CN1604379A - 直接液体给料的燃料电池组 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直接液体给料的燃料电池组，其包括MEA和双极板。每个MEA包括电解质膜，阳极和阴极，且MEA置于堆叠的双极板之间。每个双极板包括具有预定深度以在双极板的每个表面围起电极区的凹槽，及多个位于电极区的将燃料或氧化剂提供给相应燃料通道的燃料流动孔，且密封件形成在凹槽上。直接液体给料的燃料电池组防止燃料泄漏及无益的燃料消耗，进而提供更长的工作时间。

Description

直接液体给料的燃料电池组

本申请要求2003年10月1日提交韩国知识产权局的韩国专利申请第2003-68322号的优先权，其公开内容引入本文作为参考。

                      技术领域

本发明涉及一种直接液体给料的燃料电池组，更具体地，本发明涉及直接甲醇燃料电池中所包含双极板与MEA(膜电极组件)之间的密封结构。

                     背景技术

直接甲醇燃料电池(DMFC)是一种发电设备。DMFC通过有机物燃料如甲醇或乙醇与氧化剂(即氧)之间的电化学反应而具有高能量密度和功率密度。因为它直接使用液体燃料，所以DMFC不需要外围设备如燃料重整装置，并且具有易于贮存和即时提供液体燃料的优点。

如图1所示，DMFC的单电池包括阳极2与阴极3之间具有电解质膜1的膜电极组件(MEA)。阳极2和阴极3分别包括用于燃料的提供和扩散的燃料扩散层22和32，用于燃料的氧化和还原反应的催化剂层21和31，电极支撑层23和33。由低温下具有优异催化特性的贵金属即铂构成的催化剂用于电极反应。作为选择，为了避免反应副产物即CO所导致的催化剂中毒，使用含有过渡金属如钌、铑、锇或镍的合金催化剂。使用易于燃料供应和反应产物排放的防湿碳纸或碳布作为电极支撑层。电解质膜是厚度为50～200μm的聚合物膜。可以使用具有离子导电性的质子交换膜作为电解质膜。

在以甲醇与水的混合物为燃料的DMFC的电化学反应中，包括燃料被氧化的阳极反应和氧被还原的阴极反应。

每个反应可以描述如下：

[反应1]

      (阳极反应)

[反应2]

         (阴极反应)

[反应3]

           (总反应)

在发生氧化反应(反应1)的阳极2，产生一个二氧化碳，六个质子，及六个电子。所产生的质子通过质子交换膜1迁移至阴极3。在发生还原反应(反应2)的阴极3，通过质子、由外电路转移来的电子及氧之间的还原反应产生水。因此，作为总反应(反应3)的结果，由甲醇与氧之间的反应产生水和二氧化碳。

DMFC的单电池的理论电压大约1.2V。然而，在室温和大气压下的开路电压却低于1V，这是由于活化超电压和电阻超电压所导致的电压降。实用中，实际的工作电压为0.4～0.6V。因此，为了获得更高的电压，需要多个单电池串联。

燃料电池组是通过堆叠若干个电串联的单电池形成的。相邻的单电池通过置于单电池之间的双极板4彼此电连接。

双极板4可以由机械强度高、导电性高、机加工性能良好的石墨片制成。也可以使用包含金属或聚合物的复合材料片作为双极板4。

燃料流动通道41和42形成于双极板的两面：用于提供燃料(即甲醇)的通道41位于与阳极2接触的面上，用于提供空气的流动通道42位于与阴极3接触的反面上。置于燃料电池组之间的双极板4一面上具有提供燃料的通道，反面上具有提供空气的通道。在燃料电池组的顶部和底部放置端板(未示出)，即单极板。向相邻单电池提供燃料或空气的流动通道(图1中的附图标记41和42)形成于端板上。

