CN1773756A - 双极板和液体式直接燃料电池的电池堆 - Google Patents

双极板和液体式直接燃料电池的电池堆 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二极板和液体式直接燃料电池的电池堆。所述用于燃料电池的双极板包括多条流过燃料的流动通路，其中，所述流动通路包括由多条流动通道形成的第一流动通路和由多个岛状物形成的第二流动通路。采用本发明的双极板可减小流体的压力损失，并可使气泡破裂，因而可提高预定面积内的燃料供应效率。此外，可获得均匀流动的流体。据此，本发明的液体式直接燃料电池电池堆能有效地供给液体燃料和降低压力损失。

Description

双极板和液体式直接燃料电池的电池堆
技术领域
本发明涉及一种双极板和液体式直接燃料电池(direct liquid feed fuelcell)的电池堆。
背景技术
通过如甲醇或乙醇之类的有机化学化合物燃料和如氧气之类的氧化剂的电化学反应产生电能的液体式直接燃料电池具有高能量密度和高功率密度。而且，液体式直接燃料电池直接使用甲醇等作为燃料，不需要如燃料重整器之类的外围装置，还可以方便地储存和供应燃料。
如图1所示，单个液体式直接燃料电池具有膜电极组件(MEA)结构，该结构具有被设置在阳极2和阴极3之间的电解质膜1。阳极2和阴极3分别包括用于供应和扩散燃料的燃料扩散层22和32、用于燃料的氧化-还原反应的催化剂层21和31、以及电极支撑层23和33。用于电极反应的催化剂层21和31可以由即使在低温下也具有优异的电化学性能的如铂之类的贵金属制成。为了防止由反应副产物一氧化碳引起的催化剂中毒，也可采用含有如Ru、Rh、Os或Ni等过渡金属的合金。电极支撑层23和33由碳纸或者碳纤维布制成，碳纸和碳纤维布的表面是防水的，用于顺畅地供应燃料和排放反应产物。电解质膜1可以是具有厚度为50-200μm的聚合物膜。通常采用含水并具有离子导电性的质子交换膜作为电解质膜1。
直接甲醇燃料电池(DMFC)的运行是通过甲醇和水的电化学反应进行的。在阳极反应中燃料被氧化，在阴极反应中通过质子和电子氧被还原。这些反应过程如下：
阳极反应    
阴极反应    
整个反应    
在阳极2处，甲醇分子和水分子反应生成二氧化碳分子、六个质子和六个电子。生成的质子通过可以是质子交换膜的电解质膜1转移到阴极3，在阴极3，质子与氧和由外部电路(未示出)供给的电子反应产生水。也就是说，在DMFC的整个反应中，通过甲醇和氧互相反应产生水和二氧化碳。
理论上讲，在DMFC单电池(single cell)中产生的电压约为1.2V。但是在大气压力和室温条件下，开路电压为1V或小于1V，由于存在活化过电压(activation overpotential)和电阻过电压(resistance overpotential)所引起的电压降，实际工作电压约为0.4-0.6V。因此，为了获得所需的高电压，应将几个单电池串联连接。
通过堆叠几个串联连接的单电池可获得堆叠电池。导电双极板4被插入单电池之间并且电连接相邻的单电池。
通常采用具有优良的导电性、机械强度以及机械加工性能的石墨块作为双极板4，也可用由含金属或者导电聚合物的合成材料制成的块作为双极板。用于独立地给阳极2和阴极3供应燃料(甲醇)和空气的流动通道41和42分别形成在双极板4的两侧。双极板4位于电池堆的中部相邻单电池之间，用于向电极2或3供应燃料或者氧的单极板的端板(未示出)被设置在电池堆的各端。在所述端板上形成有用于给相邻的单电池供应空气和燃料的通道(见图1中附图标记41或42)。
图2是这种双极板的平面图，在该双极板中例如形成有液体燃料通道。
参见图2，在传统的双极板4中，在设置有MEA的电极区域47中形成有多条S形燃料流动通道41。在电极区域47的外侧，形成有与燃料流动通道41的入口和出口相连的总管46，及贯通双极板4的燃料路径孔43a、43b、44a和44b。燃料路径孔43a、43b、44a和44b与总管46相连，以供应或排放液体燃料或氧化剂。即，燃料路径孔43a、43b分别起液体燃料的入口和出口的作用，燃料路径孔44a和44b分别起氧化剂的入口和出口的作用。
在图2示出的S形流动通道和美国专利第6,309,773号和6,099,984号中披露的燃料通道具有90°的弯角，因此，燃料流动通道41中流体的压力损失很大。
此外，美国专利第6,541,145号和6,586,128号公开了由岛状物形成的流动通道，液体或空气在岛状物之间的空间中流动。这种结构可使水下滴，而且在阳极和阴极排出的气泡较小，这有利于流体流动。但由于这种流动通道的相应面积小，很难均匀地向MEA供给燃料。
发明内容
本发明要解决的技术问题是要提供一种可降低流体压力损失并使流速均匀的双极板。
本发明另一要解决的技术问题是要提供一种包括多块这种双极板的液体式直接燃料电池的电池堆。
根据本发明的一方面，提供一种双极板，其包括多条供燃料流动的流动通路，其中，所述流动通路包括由多条流动通道形成的第一流动通路和由多个岛状物形成的第二流动通路。
每一流动通道具有多条弯曲成90°角或小于90°角的曲线部分。也可使所述流动通道弯曲成45°角或小于45°角。
每一岛状物可以为圆柱形，彼此相邻的三个岛状物沿燃料的流动方向可以形成为三角形。
每一岛状物的直径可以不大于岛状物之间的距离。
所述岛状物可以由流动通道环绕。
每一流动通道可呈波浪形。
第一流动通路的宽度可以反复改变。
所述曲线部分朝一个方向弯曲。
