CN1976103A - 直接氧化燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种直接氧化燃料电池。直接氧化燃料电池包括一个或多个发电机，所述发电机具有膜电极组件以及阳极和阴极构件，所述阳极和阴极构件被设置为与置于二者之间的所述膜电极组件的相应侧紧密接触，以通过燃料和氧的反应来产生电能和水。所述阴极构件包括多个气口，其所具有的直径沿着从所述阴极构件紧密接触所述膜电极组件的表面到所述阴极构件接触大气的表面的方向逐渐增大。排水管线形成于接触大气的表面处，以排出凝结在所述气口中的水。具有亲水性并用于吸收水的吸收构件形成于所述排水管线处。
Description
技术领域
本发明涉及一种直接氧化燃料电池。
背景技术
直接氧化燃料电池被直接提供以液相燃料并通过包含于燃料中的氢和独立供应的空气的电化学反应而产生电能。
直接氧化燃料电池可为被动(passive)类型和主动(active)类型，采用被动类型，空气通过无压(no-load)供应而无需泵或送风机，而采用主动类型，空气通过驱动泵或送风机来供应。
被动类型直接氧化燃料电池包括膜电极组件(MEA)，和阳极和阴极板，所述阳极和阴极板被设置为与置于二者之间的所述MEA的相应侧紧密接触。
所述阴极板包括多个气口，空气流经所述多个气口而被排放到大气中。所述气口具有相同的直径并穿透所述阴极板，所述直径的尺寸使得所述阴极板能够保持传导性。换句话说，所述阴极板被设置为与MEA紧密接触，而同时保持参考接触面积，使得其紧密接触MEA的接触面积不会影响传导性。
不过，传统的被动类型直接氧化燃料电池通过空气在MEA中的还原反应产生水蒸汽，并且阴极板被暴露于大气中，这样，所述水蒸汽接触到相对较低温度的大气并在阴极板的气口中凝结成水。所凝结的水聚集于阴极板的气口中，使得所凝结的水通过表面张力的作用而阻塞所述气口。
因此，在传统的直接氧化燃料电池中，阴极板的气口被所凝结的水所阻塞，从而无法适当地被供应以大气中的空气。因此，整个燃料电池的效率和可靠性降低。
为了解决上述的问题，传统的直接氧化燃料电池被构造以增大阴极板的整个的气口的直径。在这种情况下，阴极板的相对于MEA的接触面积变得小于参考接触面积，使得电子不能正确地移动到阴极板。
因此，在传统的直接氧化燃料电池中，电子移动时产生的势能差减小。相应地，电能的输出效率降低。
发明内容
根据本发明的实施例，提供了一种直接氧化燃料电池，其能够保持阴极板的传导性，并能够容易地排放凝结在阴极板的气口中的水。
根据本发明的一方面，提供了一种直接氧化燃料电池，其包括一个或多个发电机，所述发电机具有MEA、阳极构件和阴极构件，所述阳极构件和所述阴极构件被设置为与置于二者之间的所述MEA的相应侧紧密接触，以通过燃料和氧的反应来产生电能和水。所述阴极构件包括使空气流动通过的多个气口。排水管线被连接到所述气口从而排出凝结在所述气口中的水。具有亲水性并用于吸收水的吸收构件形成于所述排水管线处。
所述阴极构件的表面接触大气的接触面积，可与所述阴极构件的表面紧密接触所述MEA的接触面积相等。
所述排水管线可被形成为凹槽，其在所述阴极构件的接触大气的表面处沿重力方向形成。
所述排水管线可包括：连接到所述气口的支路管线和连接到所述支路管线的连接管线。
所述吸收构件可填充所述排水管线。
所述吸收构件可被涂布于所述排水管线上。
所述吸收构件可由亲水树脂制成，例如由聚醚、多元醇、聚酰胺、聚硫化酸、聚羧基酸或纤维素制成。
所述阳极构件可包括：所述燃料流动通过的流径。所述流径可形成为蜿蜒形。
所述阳极构件和所述阴极构件可被构造为电流收集器，用于收集具有彼此相反的极性的电流。
