CN1797829A - 液体式直接燃料电池和包括这种电池的便携式电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液体式直接燃料电池和具有这种液体式直接燃料电池的便携式电子设备。液体式直接燃料电池包括：膜电极组件，其包括多个由电解质膜、多个阳极和与所述阳极对应的多个阴极组成的单电池；包括多个对应地设置在膜电极组件的阳极上的第一集流部分的集电板；设置在集电板上的扩散板，其向内扩散从形成在其侧面的入口供应的液体燃料；连接到入口并向扩散板供应液体燃料的液体燃料罐；对应地设置在阴极上的多个第二集流部分；设置在第二集流部分上、与空气连通的多孔板；以及电连接第一集流部分和第二集流部分以形成单电池电路的导电部分。利用本发明的液体式直接燃料电池可方便地对便携式电子设备上的可再充电电池充电。

Description

液体式直接燃料电池和包括这种电池的便携式电子设备
发明领域
本发明涉及一种用于向电池、尤其是向用作便携式电子设备的电源的二次电池充电的液体式直接燃料电池(direct liquid feed feul cell)。
背景技术
液体式直接燃料电池是通过如甲醇或乙醇之类的有机化合物燃料和如氧之类的氧化剂之间的电化学反应发电、并且具有非常高的能量和功率密度的装置。由于液体式直接燃料电池直接使用如甲醇之类的液体燃料，所以不需要如燃料重整器之类的外围装置，而且可以方便地储存和供应燃料。
如图1所示，液体式直接燃料电池具有在阳极2和阴极3之间设置电解质膜1的结构。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可以是如铂之类的、即使在低温下也具有优异的催化性能的贵金属催化剂。为了防止由反应副产物、即一氧化碳引起的催化剂中毒，可以使用源于钌、铑、锇、镍等的过渡金属合金催化剂。电极支撑层23和33可以是碳纸、碳纤维布等，它们防水，因而有助于供应燃料和排放反应产物。电解质膜1是50-200μm厚的聚合物膜。包含水分并具有离子导电性的质子交换膜可以用作电解质膜1。
在液体式直接燃料电池中，使用甲醇和水的混合燃料的直接甲醇燃料电池(DMFCS)包含两个电极反应：燃料氧化(阳极反应)和质子存在下的氧还原反应(阴极反应)。将这些反应归纳如下：
阳极反应
阴极反应
整个反应
在发生燃料氧化反应的阳极2中，甲醇和水反应产生二氧化碳、质子和电子。产生的质子通过电解质膜1转移到阴极3。在发生氧还原反应的阴极3中，质子、外部电路提供的电子和氧反应产生水。也就是说，在DMFCS的整个反应中，通过甲醇和氧的反应产生水和二氧化碳。这里，一摩尔甲醇和氧发生反应，产生两摩尔水。
美国专利No.6,326,097公开了一种用于对蜂窝式电话的电池充电的燃料电池。这种燃料电池可用于对便携式电子装置的电池充电。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于对便携式电子设备的电池充电的液体式直接燃料电池。
本发明另一目的是提供一种包括这种液体式直接燃料电池的便携式电子设备。
根据本发明的一方面，提供一种液体式直接燃料电池，包括：膜电极组件(MEA)，其包括由电解质膜、形成在电解质膜的第一表面上的多个阳极和形成在电解质膜的第二表面上与阳极对应的多个阴极组成的多个单电池(single cell)；集电板，其包括多个对应地设置在MEA的阳极上的第一集流部分；设置在所述集电板上的扩散板，该扩散板向内扩散从形成在其侧面的入口供应的液体燃料；连接到入口并向扩散板供应液体燃料的液体燃料罐；对应地设置在阴极上的多个第二集流部分；设置在第二集流部分上、与空气连通的多孔板；以及导电部分，其电连接第一集流部分和第二集流部分以形成单电池的电路。