根据本发明的另一方面，提供一种液体式直接燃料电池的电池堆，其包括多个膜电极组件(MEAs)，每一膜电极组件包括：阳极；阴极；设置在阳极和阴极之间的电解质膜；多个双极板，它们被设置成使MEAs处于这些双极板之间。每一双极板包括多条向阳极和阴极供应燃料或氧化剂的流动通路，所述流动通路包括由多条流动通道形成的第一流动通路和由多个岛状物形成的第二流动通路。
附图说明
通过参见附图对本发明的示例性实施方式进行详细说明，本发明的上述和其它特征和优点将更加清晰。附图中：
图1是常规的液体式直接燃料电池的横截面图；
图2是传统双极板的的平面图；
图3是本发明一实施方式的双极板的平面图；
图4是沿图3中线IV-IV剖切的横截面图；
图5是本发明一实施方式的、包括多块图1所示的双极板的液体式直接燃料电池电池堆的横截面图；
图6是本发明另一实施方式的双极板的平面图。
具体实施方式
下面将参见附图更全面地对本发明进行描述，这些附图示出了本发明的一些示例性实施方式。
图3是本发明一实施方式的双极板100的一表面、例如上面形成有液体燃料的流动通道的表面的平面图，图4是沿图3中线IV-IV剖切的横截面图。
参见图3和4，在双极板100的上表面上形成流过液体燃料的流动通路，而在双极板100的下表面上形成流过氧化剂(空气)的流动通路。所述流动通路包括第一流动通路和第二流动通路，第一流动通路由形成在内部设置有MEA(见图1)的电极区域102的周边部分的多条流动通道110形成，第二流动通路由多个岛状物120形成。第二流动通路被第一流动通路环绕。也就是说，岛状物120被流动通道110环绕。优选每一岛状物120呈圆柱形。
流动通道110的入口和出口与总管112相连。总管112是用于供给或排出液体燃料或氧化剂的路径，它与贯通双极板100的燃料路径孔130a、130b、132a和132b相连。燃料路径孔130a和130b分别起液体燃料的入口和出口的作用，燃料路径孔132a和132b分别起氧化剂的入口和出口的作用。
在每一流动通道110中形成有多条从燃料路径孔130a到燃料路径孔130b的曲线部分。所述流动通道被弯曲成45°角或更小，这可减小流体的压力损失。流动通道110呈波浪形，流动通道110的宽度可在0.5mm和1.5mm之间变化。宽度在此范围内变化有利于泵送流体。
每一岛状物120的直径优选不大于岛状物120之间的距离，以便获得与MEA的有效接触面积。优选彼此相邻的三个岛状物120形成三角形，以限制流体中气泡的大小。岛状物120可使阳极反应中产生的CO2气泡破裂，以有利于向MEA供应燃料。岛状物120还可使阴极反应中产生的水滴破碎。
在双极板100中，流过流动通道110的流体的速度和流过岛状物120的流体的速度看上去几乎是均匀的。
图5是包括多块双极板100的液体式直接燃料电池的电池堆的横截面图。与所述附图相似的元件用相同的附图标记表示，对它们不再赘述。
参见图5，燃料电池的电池堆包括多个被堆叠的MEAs和设置在这些MEAs之间的导电双极板100。每一MEAs包括被设置在阳极142和阴极144之间的膜140。端部导电板160a和160b被设置在电池堆的上面和下面。每一端部导电板160a和160只有一个表面与MEAs之一接触，于是，这些端部导电板160a和160b的一个表面和双极板100的表面形状相同，它们的作用也与双极板100相同。集流板170a和170b被设置在端部导电板160a和160b的外表面上。MEAs、双极板100、端部导电板160a和160b、以及集流板170a和170b借助于螺钉通过固定端板180a和180b结合。
如垫圈之类的密封件150可防止来自燃料路径孔130a、130b、132a和132b的液体燃料或氧化剂(空气)和阳极142或阴极144接触。
图6是本发明另一实施方式的双极板的一表面、例如上面形成有液体燃料流动通路的表面的平面图。
参见图6，液体燃料流过的流动通路被形成在双极板200的上表面上。所述流动通路包括第一流动通路和第二流动通路，第一流动通路由形成在内部设置有MEA的电极区域202的周边部分中的多条流动通道210形成，第二流动通路由多个岛状物220形成。第二流动通路被第一流动通路环绕。岛状物220被流动通道210环绕。
流动通道210的入口和出口与总管212相连。总管212是用于供给或排出液体燃料或氧化剂的路径，它与贯通双极板200的燃料路径孔230a、230b、232a和232b相连。燃料路径孔230a和230b分别起液体燃料的入口和出口的作用，燃料路径孔232a和232b分别起氧化剂的入口和出口的作用。
在第一流动通路的流动通道210中形成有多条从燃料路径孔230a到燃料路径孔230b的曲线部分。这些曲线部分沿一个方向连续地被弯曲成约为45°角。小的角度可减小流体的压力损失。
流动通道210的宽度可在约0.5mm和1.5mm之间变化。宽度在此范围内变化有利于泵送流体。
每一岛状物220的直径优选不大于岛状物220之间的距离，以便获得与MEA的有效接触面积。优选彼此相邻的三个岛状物220形成三角形，以限制流体中气泡的大小。岛状物220可使阳极反应中产生的CO2气泡破裂，以有利于向MEA供应燃料。岛状物220还可使阴极反应中产生的水滴破碎。
如上所述，本发明的双极板可减小流体的压力损失，并可使气泡破裂，因而可提高预定面积内的燃料供应效率。此外，可获得均匀流动的流体。
本发明的液体式直接燃料电池电池堆所包括的双极板可减小气泡尺寸进而能有效地供给液体燃料和降低压力损失。
尽管上面结合本发明的示例性实施方式对本发明作了具体图示和说明，但是本领域技术人员应当理解，在不超出所附权利要求限定的本发明的构思和范围的前提下，可对本发明在形式和细节上作出各种改变。

