一種直接甲醇燃料電池及電池組制造技術

本發明專利技術提供一種直接甲醇燃料電池及電池組，直接甲醇燃料電池包括陽極極板、膜電極、陰極極板，膜電極位于陽極極板、陰極極板之間；還包括：使用PCM相變材料與脈動熱管耦合的散熱裝置；陽極極板的外層、陰極極板的外層均集成有散熱裝置；膜電極與陽極極板之間、膜電極與陰極極板之間均設置絕緣墊；兩側的散熱裝置外側采用夾具進行封裝。直接甲醇燃料電池組，由所述的直接甲醇燃料電池串聯或并聯而成。本發明專利技術采用PCM相變材料與脈動熱管耦合成散熱裝置，集成在陰陽極極板兩側，組成直接甲醇燃料電池新結構，使直接甲醇燃料電池穩定工作在最佳工作溫度。

Direct methanol fuel cell and battery pack

The present invention provides a direct methanol fuel cell and battery pack, direct methanol fuel cell includes an anode plate, a cathode plate, membrane electrode, membrane electrode is arranged between the anode plate and cathode plate; also includes a heat dissipation device using PCM phase change material and pulsating heat pipe coupling; outer layer and cathode anode plate are integrated a heat dissipation device; and between the membrane electrode and the anode plate and the cathode plate membrane electrode are set outside the insulation pad; cooling device on both sides of the fixture using package. The direct methanol fuel cell stack is connected in series or in parallel with the direct methanol fuel cell. The invention adopts the PCM phase change material and pulsating heat pipe cooling device coupled to the anode plate, the integration of both sides, to form a new structure for direct methanol fuel cells, to stabilize the direct methanol fuel cell at the optimal temperature.

