用于直接甲醇燃料電池的超疏水多孔流場(chǎng)板的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及被動(dòng)式甲醇燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于直接甲醇燃料電池的超疏水多孔流場(chǎng)板。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)下，能源危機(jī)越來越嚴(yán)重，且傳統(tǒng)的化學(xué)能源存在環(huán)境污染大、能源利用率低等弊病，在此種背景下，燃料電池顯示出其特有的優(yōu)勢(shì):環(huán)保、清潔，而且能夠直接將化學(xué)能源源不斷的轉(zhuǎn)化為電能。然而在直接甲醇燃料電池中，同樣存在著由甲醇穿透引起的陽(yáng)極側(cè)“中毒”、由水穿透引起的陰極“水淹”以及蒸汽式電池中的“陽(yáng)極缺水”等問題。多孔金屬材料的毛細(xì)力能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)液態(tài)直接甲醇燃料電池燃料的合理分布、適當(dāng)供給，也能夠有效緩解電池“陰極側(cè)”因水淹而帶來的影響，同時(shí)超疏水多孔材料應(yīng)用于蒸汽式直接甲醇燃料電池的陰極側(cè)時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)“水反補(bǔ)”的作用，使得陰極側(cè)產(chǎn)生的水反補(bǔ)回陽(yáng)極側(cè)，提高電池性會(huì)泛。
[0003]超疏水材料的去離子水穩(wěn)定接觸角大于155°，現(xiàn)有的制備超疏水銅表面的方法很多，如電沉積法、氟化法，等離子表面處理等。這些方法大多比較繁瑣、費(fèi)事，設(shè)備昂貴。其中，通過堿輔助表面氧化和低表面能溶液修飾工藝制備超疏水銅表面的方法相比于其他方法具有簡(jiǎn)單、高效、低成本等優(yōu)點(diǎn)，然而其存在超疏水銅表面層結(jié)合強(qiáng)度不足，容易脫落的缺點(diǎn)，限制了其在電池裝配及使用過程中的應(yīng)用。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，本實(shí)用新型公開了一種用于直接甲醇燃料電池的超疏水多孔流場(chǎng)板，超疏水多孔流場(chǎng)板以多孔銅材料-銅纖維氈作為基體，所述超疏水多孔流場(chǎng)板在傳統(tǒng)的堿輔助表面氧化工藝和低表面能溶液修飾工藝之間引入固相燒結(jié)工藝，相比于傳統(tǒng)堿輔助表面氧化后低表面能溶液修飾工藝制備的結(jié)構(gòu)，固相燒結(jié)增強(qiáng)了超疏水表面結(jié)構(gòu)與基體的結(jié)合強(qiáng)度，可有效防止超疏水層的脫落，而且該方法制作過程簡(jiǎn)單、高效、成本低廉，有利于其在被動(dòng)式液態(tài)和氣態(tài)直接甲醇燃料電池中的應(yīng)用。
[0005]本實(shí)用新型提供的用于直接甲醇燃料電池的超疏水多孔流場(chǎng)板技術(shù)方案如下:
[0006]—種用于直接甲醇燃料電池的超疏水多孔流場(chǎng)板，所述超疏水多孔流場(chǎng)板分別設(shè)置在直接甲醇燃料電池陰極側(cè)集電板中間的鏤空部和陽(yáng)極側(cè)集電板中間的鏤空部，其疏水表面的去離子水穩(wěn)定接觸角大于155°，孔隙率為70%~80%，厚度為l~3mm。
[0007]進(jìn)一步地，所述超疏水多孔流場(chǎng)板的材料為銅纖維。
[0008]進(jìn)一步地，所述銅纖維的直徑為100~300um。
[0009]相比現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型的有益效果是:能夠?qū)崿F(xiàn)陽(yáng)極側(cè)直接阻礙甲醇穿透，陰極側(cè)實(shí)現(xiàn)“水反補(bǔ)”，使得陰極側(cè)產(chǎn)生的水能夠反補(bǔ)會(huì)陽(yáng)極側(cè)，防止“水淹”，間接阻礙甲醇穿透，從而提尚電池性能。
【附圖說明】
[0010]圖1是裝有超疏水多孔流場(chǎng)板的直接甲醇燃料電池的裝配示意圖。
[0011]圖中1-陰極端蓋，2-硅膠墊片，3-集電板，4-聚四氟乙烯墊片，5-質(zhì)子交換膜，6-超疏水多孔流場(chǎng)板，7-陽(yáng)極燃料腔。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)用新型目的作進(jìn)一步詳細(xì)地描述，實(shí)施例不再在此一一贅述，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不因此限定于以下實(shí)施例。
[0013]實(shí)施例一
