本發(fā)明涉及一種電池領(lǐng)域,尤其涉及一種燃料電池。
背景技術(shù):
:燃料電池是一種將燃料及氧化劑氣體轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)發(fā)電裝置,被廣泛應(yīng)用于軍事國防及民用的電力、汽車、通信等領(lǐng)域。通常,現(xiàn)有的燃料電池包括:一膜電極(membraneelectrodeassembly,簡稱mea),該膜電極包括一質(zhì)子交換膜(protonexchangemembrane)和分別設(shè)置在質(zhì)子交換膜兩個相對的表面的陰極電極和陽極電極;一裝有燃料的陽極容室,且陽極電極浸泡于該燃料中;一導(dǎo)流板(flowfieldplate,簡稱ffp)設(shè)置于陰極電極遠(yuǎn)離質(zhì)子交換膜的表面;一集流板(currentcollectorplate,簡稱ccp)設(shè)置于導(dǎo)流板遠(yuǎn)離質(zhì)子交換膜的表面;以及相關(guān)的輔助部件,如:鼓風(fēng)機(jī)、閥門、管路等。然而,現(xiàn)有技術(shù)中燃料電池需要鼓風(fēng)機(jī)等輔助部件提供氧氣或燃料氣體,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本較高。技術(shù)實現(xiàn)要素:本發(fā)明提供一種通過膜電極組的壓縮和膨脹來實現(xiàn)氧氣或燃料的供應(yīng)和排出的燃料電池。一種燃料電池,其包括:一容器,所述容器包括:一環(huán)形側(cè)壁以及連接該環(huán)形側(cè)壁的底壁,且該環(huán)形側(cè)壁和底壁定義一反應(yīng)室;一與該反應(yīng)室具有一第一公共側(cè)壁的原料室,該第一公共側(cè)壁上具有一進(jìn)料孔;一設(shè)置于該進(jìn)料孔上的進(jìn)料蓋;一與該反應(yīng)室具有一第二公共側(cè)壁的廢料室,該第二公共側(cè)壁上具有一排料孔;以及一設(shè)置于該排料孔上的排料蓋;以及一設(shè)置于該反應(yīng)室內(nèi)的膜電極組,該膜電極組具有一設(shè)置于該反應(yīng)室內(nèi)的風(fēng)箱以及一與該風(fēng)箱連通且從該反應(yīng)室內(nèi)延伸至該反應(yīng)室外的換氣管;所述風(fēng)箱將該反應(yīng)室密封,從而在該密封處和該反應(yīng)室的底壁之間定義一既位于反應(yīng)室內(nèi)又位于風(fēng)箱外部的第一電極空間;所述風(fēng)箱內(nèi)部的空間定義為第二電極空間;所述風(fēng)箱可以發(fā)生形變從而改變所述第一電極空間和第二電極空間的大?。辉撛鲜遗c所述第一電極空間通過該進(jìn)料孔連通,且該廢料室與所述第一電極空間通過該排料孔連通;當(dāng)所述第一電極空間體積變大時,,該進(jìn)料蓋打開且該排料蓋蓋上;當(dāng)所述第一電極空間體積變小時,該進(jìn)料蓋蓋上且該排料蓋打開;所述膜電極組包括一支撐腔體以及一設(shè)置于該支撐腔體上的膜電極;所述膜電極包括:一質(zhì)子交換膜;一設(shè)置于該質(zhì)子交換膜的第一表面且位于該第一電極空間一側(cè)的第一電極;以及一設(shè)置于該質(zhì)子交換膜的第二表面且位于該第二電極空間一側(cè)的第二電極。如上述燃料電池,其中,所述容器包括:一環(huán)形設(shè)置的內(nèi)壁,且該環(huán)形設(shè)置的內(nèi)壁與該底壁定義該反應(yīng)室;一環(huán)形設(shè)置的外壁,且該外壁和該內(nèi)壁之間被該底壁連接并定義一儲料室,該儲料室被分割為該原料室和該廢料室;以及一連接該內(nèi)壁和外壁的頂壁,該頂壁將該反應(yīng)室覆蓋,且該頂壁具有一換氣孔,所述換氣管從該換氣孔延伸出反應(yīng)室外。