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親疏水復(fù)合流場(chǎng)板。

背景技術(shù)：

直接甲醇燃料電池憑借其在電化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程中具有不需要重整，能量密度高，操作環(huán)境溫和，結(jié)構(gòu)緊湊等等優(yōu)越性，引起了世界各地研究人員的廣泛關(guān)注，投入了大量的研究工作。一般的，直接甲醇燃料電池可以分為主動(dòng)式和被動(dòng)式直接甲醇燃料電池。主動(dòng)式直接甲醇燃料電池運(yùn)用泵及氣體壓縮機(jī)為電池提供甲醇燃料及氧氣，被動(dòng)式直接甲醇燃料電池利用擴(kuò)散及自然對(duì)流，為電池運(yùn)輸燃料及氧氣。

眾所周知，甲醇穿透的存在是抑制直接甲醇燃料電池發(fā)展的重要瓶頸，由于穿透的甲醇直接與陰極的氧氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生混合電位，甲醇穿透不可避免的導(dǎo)致電壓損失，同時(shí)造成了燃料的損耗。在直接甲醇燃料電池真正應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中之前，甲醇穿透這個(gè)問(wèn)題必須得到解決。為此不少學(xué)者從改善流場(chǎng)板結(jié)構(gòu)入手，設(shè)計(jì)合理的流場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，提高阻醇能力及產(chǎn)物二氧化碳的排放能力。傳統(tǒng)的流場(chǎng)板結(jié)構(gòu)有排孔狀，柵狀等，然而這類(lèi)流場(chǎng)板對(duì)阻醇能力的提高十分有限，有學(xué)者采用纖維氈做為甲醇燃料電池的阻醇層，提高了甲醇燃料電池的甲醇溶液最優(yōu)濃度，對(duì)提高電池能量比具有積極作用，然而，在高電流工作條件下，陽(yáng)極產(chǎn)生大量氣泡需要穿過(guò)纖維氈排除，這不可避免堵塞甲醇的傳遞通道，使得在陽(yáng)極易出現(xiàn)甲醇饑餓現(xiàn)象，限制了甲醇燃料電池性能的進(jìn)一步提升。為此能否設(shè)計(jì)出一款可實(shí)現(xiàn)甲醇溶液與二氧化碳流動(dòng)通道相互分離的流場(chǎng)板是及其重要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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(kāi)了一種用于直接甲醇燃料電池的親疏水復(fù)合流場(chǎng)板法，親疏水復(fù)合流場(chǎng)板以多孔銅材料-銅粉燒結(jié)平板作為基體，所述銅粉燒結(jié)平板通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)凸模石墨模具，通過(guò)燒結(jié)直接形成帶二維度漸擴(kuò)型的的梯形槽道。進(jìn)一步對(duì)流場(chǎng)板進(jìn)行堿輔助表面氧化工藝和低表面能溶液修飾工藝，使其達(dá)到疏水性能，防止超疏水層的脫落，引入固相燒結(jié)工藝，增強(qiáng)了超疏水表面結(jié)構(gòu)與基體的結(jié)合強(qiáng)度，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。進(jìn)一步，需要將流場(chǎng)板兩側(cè)平面疏水層結(jié)構(gòu)破壞，構(gòu)建親水層，為此，采用負(fù)重在砂紙上打磨的工藝，定量打磨。

本實(shí)用新型提供的用于直接甲醇燃料電池的親疏水復(fù)合流場(chǎng)板技術(shù)方案如下：

一種用于直接甲醇燃料電池的親疏水復(fù)合流場(chǎng)板，設(shè)置在直接甲醇燃料電池陽(yáng)極側(cè)集電板中間的鏤空部，所述親疏水復(fù)合流場(chǎng)板單側(cè)均勻間隔地開(kāi)有若干二維度漸擴(kuò)型梯形槽道，所述槽道的內(nèi)表面設(shè)置有疏水層，其余表面設(shè)置有親水層，以實(shí)現(xiàn)水氣分流的功能，所述的梯形槽道為二維度漸擴(kuò)型，沿槽道橫向及徑向尺寸遞增，對(duì)促進(jìn)氣體排放具有積極作用。