根据本发明的另一方面，所述阴极构件可包括多个气口，其具有的直径沿着从所述阴极构件紧密接触所述MEA的表面到所述阴极构件接触大气的表面的方向而逐渐增大。排水管线也形成于所述阴极构件的接触大气的表面处，以排出凝结在所述气口中的水。具有亲水性并用于吸收水的吸收构件也形成于所述排水管线处。
所述阴极构件的表面紧密接触所述MEA的接触面积，可大于所述阴极构件的表面接触大气的接触面积。
每个所述气口可包括：第一部分，其具有预定直径并形成于紧密接触所述MEA的表面处；和第二部分，其从所述第一部分延伸并且所述第二部分的直径沿着朝向所述阴极构件的接触大气的表面的方向逐渐增大。
所述气口可形成为渐细的气口。
所述排水管线可形成为凹槽，其将所述第二部分与其他第二部分相连接。
所述排水管线可包括：连接到所述第二部分的支路管线和连接到所述支路管线的连接管线。
附图说明
图1是显示了根据本发明的第一实施例的直接氧化燃料电池的结构的分解透视图；
图2是显示了图1的组装结构的剖视图；
图3是显示了图1所示阴极构件的平面图；
图4A和图4B是显示了图1所示吸收构件的剖视图；
图5是显示了根据本发明的第二实施例的直接氧化燃料电池的结构的分解透视图；
图6是显示了图5的组装结构的剖视图；
图7是显示了图5所示阴极构件的平面图；
图8是显示了根据本发明的第三实施例的直接氧化燃料电池的结构的剖视图。
具体实施方式
参看图1和图2，直接氧化燃料电池100为一种发电系统，其用于通过燃料与氧的电化学反应而产生电能，并将该电能输出到预定的电子器件。
直接氧化燃料电池100可以为传统被动类型的直接甲醇燃料电池(DMFC)，其中诸如甲醇和乙醇的基于酒精的燃料与大气中的空气被直接供应，以通过包含于燃料中的氢的氧化反应和包含于空气中的氧的还原反应来产生电能。
更具体地，根据本实施例的直接氧化燃料电池100，包括一个或多个发电单元90，其通过燃料供应装置(未示出)或通过燃料的毛细作用或密度差而被供应以燃料，并通过扩散和对流被供应以大气中的空气，从而通过燃料的氧化反应和空气的还原反应来产生电能。
根据本实施例的直接氧化燃料电池100，可为板式燃料电池，其中，发电单元90被置于平面中。在附图中，根据本实施例的燃料电池100具有单一的发电单元90。这是因为，为了方便描述而对附图进行了简化。可选地，根据本实施例，多个发电单元90可顺序地放置，以组成燃料电池100。
上面描述的直接氧化燃料电池100的发电单元90，基本包括：MEA 10，以及阳极构件40和阴极构件60，阳极构件40和阴极构件60被设置为与介于二者之间的MEA 10的相应侧紧密接触。
参看图2，第一电极层11形成于MEA 10的一侧，第二电极层12形成于其另一侧，而薄膜13形成于所述的两个电极层11与12之间。阳极构件40被设置为紧密接触第一电极层11，而阴极构件60被设置为紧密接触第二电极层12。
第一电极层11通过阳极部分40被供应以燃料。此外，在第一电极层11中，包含于所述燃料中的氢通过氧化反应被分解为电子和氢离子。在薄膜13中，由在第一电极层11中的氢分解而来的氢离子移动到第二电极层12。在第二电极层12中，从第一电极层11接收的电子和氢离子与通过阴极构件60供应的氧进行反应，产生水和热。
在本实施例中，阳极构件40由板形的导电金属制成，以紧密接触MEA10的第一电极层11。在阳极构件40中，所述燃料被分配以供应到MEA 10的第一电极层11。此外，阳极构件40用作导电体，使得在第一电极层11中分解而来的电子移动到阴极构件60，这将在后面进一步描述。
阳极构件40具有流径(flowpath)42，通过流径42，燃料流动到第一电极层11。流径42形成在对应于MEA 10的第一电极层11的表面上，并具有沟道的形状。流径42在面对MEA 10的第一电极层11的阳极部分40的一个区域处形成于具有预定间隔的多条大致笔直的直线中，这些直线的两端被连接到交替的位置中，使得流径42形成以蜿蜒(meandering)的形状。
