專利名稱：具有水再循環(huán)板的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池，更明確地說，涉及一種具有板的燃料電池， 該板通過使陰極產(chǎn)生的水蒸汽冷凝向陰極供給水。
背景技術(shù)：
燃料電池包括直接曱醇燃料電池(DMFC)和聚合物電解質(zhì)燃料電池 (PEMFC)。盡管DMFC的輸出密度比PEMFC低，但由于其供給燃料方便 且輸出密度高于蓄電池，因此它可以取代蓄電池，這已廣為人知。常用的 DMFC的堆疊體是雙極型，但取代用于PDAs(個人數(shù)字助理)、移動電話和 膝上型電腦的蓄電池組(batteries)的堆疊體通常為單極型。
曾介紹過多種單極類型的DMFCs。迄今為止，被介紹過的單極型DMFC (下文稱為傳統(tǒng)的DMFC)中，平板型(plannar)具有整個表面暴露于外側(cè) 的陰極。因此，不可避免的是從陰極產(chǎn)生的大量的水蒸汽流失于外側(cè)。因此， 對于傳統(tǒng)的DMFC而言，很難提高輸出功率密度。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述和/或其他問題，本發(fā)明的目的是提供一種平板型燃料電 池，該平板型燃料電池通過冷凝由陰極蒸發(fā)的水和重新利用所述冷凝水使水 的損失最小，且能提高輸出功率密度。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種平板型燃料電池，其包括膜電極組件和 板，所述膜電極組件包括電解質(zhì)薄膜和電極，所述板附著于膜電極組件的陰 極上，通過使陰極產(chǎn)生的水蒸汽冷凝而向陰極供水，而且該板具有不吸水的 特性。
在所述板上設(shè)置可收集和冷凝由陰極產(chǎn)生的水蒸汽的空間。 所述板可包括多個尖端與膜電極組件接觸的突起，突起周圍的板與膜電 極組件分離。
可將突起安排成棋盤式布局。
所述突起可為圓錐形、多邊錐形、或柱形。
在所述突起的表面上沿從每一突起的底部向其頂部的方向形成褶皺或 凹槽。
可在所述板上以棋盤式布局形成多個與膜電極組件不接觸的結(jié)構(gòu)。 可使所述突起位于每一所述結(jié)構(gòu)周圍。 借助于所述突起和結(jié)構(gòu)在板上形成多道溝槽。 可將褶皺形成于板的外表面上。 可將褶皺形成于板的全部或部分外表面上。
可在板的外表面的與每一突起相應(yīng)的位置處形成與每一突起形狀相同 的凹沖曹。
所述結(jié)構(gòu)可具有面向膜電極組件的圓形或多邊形表面。 所述結(jié)構(gòu)可為圓錐形或多邊錐形。
通過使用本發(fā)明的燃料電池，來自陰極的水的損失量可達(dá)最少，且可將 水從所述板供到陰極。因此，可提高輸出功率密度，且薄膜的水合狀況可連
續(xù)地保持在適合氫離子(H+)遷移的狀態(tài)。同時，由于板結(jié)構(gòu)簡單，使燃料 電池的制造更簡便。


通過結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述和 其他特征和優(yōu)點(diǎn)將更加清晰。附圖中
圖1為本發(fā)明 一實(shí)施方式的具有通過使陰極產(chǎn)生的水蒸汽冷凝而向陰極 供水的板的燃料電池的透視圖2的透視圖示出了與圖1所示的板的陰極相反的面；
圖3為圖2所示的板的部分的放大圖4為沿圖3中線4-4，剖切的橫截面圖5為沿圖3中線5-5，剖切的橫截面圖6和7的橫截面圖示出了在圖1所示的板的表面上形成的褶皺； 圖8的橫截面圖示出了圖1所示的燃料電池中的在板上將從陰極產(chǎn)生的 水蒸汽變成水并將水供到陰極的過程；