根据本发明的另一方面，提供一种便携式电子设备，其包括：便携式电子装置；连接到该便携式电子装置后表面的后盖；遮盖便携式电子装置前表面的前盖；安装在前盖中的液体式直接燃料电池；向燃料电池供应液体燃料的液体燃料罐；以及可通过燃料电池充电的可再充电电池，该液体式直接燃料电池包括：MEA，其包括由电解质膜、形成在电解质膜的第一表面上的多个阳极和形成在电解质膜的第二表面上与该阳极对应的多个阴极组成的多个单电池；集电板，其包括多个对应地设置在MEA的阳极上的第一集流部分；设置在集电板上、向内扩散从形成在其侧面的入口供应的液体燃料的扩散板；对应地设置在阴极上的多个第二集流部分；设置在第二集流部分上、与空气连通的多孔板；以及导电部分，其电连接第一集流部分和第二集流部分以形成单电池的电路。
所述入口可以是在扩散板侧面的长度方向上形成的狭缝。
所述扩散板可以包括从其底部边缘突出的框架和垂直于框架内的狭缝的长度方向而纵向排列的突起，所述突起彼此间隔预定距离。
可将框架形成为比所述突起高，以遮盖集电板、扩散板和多孔板的侧面。
突起可以交替地形成。
每一与单元电池(unit cell)对应的第一集流部分可被分为多个孔。
可将液体燃料罐安装成与所述入口可拆卸。
附图说明
通过参考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点及优点将更加清晰。附图中：
图1是液体式直接燃料电池基本结构的横截面图；
图2是包括本发明的液体式直接燃料电池的便携式电子设备的示意性透视图；
图3是包括液体燃料罐的图2所示的液体式直接燃料电池的示意性横截面图；
图4是图3所示的液体式直接燃料电池的分解透视图；
图5是图3和4所示的液体式直接燃料电池中扩散板的局部平面图；
图6是图5的扩散板的改型例的局部平面图；
图7是图3和4所示的液体式直接燃料电池中膜电极组件的阳极的平面图；
图8是沿图7中线VIII-VIII剖切的横截面图；
图9是与图3和4所示的液体式直接燃料电池中的阳极接触的集电板的表面的平面图；
图10是网状集流部分的平面图。
具体实施方式
下面将结合附图更全面地说明本发明的液体式直接燃料电池和便携式电子设备，附图中示出了本发明的示例性实施方式。
图2是包括本发明的液体式直接燃料电池的便携式电子设备的示意性透视图。
参考图2，便携式电子设备100包括便携式电子装置110和对该便携式电子装置110的可再充电电池112充电的液体式直接燃料电池200。便携式电子装置110可以是PDA电话、智能手机(smart phone)或蜂窝式电话。便携式电子装置100的后侧可拆卸地安装在后盖120处。前盖130可以遮盖便携式电子装置110的前表面。作为本发明的特征部分的液体式直接燃料电池200被容纳在前盖130中。管状液体燃料罐140被安装在前盖130和后盖120之间。液体燃料罐140贮存液体燃料，例如贮存甲醇。可将液体燃料罐140固定地安装于前盖130上。液体燃料罐140也可以是能从前盖130上拆卸下来的液体燃料盒。燃料电池200和液体燃料罐140可以是连接在一起的对接结构。
可再充电电池112被安装在便携式电子装置110的后表面。便携式电子装置110的下部形成有用于充电的端子(未示出)，该端子电连接到充电连接器150，该充电连接器电连接到燃料电池200，从而对可再充电电池112进行充电。
图3是装有液体燃料罐140的图2所示的液体式直接燃料电池200的示意性横截面图，图4是图3所示的燃料电池200的分解透视图。为了便于解释，图4中省略了液体燃料灌140。这些附图中与图2基本相同的构成元件用相同的附图标记表示，而且省略对它们的详细说明。
参考图3和4，将液体燃料灌140连接到燃料电池200的侧面。连接到液体燃料灌140的燃料电池200的部分是用作液体燃料入口的狭缝222。燃料灌140形成有对接到狭缝222的突出狭缝142，因此液体燃料例如1∶1(摩尔比)的甲醇和水的混合物可从燃料灌140供应给燃料电池200。可对所述对接结构作出各种变型。
燃料电池200具有由扩散板220、集电板240、膜电极组件(MEA)260和多孔板280依次堆叠的结构。
