CN100517846C - 水回收系统和具有该系统的直接液体供给燃料电池 - Google Patents

水回收系统和具有该系统的直接液体供给燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直接液体供给燃料电池的水回收系统，还公开了具有这种水回收系统的直接液体供给燃料电池。所述水回收系统回收在MEA(膜电极组件)的阴极电极处产生的水以供应给阳极电极，该水回收系统包括：位于阴极电极上的第一部件和支撑第一部件的第一支撑板；和位于阳极电极上的第二部件和支撑第二部件的第二支撑板，其中第一部件和第二部件通过形成在MEA的电解质薄膜上的缝隙彼此连接。

Description

水回收系统和具有该系统的直接液体供给燃料电池
技术领域
本发明涉及一种直接液体供给燃料电池的水回收系统，更明确地说，涉及一种用于将在阴极电极产生的水与提供给阳极电极的燃料混合的直接液体供给燃料电池的水回收系统。
背景技术
直接液体供给燃料电池是通过如甲醇或乙醇之类的有机燃料和作为氧化剂的空气中的氧之间的电化学反应发电的设备。由直接液体供给燃料电池产生的电力比能量密度高且电流密度高。同样，因为将如甲醇等液体燃料直接供给燃料电池，直接供给燃料电池不需要如燃料重整器之类的外围装置，并且燃料的储存和供应方便。
如图1所示，直接供给燃料电池的单元电池具有膜电极组件(MEA)结构，该膜电极组件结构具有夹在阳极电极2和阴极电极3之间的电解质膜1。阳极和阴极电极2和3分别包括用于供应和扩散燃料的扩散层22和32、上面发生燃料氧化和还原反应的催化剂层21和31、以及电极支撑层23和33。附图标记4表示导电板，该导电板包括使供给阳极和阴极电极2和3的燃料流过的流动通道41和42。
作为采用甲醇和水的混合物的直接液体供给燃料电池的直接液体供给燃料电池(DMFC)的电极反应包括如下所述的燃料被氧化的阳极反应及氢和氧被还原的阴极反应。
【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)
在燃料被氧化(反应1)的阳极电极2处，产生一二氧化碳、六氢离子和六电子。所产生的氢离子通过电解质膜1迁移到阴极电极3。在阴极电极3处氢离子、通过外电路转移的电子和氧之间发生还原反应(反应2)产生水。因此，在DMFC的总电化学反应中，通过甲醇和氧之间的反应(反应3)产生水和二氧化碳。
由DMFC的单元电池产生的理论电压约为1.2V。然而，由于活化过载(active surcharge)和电阻过载(resistamce surcharge)引起的压降使得环境温度和大气压力下的开路电压降到1V以下。实际上，实际工作电压处于0.3-0.7V的范围内。因此，为了获得更高的电压，必须串联连接多个单元电池。
当使用高浓度燃料时，由于通过电解质膜(例如氢离子交换膜)的燃料的渗透(cross-over)(燃料穿过离子交换膜的现象)，电力输出大大降低。因此，在燃料电池中，使用与该系统中产生的水或已经储存在储水池中的水混合的液体燃料电池，而不采用纯液体燃料。然而，当使用低浓度燃料时，燃料箱的体积很大。而大的燃料箱几乎不能应用于小型燃料电池系统中。
小型移动燃料电池可以是具有多个单元电池的单极式直接液体供给燃料电池。但为了产生高密度电流，可使用如纯甲醇之类的高浓度燃料，并且需要从阴极电极回收水而将稀释的甲醇供给阳极电极的水回收系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于直接液体供给燃料电池的水回收系统。
本发明的另一目的是提供具有这种水回收系统的直接液体燃料电池。
根据本发明的一方面，提供一种直接液体供给燃料电池的水回收系统，该系统回收在MEA(膜电极组件)阴极电极处产生的水以供应给阳极电极，该水回收系统包括：位于阴极电极上的第一部件和支撑第一部件的第一支撑板；和位于阳极电极上的第二部件和支撑第二部件的第二支撑板，其中第一部件和第二部件通过形成在MEA的电解质膜上的缝隙彼此连接，第一和第二支撑板是疏水件且第一和第二部件由多孔材料构成，第一支撑板包括用于通过外部空气的通路，和第二支撑板包括用于通过燃料的通路。
MEA可以包括多个单元电池，所述缝隙可以沿MEA的长度方向形成。
第一部件和第二部件可分别包括相应于所述缝隙的主件和从主件垂直于主件延伸的多个侧件。
每个第一和第二支撑板可以包括用于插入侧件和主件的凹槽，第一支撑板可以包括引导主件的突出的导向部分。
第一支撑板的通路可不与所述凹槽接触。
第二支撑板的通路可不与所述凹槽接触。
该水回收系统还可包括设于第一支撑板上的空气渗透膜，其中，该空气渗透膜允许空气通过，但不允许在阴极电极处产生的水流向外侧。
