專利名稱：直接液體給料的燃料電池組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直接液體給料的燃料電池組，更具體地，本發(fā)明涉及直接甲醇燃料電池中所包含雙極板與MEA(膜電極組件)之間的密封結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
直接甲醇燃料電池(DMFC)是一種發(fā)電設(shè)備。DMFC通過有機(jī)物燃料如甲醇或乙醇與氧化劑(即氧)之間的電化學(xué)反應(yīng)而具有高能量密度和功率密度。因為它直接使用液體燃料，所以DMFC不需要外圍設(shè)備如燃料重整裝置，并且具有易于貯存和即時提供液體燃料的優(yōu)點。
如圖1所示，DMFC的單電池包括陽極2與陰極3之間具有電解質(zhì)膜1的膜電極組件(MEA)。陽極2和陰極3分別包括用于燃料的提供和擴(kuò)散的燃料擴(kuò)散層22和32，用于燃料的氧化和還原反應(yīng)的催化劑層21和31，電極支撐層23和33。由低溫下具有優(yōu)異催化特性的貴金屬即鉑構(gòu)成的催化劑用于電極反應(yīng)。作為選擇，為了避免反應(yīng)副產(chǎn)物即CO所導(dǎo)致的催化劑中毒，使用含有過渡金屬如釕、銠、鋨或鎳的合金催化劑。使用易于燃料供應(yīng)和反應(yīng)產(chǎn)物排放的防濕碳紙或碳布作為電極支撐層。電解質(zhì)膜是厚度為50～200μm的聚合物膜?？梢允褂镁哂须x子導(dǎo)電性的質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)膜。
在以甲醇與水的混合物為燃料的DMFC的電化學(xué)反應(yīng)中，包括燃料被氧化的陽極反應(yīng)和氧被還原的陰極反應(yīng)。
每個反應(yīng)可以描述如下[反應(yīng)1](陽極反應(yīng))[反應(yīng)2](陰極反應(yīng)) (總反應(yīng))在發(fā)生氧化反應(yīng)(反應(yīng)1)的陽極2，產(chǎn)生一個二氧化碳，六個質(zhì)子，及六個電子。所產(chǎn)生的質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜1遷移至陰極3。在發(fā)生還原反應(yīng)(反應(yīng)2)的陰極3，通過質(zhì)子、由外電路轉(zhuǎn)移來的電子及氧之間的還原反應(yīng)產(chǎn)生水。因此，作為總反應(yīng)(反應(yīng)3)的結(jié)果，由甲醇與氧之間的反應(yīng)產(chǎn)生水和二氧化碳。
DMFC的單電池的理論電壓大約1.2V。然而，在室溫和大氣壓下的開路電壓卻低于1V，這是由于活化超電壓和電阻超電壓所導(dǎo)致的電壓降。實用中，實際的工作電壓為0.4～0.6V。因此，為了獲得更高的電壓，需要多個單電池串聯(lián)。
燃料電池組是通過堆疊若干個電串聯(lián)的單電池形成的。相鄰的單電池通過置于單電池之間的雙極板4彼此電連接。
雙極板4可以由機(jī)械強度高、導(dǎo)電性高、機(jī)加工性能良好的石墨片制成。也可以使用包含金屬或聚合物的復(fù)合材料片作為雙極板4。
燃料流動通道41和42形成于雙極板的兩面用于提供燃料(即甲醇)的通道41位于與陽極2接觸的面上，用于提供空氣的流動通道42位于與陰極3接觸的反面上。置于燃料電池組之間的雙極板4一面上具有提供燃料的通道，反面上具有提供空氣的通道。在燃料電池組的頂部和底部放置端板(未示出)，即單極板。向相鄰單電池提供燃料或空氣的流動通道(圖1中的附圖標(biāo)記41和42)形成于端板上。
圖2是具有液體燃料流動通道的常規(guī)雙極板的表面的平面圖。圖3是附著在圖2所示之雙極板表面的密封墊的平面圖。在圖1和2中使用相同的附圖標(biāo)記。
