CN1960045A - 具有两个燃料贮存器的直接液体供给燃料电池系统 - Google Patents

具有两个燃料贮存器的直接液体供给燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有两个燃料贮存单元的直接液体供给燃料电池系统。该直接液体供给燃料电池系统包括多个燃料电池和彼此隔开并储存要提供给燃料电池的液体燃料的高浓度燃料贮存单元及低浓度燃料贮存单元，燃料电池包括电解质膜、在电解质膜的第一表面上形成的多个阴极、和在电解质膜的第二表面上形成的一些阳极，当具有低浓度燃料贮存单元的直接液体供给燃料电池系统安装在电子装置上时，将低浓度燃料贮存单元中的液体燃料提供给这些阳极。本发明的直接液体供给燃料电池可以利用启动所需的低浓度燃料来有效地进行启动操作，而利用高浓度燃料长时间地工作。

Description

具有两个燃料贮存器的直接液体供给燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种直接液体供给燃料电池系统，更明确地说，涉及一种包括高浓度燃料贮存器和低浓度燃料贮存器的直接液体供给燃料电池系统。
背景技术
燃料电池是直接将燃料的化学能转变为电能的电化学设备。直接液体供给燃料电池通过液体燃料例如甲醇与氧之间的电化学反应产生电能。直接液体供给燃料电池与二次电池的区别在于只要从外部提供燃料就可使直接液体供给燃料电池工作。
直接液体供给燃料电池可以直接安装在移动通讯装置上，或者可以用于对移动通讯装置中安装的可再充电电池进行充电。
为了延长将直接液体供给燃料电池用作移动通讯装置电源的时间周期，例如，将10摩尔(mol)或更多的纯甲醇或高浓度甲醇与水混合后的低浓度甲醇提供给电极。因此，用于移动通讯装置的直接液体供给燃料电池需要高浓度燃料贮存器。为了稀释高浓度甲醇，在启动阶段需要水。通过给电极提供低浓度甲醇的普通操作，要花费好几分钟在直接液体供给燃料电池系统中产生水。据此，在启动阶段，要求在将低浓度甲醇提供给电极扩散层的同时使直接液体供给燃料电池工作，以使启动时间最短，此后，当直接液体供给燃料电池正常工作时，使用高浓度甲醇。
因此，需要具有高浓度燃料贮存器和低浓度燃料贮存器的直接液体供给燃料电池系统来向小型移动通讯装置提供电能。
发明内容
本发明的目的是提供一种包括用于快速而稳定地启动的低浓度燃料贮存单元和用于延长驱动直接液体供给燃料电池时间的高浓度燃料贮存单元的直接液体供给燃料电池系统。若将这种直接液体供给燃料电池系统安装于电子装置上，该直接液体供给燃料电池系统的体积可以很小。
根据本发明的一方面，所提供的直接液体供给燃料电池系统包括多个燃料电池和彼此隔开并储存要提供给燃料电池的液体燃料的高浓度燃料贮存单元及低浓度燃料贮存单元，所述燃料电池包括电解质膜、在电解质膜的第一表面上形成的多个阴极、和在电解质膜的第二表面上形成的一些阳极，其中，当具有低浓度燃料贮存单元的直接液体供给燃料电池系统安装在电子装置上时，将低浓度燃料贮存单元中的液体燃料提供给这些阳极。
低浓度燃料贮存单元可以是柔性容器。
低浓度燃料贮存单元可以贮存水或者贮存3mol或更少的甲醇。
低浓度燃料贮存单元可以贮存1至3mol的甲醇。
直接液体供给燃料电池系统还可以包括安装于在阳极上的燃料扩散单元，其中，在该燃料扩散单元上设有高浓度燃料贮存单元。
燃料扩散单元可以是多孔泡沫件。
可将低浓度燃料贮存单元设置在高浓度燃料贮存单元上，并且该低浓度燃料贮存单元的出口可与燃料扩散单元接触。
高浓度燃料贮存单元可以具有通孔，低浓度燃料贮存单元的出口通过该通孔接触燃料扩散单元。
直接液体供给燃料电池系统还可以包括内部安装有燃料电池、燃料扩散单元和高浓度燃料贮存单元的外壳，其中，低浓度燃料贮存单元可拆卸地安装在外壳上。
直接液体供给燃料电池系统还可以包括处于燃料电池和外壳之间、防止阴极产生的水泄漏到外部并允许气体穿过的透气膜。
附图说明
通过参考附图详细说明本发明的示例性实施方式，本发明的上述和其它特点和优点将更加明显。附图中：
图1是本发明一实施方式的直接液体供给燃料电池系统的横截面图；
图2是图1所示的直接液体供给燃料电池系统的低浓度燃料贮存单元的透视图；
图3的曲线示出了本发明一示例性实施方式的直接液体供给燃料电池系统工作的模拟结果。
具体实施方式
现在将参考示出了本发明一些示例性实施方式的附图更全面地描述本发明。在这些附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度。
图1是本发明一实施方式的直接液体供给燃料电池系统100的横截面图。直接液体供给燃料电池系统100包括外壳110、多个燃料电池130、在燃料电池130的阳极136上的燃料扩散单元140、设置于燃料扩散单元140上的高浓度燃料贮存单元150和设置于高浓度燃料贮存单元150上的低浓度燃料贮存单元160。燃料电池130、燃料扩散单元140和高浓度燃料贮存单元150可以固定地安装在外壳110中。低浓度燃料贮存单元160可从外壳110上拆卸下来。