[0014]如圖1所示，一種用于直接甲醇燃料電池的超疏水多孔流場(chǎng)板，所述超疏水多孔流場(chǎng)板6分別設(shè)置在直接甲醇燃料電池陰極側(cè)集電板3中間的鏤空部和陽(yáng)極側(cè)集電板3中間的鏤空部，其疏水表面的去離子水穩(wěn)定接觸角大于155°，孔隙率為70%~80%，厚度為1?3mm0
[0015]所述超疏水多孔流場(chǎng)板的材料為銅纖維，其直徑為100~300um。
[0016]如圖1所示，直接甲醇燃料電池依次由陰極端蓋1、硅膠墊片2、集電板3、聚四氟乙烯墊片4、質(zhì)子交換膜5、聚四氟乙烯墊片4、集電板3、硅膠墊片2、陽(yáng)極燃料腔7組成，所述超疏水多孔流場(chǎng)板6分別設(shè)置在直接甲醇燃料電池陰極側(cè)集電板3中間的鏤空部和陽(yáng)極側(cè)集電板3中間的鏤空部，所述超疏水多孔流場(chǎng)板6應(yīng)用于直接甲醇燃料電池陰極或陽(yáng)極側(cè)，以增加質(zhì)子交換膜5兩端的水力差。
[0017]陰極側(cè)集電板3的超疏水多孔流場(chǎng)板6可以將陰極反應(yīng)產(chǎn)生的水受迫反補(bǔ)到陽(yáng)極側(cè)參與陽(yáng)極電極反應(yīng)，同時(shí)在陽(yáng)極側(cè)集電板3的超疏水多孔流場(chǎng)板6防止陽(yáng)極側(cè)水分的流失。具體的工作原理為:在陰極側(cè)，空氣通過陰極端蓋1進(jìn)入到超疏水多孔流場(chǎng)板6，到達(dá)質(zhì)子交換膜5的電極區(qū)域反應(yīng)，陰極反應(yīng)產(chǎn)物水在超疏水多孔流場(chǎng)板6的疏水作用下，使得水不能排出，并不斷蓄積，蓄積水在超疏水多孔流場(chǎng)板6的排斥作用下，被迫向陽(yáng)極區(qū)水濃度低的區(qū)域擴(kuò)散，而參與陽(yáng)極區(qū)的電極反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)陰極水反補(bǔ)，同時(shí)水的反補(bǔ)運(yùn)動(dòng)可以抑制陽(yáng)極甲醇向陰極區(qū)穿透，對(duì)提高電池的輸出性能，提高燃料利用率具有促進(jìn)作用，所述陰極側(cè)集電板3的超疏水多孔流場(chǎng)板6能夠防止陽(yáng)極水分流失，為陽(yáng)極側(cè)的反應(yīng)提供必要的水份，保證電極反應(yīng)的順暢進(jìn)行。
[0018]實(shí)施例二
[0019]—種如所述的超疏水多孔流場(chǎng)板的制備方法，包括如下步驟:
[0020]步驟1、銅纖維氈表面的預(yù)處理:將制備好的銅纖維氈依次浸入濃度為120g/L的NaOH溶液中堿洗30s和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5wt%的HC1溶液中酸洗30s，最后用去離子水清洗干凈，空氣中風(fēng)干；
[0021]步驟2、堿輔助表面氧化工藝:將步驟1清洗后的銅纖維氈浸泡在濃度為2mol/L的NaOH和濃度為0.lmol/L的1(25208的去離子水溶液中沉積lh，反應(yīng)結(jié)束后取出，采用去離子水清洗干凈，空氣中風(fēng)干；
[0022]步驟3、固相燒結(jié)工藝:將經(jīng)過步驟2處理后的銅纖維氈放入具有氫氣保護(hù)的KBF16Q氣氛爐中，在450°C下保溫lh ；
[0023]步驟4、低表面能溶液修飾工藝:將步驟3燒結(jié)后的銅纖維氈浸泡在濃度為0.005mol/L的硬脂酸乙醇溶液中修飾1天，修飾結(jié)束后取出，采用丙酮試劑清洗干凈，然后空氣中風(fēng)干，得到表面生長(zhǎng)出具有顆粒狀、灌木狀、絨毛狀相間分布的復(fù)合微-納結(jié)構(gòu)的超疏水銅纖維氈。
[0024]本實(shí)施例中，所述具有超疏水表面的銅纖維氈在功率為50W/ 40KHz的超聲波儀器中振動(dòng)5min后，銅纖維氈表面超疏水層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定無脫落現(xiàn)象，去離子水穩(wěn)定接觸角仍然大于155° ο
[0025]實(shí)施例三
[0026]—種如所述的超疏水多孔流場(chǎng)板的制備方法，包括如下步驟:
[0027]步驟1、銅纖維氈表面的預(yù)處理:將制備好的銅纖維氈依次浸入濃度為120g/L的NaOH溶液中堿洗3min和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5wt%的HC1溶液中酸洗3min，最后用去離子水清洗干凈，空氣中風(fēng)干；
[0028]步驟2、堿輔助表面氧化工藝:將步驟1清洗后的銅纖維氈浸泡在濃度為3mol/L的NaOH和濃度為0.2mol/L的化鞏的去離子水溶液中沉積5min，反應(yīng)結(jié)束后取出，采用去離子水清洗干凈，空氣中風(fēng)干；
[0029]步驟3、固相燒結(jié)工藝:將經(jīng)過步驟2處理后的銅纖維氈放入具有氬氣保護(hù)的KBF16Q氣氛爐中，在500°C下保溫2h ；
