CN100463277C - 包括汽相燃料供应设备的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统。更明确地说，在该燃料电池系统中，第一隔离层和缓冲溶液层被设置在液相燃料存储层和膜电极组件的阳极之间。结果，汽相燃料选择性地通过第一隔离层被输送到缓冲溶液层。稀释高浓度燃料以制备处于缓冲溶液层中的低浓度的液相燃料并将低浓度液相燃料供应到膜电极组件。采用被动供应方法向燃料电池系统供应燃料，致使系统小型化且没有不必要的电能消耗，而且整个系统的效率提高。此外，使纯燃料或高浓度燃料水溶液稀释以制备低浓度燃料溶液。结果，整个系统的能量密度高，这种燃料电池可以作为小型且紧凑的电源。若将本燃料电池系统用作便携式电源时，不管燃料电池系统的取向如何其都可工作。

Description

包括汽相燃料供应设备的燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统，更具体地说，涉及一种由于系统效率高而具有高能量密度并且可制作成小尺寸以适合作为小型紧凑电源的燃料电池系统。

本申请要求享有于2005年5月25日和2006年5月10日向韩国知识产权局提交的流水号为10-2005-0044252和10-2006-0041965的韩国专利申请的优先权，这些申请文件的内容全部作为本申请的参考。

背景技术

燃料电池是一种产生能量的系统，其中从氢和氧之间或者从如甲醇、乙醇或天然气之类的烃基材料中所含的氢和氧之间的化学反应直接转换成电能。燃料电池根据其使用的电解质可以分为磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、固态氧化物型燃料电池、聚合物电解质膜燃料电池和碱性燃料电池等。这些燃料电池基于相同的原理工作，但是具有不同的燃料、不同的工作温度、不同的催化剂和不同的电解质。

在这些燃料电池中，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)与其它燃料电池相比具有较好的输出性能、较低的工作温度、较短的启动时间和更快的响应。由于这些优点，PEMFC具有更广泛的应用，包括用于汽车的便携式电源、用于家庭和公共建筑物的独立电源和用于电子装置的小型电源。

在PEMFCs中，具有使用甲醇水溶液作为燃料的直接甲醇燃料电池(DMFC)。DMFC可以在室温下工作并且易于小型化和密封，因此它可作为各种应用范围的能源，例如作为清洁电动机车、家用发电系统、移动通讯设备、医疗设备、军用设备、空间商业设备和便携式电子设备等的电源。

DMFC产生的电功率取决于在阳极和阴极中发生反应的速率。更具体地说，在阳极，1克分子甲醇与1克分子水反应，甲醇被氧化并产生二氧化碳和6个电子，如反应式1所示。

[反应式1]

CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-

由于在反应式1示出的阳极反应中，甲醇与水的理想配比为1:1，反应式1示出的阳极反应需要以适合的比率恒定地供给反应物。实际上，为了完全氧化甲醇，供应的水比根据甲醇与水的理想配比(1:1)的水量大。若甲醇未被完全氧化时，发生反应式2或反应式3所示出的反应，并且发电效率降低。

[反应式2]

CH₃OH+H₂O→HCOOH+4H⁺+4e^-

[反应式3]

CH₃OH→HCHO+2H⁺+2e^-

供应燃料到上述DMFC的方法包括主动供应方法(active supplyingmethod)和被动(passive)供应方法。主动供应方法需要在压力下输送燃料的外部供应单元。从另一点来说，根据被动供应方法，自发地(voluntarily)供应燃料而没有设置这种压力输送装置。

根据主动供应方法，供应到阳极的反应流体的浓度适于通过将纯的甲醇或高浓度甲醇供应到循环回路(recirculation loop)来维持，该循环回路收集阴极反应产生的水并将收集的水供应到阳极。主动供应的优点在于通过使用甲醇筒(cartridge)可提高整个系统的能量密度。另一方面，主动供应方法的缺点在于系统复杂，需要附加设备而导致尺寸增大，而且由于外部供应设备消耗其工作能量而导致功率损耗。更具体地说，主动供应方法不适合由于装置尺寸变小从而也要求电源尺寸变小的当今趋势。

