CN101689653B - 燃料电池发电系统及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统具有包括阳极(21)、阴极(22)以及夹在阳极(21)和阴极(22)之间的电解质膜片(3)的膜片电极复合物(8)。疏液多孔元件(10)定位为邻近阳极(21)，并且阳极通道板(30)也定位为邻近多孔元件(10)。气体回收通道(32a、32b)和燃料供应通道(31a)形成于阳极通道板(30)中，在阳极侧产生的气体在气体回收通道(32a、32b)中回收，并且液体燃料通过燃料供应通道(31a)供应至阳极(21)。发电系统还包括燃料沿着其循环的循环系统(54)以及将燃料供应至循环系统(54)的燃料供应区。

Description

燃料电池发电系统及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种将液体燃料直接供应至电极的燃料电池系统，以及制造这种电池发电系统的方法。
背景技术
一些燃料电池是其中液体燃料比如酒精直接供应至发电区的直接型。直接燃料电池无需比如蒸发器或重整器之类的辅助设备并且因而期望用于便携式设备等的小型化电源。一种利用这种直接燃料电池的已知发电系统是将酒精的水溶液直接供应至发电区以析取质子的循环式燃料电池发电系统，同时将污水(比如从发电区排出的水)循环至位于发电区上游的混合容器等以便重新使用。
一种直接甲醇供应燃料电池(DMFC)包括电池组(发电区)，其中堆叠着每个均包括阳极、阴极和膜片电极组件(MEA)的发电电池。电池组发电。水和甲醇的混合溶液经由溶解发送泵等供给至阳极。由公式(1)表示的反应出现于阳极侧以产生二氧化碳。另一方面，空气经由供气泵等供给至阴极。由公式(2)表示的反应出现于阴极侧以产生水。
CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-    ...(1)
3/2O2+6H++6e-→3H2O       ...(2)
在阳极中产生的CO2以及混合的水溶液和未反应的甲醇从阳极作为气液两相流排出。从阳极排出的气液两相流由设置于阳极的出口侧上的通道中的气液分离器分离为气体和液体。由气液分离器分离的液体经由回收通道循环至混合容器等。分离的气体排放至大气。
然而，在其中气液分离器设在阳极的出口侧上的通道中的系统中，气液两相流流过阳极通道和阳极出口侧上的通道。这不利地增加了阳极通道中可能的压力损失。而且，由于气液分离器定位于系统中，就需要大尺寸的阳极循环区。这不利地使得系统尺寸难以减小。
用于减小直接燃料电池尺寸的已知技术是如下一种结构，其中多孔膜片插入在燃料供应通道和分离器之间，所述燃料供应通道定位为邻近阳极电极中的扩散层以供应燃料，所述分离器设有所产生气体由此排出的排出通道，例如如(日本)JP-A 2006-49115(特开)所公开的那样。
然而，根据上述专利文献，气体会混合入流过燃料供应通道的液体燃料从而产生气液两相流。不利地，这会增大液体燃料的体积并且因而增大其流速，或者会在流体中形成弯液面从而增大压力损失以及泵的动力消耗，或者阳极循环系统的尺寸需要增大。
发明内容
本发明的目标是提供一种燃料电池系统，其防止气体比如CO2流入液体燃料所流过的管线以减小可能的压力损失，减小燃料电池发电系统的尺寸。
根据本发明的一个方面，提供了一种燃料电池系统，其包括：
膜片电极复合物，其包括阳极和阴极，它们跨过电解质膜片彼此相对地定位；
疏液多孔元件，其定位为邻近阳极；以及
阳极通道板，其定位为邻近疏液多孔元件并且包括：
气体回收通道，由阳极产生的气体穿过该气体回收通道经由疏液多孔元件回收；以及
燃料供应通道，液体燃料穿过该燃料供应通道供应至阳极。
而且，根据本发明的另一方面，提供了一种制造燃料电池系统的方法，该方法包括：
放置包括阳极和阴极的电极复合物，该阳极和阴极跨过电解质膜片彼此相对地定位，并且将疏液多孔元件放置为邻近阳极；以及
在放置疏液多孔元件之后将阳极通道板放置为邻近疏液多孔元件，阳极通道板包括由阳极产生的气体穿过其中回收的气体回收通道、以及液体燃料穿过其中供应至阳极的燃料供应通道。
附图说明