图2是具有液体燃料流动通道的常规双极板的表面的平面图。图3是附着在图2所示之双极板表面的密封垫的平面图。在图1和2中使用相同的附图标记。

参照图2，多条蛇形且其上表面具有开口的燃料通道41形成在常规双极板4的用于定位MEA的电极区47上。在电极区47的外部区域，形成与燃料通道41的入口和出口相连的汇流管汇流管(manifold)46，以及通过双极板4与汇流管46相通的燃料流动孔43a，43b，44a，及44b。燃料流动孔43a，43b，44a，及44b包括液体燃料生物入口43a和出口43b，以及氧化剂的入口44a和出口44b。将液体燃料流动孔43a和43b连接到多个燃料通道41上的汇流管46形成于双极板4的内部，不从双极板4的表面中暴露出来。

参照图3，双极板4的电极区47和燃料流动孔区域敞开于密封垫5中。

图4是定位于双极板4上的密封垫5和MEA沿图2中A-A线截取的截面图。

参照图4，MEA位于燃料通道41和42(即电极区)上，密封垫5覆盖双极板4除燃料流动孔43a，43b，44a，及44b之外的其余区域。密封垫5阻止燃料与空气向里和向外泄漏。

图4中所示的常规双极板4具有大约5～10mm的较厚的厚度，因为汇流管46形成于双极板4的内部。附图标记46a是指覆盖汇流管46上表面的部分的双极板4。

对于较小和较轻的燃料电池，双极板的厚度应该更薄，例如大约1～2mm。因此，图2～图4中所示的双极板4不能进一步用于更小和更轻的燃料电池。为此，提出了结构暴露的汇流管。该结构的实例见US 6284401，5879826，及6146780。

图5是US 6284401中所示双极板的平面示意图。使用相同的附图标记表示与图1～图4中相同的元件，并省略详细的说明。

参照图5，多个蛇形且在其上表面具有开口的燃料通道41形成于双极板4的将用于定位MEA的电极区47上。在电极区47的其它区域，形成与燃料通道41的入口和出口相连的汇流管46′，以及通过双极板4与汇流管46′相通的燃料流动孔43a，43b，44a，及44b。燃料流动孔43a，43b，44a，及44b包括液体燃料的入口43a和出口43b，以及氧化剂的入口44a和出口44b。

使燃料流动孔43a和43b与多个燃料通道41相连的汇流管46′形成在双极板4上，并从双极板4的表面暴露出来。

图6是定位于双极板4上的密封垫5和MEA沿图5中B-B线截取的截面图。

参照图6，MEA定位于燃料通道41和42(即图5的电极区47)上，密封垫5定位于除燃料流动孔43a，43b，44a，及44b之外的其余区域上。密封垫5还定位于汇流管46′上，以阻止燃料泄漏。

然而，为了制备燃料电池组，在高压下压制多个双极板4和多个MEA。这种情况下，位于汇流管46′上的密封垫5倾向于弯曲，这导致燃料通过密封垫5的上部泄漏。

为了解决密封垫5的弯曲问题，在汇流管46′上安装与密封垫5相连的连接件(bridge piece)可以降低双极板4的厚度，见US 6410179。

然而，由于制备和安装中的困难，以及连接件的机械强度弱，通过高压压制密封垫和双极板来制备燃料电池组并不容易。而且，这种高压法难于用来制备厚度为1～2mm的薄的双极板，这也是本发明的目的。

                      发明内容

本发明提供一种直接液体给料的燃料电池组，其可以通过在双极板的电极区中形成燃料流动孔，以用电极覆盖汇流管区，进而防止燃料泄漏。

本发明还提供一种直接液体给料的燃料电池，其通过沉积密封材料代替常规的密封垫，将密封件置于燃料流动孔与MEA之间。

根据本发明的示例性实施方案，提供一种直接液体给料的燃料电池组，其具有多个其间具有膜电极组件(MEA)的堆叠的双极板，其中每个MEA包括电解质膜以及分别位于电解质膜两个表面的阳极和阴极，其中双极板包括在其每个表面围成的用于放置MEA的电极区的凹槽，多个用于将燃料或氧化剂提供给双极板电极区的相应燃料通道的燃料流动孔，及形成于凹槽上的密封件。