从另一点来说，被动供应方法通过选择适合的元件和适合的结构可达到相同的目标。被动供应方法的最大优点在于系统简单。当然，燃料筒含有水和甲醇，这将导致体积增加。

这个问题可以通过采用被动供应方法供应阴极产生的水来解决，在美国专利2004-209136号中公开了上述方法。也就是说，在膜电极组件的阴极中形成疏水性微孔层，并将阴极中产生的水通过其流体静压输送到阳极。

然而，在这种系统中，由多层形成的单元电池(unit cell)易被流体静压破坏。此外，美国专利2004-209136号没有对稳定地供应和稀释用作燃料的甲醇给出教导。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池系统，其由于系统效率高而具有高能量密度并且可以制备成小尺寸以适合作为小型紧凑的电源。

根据本发明的一个方面，提供的燃料电池系统包括:包括阴极、质子导电膜和阳极的膜电极组件；面向阳极的表面并含有阴极中产生的液相水和汽相燃料的缓冲溶液层；面向缓冲溶液层的表面的第一隔离层；和面向第一隔离层的表面的燃料存储层。

缓冲溶液层可以确保通过混合阴极中产生的液相水和汽相燃料提供预定浓度的甲醇。可根据需要的输出功率控制甲醇的浓度。

缓冲溶液层可以与第一隔离层隔开。此外，第一隔离层可以与燃料存储层隔开。

缓冲溶液层可以含有多孔介质和均匀地分散在多孔介质中的缓冲溶液。

多孔介质的孔隙直径分布可以是双峰型。双峰分布的第一峰位于1nm和10μm之间，而双峰分布的第二峰位于10μm至10mm之间。

多孔介质可以是亲水性的。

第一隔离层的孔隙直径可以为0.001μm至50μm。第一隔离层的厚度可以在1μm至500μm的范围内。此外，第一隔离层可以与缓冲溶液层隔开。

第一隔离层由可使汽相甲醇比水更快地通过的材料制成。甲醇相对于第一隔离层的扩散系数至少是水相对于第一隔离层的扩散系数的三倍。第一隔离层可以是包括具有不同孔隙率和孔隙尺寸或气体渗透率的至少两层的层压体。可将各层压层隔开。

燃料可以是甲醇，甲醇的浓度可以在0.5至5M的范围内。

附图说明

通过参照附图对本发明示例性实施方式的详细描述，本发明的上述和其它特征和优点将更加清晰。附图中:

图1是本发明一实施方式的燃料电池系统的重要元件的示意图；

图2A至2C是形成于本发明一实施方式的多孔介质中的通道结构的示意图；

图3是形成于本发明一实施方式的多孔介质中的凹-凸结构的示意图；

图4是本发明一实施方式的燃料电池系统的分解横截面图；

图5是本发明一实施方式的燃料电池系统的横截面图；

图6是本发明另一实施方式的燃料电池系统的横截面图；

图7是本发明另一实施方式的包括集流体的燃料电池系统的横截面图；

图8的曲线示出了实例1至3和比较例的燃料电池系统的性能测试结果。

具体实施方式

现在参照附图更加全面地描述本发明。

本发明一实施方式的燃料供应设备包括膜电极组件10、缓冲溶液层21、第一隔离层30和燃料存储层41(参见图1)。缓冲溶液层21面向膜电极组件10的阳极表面。第一隔离层30面向缓冲溶液层21的表面。燃料存储层41面向第一隔离层30的表面。

燃料以液态存储在燃料存储层41中。当燃料供应设备工作时，液相燃料汽化并扩散到第一隔离层30。燃料存储层41可与第一隔离层30物理隔离，以防止液相燃料通过第一隔离层30流入缓冲溶液层21。

也就是说，存储在燃料存储层41中的液相燃料被转换成汽相燃料，然后，汽相燃料通过第一隔离层30到达缓冲溶液层21。

当液相燃料流入缓冲溶液层21时，燃料过多地供应到缓冲溶液层21。因为高浓度燃料导致如催化剂迅速中毒和甲醇渗透之类的不期望的后果，这种过多的供应是不期望的。

燃料存储层41本身可以是具有自由表面的液相燃料，或者可以形成为使液相燃料均匀地分散在多孔介质中。当然，燃料存储层41不限于此。若液相燃料均匀地分散在多孔介质中时，无论整个系统的取向如何都可以稳定地供应燃料。