【技術實現步驟摘要】
一種直接甲醇燃料電池及電池組
本專利技術屬于直接甲醇燃料電池
，具體涉及一種直接甲醇燃料電池及電池組。
技術介紹
燃料電池是一種電化學的發電裝置，通過電化學反應將持續供給的燃料和氧化劑的化學能連續不斷地轉化為電能。相對內燃機而言，它不受卡諾循環的限制，能量轉化效率高；環境友好，幾乎不排放氮氧化物和硫氧化物，二氧化碳的排放量也比常規放電廠少40%以上；相對蓄電池而言，燃料電池的能量密度和功率密度高，且無需等待充電。由于這些突出的優點，燃料電池技術的研究與開發備受各國政府與公司的關注，被認為是21世紀首選的、潔凈的、高效的發電技術。燃料電池的研究與開發，不僅有利于能源工業和電池工業的發展，而且必將推動電子工業、材料工業、醫療通訊等領域的技術進步，對提高資源利用率和解決環境污染問題等國家戰略需求具有重要意義。直接甲醇燃料電池使用甲醇作為燃料，具有燃料來源豐富、價格低廉、操作方便和易于小型化等優點，其陰極的反應物為空氣中的氧氣，反應產物為水。直接甲醇燃料電池的工作溫度需低于150℃，但是，當作為便攜式電子產品的電源供給時，需根據實際情況調節電池的尺寸或者電池組的級聯數目。當電池產品需要的電壓或電流很大時，燃料電池或電池組內部電化學反應隨之加劇，反應放出的熱量無法忽略，當直接甲醇燃料電池工作溫度超過85℃時，內部催化劑活性下降，質子交換膜失水，直接影響輸出功率密度。因此，基于燃料電池的能源系統的自適應熱管理至關重要，既不能超過此類型燃料電池工作溫度的上限，又不能使電池的工作溫度過低，影響電催化劑的活性。而作為電池的散熱和溫度控制系統，主動式控制方法由于要消耗電能，不利于提高電池及電池組有效的輸出功率密度。
技術實現思路
針對現有技術存在的問題，本專利技術提供一種直接甲醇燃料電池及電池組，采用相變材料與脈動熱管耦合成散熱裝置，集成在陰極極板和陽極極板兩側，組成直接甲醇燃料電池的新結構，使直接甲醇燃料電池穩定工作在最佳工作溫度，以解決由于電化學反應導致溫度過高或過低，從而影響催化劑活性和直接甲醇燃料電池性能的問題。本專利技術是通過如下方案實現的：一種直接甲醇燃料電池，包括陽極極板、膜電極、陰極極板，膜電極位于陽極極板、陰極極板之間；還包括：使用PCM相變材料與脈動熱管耦合的散熱裝置；陽極極板的外層、陰極極板的外層均集成有散熱裝置；膜電極與陽極極板之間、膜電極與陰極極板之間均設置絕緣墊；兩側的散熱裝置外側采用夾具進行封裝。所述陰極極板或陽極極板一側表面設置若干條通透性溝槽，陰極極板或陽極極板表面的通透性溝槽朝向絕緣墊一側。一種直接甲醇燃料電池組，由所述的直接甲醇燃料電池串聯或并聯而成。所述散熱裝置，包括由PCM相變材料填充的散熱板、翅片、脈動熱管，散熱板開有若干條通透性溝槽，脈動熱管安裝在溝槽中，翅片安裝在脈動熱管的蒸發端和冷凝端，翅片伸出散熱板以增大自然對流的散熱面積。所述脈動熱管為U型，其彎曲側作為蒸發端位于近膜電極端，U型結構的兩個端部均為冷凝端。所述PCM相變材料根據直接甲醇燃料電池的最佳工作溫度來選取。一種所述的直接甲醇燃料電池的散熱方法，直接甲醇燃料電池工作過程中，當直接甲醇燃料電池溫度上升時，PCM相變材料吸熱，同時脈動熱管的蒸發端的熱管工作物質如水或乙醇等由于受熱沸騰，形成氣泡，氣泡上升至脈動熱管的冷凝端破裂，工作物質液化回流到脈動熱管的蒸發端，而將熱量帶到脈動熱管的冷凝端；此時散熱板外部表面聚集了大量的由脈動熱管和PCM相變材料從直接甲醇燃料電池吸收來的熱量，通過翅片增大散熱面與空氣接觸的面積從而加強空氣對流，完成了一次散熱過程。有益效果：本專利技術采用PCM相變材料與脈動熱管耦合成散熱裝置，集成在陰陽極極板兩側，組成直接甲醇燃料電池新結構，使直接甲醇燃料電池穩定工作在最佳工作溫度。（1）使用PCM相變材料與脈動熱管耦合進行散熱，能夠自發將溫度穩定在PCM相變材料的相變溫度；（2）使用相變傳熱與脈動熱管傳熱，同時加入翅片加大自然對流傳熱的接觸面積，具有很高的傳熱效率；（3）由于尺寸或者級聯的單體電池數導致最佳工作溫度改變時，只需要改變PCM相變材料使其相變溫度與反應最佳工作溫度想符合即可，具有極高的靈活性；（4）陰極極板結構由于具有通透性的溝槽，利于陰極與氣體接觸，也更容易進行級聯裝配。同時，本專利技術還具有制作成本低，占用空間小，直接甲醇燃料電池性能穩定性高的優點，利于推廣應用。附圖說明圖1是本專利技術具體實施方式中直接甲醇燃料電池的分解結構示意圖；圖2是本專利技術具體實施方式中直接甲醇燃料電池組示意圖；圖3是本專利技術具體實施方式中散熱裝置的結構示意圖，（a）是散熱裝置A-A向剖視圖，（b）是散熱裝置的主視圖；圖4是本專利技術具體實施方式中陰極極板的結構示意圖，（a）是陰極極板B-B向剖視圖，（b）是陰極極板的主視圖；其中：1——夾具；2——散熱裝置；3——陰極極板；4——絕緣墊；5——膜電極；6——陽極極板；7——脈動熱管；8——散熱板；9——翅片；10——蒸發端；11——冷凝端。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術的具體實施方式做詳細說明。本實施方式提供一種如圖1所示的直接甲醇燃料電池，包括陽極極板6、膜電極5、陰極極板3及使用PCM相變材料與脈動熱管耦合的散熱裝置2；膜電極5位于陽極極板6、陰極極板3之間，且陽極極板6的外層、陰極極板3的外層均集成有散熱裝置2；膜電極5與陽極極板6之間、膜電極5與陰極極板3之間均設置絕緣墊4；兩側的散熱裝置2外側采用夾具1進行封裝。陰極極板3、膜電極5及絕緣墊4和陽極極板6裝配在一起形成“三明治”結構。在“三明治”結構兩側放置用于穩定直接甲醇燃料電池溫度的散熱裝置2，形成對稱散熱結構，使直接甲醇燃料電池內熱量分布更均勻。膜電極5主要由陽極擴散層、陽極催化層、質子交換膜、陰極催化層和陰極擴散層等部件組成，而散熱裝置2集成到陰極極板3和陽極極板6的外層（非與膜電極5的接觸面）。利用微細精密加工技術制作出直接甲醇燃料電池陰極極板3或陽極極板6結構模具然后沖壓不銹鋼制成陰極極板3或陽極極板6。封裝所使用的夾具1利用微細精密加工技術加工高分子材料(如有機玻璃、塑料等)制成，將裝配好的直接甲醇燃料電池用螺栓從夾具1與絕緣墊4的孔洞中固定好，形成一定的封裝壓力，保證直接甲醇燃料電池不會漏液及陽極極板6、陰極極板3連接的緊密性。陰極極板3或陽極極板6一側表面設置若干條通透性溝槽，安裝時，陰極極板3或陽極極板6表面的通透性溝槽朝向絕緣墊4一側。上述直接甲醇燃料電池為單體電池，通過單體電池的串聯或并聯即成直接甲醇燃料電池組，如圖2所示的直接甲醇燃料電池組為兩個單體電池并聯而成。本實施方式中散熱裝置2如圖3（a）~（b）所示，包括由PCM相變材料填充的散熱板8、翅片9、脈動熱管7，散熱板8開有若干條通透性溝槽，脈動熱管7安裝在溝槽中，翅片9安裝在脈動熱管7的蒸發端10和冷凝端11，翅片9伸出散熱板8以增大自然對流的散熱面積。脈動熱管7為U型，其彎曲側作為蒸發端10位于近膜電極端，U型結構的兩個端部均為冷凝端11。脈動熱管7能夠在熱驅動下進行自我振蕩，使得工作物質在蒸發端10和冷凝端11之間振蕩流動，從而實現熱量的傳遞。由PCM相變材料填充的散熱板8中，PCM相變材料是隨溫度變化而改變物質狀態并能提供潛本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種直接甲醇燃料電池，包括陽極極板（6）、膜電極（5）、陰極極板（3），膜電極（5）位于陽極極板（6）、陰極極板（3）之間；其特征在于，還包括：使用PCM相變材料與脈動熱管耦合的散熱裝置（2）；陽極極板（6）的外層、陰極極板（3）的外層均集成有散熱裝置（2）；膜電極（5）與陽極極板（6）之間、膜電極（5）與陰極極板（3）之間均設置絕緣墊（4）；兩側的散熱裝置（2）外側采用夾具（1）進行封裝。