此外，如上所述，阳极构件40用作导电体，其中电子移动到阴极构件60。因此，阳极构件40可被构造为电流收集器，用于收集电流，该电流所具有的极性与阴极部分60的电流极性相反。
在本实施例中，阴极构件60被暴露于大气中，并由板形的导电金属制成，以紧密接触MEA 10的第二电极层12。大气中的空气通过扩散和对流穿过阴极构件60而被分配以供应到MEA 10的第二电极层12。此外，阴极构件60用作导电体，以接收来自阳极构件40的电子。
为了将大气中的空气供应到MEA 10的第二电极层12，阴极构件60具有多个气口63，这些气口63穿透对应于MEA 10的第二电极层12一侧的阴极构件60的板。
在这种情况下，类似于传统方式，多个气口63具有相同的直径，并沿着从阴极构件60的紧密接触MEA 10的表面(A)(在下文中为方便而称为“第一表面”)到接触大气的表面(B)(在下文中为方便而称为“第二表面”)的方向形成。也就是说，阴极构件60被构造为：第一表面(A)接触MEA 10的第二电极层12的接触面积，与第二表面(B)接触大气的接触面积相等。
更具体地，每个气口63具有第一开口部分63a和第二开口部分63b，第一开口部分63a在阴极构件60的第一表面(A)处具有预定直径，第二开口部分63b在阴极构件60的第二表面(B)处具有与第一开口部分63a相同的直径，而且，第一开口部分63a和第二开口部分63b彼此相连。
此外，如上所述，阴极构件60用作导电体，以接收来自阳极构件40的电子，使得阴极构件60可被构造为电流收集器61，用于收集电流，该电流具有的极性与阳极部分40的电流极性相反。
当根据本发明的具有上述结构的直接氧化燃料电池100运行时，通过在MEA 10的第二电极层12中的氧的还原反应产生了水蒸汽。因为阴极构件60被暴露于大气，因此所述水蒸汽接触到温度相对较低的大气，并在阴极构件60的气口63中凝结为水。
所凝结的水被聚集于阴极构件60的气口63中，并且所凝结的水通过表面张力的作用而阻塞所述气口。在这种情况下，大气中的空气不能通过所述气口被充足供应到MEA 10的第二电极层12。
为了容易地排放在气口63中的凝结的水，根据本实施例的直接氧化燃料电池100包括：将各气口63相互连接的排水管线70，和形成于排水管线70处的吸收构件80。
在本实施例中，如图1和图3所示，排水管线70被形成为凹槽，其将阴极构件60的第二表面(B)处的各气口的第二开口部分63b相互连接，并基于阴极构件60竖直站立的情况沿重力方向形成。
排水管线70包括支路管线71和连接管线72，支路管线71从气口63的第二开口部分63b分叉并且向下倾斜而形成，而连接管线72沿阴极构件60的竖直方向(重力方向)形成并与支路管线71连接。
因此，由于气口63的第一开口部分63a，阴极构件60在第一表面(A)中所具有的接触面积近似于传统阴极构件，第一表面(A)被设置为紧密接触MEA 10的第二电极层12。此外，阴极构件60包括排水管线70，其将第二表面(B)处的各气口63的第二开口部分63b相互连接。因此，能够保持第一电极层11与第二电极层12的串联连接的传导性，而在气口63中的凝结的水能够通过排水管线70被容易地排出气口63。
在本实施例中，吸收构件80用于通过排水管线70将气口63中凝结的水容易地排出。吸收构件70用作吸水芯(wick)，用于吸收和存储排水管线70中的水。
吸收构件80可填充排水管线70的凹槽区域，如图4A所示，以填满排水管线70。可选地，吸收构件80可采用覆膜形式被涂布在排水管线70的凹槽区域上，如图4B所示。
吸收构件80可由易于吸收和存储水的传统亲水树脂制成，例如聚醚、多元醇、聚酰胺、聚硫化酸、聚羧基酸、纤维素之类。可选地，吸收构件80可由传统的多孔碳材料、传统的易于吸收水的沸石、或者磷氧化物(P2O5)制成。