如上述燃料電池,其中,所述進(jìn)料蓋一邊固定于該反應(yīng)室的內(nèi)表面上,且當(dāng)該反應(yīng)室一側(cè)的壓力大于該原料室一側(cè)的壓力時,該進(jìn)料蓋將該進(jìn)料孔蓋上,而當(dāng)該反應(yīng)室一側(cè)的壓力小于該原料室一側(cè)的壓力時,該進(jìn)料蓋將該進(jìn)料孔打開;所述排料蓋一邊固定于該廢料室的內(nèi)表面上,且當(dāng)該反應(yīng)室一側(cè)的壓力小于該廢料室一側(cè)的壓力時,該排料蓋將該廢料室料孔蓋上,而當(dāng)該反應(yīng)室一側(cè)的壓力大于該廢料室一側(cè)的壓力時,該排料蓋將該排料孔打開。如上述燃料電池,其中,所述支撐腔體定義該風(fēng)箱和該換氣管,所述膜電極同時設(shè)置于該風(fēng)箱和該換氣管的表面。如上述燃料電池,其中,所述風(fēng)箱具有多個通孔,該膜電極將該多個通孔覆蓋。如上述燃料電池,其中,所述支撐腔體的材料為金屬、聚合物、塑料或橡膠。如上述燃料電池,其中,所述風(fēng)箱的其它部分的橫截面尺寸均小于該頂面的尺寸。如上述燃料電池,其中,所述膜電極進(jìn)一步包括一設(shè)置于該第一電極表面的第一電極集流體以及一設(shè)置于該第二電極表面的第二電極集流體。如上述燃料電池,其中,所述儲料室裝有液體燃料;所述換氣管與外界大氣層連通。如上述燃料電池,其中,所述容器還包括一燃?xì)馐?;所述膜電極組具有一第一換氣管和一第二換氣管;所述第一換氣管與該燃?xì)馐彝ㄟ^一進(jìn)氣孔連通,且一進(jìn)氣蓋設(shè)置于該進(jìn)氣孔上,用于將該進(jìn)氣孔蓋上或打開;所述第二換氣管與外界大氣層連通,且一排氣蓋設(shè)置于該第二換氣管上,用于將該第二換氣管的出口蓋上或打開;所述儲料室裝有氧氣或與外界大氣層連通;所述燃?xì)馐已b有氣體燃料。如上述燃料電池,其中,所述風(fēng)箱的頂面具有最大尺寸,且該頂面的尺寸和形狀與該反應(yīng)室環(huán)形側(cè)壁的內(nèi)表面的尺寸和形狀一致,從而將該反應(yīng)室密封。如上述燃料電池,其中,所述膜電極組進(jìn)一步包括一密封組,通過該密封組件將該風(fēng)箱的頂面周邊與該反應(yīng)室內(nèi)表面之間密封。一種燃料電池,其包括:一反應(yīng)室;一與該反應(yīng)室具有一第一公共側(cè)壁的原料室,該第一公共側(cè)壁上具有一進(jìn)料孔,且該原料室與所述反應(yīng)室通過該進(jìn)料孔連通;一設(shè)置于該反應(yīng)室內(nèi)且位于該進(jìn)料孔上的進(jìn)料蓋;一與該反應(yīng)室具有一第二公共側(cè)壁的廢料室,該第二公共側(cè)壁上具有一排料孔,且該廢料室與所述反應(yīng)室通過該排料孔連通;一設(shè)置于該廢料室內(nèi)且位于該排料孔上的排料蓋;以及一設(shè)置于該反應(yīng)室內(nèi)的膜電極組,該膜電極組彎折設(shè)置形成一可以伸縮的腔室,且該腔室通過一換氣管與外界連通;所述腔室將該反應(yīng)室密封,從而在該密封處和該反應(yīng)室的底壁之間定義一既位于反應(yīng)室內(nèi)又位于腔室外部的第一電極空間;所述腔室內(nèi)部的空間定義為第二電極空間;所述腔室可以發(fā)生形變從而改變所述第一電極空間和第二電極空間的大小;該原料室與所述第一電極空間通過該進(jìn)料孔連通,且該廢料室與所述第一電極空間通過該排料孔連通;當(dāng)所述第一電極空間體積變大時,該進(jìn)料蓋打開且該排料蓋蓋上;當(dāng)所述第一電極空間體積變小時,該進(jìn)料蓋蓋上且該排料蓋打開;所述膜電極組包括一支撐腔體以及一設(shè)置于該支撐腔體上的膜電極;所述膜電極包括:一質(zhì)子交換膜;一設(shè)置于該質(zhì)子交換膜的第一表面且位于該第一電極空間一側(cè)的第一電極;以及一設(shè)置于該質(zhì)子交換膜的第二表面且位于該第二電極空間一側(cè)的第二電極。