專利名稱：液體式直接燃料電池的燃料輸送裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于液體式直接燃料電池(direct liquid feed fuel cell)中的輸送液體燃料的燃料輸送系統(tǒng)，尤其涉及向液體式直接燃料電池的陽極輸送氣態(tài)乙醇的燃料輸送裝置。
背景技術(shù)：
液體式直接燃料電池通過燃料例如甲醇或乙醇和氧化劑例如氧之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，其具有高能量和高功率密度。而且，由于液體式直接燃料電池直接使用其燃料，所以不需要如燃料重整器之類的外圍設(shè)備，而且能方便地儲(chǔ)存和供應(yīng)燃料。
如圖1所示，液體式直接燃料電池具有設(shè)置在陽極2和陰極3之間的電解質(zhì)膜1。陽極2和陰極3分別包括用于供應(yīng)和擴(kuò)散燃料的燃料擴(kuò)散層22和32、用于燃料的氧化-還原反應(yīng)的催化劑層21和31、以及電極支撐層23和33。用于電極反應(yīng)的催化劑可以由如Pt之類的即使在低溫下也具有優(yōu)良的催化性能的貴金屬構(gòu)成。為了防止反應(yīng)副產(chǎn)物例如一氧化碳引起的催化劑中毒，還可以使用含有過渡金屬例如Ru、Rh、Os或Ni的合金。電極支撐層23和33由碳紙或者碳纖維布制成，它們的表面防水，因而可以順暢地供應(yīng)燃料和排放反應(yīng)產(chǎn)物。電解質(zhì)膜1可以是50-200μm厚的聚合物膜。通常用含水并具有離子導(dǎo)電性的氫離子交換膜作為電解質(zhì)膜1。
使用甲醇和水的混合物作為燃料的直接甲醇燃料電池(DMFC)中發(fā)生兩種電化學(xué)反應(yīng)。在陽極反應(yīng)中，燃料被氧化，在陰極反應(yīng)中，氧和氫離子還原。所述反應(yīng)如下陽極反應(yīng)陰極反應(yīng)整個(gè)反應(yīng)甲醇分子和水分子在陽極2發(fā)生反應(yīng)生成一個(gè)二氧化碳分子、六個(gè)氫離子和六個(gè)電子。氫離子通過電解質(zhì)膜1轉(zhuǎn)移到陰極3并在陰極3處與氧和通過外部電路供應(yīng)的電子發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生水。也就是說，在DMFC的整個(gè)反應(yīng)中，通過甲醇和氧的反應(yīng)產(chǎn)生水和二氧化碳。這里，甲醇分子和氧發(fā)生反應(yīng)生成兩個(gè)水分子。
燃料不一定是純甲醇，而可能是甲醇和在系統(tǒng)中產(chǎn)生或儲(chǔ)存的水的混合物。當(dāng)混合物中的甲醇濃度高時(shí)，由于電解質(zhì)膜(氫離子交換膜)中燃料的滲透(cross-over)(燃料透過膜的現(xiàn)象)而引起發(fā)電性能急劇下降。因此，通常使用濃度為0.5到2M(2到8vol.％)的稀釋甲醇。但是，將稀釋甲醇儲(chǔ)存在燃料罐中時(shí)，由于在預(yù)定的燃料儲(chǔ)存體積中，甲醇相對(duì)于混合燃料的比例小，所以能量低。因此，需要具有儲(chǔ)存高濃縮的或者純甲醇的燃料罐的燃料電池系統(tǒng)，以提高能量。
在美國專利No.6,303,244中，如圖2所示，濃縮甲醇和水分開儲(chǔ)存，并且在輸送給燃料電池的電池堆(fuel cell stack)之前混合。參考圖2，向電池堆4的陰極供給用于還原反應(yīng)的空氣，而將未使用的空氣從陰極排出。作為反應(yīng)副產(chǎn)物的水被收集在水罐6中。濃縮或純甲醇被儲(chǔ)存在燃料罐7中。用作燃料的水和甲醇儲(chǔ)存在分開的罐6和7中并通過泵8和9供應(yīng)給燃料混合器10，使水和甲醇在供應(yīng)給燃料電池的電池堆4的陽極之前在燃料混合器10中混合。
但是，傳統(tǒng)的液體式直接燃料電池需要泵，這些泵為機(jī)械式運(yùn)轉(zhuǎn)并且產(chǎn)生噪音，因而不適用于小型便攜式電子設(shè)備。此外，在便攜式燃料電池的情況下，由于燃料輸送量非常少，所以難以選擇合適尺寸的有效的液體輸送泵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種以氣態(tài)形式輸送液體燃料的燃料輸送裝置。該燃料輸送裝置包括能夠利用毛管力輸送來自燃料罐的燃料的輸送結(jié)構(gòu)，該裝置還排放利用位于輸送結(jié)構(gòu)端部的加熱器加熱形成有液體燃料彎月面的部分產(chǎn)生的氣體燃料，其中，液體燃料彎月面的位置由毛管力保持，而且可以通過控制加熱器的溫度來調(diào)節(jié)燃料的供應(yīng)量。
