專利名稱:液體燃料盒和具有該液體燃料盒的液體式直接燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種液體燃料盒和具有該液體燃料盒的液體式直接燃料電池(direct liquid feed fuel cell),更明確地說,本發(fā)明涉及一種儲存水的液體燃料盒,所述水是通過在利用高濃度液體燃料形成的空間中的燃料反應(yīng)生成的。本發(fā)明還涉及具有這種液體燃料盒的液體式直接燃料電池。
背景技術(shù):
液體式直接燃料電池是一種通過如甲醇、乙醇等有機化合物燃料和如氧之類的氧化劑之間的電化學反應(yīng)產(chǎn)生電能的發(fā)電體。由于液體式直接燃料電池具有很高的能量密度和功率密度并且直接使用如甲醇等液體燃料,所以不需要如燃料重整器等外圍裝置,而且可以方便地儲存和供應(yīng)燃料。
參考圖1,液體式直接燃料電池具有電解質(zhì)膜1被設(shè)置在陽極2和陰極3之間的結(jié)構(gòu)。陽極2和陰極3分別包括用于供應(yīng)和擴散燃料的擴散層22和32、進行燃料的氧化/還原反應(yīng)的催化劑層21和31、以及電極支撐部分23和33??刹捎萌玢K之類的即使在低溫下也能發(fā)揮優(yōu)良作用的貴金屬催化劑作為電極反應(yīng)的催化劑。用含有過渡金屬例如釕、銠、鋨、鎳等的合金來防止因反應(yīng)副產(chǎn)物一氧化碳引起的催化劑中毒。用碳紙或者碳纖維布等等作為電極支撐部分23和33。碳紙或碳纖維布防水,因此可以順暢地供應(yīng)燃料,而且可以順暢地排放反應(yīng)產(chǎn)物。具有50-200μm厚、作為高分子膜的電解質(zhì)膜1是含水并具有離子導(dǎo)電性的氫離子交換膜。
使用甲醇和水作為混合燃料的直接甲醇燃料電池(DMFC)的電極反應(yīng)包括燃料氧化的陽極反應(yīng)和還原氫離子和氧引起的陰極反應(yīng)。所述反應(yīng)如反應(yīng)式1、2和3所示。
(陽極反應(yīng))1(陰極反應(yīng))2(整個反應(yīng))3在發(fā)生氧化(反應(yīng)式1)的陽極2中,通過甲醇和水之間的反應(yīng)生成二氧化碳、氫離子和電子,而且產(chǎn)生的氫離子通過電解質(zhì)膜1轉(zhuǎn)移到陰極3。在發(fā)生還原(反應(yīng)式2)的陰極中,通過氫離子、由外部電路(未示出)傳輸?shù)碾娮雍脱踔g的反應(yīng)生成水。因此,在DMFC的整個反應(yīng)(反應(yīng)式3)中,甲醇和氧互相反應(yīng),生成水和二氧化碳。在這種情況下,一摩爾甲醇和氧發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生兩摩爾水。
理論上講,如反應(yīng)式1所示,由于作為液體燃料的甲醇以1∶1的摩爾比和水發(fā)生反應(yīng),包含一摩爾甲醇和一摩爾水(大約64wt%的甲醇)的混合液體可以用作液體燃料。但是,當使用1∶1(甲醇∶水)的高濃度燃料時,由于在電解質(zhì)膜(氫離子交換膜)中燃料的滲透(crossover)(其中燃料透過離子交換膜的現(xiàn)象),發(fā)電性能大大降低。因此,使用0.5-2M(2-8vol.%)的稀釋的低濃度甲醇。但是,當使用儲存在燃料罐中的低濃度甲醇時,在相同燃料儲存體積中的甲醇量少,因此,燃料的能量明顯減少。于是,為了提高燃料的能量,需要具有儲存有高濃度或純甲醇的燃料罐的燃料電池系統(tǒng)。