根据本发明另一方面，提供一种具有所述水回收系统的直接液体供给燃料电池，该燃料电池包括：具有电解质膜的、多个彼此对应地分别形成于电解质膜两侧的阳极电极和阴极电极的MEA；和将从阴极电极回收的水供给MEA的阳极电极的水回收系统，其中，该水回收系统包括：位于阴极电极上的第一部件和支撑第一部件的第一支撑板；位于阳极电极上的第二部件和支撑第二部件的第二支撑板，其中，第一部件和第二部件通过形成于MEA的电解质膜中的缝隙彼此连接，第一和第二支撑板是疏水件且第一和第二部件由多孔材料构成，第一支撑板包括用于通过外部空气的通路，和第二支撑板包括用于通过燃料的通路。
附图说明
通过参考附图对本发明的一些示例性实施方式进行详细描述，本发明的上述及其它特征和优点将更加清晰。附图中：
图1是用于直接液体供给燃料电池的传统单元电池结构的横截面图；
图2是本发明的用于直接液体供给燃料电池的水回收系统的结构示意图；
图3和4分别是本发明一实施方式的具有水回收系统的直接液体供给燃料电池的分解透视图和横截面图；
图5是图3所示的部分透视图。
具体实施方式
下文将参考示出了本发明一些示例性实施方式的附图对本发明进行更全面地描述。
图2是本发明一实施方式的用于直接液体供给燃料电池的水回收系统的结构示意图。参考图2，阳极电极120和阴极电极130分别形成于电解质膜110的两个表面。薄膜110、阳极电极120和阴极电极130构成膜电极组件(MEA)。
水回收单元140和150位于MEA的两侧。在阴极电极130处产生的水流入阴极电极侧的水回收单元150，阴极电极侧的水回收单元150将水供给阳极电极侧的水回收单元140。阳极电极侧的水回收单元140将水供给阳极电极120，此时，水与从燃料箱160通过扩散层(参考图1中的22)分流流经阳极电极侧的水回收单元140的燃料混合，而且水被提供给催化剂层(参考图1中的21)。分流流经阴极电极侧的水回收单元150的外部空气被提供给阴极电极130。
图3和4分别是具有本发明一实施方式的水回收系统的直接液体供给燃料电池的分解透视图和横截面图。图5是图3所示的部分透视图。
参考图3至图5，本发明一实施方式的水回收系统从MEA的阴极电极230回收水并将水供给阳极电极220。该MEA包括多个单元电池，例如十二个单元电池。所述水回收系统包括位于阴极电极230上的第一部件231、支撑第一部件231的第一支撑板236、位于阳极电极220的第二部件221和支撑第二部件221的第二支撑板226。第二部件221和第一部件231彼此连接。
第一和第二部件231和221可由如海绵之类的多孔材料构成，第一和第二支撑板236和226可由疏水材料或经疏水处理的材料构成。MEA的薄膜210具有沿其长度方向的缝隙212。第一部件231通过缝隙112与第二部件221接触。也就是说，通过第一部件231吸收阴极电极230产生的水，第一部件231将吸收的水转移到第二部件221。
第一部件231和第二部件221分别包括与缝隙212对应的主件232和222，和从主件232和222朝向电极延伸的多个侧件233和223。
第一支撑板236包括如多个通气孔237之类的用于流过外部空气的通路和固定主件232的垂直导向部分234。第一支撑板236还包括多个固定侧件233的凹槽235。
第二支撑板236包括如多个孔227之类的用于流过燃料的通路和固定侧件223的凹槽225。孔227不与凹槽225接触。也就是说，从燃料供应点观察，燃料可以不与含有水的第二部件221直接接触。换句话说，可使孔227位于凹槽225之间。
第一支撑板236还可包括如多孔PTFE薄膜之类的空气渗透薄膜260，其允许空气通过但不允许阴极电极230产生的水流向外侧。附图标记270是燃料箱，可将其成形为各种形状，在此省略对其的详细说明。
现在参考图3至图5描述本发明一实施方式的水回收系统的工作情况。
通过空气渗透薄膜260的空气通过形成于第一支撑板236上的通气孔237被提供给阴极电极230。在阴极电极230处产生的水被第一部件231的侧件233吸收并通过第一部件231的主件232和第二部件221的主件222两者转移到第二部件221的侧件223中。然后，水与通过第二支撑板226供应的燃料混合之后被供应给阳极电极220。因此，在本发明的水回收系统中，阴极电极230处产生的水被转移到阳极电极220中，以用于与高浓度燃料混合。
如上所述，因为通过将产生的水转移到阳极电极使得阴极电极产生的水与从燃料箱供应的高浓度燃料混合，因此本发明的直接液体供给燃料电池的水回收系统能够在燃料箱中存储高浓度燃料，借此可使燃料电池最小。
虽然已参考本发明的示例性实施方式具体示出和描述了本发明，但本领域技术人员可以理解，在不超出由所附权利要求限定的构思和保护范围的前提下可在形式和细节方面进行各种变换。