圖9的曲線示出了通過本發(fā)明的試驗(yàn)測得的功率密度-工作時間特性； 圖10的曲線示出了通過本發(fā)明的試驗(yàn)測得的電壓和功率-電流特性。
具體實(shí)施例方式
下文將參考附圖對本發(fā)明一實(shí)施方式的具有水再循環(huán)板的燃料電池進(jìn) 行詳細(xì)描述。為清楚起見，在這些附圖中夸大了層的厚度和區(qū)域。
參考圖1，本發(fā)明一實(shí)施方式的燃料電池包括MEA (膜電極組件)Al 和附著在MEA Al上表面的板40，膜電極組件具有為電解質(zhì)薄膜的膜和電 極，板40使由MEA Al的陰極產(chǎn)生的水蒸汽冷凝并將水供給陰極。因此， 板40優(yōu)選具有非吸收特性，因此其不吸水。MEA Al可具有多種結(jié)構(gòu)。例 如，如示出了 MEAA1的部分區(qū)域al的結(jié)構(gòu)的圖1的放大部分A所示，MEA Al包括順序設(shè)置的陽極IO、第一集流體12、膜(電解質(zhì)薄膜)14、第二集 流體16、以及陰極18。 MEAA1也可包括第一擴(kuò)散層20、第一集流體22、 陽極24、膜26、陰極128、第二集流體30、以及第二擴(kuò)散層32,它們?nèi)鐖D 1的放大部分B所示出的那樣順序地設(shè)置。從MEAA1的這些結(jié)構(gòu)可以看出， 板40附著于陰極18或第二擴(kuò)散層32上。
在圖1中，板40帶有外表面Sl和面向MEA Al的陰極的內(nèi)表面S2。 板40的內(nèi)表面S2具有如圖2所示的棋盤式布局的多個突起40a。每個突起 40a的尖銳的尖端與MEA Al接觸。由于突起40a，在MEAAl和突起40a 周圍的板40的其他部分之間存在空間，空氣可通過該空間流向陰極。雖然 圖示的突起40a為圓錐形，但也可采用如長方錐形、三角錐形、或五邊錐形 之類的其他多邊錐形。此外，突起40a也可為柱形，例如，為如圓柱形、三 角柱形或長方柱形之類的多邊柱形。在突起40a上沿長度方向可以設(shè)有褶皺 或凹槽(未示出)。也就是說，沿從每一突起40a的底部向其頂部的方向形 成褶鈹或凹槽。
在板40的面向MEAA1的內(nèi)表面S2上和突起40a—道還設(shè)有多個結(jié)構(gòu) 40b。結(jié)構(gòu)40b呈類似于突起40a的棋盤式布局。雖然圖示的每一結(jié)構(gòu)40b 為長方形，結(jié)構(gòu)40b也可為如圓形或三角形、或與突起40a相同的形狀之類 的其他形狀。每個突起40a被四個結(jié)構(gòu)40b包圍而每一結(jié)構(gòu)40b被多個突起 40a包圍，例如，凈皮四個突起包圍。
突起40a被用作如上所述的分隔單元并被用作使形成于板40上的水滴 流過而流向MEA Al的通路。水滴沿突起40a的表面向MEA Al的陰極18 或第二擴(kuò)散層32流動。多道溝槽40c被形成于板40上并用作收集由MEA A1
的陰極18或第二擴(kuò)散層32蒸發(fā)的水蒸汽的空間。若板40上未設(shè)置結(jié)構(gòu)40b， 可將水蒸汽收集于突起40a之間的所有空間內(nèi)。被收集于每一溝槽40c內(nèi)的 水蒸汽在接觸板40的同時被冷凝。結(jié)果，水滴被形成于突起40a的表面上 并沿突起40a的所述表面供到MEA Al的陰極18或第二擴(kuò)散層32。水滴被 形成在結(jié)構(gòu)40b的側(cè)表面上。形成于結(jié)構(gòu)40b的側(cè)表面上的水滴沿結(jié)構(gòu)40b 的側(cè)表面向突起40a流動，然后沿突起40a的所述表面向MEAA1的陰極18 或第二擴(kuò)散層32流動。如圖2所示，每一溝槽40c是由兩相鄰的突起40a 和兩相鄰的結(jié)構(gòu)40b構(gòu)成的區(qū)域。