在燃料電池中由反應(yīng)產(chǎn)生的工藝水(processing water)是難以解決的問題??蓪⑦@種水儲存在燃料電池系統(tǒng)中單獨的水罐中。
美國專利No.6,303,244公開了用于分開儲存甲醇和水、用混合器混合它們并且將它們供應(yīng)給燃料電池的電池堆(fuel cell stack)的技術(shù),如圖2所示。
參考圖2,將用于還原反應(yīng)的空氣供應(yīng)給電池堆4的內(nèi)部陰極,并且將其從陰極排出到外部。在這種情況下,作為副產(chǎn)物的水被回收并流入水罐6中。高濃度或純甲醇被儲存在燃料罐7中。
水和甲醇儲存在分開的罐6和7中,水和甲醇通過各自的泵P被供應(yīng)給燃料混合器8,在燃料混合器8中混合,并供應(yīng)給電池堆4的陽極。
在這種方法中,除了燃料罐7之外,還需要分開的水罐8。而且,每個罐都需要泵。由于分開的水罐和泵所占用的空間,降低了燃料電池系統(tǒng)的能量密度,因此減弱了DMFC固有的優(yōu)點。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種不需要安裝單獨的水罐、在燃料耗盡時形成的空間儲存回收的水的液體燃料盒。
本發(fā)明的另一目的是提供一種具有所述液體燃料盒的液體式直接燃料電池。
根據(jù)本發(fā)明的一方面,提供一種用于液體式直接燃料電池的液體燃料盒,該液體燃料盒儲存要供應(yīng)給液體式直接燃料電池的液體燃料,此液體燃料盒包括殼體、形成于儲存有液體燃料的所述殼體內(nèi)的流動空間、形成在該流動空間端部并且使液體燃料流過而供應(yīng)給液體式直接燃料電池的液體燃料供應(yīng)孔、形成在該流動空間另一端并使從液體式直接燃料電池中回收的水流過而進入流動空間的回收孔(recovery hole)、以及設(shè)置在位于離開液體燃料供應(yīng)孔的液體燃料端部處的流動空間中的移動壁。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面,提供一種液體式直接燃料電池,該液體式直接燃料電池包括由至少兩個膜電極組件形成的燃料電池的電池堆,該膜電極組件包括具有第一和第二表面的電解質(zhì)膜、形成在第一表面上的陽極、形成在第二表面上的陰極;多個導(dǎo)電板,這些導(dǎo)電板被安裝成與MEA的陽極和陰極接觸,而且在導(dǎo)電板上形成流動通道以接觸陽極和陰極,其中要供應(yīng)給陽極和陰極的燃料在所述流動通道上流動;多個燃料入口/出口孔,這些入口/出口孔被形成為在垂直方向上貫穿電池堆,通過這些入口/出口孔,形成用于從流動通道供應(yīng)相應(yīng)燃料或者向流動通道排放相應(yīng)燃料的渠道;儲存供應(yīng)給陽極的液體燃料的液體燃料盒;設(shè)置在液體燃料盒和燃料電池的電池堆之間的燃料混合器,該燃料混合器將液體燃料與陰極產(chǎn)生的水混合,并通過燃料入口/出口孔將混合燃料供應(yīng)給在與陽極接觸的導(dǎo)電板上形成的流動通道;以及將剩余的水從陰極排放到液體燃料盒的水泵。
流動空間可以是包括多個彎曲部分的蛇形。
移動壁可以為圓柱形。
用于防止移動壁從流動空間推出的止動件可以分別形成在液體燃料供應(yīng)孔和回收孔處。
移動壁的比重可以是0.8到1.0。
本液體式直接燃料電池還可以包括用于檢測回收孔(withdrawal hole)和液體燃料供應(yīng)孔之間的移動壁的單元。
用于檢測移動壁的單元可以是透明窗,通過該透明窗可從殼體的外側(cè)看到移動壁的移動。
用于檢測移動壁的單元還可以包括安裝在殼體的金屬檢測器,而移動壁中可以包括由金屬檢測器檢測的金屬材料。