參照圖2，多條蛇形且其上表面具有開口的燃料通道41形成在常規(guī)雙極板4的用于定位MEA的電極區(qū)47上。在電極區(qū)47的外部區(qū)域，形成與燃料通道41的入口和出口相連的匯流管匯流管(manifold)46，以及通過雙極板4與匯流管46相通的燃料流動孔43a，43b，44a，及44b。燃料流動孔43a，43b，44a，及44b包括液體燃料生物入口43a和出口43b，以及氧化劑的入口44a和出口44b。將液體燃料流動孔43a和43b連接到多個燃料通道41上的匯流管46形成于雙極板4的內(nèi)部，不從雙極板4的表面中暴露出來。
參照圖3，雙極板4的電極區(qū)47和燃料流動孔區(qū)域敞開于密封墊5中。
圖4是定位于雙極板4上的密封墊5和MEA沿圖2中A-A線截取的截面圖。
參照圖4，MEA位于燃料通道41和42(即電極區(qū))上，密封墊5覆蓋雙極板4除燃料流動孔43a，43b，44a，及44b之外的其余區(qū)域。密封墊5阻止燃料與空氣向里和向外泄漏。
圖4中所示的常規(guī)雙極板4具有大約5～10mm的較厚的厚度，因為匯流管46形成于雙極板4的內(nèi)部。附圖標(biāo)記46a是指覆蓋匯流管46上表面的部分的雙極板4。
對于較小和較輕的燃料電池，雙極板的厚度應(yīng)該更薄，例如大約1～2mm。因此，圖2～圖4中所示的雙極板4不能進(jìn)一步用于更小和更輕的燃料電池。為此，提出了結(jié)構(gòu)暴露的匯流管。該結(jié)構(gòu)的實例見US 6284401，5879826，及6146780。
圖5是US 6284401中所示雙極板的平面示意圖。使用相同的附圖標(biāo)記表示與圖1～圖4中相同的元件，并省略詳細(xì)的說明。
參照圖5，多個蛇形且在其上表面具有開口的燃料通道41形成于雙極板4的將用于定位MEA的電極區(qū)47上。在電極區(qū)47的其它區(qū)域，形成與燃料通道41的入口和出口相連的匯流管46′，以及通過雙極板4與匯流管46′相通的燃料流動孔43a，43b，44a，及44b。燃料流動孔43a，43b，44a，及44b包括液體燃料的入口43a和出口43b，以及氧化劑的入口44a和出口44b。
使燃料流動孔43a和43b與多個燃料通道41相連的匯流管46′形成在雙極板4上，并從雙極板4的表面暴露出來。
圖6是定位于雙極板4上的密封墊5和MEA沿圖5中B-B線截取的截面圖。
參照圖6，MEA定位于燃料通道41和42(即圖5的電極區(qū)47)上，密封墊5定位于除燃料流動孔43a，43b，44a，及44b之外的其余區(qū)域上。密封墊5還定位于匯流管46′上，以阻止燃料泄漏。
然而，為了制備燃料電池組，在高壓下壓制多個雙極板4和多個MEA。這種情況下，位于匯流管46′上的密封墊5傾向于彎曲，這導(dǎo)致燃料通過密封墊5的上部泄漏。
為了解決密封墊5的彎曲問題，在匯流管46′上安裝與密封墊5相連的連接件(bridge piece)可以降低雙極板4的厚度，見US 6410179。
然而，由于制備和安裝中的困難，以及連接件的機(jī)械強度弱，通過高壓壓制密封墊和雙極板來制備燃料電池組并不容易。而且，這種高壓法難于用來制備厚度為1～2mm的薄的雙極板，這也是本發(fā)明的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種直接液體給料的燃料電池組，其可以通過在雙極板的電極區(qū)中形成燃料流動孔，以用電極覆蓋匯流管區(qū)，進(jìn)而防止燃料泄漏。
本發(fā)明還提供一種直接液體給料的燃料電池，其通過沉積密封材料代替常規(guī)的密封墊，將密封件置于燃料流動孔與MEA之間。