燃料电池130包括电解质膜132、形成于电解质膜132的下表面的多个阴极134、和形成于电解质膜132上表面与阴极134对应的多个阳极136。燃料电池130串联连接。连接燃料电池的方法是本领域公知的方法，因此省略对其的详细说明。
燃料扩散单元140均匀地分布接受到的来自低浓度燃料贮存单元160的燃料和接受到的来自阳极136上的高浓度燃料贮存单元150的燃料。燃料扩散单元140可以由如海绵之类的多孔泡沫形成。
高浓度燃料贮存单元150贮存如纯甲醇之类的高浓度燃料，以提高本实施方式的直接液体供给燃料电池系统的能量密度。在高浓度燃料贮存单元150与燃料扩散单元140接触的壁中形成有多个孔152。高浓度燃料通过高浓度燃料贮存单元150的孔152穿过燃料扩散单元140被提供给阳极136。可将高浓度燃料贮存单元150固定或者可拆卸地安装在外壳110中。高浓度燃料贮存单元150包括燃料入口(未示出)，可以通过该燃料入口从外部提供纯甲醇。
低浓度燃料贮存单元160是一种柔性袋，其贮存有启动直接液体供给燃料电池所需的1至3mol甲醇。图2是低浓度燃料贮存单元160的透视图。参考图2，低浓度燃料贮存单元160包括燃料出口162，液体燃料由于外部压力通过该燃料出口输出流入燃料扩散单元140中。燃料出口162通过形成于高浓度燃料贮存单元150中的通孔154与燃料扩散单元140接触。通孔154可以用作低浓度燃料贮存单元160的可拆卸机构。低浓度燃料贮存单元160的体积由于外部压力而减小。因此，当直接液体供给燃料电池系统100安装在电子装置上时，低浓度燃料贮存单元160可以在直接液体供给燃料电池系统100中占据小体积。
可以在直接液体供给燃料电池系统100的一侧安装印刷电路基底170。印刷电路基底170电连接到燃料电池130的端子(未示出)并连接到用于对移动电子装置(未示出)充电的外部端子180。
在外壳110面对燃料电池130的阴极134的表面中形成有多个气孔112。通过气孔112将空气提供给阴极134。可在气孔112和燃料电池130之间形成透气膜120。透气膜120可以由疏水和多孔的聚四氟乙烯(PTFE)形成。透气膜120可防止阴极134产生的水泄漏到外部并可在阳极136回收水。透气膜120还可将二氧化碳排放到外部。
在本实施方式中，在低浓度燃料贮存单元160中贮存有1至3mol的甲醇，当然本发明不限于此。也就是说，低浓度燃料贮存单元160可以仅贮存水。在这种情况下，启动时将水提供给燃料扩散单元140，以与接收到的来自高浓度燃料贮存单元150的高浓度燃料混合。
下面将参考图1和2说明本发明实施方式的直接液体供给燃料电池系统的工作情况。
首先，例如在高浓度燃料贮存单元150中充满多于10mol的纯甲醇或高浓度甲醇，在安装在外壳110中的低浓度燃料贮存单元160中充满1至3mol的低浓度甲醇。低浓度燃料贮存单元160的出口162插入高浓度燃料贮存单元150的通孔154中，以便在外壳110中安装低浓度燃料贮存单元160。然后，要充电的电子装置(未示出)的外部端子(未示出)耦连到外部端子180。通过在外壳110和电子装置之间施加压力，将来自低浓度燃料贮存单元160的低浓度甲醇通过出口162提供给燃料扩散单元140。因此，燃料电池130开始工作。在启动步骤完成后，高浓度燃料贮存单元150中的高浓度燃料通过孔152被提供给燃料扩散单元140。这时，可防止阴极134产生的一些水流到外部并由透气膜120回收水，以稀释高浓度燃料。因此，本发明一实施方式的直接液体供给燃料电池系统在启动阶段使用低浓度燃料，而在正常工作期间使用高浓度燃料。
当高浓度燃料耗尽时，通过用另一个充满高浓度燃料的高浓度燃料贮存单元150替换该燃料耗尽的高浓度燃料贮存单元150，或者通过使该燃料耗尽的高浓度燃料贮存单元150充满高浓度燃料，可以在短时间内再启动直接液体供给燃料电池系统。当直接液体供给燃料电池系统在长时间停止工作后再启动时，通过在外壳110中安装新的低浓度燃料贮存单元160使直接液体供给燃料电池系统工作。
图3所示的曲线示出了本发明一实施方式的直接液体供给燃料电池系统工作的模拟结果。在模拟实验中，燃料电池的功率输出密度是40mW/cm2，总的功率输出是1200mW，从低浓度燃料贮存单元提供给燃料扩散单元的液体燃料是7cc的1mol甲醇。在高浓度燃料贮存单元中贮存有10cc纯甲醇。
参考图3，当通过从阴极回收的水来补偿从阳极侧转送(crossover)的水时，从低浓度燃料贮存单元提供的阳极侧的水与高浓度燃料贮存单元提供的纯甲醇混合。这时，阳极侧的甲醇浓度逐渐提高，但是在高浓度燃料贮存单元的高浓度燃料耗尽之后，阳极侧的甲醇浓度维持在大约3mol。因此，在燃料耗尽前，本发明实施方式的直接液体供给燃料电池工作约600min。
本发明的直接液体供给燃料电池可以利用启动所需的低浓度燃料来有效地进行启动操作，而且可以利用高浓度燃料长时间地工作。
尽管已参考本发明的一些示例性实施方式具体地示出并描述了本发明，但是本领域技术人员可以理解，在不超出本发明的构思和所附权利要求限定的范围的前提下可在形式和细节上对其进行各种变换。