根據(jù)本發(fā)明一方面，提供一種燃料輸送裝置，其包括由多塊板形成的板狀堆疊體和加熱器，其中，板狀堆疊體包括液體燃料入口；下端與入口相連的多個(gè)微通道；以及用于在微通道中被氣化的燃料、與微通道的上端相連的出口。加熱器位于板狀堆疊體周圍的微通道上端，以加熱微通道中的液體燃料。
板狀堆疊體包括兩塊端板和至少一塊雙面板，端板的內(nèi)表面上具有微通道，雙面板位于端板之間并在其兩表面都具有微通道，其中，端板具有形成入口的入口部分和形成出口的出口部分，雙面板具有連接到端板入口部分的入口部分和連接到端板的出口部分的出口部分。
端板和雙面板可以由硅制成。
端板和雙面板可以由聚合物樹脂制成。
根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供一種燃料輸送裝置，其包括具有用于液體燃料的入口和用于由液體燃料轉(zhuǎn)換的氣體燃料的出口的外殼；設(shè)置在外殼中、用于在孔中儲(chǔ)存液體燃料的多孔材料；以及位于外殼周圍以加熱多孔材料中的液體燃料的加熱器。
出口形成在外殼的上部分內(nèi)，而且外殼的鄰近出口部分的內(nèi)部是空的。
加熱器可以位于多孔材料的上端，圍繞外殼。
多孔材料可以是海綿。
入口形成在外殼的上部分，用于注入液體燃料。
本發(fā)明的燃料輸送裝置利用毛管力而不是機(jī)械泵將燃料輸送到燃料電池的陽極或者燃料混合器，因而可避免機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)和噪音。而且，燃料的供應(yīng)速率可以通過控制加熱器的溫度來調(diào)節(jié)。


通過參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，本發(fā)明的上述和其它特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)將更加清晰。附圖中圖1是常規(guī)的液體式直接燃料電池的橫截面圖；圖2是傳統(tǒng)的液體式直接燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是包括本發(fā)明一實(shí)施方式的燃料輸送裝置的液體式直接燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明一實(shí)施方式的燃料輸送裝置的透視圖；圖5是圖4所示裝置的分解透視圖；圖6是沿圖4中線VI-VI剖切的橫截面圖；圖7的曲線示出了微通道直徑與燃料彎月面高度的關(guān)系；圖8是本發(fā)明另一實(shí)施方式的燃料輸送裝置的橫截面圖；
圖9是包括本發(fā)明的燃料輸送裝置的另一種液體式直接燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參考示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的附圖更加詳細(xì)地說明本發(fā)明。
圖3是包括本發(fā)明一實(shí)施方式的燃料輸送裝置的液體式直接燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。參考圖3，向燃料電池的電池堆110中的陰極供給用于還原反應(yīng)的空氣，在陰極處反應(yīng)產(chǎn)生的水流向燃料混合器120。濃縮或純甲醇被儲(chǔ)存在燃料罐120中，而且燃料罐120中預(yù)定數(shù)量的燃料被氣化，通過燃料輸送裝置200送到燃料混合器120。在燃料混合器120中混合的液體燃料由泵122供應(yīng)給陽極。陽極中未反應(yīng)的燃料可以返回到燃料混合器120。
圖4是本發(fā)明一實(shí)施方式的燃料輸送裝置200的透視圖，圖5是圖4所示裝置的分解透視圖，圖6是沿圖4中線VI-VI剖切的橫截面圖。
參考圖4到6，燃料輸送裝置200是由多塊板形成的板狀堆疊體。該板狀堆疊體包括兩塊端板210和位于兩個(gè)端板210之間的雙面板220。
