CN100418260C - 液体式直接燃料电池的燃料输送装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于液体式直接燃料电池的燃料输送装置。该燃料输送装置包括由多块板形成的板状堆叠体。该板状堆叠体包括：用于液体燃料的入口；多条微通道，微通道的下端与入口相连；以及用于在微通道中被气化的燃料的出口，该出口与微通道的上端相连。加热器位于微通道上端、板状堆叠体周围，以加热微通道中的液体燃料。本发明的燃料输送装置利用毛管力而不是机械泵将燃料输送到燃料电池的阳极或者燃料混合器，因而可避免机械运转和噪音。而且，燃料的供应速率可以通过控制加热器的温度来调节。

Description

液体式直接燃料电池的燃料输送装置
技术领域
本发明涉及用于液体式直接燃料电池(direct liquid feed fuel cell)中的输送液体燃料的燃料输送系统，尤其涉及向液体式直接燃料电池的阳极输送气态乙醇的燃料输送装置。
背景技术
液体式直接燃料电池通过燃料例如甲醇或乙醇和氧化剂例如氧之间的电化学反应产生电能，其具有高能量和高功率密度。而且，由于液体式直接燃料电池直接使用其燃料，所以不需要如燃料重整器之类的外围设备，而且能方便地储存和供应燃料。
如图1所示，液体式直接燃料电池具有设置在阳极2和阴极3之间的电解质膜1。阳极2和阴极3分别包括用于供应和扩散燃料的燃料扩散层22和32、用于燃料的氧化-还原反应的催化剂层21和31、以及电极支撑层23和33。用于电极反应的催化剂可以由如Pt之类的即使在低温下也具有优良的催化性能的贵金属构成。为了防止反应副产物例如一氧化碳引起的催化剂中毒，还可以使用含有过渡金属例如Ru、Rh、Os或Ni的合金。电极支撑层23和33由碳纸或者碳纤维布制成，它们的表面防水，因而可以顺畅地供应燃料和排放反应产物。电解质膜1可以是50-200μm厚的聚合物膜。通常用含水并具有离子导电性的氢离子交换膜作为电解质膜1。
使用甲醇和水的混合物作为燃料的直接甲醇燃料电池(DMFC)中发生两种电化学反应。在阳极反应中，燃料被氧化，在阴极反应中，氧和氢离子还原。所述反应如下：
阳极反应  CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-
阴极反应  3/2O2+6H++6e-→3H2O
整个反应  CH3OH+3/2O2→2H2O+CO2
甲醇分子和水分子在阳极2发生反应生成一个二氧化碳分子、六个氢离子和六个电子。氢离子通过电解质膜1转移到阴极3并在阴极3处与氧和通过外部电路供应的电子发生反应产生水。也就是说，在DMFC的整个反应中，通过甲醇和氧的反应产生水和二氧化碳。这里，甲醇分子和氧发生反应生成两个水分子。
燃料不一定是纯甲醇，而可能是甲醇和在系统中产生或储存的水的混合物。当混合物中的甲醇浓度高时，由于电解质膜(氢离子交换膜)中燃料的渗透(cross-over)(燃料透过膜的现象)而引起发电性能急剧下降。因此，通常使用浓度为0.5到2M(2到8vol.％)的稀释甲醇。但是，将稀释甲醇储存在燃料罐中时，由于在预定的燃料储存体积中，甲醇相对于混合燃料的比例小，所以能量低。因此，需要具有储存高浓缩的或者纯甲醇的燃料罐的燃料电池系统，以提高能量。
在美国专利No.6,303,244中，如图2所示，浓缩甲醇和水分开储存，并且在输送给燃料电池的电池堆(fuel cell stack)之前混合。参考图2，向电池堆4的阴极供给用于还原反应的空气，而将未使用的空气从阴极排出。作为反应副产物的水被收集在水罐6中。浓缩或纯甲醇被储存在燃料罐7中。用作燃料的水和甲醇储存在分开的罐6和7中并通过泵8和9供应给燃料混合器10，使水和甲醇在供应给燃料电池的电池堆4的阳极之前在燃料混合器10中混合。
但是，传统的液体式直接燃料电池需要泵，这些泵为机械式运转并且产生噪音，因而不适用于小型便携式电子设备。此外，在便携式燃料电池的情况下，由于燃料输送量非常少，所以难以选择合适尺寸的有效的液体输送泵。
发明内容
本发明的目的是提供一种以气态形式输送液体燃料的燃料输送装置。该燃料输送装置包括能够利用毛管力输送来自燃料罐的燃料的输送结构，该装置还排放利用位于输送结构端部的加热器加热形成有液体燃料弯月面的部分产生的气体燃料，其中，液体燃料弯月面的位置由毛管力保持，而且可以通过控制加热器的温度来调节燃料的供应量。