优选密封件是通过沉积液体密封材料形成的。

燃料流动孔通过多个燃料通道与其它燃料流动孔相连，汇流管形成于燃料流动孔与燃料通道之间，且燃料通道和汇流管的上部用相应的阳极或阴极覆盖。

优选在双极板的每个表面上，凹槽形成于不与燃料通道相通的燃料流动孔的周围。

优选最上面和最下面的双极板仅在与MEA接触的一面具有燃料流动通道。

MEA包括第一和第二电极孔并形成与燃料流动孔相对应的电解质膜，其中不与相应燃料流动孔相通的第二电极孔的直径大于相应燃料流动孔的直径，且围绕燃料流动孔壁的密封件形成在第二电极孔的内壁上。

密封件是通过在一台阶上沉积液体密封材料而形成的，其中该台阶是由第二电极孔与电解质膜孔间的直径差形成的。

根据本发明的另一示例性实施方案，电解质膜孔的直径大于燃料流动孔的直径，且围绕燃料流动孔壁的密封件形成于第二电极孔和电解质膜孔的内壁上。

根据本发明的再一示例性实施方案，电解质膜孔的直径小于第二电极孔的直径。

根据本发明的又一示例性实施方案，MEA具有多个与燃料流动孔对应的MEA孔，且MEA孔的直径大于双极板的燃料流动孔，密封件放置在围绕燃料孔的MEA孔的部分内壁上。

密封件通过沉积液体密封材料形成于双极板之相应燃料流动孔的周围。

                      附图说明

图1是直接液体给料的燃料电池的单电池的截面图；

图2是常规双极板的平面图；

图3是附着在图2所示之双极板表面的密封垫的平面图；

图4是沿图2中A-A线截取的常规双极板的截面图；

图5是US 6284401中所示双极板的平面图；

图6是沿图5中B-B线截取的包含密封垫和MEA的双极板的截面图；

图7是根据本发明实施方案的燃料电池组的截面图；

图8是图7的双极板的平面图；

图9是图7的双极板的照片；

图10是单电池的截面图，示出了由图7的燃料流动孔至MEA的密封结构；

图11是图10中D的放大图；

图12是改进版的单电池的截面图，示出了由图10的燃料流动孔至MEA的密封结构；

图13是根据本发明另一实施方案的双极板的平面图；及

图14是燃料流动孔周围涂有液体硅(liquid silicon)的MEA的照片。

                     具体实施方式

下文中将参照附图更详细地说明根据本发明实施方案的直接液体给料的燃料电池组。

图7是根据本发明实施方案的燃料电池组的截面图。

参照图7，多个MEA堆叠在燃料电池组中，且导电的双极板放置在各MEA之间。每个MEA具有电解质膜110，电解质膜的一面上具有阳极反面上具有阴极。导电的端板160a和160b放置在燃料电池组的最上面和最下面。导电的端板160a和160b仅一面与MEA接触，因而导电的端板160a和160b的一面具有与双极板140相同的结构，且按与双极板140相同的方式工作。MEA，放置在MEA之间的双极板140，及导电的端板160a和160b是通过螺丝连接紧固法通过固定端板170a和170b而固定的。

图8是图7的双极板的平面图。

参照图8，用于放置MEA的方形电极区147及包围电极区147的凹槽148形成于双极板140上。凹槽148填有密封材料(基液体硅)，形成密封双极板140之间间隙的密封件。

多个具有蛇形且在其上表面具有开口的燃料通道141以预定的深度形成于电极区147。同时，燃料流动孔143a和143b形成于通过双极板140的燃料通道141的两端。

附图标记144a和144b是指不同的燃料流动孔，即氧入口孔，其在双极板140背面上与图10中的燃料通道142相连。

附图标记146是指常规的汇流管，其与多个燃料通道141相连，并从双极板140的表面暴露出来。制备燃料电池组时，常规汇流管146和燃料通道141的上表面被MEA所覆盖。换言之，常规汇流管形成于双极板的内部或者被密封垫所覆盖，然而，本发明中的汇流管是被MEA的电极所覆盖。因此，优点在于燃料在电极区147中转移至电极，不泄漏到电极区147的外面。