【技術特征摘要】
1.一種直接甲醇燃料電池，包括陽極極板（6）、膜電極（5）、陰極極板（3），膜電極（5）位于陽極極板（6）、陰極極板（3）之間；其特征在于，還包括：使用PCM相變材料與脈動熱管耦合的散熱裝置（2）；陽極極板（6）的外層、陰極極板（3）的外層均集成有散熱裝置（2）；膜電極（5）與陽極極板（6）之間、膜電極（5）與陰極極板（3）之間均設置絕緣墊（4）；兩側的散熱裝置（2）外側采用夾具（1）進行封裝。2.根據權利要求1所述的直接甲醇燃料電池，其特征在于，所述陰極極板（3）或陽極極板（6）一側表面設置若干條通透性溝槽，陰極極板（3）或陽極極板（6）表面的通透性溝槽朝向絕緣墊（4）一側。3.一種直接甲醇燃料電池組，其特征在于，由權利要求1所述的直接甲醇燃料電池串聯或并聯而成。4.根據權利要求1所述的直接甲醇燃料電池，其特征在于，所述散熱裝置（2），包括由PCM相變材料填充的散熱板（8）、翅片（9）、脈動熱管（7），散熱板（8）開有若干條通透性溝槽，脈動熱管（7）安裝在溝槽中，翅片（9）安裝在脈動熱管...

【專利技術屬性】
技術研發人員：苑振宇，王詩凱，楊杰，葉檸，馬文鵬，左凱源，
申請(專利權)人：東北大學，
類型：發明
國別省市：遼寧,21