一種基于鎂合金的微型甲醇燃料電池及其制備方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
[0001]技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種被動(dòng)式微型甲醇燃料電池及其制備方法。
[0002]【背景技術(shù)】:
微型直接甲醇燃料電池(Micro Direct methanol fuel cell, uDMFC)是質(zhì)子交換膜燃料電池的一種，采用全氟磺酸型固態(tài)聚合物作為質(zhì)子交換膜，直接利用甲醇或甲醇水溶液作為陽(yáng)極燃料，氧或空氣作為氧化劑，由于甲醇來(lái)源廣泛，儲(chǔ)存、運(yùn)輸方便，能量密度高，因此uDMFC具有比能量高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需要外重整設(shè)備等特點(diǎn)，在便攜電源、小型民用電源及車(chē)用電源等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]從目前國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來(lái)看，微型甲醇燃料電池所采用的基底材料主要有硅材料、聚合物材料和金屬材料，硅材料雖然具有很好的可加工性，但其本身脆性太大，封裝困難，而且硅材料導(dǎo)電性差，電池內(nèi)阻較大；聚合物材料密度小，但是其導(dǎo)熱性差，且高溫下易變形，在作為集流板使用時(shí)需要解決其導(dǎo)電性問(wèn)題；金屬材料機(jī)械強(qiáng)度高，導(dǎo)電性好，但是金屬材料密度高，而且其耐腐蝕性能較差，需要通過(guò)表面處理來(lái)提高其耐蝕性能。
[0004]
【發(fā)明內(nèi)容】
:
本發(fā)明的目的是要提供一種基于鎂合金的微型甲醇燃料電池及其制備方法，該電池采用輕金屬鎂合金加工陽(yáng)極儲(chǔ)液腔、陰極流場(chǎng)板和陽(yáng)極流場(chǎng)板，減少了電池的重量，提高了電池重量比能量；同時(shí)在鎂合金表面制備微弧氧化多孔陶瓷膜，提高了鎂合金的耐腐蝕性能。
[0005]所述目的是通過(guò)如下方案實(shí)現(xiàn)的:
該微型甲醇燃料電池由陽(yáng)極儲(chǔ)液腔、陽(yáng)極流場(chǎng)板、絕緣墊、膜電極和陰極流場(chǎng)板構(gòu)成，所述的陽(yáng)極儲(chǔ)液腔、陽(yáng)極流場(chǎng)板和陰極流場(chǎng)板采用鎂合金材料制作而成，所述的鎂合金材料表面利用微弧氧化技術(shù)生長(zhǎng)氧化鋁微弧氧化多孔陶瓷膜。
[0006]基于鎂合金的微型甲醇燃料電池的制備方法，該方法包括以下步驟:
①、先用鎂合金AZ91塊材制作陽(yáng)極儲(chǔ)液腔，再用2mm厚的AZ91制作陰極和陽(yáng)極流場(chǎng)板，然后將做好的陽(yáng)極儲(chǔ)液腔、以及陰極流場(chǎng)板和陽(yáng)極流場(chǎng)板分別用酒精和去離子水各清洗一次，然后分別將清洗后的陽(yáng)極儲(chǔ)液腔、陰極流場(chǎng)板和陽(yáng)極流場(chǎng)板放在由I?5g/L的氫氧化鉀和5?15g/L的硅酸鈉所組成的電解液中并以陽(yáng)極儲(chǔ)液腔、陰極流場(chǎng)板和陽(yáng)極流場(chǎng)板作為陽(yáng)極，以電解槽作為陰極，電解液溫度20?40°C，正向脈沖電壓為300-600V、負(fù)向脈沖電壓為0-300V、脈沖頻率為10-5000HZ的條件下微弧氧化處理10-180分鐘，最后將處理后的陽(yáng)極儲(chǔ)液腔、陰極流場(chǎng)板和陽(yáng)極流場(chǎng)板放入水熱反應(yīng)釜中，在120-200°C下處理1-24小時(shí)，之后取出晾干；
②、將步驟①中制得的陰極流場(chǎng)板、陽(yáng)極流場(chǎng)板與膜電極接觸的一側(cè)用磁控濺射的方式沉積Cu/Ti/Au的復(fù)合導(dǎo)電層作為集流板；
③、將濺射有導(dǎo)電層的陰極流場(chǎng)板、絕緣墊、膜電極、絕緣墊、陽(yáng)極流場(chǎng)板和陽(yáng)極儲(chǔ)液腔依次組裝在一起制成微型甲醇燃料電池。