优选对扩散板220进行亲水性处理，以确保充分扩散液体燃料。扩散板220与燃料灌140接触的端部形成有狭缝222。优选将扩散板220的矩形框架224形成为可以遮盖扩散板220、集电板240、MEA 260和多孔板280侧面的高度。例如，扩散板220的矩形框架224可以具有3到6mm的高度。突起228形成为从扩散板220的底部226开始大约100到200μm的高度。
图5是图3和4所示的扩散板220的局部平面图。参考图3到5，从底部226垂直地形成突起228。优选突起228形成为相同的形状。可将突起228形成为线性图案，该线性图案具有预定长度L、两个水平相邻突起之间即沿垂直于狭缝222长度方向的方向上的箭头A的方向两相邻突起之间的水平间隙D、及比长度L短得多的预定宽度W和垂直间隙H。此时，可将这种图案交替排列。优选突起228形成为具有相同高度。图5示出的突起228为交替阵列，但本发明不局限于此。穿过狭缝222的液体燃料被突起228扩散。
图6是图5所示的扩散板220的变型例的局部平面图。参考图6，突起228′具有与图5所示的突起228基本相同的尺寸，但是它们排列成矩阵型结构。
图7是图3和4所示的MEA260的阳极264的平面图，图8是沿图7中线VIII-VIII剖切的横截面图。参考图7和8，矩形垫圈268沿电解质膜262的边缘贴附。垫圈268由具有良好弹性的涂硅特氟纶制成。为了便于说明，图1中省略了垫圈268。垫圈268沿着MEA 260的边缘安装，以防止从液体燃料罐(见图2所示的140)供应给阳极264的甲醇泄漏。当组装燃料电池200的构成元件时，垫圈268具有密封效果。
六对阳极264和阴极266对称地设置在电解质膜262的两个表面。也就是说，六个阳极264形成在电解质膜262的一表面上，它们彼此隔开预定距离，例如隔开约1mm，而六个阴极266形成在电解质膜262的另一表面上，它们彼此也隔开预定距离，例如隔开1mm，借此在电解质膜262上形成六个单元电池。
图9是图3和4所示的集电板240与阳极接触的表面的平面图。参考图3、4和9，集流部分242形成在集电板240与MEA 260的单个电池对应的区域内。在每一集流部分242中，由占据预定面积的条形件244限定出多个孔242a。优选集电板240由绝缘材料制成。集流部分242和连接到阴极266上的另一集流部分(见图10所示的290)的导电部分246涂覆有导电材料例如涂覆有金。集流部分242彼此电绝缘。扩散板220通过在集流部分242中形成的孔242a向与扩散板220接触的阳极264提供液体燃料。用于阳极264中的燃料可通过集电板240和扩散板220之间产生的毛管力从液体燃料罐140供应给扩散板220。
转而参见图4，多孔板280可以由与空气连通的多个空气通风口282构成，或者可由多孔材料制成。多孔板280排放从阴极266释放的CO2或水。
同时，可将集流部分设置在多孔板280和阴极266之间。此时，集流部分可以和图9所示的集电板240的集流部分242相同，或者可以是图10中所示的网状集流部分290。
参考图10，可将网状集流部分290形成在形成于MEA260的电解质膜262上的阴极266上。集流部分290的端部连接到导电部分292。导电部分292是串联地电连接构成六个单元电池的六个阳极264和六个阴极266的电路。这是通用技术，因此省略对其的详细说明。
本发明的燃料电池可以直接与便携式电子装置连接，以对便携式电子装置的电池充电，或者用作携式电子装置的电池的代用品。这种燃料电池薄而轻。在这种燃料电池中，燃料从燃料灌水平供应给扩散板，然后通过形成于扩散板上的集电板垂直供应给阳极。
从上面的描述可看出，本发明的液体式直接燃料电池可方便地对便携式电子装置上的可再充电电池充电，因此，可延长便携式电子装置的工作时间。而且，形成有突起图案的扩散板有助于液体燃料扩散。集电板用于集流，同时集电板和扩散板之间产生的毛管力有助于液体燃料的流动和连续地向阳极供应液体燃料。
