CN100573987C - 直接供液燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种直接供液燃料电池系统，其包括：外壳；燃料电池堆，其在所述外壳内，在其中基本上垂直地形成空气流动通道；及第一风扇，其在所述外壳和所述空气流动通道的上部之间供应空气；其中所述燃料电池堆朝着第一风扇向下倾斜地进行安装。

Description

直接供液燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种直接供液(direct liquid feed)燃料电池系统，其具有紧凑的空气供应管线并具有燃料电池堆冷却装置。
背景技术
直接供液燃料电池是通过在例如甲醇或乙醇的有机燃料和氧化剂，即氧气之间的电化学反应而发电的设备。由直接供液燃料电池所发的电具有高比能密度(specific energy density)及高电流密度。同样，由于例如甲醇的液体燃料被直接供入到阳极电极，直接供液燃料电池不需要外围设备，例如燃料重整器，并且液体燃料容易储存和供应。
图1为一种直接供液燃料电池的剖面图。参考图1，直接供液燃料电池具有在阳极2和阴极3之间插入电解膜1的结构。阳极2包括用于供应和扩散燃料的扩散层22、催化剂层21，在该处燃料发生还原反应、以及电极支持层23。阴极3也包括用于供应和扩散氧化剂的扩散层32、催化剂层31，在该处燃料发生还原反应、以及电极支持层33。电极反应的催化剂由贵金属来形成，其在低温下具有良好的催化特性，例如铂，并且避免由CO导致的催化剂中毒，CO是电极反应的副产品，可以使用由例如钌、铑、锇或镍的过渡金属的合金形成催化剂。电极支持层23和33可以由防水的碳纸(carbonpaper)或防水的碳纤维制造，以易于供应燃料和排出反应的产物。该电解膜1为氢离子交换膜，其具有离子传导性并且可以含有水份，并且可以为具50到200μm厚度的聚合物膜。
作为一种直接供液燃料电池，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和氧被还原的阴极反应，如下面所述。
[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       (总体反应)
在阳极2处燃料被氧化(反应1)，产生二氧化碳、氢离子、和电子。氢离子穿过电解膜1迁移到阴极电极3。由于在氢离子、由外部电路传输的电子、及在阴极3的氧之间的还原反应(反应2)而产生水。因此，在甲醇和氧之间的总体电化学反应(反应3)的结果产生了水和二氧化碳。当一个摩尔的甲醇与氧反应时产生两个摩尔的水。
用在燃料电池中的液体燃料可以是纯甲醇和水的混合物，水由系统自身产生的或是已经储存在燃料电池中。当使用高浓度的燃料时，由于燃料要穿越电解膜(氢离子交换膜)而使燃料电池的性能大幅下降。因此，一般将甲醇稀释到低浓度进行使用，例如0.5到2M(2到8体积％)。
由DMFC电池单元产生的理论上的电压大致为1.2伏特。但是，由于有功过压和电阻过压导致的电压降，在环境温度和大气压力下的开放电路中的电压小于1伏特。实际上，实际操作的电压大致在0.4到0.6伏特的范围内。因此，为了获得更高的电压，要将多个单元电池串联在一起。可以将单元电池连接为单极结构的形式，其中多个单元电池被布置在一个电解膜上，或者被布置为堆叠结构，其中多个单元电池被堆叠。
燃料电池可以用做移动电子装置的电源，例如笔记本电脑的电源。用于移动电子装置的燃料电池要求紧凑的结构。在另一方面，燃料电池一般由于电极反应及某些原因会产生许多热量，燃料电池的温度可能会达到70℃。但是，为了在电子装置中使用燃料电池，要求燃料电池的温度下降到低于60℃。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直接供液燃料电池系统，其具有用于将空气供应到阴极的紧凑的空气供应管线。
本发明还提供一种直接供液燃料电池系统，其具有用于消散由于燃料电池系统产生的热量的冷却装置。