根据本发明一方面，提供一种燃料输送装置，其包括由多块板形成的板状堆叠体和加热器，其中，板状堆叠体包括液体燃料入口；下端与入口相连的多个微通道；以及用于在微通道中被气化的燃料、与微通道的上端相连的出口。加热器位于板状堆叠体周围的微通道上端，以加热微通道中的液体燃料。
板状堆叠体包括两块端板和至少一块双面板，端板的内表面上具有微通道，双面板位于端板之间并在其两表面都具有微通道，其中，端板具有形成入口的入口部分和形成出口的出口部分，双面板具有连接到端板入口部分的入口部分和连接到端板的出口部分的出口部分。
端板和双面板可以由硅制成。
端板和双面板可以由聚合物树脂制成。
根据本发明另一方面，提供一种燃料输送装置，其包括：具有用于液体燃料的入口和用于由液体燃料转换的气体燃料的出口的外壳；设置在外壳中、用于在孔中储存液体燃料的多孔材料；以及位于外壳周围以加热多孔材料中的液体燃料的加热器。
出口形成在外壳的上部分内，而且外壳的邻近出口部分的内部是空的。
加热器可以位于多孔材料的上端，围绕外壳。
多孔材料可以是海绵。
入口形成在外壳的上部分，用于注入液体燃料。
本发明的燃料输送装置利用毛管力而不是机械泵将燃料输送到燃料电池的阳极或者燃料混合器，因而可避免机械运转和噪音。而且，燃料的供应速率可以通过控制加热器的温度来调节。
附图说明
通过参考附图详细描述本发明的示例性实施方式，本发明的上述和其它特点及优点将更加清晰。附图中：
图1是常规的液体式直接燃料电池的横截面图；
图2是传统的液体式直接燃料电池的结构示意图；
图3是包括本发明一实施方式的燃料输送装置的液体式直接燃料电池系统的结构示意图；
图4是本发明一实施方式的燃料输送装置的透视图；
图5是图4所示装置的分解透视图；
图6是沿图4中线VI-VI剖切的横截面图；
图7的曲线示出了微通道直径与燃料弯月面高度的关系；
图8是本发明另一实施方式的燃料输送装置的横截面图；
图9是包括本发明的燃料输送装置的另一种液体式直接燃料电池系统的结构示意图。
具体实施方式
现在将参考示出了本发明的示例性实施方式的附图更加详细地说明本发明。
图3是包括本发明一实施方式的燃料输送装置的液体式直接燃料电池系统的结构示意图。参考图3，向燃料电池的电池堆110中的阴极供给用于还原反应的空气，在阴极处反应产生的水流向燃料混合器120。浓缩或纯甲醇被储存在燃料罐112中，而且燃料罐112中预定数量的燃料被气化，通过燃料输送装置200送到燃料混合器120。在燃料混合器120中混合的液体燃料由泵122供应给阳极。阳极中未反应的燃料可以返回到燃料混合器120。
图4是本发明一实施方式的燃料输送装置200的透视图，图5是图4所示装置的分解透视图，图6是沿图4中线VI-VI剖切的横截面图。
参考图4到6，燃料输送装置200是由多块板形成的板状堆叠体。该板状堆叠体包括两块端板210和位于两个端板210之间的双面板220。
两块端板210具有用于来自燃料罐112的液体燃料的入口部分212和用于排放在微通道230中被加热器240气化的燃料的出口部分214。出口部分214可以形成于和形成有入口部分212的端板210相同的端板中。起毛细管作用的多条微通道230形成在端板210的内表面上。
双面板220具有分别对应于入口部分212和出口部分214的入口部分222和出口部分224，而且具有多条微通道230的两个表面都连接到入口部分222和出口部分224。
微通道230的直径是几十或几百微米的数量级。当入口部分212和/或出口部分214形成在端板210上时，端板210的微通道230被形成为使它们与入口部分212和/或出口部分214相连。当入口部分212和/或出口部分214不是形成在端板210上时，端板210的微通道230延伸，使得它们通过相邻双面板220的入口部分222和/或出口部分224被暴露。入口部分212和222形成入口，出口部分214和224形成出口。
具有微通道230的板可以通过半导体工艺用硅基板制成。
或者，具有微通道230的板可以通过模具挤压聚合物树脂例如聚乙烯而制成。用聚合物树脂制造的燃料输送装置200由于其柔韧性而使安装更方便。尽管入口部分212形成在和出口部分214相同的端板210中，但是它也可以形成在另一端板210中。
加热器240就位于板状堆叠体周边的出口部分214下面。加热器240用于使甲醇气化，其可以由电阻丝制成。加热器240使微通道230中的甲醇气化。被加热器240气化的甲醇通过出口部分214和224排放，然后在燃料混合器120中被冷却成液体。由于毛管力，不管甲醇是否气化都被保持在微通道230中的上部位置。燃料输送装置200可有效地调节由加热器240气化的甲醇量。
