被动式微型直接液体燃料电池转让专利
申请号 : CN200810229773.1
文献号 : CN101431156B
文献日 : 2010-06-02
发明人 : 梁军生 , 刘冲 , 李苗苗 , 徐征 , 王立鼎
申请人 : 大连理工大学
摘要 :
本发明一种被动式微型直接液体燃料电池属于直接液体燃料电池领域，特别涉及的是被动式微型燃料电池装置。它由储液组件、燃料电池发电单元和进料池三部分组成。燃料电池发电单元是由两个端板将流场板、集流板和膜电极三合一组件紧密夹紧封装而成的，其中阳极流场板采用组合流场板结构，组合流场板结构可采用平行流场板或采用蛇形流场板或采用交指流场板或采用螺旋流场板与流体通道板和密封板三部分组合而成。加工工艺简单，实现对燃料及其产物的有序化输运和管理。燃料电池整体结构简单紧凑，降低了整个系统的复杂程度，使系统的进一步微型化更具优势。
权利要求 :
1.一种被动式微型直接液体燃料电池，它由储液组件、燃料电池发电单元和进料池三部分组成，其特征是：燃料电池发电单元采用了组合流场板结构，组合流场板结构由流场板(5)、流体通道板(6)和密封板(7)三部分组合而成，流体通道板(6)安装在流场板(5)和密封板(7)之间，它们通过4套上螺栓(17)和上螺母(16)紧固在一起；组合流场板结构的流体入口(k)与进料池(13)的进料腔(b)相通，流体出口(j)与储液池(3)的储液腔(a)相通，且组合流场板的出口(j)位于储液腔(a)的液面以上；燃料电池发电单元包含阳极端板(4)、组合流场板结构、阳极集流板(8)、厚度匹配框(9)、膜电极三合一组件(10)、阴极集流板(11)和阴极端板(12)；燃料电池发电单元依照：阳极端板(4)、组合流场板结构、阳极集流板(8)、厚度匹配框(9)、膜电极三合一组件(10)、阴极集流板(11)和阴极端板(12)的次序从左到右依次安装，通过8套螺栓(14)和螺母(15)紧固在一起；储液组件包括盖板(1)、气液分离膜(2)和储液池(3)，气液分离膜(2)通过密封胶粘接在盖板(1)和储液池(3)中间，储液组件通过储液池(3)底部的方孔套装在燃料电池发电单元的阳极端板(4)顶部，储液池(3)的2个顶板孔(f)通过燃料电池发电单元的阳极端板(4)两侧的流体通道孔(e)与进料池(13)的进料腔(b)相通；进料池(13)套装在燃料电池发电单元的阳极端板(4)底部，进料池(13)的入口底板孔(d)通过阳极端板(4)的流体通道孔(e)与储液组件的储液腔(a)相通。
2.如权利要求1所述的一种被动式微型直接液体燃料电池，其燃料电池发电单元的特征是，组合流场板结构采用平行流场板(5′)、多通道流场的流体通道板(6)和密封板(7′)三部分组合而成，或采用蛇形流场板(5″)、单通道流场的流体通道板(6″)和密封板(7′)三部分组合而成，或采用交指流场板(5″′)、单通道流场的流体通道板(6″)和密封板(7′)三部分组合而成，或采用螺旋流场板(5″″)、单通道流场的流体通道板(6″)和密封板(7′)三部分组合而成。
3.如权利要求1或2所述的一种被动式微型直接液体燃料电池，其燃料电池发电单元的特征是，组合流场板结构的材料为金属或聚合物材料。
说明书 :
技术领域
本发明属于直接液体燃料电池领域，尤其涉及被动式微型燃料电池装置。
背景技术
燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的清洁能源。它主要由膜电极组件(Membrane Electrode Assembly，MEA)和流场板组成。MEA由质子交换膜及两侧的阳极和阴极组成，阳极和阴极分别由多孔结构的扩散层和催化反应层组成。流场板在燃料电池中起收集电流和均匀分配反应物的双重作用，在朝向MEA一侧蒸镀或溅射上一层耐腐蚀、导电性好的金属层或者直接采用金属材料(一般为不锈钢或钛)的流场板，用于收集电化学反应过程中释放出来的电子；同时其上加工的微沟道用于形成反应物的分配通道。
