日本Kentaro Ishida等人采用由Asahi生產的Flemion管狀膜製備微管狀直接甲醇燃料電池,膜的內徑為0.3mm,外徑0.6mm,采用化學鍍的方法在管狀膜的外側沉積Pt,具體方法是在管狀膜的內部用注射器注滿0.2M NaBH4+1M NaOH,管狀膜的外部浸在0.1M H2PtCl6溶液中,當兩種溶液在膜中滲透相遇時,化學鍍就開始進行,時間控製在30分鍾或1小時,然後管狀膜的內部插入載有Pt-Ru催化劑的炭纖維。
單電池表觀麵積為0.4cm2,分別采用1M甲醇+0.05M硫酸得到單電池的性能。測試條件為室溫和常壓,其性能較低,原因在於采用化學鍍的方法,當鍍層連續時,催化劑的表麵積要遠遠小於炭載鉑或鉑黑,當鍍層連續性差時,陰極的電流收集困難,因此所得電池性能較差。
美國自然科學公司(PSI)製造出微型管式膜電極,采用錐形金屬擴散塞插入膜電極的內部與陽極接觸。膜電極的外側固定一個曲形環,管狀單電池就組裝完成。在2003年9QinetiQ公司和Voller能源公司已經簽署了生產小型管狀燃料電池的協議,它是由四個單電池組成的電堆,當采用氫氣為燃料時,單電池的功率可達到 2W,單電池的長度為30mm,因此屬於大尺寸的管狀聚合物電解質膜燃料電池,但是該電池采用的膜沒有說明,膜電極的製備方法也沒有報道。在便攜式電源方麵,該電池的商業化前景一定會好於平板型燃料電池。這樣燃料可以貯存在管的內部,隻有在燃料不足時進行補加,取消了燃料供給的外圍設備,外徑采用多孔的不鏽鋼,可以進行空氣自呼吸,減少了空壓機的使用。
毛宗強申請了列管式質子交換膜燃料電池的實用新型專利,提出了列管式燃料電池堆的設計理念,該結構的電堆具有下列優點:(1)結構簡單,密封容易,(2)省去了氣體分布板,成本降低,(3)氣體分布均勻。
管狀質子交換膜型燃料電池有希望克服目前平板型燃料電池的缺陷,加快燃料電池商業化步伐。簡化外圍設備,降低係統本身的能量消耗,燃料存放在管子的內部,就像一個普通的電池,隻要及時補充燃料就可以連續供電,對於DMFC不需要泵輸送甲醇,采用空氣自呼吸的方式,不使用空氣壓縮機。對於使用氫氣的燃料電池,也可以將儲氫材料放置在管的內部。
3小結與討論
管狀質子交換膜型燃料電池的研究剛剛開始,從膜電極材料的選擇,到製備工藝,以及小型電堆的研製還有很多工作去做,在這個過程中也更容易出現新想法和新設計理念,所以專利的數量多於研究性論文。因此要製備出性能優良的平板型燃料電池,還是有很多技術上的難題需要解決:
⑴作為電極和催化劑塗敷的碳紙柔韌性差,不能進行任意彎曲,炭布的柔韌性很好,但是性能上要遜色於碳紙。
⑵目前雖然有管狀質子交換膜產品的生產報道,但是由於使用範圍有限和研究剛剛開始,規格和性能還不能滿足不同用途的需要。
⑶膜電極的密封問題,由於質子交換膜遇水溶漲,所以密封粘結處容易開裂,造成陰陽極相互串氣,影響電池長期運行的穩定性。
⑷管狀燃料電池易於采用空氣自呼吸,但是會帶來排水問題,當電池工作在低溫和濕度較大的環境下,陰極會被水淹從而帶來電池性能下降。