圖3為圖2所示的板的部分的放大圖。圖4為沿圖3中線4-4，剖切的橫 截面圖。圖5為沿圖3中線5-5，剖切的橫截面圖。參考圖3到5，可看出突 起40a、結(jié)構(gòu)40b和溝槽40c的形狀的細(xì)節(jié)。
參考圖4,突起40a朝向MEAA1的陰極18或第二擴(kuò)散層32地形成于 板40上。參考圖5,結(jié)構(gòu)40b低于突起40a。于是，結(jié)構(gòu)40b不與MEAA1 的陰極18或第二擴(kuò)散層32接觸。據(jù)此，水蒸汽可流過結(jié)構(gòu)40b和MEAAl 的陰極18或第二擴(kuò)散層32之間的空間。結(jié)構(gòu)40b可具有與突起40a相同的 形狀，例如，當(dāng)突起40a為如該圖所示的圓錐形時，結(jié)構(gòu)40b可為圓錐形。 此外，如果去除結(jié)構(gòu)40b時用于由水蒸汽冷凝成的水滴流向MEAA1的陰極 18或第二擴(kuò)散層32的時間不長于具有結(jié)構(gòu)40b時的時間，可去除結(jié)構(gòu)40b。
為了減少迅速冷凝收集在溝槽40c內(nèi)的水蒸汽以在突起40a的表面上形 成水滴的時間，需降低與水蒸汽接觸的板40、突起40a、以及結(jié)構(gòu)40b的溫 度，以散發(fā)板40外側(cè)的水蒸汽的熱量。因此，為了降低板40、突起40a以 及結(jié)構(gòu)40b的溫度，有利的是使與外側(cè)空氣接觸的板40的外表面Sl的表面 面積盡可能大。因此，可將圖4所示的板40的外表面Sl處理成不平，如圖 6所示。此外，如圖7所示，可將凹槽50形成在板40的外表面Sl的形成 突起40a的部位處。凹槽50的形狀可與突起40a的形狀一致。例如，當(dāng)突 起40a為圓錐形時，凹槽50也可為圓錐形。
如上所述，由于通過改變平的板40的外表面Sl可使與空氣接觸的外表 面Sl的面積增加，可降低冷凝收集在溝槽40c內(nèi)的水蒸汽而形成水滴的時 間。這意味著可縮短陰極18或第二擴(kuò)散層32和板40上水蒸汽和水之間發(fā) 生相變的時間。
圖8示出了本發(fā)明此實(shí)施方式中燃料電池內(nèi)的陰極18或第二擴(kuò)散層32
和板40之間形成的水的循環(huán)過程。參考圖8,從陰極18或第二擴(kuò)散層32 產(chǎn)生的水蒸汽52與板40的每一溝槽40c的內(nèi)壁接觸，即，與突起40a的側(cè) 表面和底部40cb以及在圖8中未示出的結(jié)構(gòu)40b接觸。結(jié)果，水蒸汽52在 突起40a的側(cè)表面、即溝槽40c的內(nèi)表面上冷凝并形成水滴54。形成在溝槽 40c的內(nèi)表面的水滴54沿突起40a的側(cè)表面流向陰極18或第二擴(kuò)散層32。 從板40流向陰極18或第二擴(kuò)散層32的水被供給膜14和26,致使膜14和 26的水合狀況保持在適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)下。于是，從陽極10和24產(chǎn)生的氫離子 (H+ )可經(jīng)過膜14和26順暢達(dá)到陰極18和28。