图1是示意性地示出根据本发明第一实施例的燃料电池系统的截面图；并且
图2是示意性地示出根据本发明第二实施例的燃料电池系统的截面图。
具体实施方式
将参照附图描述根据本发明实施例的燃料电池发电系统。图中相同的区段和区域由相同的附图标记指示，并且省略重复的描述。
[第一实施例]
图1示出根据本发明第一实施例的燃料电池系统。图1所示的燃料电池发电系统包括膜片电极复合物8，其具有定位为以便夹在阳极和阴极之间的电解质膜片3。电解质膜片3由质子导电固体聚合物膜片等构成。阳极21由通过将催化剂涂覆在电解质膜片3的一个表面上来形成的阳极催化剂层1、形成于阳极催化剂层1外面的阳极气体扩散层4等构成。阴极22由通过将催化剂涂覆在电解质膜片3的与阳极催化剂层形成于其上的表面相对的表面上来形成的阴极催化剂层2、形成于阴极催化剂层2外面的阴极气体扩散层5等构成。
在燃料电池发电系统的阳极侧上，疏液多孔元件10还定位为与阳极气体扩散层4相接触。阳极通道板30定位为与疏液多孔元件10相接触。而且，在阴极侧上，阴极通道板40定位为与阳极通道板30相对。疏液多孔元件10、膜片电极复合物8等布置于阳极通道板30和阴极通道板40之间。而且，电解质膜片3、阳极通道板30以及阴极通道板40由设置于膜片电极复合物8的周边周围的垫圈9密封。膜片电极复合物8以液密的方式密封在阳极通道板30和阴极通道板40之间。
燃料电池发电系统包括例如液体燃料比如高浓度甲醇存储于其中的燃料容器45，以及燃料穿过其中供应的燃料供应线路51。
四氟乙烯和全氟乙炔醚磺酸的共聚物，例如Nafion(杜邦公司的注册商标)可用作电解质膜片3。铂或钌可用作包含在阳极催化剂层1中的阳极催化剂。铂等可用作包含在阴极催化剂层2中的阴极催化剂。多孔碳纸等用作阳极气体扩散层4和阴极气体扩散层5。
由碳制成且经受亚微米孔尺寸的疏液处理并且具有数十微米厚度的阳极微孔层6可放置于阳极催化剂层1和阳极气体扩散层4之间。由碳制成并且具有亚微米孔尺寸和数十微米厚度的阴极微孔层7可放置于阴极催化剂层2和阴极气体扩散层5之间。
疏液多孔元件10具有接触阳极气体扩散层4的表面和接触阳极通道板30的表面。也就是，疏液多孔元件10定位为夹在阳极扩散层4和阳极通道板30之间。疏液多孔元件10的接触阳极通道板30的至少一部分表面优选地由经受疏液处理并且具有大约1微米平均孔尺寸的导电材料制成。
如果甲醇的水溶液用作液体燃料，由于甲醇提供低的表面张力，渗透容易通过已经用四聚乙烯树脂例如Teflon(杜邦公司的商标)进行疏液处理的大约超微米量级平均孔尺寸的密集多孔元件。浓度3M(mol/L)的甲醇水溶液已经发现不能渗透穿过用四聚乙烯树脂进行疏液处理并且具有小于大约1微米平均孔尺寸的密集多孔元件。
疏液多孔元件10可以是由经由疏液处理并且具有几微米孔尺寸的孔的碳纤维、由经受疏液处理的烧结金属构成的材料、或由至多几微米孔尺寸的导电多孔元件构成的疏液材料所制成的碳纸。至少疏液多孔元件10接触阳极通道板30的表面优选地形成为由经受疏液处理并且具有小于大约1微米平均孔尺寸的碳构成的密集多孔元件层。较小的孔尺寸阻碍甲醇的水溶液渗透穿过疏液多孔元件10。
阳极通道板30具有液体燃料流动穿过其中的燃料供应通道31以及气体回收通道32。燃料供应通道31由例如液体燃料蜿蜒通道31a和燃料供应区31b构成。液体燃料蜿蜒通道区31a是由液体燃料沿着其从上游朝着下游曲折地流动的至少一个通道形成的通道。另一方面，燃料供应区31b形成为从液体燃料蜿蜒通道区31a分支以延伸至阳极气体扩散层4从而将沿着液体燃料蜿蜒通道区31a流动的部分燃料供给至阳极气体扩散层4。
气体回收通道32由例如气体通道32a和气体回收区32b构成。气体通道32a形成为允许气体沿着气体通道32a流动以便不与燃料供应通道31交叉。气体回收区32b形成为从阳极气体扩散层4回收气体比如CO2。
燃料容器45经由第一泵47、打开和闭合阀49以及第二泵48连接至液体燃料蜿蜒通道区31a的入口侧。而且，燃料供应线路51从液体燃料蜿蜒通道区31a的出口侧延伸并且经由反压阀50等连接至打开和闭合阀49下游的第二泵48的上游。也就是，第二泵48、蜿蜒通道区31a以及反压阀50形成打开和闭合阀49下游的循环路径。在说明书中，这个循环路径称为阳极循环系统54。