Claims (20)

1.一种用于燃料电池的双极板，其包括多条流过燃料的流动通路，其中，所述流动通路包括由多条流动通道形成的第一流动通路和由多个岛状物形成的第二流动通路。
2.如权利要求1所述的双极板，其中，每一所述流动通道具有多个被弯成90°角或小于90°角的曲线部分。
3.如权利要求2所述的双极板，其中，所述流动通道被弯曲成45°角或小于45°角。
4.如权利要求1所述的双极板，其中，每一所述岛状物为圆柱形。
5.如权利要求1所述的双极板，其中，三个彼此相邻的所述岛状物沿燃料或氧化剂的流动方向形成为三角形。
6.如权利要求1所述的双极板，其中，每一所述岛状物的直径不大于所述岛状物之间的距离。
7.如权利要求1所述的双极板，其中，所述岛状物被所述流动通道环绕。
8.如权利要求2所述的双极板，其中，每一所述流动通道呈波浪形。
9.如权利要求8所述的双极板，其中，所述第一流动通路的宽度反复改变。
10.如权利要求8所述的双极板，其中，所述曲线部分沿一个方向连续地弯曲。
11.一种液体式直接燃料电池的电池堆，其包括多个膜电极组件，每一膜电极组件包括阳极、阴极、设置在所述阳极和阴极之间的电解质膜及多个双极板，这些双极板被设置成使所述多个膜电极组件被置于所述双极板之间，每一所述双极板包括多条向所述阳极和阴极提供燃料或氧化剂的流动通路，所述流动通路包括：
由多条流动通道形成的第一流动通路；及
由多个岛状物形成的第二流动通路。
12.如权利要求11所述的液体式直接燃料电池的电池堆，其中，每一所述流动通道具有多个被弯成90°角或小于90°角的曲线部分。
13.如权利要求12所述的液体式直接燃料电池的电池堆，其中，所述流动通道被弯曲成45°角或小于45°角。
14.如权利要求11所述的液体式直接燃料电池的电池堆，其中，每一所述岛状物为圆柱形。
15.如权利要求11所述的液体式直接燃料电池的电池堆，其中，三个彼此相邻的所述岛状物沿燃料的流动方向形成为三角形。
16.如权利要求11所述的液体式直接燃料电池的电池堆，其中，每一所述岛状物的直径不大于所述岛状物之间的距离。
17.如权利要求11所述的液体式直接燃料电池的电池堆，其中，所述岛状物被所述流动通道环绕。
18.如权利要求12所述的液体式直接燃料电池的电池堆，其中，每一所述流动通道呈波浪形。
19.如权利要求18所述的液体式直接燃料电池的电池堆，其中，所述第一流动通路的宽度反复改变。
20.如权利要求18所述的液体式直接燃料电池的电池堆，其中，所述曲线部分沿一个方向连续地弯曲。
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