由于在陰極18或第二擴(kuò)散層32和板40之間的溫差加大，使得從水蒸 汽52變成水滴54的時間縮短。因此，優(yōu)選使陰極18或第二擴(kuò)散層32和每 一溝槽40c的底部40cb之間的距離盡可能遠(yuǎn)。也就是說，優(yōu)選使溝槽40c 的深度盡可能深。但是，當(dāng)板40的外表面SI上存在褶皺或凹槽時，由于外 表面S1的表面面積大，與沒有褶皺的情況相比，可縮短距離或使深度變淺。
本發(fā)明人用試驗(yàn)證實(shí)了本發(fā)明的燃料電池的優(yōu)越性。在試驗(yàn)中，使用了 具有由圖1所示的放大部分B表示的結(jié)構(gòu)的單極型燃料電池(以下將被稱為 試驗(yàn)電池)。在試驗(yàn)中，使用純曱醇蒸氣作為供給試驗(yàn)電池陽極的燃料。此 外，將空氣供給陰極的側(cè)表面。同時，在該試驗(yàn)中采用圖2所示的板40。
圖9和IO示出了試驗(yàn)結(jié)果。圖9的曲線示出了通過本發(fā)明人進(jìn)行的試 驗(yàn)所測得的功率密度-工作時間特性。在圖9所示的曲線G1中，第一時間段 Tl表示從板40供水之前輸出功率密度的變化，第二時間段T2表示從板40 開始供水后發(fā)生的輸出功率密度的變化。
參考圖9所示的曲線Gl可以看出，燃料電池的工作于第二時間段T2 時的輸出功率密度(此后稱為第二功率密度)高于燃料電池工作于第一時間 段T1時的輸出功率密度(此后稱為第一功率密度)。從數(shù)字上可以看出，第 二功率密度比第一功率密度高10%-15%。
圖10的曲線示出了通過上述試驗(yàn)測得的電壓和功率-電流特性。在圖10 中，第一曲線Gll表示從板40向陰極32供水時測得的電壓-電流特性。第 二曲線G22表示未從板40向陰極32供水時測得的電壓-電流特性。第三曲 線G33表示從板40向陰極32供水時測得的功率-電流特性。第四曲線G44 表示未從板40向陰極32供水時測得的功率-電流特性。
將圖10中的第一和第二曲線Gll和G22進(jìn)行比較可以看出，在相同的
電壓下，從板40向陰極32供水時的電流大于未從板40向陰極32供水時的 電流。對比圖10中的第三和第四曲線G33和G44可以看出，在相同的電流
盡管已參考優(yōu)選實(shí)施方式具體示出和描述了本發(fā)明，可以理解的是，本 領(lǐng)域技術(shù)人員在不超出由所附權(quán)利要求限定的構(gòu)思和范圍的前提下可在形 式和細(xì)節(jié)方面作出多種變換，尤其可對板40作出多種變換。另外，可將MEA Al的結(jié)構(gòu)設(shè)置成與上面描述的結(jié)構(gòu)不同，而且可在所述結(jié)構(gòu)上附加其他元 件。此外，可設(shè)置熱管，使熱管的蒸發(fā)部分位于板40的外表面Sl和每一溝 槽40c的底部40cb之間。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求所限定的 技術(shù)方案確定，而不是由上面所描述的實(shí)施方式確定。
如上所述，本發(fā)明的燃料電池包括附著于陰極上、對收集由陰極產(chǎn)生的 水蒸汽進(jìn)行冷凝并將水供給陰極的板。因此，通過使用本發(fā)明的燃料電池， 可使從陰極損失的水量最小，而且可將來自所述板的水供給陰極。于是，可 提高輸出功率密度，而且可將所述膜的水合狀況連續(xù)地保持在適用于氬離子 (H+)傳送的狀態(tài)。此外，由于板結(jié)構(gòu)簡單，燃料電池的制造更簡便。
權(quán)利要求