阴极通道板40具有空气穿过其中供给至阴极催化剂层2的入口供应孔41。具有湿气保留作用以防止阴极催化剂层2干燥的多孔元件20可设置于阴极气体扩散层5和阴极通道板40之间。
在这个示例中，阴极通道板40中的入口供应孔41允许空气通过微风(自然吸气方案)供给至膜片电极复合物8。
在本实施例中使用的词语“疏液性”意思是甲醇的水溶液不能渗透或难以渗透通过多孔元件等。例如，词语“疏液性”意思是材料在液体燃料的接触角小于50°时呈现疏液性。
现在，将描述液体燃料流等。
在图1所示的系统中，存储于燃料容器45中的液体燃料是高浓度甲醇。存储于燃料容器45中的高浓度甲醇供应至阳极循环系统54。也就是，高浓度甲醇经由第一泵47、打开和闭合阀49以及第二泵48供给至阳极循环系统54。高浓度甲醇与由电池组朝着燃料供应线路51排出的稀释甲醇相混合。所得到的甲醇以预定浓度供给至形成于阳极通道板30中的燃料供应通道31的液体燃料蜿蜒通道31a的入口侧。
供给至液体燃料蜿蜒通道区31a的部分液体燃料经由经受疏液处理的疏液多孔元件10供给至阳极气体扩散层4，例如作为甲醇和流(甲醇-气体和H2O-气体)。流过阳极扩散层4的液体燃料供给至阳极催化剂层1并且用来发电等。部分液体燃料穿过电解质膜片3渗透至阴极侧(跨越)。剩余部分的液体燃料流动至连接至液体燃料蜿蜒通道31a的出口的燃料回收线路53。从液体燃料蜿蜒通道区31a的出口供给的液体燃料供给至燃料回收线路53并且返回第二泵48的上游与打开和闭合阀49的下游之间的燃料供应线路51并且经由反压阀50再次供给至液体燃料蜿蜒通道区31a的入口。
另一方面，在发电期间通过由公式(1)表示的反应产生的CO2流过气体回收区32b并且然后通过气体通道区32a而没有流过燃料供应通道31，并且然后经由CO2排出区52排出至燃料电池发电系统的外面。因此，在形成于阳极通道板30中的蜿蜒通道区31a和燃料供应区31b中，能抑制由于CO2的流入导致的可能压力损失。
CO2通过由公式(1)表示的阳极发电反应产生并且经由阳极气体扩散层4流过疏液多孔元件10。这时，在阳极通道板30和疏液多孔元件10之间的界面处，CO2优先流过气体回收区32b。也就是，疏液多孔元件10的疏液性引起疏液多孔元件10中的CO2在填满液体燃料的燃料供应区31b中形成气泡。然而，与流过燃料供应区31b相比，气泡更可能朝着没有填满液体燃料的气体回收区32b流动。
因此，能防止气体混合入流过阳极通道板30中的燃料供应通道31的出口侧的液体燃料。这抑制了气体-液体两相流的形成。这又使得能够抑制由CO2的混合物引起的液体燃料的容积增加所导致的燃料供应通道31中的液体燃料流速的可能增大，或弯液面的形成所导致的流体压力损失的可能增加。因此，能急剧地减少阳极(燃料供应通道31)中可能的压力损失。
渗透穿过每单元面积阳极气体扩散层4的CO2的低流速减少了在CO2穿过疏液多孔元件10时出现的可能压力损失。而且，即使膜片电解复合物8在任何方向上倾斜，疏液多孔元件10的存在使得还没有与CO2起反应的燃料不易于经受气体-液体分离。
从燃料供应通道31的出口侧排出的未使用的液体燃料循环至燃料供应通道31的入口。对于通过由公式(1)表示的阳极发电反应消耗的甲醇和水以及从阳极侧至阴极侧穿过的甲醇和水，相同量的甲醇和水从其中存储高浓度甲醇水溶液的燃料容器45供给至阳极循环系统54。
因而，循环通过燃料供应通道31的液体燃料是容积摩尔浓度至多为3M的甲醇的低浓度水溶液。至多3M的低浓度甲醇不大可能渗透穿过疏液多孔元件10并且能防止从燃料供应通道31经由疏液多孔元件10流出进入气体回收通道32。
根据本发明的系统允许气体和液体在不需要单独地提供气体-液体分离器等的情况下彼此分离。这使得能进一步减少燃料电池发电系统的尺寸。
而且，液体燃料如上所述流过循环路径，使得能使用高浓度的燃料。
[第二实施例]
图2是根据本发明第二实施例的燃料电池系统。
在图2所示的燃料电池发电系统中，经受疏液处理的疏液微孔层11设置于膜片电极复合物8的阳极气体扩散层4上的阳极通道板30的侧面上。疏液微孔层11形成为在阳极气体扩散层4的表面上一体形成的薄膜片层。也就是，在图2所示的系统中，经受疏液处理的疏液微孔层11设置来代替图1所示的疏液多孔元件10。