根据本发明的一方面，提供一种直接供液燃料电池系统，其包括：外壳；在该外壳中的燃料电池堆，在其中基本上垂直地形成空气流动通道；及在外壳和空气流动通道的上部之间供应空气的第一风扇；其中燃料电池堆朝着第一风扇向下倾斜地进行安装。
该直接供液燃料电池系统还包括布置在外壳中以通过燃料电池堆而与第一风扇相对的出口，其中流过空气通道的空气在流过燃料电池堆的下部和所述外壳之间的空间后通过所述出口被排放到外部。
所述直接供液燃料电池系统还可以包括用于冷却燃料电池堆的冷却装置。
所述冷却装置可以包括形成在外壳下部的相对于燃料电池堆的区域的冷却肋片。
所述直接供液燃料电池系统还可包括用于冷却所述冷却肋片的第二风扇。
在所述出口和第二风扇之间可以形成空气通路并且可以与所述冷却肋片连接，并且从第二风扇供应的空气可以经过所述空气通路冷却所述出口。
附图说明
通过在示例性实施例中的详细描述并参考附图，本发明的上述和其它特性和优点将变得更加明显，在附图中：
图1为直接供液燃料电池的剖视图；
图2为根据本发明的实施例的直接供液燃料电池系统的示意图；
图3和4为根据本发明的实施例的直接供液燃料电池系统的透视图；
图5和6为图2的直接供液燃料电池的双极板(bipolar plate)的透视图；及
图7为图3的直接供液燃料电池系统的侧视图。
具体实施方式
下面将参考附图对本发明进行详细的描述，其中显示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系统的示意图。
参考图2，用于还原反应的空气被从第一风扇140供应到燃料电池堆110的阴极，并且已经通过阴极的空气被从所述燃料电池堆110中与由于阴极反应而产生的水一起被排放。离开燃料电池堆110的空气温度大致为70℃，并且包括水蒸汽。当排放所述空气和水的管线141被第二风扇142冷却时，被排放的带有水蒸汽的空气的温度被降低到60℃以下，并且因此一部分水蒸汽凝结为水。凝结的水与在阴极产生的水一起被阳极燃料供应管线147收集。储存在燃料箱150中的高浓度或纯的甲醇、由阴极回收的水、及由阳极回收的液体燃料在阳极燃料供应管线147中混合并且被供应到阳极上。已经通过阳极而没有反应的燃料和二氧化碳的混合物被输入到分离器145中并且在分离器145中被分离成为气体和稀释的燃料。二氧化碳被排放到外部，而稀释的燃料进入水泵160。
通过所述水泵，在燃料箱150中的燃料和回收的水经过第一和第二阀181和182，被分别输送到所述阳极。
在阳极燃料供应管线147上可以安装甲醇传感器170。所述甲醇传感器170测量被供应到阳极的液体燃料中的甲醇浓度。根据甲醇浓度控制第一和第二阀181和182，以控制被供应到阳极的液体燃料中的甲醇浓度。节流器183和184控制在分离器145和第一及第二阀181和182之间的压力。
图3和4为根据本发明实施例的直接供液燃料电池系统的透视图。图3为从上面看的直接供液燃料电池系统的透视图，且图4为从下面看的直接供液燃料电池系统的透视图。直接供液燃料电池系统的透视图的外壳102(见图7)在图3和4中未显示。在图中相同的附图标记表示相同的元件，并且省略对它们的详细说明。
参考图3和4，直接供液燃料电池系统包括产生电力的燃料电池堆110；燃料电池堆冷却装置；循环单元200，其将燃料输送到所述燃料电池堆110并且回收水和已经流过所述燃料电池堆110的燃料；电路单元220，其将由燃料电池堆110产生的电能供应到电子装置上；及燃料箱150，其储存要供应到所述循环单元200中的甲醇。
所述燃料电池堆110包括多个单元电池。每个单元电池包括MEA和双极板120，该双极板具有流动通道，通过该通道空气和液体燃料流与MEA的阴极和阳极接触。图5和6为该双极板120的透视图。
所述循环单元200包括分离器145、水泵160和第一及第二阀181和182。
参考图5和6，在双极板120的与阳极接触的表面上形成液体流动通道121及在该双极板120的相对表面上形成空气流动通道122。该双极板120具有两个通孔123，通过该通孔液体燃料通过，并且具有两个用于连接该双极板120的连接孔124。两个通孔123中的一个为一路径，通过该路径来自循环单元200的液体燃料被供应而进入液体流动通道121，两个通孔123中的另一个为一路径，通过该路径，在未反应的液体燃料已经流过该液体流动通道121后，未反应的液体燃料被输送到循环单元200中。
