專利名稱：包括汽相燃料供應(yīng)設(shè)備的燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，更具體地說，涉及一種由于系統(tǒng)效率高而具有高能量密度并且可制作成小尺寸以適合作為小型緊湊電源的燃料電池系統(tǒng)。
本申請要求享有于2005年5月25日和2006年5月10日向韓國知識產(chǎn)權(quán)局提交的流水號為10-2005-0044252和10-2006-0041965的韓國專利申請的優(yōu)先權(quán)，這些申請文件的內(nèi)容全部作為本申請的參考。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種產(chǎn)生能量的系統(tǒng)，其中從氫和氧之間或者從如甲醇、乙醇或天然氣之類的烴基材料中所含的氫和氧之間的化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能。燃料電池根據(jù)其使用的電解質(zhì)可以分為磷酸型燃料電池、熔融碳酸鹽型燃料電池、固態(tài)氧化物型燃料電池、聚合物電解質(zhì)膜燃料電池和堿性燃料電池等。這些燃料電池基于相同的原理工作，但是具有不同的燃料、不同的工作溫度、不同的催化劑和不同的電解質(zhì)。
在這些燃料電池中，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)與其它燃料電池相比具有較好的輸出性能、較低的工作溫度、較短的啟動(dòng)時(shí)間和更快的響應(yīng)。由于這些優(yōu)點(diǎn)，PEMFC具有更廣泛的應(yīng)用，包括用于汽車的便攜式電源、用于家庭和公共建筑物的獨(dú)立電源和用于電子裝置的小型電源。
在PEMFCs中，具有使用甲醇水溶液作為燃料的直接甲醇燃料電池(DMFC)。DMFC可以在室溫下工作并且易于小型化和密封，因此它可作為各種應(yīng)用范圍的能源，例如作為清潔電動(dòng)機(jī)車、家用發(fā)電系統(tǒng)、移動(dòng)通訊設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、軍用設(shè)備、空間商業(yè)設(shè)備和便攜式電子設(shè)備等的電源。
DMFC產(chǎn)生的電功率取決于在陽極和陰極中發(fā)生反應(yīng)的速率。更具體地說，在陽極，1克分子甲醇與1克分子水反應(yīng)，甲醇被氧化并產(chǎn)生二氧化碳和6個(gè)電子，如反應(yīng)式1所示。

由于在反應(yīng)式1示出的陽極反應(yīng)中，甲醇與水的理想配比為1∶1，反應(yīng)式1示出的陽極反應(yīng)需要以適合的比率恒定地供給反應(yīng)物。實(shí)際上，為了完全氧化甲醇，供應(yīng)的水比根據(jù)甲醇與水的理想配比(1∶1)的水量大。若甲醇未被完全氧化時(shí)，發(fā)生反應(yīng)式2或反應(yīng)式3所示出的反應(yīng)，并且發(fā)電效率降低。

供應(yīng)燃料到上述DMFC的方法包括主動(dòng)供應(yīng)方法(active supplyingmethod)和被動(dòng)(passive)供應(yīng)方法。主動(dòng)供應(yīng)方法需要在壓力下輸送燃料的外部供應(yīng)單元。從另一點(diǎn)來說，根據(jù)被動(dòng)供應(yīng)方法，自發(fā)地(voluntarily)供應(yīng)燃料而沒有設(shè)置這種壓力輸送裝置。
根據(jù)主動(dòng)供應(yīng)方法，供應(yīng)到陽極的反應(yīng)流體的濃度適于通過將純的甲醇或高濃度甲醇供應(yīng)到循環(huán)回路(recirculation loop)來維持，該循環(huán)回路收集陰極反應(yīng)產(chǎn)生的水并將收集的水供應(yīng)到陽極。主動(dòng)供應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)在于通過使用甲醇筒(cartridge)可提高整個(gè)系統(tǒng)的能量密度。另一方面，主動(dòng)供應(yīng)方法的缺點(diǎn)在于系統(tǒng)復(fù)雜，需要附加設(shè)備而導(dǎo)致尺寸增大，而且由于外部供應(yīng)設(shè)備消耗其工作能量而導(dǎo)致功率損耗。更具體地說，主動(dòng)供應(yīng)方法不適合由于裝置尺寸變小從而也要求電源尺寸變小的當(dāng)今趨勢。
從另一點(diǎn)來說，被動(dòng)供應(yīng)方法通過選擇適合的元件和適合的結(jié)構(gòu)可達(dá)到相同的目標(biāo)。被動(dòng)供應(yīng)方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)簡單。當(dāng)然，燃料筒含有水和甲醇，這將導(dǎo)致體積增加。
這個(gè)問題可以通過采用被動(dòng)供應(yīng)方法供應(yīng)陰極產(chǎn)生的水來解決，在美國專利2004-209136號中公開了上述方法。也就是說，在膜電極組件的陰極中形成疏水性微孔層，并將陰極中產(chǎn)生的水通過其流體靜壓輸送到陽極。