此外，燃料存储层41可以容纳在燃料筒40中以便于处置。在这种情况下，燃料筒40的上部面向第一隔离层30的表面，而且燃料筒40可以具有使被汽化的燃料通过的开口42。

此外，在燃料筒40和第一隔离层30之间还可以形成液体传送介质。该液体传送介质可以是任何允许液体比气体更快通过的材料。该液体传送介质可以形成在薄隔膜(thin membrane)中以便使用。

燃料存储层41可以含有例如泡沫材料之类的多孔介质，以使得不管整个系统的取向如何都能稳定地存储液相燃料。在这种情况下，对燃料没有限制，其可以是在阳极与水反应产生电子和质子的任何材料。燃料可以是氢、甲醇、乙醇、其它碳氢化合物材料或这些材料的混合物、或这些材料的水溶液，但不局限于此。若本发明此实施方式的燃料电池系统是直接甲醇燃料电池(DMFC)，燃料可以是纯甲醇或高浓度甲醇水溶液。高浓度甲醇水溶液指的是浓度为5M或更高的甲醇水溶液。

第一隔离层30将汽相燃料输送到缓冲溶液层21，并阻止缓冲溶液层21中的水流入燃料存储层41中。对形成第一隔离层30的材料没有限制，其可以是允许燃料比水更快通过的任何材料。形成第一隔离层30的材料可以是微孔元件。例如，甲醇相对于第一隔离层30的扩散系数至少是水相对于第一隔离层30的扩散系数的三倍。若甲醇相对于第一隔离层30的扩散系数小于水相对于第一隔离层30的扩散系数的三倍，甲醇相对水的选择性不够，于是水会流入燃料存储层41中。

第一隔离层30可以是由Nafion 112、115或117或者Teflon制成的多孔层，但不限于此。

第一隔离层30的孔隙直径可以在0.001μm至50μm的范围内。第一隔离层30的孔隙直径分布可以是双峰。例如，双峰分布的第一峰可以位于0.001μm和0.05μm之间，双峰分布的第二峰可以位于1μm和50μm之间。或者，第一隔离层30可以具有第一层和第二层的堆叠结构，第一层具有0.001μm至0.05μm的平均孔隙尺寸，而第二层具有1μm至50μm的平均孔隙尺寸。

若第一隔离层30的孔的平均直径小于0.001μm，燃料很难通过第一隔离层30。若第一隔离层30的孔的平均直径大于50μm，高浓度的燃料快速扩散，从而降低了电极的效率，而且水容易流入燃料存储层41中。这样就很难将缓冲溶液层21中的燃料浓度维持在低水平。

第一隔离层30的厚度可以在1至500μm的范围内。若第一隔离层30的厚度小于1μm，第一隔离层30容易断裂，因此需要对其谨慎处置。若第一隔离层30的厚度大于500μm，较难输送燃料，从而降低了燃料电池系统的性能。

如上所述，第一隔离层30可与缓冲溶液层21隔开。当第一隔离层30与缓冲溶液层21隔开时，可以防止缓冲溶液层21中含有的液相水通过第一隔离层30输送到燃料存储层41中。当液相水到达燃料存储层41时，燃料的浓度降低，于是，打破了燃料供应的平衡，因此，整个系统可能变得不稳定。

通常，在供应到膜电极组件之前对用作DMFC的燃料的甲醇进行稀释。当供应高浓度甲醇时，由于缺少可防止电极上的催化剂吸收甲醇氧化时产生的CO的水，导致催化剂很快中毒。此外，当供应高浓度甲醇时，未反应的甲醇穿过膜电极组件的隔膜，致使整个燃料电池系统的效率降低并使阴极的催化剂中毒。

为了供应根据上述原因需要的低浓度的燃料水溶液，形成了缓冲溶液层21。缓冲溶液层21将通过第一隔离层30输送的汽相燃料转换成液相，以制备低浓度的燃料混合物。

通过使进入缓冲溶液层21中的汽相燃料与缓冲溶液层21的液体表面扩散碰撞，使得汽相燃料转换成液相燃料。也就是说，缓冲溶液层21可以含有汽相燃料和阴极中产生的液相水。

