电池。本专利技术目的通过如下技术方案实现一种基于空气阴极的微型直接甲酸燃料电池，包括储液腔、密封垫圈、阳极集电 板、阴极集电板、阴极气体扩散层、阳极扩散层、膜电极和端板；在阳极集电板和阴极集电板 的内侧分别设有一块密封垫圈，两密封垫圈之间设有膜电极，膜电极位于阴极集电板一侧 设有阴极气体扩散层，膜电极位于阳极集电板一侧设有阳极扩散层，阳极集电板外侧设有 端板，阳极集电板和端板之间设有储液腔，阳极集电板与储液腔之间以及储液腔与端板之 间都设有密封垫圈；储液腔、密封垫圈、阳极集电板、阴极集电板和端板的边缘均勻设有多 个用于固定的圆孔；所述阳极集电板在中央设有多个甲酸及二氧化碳流通的通道，该通道 区域组成阳极集电板的集电部分，用于供甲酸进入及气体产物排出阳极扩散层；阴极集电 板在中央设有多个空气及水流通的通道，该通道区域组成阴极集电板集电部分，用于供空 气进入及产物水排出阴极气体扩散层；所述储备腔和密封垫圈为方形，中央设有开口 ；在 储备腔顶端中央开有燃料及气体通道，供燃料注入及反应气体释出；所述膜电极7包括质 子交换膜以及喷涂于质子交换膜两表面的催化剂；膜电极7包括质子交换膜以及喷涂于质 子交换膜两表面的催化剂；位于阳极侧的催化剂为阳极催化剂，阳极催化剂使用Pd的重量 百分比为20 50%的Pd/C、PdPt/C或Pt/C催化剂；位于阴极侧的催化剂为阴极催化剂，阴极使用Pt的重量百分比为20 40%的Pt/C催化剂；阳极催化剂金属载量为0. 5 aiig/ cm2，阴极催化剂金属载量为0. 5 ang/cm2。为进一步实现本专利技术目的，所述储液腔和密封垫圈的开口的大小与阳极集电板的 集电部分、阴极集电板的集电部分、阴极气体扩散层、膜电极、阳极扩散层的大小一致。所述储液腔采用有机玻璃板或PTFE材质。所述阳极集电板和阴极集电板采用环氧玻璃纤维材质印刷电路板。所述阴极气体扩散层为憎水性碳纸；所述阳极扩散层为亲水性碳纸。所述阳极集电板和阴极集电板中央开设的通道为方形、三角形或圆形；圆形通道 的横截面圆的直径孔径为0. 5 3本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种基于空气阴极的微型直接甲酸燃料电池，其特征在于包括储液腔、密封垫圈、阳极集电板、阴极集电板、阴极气体扩散层、阳极扩散层、膜电极和端板；在阳极集电板和阴极集电板的内侧分别设有一块密封垫圈，两密封垫圈之间设有膜电极，膜电极位于阴极集电板一侧设有阴极气体扩散层，膜电极位于阳极集电板一侧设有阳极扩散层，阳极集电板外侧设有端板，阳极集电板和端板之间设有储液腔，阳极集电板与储液腔之间以及储液腔与端板之间都设有密封垫圈；储液腔、密封垫圈、阳极集电板、阴极集电板和端板的边缘均匀设有多个用于固定的圆孔；所述阳极集电板在中央设有多个甲酸及二氧化碳流通的通道，该通道区域组成阳极集电板的集电部分，用于供甲酸进入及气体产物排出阳极扩散层；阴极集电板在中央设有多个空气及水流通的通道，该通道区域组成阴极集电板集电部分，用于供空气进入及产物水排出阴极气体扩散层；所述储备腔和密封垫圈为方形，中央设有开口；在储备腔顶端中央开有燃料及气体通道，供燃料注入及反应气体释出；所述膜电极７包括质子交换膜以及喷涂于质子交换膜两表面的催化剂；膜电极７包括质子交换膜以及喷涂于质子交换膜两表面的催化剂；位于阳极侧的催化剂为阳极催化剂，阳极催化剂使用Ｐｄ的重量百分比为２０～５０％的Ｐｄ／Ｃ、ＰｄＰｔ／Ｃ或Ｐｔ／Ｃ催化剂；位于阴极侧的催化剂为阴极催化剂，阴极使用Ｐｔ的重量百分比为２０～４０％的Ｐｔ／Ｃ催化剂；阳极催化剂金属载量为０．５～２ｍｇ／ｃｍ２，阴极催化剂金属载量为０．５～２ｍｇ／ｃｍ２。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：廖世军，洪平，黄新建，钟轶良，罗凡，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81
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