根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方案，提供一種直接液體給料的燃料電池組，其具有多個其間具有膜電極組件(MEA)的堆疊的雙極板，其中每個MEA包括電解質(zhì)膜以及分別位于電解質(zhì)膜兩個表面的陽極和陰極，其中雙極板包括在其每個表面圍成的用于放置MEA的電極區(qū)的凹槽，多個用于將燃料或氧化劑提供給雙極板電極區(qū)的相應(yīng)燃料通道的燃料流動孔，及形成于凹槽上的密封件。
優(yōu)選密封件是通過沉積液體密封材料形成的。
燃料流動孔通過多個燃料通道與其它燃料流動孔相連，匯流管形成于燃料流動孔與燃料通道之間，且燃料通道和匯流管的上部用相應(yīng)的陽極或陰極覆蓋。
優(yōu)選在雙極板的每個表面上，凹槽形成于不與燃料通道相通的燃料流動孔的周圍。
優(yōu)選最上面和最下面的雙極板僅在與MEA接觸的一面具有燃料流動通道。
MEA包括第一和第二電極孔并形成與燃料流動孔相對應(yīng)的電解質(zhì)膜，其中不與相應(yīng)燃料流動孔相通的第二電極孔的直徑大于相應(yīng)燃料流動孔的直徑，且圍繞燃料流動孔壁的密封件形成在第二電極孔的內(nèi)壁上。
密封件是通過在一臺階上沉積液體密封材料而形成的，其中該臺階是由第二電極孔與電解質(zhì)膜孔間的直徑差形成的。
根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施方案，電解質(zhì)膜孔的直徑大于燃料流動孔的直徑，且圍繞燃料流動孔壁的密封件形成于第二電極孔和電解質(zhì)膜孔的內(nèi)壁上。
根據(jù)本發(fā)明的再一示例性實施方案，電解質(zhì)膜孔的直徑小于第二電極孔的直徑。
根據(jù)本發(fā)明的又一示例性實施方案，MEA具有多個與燃料流動孔對應(yīng)的MEA孔，且MEA孔的直徑大于雙極板的燃料流動孔，密封件放置在圍繞燃料孔的MEA孔的部分內(nèi)壁上。
密封件通過沉積液體密封材料形成于雙極板之相應(yīng)燃料流動孔的周圍。


圖1是直接液體給料的燃料電池的單電池的截面圖；圖2是常規(guī)雙極板的平面圖；圖3是附著在圖2所示之雙極板表面的密封墊的平面圖；圖4是沿圖2中A-A線截取的常規(guī)雙極板的截面圖；圖5是US 6284401中所示雙極板的平面圖；圖6是沿圖5中B-B線截取的包含密封墊和MEA的雙極板的截面圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明實施方案的燃料電池組的截面圖；圖8是圖7的雙極板的平面圖；圖9是圖7的雙極板的照片；圖10是單電池的截面圖，示出了由圖7的燃料流動孔至MEA的密封結(jié)構(gòu)；圖11是圖10中D的放大圖；圖12是改進(jìn)版的單電池的截面圖，示出了由圖10的燃料流動孔至MEA的密封結(jié)構(gòu)；圖13是根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的雙極板的平面圖；及圖14是燃料流動孔周圍涂有液體硅(liquid silicon)的MEA的照片。
具體實施例方式
下文中將參照附圖更詳細(xì)地說明根據(jù)本發(fā)明實施方案的直接液體給料的燃料電池組。
圖7是根據(jù)本發(fā)明實施方案的燃料電池組的截面圖。
參照圖7，多個MEA堆疊在燃料電池組中，且導(dǎo)電的雙極板放置在各MEA之間。每個MEA具有電解質(zhì)膜110，電解質(zhì)膜的一面上具有陽極反面上具有陰極。導(dǎo)電的端板160a和160b放置在燃料電池組的最上面和最下面。導(dǎo)電的端板160a和160b僅一面與MEA接觸，因而導(dǎo)電的端板160a和160b的一面具有與雙極板140相同的結(jié)構(gòu)，且按與雙極板140相同的方式工作。MEA，放置在MEA之間的雙極板140，及導(dǎo)電的端板160a和160b是通過螺絲連接緊固法通過固定端板170a和170b而固定的。