Claims (14)

1.一种直接液体供给燃料电池的水回收系统，其中将在MEA(膜电极组件)的阴极电极处产生的水回收以供应给阳极电极，该水回收系统包括：
位于所述阴极电极上的第一部件和支撑该第一部件的第一支撑板；和
位于所述阳极电极上的第二部件和支撑该第二部件的第二支撑板，其中，所述第一部件和第二部件通过形成在所述MEA的电解质薄膜处的缝隙彼此连接，所述第一和第二支撑板是疏水件且所述第一和第二部件由多孔材料构成，所述第一支撑板包括用于通过外部空气的通路，和所述第二支撑板包括用于通过燃料的通路。
2.如权利要求1所述的水回收系统，其中，所述MEA包括多个单元电池，所述缝隙沿该MEA的长度方向形成。
3.如权利要求1所述的水回收系统，其中，所述第一部件和第二部件分别包括与所述缝隙相应的主件和从该主件垂直于该主件延伸的多个侧件。
4.如权利要求3所述的水回收系统，其中，每个所述第一和第二支撑板包括用于插入所述侧件和所述主件的凹槽，和
所述第一支撑板包括用于引导所述主件的突出的导向部分。
5.如权利要求4所述的水回收系统，其中，所述第一支撑板的通路不与所述凹槽直接接触。
6.如权利要求4所述的水回收系统，其中，所述第二支撑板的通路不与所述凹槽直接接触。
7.如权利要求1所述的水回收系统，其中，还包括位于所述第一支撑板上的空气渗透薄膜，该空气渗透薄膜允许空气通过但不允许所述阴极电极处产生的水流向外侧。
8.一种具有水回收系统的直接液体供给燃料电池，包括：
具有电解质薄膜的、多个彼此对应地分别形成在所述电解质薄膜两侧的阳极电极和阴极电极的MEA；
将从所述阴极电极回收的水供给所述MEA的阳极电极的水回收系统，其中，该水回收系统包括：
位于所述阴极电极上的第一部件和支撑该第一部件的第一支撑板；和
位于所述阳极电极上的第二部件和支撑该第二部件的第二支撑板，其中所述第一部件和第二部件通过形成于所述MEA的电解质薄膜中的缝隙彼此连接，所述第一和第二支撑板是疏水件且所述第一和第二部件由多孔材料构成，所述第一支撑板包括用于流过外部空气的通路，和第二支撑板包括用于通过燃料的通路。
9.如权利要求8所述的直接液体供给燃料电池，其中，所述MEA包括多个单元电池，所述缝隙沿所述MEA的长度方向形成。
10.如权利要求8所述的直接液体供给燃料电池，其中，所述第一部件和第二部件分别包括与所述缝隙相应的主件和多个从该主件垂直于该主件延伸的侧件。
11.如权利要求10所述的直接液体供给燃料电池，其中，每个所述第一和第二支撑板包括用于插入所述侧件和所述主件的凹槽，和
所述第一支撑板包括引导所述主件的突出的导向部分。
12.如权利要求11所述的直接液体供给燃料电池，其中，所述第一支撑板的通路不与所述凹槽直接接触。
13.如权利要求11所述的直接液体供给燃料电池，其中，所述第二支撑板的通路不与所述凹槽直接接触。
14.如权利要求8所述的直接液体供给燃料电池，其中，还包括处于所述第一支撑板上的空气渗透薄膜，该空气渗透薄膜允许空气流过但不允许在所述阴极电极处产生的水流到外侧。
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