與現(xiàn)有技術(shù)相比較,本發(fā)明提供的燃料電池通過膜電極組的壓縮和膨脹來實現(xiàn)氧氣或燃料的供應(yīng)和排出,無需要鼓風(fēng)機(jī)等輔助部件,結(jié)構(gòu)簡單。附圖說明圖1為本發(fā)明第一實施例提供的燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1的燃料電池沿線ii-ii的剖視圖。圖3為本發(fā)明第一實施例提供的燃料電池的容器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明第一實施例提供的燃料電池的膜電極組的支撐腔體的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為圖1的燃料電池的膜電極組沿v的局部放大圖。圖6為圖1的燃料電池的膜電極組沿vi的局部放大圖。圖7為本發(fā)明第二實施例提供的燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。主要元件符號說明燃料電池10,10a燃?xì)馐?30容器12進(jìn)氣孔132內(nèi)壁120進(jìn)氣蓋134隔板1202膜電極組14外壁121膜電極140底壁122第二電極141頂壁123第一電極142換氣孔1230質(zhì)子交換膜143反應(yīng)室124第二電極集流體144第一電極空間1242第一電極集流體145第二電極空間1244風(fēng)箱147儲料室125頂面1470原料室1252換氣管148廢料室1254排氣蓋1480進(jìn)料孔126支撐腔體149進(jìn)料蓋127通孔1490排料孔128負(fù)載16排料蓋129導(dǎo)線18如下具體實施例將結(jié)合上述附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。具體實施方式下面將結(jié)合具體實施例,對本發(fā)明提供的燃料電池作進(jìn)一步詳細(xì)說明。請一并參閱圖1及圖2,本發(fā)明第一實施例提供一種燃料電池10,其包括:一容器12、一設(shè)置于該容器12內(nèi)的膜電極組14。所述容器12包括:一環(huán)形設(shè)置的內(nèi)壁120,且該內(nèi)壁120定義一反應(yīng)室124;一環(huán)形設(shè)置的外壁121,且該外壁121和該內(nèi)壁120之間定義一儲料室125;該儲料室125被分割為一原料室1252和一廢料室1254,該原料室1252與所述反應(yīng)室124通過一進(jìn)料孔126連通,且該廢料室1254與所述反應(yīng)室124通過一排料孔128連通;一設(shè)置于該反應(yīng)室124內(nèi)且位于該進(jìn)料孔126上的進(jìn)料蓋127,且該進(jìn)料蓋127用于將該進(jìn)料孔126蓋上或打開;一設(shè)置于該廢料室1254內(nèi)且位于該排料孔128上的排料蓋129,且該排料蓋129用于將該排料孔128蓋上或打開;一連接該內(nèi)壁120和外壁121的底壁122,且該底壁122將該反應(yīng)室124覆蓋;一連接該內(nèi)壁120和外壁121的頂壁123,該頂壁123將該反應(yīng)室124覆蓋,且該頂壁具有一換氣孔1230。所述換氣孔1230的形狀大小不限。所述內(nèi)壁120和外壁121可以環(huán)形設(shè)置成任意形狀,例如:三角形、方形、n≧5的多邊性、圓形、或橢圓形等。所述內(nèi)壁120和外壁121形成的環(huán)形形狀可以如圖2所示相同,也可以如圖3所示不同。如圖2所示,所述內(nèi)壁120和外壁121可以間隔設(shè)置,且在該內(nèi)壁120和外壁121之間設(shè)置至少兩個間隔設(shè)置于的隔板1202,從而將該儲料室125分割為原料室1252和廢料室1254。