[0030]步驟4、低表面能溶液修飾工藝:將步驟3燒結(jié)后的銅纖維氈浸泡在濃度為0.01mol/L的硬脂酸乙醇溶液中修飾3d，修飾結(jié)束后取出，采用丙酮試劑清洗干凈，然后空氣中風(fēng)干，即得到有超疏水微-納階層復(fù)合結(jié)構(gòu)的超疏水銅纖維氈。
[0031]本實(shí)施例中，所述具有超疏水表面的銅纖維氈在功率為50W/ 40KHz的超聲波儀器中振動(dòng)5min后，銅纖維氈表面超疏水層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定無脫落現(xiàn)象，去離子水穩(wěn)定接觸角仍然大于155° ο
[0032]實(shí)施例四
[0033]—種如所述的超疏水多孔流場(chǎng)板的制備方法，包括如下步驟:
[0034]步驟1、銅纖維氈表面的預(yù)處理:將制備好的銅纖維氈依次浸入濃度為120g/L的NaOH溶液中堿洗5min和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5wt%的HC1溶液中酸洗5min，最后用去離子水清洗干凈，空氣中風(fēng)干；
[0035]步驟2、堿輔助表面氧化工藝:將步驟1清洗后的銅纖維氈浸泡在濃度為lmol/L的NaOH和濃度為0.05mol/L的1(25208的去離子水溶液中沉積0.5h，反應(yīng)結(jié)束后取出，采用去離子水清洗干凈，空氣中風(fēng)干；
[0036]步驟3、固相燒結(jié)工藝:將經(jīng)過步驟2處理后的銅纖維氈放入具有氮?dú)獗Ｗo(hù)的KBF16Q氣氛爐中，在300°C下保溫0.5h ；
[0037]步驟4、低表面能溶液修飾工藝:將步驟3燒結(jié)后的銅纖維氈浸泡在濃度為0.001mol/L的硬脂酸乙醇溶液中修飾12天，修飾結(jié)束后取出，采用丙酮試劑清洗干凈，然后空氣中風(fēng)干，即得到有超疏水微-納階層復(fù)合結(jié)構(gòu)的超疏水銅纖維氈。
[0038]本實(shí)施例中，所述具有超疏水表面的銅纖維氈在功率為50W/ 40KHz的超聲波儀器中振動(dòng)5min后，銅纖維氈表面超疏水層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定無脫落現(xiàn)象，去離子水穩(wěn)定接觸角仍然大于155° ο
[0039]本實(shí)用新型的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本實(shí)用新型所作的舉例，而并非是對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于直接甲醇燃料電池的超疏水多孔流場(chǎng)板，其特征在于:所述超疏水多孔流場(chǎng)板(6)分別設(shè)置在直接甲醇燃料電池陰極側(cè)集電板(3)中間的鏤空部和陽(yáng)極側(cè)集電板(3)中間的鏤空部，其疏水表面的去離子水穩(wěn)定接觸角大于155°，孔隙率為70%~80%，厚度為 l~3mm02.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于直接甲醇燃料電池的超疏水多孔流場(chǎng)板，其特征在于:所述超疏水多孔流場(chǎng)板的材料為銅纖維。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于直接甲醇燃料電池的超疏水多孔流場(chǎng)板，其特征在于:所述銅纖維的直徑為100~300um。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種用于直接甲醇燃料電池的超疏水多孔流場(chǎng)板，所述超疏水多孔流場(chǎng)板分別設(shè)置在直接甲醇燃料電池陰極側(cè)集電板中間的鏤空部和陽(yáng)極側(cè)集電板中間的鏤空部，其疏水表面的去離子水穩(wěn)定接觸角大于155°，孔隙率為70%~80%，厚度為1~3mm。本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)陽(yáng)極側(cè)直接阻礙甲醇穿透，陰極側(cè)實(shí)現(xiàn)“水反補(bǔ)”，使得陰極側(cè)產(chǎn)生的水能夠反補(bǔ)會(huì)陽(yáng)極側(cè)，防止“水淹”，間接阻礙甲醇穿透，從而提高電池性能。
【IPC分類】H01M8/0258
【公開號(hào)】CN204991853
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520726124
【發(fā)明人】袁偉, 王奧宇, 閆志國(guó), 湯勇, 周波, 胡進(jìn)溢, 黃鈺浩
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué)
【公開日】2016年1月20日
【申請(qǐng)日】2015年9月20日