進(jìn)一步地，所述槽道為沿流場(chǎng)板寬與高方向尺寸逐漸增大的二維度漸擴(kuò)型槽道。

進(jìn)一步地，所述槽道的橫截面為等腰梯形。

進(jìn)一步地，所述疏水層接觸角在150°以上。

進(jìn)一步地，所述親疏水復(fù)合流場(chǎng)板的孔隙率為70%~80%。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型的有益效果是：二維度漸擴(kuò)型流場(chǎng)槽道可實(shí)現(xiàn)液氣分離，有利于產(chǎn)物二氧化碳的排出。其原因在于親疏水復(fù)合的結(jié)構(gòu)有利于分離水氣流通通道，強(qiáng)化產(chǎn)物二氧化碳聚集在漸擴(kuò)型槽道內(nèi)并排出，為實(shí)現(xiàn)甲醇連續(xù)不斷地補(bǔ)給提供了積極的方向。

附圖說(shuō)明

圖1為親疏水復(fù)合流場(chǎng)板示意圖。

圖2為親疏水復(fù)合流場(chǎng)板和集電板裝配示意圖。

圖3是用于裝配親疏水復(fù)合流場(chǎng)板的直接甲醇燃料電池的裝配示意圖。

圖中1-陰極端蓋，2-陰極集電板，3-聚四氟乙烯墊片，4-硅膠墊片，5-質(zhì)子交換膜，6-陽(yáng)極集電板，7-陽(yáng)極燃料腔，8-槽道。

具體實(shí)施方式

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。

實(shí)施例一

如圖1和圖2所示，一種用于直接甲醇燃料電池的親疏水復(fù)合流場(chǎng)板，設(shè)置在直接甲醇燃料電池陽(yáng)極側(cè)集電板6中間的鏤空部，所述親疏水復(fù)合流場(chǎng)板單側(cè)均勻間隔地開(kāi)有七條二維度漸擴(kuò)型等腰槽道8，所述槽道8沿流場(chǎng)板寬與高方向尺寸逐漸增大，且其橫截面為等腰梯形。所述槽道8的內(nèi)表面設(shè)置有疏水層，其余表面設(shè)置有親水層。所述疏水層接觸角在150°以上。所述親疏水復(fù)合流場(chǎng)板的孔隙率為70%~80%，該流場(chǎng)板尺寸為30mm×30mm×2mm，其梯形槽道8設(shè)計(jì)為雙維度漸擴(kuò)型，七條槽道8均布在流場(chǎng)板一側(cè)。

所述超疏水多孔流場(chǎng)板的材料為霧化樹(shù)枝狀銅粉以及自制銅屑。

如圖3所示，直接甲醇燃料電池由圖中陰極端蓋1，陰極集電板2，聚四氟乙烯墊片2，硅膠墊片4，質(zhì)子交換膜5，陽(yáng)極集電板6，陽(yáng)極燃料腔7。所述親疏水復(fù)合流場(chǎng)板設(shè)置在直接甲醇燃料電池陽(yáng)極側(cè)集電板6中間的鏤空部，所述親疏水復(fù)合流場(chǎng)板開(kāi)槽側(cè)正對(duì)于直接甲醇燃料電池陽(yáng)極側(cè)，以實(shí)現(xiàn)高的阻醇能力及實(shí)現(xiàn)水氣通道分離，提高電池在不同電流工作下的穩(wěn)定性。