儲存在流動空間中的液體燃料可以具有約91vo1.%的甲醇。
本發(fā)明的液體燃料盒可儲存具有高能量密度的液體燃料,因此可以延長發(fā)電時間。此外,因為只需要一個泵用于燃料泵或者水泵,所以可減少泵的數(shù)量。再者,可以檢測移動壁的位置,因此可以檢測燃料是否耗盡。
通過參考附圖詳細說明本發(fā)明的示例性實施方式,本發(fā)明的上述和其它方面將更加清晰。附圖中圖1是液體式直接燃料電池基本結(jié)構(gòu)的橫截面圖;圖2示意地示出了傳統(tǒng)的液體式直接燃料電池的結(jié)構(gòu);圖3示意地示出了本發(fā)明一實施方式的液體式直接燃料電池的結(jié)構(gòu);圖4是圖3所示的液體燃料盒的橫截面示意圖;圖5是具有本發(fā)明的液體燃料盒的堆疊電池(stack cell)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面將參考附圖詳細說明本發(fā)明的液體燃料盒和采用本發(fā)明的液體燃料盒的液體式直接燃料電池。
圖3示意地示出了本發(fā)明一實施方式的液體式直接燃料電池的結(jié)構(gòu),圖4是圖3所示的液體燃料盒的橫截面示意圖。
參考圖4,本發(fā)明的液體燃料盒100包括儲存有液體燃料的殼體110。儲存有甲醇和水的流動空間120形成在長方形并行管(rectanglarparallelepiped)殼體110中。流動空間120包括多個彎曲部分122和多個直線部分124。彎曲部分122以180度的角度改變流動空間120的方向。移動壁130被設(shè)置在流動空間120內(nèi)。移動壁130可以是圓柱形。當然,移動壁130不限于圓柱形,還可以是球形。
流動空間120形成為蛇形形狀,因此可減小殼體110中除了流動空間120和移動壁130之外的空間。于是,可以在液體燃料盒100中充注更多的液體燃料。
使供應(yīng)給液體式直接燃料電池的燃料流過的液體燃料供應(yīng)孔112被形成在流動空間120的一端,使液體式直接燃料電池中產(chǎn)生的水流過的回收孔114被形成在流動空間120的另一端。防止移動壁130推出的第一和第二止動件113和115分別被形成在液體燃料供應(yīng)孔112和回收孔114處。
移動壁130由比重大于0.8(甲醇的比重)并小于1.0(水的比重)并且不和甲醇發(fā)生反應(yīng)的聚合物構(gòu)成。例如,移動壁130可以由聚乙烯或者聚丙烯構(gòu)成。
移動壁130被設(shè)置在通過回收孔114注入的水和將被消耗的甲醇之間的交界面處。隨著使用來自液體燃料盒100中的液體燃料,移動壁130朝流動空間120的液體燃料供應(yīng)孔112移動。移動壁130的位置反映液體燃料盒100中剩余的甲醇量。因此,剩余的液體燃料量可以通過檢測移動壁130的位置來檢查。
可以形成透明窗140作為檢測移動壁130的單元,通過該透明窗至少能看見殼體110中液體燃料供應(yīng)孔112附近的流動空間120。
或者,移動壁130可以具有中空結(jié)構(gòu)或者具有多個中空空間的結(jié)構(gòu),并且在其局部表面上包括金屬材料。在這種情況下,移動壁130的比重應(yīng)該小于水。金屬檢測器142被安裝在殼體110處的液體燃料供應(yīng)孔112附近。當移動壁130在金屬檢測器142下面移動時,金屬檢測器142產(chǎn)生電信號并且提醒使用者液體燃料盒100中的液體燃料快要耗盡了。
可將具有上述結(jié)構(gòu)的液體燃料盒100設(shè)計成改變直線部分的長度以與液體式直接燃料電池中的死空間相應(yīng),從而可以非常有效地利用燃料電池的內(nèi)部空間。