然而，在這種系統(tǒng)中，由多層形成的單元電池(unit cell)易被流體靜壓破壞。此外，美國專利2004-209136號沒有對穩(wěn)定地供應(yīng)和稀釋用作燃料的甲醇給出教導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種燃料電池系統(tǒng)，其由于系統(tǒng)效率高而具有高能量密度并且可以制備成小尺寸以適合作為小型緊湊的電源。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供的燃料電池系統(tǒng)包括包括陰極、質(zhì)子導(dǎo)電膜和陽極的膜電極組件；面向陽極的表面并含有陰極中產(chǎn)生的液相水和汽相燃料的緩沖溶液層；面向緩沖溶液層的表面的第一隔離層；和面向第一隔離層的表面的燃料存儲層。
緩沖溶液層可以確保通過混合陰極中產(chǎn)生的液相水和汽相燃料提供預(yù)定濃度的甲醇?？筛鶕?jù)需要的輸出功率控制甲醇的濃度。
緩沖溶液層可以與第一隔離層隔開。此外，第一隔離層可以與燃料存儲層隔開。
緩沖溶液層可以含有多孔介質(zhì)和均勻地分散在多孔介質(zhì)中的緩沖溶液。
多孔介質(zhì)的孔隙直徑分布可以是雙峰型。雙峰分布的第一峰位于1nm和10μm之間，而雙峰分布的第二峰位于10μm至10mm之間。
多孔介質(zhì)可以是親水性的。
第一隔離層的孔隙直徑可以為0.001μm至50μm。第一隔離層的厚度可以在1μm至500μm的范圍內(nèi)。此外，第一隔離層可以與緩沖溶液層隔開。
第一隔離層由可使汽相甲醇比水更快地通過的材料制成。甲醇相對于第一隔離層的擴(kuò)散系數(shù)至少是水相對于第一隔離層的擴(kuò)散系數(shù)的三倍。第一隔離層可以是包括具有不同孔隙率和孔隙尺寸或氣體滲透率的至少兩層的層壓體?？蓪⒏鲗訅簩痈糸_。
燃料可以是甲醇，甲醇的濃度可以在0.5至5M的范圍內(nèi)。


通過參照附圖對本發(fā)明示例性實(shí)施方式的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述和其它特征和優(yōu)點(diǎn)將更加清晰。附圖中圖1是本發(fā)明一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的重要元件的示意圖；圖2A至2C是形成于本發(fā)明一實(shí)施方式的多孔介質(zhì)中的通道結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3是形成于本發(fā)明一實(shí)施方式的多孔介質(zhì)中的凹-凸結(jié)構(gòu)的示意圖；
圖4是本發(fā)明一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的分解橫截面圖；圖5是本發(fā)明一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的橫截面圖；圖6是本發(fā)明另一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的橫截面圖；圖7是本發(fā)明另一實(shí)施方式的包括集流體的燃料電池系統(tǒng)的橫截面圖；圖8的曲線示出了實(shí)例1至3和比較例的燃料電池系統(tǒng)的性能測試結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照附圖更加全面地描述本發(fā)明。
本發(fā)明一實(shí)施方式的燃料供應(yīng)設(shè)備包括膜電極組件10、緩沖溶液層21、第一隔離層30和燃料存儲層41(參見圖1)。緩沖溶液層21面向膜電極組件10的陽極表面。第一隔離層30面向緩沖溶液層21的表面。燃料存儲層41面向第一隔離層30的表面。
燃料以液態(tài)存儲在燃料存儲層41中。當(dāng)燃料供應(yīng)設(shè)備工作時(shí)，液相燃料汽化并擴(kuò)散到第一隔離層30。燃料存儲層41可與第一隔離層30物理隔離，以防止液相燃料通過第一隔離層30流入緩沖溶液層21。
也就是說，存儲在燃料存儲層41中的液相燃料被轉(zhuǎn)換成汽相燃料，然后，汽相燃料通過第一隔離層30到達(dá)緩沖溶液層21。
當(dāng)液相燃料流入緩沖溶液層21時(shí)，燃料過多地供應(yīng)到緩沖溶液層21。因?yàn)楦邼舛热剂蠈?dǎo)致如催化劑迅速中毒和甲醇滲透之類的不期望的后果，這種過多的供應(yīng)是不期望的。
燃料存儲層41本身可以是具有自由表面的液相燃料，或者可以形成為使液相燃料均勻地分散在多孔介質(zhì)中。當(dāng)然，燃料存儲層41不限于此。若液相燃料均勻地分散在多孔介質(zhì)中時(shí)，無論整個(gè)系統(tǒng)的取向如何都可以穩(wěn)定地供應(yīng)燃料。
此外，燃料存儲層41可以容納在燃料筒40中以便于處置。在這種情況下，燃料筒40的上部面向第一隔離層30的表面，而且燃料筒40可以具有使被汽化的燃料通過的開口42。
此外，在燃料筒40和第一隔離層30之間還可以形成液體傳送介質(zhì)。該液體傳送介質(zhì)可以是任何允許液體比氣體更快通過的材料。該液體傳送介質(zhì)可以形成在薄隔膜(thin membrane)中以便使用。