圖8是圖7的雙極板的平面圖。
參照圖8，用于放置MEA的方形電極區(qū)147及包圍電極區(qū)147的凹槽148形成于雙極板140上。凹槽148填有密封材料(基液體硅)，形成密封雙極板140之間間隙的密封件。
多個具有蛇形且在其上表面具有開口的燃料通道141以預(yù)定的深度形成于電極區(qū)147。同時，燃料流動孔143a和143b形成于通過雙極板140的燃料通道141的兩端。
附圖標(biāo)記144a和144b是指不同的燃料流動孔，即氧入口孔，其在雙極板140背面上與圖10中的燃料通道142相連。
附圖標(biāo)記146是指常規(guī)的匯流管，其與多個燃料通道141相連，并從雙極板140的表面暴露出來。制備燃料電池組時，常規(guī)匯流管146和燃料通道141的上表面被MEA所覆蓋。換言之，常規(guī)匯流管形成于雙極板的內(nèi)部或者被密封墊所覆蓋，然而，本發(fā)明中的匯流管是被MEA的電極所覆蓋。因此，優(yōu)點在于燃料在電極區(qū)147中轉(zhuǎn)移至電極，不泄漏到電極區(qū)147的外面。
圖9是圖7的雙極板的照片，其示出了涂有液體硅149a的凹槽148。
圖10是單電池的截面圖，示出了從圖7的燃料流動孔至MEA的密封結(jié)構(gòu)，圖11是圖10中D的放大圖。
參照圖10和11，單電池的MEA放置在雙極板140之間。提供液體燃料的燃料通道141形成在雙極板140的一個表面上，與陽極120相連接；提供氧的燃料通道142形成在雙極板140另一個表面上，與的陰極130相連接。電解質(zhì)膜110插在陽極120與陰極130之間。這構(gòu)成了MEA。
每個MEA具有與雙極板140的燃料流動孔143a，143b，144a，及144b相對應(yīng)的孔190。同時，對應(yīng)于燃料流動孔143a，143b，144a，及144b的孔又形成于陽極120，陰極130，及電解質(zhì)膜110中。每個電極包括第一電極孔191，其與流動液體燃料或氧化劑的燃料流動通道141和142相通；及第二電極孔193，其不與燃料流動通道141和142相通。
雙極板140的燃料流動孔的直徑W1大約3mm。與燃料流動孔相通的第一電極孔191的直徑大約3mm。對應(yīng)于第一電極孔191且形成于背面電極上的第二電極孔193的直徑W3大約8mm。形成于第一和第二電極孔191與193之間的電解質(zhì)膜110的直徑W2大約5mm。因此，在每個MEA 190的燃料流動孔周圍形成兩個臺階(step)S。這兩個臺階S涂有密封材料(如硅膠)，形成密封件149b。密封件149b密封燃料流動孔的內(nèi)壁，防止燃料滲透到第二電極193和電解質(zhì)膜110中。在使用醇燃料的情況下，密封件149b防止醇燃料滲透到陰極130中，進(jìn)而降低燃料電池的性能，并且防止無謂的燃料消耗。
附圖標(biāo)記148是形成于電極區(qū)147的外部區(qū)域的凹槽，附圖標(biāo)記149a是填充于凹槽148中的密封件。密封件不僅密封厚度大約1mm的雙極板140，而且使雙極板140彼此附著在一起。因此，可利用附著力大的密封件制得本發(fā)明的燃料電池組，而無需使用端板170a和170b。
圖12是由圖10的燃料流動孔143a至MEA的另一密封結(jié)構(gòu)實例的截面圖。與圖10和11中相同的元件以相同的附圖標(biāo)記表示。
參照圖12，單電池的MEA′放置在雙極板140之間。電解質(zhì)膜110′放置在陽極120′與陰極130′之間，構(gòu)成MEA′。