图9是图7的双极板的照片，其示出了涂有液体硅149a的凹槽148。

图10是单电池的截面图，示出了从图7的燃料流动孔至MEA的密封结构，图11是图10中D的放大图。

参照图10和11，单电池的MEA放置在双极板140之间。提供液体燃料的燃料通道141形成在双极板140的一个表面上，与阳极120相连接；提供氧的燃料通道142形成在双极板140另一个表面上，与的阴极130相连接。电解质膜110插在阳极120与阴极130之间。这构成了MEA。

每个MEA具有与双极板140的燃料流动孔143a，143b，144a，及144b相对应的孔190。同时，对应于燃料流动孔143a，143b，144a，及144b的孔又形成于阳极120，阴极130，及电解质膜110中。每个电极包括第一电极孔191，其与流动液体燃料或氧化剂的燃料流动通道141和142相通；及第二电极孔193，其不与燃料流动通道141和142相通。

双极板140的燃料流动孔的直径W1大约3mm。与燃料流动孔相通的第一电极孔191的直径大约3mm。对应于第一电极孔191且形成于背面电极上的第二电极孔193的直径W3大约8mm。形成于第一和第二电极孔191与193之间的电解质膜110的直径W2大约5mm。因此，在每个MEA 190的燃料流动孔周围形成两个台阶(step)S。这两个台阶S涂有密封材料(如硅胶)，形成密封件149b。密封件149b密封燃料流动孔的内壁，防止燃料渗透到第二电极193和电解质膜110中。在使用醇燃料的情况下，密封件149b防止醇燃料渗透到阴极130中，进而降低燃料电池的性能，并且防止无谓的燃料消耗。

附图标记148是形成于电极区147的外部区域的凹槽，附图标记149a是填充于凹槽148中的密封件。密封件不仅密封厚度大约1mm的双极板140，而且使双极板140彼此附着在一起。因此，可利用附着力大的密封件制得本发明的燃料电池组，而无需使用端板170a和170b。

图12是由图10的燃料流动孔143a至MEA的另一密封结构实例的截面图。与图10和11中相同的元件以相同的附图标记表示。

参照图12，单电池的MEA′放置在双极板140之间。电解质膜110′放置在阳极120′与阴极130′之间，构成MEA′。

燃料流动孔形成于每个双极板140和MEA′。双极板140的燃料流动孔的直径大约3mm，MEA′的对应孔190′的直径大约8mm。MEA′孔的内壁涂有密封件149c，如硅胶，以防止醇燃料泄漏到电解质膜110′和阴极130中。如此可以防止性能降低和无谓的燃料消耗。为了沉积密封件149c，首先利用自动分配器在双极板140的燃料流动孔周围沉积液体密封材料。其次，通过在MEA′的孔的内表面放置液体密封材料，组装MEA′和双极板140。

图13是根据本发明另一实施方案的双极板140的平面图。将与图8中相同的附图标记用于相同的元件。

参照图13，将要放置MEA的长方形电极区147和围成电极区147的凹槽148形成于双极板140上。

多个蛇形且从双极板140表面暴露出来的燃料通道141以预定的深度形成于电极区147。此外，燃料流动孔143a和143b形成于通过双极板140的燃料通道141的两端。

具有预定深度的凹槽150围绕燃料流动孔144a和144b形成于双极板140上远离燃料通道141的部分。这些凹槽150涂有密封件，以防止燃料流动孔144a和144b混有其它燃料。

[实施例]

制备聚合物浸渍的石墨片，其尺寸为75mm宽(W)×50mm长(L)×1mm深(D)。在该石墨片的两面形成燃料通道，并按图8所示，形成与燃料通道相连接的穿透该石墨片的燃料流动孔。形成围起长方形电极区的凹槽，然后利用自动分配器将凹槽涂上液体硅。图9是按该方法制备的双极板的照片。

在厚度120μm的电解质膜110以及厚度分别为250μm的阳极和阴极上打出燃料孔143a，143b，144a，及144b。电解质膜110的燃料孔192的直径为5mm，由燃料流动孔143a和143b提供燃料的第一电极孔191的孔直径为3mm，不由燃料流动孔143a和143b提供燃料的第二电极孔193的孔直径为8mm。通过垂直排列燃料流动孔143a，143b，144a，及144b，形成电极120和130与电解质膜110的组件。然后通过热压该组件，制得MEA。