因此，在本实施例中，吸收构件80形成在将气口63相互连接的排水管线70上，吸收构件80吸收在气口63中的凝结的水，使得所凝结的水能够通过排水管线70被容易地排放。此外，在本实施例中，由于吸收构件80吸收在气口63中的凝结的水，这些水能够通过排水管线70被容易地排放，而无论燃料电池100的方向如何，甚至在燃料电池100旋转时。
对于具有根据本实施例的上述结构的直接氧化燃料电池100的运行，现在将进行更详细的描述。
首先，燃料沿着阳极构件40的流径42流动，并被供应到MEA 10的第一电极层11。此后，在MEA 10的第一电极层11中，包含于所述燃料中的氢通过所述燃料的氧化反应被分解为电子和氢离子(质子)。所述氢离子穿过MEA 10的薄膜13移动到第二电极层12，而所述电子不能穿过薄膜13，而是通过阳极构件40移动到阴极构件60。
通过上述的操作，根据本实施例的直接氧化燃料电池100，通过电子的移动而产生电流，而阳极构件40和阴极构件60被构造为电流收集器41和61，用于收集电流，从而输出具有预定势能差的电能。
同时，大气中的空气通过扩散和对流流经阴极构件60的气口63，并供应到MEA 10的第二电极层12。此后，在MEA 10的第二电极层12中，经过薄膜13的氢离子，经过阳极构件40的电子，和通过气口63供应的空气，进行反应，以产生热和水。
水被凝结在阴极构件60的气口63中。由于连接了气口63的各第二开口部分63b的排水管线70和形成于排水管线70处的吸收构件80被提供到阴极构件60的第二薄膜(B)上，因此吸收构件80吸收和存储所凝结的水，以将这些水通过排水管线70排放到另外的收集装置(未示出)中。
相应地，根据本实施例的直接氧化燃料电池100，能够防止阴极构件60的气口63被水阻塞。因此，大气中的空气能够通过阴极构件60的气口63被正确地供应到MEA 10的第二电极层12。
特别地，在本实施例中，由于气口63的第一开口部分63a，阴极构件60具有的在第一表面(A)处的接触面积近似于传统阴极构件。此外，第一表面(A)被设置为紧密接触MEA 10的第二电极层12。因此，能够保持第一电极层11与第二电极层12的串联连接的传导性，而在气口63中的凝结的水能够通过上述操作而容易地被排放。此外，在本实施例中，由于吸收构件80吸收在气口63中的凝结的水，所以这些水能够通过排水管线70被容易地排放，无论燃料电池100的方向如何，即使是在燃料电池100旋转时。
图5是显示了根据本发明的第二实施例的直接氧化燃料电池的结构的分解透视图。图6是显示了图5的组装结构的剖视图。
参看图5和图6，根据第二实施例的直接氧化燃料电池200，具有与前述实施例基本相同的结构。具体地，在第二实施例中，构造阴极构件160，其中气口163的直径沿着从第一表面(A)到第二表面(B)的方向而增大。因此，在气口163处的诸如水滴的凝结水的表面张力下降，这样这些水能够被容易地排放。
在本实施例中，每个气口163包括第一部分163a和第二部分163b，第一部分163a形成在第一表面(A)上并具有预定直径，第二部分163b从第一部分163a延伸而且第二部分163b的直径沿着朝向阴极构件160的第二表面(B)的方向增大。也就是说，阴极构件160被构造为其中紧密接触MEA110的第二电极层112的表面(A)的接触面积大于表面(B)接触大气的接触面积。
更具体地，在阴极构件160中，气口163的第一部分163a具有形成于阴极构件160的第一表面(A)处并具有预定直径的开口部分，并以相同的直径朝向第二表面(B)形成预定深度。另一方面，第二部分163b从第一部分163a延伸，第二部分163b的直径沿着朝向阴极构件160的第二表面(B)的方向逐渐增大，并形成了在阴极构件160的第二表面(B)处直径大于第一部分163a的开口部分。