參考圖3,如上所述,液體燃料例如甲醇通過燃料混合器170從液體燃料盒100的液體燃料供應(yīng)孔112供應(yīng)給液體式直接燃料電池電池堆的陽極??諝獗还?yīng)給陰極。
液體燃料和空氣被供應(yīng)給形成在導(dǎo)電板例如雙極板上的流動通道(圖5所示的243和253)。
陰極產(chǎn)生的水通過燃料混合器170回收,一部分水和來自液體燃料盒100的液體燃料混合,剩余的水通過水泵180回收并通過液體燃料盒100的回收孔114流入液體燃料盒100的流動空間120。由于向內(nèi)流動的水,移動壁130被推動并在流動空間120中移動??梢岳脵C械分配裝置(未示出)分配通過燃料混合器170和液體燃料混合的水和通過液體燃料盒100回收的水。在陽極中未反應(yīng)的燃料通過燃料混合器170回收。
在本實施方式中,液體泵180被安裝在液體燃料盒100的回收孔114和燃料混合器170之間,并且同時回收水和排出燃料。也可選擇將燃料泵(未示出)設(shè)置在液體燃料盒100的液體燃料供應(yīng)孔112和燃料混合器170之間,以排出燃料和回收水。
純的或者高濃度的液體燃料例如甲醇被儲存在液體燃料盒100中。此外,流出燃料電池的水被儲存在液體燃料盒100中。使用甲醇的量和回收的水量可以彼此相等,因此,借助于流入回收孔114的水可使移動壁130移動。
根據(jù)反應(yīng)式3的DMFC整個反應(yīng),一摩爾的甲醇(大約40cm3)反應(yīng),產(chǎn)生兩摩爾的水(大約36cm3)。也就是說,產(chǎn)生的水相應(yīng)于消耗的甲醇的90vol.%。因此,如果在液體燃料盒100中儲存有91%的甲醇溶液,使用了1ml的甲醇溶液,就使用了0.91ml的甲醇,于是,0.09ml的水處于未反應(yīng)狀態(tài)。而且,根據(jù)反應(yīng)式3,產(chǎn)生了0.82ml的水(=0.91ml MeOH×0.9)。因此,在燃料反應(yīng)期間剩余的水是0.09ml水+0.82ml水=0.91ml水,在燃料進行反應(yīng)期間可以在液體燃料盒100中形成體積平衡。
圖5是具有本發(fā)明的液體燃料盒的液體式直接燃料電池電池堆的結(jié)構(gòu)示意圖。參考圖5,陽極220和陰極230被設(shè)置在膜210兩側(cè)的多個MEAs被電學地正向設(shè)置,而中間導(dǎo)電板260設(shè)置在MEAs之間。中間導(dǎo)電板260相應(yīng)于雙極板。流動通道243和253形成在與電極220和230接觸的雙極板260的表面。端部導(dǎo)電板261和262被設(shè)置在電池堆上面和下面。流動通道243和253形成在每一端部導(dǎo)電板261和262與各MEA接觸的表面上。也就是說,液體燃料流動通道243形成在端部導(dǎo)電板261的內(nèi)表面,而空氣流動通道253形成在端部導(dǎo)電板262的內(nèi)表面。集電板271和272分別設(shè)置在端部導(dǎo)電板261和262的外表面上。
MEAs、中間導(dǎo)電板260、端部導(dǎo)電板261和262以及集電板271和272通過兩塊固定端板281和282彼此固定。