燃料流動孔形成于每個雙極板140和MEA′。雙極板140的燃料流動孔的直徑大約3mm，MEA′的對應(yīng)孔190′的直徑大約8mm。MEA′孔的內(nèi)壁涂有密封件149c，如硅膠，以防止醇燃料泄漏到電解質(zhì)膜110′和陰極130中。如此可以防止性能降低和無謂的燃料消耗。為了沉積密封件149c，首先利用自動分配器在雙極板140的燃料流動孔周圍沉積液體密封材料。其次，通過在MEA′的孔的內(nèi)表面放置液體密封材料，組裝MEA′和雙極板140。
圖13是根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的雙極板140的平面圖。將與圖8中相同的附圖標(biāo)記用于相同的元件。
參照圖13，將要放置MEA的長方形電極區(qū)147和圍成電極區(qū)147的凹槽148形成于雙極板140上。
多個蛇形且從雙極板140表面暴露出來的燃料通道141以預(yù)定的深度形成于電極區(qū)147。此外，燃料流動孔143a和143b形成于通過雙極板140的燃料通道141的兩端。
具有預(yù)定深度的凹槽150圍繞燃料流動孔144a和144b形成于雙極板140上遠(yuǎn)離燃料通道141的部分。這些凹槽150涂有密封件，以防止燃料流動孔144a和144b混有其它燃料。
制備聚合物浸漬的石墨片，其尺寸為75mm寬(W)×50mm長(L)×1mm深(D)。在該石墨片的兩面形成燃料通道，并按圖8所示，形成與燃料通道相連接的穿透該石墨片的燃料流動孔。形成圍起長方形電極區(qū)的凹槽，然后利用自動分配器將凹槽涂上液體硅。圖9是按該方法制備的雙極板的照片。
在厚度120μm的電解質(zhì)膜110以及厚度分別為250μm的陽極和陰極上打出燃料孔143a，143b，144a，及144b。電解質(zhì)膜110的燃料孔192的直徑為5mm，由燃料流動孔143a和143b提供燃料的第一電極孔191的孔直徑為3mm，不由燃料流動孔143a和143b提供燃料的第二電極孔193的孔直徑為8mm。通過垂直排列燃料流動孔143a，143b，144a，及144b，形成電極120和130與電解質(zhì)膜110的組件。然后通過熱壓該組件，制得MEA。
其次，在MEA的兩個燃料流動孔周圍，利用自動分配器，將液體硅沉積在直徑5mm的電解質(zhì)膜孔和直徑8mm的第二電極孔的內(nèi)表面上。圖14是燃料流動孔周圍涂有液體硅的MEA的照片。將燃料流動孔周圍涂有液體硅的每個MEA嵌入13層其中凹槽148涂有液體硅的雙極板之間。其后，將比雙極板140大的端板170a和170b放置在電池堆的上面和下面。最后，利用螺絲壓緊電池組，制得燃料電池組。
對所制備的燃料電池組進(jìn)行密封試驗，泵送甲醇使之[以1.5bar]通過燃料供應(yīng)孔，并使空氣[以1.5bar]通過空氣供應(yīng)孔，未觀察到泄漏。
根據(jù)本發(fā)明的直接液體給料的燃料電池組沒有燃料泄漏問題，因為燃料流動孔位于電極區(qū)中，且燃料流動孔間的匯流管區(qū)域被電極覆蓋，也不具有無謂的燃料消耗。可以利用1～2mm厚的雙極板制備薄的燃料電池組。
盡管已參照其優(yōu)選實施方案具體地示出和說明了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離所附權(quán)利要求書的構(gòu)思和范圍的情況下，可以對本發(fā)明作出各種形式和內(nèi)容上的替換。
權(quán)利要求