当启动燃料电池系统时，缓冲溶液层21可以是纯水或低浓度的燃料混合物。然而，在这种情况下，燃料扩散到膜电极组件10需要较长的时间。结果，在启动操作期间，可使用低浓度的燃料混合物而不是纯水。

缓冲溶液层21本身可以是具有自由表面的液体，或者可以形成为均匀分散在多孔介质中的液态燃料水溶液。当然，缓冲溶液层21不局限于此。如果液相燃料溶液均匀分散在多孔介质中，不管整个系统的取向如何都可以稳定地供应燃料。

此外，缓冲溶液层21可以容纳在缓冲溶液筒20中以便于处置。在这种情况下，缓冲溶液筒20的上部可以完全敞开，使得容纳的缓冲溶液层21与阳极表面充分接触，缓冲溶液筒20的下部可以具有开口22，使得已经通过第一隔离层30的燃料顺畅地输送到缓冲溶液层21。此外，缓冲溶液筒20可以具有CO₂排气孔23，致使可顺畅地排出在阳极上发生反应产生的CO₂。

多孔介质可以是亲水性的。因为缓冲溶液层21既作为燃料供应体又作为CO₂排气孔23，多孔介质的孔径分布可以是宽阔型(broad)或双峰型。

也就是说，尽管由于大的毛细压力优选小孔供应燃料水溶液，但是很难通过均匀分布的小孔排出CO₂。也就是说，由于小孔具有的毛细压力高，因此主要通过小孔供应燃料水溶液，由于大孔具有比小孔低的毛细压力，通过大孔排出CO₂。考虑到小孔和大孔的这些性质，双峰分布的第一峰位于1nm和10μm之间，而双峰分布的第二峰位于10μm和10mm之间。

多孔介质可以是无机氧化物材料、聚合物材料、及其组合物(compound)之一。

无机氧化物材料可以是二氧化硅(SiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)、二氧化钛(TiO₂)、氧化锆(ZrO₂)、及其组合物之一，但不限于此。

聚合物材料可以是含有羟基、羧基、胺基或磺基的聚合树脂；以聚乙烯醇为基的聚合树脂；以纤维素为基的聚合树脂；以聚乙烯胺为基的聚合树脂；以聚环氧乙烷为基的聚合树脂；以聚乙二醇为基的聚合树脂；以尼龙为基的聚合树脂；以聚丙烯酸酯为基的聚合树脂；以聚酯为基的聚合树脂；以聚乙烯基吡咯烷酮为基的聚合树脂；以乙烯乙酸乙烯酯为基的聚合树脂；以聚乙烯为基的聚合树脂；以聚苯乙烯为基的聚合树脂；以氟树脂为基的聚合树脂(flurine-based polymer resin)；以聚丙烯为基的聚合树脂；以聚甲基丙烯酸甲酯为基的聚合树脂；以聚酰亚胺为基的聚合树脂；以聚酰胺为基的聚合树脂；以聚对苯二甲酸乙二醇酯为基的聚合树脂；及其组合物之一，但不限于此。

多孔介质的孔隙可具有的平均直径为0.01至10μm。若平均直径小于0.01μm，甲醇不能充分扩散，因而可导致燃料电池性能恶化。若平均直径大于10μm，甲醇的供应和消耗之间不能维持平衡。

通过将甲醇的迁移率调节到0.8×10^-6g/cm²·sec至4×10^-6g/cm²·sec可对多孔介质的孔隙率和曲率进行调节。此处，曲率表示孔隙中的弯曲或扭曲程度，可通过两随机点之间分子运动的实际距离除以该两点之间的直线距离计算曲率。也就是说，若曲率为一，孔是直的，曲率越大，孔越弯曲。

所述多孔介质的厚度为0.01mm至10mm。若厚度小于0.01mm，由于多孔介质的机械强度低，不容易对多孔介质进行处置。若厚度大于10mm，燃料电池系统的体积太大。

多孔介质具有处于与阳极的所述表面接触的表面中的CO₂排出通道。根据燃料电池系统的尺寸，通道可以具有各种形状和结构，而对它们没有具体限制。例如，通道可以具有如图2A至2C所示的形状，当然并不限于此。