燃料存儲層41可以含有例如泡沫材料之類的多孔介質(zhì)，以使得不管整個(gè)系統(tǒng)的取向如何都能穩(wěn)定地存儲液相燃料。在這種情況下，對燃料沒有限制，其可以是在陽極與水反應(yīng)產(chǎn)生電子和質(zhì)子的任何材料。燃料可以是氫、甲醇、乙醇、其它碳?xì)浠衔锊牧匣蜻@些材料的混合物、或這些材料的水溶液，但不局限于此。若本發(fā)明此實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)是直接甲醇燃料電池(DMFC)，燃料可以是純甲醇或高濃度甲醇水溶液。高濃度甲醇水溶液指的是濃度為5M或更高的甲醇水溶液。
第一隔離層30將汽相燃料輸送到緩沖溶液層21，并阻止緩沖溶液層21中的水流入燃料存儲層41中。對形成第一隔離層30的材料沒有限制，其可以是允許燃料比水更快通過的任何材料。形成第一隔離層30的材料可以是微孔元件。例如，甲醇相對于第一隔離層30的擴(kuò)散系數(shù)至少是水相對于第一隔離層30的擴(kuò)散系數(shù)的三倍。若甲醇相對于第一隔離層30的擴(kuò)散系數(shù)小于水相對于第一隔離層30的擴(kuò)散系數(shù)的三倍，甲醇相對水的選擇性不夠，于是水會(huì)流入燃料存儲層41中。
第一隔離層30可以是由Nafion 112、115或117或者Teflon制成的多孔層，但不限于此。
第一隔離層30的孔隙直徑可以在0.001μm至50μm的范圍內(nèi)。第一隔離層30的孔隙直徑分布可以是雙峰。例如，雙峰分布的第一峰可以位于0.001μm和0.05μm之間，雙峰分布的第二峰可以位于1μm和50μm之間。或者，第一隔離層30可以具有第一層和第二層的堆疊結(jié)構(gòu)，第一層具有0.001μm至0.05μm的平均孔隙尺寸，而第二層具有1μm至50μm的平均孔隙尺寸。
若第一隔離層30的孔的平均直徑小于0.001μm，燃料很難通過第一隔離層30。若第一隔離層30的孔的平均直徑大于50μm，高濃度的燃料快速擴(kuò)散，從而降低了電極的效率，而且水容易流入燃料存儲層41中。這樣就很難將緩沖溶液層21中的燃料濃度維持在低水平。
第一隔離層30的厚度可以在1至500μm的范圍內(nèi)。若第一隔離層30的厚度小于1μm，第一隔離層30容易斷裂，因此需要對其謹(jǐn)慎處置。若第一隔離層30的厚度大于500μm，較難輸送燃料，從而降低了燃料電池系統(tǒng)的性能。
如上所述，第一隔離層30可與緩沖溶液層21隔開。當(dāng)?shù)谝桓綦x層30與緩沖溶液層21隔開時(shí)，可以防止緩沖溶液層21中含有的液相水通過第一隔離層30輸送到燃料存儲層41中。當(dāng)液相水到達(dá)燃料存儲層41時(shí)，燃料的濃度降低，于是，打破了燃料供應(yīng)的平衡，因此，整個(gè)系統(tǒng)可能變得不穩(wěn)定。
通常，在供應(yīng)到膜電極組件之前對用作DMFC的燃料的甲醇進(jìn)行稀釋。當(dāng)供應(yīng)高濃度甲醇時(shí)，由于缺少可防止電極上的催化劑吸收甲醇氧化時(shí)產(chǎn)生的CO的水，導(dǎo)致催化劑很快中毒。此外，當(dāng)供應(yīng)高濃度甲醇時(shí)，未反應(yīng)的甲醇穿過膜電極組件的隔膜，致使整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的效率降低并使陰極的催化劑中毒。
為了供應(yīng)根據(jù)上述原因需要的低濃度的燃料水溶液，形成了緩沖溶液層21。緩沖溶液層21將通過第一隔離層30輸送的汽相燃料轉(zhuǎn)換成液相，以制備低濃度的燃料混合物。
通過使進(jìn)入緩沖溶液層21中的汽相燃料與緩沖溶液層21的液體表面擴(kuò)散碰撞，使得汽相燃料轉(zhuǎn)換成液相燃料。也就是說，緩沖溶液層21可以含有汽相燃料和陰極中產(chǎn)生的液相水。
當(dāng)啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)時(shí)，緩沖溶液層21可以是純水或低濃度的燃料混合物。然而，在這種情況下，燃料擴(kuò)散到膜電極組件10需要較長的時(shí)間。結(jié)果，在啟動(dòng)操作期間，可使用低濃度的燃料混合物而不是純水。
緩沖溶液層21本身可以是具有自由表面的液體，或者可以形成為均勻分散在多孔介質(zhì)中的液態(tài)燃料水溶液。當(dāng)然，緩沖溶液層21不局限于此。如果液相燃料溶液均勻分散在多孔介質(zhì)中，不管整個(gè)系統(tǒng)的取向如何都可以穩(wěn)定地供應(yīng)燃料。
此外，緩沖溶液層21可以容納在緩沖溶液筒20中以便于處置。在這種情況下，緩沖溶液筒20的上部可以完全敞開，使得容納的緩沖溶液層21與陽極表面充分接觸，緩沖溶液筒20的下部可以具有開口22，使得已經(jīng)通過第一隔離層30的燃料順暢地輸送到緩沖溶液層21。此外，緩沖溶液筒20可以具有CO2排氣孔23，致使可順暢地排出在陽極上發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的CO2。
