CN100418261C - 直接供液燃料电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直接供液燃料电池组，其包括彼此平行相对的第一端板和第二端板以及垂直地安装在第一端板和第二端板之间的多个单元电池模块，其中接触该单元电池模块的端子的电路形成在第一端板的内表面上。

Description

直接供液燃料电池组
技术领域
本发明涉及直接供液燃料电池组(direct liquid feed fuel cell stack)，特别是，涉及具有可拆卸单元燃料电池模块的直接供液燃料电池组。
背景技术
直接供液燃料电池通过有机燃料(如甲醇或乙醇)和氧化剂(即空气中的氧气)之间的电化学反应来产生电能。直接供液燃料电池所产生的电能具有高的比能量密度(specific energy density)和电流密度。同样，由于液体燃料(如甲醇)直接供给电池，因此直接进料燃料电池不需要外围装置，例如燃料转化器，并且易于储存和供应液体燃料。
如图1所示，直接燃料电池的单元电池具有膜电极组件(membraneelectrode assembly，MEA)结构，其具有设置在阳极电极2和阴极电极3之间的电解质膜1。该阳极电极2包括：用于供应和扩散燃料的扩散层22，其中发生燃料的氧化反应的催化层21和电极支撑层23。该阴极电极3也包括：用于供应和扩散燃料的扩散层32，其中发生还原反应的催化剂层31和电极支撑层33。
作为直接供液燃料电池的一种，直接甲醇燃料电池(DMFC)的电极反应包括燃料被氧化的阳极反应和氢、氧被还原的阴极反应，如下所述：
[反应1]
CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-    (阳极反应)
[反应2]
3/2O2+6H++6e-→3H2O    (阴极反应)
[反应3]
CH3OH+3/2O2→2H2O+CO2    (总反应)
在其中燃料被氧化(反应1)的阳极电极2处产生二氧化碳、氢离子和电子。氢离子通过氢离子交换膜1移向阴极电极3。在阴极电极3处，通过氢离子、从外部电路传输的电子和氧之间的还原反应(反应2)而产生水。因此，作为甲醇和氧之间总电化学反应(反应3)的结果，产生水和二氧化碳。
可以由DMFC的单元电池产生的理论电压约为1.2V。然而，由于活化过电压和欧姆过电压引起的电压降，在环境温度和大气压下的开路电压会降至1V以下。事实上，实际工作电压在0.4-0.6V的范围内。因此，为获得更高电压，需要串联连接多个单元电池。
直接供液燃料电池组通过串联电连接多个单元电池并将其组装成电池组而形成。相邻的单元电池通过单元燃料电池之间的导电双极板4连接。流体通道41和42形成在双极板4两侧，以向接触电极供应液体燃料和空气。
美国专利No.2002/0142205公开了一种燃料电池组结构，其中多个双极板和MEA串联堆叠。该燃料电池组结构的单元电池通过螺钉接合。
然而，由螺钉接合的燃料电池组必须拧松螺钉来更换任何由于制造缺陷或性能下降而出现故障的单元电池。这是耗时的工作。
发明内容
本发明提供了一种直接供液燃料电池组，其使得可易于更换单元电池。
本发明也提供一种直接供液燃料电池组，其具有连接单元电池的简化连接电路。
根据本发明的一方面，提供了一种直接供液燃料电池组，其包括：彼此平行相对的第一端板和第二端板；和垂直地安装在该第一端板和第二端板之间的多个单元电池模块，其中接触该单元电池模块的端子的电路形成在该第一端板的内表面上。
该单元电池模块可以包括至少一个单元电池，其中各个单元电池包括：膜电极组件(MEA)，其具有围绕电解质膜的阳极电极和阴极电极；阳极板，其设置在该阳极电极上，并且具有形成于其内表面上的流体通道、形成于连接第一端板的部分上的端子以及形成于连接第二端板的部分上的液体燃料入口和液体燃料出口；和阴极板，其设置在该阴极电极上，并且具有多个孔和形成于连接第一端板的部分上的端子。
该单元电池模块可以包括围绕绝缘膜的两个单元电池，并且各个单元电池的阴极板可以面向外侧。
该第二端板可以包括分别连接到该单元电池模块的液体燃料入口和液体燃料出口的入口孔和出口孔，并且连接入口孔的入口歧管和连接出口孔的出口歧管形成于第二端板内侧。
该电路可以串联连接该单元电池模块。
该电路还可以包括测量各个单元电池模块的输出电压的电路。
该第一和第二端板可以包括滑槽，该滑槽允许从该第一和第二端板上垂直更换该单元电池模块。
该单元电池模块包括至少一个单元电池，其中各个单元电池包括：膜电极组件，其具有围绕电解质膜的阳极电极和阴极电极；吸液部件(wickingmember)，其设置在该阳极电极上；阳极板，其设置在该吸液部件上，并且具有形成于该阳极板连接第一端板的部分上的端子；阴极板，其设置在该阴极电极上，并且具有多个孔和形成于连接第一端板上的部分上的端子。
该第二端板包括接触该吸液部件的入口孔，并且连接入口孔的入口歧管形成于第二端板内侧。
该入口歧管可以填充以泡沫部件。
附图说明
通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述及其它特征和优点将变得更加显明，其中：
图1为直接供液燃料电池的基本构造的截面图；
图2为根据本发明实施例的直接供液燃料电池组的示意性透视图；
图3为根据本发明实施例的单元电池模块的分解透视图；
图4为根据本发明实施例的单元电池模块的分解截面图；
图5为根据本发明实施例的第一端板内侧的侧视图；
图6为根据本发明实施例的第二端板的透视图；
图7为示出根据本发明实施例的单元电池模块的第一和第二单元电池的性能曲线的视图；
图8为根据本发明另一实施例的直接供液燃料电池组的示意性透视图；
图9为根据本发明另一实施例的单元电池模块的分解透视图；
图10为根据本发明另一实施例的单元电池模块的分解截面图；和
图11为根据本发明另一实施例的第二端板的透视图。
具体实施方式
现在将参照附图对本发明进行更全面地描述，附图中示出了本发明的示例性实施例。
图2为根据本发明实施例的直接供液燃料电池组100的示意性透视图。该直接供液燃料电池组100包括彼此平行的第一端板110和第二端板130以及第一和第二端板110和130之间的多个单元电池模块200。单元电池模块200安装成垂直于第一和第二端板110和130。第一和第二端板110和130包括多个沟槽112和132，其使得易于安装和拆卸单元电池模块200。单元电池模块200可以在垂直方向上进行安装和拆卸。
图3和4是根据本发明实施例的单元电池模块的分解透视图和分解截面图。该单元电池模块200包括围绕绝缘膜202的第一和第二单元电池210和260。第一和第二单元电池210和260中的每一个包括：位于电解质膜230的一表面上的阳极电极232；位于该电解质膜230的另一表面上的阴极电极234；位于该阳极电极232上的导电阳极板220；和位于该阴极电极234上的导电阴极板240。
端子227形成于阳极板220接触第一端板110的一侧上，而流体通道223形成于阳极板220面对阳极电极232的表面上。连接到流体通道223上的液体燃料入口224和液体燃料出口225形成于阳极板220接触第二端板130的一侧上。
阴极板240包括多个孔242，外部空气通过所述孔进入阴极电极234。将阴极板240安装成面向外侧，以便外部空气可以通过。
第二单元电池260的构造与第一单元电池210基本一致。从而，相同的附图标记表示相同的元件，并且将不再重复对其描述。
在图3和4中，描述了具有两个单元电池210和260的单元电池模块200，但本发明并不限于此。也就是说，单元电池模块200可以包括一个单元电池。
图5为根据本发明实施例的第一端板内侧的侧视图。第一端板110可以由非导电材料(如塑料)形成。具有预定深度的沟槽112形成于第一端板110的内表面上，以便垂直安装单元电池模块200。该沟槽区域包括衬垫114，以接触第一单元电池210的阴极板240端子247和阳极板220端子227以及第二单元电池260的阴极板240端子247和阳极板220端子227。衬垫114通过电路导线116串联连接。电路导线116将一个单元电池的阳极电极232电连接至邻近单元电池的阴极电极234。电路导线116和衬垫114可以利用传统的半导体技术形成。
电路导线118形成在第一端板110上，以测量第一单元电池210的端子247和第二单元电池260的端子227之间的输出电压。通过测量各个单元电池模块200，可以识别出需要更换的任一单元电池模块200。
在图5中，示出了三个串联连接的单元电池模块200，但本发明并不限于此。也就是说，可以通过并联或串联连接单元电池而构造各种电路。
图6为根据本发明实施例的第二端板的透视图。该第二端板130可以包括具有预定深度的沟槽132，以便该单元电池模块200可以垂直安装在第二端板130上。每个沟槽区域包括入口孔124和出口孔125，第一和第二单元电池210和260的阳极电极220的液体燃料入口224和液体燃料出口225分别连接于所述两孔。连接于入口孔124的入口歧管126和连接于出口孔125上的出口歧管127形成在第二端板130内部。入口歧管126和出口歧管127连接到水泵上(未示出)。可以按照各种方式构造第一和第二单元电池210和260的液体燃料入口224和入口孔124之间的连接。例如，两个液体燃料入口224可以插入一个入口孔124中，或可以附加地使用具有连接单元电池210和260的两个液体燃料入口224的孔的连接部件(未示出)，并且该连接部件可以插入一个入口孔124中。同样的连接结构可以应用于液体燃料出口225和出口孔125之间的连接。
图7是示出根据本发明实施例的单元电池模块的第一和第二单元电池的性能曲线的视图。该测试是利用具有面积为18.5cm2的单元电池模块进行的，并且在每个燃料入口处1M甲醇的流速为0.3cc/min。结果表明第一和第二单元电池的性能彼此类似。
图8为根据本发明另一实施例的直接供液燃料电池组300的示意性透视图。该直接供液燃料电池组300包括彼此平行且相互间隔开的第一和第二端板310和330以及位于第一和第二端板310和330之间的多个单元电池模块400。单元电池模块400安装成垂直于第一和第二端板310和330。第一和第二端板310和330包括多个垂直沟槽312和332，其使得易于安装和拆卸单元电池模块400。单元电池模块400可以在垂直方向上进行安装和拆卸。
图9和10为根据本发明另一实施例的单元电池模块的分解透视图和分解截面图。该单元电池模块400包括围绕绝缘膜402的第一和第二单元电池410和460。第一和第二单元电池410和460中的每一个包括：位于电解质膜431的一表面上的阳极电极432；位于该电解质膜432的另一表面上的阴极电极434；位于阳极电极432上的吸液部件415和导电阳极板420；以及位于阴极电极434上的导电阴极板440。
端子427形成于阳极板420接触第一端板310的一侧上。
吸液部件415通过利用从入口部分416接收液体燃料进行的扩散而将液体燃料供应至阳极电极432。该吸液部件415可以由泡沫形成。
多个孔442形成在阴极板440上，而外部空气通过阴极板440的所述孔442供应至阴极电极434。将阴极板440安装成面向外侧，以便外部空气可以通过。
第二单元电池460的构造与第一单元电池410基本一致。从而，相同的附图标记表示相同的元件，因此将略去对其的描述。
在图9和10中，描述了具有两个单元电池410和460的单元电池模块400，但本发明并不限于此。也就是说，单元电池模块400可以包括一个单元电池。
根据本发明另一实施例的第一端板310的构造与根据本发明实施例的端板110基本一致。从而，相同的附图标记表示相同的元件，因此下面将不再重复对其描述。
