[发明专利]基于多孔金属纤维板的自呼吸直接甲醇燃料电池单体

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体是一种基于多孔金属纤维板的被动式自呼吸直接甲醇燃料电池单体。

背景技术

直接甲醇燃料电池(DMFC)是一种以甲醇为燃料将化学能直接转化为电能的电化学装置。其具有结构简单、燃料储存安全、理论比能量高、可低温操作等特点，因此在便携式电子产品领域具有广阔的应用前景。其中被动式自呼吸直接甲醇燃料电池可实现完全自主运行，其阳极与燃料储存腔(以下简称燃料腔)直接相连，阴极直接暴露在自然空气中，燃料(甲醇)和氧化剂(氧气)通过浓差扩散和对流等扩散传递形式到达催化层进行电化学反应。由于其不需要泵、压气机、鼓风机等辅助输送设备，在简化系统的同时，也减少了电池输出能量的额外消耗。

目前，被动式自呼吸直接甲醇燃料电池主要存在甲醇燃料利用率低和电池功率密度低两个关键问题。其主要原因在于目前普遍采用的商业化电解质膜，如Nafion膜等，未能有效阻止甲醇穿透，阳极未反应的甲醇会穿透到阴极，因而造成燃料浪费。另外，甲醇在阴极不断积累的同时，还会与氧气反应产生混合电位，造成严重极化，使得整个电池性能下降。由于甲醇穿透而造成的电池性能衰退，是阻碍DMFC实现商业化的主要原因之一。

直接甲醇燃料电池的电极和电池反应如下：

阳极反应为CH₃OH+H₂O→6H⁺+6e^-+CO₂

阴极反应为3/2O₂+6H⁺+6e^-→3H₂O

电池总反应为CH₃OH+3/2O₂→2H₂O+CO₂

从上述电池的工作原理反应可以看出电池工作时，在阳极甲醇发生氧化反应要消耗水，而在阴极的氧还原反应会产生水，而总反应在阴极侧会多产生一些水。为实现良好的水管理效果，传统上采用碳纤维扩散介质时，需对其进行憎水处理。传统工艺是采用憎水剂(如聚四氟乙烯PTFE)对碳纸或碳布进行预处理。这种工艺较为复杂，对憎水剂的含量需严格控制，同时由于憎水剂的存在，可能造成通孔的堵塞，且降低了扩散介质的导电性。因此寻找疏水特性良好的扩散介质对燃料电池性能的提升也大有帮助。

发明内容

为解决目前直接甲醇燃料电池中甲醇渗透率过高导致燃料浪费和电池性能下降的问题，本发明提供了一种阻醇性能好，可有效提高电池能量密度的基于多孔金属纤维板的被动式自呼吸直接甲醇燃料电池。同时，本发明制备的多孔金属纤维板具有明显的疏水特性，无需任何憎水处理，且具有良好的导电性，能够实现燃料电池的有效水管理和电收集。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种基于多孔金属纤维板的自呼吸直接甲醇燃料电池单体，包括阳极燃料腔、电池工作单元和阴极开放式端板；电池工作单元包括阳极集电板、膜电极和阴极集电板；膜电极的两侧分别设有阳极集电板和阴极集电板；阳极燃料腔和阴极开放式端板作为电池壳体分别位于阳极集电板和阴极集电板的外侧；在膜电极与阳极集电板和阴极集电板之间，阳极集电板与阳极燃料腔之间，以及阴极集电板和阴极开放式端板之间分别设有密封垫圈；在阳极集电板中部设有多孔金属纤维板，所述多孔金属纤维板由直径为20μm-200μm的铜金属纤维烧结而成，孔隙率为70％-90％，渗透率为10^-12m²-10^-9m²，平均孔径为50μm-500μm，厚度0.5-5mm。

为进一步实现本发明目的，所述多孔金属纤维板嵌于阳极集电板中部左侧或右侧空腔的槽内。

所述多孔金属纤维板嵌于阳极燃料腔开口侧增设的槽内。

所述多孔金属纤维板的制备方法为：通过切削法将铜金属原材料制成直径为20μm-200μm的连续型纤维丝，再将制成的金属纤维剪裁成10mm-20mm长的纤维段，然后，将松散的纤维段铺置于制备多孔金属纤维板的模具中，模具的空腔结构与多孔金属纤维板形状相同；采用逐层平铺法保证纤维及其构建的空隙分布均匀，模具经组装后便可置于氮气气氛保护烧结炉内进行烧结，烧结温度为800℃-950℃、烧结时间为30min-90min。

所述阳极燃料腔和阴极开放式端板为耐液体燃料甲醇腐蚀的有机玻璃制成。