多孔介質(zhì)可以是親水性的。因?yàn)榫彌_溶液層21既作為燃料供應(yīng)體又作為CO2排氣孔23，多孔介質(zhì)的孔徑分布可以是寬闊型(broad)或雙峰型。
也就是說，盡管由于大的毛細(xì)壓力優(yōu)選小孔供應(yīng)燃料水溶液，但是很難通過均勻分布的小孔排出CO2。也就是說，由于小孔具有的毛細(xì)壓力高，因此主要通過小孔供應(yīng)燃料水溶液，由于大孔具有比小孔低的毛細(xì)壓力，通過大孔排出CO2?？紤]到小孔和大孔的這些性質(zhì)，雙峰分布的第一峰位于1nm和10μm之間，而雙峰分布的第二峰位于10μm和10mm之間。
多孔介質(zhì)可以是無機(jī)氧化物材料、聚合物材料、及其組合物(compound)之一。
無機(jī)氧化物材料可以是二氧化硅(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、二氧化鈦(TiO2)、氧化鋯(ZrO2)、及其組合物之一，但不限于此。
聚合物材料可以是含有羥基、羧基、胺基或磺基的聚合樹脂；以聚乙烯醇為基的聚合樹脂；以纖維素為基的聚合樹脂；以聚乙烯胺為基的聚合樹脂；以聚環(huán)氧乙烷為基的聚合樹脂；以聚乙二醇為基的聚合樹脂；以尼龍為基的聚合樹脂；以聚丙烯酸酯為基的聚合樹脂；以聚酯為基的聚合樹脂；以聚乙烯基吡咯烷酮為基的聚合樹脂；以乙烯乙酸乙烯酯為基的聚合樹脂；以聚乙烯為基的聚合樹脂；以聚苯乙烯為基的聚合樹脂；以氟樹脂為基的聚合樹脂(flurine-based polymer resin)；以聚丙烯為基的聚合樹脂；以聚甲基丙烯酸甲酯為基的聚合樹脂；以聚酰亞胺為基的聚合樹脂；以聚酰胺為基的聚合樹脂；以聚對苯二甲酸乙二醇酯為基的聚合樹脂；及其組合物之一，但不限于此。
多孔介質(zhì)的孔隙可具有的平均直徑為0.01至10μm。若平均直徑小于0.01μm，甲醇不能充分?jǐn)U散，因而可導(dǎo)致燃料電池性能惡化。若平均直徑大于10μm，甲醇的供應(yīng)和消耗之間不能維持平衡。
通過將甲醇的遷移率調(diào)節(jié)到0.8×10-6g/cm2·sec至4×10-6g/cm2·sec可對多孔介質(zhì)的孔隙率和曲率進(jìn)行調(diào)節(jié)。此處，曲率表示孔隙中的彎曲或扭曲程度，可通過兩隨機(jī)點(diǎn)之間分子運(yùn)動(dòng)的實(shí)際距離除以該兩點(diǎn)之間的直線距離計(jì)算曲率。也就是說，若曲率為一，孔是直的，曲率越大，孔越彎曲。
所述多孔介質(zhì)的厚度為0.01mm至10mm。若厚度小于0.01mm，由于多孔介質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度低，不容易對多孔介質(zhì)進(jìn)行處置。若厚度大于10mm，燃料電池系統(tǒng)的體積太大。
多孔介質(zhì)具有處于與陽極的所述表面接觸的表面中的CO2排出通道。根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的尺寸，通道可以具有各種形狀和結(jié)構(gòu)，而對它們沒有具體限制。例如，通道可以具有如圖2A至2C所示的形狀，當(dāng)然并不限于此。
此外，多孔介質(zhì)可以具有處于與第一隔離層的所述表面接觸的表面中的花紋。所述花紋可擴(kuò)大使來自緩沖溶液層的燃料流過的有效表面積，并縮短供給燃料的路徑?；y可以具有其中在多孔介質(zhì)的表面上形成有島狀物的結(jié)構(gòu)或其中部分地形成有凹進(jìn)部分的凹-凸結(jié)構(gòu)。例如，花紋可以具有圖3所示的形狀，當(dāng)然并不限于此。
下面將描述緩沖溶液層21的工作原理。
當(dāng)緩沖溶液層21中的甲醇濃度較低時(shí)，通過第一隔離層30供應(yīng)到緩沖溶液層21的甲醇量比從緩沖溶液層21輸送到膜電極組件10的甲醇量大。結(jié)果，緩沖溶液層21中的甲醇濃度增高。從另一點(diǎn)來說，當(dāng)緩沖溶液層21中的甲醇濃度高時(shí)，由于膜電極組件10的活性反應(yīng)，從緩沖溶液層21輸送到膜電極組件10的甲醇量大于通過第一隔離層30供應(yīng)到緩沖溶液層21的甲醇量。結(jié)果，緩沖溶液層21中的甲醇濃度降低。通過上述的這種自身調(diào)節(jié)(self regulation)，緩沖溶液層21中的甲醇濃度維持在穩(wěn)定狀態(tài)。即，使陰極產(chǎn)生的液相水和汽相燃料混合，致使甲醇具有預(yù)定濃度。
在低濃度燃料溶液中，燃料的濃度可以處于正常狀態(tài)下的0.5至5.0M的范圍。若燃料的濃度小于0.5M，膜電極組件10需要花費(fèi)很長的時(shí)間通過上述自身調(diào)節(jié)來產(chǎn)生預(yù)定水平或更多的電能。若燃料的濃度大于5.0M，燃料電池系統(tǒng)的性能降低。也就是說，這種高濃度燃料帶來了如催化劑迅速中毒和甲醇滲透之類的不期望的影響。