图7的曲线示出了微通道直径与甲醇的弯月面高度的关系。
下面的方程式1是说明微通道半径和毛管力之间的关系的简化方程式：
ΔP = 2 σ r - - - 1
其中，ΔP是在分界面上的压力差，该压力差表示可以输送燃料的力的大小，σ是表面张力，r是微通道的半径。
燃料由于压力差而通过微通道上升，而且微通道半径和液体燃料的可能的弯月面高度或者输送距离之间的关系示于图7。当微通道的高度低于可能的弯月面高度时，弯月面形成并停留在微通道的端部。当加热形成有弯月面的部分时，液体燃料被气化并且被排放，而且甲醇和空气之间的界面的高度通过毛管力而保持恒定。弯月面高度几乎不受安装方向的影响，因为尤其是在微通道半径减小时，毛管力通常大于地心引力。
图8是本发明另一实施方式的燃料输送装置300的横截面图。与所述附图中相同的附图标记表示相同的元件，因此对它们不再赘述。
参考图8，燃料输送装置300具有填充有多孔材料320例如海绵的外壳310。海绵320具有可以在其中充注甲醇的孔。外壳310的上部分是空的空间330。由电阻丝制成的加热器340就安装在空的空间330下面、围绕外壳310。加热器340加热甲醇和空气之间的界面，从而使海绵320中的甲醇气化，借此使液体甲醇气化成气态。外壳310的上部分具有用于排放由加热器340气化的甲醇的出口314。注入口316可以代替入口312形成在外壳310的上部分，从而可以省略图3中的燃料罐112。
海绵320的孔相互连接形成微路径。当加热器340局部加热外壳310时，甲醇气化，而朝外壳310中空的空间330运动。然后，气体甲醇通过出口314流动到燃料混合器120。不管是否气化，甲醇都由于毛管力而被连续地带到海绵320的上端。燃料输送装置300可有效地调节通过加热器340气化的甲醇量。
图9是包括本发明的燃料输送装置的另一液体式直接燃料电池系统的结构示意图。图9中相同的附图标记表示与图3所示的相同元件，因此对它们不再赘述。
参考图9，向单极板型便携式燃料电池110′的阴极提供用于还原反应的空气，由阴极中的反应产生的水一部分流动到阳极。燃料罐112储存纯甲醇，预定量的纯甲醇被燃料输送装置200气化并供应给阳极。在电池中一部分反应期间产生的水和CO2可以排放到大气中。
如上所述，本发明所述实施方式的燃料输送装置可以利用毛管力而不是机械泵将燃料输送到燃料电池的阳极或者燃料混合器。此外，燃料的供应速率可以通过控制加热器的温度来调节。
尽管上面通过参照示例性实施方式具体地示出和说明了本发明，但是本领域技术人员可以理解，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本发明进行各种改变。

Claims (9)

1. 一种用于液体式直接燃料电池的燃料输送装置，其包括由多块板形成的板状堆叠体和加热器，其中，
所述板状堆叠体包括用于液体燃料的入口、下端与所述入口相连的多条微通道、与所述微通道的上端相连用于在所述微通道中被气化的燃料的出口；
所述加热器位于所述微通道的上端并且在所述板状堆叠体周围，以加热所述微通道中的液体燃料。
2. 如权利要求1所述的燃料输送装置，其中，所述板状堆叠体还包括内表面上具有微通道的两块端板；和至少一块位于所述端板之间、两个表面都具有微通道的双面板，所述端板具有形成所述入口的入口部分和形成所述出口的出口部分，而所述双面板具有连接到所述端板的所述入口部分的入口部分和连接到所述端板的所述出口部分的出口部分。
3. 如权利要求2所述的燃料输送装置，其中，所述端板和所述双面板由硅制成。
4. 如权利要求2所述的燃料输送装置，其中，所述端板和所述双面板由聚合物树脂制成。
5. 如权利要求4所述的燃料输送装置，其中，所述端板和所述双面板的所述微通道通过挤压形成。
6. 一种用于液体式直接燃料电池的燃料输送装置，其包括：
具有用于液体燃料的入口和用于由液体燃料转换的气体燃料的出口的外壳；
设置在该外壳中用于在孔中储存液体燃料的多孔材料；及
位于该外壳周围以加热所述多孔材料中的液体燃料的加热器，
其中，所述加热器位于所述多孔材料的上端，围绕所述外壳。
7. 如权利要求6所述的燃料输送装置，其中，所述出口形成在所述外壳的上部分内，而且所述外壳的靠近所述出口的内部是空的。
8. 如权利要求6所述的燃料输送装置，其中，所述多孔材料是海绵。
9. 如权利要求8所述的燃料输送装置，其中，所述入口形成在所述外壳的上部分，用于注入液体燃料。
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