Claims (11)

1.一种直接液体供给燃料电池系统，包括：
多个燃料电池，包括：
电解质膜；
形成于所述电解质膜的第一表面上的多个阴极；
形成于所述电解质膜的第二表面上的阳极；
彼此隔开并储存有要提供给所述燃料电池的液体燃料的高浓度燃料贮存单元和低浓度燃料贮存单元，
其中，当具有所述低浓度燃料贮存单元的所述直接液体供给燃料电池系统被安装在电子装置上时，将低浓度燃料贮存单元中的液体燃料提供给所述阳极。
2.如权利要求1所述的直接液体供给燃料电池系统，其中，所述低浓度燃料贮存单元是柔性容器。
3.如权利要求1所述的直接液体供给燃料电池系统，其中，所述低浓度燃料贮存单元贮存水或者贮存3mol或更少的甲醇。
4.如权利要求3所述的直接液体供给燃料电池系统，其中，所述低浓度燃料贮存单元贮存1至3mol甲醇。
5.如权利要求1所述的直接液体供给燃料电池系统，其中，还包括在所述阳极上安装的燃料扩散单元，其中所述高浓度燃料贮存单元被设置在该燃料扩散单元上。
6.如权利要求5所述的直接液体供给燃料电池系统，其中，所述燃料扩散单元是多孔泡沫件。
7.如权利要求5所述的直接液体供给燃料电池系统，其中，所述低浓度燃料贮存单元被设置在所述高浓度燃料贮存单元上，并且该低浓度燃料贮存单元的出口与所述燃料扩散单元接触。
8.如权利要求7所述的直接液体供给燃料电池系统，其中，所述高浓度燃料贮存单元具有通孔，所述低浓度燃料贮存单元的出口通过该通孔接触所述燃料扩散单元。
9.如权利要求5所述的直接液体供给燃料电池系统，其中，还包括内部安装有所述燃料电池、燃料扩散单元和高浓度燃料贮存单元的外壳，其中所述低浓度燃料贮存单元可拆卸地安装在该外壳上。
10.如权利要求9所述的直接液体供给燃料电池系统，其中，还包括处于所述燃料电池和外壳之间、防止阴极产生的水泄漏到外部并允许气体穿过的透气膜。
11.如权利要求1所述的直接液体供给燃料电池系统，其中，所述高浓度燃料贮存单元贮存纯甲醇或多于10mol的高浓度甲醇。
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