1.一種直接液體給料的燃料電池組，其包括多個其間具有膜電極組件(MEA)的堆疊的雙極板，其中每個MEA包括電解質(zhì)膜以及分別位于電解質(zhì)膜兩面的陽極和陰極，其中所述雙極板包括在雙極板的每個表面圍起電極區(qū)以放置MEA的凹槽；多個位于雙極板電極區(qū)的用于將燃料或氧化劑提供給相應(yīng)燃料通道的燃料流動孔；及形成在凹槽上的密封件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的直接液體給料的燃料電池組，其中該密封件是通過沉積液體密封材料形成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的直接液體給料的燃料電池組，其中所述燃料流動孔通過多個燃料通道與其它燃料流動孔相連，在燃料流動孔與燃料通道之間形成匯流管，及燃料通道和匯流管的上部被相應(yīng)的陽極或陰極覆蓋。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的直接液體給料的燃料電池組，其中在雙極板的每個表面上，所述凹槽形成于未與燃料通道相連的燃料流動孔的周圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的直接液體給料的燃料電池組，其中最上面還最下面的雙極板僅在與MEA接觸的一面具有燃料流動通道。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的直接液體給料的燃料電池組，其中MEA包括第一和第二電極孔并形成與燃料流動孔對應(yīng)的電解質(zhì)膜，其中不與相應(yīng)燃料流動孔相通的第二電極孔的直徑，大于相應(yīng)的燃料流動孔的直徑，及圍繞燃料流動孔壁的密封件形成在第二電極孔的內(nèi)壁上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的直接液體給料的燃料電池組，其中所述密封件是通過在一臺階上沉積液體密封材料而形成的，所述臺階是通過第二電極孔與電解質(zhì)膜孔間的直徑差形成的。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的直接液體給料的燃料電池組，其中所述電解質(zhì)膜孔的直徑大于燃料流動孔的直徑，且圍繞燃料流動孔壁的密封件形成于第二電極孔和電解質(zhì)膜孔的內(nèi)壁上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的直接液體給料的燃料電池組，其中所述電解質(zhì)膜孔的直徑小于第二電極孔的直徑。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的直接液體給料的燃料電池組，其中所述密封件是通過在一臺階上沉積液體密封材料而形成的，所述臺階是通過第二電極孔、電解質(zhì)膜孔及第一電極孔之間的直徑差形成的。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的直接液體給料的燃料電池組，其中MEA具有多個對應(yīng)于燃料流動孔的MEA孔，MEA孔的直徑大于雙極板的燃料流動孔的直徑，密封件放置在圍繞燃料孔的MEA的部分內(nèi)壁上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的直接液體給料的燃料電池組，其中所述密封件通過沉積液體密封材料形成在雙極板的相應(yīng)燃料流動孔的周圍。
全文摘要
本發(fā)明提供一種直接液體給料的燃料電池組，其包括MEA和雙極板。每個MEA包括電解質(zhì)膜，陽極和陰極，且MEA置于堆疊的雙極板之間。每個雙極板包括具有預(yù)定深度以在雙極板的每個表面圍起電極區(qū)的凹槽，及多個位于電極區(qū)的將燃料或氧化劑提供給相應(yīng)燃料通道的燃料流動孔，且密封件形成在凹槽上。直接液體給料的燃料電池組防止燃料泄漏及無益的燃料消耗，進(jìn)而提供更長的工作時間。
文檔編號H01M8/02GK1604379SQ20041003844
公開日2005年4月6日 申請日期2004年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月1日
發(fā)明者崔京煥 申請人:三星Sdi株式會社