作為多個通孔的燃料入口/出口孔245和255以垂直方向形成在電池堆中,而且混合燃料或空氣分別進入各燃料入口/出口孔245和255,并流過流動通道243和253,然后未反應(yīng)的燃料(液體燃料或空氣)、反應(yīng)產(chǎn)物水和CO2通過各燃料入口/出口孔(未示出)排出。圖5示出了流入混合燃料的燃料入口/出口孔245和流入空氣的燃料入口/出口孔255。為了形成適當?shù)牧鲃?,在必要的位置使用阻塞流動的墊圈241。形成流動的結(jié)構(gòu)是常規(guī)結(jié)構(gòu),因此省略對其的詳細描述。
可將圖3和4所示的燃料混合器170連接到所述堆疊結(jié)構(gòu)的燃料入口/出口孔245。
如上所述,在本發(fā)明的液體燃料盒和具有該液體燃料盒的液體式直接燃料電池中,可以在這種液體燃料盒中儲存具有高能量密度的液體燃料,因此可以延長發(fā)電時間。此外,因為只需要一個泵用于燃料泵或者水泵,所以可以減少泵的數(shù)量。再者,可以檢測移動壁的位置,因此可以檢測燃料是否耗盡。
盡管通過參照示例性實施方式對本發(fā)明進行了具體顯示和說明,但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解,在不超出所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明構(gòu)思和范圍的前提下,可在形式和細節(jié)上對其進行各種改變。
權(quán)利要求
1.一種用于液體式直接燃料電池的液體燃料盒,該液體燃料盒儲存有要供應(yīng)給液體式直接燃料電池的液體燃料,該液體燃料盒包括殼體;形成在儲存有液體燃料的所述殼體內(nèi)的流動空間;形成在所述流動空間端部的液體燃料供應(yīng)孔,液體燃料通過所述孔被供應(yīng)給所述液體式直接燃料電池;形成在所述流動空間另一端的回收孔,從所述液體式直接燃料電池回收的水通過所述孔流入所述流動空間;及設(shè)置在位于來自所述液體燃料供應(yīng)孔的液體燃料端部處的所述流動空間中的移動壁。
2.如權(quán)利要求1所述的液體燃料盒,其中,所述流動空間呈包括多個彎曲部分的蛇形形狀。
3.如權(quán)利要求2所述的液體燃料盒,其中,所述移動壁是圓柱形。
4.如權(quán)利要求1所述的液體燃料盒,其中,用于防止所述移動壁從所述流動空間被推出的止動件分別被形成在所述液體燃料供應(yīng)孔和所述回收孔處。
5.如權(quán)利要求1所述的液體燃料盒,其中,所述移動壁的比重是0.8到1.0。
6.如權(quán)利要求5所述的液體燃料盒,其中,所述移動壁由聚乙烯或聚丙烯構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求1所述的液體燃料盒,其中,還包括用于檢測在所述回收孔和液體燃料供應(yīng)孔之間的所述移動壁的單元。
8.如權(quán)利要求7所述的液體燃料盒,其中,用于檢測所述移動壁的所述單元是透明窗,通過該透明窗從所述殼體的外側(cè)面可看到所述移動壁的移動。
9.如權(quán)利要求7所述的液體燃料盒,其中,用于檢測所述移動壁的所述單元包括安裝在所述殼體處的金屬檢測器;并在所述移動壁中包括由所述金屬檢測器檢測的金屬材料。
10.如權(quán)利要求1所述的液體燃料盒,其中,儲存在所述流動空間中的液體燃料具有大約91vol.%的甲醇。