燃料電池最初工作時(shí)可以僅使用供應(yīng)到緩沖溶液層21的水。然而，為了在緩沖溶液層21中維持恒定的甲醇濃度，供應(yīng)到緩沖溶液層21的水與在陽極發(fā)生的反應(yīng)中消耗的水量一樣多。對將水供應(yīng)到緩沖溶液層21的方法沒有限制，可以采用本領(lǐng)域公知的任何常規(guī)方法。例如，收集在陰極產(chǎn)生的水并通過設(shè)置在電極外側(cè)的水循環(huán)通道將其循環(huán)到緩沖溶液層21?；蛘?，在陰極形成疏水性膜并借助于積聚在陰極中的陰極所生成的水產(chǎn)生的流體靜壓力使陰極中生成的水通過電解質(zhì)膜朝陽極擴(kuò)散。
通過上述方法，可以控制緩沖溶液層21中的燃料。更具體地說，可以用陰極中產(chǎn)生的液相水將甲醇的濃度調(diào)節(jié)到預(yù)定水平。此外，可根據(jù)輸出功率和外部負(fù)載電路的要求通過控制水量調(diào)節(jié)燃料的濃度。
通過毛細(xì)壓力將緩沖溶液層21中的燃料水溶液輸送到與緩沖溶液層21緊密接觸的膜電極組件10的陽極。為了便于均勻地供應(yīng)燃料，還可以在緩沖溶液層21和陽極之間形成液體傳送介質(zhì)。液體傳送介質(zhì)可以是允許液體比氣體更快通過的任何介質(zhì)，但不限于此?？蓪⒁后w傳送介質(zhì)形成在薄隔膜中。
膜電極組件10包括陰極、陽極和設(shè)置在它們之間的質(zhì)子導(dǎo)電膜。對質(zhì)子導(dǎo)電膜和電極(陰極和陽極)的材料、形狀和制備方法都沒有限制，可以使用本領(lǐng)域公知的任何方法。已經(jīng)從緩沖溶液層21輸送的燃料水溶液與陽極的催化劑接觸并通過反應(yīng)式1示出的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。
下面將參照圖4和5描述本發(fā)明一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)。為了迅速、清楚地理解，夸大了圖1至7中示出的燃料電池系統(tǒng)的尺寸。
參照圖4，可將燃料存儲層41放置在燃料筒40中。
參照圖5，燃料筒40可以具有在其上部的上蓋43，以將燃料存儲層41與第一隔離層30隔開。上蓋43可以具有開口42，以允許輸送被汽化的燃料。具有開口42的上蓋43可以是具有開口或網(wǎng)孔的平板，該平板基本上將燃料存儲層41與第一隔離層30物理隔開。當(dāng)然，上蓋43可以具有將被汽化的燃料輸送到第一隔離層30的任何結(jié)構(gòu)，而不限于此。
第一隔離層30可以接觸并被附著到形成有開口42的燃料筒40的上蓋上。緩沖溶液筒20可以接觸并被附著到與燃料筒40接觸的第一隔離層30的上表面上。
此外，如圖4所示，緩沖溶液筒20可容納緩沖溶液層21。緩沖溶液筒20的下部可將緩沖溶液層21和第一隔離層30隔開。在這種情況下，緩沖溶液筒20的下部可以具有開口22，以輸送已經(jīng)通過第一隔離層30的燃料。具有開口22的緩沖溶液筒20的下部可以是具有孔或網(wǎng)孔的平板，該平板基本上將緩沖溶液層21與第一隔離層30物理隔開。緩沖溶液筒20的下部可具有使得已通過第一隔離層30的燃料可移動(dòng)到緩沖溶液層21的任何結(jié)構(gòu)，而不限于此。
如圖5所示，緩沖溶液層21可以面向膜電極組件10，具體地說，面向膜電極組件10的陽極。膜電極組件10的陰極可以采用具有空氣供應(yīng)口的平板進(jìn)行保護(hù)。
可以采用適合的結(jié)合手段將上述組合的各層結(jié)合在一起。
下面將參照圖6描述本發(fā)明的另一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)。
燃料筒40和第一隔離層30可以與前述實(shí)施方式中的相同。但在燃料筒40和第一隔離層30之間還可形成第二隔離層50。第二隔離層50保持第一隔離層30的形狀，并與第一隔離層30一起控制燃料供應(yīng)的速率。
對形成第二隔離層50的材料沒有限制，其可具有直徑為1μm至10μm的孔。若第二隔離層50的平均孔徑小于1μm，被汽化的燃料很難通過第二隔離層50。另一方面，若第二隔離層50的平均孔徑大于10μm，可能很難控制燃料的供應(yīng)速率。
緩沖溶液筒20可以與前述實(shí)施方式中的相同，而且可以附加包括CO2排氣孔23。
可將CO2排氣孔23形成在緩沖溶液筒20的側(cè)部，如果需要，可以形成多個(gè)CO2排氣孔23。CO2排氣孔23可以只形成在一側(cè)部上或者形成在多個(gè)側(cè)部上?？蓪O2排氣孔23的直徑形成為能使氣相CO2通過而液相緩沖溶液不泄漏。CO2排氣孔23可以具有0.01至0.5mm的直徑。直徑小于0.01mm的CO2排氣孔23很難制備。若CO2排氣孔23的直徑大于0.5mm時(shí)，液相緩沖溶液可能泄漏。
在本發(fā)明此實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)中，可在不與常規(guī)結(jié)構(gòu)的質(zhì)子導(dǎo)電膜接觸的各電極的表面上形成集流體?；蛘邊⒄帐境隽吮景l(fā)明另一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的圖7，可將集流體12a和12b分別設(shè)置在質(zhì)子導(dǎo)電膜11和陰極14之間以及質(zhì)子導(dǎo)電膜11和陽極13之間。集流體12a和12b收集電極中產(chǎn)生的電流并將收集到的電流輸送到外電路。對形成集流體的材料沒有限制，它可以是傳導(dǎo)電流并抗腐蝕的任何材料。