平均直径至多为1微米的孔形成于疏液微孔层11中。替代地，疏液微孔层11可以是由碳材料制成的薄膜片层。
阳极通道板30具有形成蜿蜒形状的液体燃料蜿蜒通道区31a以及气体回收通道32。如同第一实施例的情况，气体回收通道32由气体通道32a和气体回收区32b构成。
液体燃料蜿蜒通道区31a形成为沿着疏液微孔层11延伸。而且，液体燃料蜿蜒通道区31a形成为使得填充于通道中的液体燃料接触疏液微孔层11。
通过阳极发电反应产生并且穿过疏液微孔层11的CO2优先流过气体回收区32b而没有流过液体通道蜿蜒通道区31a。流过气体回收区32b的CO2穿过气体通道32a并且通过CO2排出区52排出至燃料电池发电系统的外部。
[其它实施例]
实施例的描述是本发明描述的示例并且不限制权利要求中所描述的发明。而且，本发明的每个区段的构造不限于上述实施例，但是能在权利要求中所描述的技术范围内改变。
燃料供应电池31和气体回收通道32的构造不限于蜿蜒类型。蜿蜒类型仅是示例，并且能使用各种构造的燃料供应路径31和气体回收通道32。
而且，甲醇以外的其它液体，例如碳化氢气以及乙醚可用作液体燃料。
工业实用性
根据本发明，抑制气体比如CO2流入液体燃料流动穿过其中的线路以减少可能的压力损失，使得能减小燃料电池发电系统的尺寸。

Claims (7)

1.一种燃料电池系统，其包括：
膜片电极复合物，其包括阳极、阴极以及夹在阳极和阴极之间的电解质膜片；
疏液多孔元件，其定位为邻近阳极；以及
阳极通道板，其定位为邻近疏液多孔元件并且包括：
气体回收通道，由阳极产生的气体穿过该气体回收通道经由疏液多孔元件回收；以及
燃料供应通道，液体燃料穿过该燃料供应通道被供应至阳极，
其中，疏液多孔元件是形成于与接触电解质膜片的阳极表面相对的阳极表面上的薄膜片层，并且构造为与膜片电极复合物成整体，
其中，至少疏液多孔元件接触阳极通道板的表面形成为由经受疏液处理并且具有小于1微米平均孔尺寸的碳构成的密集多孔元件层。
2.根据权利要求1的燃料电池发电系统，其中燃料是浓度为至多3M的甲醇的水溶液。
3.根据权利要求1的燃料电池发电系统，其中燃料供应通道具有入口和出口，并且燃料电池发电系统还包括：
燃料供应线路，其将液体燃料供应至入口；以及
燃料回收线路，液体燃料从出口回收至该燃料回收线路并且供给至燃料供应线路。
4.一种燃料电池系统，其包括：
膜片电极复合物，其包括阳极、阴极以及夹在阳极和阴极之间的电解质膜片；
经受疏液处理的疏液微孔层，其设置于阳极上；以及
阳极通道板，其定位于疏液微孔层上并且包括：
气体回收通道，由阳极产生的气体穿过该气体回收通道经由疏液微孔层回收；以及
燃料供应通道，液体燃料穿过该燃料供应通道被供应至阳极，
其中，疏液微孔层是形成于与接触电解质膜片的阳极表面相对的阳极表面上的薄膜片层，并且构造为与膜片电极复合物成整体，
其中，平均直径至多为1微米的孔形成于疏液微孔层中，疏液微孔层是由碳材料制成的薄膜片层。
5.根据权利要求4的燃料电池发电系统，其中燃料是浓度为至多3M的甲醇的水溶液。
6.根据权利要求4的燃料电池发电系统，其中燃料供应通道具有入口和出口，并且该燃料电池发电系统还包括：
燃料供应线路，其将液体燃料供应至入口；以及
燃料回收线路，液体燃料从出口回收至该燃料回收线路并且被供给至燃料供应线路。
7.一种制造燃料电池系统的方法，所述方法包括：
提供包括阳极、阴极以及夹在阳极和阴极之间的电解质膜片的膜片电极复合物；
将疏液多孔元件定位为邻近阳极；以及
在定位疏液多孔元件之后将阳极通道板放置为邻近疏液多孔元件，阳极通道板包括气体回收通道和燃料供应通道，由阳极产生的气体穿过所述气体回收通道被回收，液体燃料穿过所述燃料供应通道被供应至阳极，
其中，疏液多孔元件是形成于与接触电解质膜片的阳极表面相对的阳极表面上的薄膜片层，并且构造为与膜片电极复合物成整体，
其中，至少疏液多孔元件接触阳极通道板的表面形成为由经受疏液处理并且具有小于1微米平均孔尺寸的碳构成的密集多孔元件层。
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