液体燃料盒和具有该液体燃料盒的液体式直接燃料电池

摘要

本发明公开了一种液体燃料盒，其包括：壳体；形成在储存有液体燃料的壳体内的流动空间；形成在流动空间端部的液体燃料供应孔，液体燃料通过所述孔被供应给液体式直接燃料电池；形成在流动空间另一端的回收孔，从液体式直接燃料电池回收的水通过所述孔流入流动空间；及设置在位于来自液体燃料供应孔的液体燃料端部处的所述流动空间中的移动壁。本发明还公开了和具有这种液体燃料盒的液体式直接燃料电池。由于本发明的液体燃料盒可储存具有高能量密度的液体燃料，因此可以延长发电时间。此外，因为只需要一个泵用于燃料泵或者水泵，所以可减少泵的数量。再者，可以检测移动壁的位置，因此可以检测燃料是否耗尽。

说明书

技术领域

本发明涉及一种液体燃料盒和具有该液体燃料盒的液体式直接燃料电池(direct liquid feed fuel cell)，更明确地说，本发明涉及一种储存水的液体燃料盒，所述水是通过在利用高浓度液体燃料形成的空间中的燃料反应生成的。本发明还涉及具有这种液体燃料盒的液体式直接燃料电池。

背景技术

液体式直接燃料电池是一种通过如甲醇、乙醇等有机化合物燃料和如氧之类的氧化剂之间的电化学反应产生电能的发电体。由于液体式直接燃料电池具有很高的能量密度和功率密度并且直接使用如甲醇等液体燃料，所以不需要如燃料重整器等外围装置，而且可以方便地储存和供应燃料。

参考图1，液体式直接燃料电池具有电解质膜1被设置在阳极2和阴极3之间的结构。阳极2和阴极3分别包括用于供应和扩散燃料的扩散层22和32、进行燃料的氧化/还原反应的催化剂层21和31、以及电极支撑部分23和33。可采用如铂之类的即使在低温下也能发挥优良作用的贵金属催化剂作为电极反应的催化剂。用含有过渡金属例如钌、铑、锇、镍等的合金来防止因反应副产物一氧化碳引起的催化剂中毒。用碳纸或者碳纤维布等等作为电极支撑部分23和33。碳纸或碳纤维布防水，因此可以顺畅地供应燃料，而且可以顺畅地排放反应产物。具有50-200μm厚、作为高分子膜的电解质膜1是含水并具有离子导电性的氢离子交换膜。

使用甲醇和水作为混合燃料的直接甲醇燃料电池(DMFC)的电极反应包括燃料氧化的阳极反应和还原氢离子和氧引起的阴极反应。所述反应如反应式1、2和3所示。

    (阳极反应)                    1

       (阴极反应)                    2

      (整个反应)                    3

在发生氧化(反应式1)的阳极2中，通过甲醇和水之间的反应生成二氧化碳、氢离子和电子，而且产生的氢离子通过电解质膜1转移到阴极3。在发生还原(反应式2)的阴极中，通过氢离子、由外部电路(未示出)传输的电子和氧之间的反应生成水。因此，在DMFC的整个反应(反应式3)中，甲醇和氧互相反应，生成水和二氧化碳。在这种情况下，一摩尔甲醇和氧发生反应，产生两摩尔水。

理论上讲，如反应式1所示，由于作为液体燃料的甲醇以1∶1的摩尔比和水发生反应，包含一摩尔甲醇和一摩尔水(大约64wt％的甲醇)的混合液体可以用作液体燃料。但是，当使用1∶1(甲醇∶水)的高浓度燃料时，由于在电解质膜(氢离子交换膜)中燃料的渗透(crossover)(其中燃料透过离子交换膜的现象)，发电性能大大降低。因此，使用0.5-2M(2-8vol.％)的稀释的低浓度甲醇。但是，当使用储存在燃料罐中的低浓度甲醇时，在相同燃料储存体积中的甲醇量少，因此，燃料的能量明显减少。于是，为了提高燃料的能量，需要具有储存有高浓度或纯甲醇的燃料罐的燃料电池系统。

在燃料电池中由反应产生的工艺水(processing water)是难以解决的问题。可将这种水储存在燃料电池系统中单独的水罐中。

美国专利No.6,303,244公开了用于分开储存甲醇和水、用混合器混合它们并且将它们供应给燃料电池的电池堆(fuel cell stack)的技术，如图2所示。

参考图2，将用于还原反应的空气供应给电池堆4的内部阴极，并且将其从阴极排出到外部。在这种情况下，作为副产物的水被回收并流入水罐6中。高浓度或纯甲醇被储存在燃料罐7中。

水和甲醇储存在分开的罐6和7中，水和甲醇通过各自的泵P被供应给燃料混合器8，在燃料混合器8中混合，并供应给电池堆4的阳极。

在这种方法中，除了燃料罐7之外，还需要分开的水罐8。而且，每个罐都需要泵。由于分开的水罐和泵所占用的空间，降低了燃料电池系统的能量密度，因此减弱了DMFC固有的优点。