可將集流體12a和12b設(shè)置在質(zhì)子導(dǎo)電膜和電極之間，因?yàn)橛捎诜磻?yīng)物的濃度大，產(chǎn)生電流的最活躍的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生于質(zhì)子導(dǎo)電膜11和電極之間，于是，可以最有效地收集產(chǎn)生的電流。
此外，可以預(yù)先利用多孔介質(zhì)使高濃度甲醇以液相形式擴(kuò)散到燃料存儲層41和第二隔離層50中。
采用被動(dòng)供應(yīng)方法向本發(fā)明此實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)供應(yīng)燃料，因此，該系統(tǒng)小巧且沒有不必要的電能消耗。結(jié)果，整個(gè)系統(tǒng)的效率高。此外，使用純?nèi)剂匣蚋邼舛热剂纤芤海沟谜麄€(gè)系統(tǒng)的能量密度高。所以，燃料電池可以作為小型、緊湊的供電電源。再者，以汽態(tài)形式提供液相燃料，因此，不管整個(gè)系統(tǒng)的取向如何都可以供應(yīng)燃料。因此，本燃料電池系統(tǒng)可以用于便攜式電源中。
下面參照實(shí)例更詳細(xì)地描述本發(fā)明。這些實(shí)例僅是示意性的，而不是對本發(fā)明范圍的限制。
實(shí)例1將均勻分散純甲醇的多孔泡沫放置在燃料筒中，所得到的燃料筒由上蓋密封。在這種情況下，用Foamex作為多孔泡沫，并將具有0.8mm寬的線性開口的丙烯板用作上蓋。
然后，將具有200nm直徑的孔隙的第二隔離板放置在密封的燃料筒上，隨后將由Nafion 117形成的第一隔離層放置在其上。
接下來，將含有緩沖溶液的緩沖溶液筒放置在第一隔離層上。在這種情況下，將1M甲醇水溶液用作緩沖溶液，并使緩沖溶液均勻地分散在碳布上。將所得到的碳布放置在緩沖溶液筒中。將四個(gè)0.4mm直徑的CO2排氣孔分別形成在緩沖溶液筒的四個(gè)側(cè)部中。此外，在緩沖溶液筒的下部形成0.8mm寬的線性開口以使被汽化的燃料能夠通過。
將采用本領(lǐng)域公知的常規(guī)方法制備的膜電極組件放置在燃料筒、第二隔離層/第一隔離層和上述制備的緩沖溶液筒的多層堆疊體上。膜電極組件的質(zhì)子導(dǎo)電膜由Nafion 117形成，用Pt/Ru合金催化劑作為陽極催化劑，用Pt/Al合金催化劑作為陰極催化劑。
用具有5mm直徑的圓形開口的丙烯板覆蓋在上方沉積的膜電極組件，以保護(hù)膜電極組件并順暢地供應(yīng)空氣。
測量按以上方式制備的燃料電池的電功率密度與時(shí)間的關(guān)系，其結(jié)果示于圖8中。
實(shí)例2除了使用3M甲醇水溶液作為緩沖溶液外，以與實(shí)例1相同的方法制備燃料電池。
測量按以上方式制備的燃料電池的電功率密度與時(shí)間的關(guān)系，其結(jié)果示于圖8中。
實(shí)例3除了使用通過層壓Nafion 112和45μm厚的具有5500g/m2/24hr的氣體滲透率的Teflon多孔層形成的層壓體作為第一隔離層外，以與實(shí)例1相同的方法制備燃料電池。
測量按以上方式制備的燃料電池的電功率密度與時(shí)間的關(guān)系，其結(jié)果示于圖8中。
對比例制備燃料電池系統(tǒng)，使實(shí)例1中使用的膜電極組件的陽極直接接觸甲醇水溶液。
首先，使膜電極組件的陽極取向朝上，用具有5mm直徑的圓形開口的丙烯板覆蓋陰極，以保護(hù)膜電極組件并順暢地供應(yīng)空氣。然后，使含有3M甲醇水溶液的燃料筒直接接觸陽極的上部，致使將甲醇水溶液直接供應(yīng)到陽極。在這種情況下，燃料筒沒有上蓋。
測量按以上方式制備的燃料電池的電功率密度和時(shí)間的關(guān)系，其結(jié)果示于圖8中。
參照圖8，在初始工作過程中，按對比例制備的燃料電池呈現(xiàn)出比按實(shí)例1至3制備的燃料電池高的電功率密度。但是，按對比例制備的燃料電池的電功率密度隨著時(shí)間顯著降低。例如，當(dāng)燃料電池工作1小時(shí)或少于1小時(shí)時(shí)，該燃料電池的電功率密度顯著降低。
也就是說，在最初的工作過程中，順利地供應(yīng)高濃度甲醇，使得反應(yīng)能快速進(jìn)行。據(jù)此，隨著膜電極組件的溫度提高，電功率密度也增加。然而，由于膜電極組件中毒，燃料電池的電功率密度突然降低，由于甲醇的滲透，陽極反應(yīng)所需的水濃度降低，致使效率降低。
從另一角度來看，盡管在最初的工作過程中按實(shí)例1至3制備的燃料電池比按對比例制備的燃料電池的電功率密度低，但它們在長時(shí)間使用中具有恒定的電功率密度。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，膜電極組件的溫度隨著反應(yīng)的進(jìn)行而提高，反應(yīng)速度增加，電功率密度也增加。之后，由于放熱反應(yīng)產(chǎn)生的熱量與相對于周圍環(huán)境的冷卻速率平衡，自身調(diào)節(jié)了甲醇的供應(yīng)。結(jié)果，可獲得恒定的電功率密度。