如圖3所示,所述內(nèi)壁120和外壁121也可以在至少兩處接觸設(shè)置,從而將該儲料室125分割為原料室1252和廢料室1254。本實施例中,所述容器12包括同心間隔設(shè)置的環(huán)形內(nèi)壁120和環(huán)形外壁121。通過兩個隔板1202將該環(huán)形內(nèi)壁120和環(huán)形外壁121之間的空間分割為原料室1252和廢料室1254。所述進(jìn)料蓋127一邊固定于該反應(yīng)室124的內(nèi)表面上,且當(dāng)該反應(yīng)室124一側(cè)的壓力大于該原料室1252一側(cè)的壓力時,該進(jìn)料蓋127將該進(jìn)料孔126蓋上,而當(dāng)該反應(yīng)室124一側(cè)的壓力小于該原料室1252一側(cè)的壓力時,該進(jìn)料蓋127將該進(jìn)料孔126打開。所述排料蓋129一邊固定于該廢料室1254的內(nèi)表面上,且當(dāng)該反應(yīng)室124一側(cè)的壓力小于該廢料室1254一側(cè)的壓力時,該排料蓋129將該排料孔128蓋上,而當(dāng)該反應(yīng)室124一側(cè)的壓力大于該廢料室1254一側(cè)的壓力時,該排料蓋129將該排料孔128打開??梢岳斫猓鋈萜?2的形狀和結(jié)構(gòu)不限,只要可以形成該反應(yīng)室124,以及分別與該反應(yīng)室124連通的原料室1252和廢料室1254即可。可以理解,所述容器12可以包括多個原料室1252和多個廢料室1254。所述膜電極組14具有一設(shè)置于該反應(yīng)室124內(nèi)的風(fēng)箱147以及一與該風(fēng)箱147連通的換氣管148,且該換氣管148從反應(yīng)室124內(nèi)通過所述換氣孔1230延伸至反應(yīng)室124外。本發(fā)明的風(fēng)箱147指可以壓縮和膨脹的容器,當(dāng)該風(fēng)箱147被壓縮時,將其內(nèi)部氣體排出,當(dāng)該風(fēng)箱147膨脹時,將其外部氣體吸入其內(nèi)部。進(jìn)一步參見圖4-6,所述膜電極組14包括一支撐腔體149以及一設(shè)置于該支撐腔體149上的膜電極140。所述支撐腔體149定義該風(fēng)箱147和該換氣管148。該支撐腔體149的腔壁上具有多個通孔1490。該膜電極140設(shè)置于該支撐腔體149上,且將該多個通孔1490覆蓋。該多個通孔1490用于使反應(yīng)原料擴(kuò)散于該第一電極142或第二電極141表面。該膜電極140可以設(shè)置于該支撐腔體149的內(nèi)表面,也可以設(shè)置于該支撐腔體149的外表面。該膜電極140可以僅設(shè)置于該風(fēng)箱147表面,也可以同時設(shè)置于該風(fēng)箱147和該換氣管148表面。優(yōu)選地,該膜電極140以同時設(shè)置于該風(fēng)箱147和該換氣管148表面。該換氣管148的長度大于該頂壁123至該底壁122的距離。所述支撐腔體149的材料可以為金屬,如銅、鐵或合金等導(dǎo)電材料,也可為聚合物、塑料、橡膠等非導(dǎo)電材料,只要該材料具有一定的強(qiáng)度,可以支撐該膜電極140,且具有一定的柔韌性,多次彎折而不會斷裂即可。本實施例中,所述支撐腔體149的材料采用聚合物。可以理解,當(dāng)該支撐腔體149采用金屬等導(dǎo)電材料制備時,該支撐腔體149可以同時作為集流體使用,從而省去靠近該支撐腔體149的集流體。所述該風(fēng)箱147靠近該頂壁123的一端面定義為頂面1470。所述風(fēng)箱147內(nèi)部的空間形成一第二電極空間1244。該反應(yīng)室124內(nèi)且所述風(fēng)箱147外部位于該頂面1470和該底壁122之間的空間形成一第一電極空間1242。該膜電極組14可以在該反應(yīng)室124內(nèi)發(fā)生形變,即壓縮和膨脹,從而改變所述第一電極空間1242和第二電極空間1244的大小。