直接液体供给燃料电池

暂无

技术领域\n本发明涉及一种直接液体供给燃料电池，更具体地说，涉及一种具有 防止氧气供应路径被阴极产生的水阻塞的结构的直接液体供给燃料电池。\n背景技术\n直接液体供给燃料电池是通过在如甲醇或乙醇之类的有机燃料与例如 氧之类的氧化剂之间的电化学反应发电的设备。直接液体供给燃料电池具 有高能量密度和电流密度。同时，由于将液体燃料如甲醇直接送入电池中， 因此直接液体供给燃料电池不需要诸如燃料重整器之类的外围装置，而且 液体燃料的储存和供应方便。\n如图1所述，直接液体供给燃料电池的单元电池具有包括在阳极2和 阴极3之间设置的电解质膜1的膜电极组件(MEA)结构。阳极2包括供 应和扩散燃料的扩散层22、发生燃料的氧化反应的催化剂层21以及电极支 撑层23。阴极3也包括用于供应和扩散氧化剂的扩散层32、发生燃料还原 反应的催化剂层31以及电极支撑层33。导电板4和5分别设置在电极支撑 层23和33上，导电板4和5分别包括流动通道41和51。\n作为一类直接液体供给燃料电池的直接甲醇燃料电池(DMFC)包括如 下所述的对燃料进行氧化的阳极反应及还原氢和氧的阴极反应。\n[反应1]\nCH3OH+H2O→CO2+6H++6e-(阳极反应)\n[反应2]\n3/2O2+6H++6e-→3H2O    (阴极反应)\n[反应3]\nCH3OH+3/2O2→2H2O+CO2(总反应)\n在使燃料氧化的阳极2处产生二氧化碳、六个氢离子和六个电子(反 应1)。氢离子通过氢离子交换膜1迁移到阴极3。在阴极3，通过氢离子、 从外部电路传输的电子及氧之间的还原反应产生水(反应2)。因此，甲醇 和氧之间的总电化学反应产生水和二氧化碳(反应3)。\n借助于DMFC的单元电池能够产生的理论电压约为1.2V。然而，由于 活化过电压和欧姆过电压引起的电压降，在环境温度和大气压下的开路电 压降低到1V以下。实际上，实际的工作电压在0.4到0.6V之间。因此，为 了获得更高的电压，需将多个单元电池串联连接。连接单元电池的方法包 括将多个单元电池形成于一个电解质膜上的单极结构和将多个单元电池层 叠的叠层结构。\n流动通道41被形成于面对阴极3的导电板4的表面上。当阴极3处产 生的水在电极支撑层33的表面形成大的水滴时，水滴将阻止空气流动，这 将使产生的电能不稳定。\n发明内容\n本发明的目的是提供一种直接液体供给燃料电池，其具有可轻易除去 用于将氧气供应给阴极的流动通道中电极支撑层上产生的水的结构。\n根据本发明的一方面，所提供的直接液体供给燃料电池包括：包括分 别设置在电解质膜各侧的阳极和阴极的膜电极组件(MEA)；分别面向阳极 和阴极、内部具有流动通道的导电阳极板和导电阴极板；以及形成在阴极 上、横过导电阴极板的流动通道并将水从流动通道转送到导电阴极板的多 个条形亲水部件，其中该导电阴极板是亲水性的，并且该直接液体供给燃 料电池还包括在所述导电阴极板一侧上的水分吸收部件。\n条形亲水部件可以由有序介孔二氧化硅(ordered mesoporous silica)和 聚偏氟乙烯(PVdF)的混合溶液形成。\n条形亲水部件的宽度可以为0.1到5mm，并以1到10mm的间距设置。\n条形亲水部件可以覆盖阴极表面的5％到50％。\n条形亲水部件可以相对于流动通道形成45到90度的角。\n条形亲水部件可以由多个条带形成。\n附图说明\n通过参照附图详细描述本发明的示例性实施方式，本发明的上述和其 它特征及优点将更加明显。附图中：\n图1是传统的直接液体供给燃料电池的横截面图；\n图2是本发明一实施方式的直接液体供给燃料电池的部分横截面图；\n图3是与图2所示的阴极板接触的条形亲水部件的透视图；\n图4是图3所示的条形亲水部件的照片；\n图5A到5D的横截面图示出了本发明一实施方式的直接液体供给燃料 电池的制造方法；\n图6所示的曲线示出了在本发明一实施方式的直接液体供给燃料电池 上进行开路电压测量的测试结果；\n图7所示的曲线示出了在本发明一实施方式的直接液体供给燃料电池 上在0.3V时进行的静态电压测试结果；\n图8和9所示的曲线分别示出了在不使用条形亲水部件的传统燃料电 池上和使用条形亲水部件的本发明一实施方式的直接液体供给燃料电池上 在0.4V时进行的静态电压测试结果。\n具体实施方式\n现将参照示出了本发明一些示例性实施方式的附图更全面地对本发明 进行描述。\n图2是本发明一实施方式的直接液体供给燃料电池的部分横截面图。 图3是条形亲水部件与图2所示的阴极导电板4相接触的透视图。在本实 施方式和传统现有技术中，基本相同的部件用相同的附图标记表示，而且 不重复对它们的详细描述。\n参照图1和2，直接液体供给燃料电池包括具有电解质膜1的和分别形 成在电解质膜1的每一侧上的阳极2及阴极3的膜电极组件(MEA)、分别 面向阳极2和阴极3并具有流动通道41和51的导电阳极板5和导电阴极 板4。