兩塊端板210具有用于來自燃料罐112的液體燃料的入口部分212和用于排放在微通道230中被加熱器240氣化的燃料的出口部分214。出口部分214可以形成于和形成有入口部分212的端板210相同的端板中。起毛細(xì)管作用的多條微通道230形成在端板210的內(nèi)表面上。
雙面板220具有分別對(duì)應(yīng)于入口部分212和出口部分214的入口部分222和出口部分224，而且具有多條微通道230的兩個(gè)表面都連接到入口部分222和出口部分224。
微通道230的直徑是幾十或幾百微米的數(shù)量級(jí)。當(dāng)入口部分212和/或出口部分214形成在端板210上時(shí)，端板210的微通道230被形成為使它們與入口部分212和/或出口部分214相連。當(dāng)入口部分212和/或出口部分214不是形成在端板210上時(shí)，端板210的微通道230延伸，使得它們通過相鄰雙面板220的入口部分222和/或出口部分224被暴露。入口部分212和222形成入口，出口部分214和224形成出口。
具有微通道230的板可以通過半導(dǎo)體工藝用硅基板制成。
或者，具有微通道230的板可以通過模具擠壓聚合物樹脂例如聚乙烯而制成。用聚合物樹脂制造的燃料輸送裝置200由于其柔韌性而使安裝更方便。盡管入口部分212形成在和出口部分214相同的端板210中，但是它也可以形成在另一端板210中。
加熱器240就位于板狀堆疊體周邊的出口部分214下面。加熱器240用于使甲醇?xì)饣淇梢杂呻娮杞z制成。加熱器240使微通道230中的甲醇?xì)饣?。被加熱?40氣化的甲醇通過出口部分214和224排放，然后在燃料混合器120中被冷卻成液體。由于毛管力，不管甲醇是否氣化都被保持在微通道230中的上部位置。燃料輸送裝置200可有效地調(diào)節(jié)由加熱器240氣化的甲醇量。
圖7的曲線示出了微通道直徑與甲醇的彎月面高度的關(guān)系。
下面的方程式1是說明微通道半徑和毛管力之間的關(guān)系的簡(jiǎn)化方程式ΔP=2σr---1]]>其中，ΔP是在分界面上的壓力差，該壓力差表示可以輸送燃料的力的大小，σ是表面張力，r是微通道的半徑。
燃料由于壓力差而通過微通道上升，而且微通道半徑和液體燃料的可能的彎月面高度或者輸送距離之間的關(guān)系示于圖7。當(dāng)微通道的高度低于可能的彎月面高度時(shí)，彎月面形成并停留在微通道的端部。當(dāng)加熱形成有彎月面的部分時(shí)，液體燃料被氣化并且被排放，而且甲醇和空氣之間的界面的高度通過毛管力而保持恒定。彎月面高度幾乎不受安裝方向的影響，因?yàn)橛绕涫窃谖⑼ǖ腊霃綔p小時(shí)，毛管力通常大于地心引力。
圖8是本發(fā)明另一實(shí)施方式的燃料輸送裝置300的橫截面圖。與所述附圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件，因此對(duì)它們不再贅述。
參考圖8，燃料輸送裝置300具有填充有多孔材料320例如海綿的外殼310。海綿320具有可以在其中充注甲醇的孔。外殼310的上部分是空的空間330。由電阻絲制成的加熱器340就安裝在空的空間330下面、圍繞外殼310。加熱器340加熱甲醇和空氣之間的界面，從而使海綿320中的甲醇?xì)饣璐耸挂后w甲醇?xì)饣蓺鈶B(tài)。外殼310的上部分具有用于排放由加熱器340氣化的甲醇的出口314。注入口316可以代替入口312形成在外殼310的上部分，從而可以省略圖3中的燃料罐112。
海綿320的孔相互連接形成微路徑。當(dāng)加熱器340局部加熱外殼310時(shí)，甲醇?xì)饣?，而朝外?10中空的空間330運(yùn)動(dòng)。然后，氣體甲醇通過出口314流動(dòng)到燃料混合器120。不管是否氣化，甲醇都由于毛管力而被連續(xù)地帶到海綿320的上端。燃料輸送裝置300可有效地調(diào)節(jié)通過加熱器340氣化的甲醇量。
圖9是包括本發(fā)明的燃料輸送裝置的另一液體式直接燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖9中相同的附圖標(biāo)記表示與圖3所示的相同元件，因此對(duì)它們不再贅述。