該頂面1470具有最大尺寸,且該頂面1470的尺寸和形狀與該反應(yīng)室124內(nèi)表面的尺寸和形狀一致,從而將該第一電極空間1242密封。該風(fēng)箱147的其它部分的橫截面尺寸均小于該頂面1470的尺寸,從而使得該第一電極空間1242內(nèi)的反應(yīng)原料可以擴(kuò)散至該膜電極140位于第一電極空間1242內(nèi)的整個外表面。可以理解,所述該風(fēng)箱147只要具有一截面將該反應(yīng)室124密封,從而形成該第一電極空間1242即可。優(yōu)選,該截面為頂面1470,從而使該第一電極空間1242內(nèi)的燃料可以與風(fēng)箱147的整個側(cè)面接觸。當(dāng)該頂面1470形狀和尺寸與該反應(yīng)室124內(nèi)表面的尺寸和形狀不一致時,可以通過設(shè)置密封組件將該頂面1470周邊與該反應(yīng)室124內(nèi)表面之間密封。所述膜電極140包括一質(zhì)子交換膜143,該質(zhì)子交換膜143具有一第一表面以及一于該第一表面相對設(shè)置的第二表面;一設(shè)置于該第一表面且位于該第一電極空間1242一側(cè)的第一電極142;一設(shè)置于該第二表面且位于該第二電極空間1244一側(cè)的第二電極141??蛇x擇地,所述膜電極140還可以包括一設(shè)置于該第一電極142表面的第一電極集流體145以及一設(shè)置于該第二電極141表面的第二電極集流體144。所述質(zhì)子交換膜143的材料為全氟磺酸、聚苯乙烯磺酸、聚三氟苯乙烯磺酸、酚醛樹脂磺酸或碳?xì)浠衔?。所述第一電極142與第二電極141均包括擴(kuò)散層與催化劑材料。所述第一電極142與第二電極141可以為催化劑材料涂敷在擴(kuò)散層表面形成的雙層結(jié)構(gòu),也可以為一催化劑材料分散于擴(kuò)散層內(nèi)部形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。所述擴(kuò)散層可以為碳納米管層或碳纖維層。所述第一電極142與第二電極141的催化劑材料可以根據(jù)實際需要選擇。所述第一電極集流體145和第二電極集流體144采用導(dǎo)電材料制備,用于收集和傳導(dǎo)反應(yīng)生成的電子或質(zhì)子。進(jìn)一步,所述第一電極集流體145和第二電極集流體144也可以在膜電極140移動過程中起到保護(hù)膜電極140的作用。優(yōu)選地,所述第一電極集流體145和第二電極集流體144采用金屬網(wǎng)制備。本實施例中,所述質(zhì)子交換膜143材料為全氟磺酸。所述第二電極141為陰極電極,其包括碳納米管層及分布于該碳納米管層中的貴金屬催化劑。所述貴金屬包括鉑、金及釕中的一種或其任意組合的混合物。該貴金屬顆粒的直徑尺寸為1~10納米。所述貴金屬催化劑的擔(dān)載量低于0.5mg/cm2,且均勻分布于碳納米管層中的碳納米管表面。所述第一電極142為陽極電極,其包括碳納米管層及分布于該碳納米管層中的酶催化劑,如:含有輔基fad的氧化酶或含有輔基nad(p)+的脫氫酶。該酶催化劑均勻吸附于碳納米管層中的碳納米管表面,并通過羧基或羥基與該碳納米管結(jié)合??梢岳斫?,對不同的燃料,所選用的催化劑不同。例如,所述燃料為葡萄糖溶液,催化劑為葡萄糖氧化酶。所述第一電極集流體145和第二電極集流體144均為一具有通孔的銅箔。所述燃料電池10使用時,將該第一電極集流體145和第二電極集流體144通過導(dǎo)線18連接到負(fù)載16。