\n阴极3包括催化剂层31、扩散层32和电极支撑层33。电极支撑层33 可以是碳支撑层。导电阴极板4具有形成多个流动通道41的突出部分44。 条形亲水部件50敷覆于电极支撑层33的表面上并横过流动通道41。导电 阴极板4由亲水性材料形成。\n参照图3，用于空气流动的突出部分44彼此平行设置。条形亲水部件 50形成在阴极3上并横过流动通道41。图4是形成在电极支撑层33上的 条形亲水部件50的照片。\n条形亲水部件50可由有序介孔的二氧化硅(OMS)和聚偏氟乙烯 (PVdF)的混合溶液形成。条形亲水部件50可以具有0.1到5mm的宽度 和1到10mm的间距，并可以覆盖阴极3的总表面面积的5％到50％。条形 亲水部件50相对于流动通道41可以具有45到90度的角。\n可以在导电阴极板4的一侧上设置如多孔泡沫之类的吸收由导电阴极 板4所吸收的水的水分吸收部件60。用于将水循环到阳极2的水泵(未示 出)也可包括在水分吸收部件60处。\n现将参照图1到3来描述本发明一实施方式的直接液体供给燃料电池 的工作情况。\n阴极3产生的水通过扩散层32聚集于电极支撑层33处。如图2所示， 在电极支撑层33处聚集的水滴(图2所示的W)被亲水部件50吸收并转 送到导电阴极板4的突出部分44。接着，被突出单元44吸收的水分流向水 分吸收部件60。因此，很容易从导电阴极板4的流动通道41除去阴极反应 生成的水，而且不会阻碍空气从导电阴极板4流向电极支撑层33，借此可 改善燃料电池的性能。\n图5A到5D的横截面图示出了本发明一实施方式的直接液体供给燃料 电池的制造方法。\n参照图5A，将碳支撑单元(碳纸)33浸入20wt％的聚四氟乙烯(PTFE) 溶液中。然后，将与50wt％的PTFE溶液混合的碳浆以1.5mg/cm2的厚度 喷在碳纸33上，并将得到的产品在350℃的温度下退火30分钟，从而形成 碳扩散层32。\n参照图5B，制备用于形成条形亲水部件50的亲水性溶液。为了制备 这种亲水性溶液，将OMS和PVdF以1∶1的重量比添加到丙酮中并搅拌 30分钟。使用掩模将亲水性溶液喷到碳纸33上，使得亲水溶液的宽度是 0.5mm，且使喷射有溶液的部分之间的间距是3mm，由此制造出条形亲水 部件50。\n接着，使条形亲水部件50在170℃的温度下退火30分钟。\n参照图5C，将催化剂层31喷到碳扩散层32上，使其具有6mg/cm2的 承载。然后使阴极3在80℃的温度下退火2小时。\n参照图5D，将电解质膜1设置在分别制得的阴极3和阳极2之间并在 125℃的温度和2吨压力下对其进行热压3分钟。\n图6的曲线示出了在本发明一实施方式的直接液体供给燃料电池上进 行的开路电压测量的测试结果。为了测试，按照相对于甲醇为3比1摩尔 的化学计量比供应空气。在50℃的温度下测量电压，并且单元电池的面积 是10cm2。参照图6，具有条形亲水部件的燃料电池的单元电池呈现出与传 统燃料电池相似的电压特性。这表明在本发明一实施方式的燃料电池中， 在阴极中的空气流动和碳支撑单元的导电性不受条形亲水部件的影响。\n图7的曲线示出了在本发明一实施方式的直接液体供给燃料电池上在 0.3V时进行静态电压测试的结果。为了测试，按照相对于甲醇为3比1摩 尔的化学计量比供应空气。在50℃的温度下测量电流密度，并且单元电池 的面积是10cm2。参照图7，使用具有条形亲水部件的阴极的燃料电池的单 元电池呈现出比传统燃料电池更稳定的电流密度。这表明在本发明一实施 方式的燃料电池中，在阴极中的水的流动不影响空气的流动。\n图8和9的曲线分别示出了在不使用条形亲水部件的传统燃料电池上 和在本发明一实施方式的使用条形亲水部件的直接液体供给燃料电池上在 0.4V时所进行的静态电压测试的结果。为了测试，按照相对于甲醇为5和 9比1摩尔的化学计量比供应空气。在50℃的温度下测量电流密度，并且 单元电池的面积是25cm2。\n当按照相对于甲醇为9比1摩尔的化学计量比供应空气时，传统燃料 电池(图9)和本发明一实施方式的燃料电池(图8)都呈现出稳定的电流 密度。当按照相对于甲醇为5比1摩尔的化学计量比供应空气时，传统燃 料电池很不稳定，且电流密度逐渐减小，而本发明一实施方式的使用具有 条形亲水性部件的阴极的燃料电池非常稳定且电流密度恒定。这表明，在 本发明一实施方式的燃料电池中，由于条形亲水部件有效地除去了阴极中 的水分，因此，即使空气流速低，碳支撑单元中的空气流动也不受水滴的 影响。\n如上面所述，本发明的直接液体供给燃料电池包括处于阴极和导电板 之间的条形亲水部件。于是，可将阴极处产生的水转送到亲水性导电板并 进一步转送到水分吸收部件。因此，阴极中的气流平稳，借此可保持燃料 电池的输出电压稳定。\n虽然已参照本发明的示例性实施方式具体示出和描述了本发明，本领 域技术人员应理解的是，在不超出如所附权利要求限定的本发明的构思和 保护范围的前提下，可在形式和细节上对本发明作出各种变换。