尽管上面通过参考示例性实施方式具体显示和说明了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不超出权利要求所限定的本发明的构思和范围的前提下，在形式和细节上可对其进行各种改变。

Claims (18)

1.一种液体式直接燃料电池，包括：
膜电极组件，其包括多个由电解质膜、形成在该电解质膜的第一表面上的多个阳极和形成在该电解质膜的第二表面上与所述阳极对应的多个阴极组成的单电池；
集电板，其包括多个对应地设置在所述膜电极组件的阳极上的第一集流部分；
设置在所述集电板上的扩散板，该扩散板向内扩散从形成在其侧面的入口供应的液体燃料；
连接到所述入口并向所述扩散板供应液体燃料的液体燃料罐；
对应地设置在所述阴极上的多个第二集流部分；
设置在所述第二集流部分上、与空气连通的多孔板；及
导电部分，其电连接所述第一集流部分和第二集流部分以形成所述单电池的电路。
2.根据权利要求1所述的液体式直接燃料电池，其中，所述入口是在所述扩散板侧面的长度方向上形成的狭缝。
3.根据权利要求2所述的液体式直接燃料电池，其中，所述扩散板包括从其底部边缘突出的框架和垂直于所述框架内侧的所述狭缝的长度方向而纵向排列的突起，所述突起彼此隔开预定距离。
4、根据权利要求3所述的液体式直接燃料电池，其中，所述框架形成为比所述突起高，以遮盖所述集电板、扩散板和多孔板的侧面。
5.根据权利要求3所述的液体式直接燃料电池，其中，所述突起交替地形成。
6.根据权利要求1所述的液体式直接燃料电池，其中，每个与所述单元电池对应的第一集流部分被分为多个孔。
7.根据权利要求6所述的液体式直接燃料电池，其中，所述第一集流部分彼此电绝缘，而且每一第一集流部分电连接到所述导电部分。
8.根据权利要求1所述的液体式直接燃料电池，其中，所述液体燃料罐被安装成与所述入口可拆卸。
9.一种便携式电子设备，包括：
便携式电子装置；
连接到该便携式电子装置后表面的后盖；
遮盖该便携式电子装置前表面的前盖；
安装在所述前盖中的液体式直接燃料电池；
给该燃料电池供应液体燃料的液体燃料罐；及
通过所述燃料电池充电的可再充电电池。
10.根据权利要求9所述的便携式电子设备，其中，所述液体式直接燃料电池包括：
膜电极组件，其包括多个由电解质膜、形成在该电解质膜的第一表面上的多个阳极和形成在该电解质膜的第二表面上与所述阳极对应的多个阴极组成的单元电池；
集电板，其包括多个对应地设置在所述膜电极组件的阳极上的第一集流部分；
设置在所述集电板上的扩散板，该扩散板向内扩散从形成在其侧面的入口供应的液体燃料；
对应地设置在所述阴极上的多个第二集流部分；
设置在所述第二集流部分上、与空气连通的多孔板；及
导电部分，其电连接所述第一集流部分和第二集流部分以形成所述单元电池的电路，
其中，所述液体燃料罐与所述扩散板的所述入口相连。
11.根据权利要求10所述的便携式电子设备，其中，所述入口是在所述扩散板侧面的长度方向上形成的狭缝。
12.根据权利要求10所述的便携式电子设备，其中，所述扩散板包括从其底部边缘突出的框架和垂直于所述框架内侧的所述狭缝的长度方向而纵向排列的突起，所述突起彼此隔开预定距离。
13.根据权利要求12所述的便携式电子设备，其中，所述框架形成为比所述突起高，以遮盖所述集电板、扩散板和多孔板的侧面。
14.根据权利要求12所述的便携式电子设备，其中，所述突起交替地形成。
15.根据权利要求10所述的便携式电子设备，其中，每一与所述单元电池对应的所述第一集流部分被分为多个孔。
16.根据权利要求15所述的便携式电子设备，其中，所述第一集流部分彼此电绝缘，而且每个第一集流部分电连接到所述导电部分。
17.根据权利要求10所述的便携式电子设备，其中，所述液体燃料罐被安装成与所述入口可拆卸。
18.根据权利要求10所述的便携式电子设备，其中，所述液体燃料罐被安装在所述前盖和后盖之间。
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