其次，在MEA的两个燃料流动孔周围，利用自动分配器，将液体硅沉积在直径5mm的电解质膜孔和直径8mm的第二电极孔的内表面上。图14是燃料流动孔周围涂有液体硅的MEA的照片。将燃料流动孔周围涂有液体硅的每个MEA嵌入13层其中凹槽148涂有液体硅的双极板之间。其后，将比双极板140大的端板170a和170b放置在电池堆的上面和下面。最后，利用螺丝压紧电池组，制得燃料电池组。

对所制备的燃料电池组进行密封试验，泵送甲醇使之[以1.5bar]通过燃料供应孔，并使空气[以1.5bar]通过空气供应孔，未观察到泄漏。

根据本发明的直接液体给料的燃料电池组没有燃料泄漏问题，因为燃料流动孔位于电极区中，且燃料流动孔间的汇流管区域被电极覆盖，也不具有无谓的燃料消耗。可以利用1～2mm厚的双极板制备薄的燃料电池组。

尽管已参照其优选实施方案具体地示出和说明了本发明，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求书的构思和范围的情况下，可以对本发明作出各种形式和内容上的替换。

Claims (12)

1.一种直接液体给料的燃料电池组，其包括多个其间具有膜电极组件(MEA)的堆叠的双极板，其中每个MEA包括电解质膜以及分别位于电解质膜两面的阳极和阴极，其中所述双极板包括：

在双极板的每个表面围起电极区以放置MEA的凹槽；

多个位于双极板电极区的用于将燃料或氧化剂提供给相应燃料通道的燃料流动孔；及

形成在凹槽上的密封件。

2.根据权利要求1的直接液体给料的燃料电池组，其中该密封件是通过沉积液体密封材料形成的。

3.根据权利要求1的直接液体给料的燃料电池组，其中

所述燃料流动孔通过多个燃料通道与其它燃料流动孔相连，

在燃料流动孔与燃料通道之间形成汇流管，及

燃料通道和汇流管的上部被相应的阳极或阴极覆盖。

4.根据权利要求3的直接液体给料的燃料电池组，其中在双极板的每个表面上，所述凹槽形成于未与燃料通道相连的燃料流动孔的周围。

5.根据权利要求1的直接液体给料的燃料电池组，其中最上面还最下面的双极板仅在与MEA接触的一面具有燃料流动通道。

6.根据权利要求1的直接液体给料的燃料电池组，其中MEA包括第一和第二电极孔并形成与燃料流动孔对应的电解质膜，其中

不与相应燃料流动孔相通的第二电极孔的直径，大于相应的燃料流动孔的直径，及

围绕燃料流动孔壁的密封件形成在第二电极孔的内壁上。

7.根据权利要求6的直接液体给料的燃料电池组，其中所述密封件是通过在一台阶上沉积液体密封材料而形成的，所述台阶是通过第二电极孔与电解质膜孔间的直径差形成的。

8.根据权利要求6的直接液体给料的燃料电池组，其中所述电解质膜孔的直径大于燃料流动孔的直径，且围绕燃料流动孔壁的密封件形成于第二电极孔和电解质膜孔的内壁上。

9.根据权利要求8的直接液体给料的燃料电池组，其中所述电解质膜孔的直径小于第二电极孔的直径。

10.根据权利要求8的直接液体给料的燃料电池组，其中所述密封件是通过在一台阶上沉积液体密封材料而形成的，所述台阶是通过第二电极孔、电解质膜孔及第一电极孔之间的直径差形成的。

11.根据权利要求1的直接液体给料的燃料电池组，其中MEA具有多个对应于燃料流动孔的MEA孔，MEA孔的直径大于双极板的燃料流动孔的直径，密封件放置在围绕燃料孔的MEA的部分内壁上。

12.根据权利要求11的直接液体给料的燃料电池组，其中所述密封件通过沉积液体密封材料形成在双极板的相应燃料流动孔的周围。

Images