參考圖9，向單極板型便攜式燃料電池110′的陰極提供用于還原反應(yīng)的空氣，由陰極中的反應(yīng)產(chǎn)生的水一部分流動(dòng)到陽極。燃料罐112儲(chǔ)存純甲醇，預(yù)定量的純甲醇被燃料輸送裝置200氣化并供應(yīng)給陽極。在電池中一部分反應(yīng)期間產(chǎn)生的水和CO2可以排放到大氣中。
如上所述，本發(fā)明所述實(shí)施方式的燃料輸送裝置可以利用毛管力而不是機(jī)械泵將燃料輸送到燃料電池的陽極或者燃料混合器。此外，燃料的供應(yīng)速率可以通過控制加熱器的溫度來調(diào)節(jié)。
盡管上面通過參照示例性實(shí)施方式具體地示出和說明了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，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(xì)節(jié)上對(duì)本發(fā)明進(jìn)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燃料輸送裝置，其包括由多塊板形成的板狀堆疊體和加熱器，其中，所述板狀堆疊體包括用于液體燃料的入口、下端與所述入口相連的多條微通道、與所述微通道的上端相連用于在所述微通道中被氣化的燃料的出口；所述加熱器位于所述微通道的上端、所述板狀堆疊體周圍，以加熱所述微通道中的液體燃料。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料輸送裝置，其中，所述板狀堆疊體還包括內(nèi)表面上具有微通道的兩塊端板；和至少一塊位于所述端板之間、兩個(gè)表面都具有微通道的雙面板，所述端板具有形成所述入口的入口部分和形成所述出口的出口部分，而所述雙面板具有連接到所述端板的所述入口部分的入口部分和連接到所述端板的所述出口部分的出口部分。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料輸送裝置，其中，所述端板和所述雙面板由硅制成。
4.如權(quán)利要求1所述的燃料輸送裝置，其中，所述端板和所述雙面板由聚合物樹脂制成。
5.如權(quán)利要求4所述的燃料輸送裝置，其中，所述板的所述微通道通過擠壓形成。
6.一種用于液體式直接燃料電池的燃料輸送裝置，其包括具有用于液體燃料的入口和用于由液體燃料轉(zhuǎn)換的氣體燃料的出口的外殼；設(shè)置在該外殼中用于在孔中儲(chǔ)存液體燃料的多孔材料；及位于該外殼周圍以加熱所述多孔材料中的液體燃料的加熱器。
7.如權(quán)利要求6所述的燃料輸送裝置，其中，所述出口形成在所述外殼的上部分內(nèi)，而且所述外殼的靠近所述出口的內(nèi)部是空的。
8.如權(quán)利要求7所述的燃料輸送裝置，其中，所述加熱器位于所述多孔材料的上端，圍繞所述外殼。
9.如權(quán)利要求6所述的燃料輸送裝置，其中，所述多孔材料是海綿。
10.如權(quán)利要求9所述的燃料輸送裝置，其中，所述入口形成在所述外殼的上部分，用于注入液體燃料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于液體式直接燃料電池的燃料輸送裝置。該燃料輸送裝置包括由多塊板形成的板狀堆疊體。該板狀堆疊體包括用于液體燃料的入口；多條微通道，微通道的下端與入口相連；以及用于在微通道中被氣化的燃料的出口，該出口與微通道的上端相連。加熱器位于微通道上端、板狀堆疊體周圍，以加熱微通道中的液體燃料。本發(fā)明的燃料輸送裝置利用毛管力而不是機(jī)械泵將燃料輸送到燃料電池的陽極或者燃料混合器，因而可避免機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)和噪音。而且，燃料的供應(yīng)速率可以通過控制加熱器的溫度來調(diào)節(jié)。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1790795SQ20051012485
公開日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2005年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月15日
發(fā)明者李在鏞, 趙慧貞 申請(qǐng)人:三星Sdi株式會(huì)社