发明内容

本发明的目的是提供一种不需要安装单独的水罐、在燃料耗尽时形成的空间储存回收的水的液体燃料盒。

本发明的另一目的是提供一种具有所述液体燃料盒的液体式直接燃料电池。

根据本发明的一方面，提供一种用于液体式直接燃料电池的液体燃料盒，该液体燃料盒储存要供应给液体式直接燃料电池的液体燃料，此液体燃料盒包括：壳体、形成于储存有液体燃料的所述壳体内的流动空间、形成在该流动空间端部并且使液体燃料流过而供应给液体式直接燃料电池的液体燃料供应孔、形成在该流动空间另一端并使从液体式直接燃料电池中回收的水流过而进入流动空间的回收孔(recovery hole)、以及设置在位于离开液体燃料供应孔的液体燃料端部处的流动空间中的移动壁。

根据本发明的另一方面，提供一种液体式直接燃料电池，该液体式直接燃料电池包括：由至少两个膜电极组件形成的燃料电池的电池堆，该膜电极组件包括具有第一和第二表面的电解质膜、形成在第一表面上的阳极、形成在第二表面上的阴极；多个导电板，这些导电板被安装成与MEA的阳极和阴极接触，而且在导电板上形成流动通道以接触阳极和阴极，其中要供应给阳极和阴极的燃料在所述流动通道上流动；多个燃料入口/出口孔，这些入口/出口孔被形成为在垂直方向上贯穿电池堆，通过这些入口/出口孔，形成用于从流动通道供应相应燃料或者向流动通道排放相应燃料的渠道；储存供应给阳极的液体燃料的液体燃料盒；设置在液体燃料盒和燃料电池的电池堆之间的燃料混合器，该燃料混合器将液体燃料与阴极产生的水混合，并通过燃料入口/出口孔将混合燃料供应给在与阳极接触的导电板上形成的流动通道；以及将剩余的水从阴极排放到液体燃料盒的水泵。

流动空间可以是包括多个弯曲部分的蛇形。

移动壁可以为圆柱形。

用于防止移动壁从流动空间推出的止动件可以分别形成在液体燃料供应孔和回收孔处。

移动壁的比重可以是0.8到1.0。

本液体式直接燃料电池还可以包括用于检测回收孔(withdrawal hole)和液体燃料供应孔之间的移动壁的单元。

用于检测移动壁的单元可以是透明窗，通过该透明窗可从壳体的外侧看到移动壁的移动。

用于检测移动壁的单元还可以包括安装在壳体的金属检测器，而移动壁中可以包括由金属检测器检测的金属材料。

储存在流动空间中的液体燃料可以具有约91vo1.％的甲醇。

本发明的液体燃料盒可储存具有高能量密度的液体燃料，因此可以延长发电时间。此外，因为只需要一个泵用于燃料泵或者水泵，所以可减少泵的数量。再者，可以检测移动壁的位置，因此可以检测燃料是否耗尽。

附图说明

通过参考附图详细说明本发明的示例性实施方式，本发明的上述和其它方面将更加清晰。附图中：

图1是液体式直接燃料电池基本结构的横截面图；

图2示意地示出了传统的液体式直接燃料电池的结构；

图3示意地示出了本发明一实施方式的液体式直接燃料电池的结构；

图4是图3所示的液体燃料盒的横截面示意图；

图5是具有本发明的液体燃料盒的堆叠电池(stack cell)的结构示意图。

具体实施方式

下面将参考附图详细说明本发明的液体燃料盒和采用本发明的液体燃料盒的液体式直接燃料电池。

图3示意地示出了本发明一实施方式的液体式直接燃料电池的结构，图4是图3所示的液体燃料盒的横截面示意图。

参考图4，本发明的液体燃料盒100包括储存有液体燃料的壳体110。储存有甲醇和水的流动空间120形成在长方形并行管(rectanglarparallelepiped)壳体110中。流动空间120包括多个弯曲部分122和多个直线部分124。弯曲部分122以180度的角度改变流动空间120的方向。移动壁130被设置在流动空间120内。移动壁130可以是圆柱形。当然，移动壁130不限于圆柱形，还可以是球形。

流动空间120形成为蛇形形状，因此可减小壳体110中除了流动空间120和移动壁130之外的空间。于是，可以在液体燃料盒100中充注更多的液体燃料。

使供应给液体式直接燃料电池的燃料流过的液体燃料供应孔112被形成在流动空间120的一端，使液体式直接燃料电池中产生的水流过的回收孔114被形成在流动空间120的另一端。防止移动壁130推出的第一和第二止动件113和115分别被形成在液体燃料供应孔112和回收孔114处。

移动壁130由比重大于0.8(甲醇的比重)并小于1.0(水的比重)并且不和甲醇发生反应的聚合物构成。例如，移动壁130可以由聚乙烯或者聚丙烯构成。

移动壁130被设置在通过回收孔114注入的水和将被消耗的甲醇之间的交界面处。随着使用来自液体燃料盒100中的液体燃料，移动壁130朝流动空间120的液体燃料供应孔112移动。移动壁130的位置反映液体燃料盒100中剩余的甲醇量。因此，剩余的液体燃料量可以通过检测移动壁130的位置来检查。