直接液体燃料电池是一种直接采用液体燃料作为供给阳极燃料的电化学电池。它以其高效、环境友好、能密度高、结构简单、以及燃料储存、携带和管理方便等优点，在便携式电子产品和微机电系统等领域有着广泛的应用前景。以直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)为例，其工作原理为：甲醇和水通过阳极多孔扩散层渗入至催化层，发生氧化反应，生成二氧化碳、质子和电子；质子在电场作用下穿过质子交换膜迁移至阴极催化层，与扩散至阴极催化层的氧气发生还原反应，生成水；而电子则通过外电路进入阴极，并驱动负载工作。由此可以看出，燃料电池需要源源不断地供给新鲜的甲醇溶液和氧气(或空气)并及时排出反应产物才能持续发电。因而，燃料电池燃料及反应产物的有序化输运和管理对燃料电池整体输出性能有着重要的影响。
作为便携式设备的优选电源，燃料电池的微型化成为其发展趋势，但随着所需输出功率的降低，完全依赖辅助的流体输运系统来完成阳极甲醇水溶液的送进和CO2气泡的排出的主动式物料管理已不适用于微型燃料电池，这是因为微型燃料电池的输出功率已不能满足流体输运的要求。因此，通过燃料电池中特定的内在或外在作用力实现对电池反应物及其产物的输运和管理成为微型燃料电池物料管理的发展趋势。文献(Morse J，Jankowski A.A MEMS-based fuel cellfor micro scale energy conversion.Report of Lawrence Livermore NationalLaboratory(LLNL)，US.Department of Energy，UCRL-ID-147074，February 1，2002)中提出了一种基于MEMS技术的燃料电池，用特定的多孔材料将水和燃料的储液池连接起来。多孔材料对不同液体因毛细作用差而形成的选择透过性为燃料的输运和管理提供了驱动力，但对燃料的输送能力很难根据燃料电池的实际需求的变化而快速做出响应。美国专利US6,127,058采用微型燃料电池的阳极直接浸泡在燃料罐的溶液中，反应生成的气体则通过燃料罐上的排气阀直接排到燃料罐外。在这种燃料电池管理模式下，阳极流场直接面向燃料罐开放，在燃料电池反应过程中气泡生成和排除的无序性极大地影响燃料传质过程的稳定性。
直接液体燃料电池是一种直接采用液体燃料作为供给阳极燃料的电化学电池。它以其高效、环境友好、能密度高、结构简单、以及燃料储存、携带和管理方便等优点，在便携式电子产品和微机电系统等领域有着广泛的应用前景。以直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC)为例，其工作原理为：甲醇和水通过阳极多孔扩散层渗入至催化层，发生氧化反应，生成二氧化碳、质子和电子；质子在电场作用下穿过质子交换膜迁移至阴极催化层，与扩散至阴极催化层的氧气发生还原反应，生成水；而电子则通过外电路进入阴极，并驱动负载工作。由此可以看出，燃料电池需要源源不断地供给新鲜的甲醇溶液和氧气(或空气)并及时排出反应产物才能持续发电。因而，燃料电池燃料及反应产物的有序化输运和管理对燃料电池整体输出性能有着重要的影响。