盡管已參照本發(fā)明的示例性實(shí)施方式具體示出并描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解在不超出由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的構(gòu)思和范圍的前提下，可對本發(fā)明的形式和細(xì)節(jié)作出各種變換。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括包括陰極、質(zhì)子導(dǎo)電膜和陽極的膜電極組件；面向所述陽極的表面并含有所述陰極中產(chǎn)生的液相水和汽相燃料的緩沖溶液層；面向所述緩沖溶液層的表面的第一隔離層；及面向所述第一隔離層的表面的燃料存儲層。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述緩沖溶液層中含有的燃料濃度是可控制的。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，根據(jù)需要的電功率控制所述緩沖溶液層中含有的液相水量。
4.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述緩沖溶液層與所述第一隔離層隔開。
5.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述第一隔離層與所述燃料存儲層隔開。
6.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述緩沖溶液層含有多孔介質(zhì)和均勻分布在所述多孔介質(zhì)中的緩沖溶液。
7.如權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述多孔介質(zhì)的孔的直徑分布是雙峰型的。
8.如權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述雙峰分布的第一峰位于1nm和10μm之間，所述雙峰分布的第二峰位于10μm和10mm之間。
9.如權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述多孔介質(zhì)是親水性的。
10.如權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述多孔介質(zhì)選自由無機(jī)氧化物材料、聚合物材料、及其組合物組成的組中的材料。
11.如權(quán)利要求10所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述無機(jī)氧化物材料選自由二氧化硅(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、二氧化鈦(TiO2)、氧化鋯(ZrO2)、及其組合物組成的組中的材料。
12.如權(quán)利要求10所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述聚合物材料選自由含有羥基、羧基、胺基或磺基的聚合樹脂；以聚乙烯醇為基的聚合樹脂；以纖維素為基的聚合樹脂；以聚乙烯胺為基的聚合樹脂；以聚環(huán)氧乙烷為基的聚合樹脂；以聚乙二醇為基的聚合樹脂；以尼龍為基的聚合樹脂；以聚丙烯酸酯為基的聚合樹脂；以聚酯為基的聚合樹脂；以聚乙烯基吡咯烷酮為基的聚合樹脂；以乙烯乙酸乙烯酯為基的聚合樹脂；以聚乙烯為基的聚合樹脂；以聚苯乙烯為基的聚合樹脂；以氟樹脂為基的聚合樹脂；以聚丙烯為基的聚合樹脂；以聚甲基丙烯酸甲酯為基的聚合樹脂；以聚酰亞胺為基的聚合樹脂；以聚酰胺為基的聚合樹脂；以聚對苯二甲酸乙二醇酯為基的聚合樹脂；及其組合物組成的組中的材料。
13.如權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述多孔介質(zhì)孔隙的平均直徑為0.01μm至10μm。
14.如權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，通過將甲醇的遷移率調(diào)節(jié)到0.8×10-6g/cm2·sec至4×10-6g/cm2·sec調(diào)整所述多孔介質(zhì)的孔隙率和曲率。
15.如權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述多孔介質(zhì)的厚度為0.01mm至10mm。
16.如權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述多孔介質(zhì)具有處于與所述陽極的所述表面接觸的表面中的CO2排出通道。
17.如權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述多孔介質(zhì)具有處于與所述第一隔離層的所述表面接觸的表面中的花紋。
18.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述緩沖溶液層被容納在緩沖溶液筒中；所述緩沖溶液筒的上部完全敞開，使整個(gè)緩沖溶液層與所述陽極的所述表面接觸；及所述緩沖溶液筒的下部面向所述第一隔離層的所述表面。