親疏水復(fù)合流場(chǎng)板可以提高流場(chǎng)板的阻醇能力，同時(shí)實(shí)心水氣通道分離的作用，從而防止產(chǎn)物二氧化碳堵塞甲醇傳遞通道。具體的工作原理為：甲醇從燃料腔通過(guò)致密的銅粉板中穿過(guò)，由于銅粉板空隙較小，甲醇溶液在其中擴(kuò)散較慢，因而可以在維持甲醇穿透在一定程度的情況下實(shí)現(xiàn)直接給電池供應(yīng)高濃度甲醇溶液，提高電池的能量密度。另一方面，在直接甲醇燃料電池的陽(yáng)極，甲醇在催化劑的作用下分解生成二氧化碳，隨著反應(yīng)的積累，小氣泡漸變成的大氣泡，對(duì)于傳統(tǒng)流場(chǎng)板，氣泡將在壓力的作用下從膜電極處穿透流場(chǎng)板，到達(dá)甲醇燃料腔排出，而親疏水復(fù)合流場(chǎng)板由于其在膜電極側(cè)開(kāi)有二維度漸擴(kuò)型槽道8，氣泡往傳遞阻力小的地方擴(kuò)散，聚集在槽內(nèi)，同時(shí)，由于親疏水性的差異，形成一種推力，將氣泡甲醇溶液將氣泡擠向槽道8內(nèi)。氣泡在槽道8處逐漸聚集，浮力逐漸增大，同時(shí)由于槽道8的二位漸擴(kuò)型結(jié)構(gòu)，使得氣泡有向上的分力，進(jìn)一步促使氣泡通過(guò)槽道8排出到電池外。從而避免在高電流密度工作下產(chǎn)生大量二氧化碳堵塞甲醇溶液傳遞通道，對(duì)維持甲醇燃料電池在不同工作電流下穩(wěn)定工作具有積極作用。

實(shí)施例二

一種如所述的親疏水復(fù)合流場(chǎng)板的制備方法，包括如下步驟：

步驟1、流場(chǎng)板燒結(jié)成型：設(shè)計(jì)流場(chǎng)板梯形槽結(jié)構(gòu)及加工出相應(yīng)的凸模石墨模具，將4.9952g 100目霧化樹(shù)枝狀銅粉及2.1408g自制銅屑填入模具后由HMZ1700-30真空氣氛電爐于940℃保溫2小時(shí)燒結(jié)成型；

步驟2、流場(chǎng)板表面的預(yù)處理：將制備好的流場(chǎng)板在400目砂紙上負(fù)重20g打磨距離累計(jì)1米，使得兩表面平整，依次浸入濃度為150g/L的NaOH 溶液中堿洗240s和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5wt%的H₂SO₄溶液中酸洗240s，最后用去離子水清洗干凈；

步驟3、表面沉積工藝：將清洗后的流場(chǎng)板浸泡在濃度為2mol/L的 NaOH和濃度為0.2mol/L的 K₂S₂O₈的去離子水溶液中沉積1.5h，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；

步驟4、氣氛燒結(jié)強(qiáng)化工藝：將風(fēng)干后的流場(chǎng)板放入具有氮?dú)獗Ｗo(hù)的HMZ1700-30真空氣氛電爐中，在400℃下保溫1.5h；

步驟5、表面修飾工藝：將步驟4燒結(jié)強(qiáng)化后的流場(chǎng)板浸泡在濃度為0.01mol/L的硬脂酸乙醇溶液中修飾24h，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，即可在槽內(nèi)得到疏水表面；

步驟6、構(gòu)建親水表面:將處理好的流場(chǎng)板負(fù)重10g在200目砂紙上打磨距離累計(jì)0.5米，將平面上的疏水層結(jié)構(gòu)打磨掉，即可得到親疏水復(fù)合流場(chǎng)板。

所述步驟1中，銅屑通過(guò)銑床銑平銅塊而成，銑床主軸轉(zhuǎn)速為2000r/min，進(jìn)給量為1mm/r，背吃刀量為0.2mm，刀具直徑為5mm，加工后將銅屑去油除氧化后即可。

本實(shí)用新型的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)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(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)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(wú)需也無(wú)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)。