此外，多孔介质可以具有处于与第一隔离层的所述表面接触的表面中的花纹。所述花纹可扩大使来自缓冲溶液层的燃料流过的有效表面积，并缩短供给燃料的路径。花纹可以具有其中在多孔介质的表面上形成有岛状物的结构或其中部分地形成有凹进部分的凹-凸结构。例如，花纹可以具有图3所示的形状，当然并不限于此。

下面将描述缓冲溶液层21的工作原理。

当缓冲溶液层21中的甲醇浓度较低时，通过第一隔离层30供应到缓冲溶液层21的甲醇量比从缓冲溶液层21输送到膜电极组件10的甲醇量大。结果，缓冲溶液层21中的甲醇浓度增高。从另一点来说，当缓冲溶液层21中的甲醇浓度高时，由于膜电极组件10的活性反应，从缓冲溶液层21输送到膜电极组件10的甲醇量大于通过第一隔离层30供应到缓冲溶液层21的甲醇量。结果，缓冲溶液层21中的甲醇浓度降低。通过上述的这种自身调节(selfregulation)，缓冲溶液层21中的甲醇浓度维持在稳定状态。即，使阴极产生的液相水和汽相燃料混合，致使甲醇具有预定浓度。

在低浓度燃料溶液中，燃料的浓度可以处于正常状态下的0.5至5.0M的范围。若燃料的浓度小于0.5M，膜电极组件10需要花费很长的时间通过上述自身调节来产生预定水平或更多的电能。若燃料的浓度大于5.0M，燃料电池系统的性能降低。也就是说，这种高浓度燃料带来了如催化剂迅速中毒和甲醇渗透之类的不期望的影响。

燃料电池最初工作时可以仅使用供应到缓冲溶液层21的水。然而，为了在缓冲溶液层21中维持恒定的甲醇浓度，供应到缓冲溶液层21的水与在阳极发生的反应中消耗的水量一样多。对将水供应到缓冲溶液层21的方法没有限制，可以采用本领域公知的任何常规方法。例如，收集在阴极产生的水并通过设置在电极外侧的水循环通道将其循环到缓冲溶液层21。或者，在阴极形成疏水性膜并借助于积聚在阴极中的阴极所生成的水产生的流体静压力使阴极中生成的水通过电解质膜朝阳极扩散。

通过上述方法，可以控制缓冲溶液层21中的燃料。更具体地说，可以用阴极中产生的液相水将甲醇的浓度调节到预定水平。此外，可根据输出功率和外部负载电路的要求通过控制水量调节燃料的浓度。

通过毛细压力将缓冲溶液层21中的燃料水溶液输送到与缓冲溶液层21紧密接触的膜电极组件10的阳极。为了便于均匀地供应燃料，还可以在缓冲溶液层21和阳极之间形成液体传送介质。液体传送介质可以是允许液体比气体更快通过的任何介质，但不限于此。可将液体传送介质形成在薄隔膜中。

膜电极组件10包括阴极、阳极和设置在它们之间的质子导电膜。对质子导电膜和电极(阴极和阳极)的材料、形状和制备方法都没有限制，可以使用本领域公知的任何方法。已经从缓冲溶液层21输送的燃料水溶液与阳极的催化剂接触并通过反应式1示出的化学反应产生电能。

下面将参照图4和5描述本发明一实施方式的燃料电池系统。为了迅速、清楚地理解，夸大了图1至7中示出的燃料电池系统的尺寸。

参照图4，可将燃料存储层41放置在燃料筒40中。

参照图5，燃料筒40可以具有在其上部的上盖43，以将燃料存储层41与第一隔离层30隔开。上盖43可以具有开口42，以允许输送被汽化的燃料。具有开口42的上盖43可以是具有开口或网孔的平板，该平板基本上将燃料存储层41与第一隔离层30物理隔开。当然，上盖43可以具有将被汽化的燃料输送到第一隔离层30的任何结构，而不限于此。

第一隔离层30可以接触并被附着到形成有开口42的燃料筒40的上盖上。缓冲溶液筒20可以接触并被附着到与燃料筒40接触的第一隔离层30的上表面上。

此外，如图4所示，缓冲溶液筒20可容纳缓冲溶液层21。缓冲溶液筒20的下部可将缓冲溶液层21和第一隔离层30隔开。在这种情况下，缓冲溶液筒20的下部可以具有开口22，以输送已经通过第一隔离层30的燃料。具有开口22的缓冲溶液筒20的下部可以是具有孔或网孔的平板，该平板基本上将缓冲溶液层21与第一隔离层30物理隔开。缓冲溶液筒20的下部可具有使得已通过第一隔离层30的燃料可移动到缓冲溶液层21的任何结构，而不限于此。