[0007]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果: (I)、本發(fā)明微型甲醇燃料電池中的陽(yáng)極儲(chǔ)液腔、陽(yáng)極流場(chǎng)板和陰極流場(chǎng)板采用鎂合金材料制作，減少了電池的重量，提高了電池重量比能量。
[0008](2)、本發(fā)明微型甲醇燃料電池在鎂合金表面制備微弧氧化多孔陶瓷膜，提高了鎂合金的耐腐蝕性能。
[0009](3)、本發(fā)明的微型甲醇燃料電池采用鎂合金降低了電池整體質(zhì)量，提高了重量比能量；同時(shí)通過(guò)表面改性處理方式增強(qiáng)了流場(chǎng)板抗腐蝕能力，提高了電池的穩(wěn)定性。
[0010]【附圖說(shuō)明】:
圖1是本發(fā)明基于鎂合金的微型甲醇燃料電池的結(jié)構(gòu)分解示意圖。
[0011]圖2是本發(fā)明陽(yáng)極流場(chǎng)板和陰極流場(chǎng)板的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖3是本發(fā)明所述覆蓋微弧氧化多孔陶瓷膜前后鋁合金流場(chǎng)板的抗腐蝕能力對(duì)比測(cè)試圖。
[0013]圖1中:1、陽(yáng)極儲(chǔ)液腔；2、陽(yáng)極流場(chǎng)板；3、絕緣墊；4、膜電極；5、絕緣墊；6、陰極流場(chǎng)板。
[0014]圖2中:a、鎂合金基體；b、微弧氧化多孔陶瓷膜；c、Cu層；d、Ti層；e、Au層。
[0015]【具體實(shí)施方式】:
實(shí)施例1:
由附圖1所示:該微型甲醇燃料電池由陽(yáng)極儲(chǔ)液腔1、陽(yáng)極流場(chǎng)板2、絕緣墊3、膜電極4、絕緣墊5和陰極流場(chǎng)板6構(gòu)成，所述的陽(yáng)極儲(chǔ)液腔1、陽(yáng)極流場(chǎng)板3和陰極流場(chǎng)板6采用鎂合金材料AZ91制作而成，所述的鎂合金材料表面利用微弧氧化技術(shù)生長(zhǎng)氧化鋁微弧氧化多孔陶瓷膜。
[0016]基于鎂合金的微型甲醇燃料電池的制備方法，該方法包括以下步驟:
①、先用鎂合金AZ91塊材制作陽(yáng)極儲(chǔ)液腔，再用2mm厚的AZ91制作陰極和陽(yáng)極流場(chǎng)板，然后將做好的陽(yáng)極儲(chǔ)液腔、以及陰極流場(chǎng)板和陽(yáng)極流場(chǎng)板分別用酒精和去離子水各清洗一次，然后分別將清洗后的陽(yáng)極儲(chǔ)液腔、陰極流場(chǎng)板和陽(yáng)極流場(chǎng)板放在由I?5g/L的氫氧化鉀和5?15g/L的硅酸鈉所組成的電解液中并以陽(yáng)極儲(chǔ)液腔、陰極流場(chǎng)板和陽(yáng)極流場(chǎng)板作為陽(yáng)極，以電解槽作為陰極，電解液溫度20?40°C，正向脈沖電壓為300-600V、負(fù)向脈沖電壓為0-300V、脈沖頻率為10-5000HZ的條件下微弧氧化處理10-180分鐘，最后將處理后的陽(yáng)極儲(chǔ)液腔、陰極流場(chǎng)板和陽(yáng)極流場(chǎng)板放入水熱反應(yīng)釜中，在120-200°C下處理1-24小時(shí)，之后取出晾干；
②、將步驟①中制得的陰極流場(chǎng)板、陽(yáng)極流場(chǎng)板與膜電極接觸的一側(cè)用磁控濺射的方式沉積Cu/Ti/Au的復(fù)合導(dǎo)電層作為集流板，此時(shí)流場(chǎng)板的橫截面結(jié)構(gòu)如圖2所示；
③、將濺射有導(dǎo)電層的陰極流場(chǎng)板、絕緣墊、膜電極、絕緣墊、陽(yáng)極流場(chǎng)板和陽(yáng)極儲(chǔ)液腔依次組裝在一起制成微型甲醇燃料電池。
[0017]由附圖3所示:，將表面改性處理前后的AZ91在0.001 M H2SO4+1 M CH3OH+ 2 ppmF的燃料電池模擬腐蝕環(huán)境中進(jìn)行塔菲爾曲線(xiàn)測(cè)試，結(jié)果表明陶瓷化處理使得鋁合金的腐蝕電流由 1.789E-3 下降至Ij 1.562E-5 A cm 2。
[0018]結(jié)論表明本發(fā)明的微型甲醇燃料電池采用鎂合金降低了電池整體質(zhì)量，提高了重量比能量；同時(shí)通過(guò)表面改性處理方式增強(qiáng)了流場(chǎng)板抗腐蝕能力，提高了電池的穩(wěn)定性。