因此，由于阴极构件160中气口163的第二部分163b的直径沿着从第一部分163a到第二表面(B)的方向逐渐增大，所以在第二部分163b处的凝结的水的表面张力降低，这些水能够容易地排出气口163。此外，由于气口163的第一部分163a，阴极构件160在第一表面(A)处具有的接触面积近似于传统阴极构件，并且第一表面(A)被设置为紧密接触MEA 110的第二电极层112。因此，能够保持第一电极层111与第二电极层112的串联连接的传导性，而在气口163中的凝结的水能够被容易地被排放。
燃料电池200的阴极构件160具有类似于前述实施例中的排水管线170，如图7所示。排水管线170被形成为凹槽，其在阴极构件160的第二表面(B)处将各气口163的第二部分163b相互连接。排水管线170包括支路管线171和连接管线172，支路管线171从气口163的第二开口部分163b分叉并形成为向下倾斜，而连接管线172沿阴极构件160的竖直方向(重力方向)形成并与支路管线171连接。
此外，在本实施例中，提供了如前述的实施例中所述的形成于排水管线170上的吸收构件180。吸收构件180可填充排水管线170的凹槽区域，或者，可采用覆膜形式而被涂布在排水管线170的凹槽区域上。
因此，在本实施例中，因为阴极构件160的第二表面(B)包括将气口163的第二部分163b相互连接的排水管线170和形成于排水管线170处的吸收构件180，所以吸收构件180吸收并存储在气口163中凝结的水，以将这些水通过排水管线170排放到另外的收集装置(未示出)中。
图8是显示了根据本发明的第三实施例的直接氧化燃料电池的结构的剖视图。
参看图8，根据本实施例的直接氧化燃料电池300，包括阴极构件260，其中气口263形成为渐细的形状，使得气口263的直径沿着从第一表面(A)到第二表面(B)的方向增大。
更具体地，阴极构件260的每个气口263具有第一开口部分263a和第二开口部分263b，第一开口部分263a在第一表面(A)处具有预定直径，第二开口部分263b在第二表面(B)处具有比第一开口部分263a相对较大的直径。第一开口部分263a和第二开口部分263b相连以形成渐细的形状。
因此，由于气口263的第一开口部分263a，根据本实施例的阴极构件260所具有的在第一表面(A)中的接触面积近似于传统阴极构件，并且第一表面(A)被设置为紧密接触MEA 210的第二电极层212。因为阴极构件260的气口263形成为渐细的形状，其中气口263的直径沿着从第一表面(A)到第二表面(B)的方向逐渐增大，所以在第二开口部分263b处凝结的水的表面张力降低，并且这些水能够容易地排出气口263。
此外，根据本实施例的直接氧化燃料电池300包括：排水管线270，其形成为阴极构件260的第二表面(B)处的凹槽并连接气口263的第二开口部分263b；和吸收构件280，其形成于排水管线270处。排水管线270和吸收构件280的组成和操作与上述实施例中的情况相同，因而省略其详细描述。
依照根据本发明的实施例的直接氧化燃料电池，阴极构件保持接触面积从而能够保持传导性，并且阴极构件被设置为紧密接触MEA。此外，阴极构件被构造为能够容易地排放在气口中凝结的水。因此，保持了电能的输出效率，而且能够防止阴极构件的气口被水阻塞。
相应地，在大气中的空气能够通过阴极构件的气口被正确地供应到MEA，整个燃料电池的效率和可靠性大大提高。
虽然已经描述了本发明的示例性的实施例和改造的示例，但是本发明并不限于所述的实施例和示例，而是可在不脱离本发明的所附权利要求书、具体的说明书和附图的范围的情况下，对本发明进行不同形式的改造。因此，这种改造在本发明的范围内。
Claims (22)