如图5所示，缓冲溶液层21可以面向膜电极组件10，具体地说，面向膜电极组件10的阳极。膜电极组件10的阴极可以采用具有空气供应口的平板进行保护。

可以采用适合的结合手段将上述组合的各层结合在一起。

下面将参照图6描述本发明的另一实施方式的燃料电池系统。

燃料筒40和第一隔离层30可以与前述实施方式中的相同。但在燃料筒40和第一隔离层30之间还可形成第二隔离层50。第二隔离层50保持第一隔离层30的形状，并与第一隔离层30一起控制燃料供应的速率。

对形成第二隔离层50的材料没有限制，其可具有直径为1μm至10μm的孔。若第二隔离层50的平均孔径小于1μm，被汽化的燃料很难通过第二隔离层50。另一方面，若第二隔离层50的平均孔径大于10μm，可能很难控制燃料的供应速率。

缓冲溶液筒20可以与前述实施方式中的相同，而且可以附加包括CO₂排气孔23。

可将CO₂排气孔23形成在缓冲溶液筒20的侧部，如果需要，可以形成多个CO₂排气孔23。CO₂排气孔23可以只形成在一侧部上或者形成在多个侧部上。可将CO₂排气孔23的直径形成为能使气相CO₂通过而液相缓冲溶液不泄漏。CO₂排气孔23可以具有0.01至0.5mm的直径。直径小于0.01mm的CO₂排气孔23很难制备。若CO₂排气孔23的直径大于0.5mm时，液相缓冲溶液可能泄漏。

在本发明此实施方式的燃料电池系统中，可在不与常规结构的质子导电膜接触的各电极的表面上形成集流体。或者参照示出了本发明另一实施方式的燃料电池系统的图7，可将集流体12a和12b分别设置在质子导电膜11和阴极14之间以及质子导电膜11和阳极13之间。集流体12a和12b收集电极中产生的电流并将收集到的电流输送到外电路。对形成集流体的材料没有限制，它可以是传导电流并抗腐蚀的任何材料。

可将集流体12a和12b设置在质子导电膜和电极之间，因为由于反应物的浓度大，产生电流的最活跃的电化学反应发生于质子导电膜11和电极之间，于是，可以最有效地收集产生的电流。

此外，可以预先利用多孔介质使高浓度甲醇以液相形式扩散到燃料存储层41和第二隔离层50中。

采用被动供应方法向本发明此实施方式的燃料电池系统供应燃料，因此，该系统小巧且没有不必要的电能消耗。结果，整个系统的效率高。此外，使用纯燃料或高浓度燃料水溶液，使得整个系统的能量密度高。所以，燃料电池可以作为小型、紧凑的供电电源。再者，以汽态形式提供液相燃料，因此，不管整个系统的取向如何都可以供应燃料。因此，本燃料电池系统可以用于便携式电源中。

下面参照实例更详细地描述本发明。这些实例仅是示意性的，而不是对本发明范围的限制。

实例1

将均匀分散纯甲醇的多孔泡沫放置在燃料筒中，所得到的燃料筒由上盖密封。在这种情况下，用

作为多孔泡沫，并将具有0.8mm宽的线性开口的丙烯板用作上盖。

然后，将具有200nm直径的孔隙的第二隔离板放置在密封的燃料筒上，随后将由Nafion 117形成的第一隔离层放置在其上。

接下来，将含有缓冲溶液的缓冲溶液筒放置在第一隔离层上。在这种情况下，将1M甲醇水溶液用作缓冲溶液，并使缓冲溶液均匀地分散在碳布上。将所得到的碳布放置在缓冲溶液筒中。将四个0.4mm直径的CO₂排气孔分别形成在缓冲溶液筒的四个侧部中。此外，在缓冲溶液筒的下部形成0.8mm宽的线性开口以使被汽化的燃料能够通过。