在燃料電池10工作過程中,當(dāng)該風(fēng)箱147膨脹變性時,所述第一電極空間1242的壓強(qiáng)變小,所述進(jìn)料蓋127打開,所述排料蓋129關(guān)閉,葡萄糖燃料從所述原料室1252進(jìn)入所述第一電極空間1242,同時所述第二電極空間1244內(nèi)的壓強(qiáng)變小,外界空氣通過換該換氣管148進(jìn)入所述第二電極空間1244;當(dāng)該風(fēng)箱147收縮變性時,所述第一電極空間1242的壓強(qiáng)變大,所述進(jìn)料蓋127關(guān)閉,所述排料蓋129打開,反應(yīng)廢料從所述第一電極空間1242排入所述廢料室1254,同時所述第二電極空間1244內(nèi)的壓強(qiáng)變大,所述第二電極空間1244內(nèi)的廢氣通過該換氣管148排出。在所述第一電極142一端,葡萄糖在酶催化劑的催化作用下發(fā)生如下反應(yīng):葡萄糖→葡萄糖酸+2h++2e。反應(yīng)生成的質(zhì)子穿過質(zhì)子交換膜143到達(dá)第二電極141,反應(yīng)生成的電子則通過陽極連接端1466進(jìn)入外電路;在所述第二電極141一端,空氣中的氧氣擴(kuò)散到該第二電極141的同時,電子則通過外電路到達(dá)該第二電極141,在貴金屬催化劑作用下,氧氣與質(zhì)子以及電子發(fā)生如下反應(yīng):1/2o2+2h++2e→h2o。在此過程中,在該第一電極142與該第二電極141之間會形成一定的電勢差,當(dāng)外電路接入負(fù)載16時,將會有電流流經(jīng)該負(fù)載16。本發(fā)明提供的燃料電池10通過膜電極組14的運(yùn)動來實現(xiàn)氧氣或燃料的供應(yīng)和排出,無需要鼓風(fēng)機(jī)等輔助部件,結(jié)構(gòu)簡單。請參閱圖7,本發(fā)明第二實施例提供一種燃料電池10a,其包括:一容器12、一設(shè)置于該容器12內(nèi)的膜電極組14。本發(fā)明第二實施例提供的燃料電池10a與第一實施例提供的燃料電池10的結(jié)構(gòu)基本相同,其區(qū)別在于,所述容器12進(jìn)一步包括一燃?xì)馐?30;所述膜電極組14包括兩個換氣管148;其中,第一換氣管148與該燃?xì)馐?30通過進(jìn)氣孔132連通,且進(jìn)一步包括一進(jìn)氣蓋134設(shè)置于該進(jìn)氣孔132上,用于將該進(jìn)氣孔132蓋上或打開;第二換氣管148與外界大氣層連通,且進(jìn)一步包括一排氣蓋1480設(shè)置于該第二換氣管148的出口處,用于將該第二換氣管148的出口蓋上或打開。當(dāng)該燃?xì)馐?30一側(cè)的壓力大于該第二電極空間1244一側(cè)的壓力時,該進(jìn)氣蓋134打開,反之則蓋上。當(dāng)該第二電極空間1244一側(cè)的壓力大于外界大氣壓力時,該排氣蓋1480打開,反之則蓋上??梢岳斫?,所述進(jìn)氣蓋134和排氣蓋1480的設(shè)置位置不限,只要這是于換氣管148內(nèi)或換氣管148端部即可??梢岳斫?,當(dāng)所述氣體燃料,例如氫氣,在所述第二電極141的催化作用下反應(yīng)后不會形成廢氣時,所述第二換氣管148也可以省略。本實施例中,所述燃?xì)馐?30用于儲存氣體燃料,例如氫氣、乙醇等。所述原料室1252則用于儲存氧氣或空氣??梢岳斫猓?dāng)儲存空氣時,只要將該原料室1252與外界大氣層連通即可,或者可以省去該原料室1252。所述第一電極142為陰極電極,所述第二電極141為陽極電極,所述第一電極142和所述第二電極141均包括碳納米管層及分布于該碳納米管層中的貴金屬催化劑??梢岳斫猓捎谒瞿る姌O組14外表面一側(cè)為陰極電極,因此,反應(yīng)生成的水可以順著該膜電極組14外表面流到第一電極空間1242底部,以便于通過排料孔128排到廢料室1254。另外,本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)作其它變化,當(dāng)然這些依據(jù)本發(fā)明精神所作的變化,都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁12