CN100454622C - 双极板和液体式直接燃料电池的电池堆 - Google Patents

双极板和液体式直接燃料电池的电池堆 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二极板和液体式直接燃料电池的电池堆。所述双极板包括与燃料路径孔相连的总管以及与总管相连的多条流动通道，这些流动通道被相等地分为多组，每组流动通道形成S形流动路径，并且每一流动通道的长度基本相等。在本发明的双极板中，由于电极区域被分为多个部分，流动通道分为几组，流过燃料的流动路径的长度缩短，而且每一流动通道的流动路径长度几乎相同，因此流动通道之间的浓度梯度减小，流动通道中的压力损失也可减小。

Description

双极板和液体式直接燃料电池的电池堆
技术领域
本发明涉及一种用于液体式直接燃料电池(direct liquid feed fuel cell)电池堆的双极板。
背景技术
通过如甲醇或乙醇之类的有机化学化合物燃料和如氧气之类的氧化剂的电化学反应产生电能的液体式直接燃料电池具有高能量密度和高功率密度。而且，液体式直接燃料电池直接使用甲醇等作为燃料，不需要如燃料重整器之类的外围装置，还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的单电池(single cell)具有膜电极组件(MEA)结构，在这种膜电极组件中，电解质膜1被设置在阳极2和阴极3之间。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、发生燃料的氧化/还原反应的催化剂层21和31、以及电极支撑部分(supporter)23和33。利用即使在低温下也具有优异的电化学性能、如铂之类的贵金属催化剂作为电极反应的催化剂层21和31。利用含有如钌、铑、锇、镍等过渡金属的合金来防止由作为反应副产物的一氧化碳引起的催化剂中毒。采用碳纸或者碳纤维布等作为电极支撑部分23和33。碳纸或者碳纤维布防水，因此能顺畅地供应燃料，而且能顺畅地排放反应产物。具有50-200μm厚、作为高分子膜的电极膜1是含水并具有离子导电性的质子交换膜。
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由还原质子和氧引起的阴极反应，这些反应的反应式如式1、2和3所示。
CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-   (阳极反应)   1
3/2O2+6H++6e-→3H2O      (阴极反应)   2
CH3OH+3/2O2→2H2O+CO2    (整个反应)   3
在发生氧化反应(反应式1)的阳极2中，通过甲醇和水的反应产生二氧化碳、质子和电子，产生的质子通过电解质膜1转移到阴极3。在发生还原反应(反应式2)的阴极中，通过质子、经外部电路(未示出)传送的电子和氧气的反应产生水。因此，在DMFC的整个反应(反应式3)中，甲醇和氧互相反应并产生水和二氧化碳。
理论上讲，在DMFC的单电池中产生的电压约为1.2V，在大气压力下，室温下的开路电压等于或小于1V，由于存在由活化过电压(activationoverpotential)和电阻过电压(resistance overpotential)所引起的电压降，实际工作电压大约是0.4到0.6V。因此，为了产生所需的高电压，应将多个单电池彼此串联连接。
通过堆叠多个单电池形成堆叠电池，而且被堆叠的单电池为串联式电连接。作为导电板的双极板4被插入单电池之间并且电连接彼此电学相邻的单电池。
具有优异的导电性和机械强度以及机械加工性能的石墨块主要用作双极板4。也可将由含有金属或者导电聚合物的合成材料制成的块用作双极板4。在双极板4的两侧分别形成用于独立地给阳极2和阴极3供应燃料(甲醇)和空气的流动通道41和42。空气通道42和燃料通道41分别形成在位于电池堆中间的双极板4的两侧。在电池堆的各端设置有作为单极板给各电极2和3供应燃料或者氧的端板(未示出)。在所述端板上形成有用于给连接的单电池供应空气或者燃料的通道(图1所示的41或42)。
图2是传统的双极板的一表面例如上面形成有液体燃料通道的表面的平面图。参考图2，在传统的双极板4中，多条燃料通道41以S形形成在设置有MEA的电极区域47中，因此，燃料通道41的上部敞开。总管46连接到燃料通道41的入口和出口，与总管46连通的燃料路径孔43a、43b、44a和44b形成为贯通双极板4，通过这些路径孔供应和排放液体燃料或氧化剂燃料。燃料路径孔43a、43b、44a和44b形成液体燃料的入口43a和出口43b以及氧化剂的入口44a和出口44b。
在图2所示的S形流动通道中，在流入燃料的燃料路径孔43a与排放燃料和反应产物的燃料路径孔43b之间的燃料浓度梯度大。而且，当燃料路径孔43a和43b形成在相同侧时，燃料路径孔43a和43b之间多个流动路径的长度可能不同，因此，在这些流动路径中的流动速度可能不同，此外，因为流动路径长，所以压力损失也大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是要提供一种可降低流体压力损失并且可降低流体浓度梯度的双极板。
本发明另一要解决的技术问题是要提供一种具有这种双极板的液体式直接燃料电池的电池堆。
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双极板，在该双极板中垂直形成多个燃料路径孔，通过这些燃料路径孔供应或者排放燃料，并且在该双极板上形成与燃料路径孔连通并且流过燃料的流动通道，该双极板包括：连接到所述燃料路径孔的总管以及从总管连出的多条流动通道，其中，所述流动通道相等地被分为多组，每组流动通道形成S形流动路径，并且各流动通道的长度基本相等。
根据本发明的另一方面，提供一种用于液体式直接燃料电池的双极板，在该双极板中垂直形成多个燃料路径孔，通过这些燃料路径孔供应或者排放燃料，并且在该双极板上形成与燃料路径孔连通并且流过燃料的流动通道，所述双极板包括：连接到所述燃料路径孔的总管和与总管相连的多个支管；与每一支管相连的入口或出口；以及连接到相应入口和出口、彼此平行的多条流动通道。
根据本发明的又一方面，提供一种液体式直接燃料电池的电池堆，在该电池堆中，堆叠有多个膜电极组件(MEAs)，这些膜电极组件具有设置在电解质膜两侧的阳极和阴极，这些组件被插入多个双极板之间，所述双极板包括：在垂直方向上形成的多个燃料路径孔，通过这些燃料路径孔向阳极或阴极供应燃料或者从阳极或阴极排放燃料；与所述燃料路径孔相连的总管；以及从该总管连出的多条流动通道；其中，所述流动通道相等地被分为多组，每组流动通道形成S形流动路径，并且各流动通道的长度基本相等。
根据本发明再一方面，提供一种液体式直接燃料电池的电池堆，在所述电池堆中，堆叠有多个膜电极组件(MEAs)，这些膜电极组件具有设置在电解质膜两侧的阳极和阴极，这些组件被插入多个双极板之间，所述双极板包括：在垂直方向上形成的多个燃料路径孔，通过这些燃料路径孔向阳极或阴极供应燃料或者从阳极或阴极排放燃料；与所述燃料路径孔相连的总管；连接到该总管的多个支管；与各支管相连的入口或出口；以及与相应入口和出口相连、彼此平行的多条流动通道。
附图说明
通过参考附图对本发明的示例性实施方式进行详细说明，本发明的上述和其它方面将更加清楚。附图中：
图1是传统的液体式直接燃料电池单电池结构的横截面图；
图2是传统双极板的一表面的平面图；
图3是本发明一实施方式的双极板的平面图；
图4是沿图3中线IV-IV剖切的横截面图；
图5是使用图3所示的双极板的液体式直接燃料电池电池堆的横截面
图；图6是本发明另一实施方式的双极板的平面图。
具体实施方式
下面将参考附图详细说明本发明的双极板和液体式直接燃料电池的电池堆。
图3是本发明一实施方式的双极板的一表面例如上面形成有液体燃料流动路径的表面的平面图，图4是沿图3中线IV-IV剖切的横截面图。
参考图3和4，在双极板100的上表面上形成有流过液体燃料的流动通道110。在双极板100的下表面上形成有流过氧化剂(空气)的流动通道110。流动通道110形成在电极区域102中，该区域内设置有膜电极组件(MEA)(图1中附图标记1)。
流动通道110的入口和出口与总管112连通。总管112与燃料路径孔130a、130b、132a和132b连通，液体燃料或氧化剂通过这些燃料路径孔供应或者排放，而且这些燃料路径孔形成为贯穿双极板100。燃料路径孔130a、130b、132a和132b包括液体燃料的入口130a和出口130b以及氧化剂的入口132a和出口132b。
连接到总管112的流动通道110被分为多组，例如被分成两组，并且在电极区域102中，属于每组的流动通道110的面积相同。属于每组的流动通道110是S形流动路径，并且包括多个直线部分114和多个回转部分116。通过多个直线部分114的流动路径在回转部分116反复结合，并被划分为多个直线部分114。反复使流动路径分开和结合的结构可使每组的流动通道110之间的燃料浓度梯度减小。
图3所示的双极板100的路径长度大约是传统S形流动路径的路径长度的1/2。也就是说，通过在总管112处分成多组可缩短路径长度。因此，由于从总管112的一侧到总管112的另一侧的路径长度减小，所以在电极区域的浓度梯度相应减小。
因为彼此对应的燃料路径孔130a和130b以及132a和132b形成在对角方向上，所以每一流动通道的路径长度基本相同。
在本实施方式中，反复将属于每组的流动通道结合和分开，当然并不局限于这种方式。也就是说，可以独立地形成属于每组的流动通道，如图2所示的流动通道。即，可将流动通道形成为S形流动通道。
在双极板100的每一流动通道中流体的流动速度看上去几乎是均匀的。
图5是使用图3所示的双极板的液体式直接燃料电池的电池堆的横截面图。与图3基本相同的元件使用相同的附图标记，并省略对它们的详细说明。
参考图5，在燃料电池的电池堆中堆叠有多个MEAs，作为导电板的双极板100被设置在这些MEAs之间。阳极142和阴极144被设置在膜140的两侧。端部导电板160a和160b被设置在电池堆的上面和下面。每个上面形成有流动通道(图3中附图标记110)的端部导电板160a和160只有一个表面与MEA接触。端部导电板160a和160b的工作情况和双极板100相同。集流板170a和170b被设置在端部导电板160a和160b的外表面上。之间设有双极板100的MEAs、设置在电池堆上面和下面的端部导电板160a和160b、以及集流板170a和170b用螺钉连接并通过两块固定端板180a和180b彼此固定。
附图标记150是如垫圈之类的密封件。垫圈150可防止来自燃料路径孔130a、130b、132a和132b的液体燃料或氧化剂(空气)和阳极142或阴极144连通。
图6是本发明另一实施方式的双极板的一表面、例如上面形成有液体燃料流动路径的表面的平面图。参考图6，液体燃料流过的流动通道210被形成在双极板200的上表面上。流动通道210被形成在设置有MEA的电极区域202中。
流动通道210被设置为彼此平行并被分成多组，例如分成四组。每组流动通道210的入口和出口连接到入口214和出口216。每一入口214和每一出口216通过支管218与总管212连通。总管212与燃料路径孔230a、230b、232a和232b连通，液体燃料或氧化剂燃料通过这些燃料路径孔供应或者排放，而且这些燃料路径孔被形成为贯穿双极板200。燃料路径孔230a、230b、232a和232b是液体燃料的入口230a和出口230b以及氧化剂的入口232a和出口232b。
支管218分开形成，彼此不连通，而且相应的燃料路径孔230a和230b形成在对角方向上。支管218的长度包括入口214和燃料路径孔230a之间的长度，而且每组的出口216和燃料路径孔230b之间的长度基本相同。
因为图6所示的双极板200的流动路径的长度比传统S形流动路径的长度短，所以电极区域的浓度梯度减小。此外，流动通道中的压力损失减小。
如上所述，在本发明的双极板中，由于电极区域被分为多个部分，流动通道被分为几组，而且流过燃料的流动路径的长度缩短，每一流动通道的流动路径长度几乎相同。再者，流动通道之间的浓度梯度减小，在流动通道中的压力损失也减小。
尽管上面通过本发明的示例性实施方式对本发明作了图示和说明，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的构思和范围的前提下，可对本发明在形式和细节上作出各种改变。

Claims (4)

1.一种用于液体式直接燃料电池的双极板，在所述双极板中垂直形成多个燃料路径孔，通过这些燃料路径孔供应或者排放燃料，在该双极板上还形成有流过燃料的流动通道，所述双极板包括：
与所述燃料路径孔相连的总管；
与所述总管相连的多条流动通道，其中，所述多条流动通道被相等地分为多组流动通道，每组的流动通道形成S形流动路径，并且每一流动通道的长度相等；
其中，每组所述流动通道包括多个平行的直线部分和改变流动路径方向的回转部分，所述多个平行的直线部分在回转部分处结合并被分成多个平行的直线部分。
2.如权利要求1所述的双极板，其中，相应的所述燃料路径孔被设置在对角方向上。
3.一种液体式直接燃料电池的电池堆，在该电池堆中，堆叠了具有设置在电解质膜两侧的阳极和阴极的多个膜电极组件，所述膜电极组件被设置在多个双极板之间，其中，所述双极板包括：
在垂直方向上形成的多个燃料路径孔，通过这些燃料路径孔向阳极或阴极供应燃料或者从阳极或阴极排放燃料；
连接到所述燃料路径孔的总管；及
与所述总管相连的多条流动通道，其中，所述流动通道被相等地分为多组，每组的流动通道形成S形流动路径，并且每一流动通道的长度相同；
其中，每组的流动通道包括多个平行的直线部分和改变流动路径方向的回转部分，所述多个平行的直线部分在回转部分处结合并被分成多个平行的直线部分。
4.如权利要求3所述的液体式直接燃料电池的电池堆，其中，相应的所述燃料路径孔被设置在对角方向上。
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