将采用本领域公知的常规方法制备的膜电极组件放置在燃料筒、第二隔离层/第一隔离层和上述制备的缓冲溶液筒的多层堆叠体上。膜电极组件的质子导电膜由Nafion 117形成，用Pt/Ru合金催化剂作为阳极催化剂，用Pt/Al合金催化剂作为阴极催化剂。

用具有5mm直径的圆形开口的丙烯板覆盖在上方沉积的膜电极组件，以保护膜电极组件并顺畅地供应空气。

测量按以上方式制备的燃料电池的电功率密度与时间的关系，其结果示于图8中。

实例2

除了使用3M甲醇水溶液作为缓冲溶液外，以与实例1相同的方法制备燃料电池。

测量按以上方式制备的燃料电池的电功率密度与时间的关系，其结果示于图8中。

实例3

除了使用通过层压Nafion 112和45μm厚的具有5500g/m²/24hr的气体渗透率的Teflon多孔层形成的层压体作为第一隔离层外，以与实例1相同的方法制备燃料电池。

测量按以上方式制备的燃料电池的电功率密度与时间的关系，其结果示于图8中。

对比例

制备燃料电池系统，使实例1中使用的膜电极组件的阳极直接接触甲醇水溶液。

首先，使膜电极组件的阳极取向朝上，用具有5mm直径的圆形开口的丙烯板覆盖阴极，以保护膜电极组件并顺畅地供应空气。然后，使含有3M甲醇水溶液的燃料筒直接接触阳极的上部，致使将甲醇水溶液直接供应到阳极。在这种情况下，燃料筒没有上盖。

测量按以上方式制备的燃料电池的电功率密度和时间的关系，其结果示于图8中。

参照图8，在初始工作过程中，按对比例制备的燃料电池呈现出比按实例1至3制备的燃料电池高的电功率密度。但是，按对比例制备的燃料电池的电功率密度随着时间显著降低。例如，当燃料电池工作1小时或少于1小时时，该燃料电池的电功率密度显著降低。

也就是说，在最初的工作过程中，顺利地供应高浓度甲醇，使得反应能快速进行。据此，随着膜电极组件的温度提高，电功率密度也增加。然而，由于膜电极组件中毒，燃料电池的电功率密度突然降低，由于甲醇的渗透，阳极反应所需的水浓度降低，致使效率降低。

从另一角度来看，尽管在最初的工作过程中按实例1至3制备的燃料电池比按对比例制备的燃料电池的电功率密度低，但它们在长时间使用中具有恒定的电功率密度。当系统启动时，膜电极组件的温度随着反应的进行而提高，反应速度增加，电功率密度也增加。之后，由于放热反应产生的热量与相对于周围环境的冷却速率平衡，自身调节了甲醇的供应。结果，可获得恒定的电功率密度。

尽管已参照本发明的示例性实施方式具体示出并描述了本发明，本领域技术人员应理解在不超出由所附权利要求限定的本发明的构思和范围的前提下，可对本发明的形式和细节作出各种变换。

Claims (38)

1.一种燃料电池系统，包括：

包括阴极、质子导电膜和阳极的膜电极组件；

面向所述阳极的表面并含有所述阴极中产生的液相水和汽相燃料的缓冲溶液层；

面向所述缓冲溶液层的表面的第一隔离层；及

面向所述第一隔离层的表面的燃料存储层，

其中，所述第一隔离层的孔的直径分布呈双峰型。

2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述缓冲溶液层中含有的燃料浓度是可控制的。

3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，根据需要的电功率控制所述缓冲溶液层中含有的液相水量。

4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述缓冲溶液层与所述第一隔离层隔开。

5.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述第一隔离层与所述燃料存储层隔开。

6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述缓冲溶液层含有多孔介质和均匀分布在所述多孔介质中的缓冲溶液。

7.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中，所述多孔介质的孔的直径分布是双峰型的。

8.如权利要求7所述的燃料电池系统，其中，所述多孔介质的孔的直径分布具有位于1nm和10μm之间的第一峰和位于10μm和10mm之间的第二峰。

9.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中，所述多孔介质是亲水性的。

10.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中，所述多孔介质选自由无机氧化物材料、聚合物材料、及其组合物组成的组中的材料。