19.如權(quán)利要求18所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，還包括設(shè)置在所述緩沖溶液層和陽極之間的液體傳送介質(zhì)。
20.如權(quán)利要求18所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述緩沖溶液筒具有CO2排氣孔。
21.如權(quán)利要求18所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，在所述緩沖溶液筒的下部中形成有開口。
22.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述第一隔離層的孔的直徑為0.001μm至50μm。
23.如權(quán)利要求22所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述第一隔離層的孔的直徑分布呈雙峰型，該雙峰分布的第一峰位于0.001μm和0.05μm之間，該雙峰分布的第二峰位于1μm和50μm之間。
24.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述第一隔離層的厚度在1至500μm的范圍內(nèi)。
25.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述第一隔離層使甲醇比水更快地通過，使氣體比液體更快地通過。
26.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，甲醇相對于所述第一隔離層的擴(kuò)散系數(shù)至少是水相對于所述第一隔離層的擴(kuò)散系數(shù)的三倍。
27.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述第一隔離層是包括具有不同孔隙率和氣體滲透率的至少兩層的層壓體。
28.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料存儲層包括多孔介質(zhì)和均勻分散在所述多孔介質(zhì)中的燃料。
29.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料存儲層被容納在面向所述第一隔離層的表面的燃料筒中。
30.如權(quán)利要求29所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，還包括設(shè)置在所述燃料筒和第一隔離層之間的液體傳送介質(zhì)。
31.如權(quán)利要求29所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料筒具有處于與所述第一隔離層的所述表面接觸的表面中的開口。
32.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，還包括設(shè)置在所述第一隔離層和燃料存儲層之間的第二隔離層。
33.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料是甲醇。
34.如權(quán)利要求33所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，在所述緩沖溶液層中的甲醇濃度在0.5至5M的范圍內(nèi)。
35.如權(quán)利要求33所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，在所述燃料存儲層中含有的燃料是純甲醇或濃度為5M或更高的高濃度甲醇。
36.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，在所述陰極和質(zhì)子導(dǎo)電膜之間形成有陰極集流體，在所述陽極和質(zhì)子導(dǎo)電膜之間形成有陽極集流體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃料電池系統(tǒng)。更明確地說，在該燃料電池系統(tǒng)中，第一隔離層和緩沖溶液層被設(shè)置在液相燃料存儲層和膜電極組件的陽極之間。結(jié)果，汽相燃料選擇性地通過第一隔離層被輸送到緩沖溶液層。稀釋高濃度燃料以制備處于緩沖溶液層中的低濃度的液相燃料并將低濃度液相燃料供應(yīng)到膜電極組件。采用被動(dòng)供應(yīng)方法向燃料電池系統(tǒng)供應(yīng)燃料，致使系統(tǒng)小型化且沒有不必要的電能消耗，而且整個(gè)系統(tǒng)的效率提高。此外，使純?nèi)剂匣蚋邼舛热剂纤芤合♂屢灾苽涞蜐舛热剂先芤?。結(jié)果，整個(gè)系統(tǒng)的能量密度高，這種燃料電池可以作為小型且緊湊的電源。若將本燃料電池系統(tǒng)用作便攜式電源時(shí)，不管燃料電池系統(tǒng)的取向如何其都可工作。
文檔編號H01M8/04GK1870339SQ20061008456
公開日2006年11月29日 申請日期2006年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月25日
發(fā)明者金惠慶, 吳柾旻, 李在鏞, 張赫 申請人:三星Sdi株式會(huì)社