[0019]實(shí)施例2: 本實(shí)施例與前述實(shí)施例1的區(qū)別在于，微弧氧化過(guò)程中采用的電解液中含有5-15g/L的磷酸鈉和l_5g/L的氫氧化鉀。
[0020]上述實(shí)施方式只是對(duì)本專(zhuān)利的示例性說(shuō)明而并不限定它的保護(hù)范圍，本領(lǐng)域人員還可以對(duì)其進(jìn)行局部改變，只要沒(méi)有超出本專(zhuān)利的精神實(shí)質(zhì)，都視為對(duì)本專(zhuān)利的等同替換，都在本專(zhuān)利的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于鎂合金的微型甲醇燃料電池，該微型甲醇燃料電池由陽(yáng)極儲(chǔ)液腔、陽(yáng)極流場(chǎng)板、絕緣墊、膜電極和陰極流場(chǎng)板構(gòu)成，其特征在于:所述的陽(yáng)極儲(chǔ)液腔、陽(yáng)極流場(chǎng)板和陰極流場(chǎng)板采用鎂合金材料制作而成，所述的鎂合金材料表面利用微弧氧化技術(shù)生長(zhǎng)氧化鋁微弧氧化多孔陶瓷膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于鎂合金的微型甲醇燃料電池的制備方法，其特征在于:該方法包括以下步驟:①、先用鎂合金AZ91塊材制作陽(yáng)極儲(chǔ)液腔，再用2mm厚的AZ91制作陰極和陽(yáng)極流場(chǎng)板，然后將做好的陽(yáng)極儲(chǔ)液腔、以及陰極流場(chǎng)板和陽(yáng)極流場(chǎng)板分別用酒精和去離子水各清洗一次，然后分別將清洗后的陽(yáng)極儲(chǔ)液腔、陰極流場(chǎng)板和陽(yáng)極流場(chǎng)板放在由1?5g/L的氫氧化鉀和5?15g/L的硅酸鈉所組成的電解液中并以陽(yáng)極儲(chǔ)液腔、陰極流場(chǎng)板和陽(yáng)極流場(chǎng)板作為陽(yáng)極，以電解槽作為陰極，電解液溫度20?40°C，正向脈沖電壓為300-600V、負(fù)向脈沖電壓為0-300V、脈沖頻率為10-5000HZ的條件下微弧氧化處理10-180分鐘，最后將處理后的陽(yáng)極儲(chǔ)液腔、陰極流場(chǎng)板和陽(yáng)極流場(chǎng)板放入水熱反應(yīng)釜中，在120-200°C下處理1-24小時(shí)，之后取出晾干；②、將步驟①中制得的陰極流場(chǎng)板、陽(yáng)極流場(chǎng)板與膜電極接觸的一側(cè)用磁控濺射的方式沉積Cu/Ti/Au的復(fù)合導(dǎo)電層作為集流板；③、將濺射有導(dǎo)電層的陰極流場(chǎng)板、絕緣墊、膜電極、絕緣墊、陽(yáng)極流場(chǎng)板和陽(yáng)極儲(chǔ)液腔依次組裝在一起制成微型甲醇燃料電池。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于鎂合金的微型甲醇燃料電池的制備方法，其特征在于:所述電解液由5-15g/L的磷酸鈉和l_5g/L的氫氧化鉀組成。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種被動(dòng)式微型甲醇燃料電池及其制備方法，該微型甲醇燃料電池由陽(yáng)極儲(chǔ)液腔、陽(yáng)極流場(chǎng)板、絕緣墊、膜電極和陰極流場(chǎng)板構(gòu)成，所述的陽(yáng)極儲(chǔ)液腔、陽(yáng)極流場(chǎng)板和陰極流場(chǎng)板采用鎂合金材料制作而成，所述的鎂合金材料表面利用微弧氧化技術(shù)生長(zhǎng)氧化鋁微弧氧化多孔陶瓷膜。該電池電池的重量輕，電池重量比能量高，由于在鎂合金表面制備微弧氧化多孔陶瓷膜，提高了鎂合金的耐腐蝕性能。
【IPC分類(lèi)】H01M8/02, H01M8/10
【公開(kāi)號(hào)】CN105098204
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410211621
【發(fā)明人】常立民, 徐宏, 劉偉, 段小月
【申請(qǐng)人】吉林師范大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年11月25日
【申請(qǐng)日】2014年5月19日