参考图6，所述空气流动通道122平行地进行布置。当该双极板120以图3所示方式进行堆叠时，该空气流动通道122的两端暴露。
参考图3，在该燃料电池堆110的两端安装端板130。该端板130的中心孔132与该双极板120的连接孔124对应。在两个端板130之一内形成与通孔123连接的两个路径(未显示)。通过该两个路径中的一个路径从所述循环单元200将液体燃料供应到所述双极板120，通过另一个路径由该循环单元200的分离器145从该双极板120回收未反应的液体燃料。
图7为图3的直接供液燃料电池系统的侧视图。
参考图3、4和7，所述燃料电池堆110被倾斜地安装在外壳102内。所述空气通道122被垂直地布置，并且该空气通道122的上端和下端被暴露。所述循环单元200被安装在该燃料电池堆110的一侧，且第一风扇140被安装在该循环单元200的一侧。在该燃料电池堆110的另一侧安装出口190和第二风扇142。冷却肋片250被安装在外壳102的下部对应于燃料电池堆110的区域。在冷却肋片250上安装一个盖(未显示)，但是在图4中为了方便解释，所述盖被去掉。用于控制和转换电源的电路单元220可以被安装在第一风扇140下面，并且备份电池230可以被安装在该电路单元220的下面。冷却肋片250和第二风扇142为用于燃料电池堆110的冷却装置。
该燃料电池堆110被朝着第一风扇140向下倾斜地安装在外壳102内。由所述第一风扇140供应的空气向下流动通过在该双极板120内形成的空气流动通道122。进入该燃料电池堆110的下部和外壳102之间的空气经过该出口190被排放到外部(见图7中的实线箭头)。
由第二风扇142供应的空气所通过的路径被形成在出口190和第二风扇142之间，并且与冷却肋片250的入口251连接。
从第二风扇142供应的空气当通过空气路径143时冷却出口190，并且当通过入口251和冷却肋片250(见图7的虚线箭头)被排放到外部时冷却燃料电池堆110。同样，第二风扇142通过流过空气流动通道122的冷却空气凝结水蒸汽。由第二风扇142凝结的水蒸汽和由阴极反应产生的水通过吸液部件(wicking member)(未显示)由循环单元200接收。
如上所述，根据本发明的直接供液燃料电池系统具有紧凑的对阴极的空气供应管线结构及燃料电池堆冷却装置。
虽然已经参考示意性实施例对本发明进行了描述，本领域普通技术人员应该明白在不背离权利要求书的精神和范围的情况下可以作出在形式上和细节上的各种改变。

Claims (6)

1.一种直接供液燃料电池系统，包括：
外壳；
在所述外壳内的燃料电池堆，在所述燃料电池堆中形成空气流动通道，所述空气流动通道垂直于所述燃料电池堆且所述空气流动通道的两端分别在所述燃料电池堆的上部和下部暴露；及
第一风扇，其在所述外壳和所述燃料电池堆的上部之间供应空气，
其中所述燃料电池堆朝着所述第一风扇向下倾斜地进行安装。
2.如权利要求1所述的直接供液燃料电池系统，还包括布置在外壳内以通过所述燃料电池堆与所述第一风扇相对的出口，其中已经流过所述空气流动通道的空气在流过燃料电池堆的下部和所述外壳之间的空间后通过该出口被排放到外部。
3.如权利要求2所述的直接供液燃料电池系统，还包括用于冷却所述燃料电池堆的冷却装置。
4.如权利要求3所述的直接供液燃料电池系统，其中所述冷却装置包括形成在所述外壳下部对应于所述燃料电池堆区域的冷却肋片。
5.如权利要求4所述的直接供液燃料电池系统，还包括用于冷却所述冷却肋片的第二风扇。
6.如权利要求5所述的直接供液燃料电池系统，其中在所述出口和第二风扇之间形成空气路径，并且所述空气路径与所述冷却肋片连接，从所述第二风扇供应的空气经过所述空气路径来冷却所述出口。
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