1、一种直接氧化燃料电池，其包括：一个或多个发电机，每个所述发电机具有膜电极组件、阳极构件和阴极构件，所述阳极构件和所述阴极构件被设置为与所述膜电极组件的相应侧紧密接触，所述膜电极组件被置于所述阳极构件与所述阴极构件之间，以通过燃料和氧的反应来产生电能和水；
其中所述阴极构件包括：多个气口，空气流动通过其中；排水管线，其被连接到所述气口，用于排出凝结在所述气口中的水；和吸收构件，其具有亲水性，用于吸收水，并形成于所述排水管线处。
2、如权利要求1所述的直接氧化燃料电池，其中所述阴极构件接触大气的表面的接触面积，与所述阴极构件紧密接触所述膜电极组件的表面的接触面积相等。
3、如权利要求1所述的直接氧化燃料电池，其中所述排水管线被形成为在所述阴极构件的接触大气的表面处的沿重力方向的凹槽。
4、如权利要求1所述的直接氧化燃料电池，其中所述排水管线包括：连接到所述气口的支路管线和连接到所述支路管线的连接管线。
5、如权利要求3所述的直接氧化燃料电池，其中所述吸收构件填充所述排水管线。
6、如权利要求3所述的直接氧化燃料电池，其中所述吸收构件被涂布于所述排水管线上。
7、如权利要求1所述的直接氧化燃料电池，其中所述吸收构件由亲水树脂制成。
8、如权利要求7所述的直接氧化燃料电池，其中所述亲水树脂从由聚醚、多元醇、聚酰胺、聚硫化酸、聚羧基酸和纤维素组成的组中选择。
9、如权利要求1所述的直接氧化燃料电池，其中所述阳极构件包括：所述燃料流动通过的流径。
10、如权利要求9所述的直接氧化燃料电池，其中所述流径为蜿蜒的流径。
11、如权利要求1所述的直接氧化燃料电池，其中所述阳极构件和所述阴极构件被构造为电流收集器，其用于收集具有彼此相反的极性的电流。
12、一种直接氧化燃料电池，其包括一个或多个发电机，每个所述发电机具有膜电极组件、阳极构件和阴极构件，所述阳极构件和所述阴极构件被设置为与所述膜电极组件的相应侧紧密接触，所述膜电极组件被置于所述阳极构件与所述阴极构件之间，用来通过燃料和氧的反应产生电能和水；
其中所述阴极构件包括：多个气口，其所具有的直径沿着从所述阴极构件紧密接触所述膜电极组件的表面到所述阴极构件接触大气的表面的方向而逐渐增大；排水管线，其形成于所述阴极构件的接触大气的表面处，用于排出凝结在所述气口中的水；和吸收构件，其具有亲水性，用于吸收水并形成于所述排水管线处。
13、如权利要求12所述的直接氧化燃料电池，其中所述阴极构件紧密接触所述膜电极组件的表面的接触面积，大于所述阴极构件接触大气的表面的接触面积。
14、如权利要求12所述的直接氧化燃料电池，其中每个所述气口包括：第一部分，其具有预定直径并形成于紧密接触所述膜电极组件的表面处；和第二部分，其从所述第一部分延伸，并且所述第二部分所具有的直径沿着朝向所述阴极构件的接触大气的表面的方向逐渐增大。
15、如权利要求12所述的直接氧化燃料电池，其中所述气口为渐细的气口。
16、如权利要求12所述的直接氧化燃料电池，其中所述排水管线为凹槽，其将所述气口与其他气口相连接。
17、如权利要求14所述的直接氧化燃料电池，其中所述排水管线为凹槽，其将所述第二部分与其他第二部分相连接。
18、如权利要求12所述的直接氧化燃料电池，其中所述排水管线包括：连接到所述气口的支路管线和连接到所述支路管线的连接管线。
19、如权利要求14所述的直接氧化燃料电池，其中所述排水管线包括：连接到所述第二部分的支路管线和连接到所述支路管线的连接管线。
20、如权利要求16所述的直接氧化燃料电池，其中所述吸收构件填充所述排水管线。
21、如权利要求16所述的直接氧化燃料电池，其中所述吸收构件被涂布于所述排水管线上。
22、如权利要求12所述的直接氧化燃料电池，其中所述吸收构件由亲水树脂制成。
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