1.一種平板型燃料電池，其包括包括電解質(zhì)薄膜和電極的膜電極組件；及附著于所述膜電極組件的陰極的板，該板通過冷凝由所述陰極產(chǎn)生的水蒸汽將水供給所述陰極并具有不吸水的特性。
2. 如權(quán)利要求1所述的平板型燃料電池，其中，在所述板上設(shè)有收集 并冷凝由所述陰極產(chǎn)生的水蒸汽的空間。
3. 如權(quán)利要求1所述的平板型燃料電池，其中，所述板包括多個尖端 與所述膜電極組件接觸的突起，且所述突起周圍的所述板與所述膜電極組件 是分離的。
4. 如權(quán)利要求3所述的平板型燃料電池，其中，將所述突起安排成棋 盤式布局。
5. 如權(quán)利要求4所述的平板型燃料電池，其中，所述突起呈圓錐形、 多邊錐形、或柱形。
6. 如權(quán)利要求4所述的平板型燃料電池，其中，在所述突起的表面上 沿從每一所述突起的底部朝向其頂部的方向形成有褶皺或凹槽。
7. 如權(quán)利要求3所述的平板型燃料電池，其中，還包括在所述板上以 棋盤式布局形成多個與所述膜電極組件不接觸的結(jié)構(gòu)。
8. 如權(quán)利要求7所述的平板型燃料電池，其中，所述突起位于所述每 個結(jié)構(gòu)周圍。
9. 如權(quán)利要求7所述的平板型燃料電池，其中，借助于所述突起和所 述結(jié)構(gòu)在所述板上形成多道溝槽。
10. 如權(quán)利要求1所述的平板型燃料電池，其中，在所述板的外表面上 存在褶皺。
11. 如權(quán)利要求10所述的平板型燃料電池，其中，所述褶皺存在于所 述板的全部或部分外表面上。
12. 如權(quán)利要求3所述的平板型燃料電池，其中，在所述板的外表面上 存在褶皺。
13. 如權(quán)利要求7所述的平板型燃料電池，其中，在所述板的外表面上 存在褶皺。
14. 如權(quán)利要求1所述的平板型燃料電池，其中，在所述板的外表面的 與每一 突起相應(yīng)的位置處形成有與每一 突起形狀相同的凹槽。
15. 如權(quán)利要求7所述的平板型燃料電池，其中，所述結(jié)構(gòu)具有面向所述膜電極組件的圓形或多邊形表面。
16. 如權(quán)利要求7所述的平板型燃料電池，其中，所述結(jié)構(gòu)為圓錐形或 多邊錐形。
17. 如權(quán)利要求3所述的平板型燃料電池，其中，在所述板的外表面的 與每一突起相應(yīng)的位置處形成有與每一突起形狀相同的凹槽。
18. 如權(quán)利要求7所述的平板型燃料電池，其中，在所述板的外表面的 與每一 突起相應(yīng)的位置處形成有與每一 突起形狀相同的凹槽。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有水再循環(huán)板的燃料電池，提供了一種平板型燃料電池。該平板型燃料電池包括含有電解質(zhì)薄膜和電極的膜電極組件以及附著于膜電極組件的陰極上、通過使陰極產(chǎn)生的水蒸汽冷凝而向陰極供水的板，該板具有不吸水的特性。借此，本發(fā)明的燃料電池可使來自陰極的水的損失量最小，而且可將這些水供給陰極，進(jìn)而可提高輸出功率密度。此外，由于板的結(jié)構(gòu)簡單，燃料電池的制造更簡便。
文檔編號H01M8/10GK101101990SQ20071000523
公開日2008年1月9日 申請日期2007年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月5日
發(fā)明者崔京煥, 李在鏞, 金珍虎 申請人:三星Sdi株式會社