图11为根据本发明另一实施例的第二端板330的透视图。该第二端板330可以包括具有预定深度的沟槽332，以便可以垂直安装单元电池模块400。每个沟槽区域包括入口孔324，第一和第二单元电池410和460中的每一个的吸液部件415的入口部分416均连接其上。连接于入口孔324的入口歧管326形成在第二端板330内部。入口歧管326可以填充以另一吸液部件(未示出)。该入口歧管326容纳来自燃料箱(未示出)的液体燃料。可以按照各种方式连接第一和第二单元电池410和460的入口部分416和入口孔324，因此，将省略其详细说明。
如上所述，根据本发明的直接供液燃料电池组包括多个可易于安装和拆卸的单元电池模块。因此，可以很容易地更换性能降低的单元电池模块。
同样，可以易于在端板上形成连接所述单元电池模块的电路。
虽然已经参照本发明的示例性实施例对本发明进行了具体示出和描述，但是本领域的普通技术人员应该理解的是，在不脱离由随后权利要求限定的本发明的精神和范围的前提下可以在形式和细节上对本发明进行各种变化。

Claims (12)

1. 一种直接供液燃料电池组，包括：
彼此平行相对的第一端板和第二端板；和
垂直地安装在该第一端板和第二端板之间的多个单元电池模块，其中接触该单元电池模块的端子的电路形成在该第一端板的内表面上，
其中，该第一和第二端板包括滑槽，该滑槽允许从该第一和第二端板上垂直更换该单元电池模块。
2. 如权利要求1所述的直接供液燃料电池组，其中该单元电池模块包括至少一个单元电池，其中
各个单元电池包括：
膜电极组件，其具有电解质膜、位于电解质膜的一个表面上的阳极电极和位于电解质膜的另一表面上的阴极电极；
阳极板，其设置在该阳极电极上，并且具有形成于其内表面上的流体通道、形成于连接第一端板的部分上的端子以及形成于连接第二端板的部分上的液体燃料入口和液体燃料出口；和
阴极板，其设置在该阴极电极上，并且具有多个孔和形成于连接第一端板的部分上的端子。
3. 如权利要求2所述的直接供液燃料电池组，其中该单元电池模块包括各自位于一绝缘膜的一侧的两个单元电池，以及
各个单元电池的阴极板面向外侧。
4. 如权利要求2所述的直接供液燃料电池组，其中该第二端板包括分别连接到该单元电池模块的液体燃料入口和液体燃料出口的入口孔和出口孔，以及
连接入口孔的入口歧管和连接出口孔的出口歧管形成于第二端板内部。
5. 如权利要求2所述的直接供液燃料电池组，其中该电路串联连接该单元电池模块。
6. 如权利要求5所述的直接供液燃料电池组，其中该电路还包括测量各个单元电池模块的输出电压的电路。
7. 如权利要求1所述的直接供液燃料电池组，其中该单元电池模块包括至少一个单元电池，其中
各个单元电池包括：
膜电极组件，其具有电解质膜、位于电解质膜的一个表面上的阳极电极和位于电解质膜的另一表面上的阴极电极；
吸液部件，其设置在该阳极电极上；
阳极板，其设置在该吸液部件上，并且具有形成于该阳极板连接第一端板的部分上的端子；
阴极板，其设置在该阴极电极上，并且具有多个孔和形成于连接第一端板的部分上的端子。
8. 如权利要求7所述的直接供液燃料电池组，其中该单元电池模块包括各自位于一绝缘膜的一侧的两个单元电池，以及
各个单元电池的阴极板面向外侧。
9. 如权利要求7所述的直接供液燃料电池组，其中该第二端板包括接触该吸液部件的入口孔，以及
连接入口孔的入口歧管形成于第二端板内部。
10. 如权利要求9所述的直接供液燃料电池组，其中该入口歧管填充以泡沫部件。
11. 如权利要求7所述的直接供液燃料电池组，其中该电路串联连接。
12. 如权利要求11所述的直接供液燃料电池组，其中该电路还包括测量各个单元电池模块的输出电压的电路。
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