11.如权利要求10所述的燃料电池系统，其中，所述无机氧化物材料选自由SiO₂、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂及其组合物组成的组中的材料。

12.如权利要求10所述的燃料电池系统，其中，所述聚合物材料为含有羟基、羧基、胺基或磺基的聚合树脂。

13.如权利要求10所述的燃料电池系统，其中，所述聚合物材料选自由以聚乙烯醇为基的聚合树脂；以纤维素为基的聚合树脂；以聚乙烯胺为基的聚合树脂；以聚环氧乙烷为基的聚合树脂；以聚乙二醇为基的聚合树脂；以尼龙为基的聚合树脂；以聚丙烯酸酯为基的聚合树脂；以聚酯为基的聚合树脂；以聚乙烯基吡咯烷酮为基的聚合树脂；以乙烯乙酸乙烯酯为基的聚合树脂；以聚乙烯为基的聚合树脂；以聚苯乙烯为基的聚合树脂；以氟树脂为基的聚合树脂；以聚丙烯为基的聚合树脂；以聚甲基丙烯酸甲酯为基的聚合树脂；以聚酰亚胺为基的聚合树脂；以聚酰胺为基的聚合树脂；以聚对苯二甲酸乙二醇酯为基的聚合树脂；及其组合物组成的组中的材料。

14.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中，所述多孔介质孔隙的平均直径为0.01μm至10μm。

15.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中，通过将甲醇的迁移率调节到0.8×10^-6g/cm²·sec至4×10^-6g/cm²·sec调整所述多孔介质的孔隙率和曲率。

16.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中，所述多孔介质的厚度为0.01mm至10mm。

17.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中，所述多孔介质具有处于与所述阳极的所述表面接触的表面中的CO₂排出通道。

18.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中，所述多孔介质具有处于与所述第一隔离层的所述表面接触的表面中的花纹。

19.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述缓冲溶液层被容纳在缓冲溶液筒中；

所述缓冲溶液筒的上部完全敞开，使整个缓冲溶液层与所述阳极的所述表面接触；及

所述缓冲溶液筒的下部面向所述第一隔离层的所述表面。

20.如权利要求19所述的燃料电池系统，其中，还包括设置在所述缓冲溶液层和阳极之间的液体传送介质。

21.如权利要求19所述的燃料电池系统，其中，所述缓冲溶液筒具有CO₂排气孔。

22.如权利要求19所述的燃料电池系统，其中，在所述缓冲溶液筒的下部中形成有开口。

23.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述第一隔离层的孔的直径为0.001μm至50μm。

24.如权利要求23所述的燃料电池系统，其中，所述第一隔离层的孔的直径分布具有位于0.001μm和0.05μm之间的第一峰和位于1μm和50μm之间的第二峰。

25.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述第一隔离层的厚度在1至500μm的范围内。

26.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述第一隔离层使甲醇比水更快地通过，使气体比液体更快地通过。

27.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，甲醇相对于所述第一隔离层的扩散系数至少是水相对于所述第一隔离层的扩散系数的三倍。

28.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述第一隔离层是包括具有不同孔隙率和气体渗透率的至少两层的层压体。

29.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述燃料存储层包括多孔介质和均匀分散在所述多孔介质中的燃料。

30.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述燃料存储层被容纳在面向所述第一隔离层的表面的燃料筒中。

31.如权利要求30所述的燃料电池系统，其中，还包括设置在所述燃料筒和第一隔离层之间的液体传送介质。

32.如权利要求30所述的燃料电池系统，其中，所述燃料筒具有处于与所述第一隔离层的所述表面接触的表面中的开口。

33.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，还包括设置在所述第一隔离层和燃料存储层之间的第二隔离层。

34.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述燃料是甲醇。

35.如权利要求34所述的燃料电池系统，其中，在所述缓冲溶液层中的甲醇浓度在0.5至5M的范围内。

36.如权利要求34所述的燃料电池系统，其中，在所述燃料存储层中含有的燃料是纯甲醇。

37.如权利要求34所述的燃料电池系统，其中，在所述燃料存储层中含有的燃料是浓度为5M或更高的高浓度甲醇。

38.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，在所述阴极和质子导电膜之间形成有阴极集流体，在所述阳极和质子导电膜之间形成有阳极集流体。

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