11.一種液體式直接燃料電池,包括由至少兩個膜電極組件形成的燃料電池電池堆,所述膜電極組件包括具有第一和第二表面的電解質(zhì)膜、形成在所述第一表面上的陽極、形成在所述第二表面上的陰極;多個導(dǎo)電板,所述導(dǎo)電板被安裝成與所述MEA的所述陽極和陰極接觸,而且在所述導(dǎo)電板上形成流動通道以接觸所述陽極和陰極,其中要供應(yīng)給所述陽極和陰極的燃料在所述流動通道上流動;多個燃料入口/出口孔,所述燃料入口/出口孔形成為在垂直方向上貫穿所述電池堆,通過所述燃料入口/出口孔形成用于從所述流動通道供應(yīng)相應(yīng)燃料或者向所述流動通道排放相應(yīng)燃料的渠道;儲存供應(yīng)給所述陽極的液體燃料的液體燃料盒;設(shè)置在所述液體燃料盒和所述液體燃料電池堆之間的燃料混合器,該燃料混合器將液體燃料與陰極產(chǎn)生的水混合,并通過所述燃料入口/出口孔將混合燃料供應(yīng)給在與所述陽極接觸的所述導(dǎo)電板上形成的所述流動通道;及將剩余的水從所述陰極排放到所述液體燃料盒的水泵,其中,該液體燃料盒包括殼體;形成在儲存有液體燃料的所述殼體內(nèi)的流動空間;形成在所述流動空間端部的液體燃料供應(yīng)孔,液體燃料通過所述孔被供應(yīng)給所述液體式直接燃料電池;形成在所述流動空間另一端的回收孔,從所述液體式直接燃料電池回收的水通過所述孔流入所述流動空間;及設(shè)置在位于來自所述液體燃料供應(yīng)孔的液體燃料端部處的所述流動空間中的移動壁。
12.如權(quán)利要求11所述的液體式直接燃料電池,其中,所述流動空間呈包括多個彎曲部分的蛇形形狀。
13.如權(quán)利要求11所述的液體式直接燃料電池,其中,所述移動壁呈圓柱形。
14.如權(quán)利要求11所述的液體式直接燃料電池,其中,用于防止所述移動壁從所述流動空間推出的止動件分別被形成在所述液體燃料供應(yīng)孔和所述回收孔處。
15.如權(quán)利要求11所述的液體式直接燃料電池,其中,所述移動壁的比重是0.8到1.0。
16.如權(quán)利要求15所述的液體式直接燃料電池,其中,所述移動壁由聚乙烯或聚丙烯構(gòu)成。
17.如權(quán)利要求11所述的液體式直接燃料電池,其中,還包括用于檢測所述回收孔和液體燃料供應(yīng)孔之間的所述移動壁的單元。
18.如權(quán)利要求17所述的液體式直接燃料電池,其中,用于檢測所述移動壁的單元是透明窗,通過該透明窗從所述殼體的外面可看到所述移動壁的移動。
19.如權(quán)利要求17所述的液體式直接燃料電池,其中,用于檢測所述移動壁的單元包括安裝在所述殼體處的金屬檢測器,并在所述移動壁中包括由所述金屬檢測器檢測的金屬材料。
20.如權(quán)利要求11所述的液體式直接燃料電池,其中,儲存在所述流動空間中的液體燃料具有大約91vol.%的甲醇。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種液體燃料盒,其包括殼體;形成在儲存有液體燃料的殼體內(nèi)的流動空間;形成在流動空間端部的液體燃料供應(yīng)孔,液體燃料通過所述孔被供應(yīng)給液體式直接燃料電池;形成在流動空間另一端的回收孔,從液體式直接燃料電池回收的水通過所述孔流入流動空間;及設(shè)置在位于來自液體燃料供應(yīng)孔的液體燃料端部處的所述流動空間中的移動壁。本發(fā)明還公開了和具有這種液體燃料盒的液體式直接燃料電池。由于本發(fā)明的液體燃料盒可儲存具有高能量密度的液體燃料,因此可以延長發(fā)電時間。此外,因為只需要一個泵用于燃料泵或者水泵,所以可減少泵的數(shù)量。再者,可以檢測移動壁的位置,因此可以檢測燃料是否耗盡。
文檔編號H01M8/10GK1797830SQ20051012485
公開日2006年7月5日 申請日期2005年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月26日
發(fā)明者姜尚均 申請人:三星Sdi株式會社