可以形成透明窗140作为检测移动壁130的单元，通过该透明窗至少能看见壳体110中液体燃料供应孔112附近的流动空间120。

或者，移动壁130可以具有中空结构或者具有多个中空空间的结构，并且在其局部表面上包括金属材料。在这种情况下，移动壁130的比重应该小于水。金属检测器142被安装在壳体110处的液体燃料供应孔112附近。当移动壁130在金属检测器142下面移动时，金属检测器142产生电信号并且提醒使用者液体燃料盒100中的液体燃料快要耗尽了。

可将具有上述结构的液体燃料盒100设计成改变直线部分的长度以与液体式直接燃料电池中的死空间相应，从而可以非常有效地利用燃料电池的内部空间。

参考图3，如上所述，液体燃料例如甲醇通过燃料混合器170从液体燃料盒100的液体燃料供应孔112供应给液体式直接燃料电池电池堆的阳极。空气被供应给阴极。

液体燃料和空气被供应给形成在导电板例如双极板上的流动通道(图5所示的243和253)。

阴极产生的水通过燃料混合器170回收，一部分水和来自液体燃料盒100的液体燃料混合，剩余的水通过水泵180回收并通过液体燃料盒100的回收孔114流入液体燃料盒100的流动空间120。由于向内流动的水，移动壁130被推动并在流动空间120中移动。可以利用机械分配装置(未示出)分配通过燃料混合器170和液体燃料混合的水和通过液体燃料盒100回收的水。在阳极中未反应的燃料通过燃料混合器170回收。

在本实施方式中，液体泵180被安装在液体燃料盒100的回收孔114和燃料混合器170之间，并且同时回收水和排出燃料。也可选择将燃料泵(未示出)设置在液体燃料盒100的液体燃料供应孔112和燃料混合器170之间，以排出燃料和回收水。

纯的或者高浓度的液体燃料例如甲醇被储存在液体燃料盒100中。此外，流出燃料电池的水被储存在液体燃料盒100中。使用甲醇的量和回收的水量可以彼此相等，因此，借助于流入回收孔114的水可使移动壁130移动。

根据反应式3的DMFC整个反应，一摩尔的甲醇(大约40cm³)反应，产生两摩尔的水(大约36cm³)。也就是说，产生的水相应于消耗的甲醇的90vol.％。因此，如果在液体燃料盒100中储存有91％的甲醇溶液，使用了1ml的甲醇溶液，就使用了0.91ml的甲醇，于是，0.09ml的水处于未反应状态。而且，根据反应式3，产生了0.82ml的水(＝0.91ml MeOH×0.9)。因此，在燃料反应期间剩余的水是0.09ml水+0.82ml水＝0.91ml水，在燃料进行反应期间可以在液体燃料盒100中形成体积平衡。

图5是具有本发明的液体燃料盒的液体式直接燃料电池电池堆的结构示意图。参考图5，阳极220和阴极230被设置在膜210两侧的多个MEA_s被电学地正向设置，而中间导电板260设置在MEA_s之间。中间导电板260相应于双极板。流动通道243和253形成在与电极220和230接触的双极板260的表面。端部导电板261和262被设置在电池堆上面和下面。流动通道243和253形成在每一端部导电板261和262与各MEA接触的表面上。也就是说，液体燃料流动通道243形成在端部导电板261的内表面，而空气流动通道253形成在端部导电板262的内表面。集电板271和272分别设置在端部导电板261和262的外表面上。

MEA_s、中间导电板260、端部导电板261和262以及集电板271和272通过两块固定端板281和282彼此固定。

作为多个通孔的燃料入口/出口孔245和255以垂直方向形成在电池堆中，而且混合燃料或空气分别进入各燃料入口/出口孔245和255，并流过流动通道243和253，然后未反应的燃料(液体燃料或空气)、反应产物水和CO2通过各燃料入口/出口孔(未示出)排出。图5示出了流入混合燃料的燃料入口/出口孔245和流入空气的燃料入口/出口孔255。为了形成适当的流动，在必要的位置使用阻塞流动的垫圈241。形成流动的结构是常规结构，因此省略对其的详细描述。

可将图3和4所示的燃料混合器170连接到所述堆叠结构的燃料入口/出口孔245。

如上所述，在本发明的液体燃料盒和具有该液体燃料盒的液体式直接燃料电池中，可以在这种液体燃料盒中储存具有高能量密度的液体燃料，因此可以延长发电时间。此外，因为只需要一个泵用于燃料泵或者水泵，所以可以减少泵的数量。再者，可以检测移动壁的位置，因此可以检测燃料是否耗尽。

尽管通过参照示例性实施方式对本发明进行了具体显示和说明，但是本领域技术人员应当理解，在不超出所附权利要求限定的本发明构思和范围的前提下，可在形式和细节上对其进行各种改变。