作为便携式设备的优选电源，燃料电池的微型化成为其发展趋势，但随着所需输出功率的降低，完全依赖辅助的流体输运系统来完成阳极甲醇水溶液的送进和CO2气泡的排出的主动式物料管理已不适用于微型燃料电池，这是因为微型燃料电池的输出功率已不能满足流体输运的要求。因此，通过燃料电池中特定的内在或外在作用力实现对电池反应物及其产物的输运和管理成为微型燃料电池物料管理的发展趋势。文献(Morse J，Jankowski A.A MEMS-based fuel cellfor micro scale energy conversion.Report of Lawrence Livermore NationalLaboratory(LLNL)，US.Department of Energy，UCRL-ID-147074，February 1，2002)中提出了一种基于MEMS技术的燃料电池，用特定的多孔材料将水和燃料的储液池连接起来。多孔材料对不同液体因毛细作用差而形成的选择透过性为燃料的输运和管理提供了驱动力，但对燃料的输送能力很难根据燃料电池的实际需求的变化而快速做出响应。美国专利US6,127,058采用微型燃料电池的阳极直接浸泡在燃料罐的溶液中，反应生成的气体则通过燃料罐上的排气阀直接排到燃料罐外。在这种燃料电池管理模式下，阳极流场直接面向燃料罐开放，在燃料电池反应过程中气泡生成和排除的无序性极大地影响燃料传质过程的稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，在尽可能不增加系统的结构复杂性和功耗损失的前提下，实现燃料及反应产物的有序化输运和管理，使系统的进一步微型化更具优势，也为研究燃料电池气液输运机理和更好地解决零功耗的物料管理提供了条件。本发明提出的微型直接液体燃料电池，采用被动式物料输运和管理的思想，并将燃料供给的通道和反应产物的排出通道分开，实现了对燃料电池反应物及其产物的有序化输运和管理。
本发明采用的技术方案是：一种被动式微型直接液体燃料电池，它由储液组件、燃料电池发电单元和进料池三部分组成，其特征是：燃料电池发电单元采用了组合流场板结构，组合流场板结构由流场板5、流体通道板6和密封板7三部分组合而成，流体通道板6安装在流场板5和密封板7之间，它们通过4套上螺栓17和上螺母16紧固在一起；组合流场板结构的流体入口k与进料池13的进料腔b相通，流体出口j与储液池3的储液腔a相通，且组合流场板的出口j位于储液腔a的液面以上；燃料电池发电单元包含阳极端板4、组合流场板结构、阳极集流板8、厚度匹配框9、膜电极三合一组件10、阴极集流板11和阴极端板12；燃料电池发电单元依照：阳极端板4、组合流场板结构、阳极集流板8、厚度匹配框9、膜电极三合一组件10、阴极集流板11和阴极端板12的次序从左到右依次安装，通过8套螺栓14和螺母15紧固在一起；储液组件包括盖板1、气液分离膜2和储液池3，气液分离膜2通过密封胶粘接在盖板1和储液池3中间，储液组件通过储液池3底部的方孔套装在燃料电池发电单元的阳极端板4顶部，组合流场板结构的流体入口k位于储液腔a中，储液池3的2个顶板孔f通过燃料电池发电单元的阳极端板4两侧的流体通道孔e与进料池13的进料腔b相通；进料池13套装在燃料电池发电单元的阳极端板4底部，组合流场板结构的流体出口j位于进料腔b中，进料池13的入口底板孔d通过阳极端板4的流体通道孔e与储液组件的储液腔a相通。
一种被动式微型直接液体燃料电池，其燃料电池发电单元的特征是，组合流场板结构采用平行流场板5′、多通道流场的流体通道板6′和密封板7′三部分组合而成，或采用蛇形流场板5″、单通道流场的流体通道板6″和密封板7′三部分组合而成，或采用交指流场板5″′、单通道流场的流体通道板6″和密封板7′三部分组合而成，或采用螺旋流场板5″″、单通道流场的流体通道板6″和密封板7′三部分组合而成。
一种被动式微型直接液体燃料电池，其燃料电池发电单元的特征是，组合流场板的材料为金属或聚合物材料。
本发明的显著效果是电池整体结构简单紧凑，易于操作，携带方便，降低了整个系统的复杂程度，使系统的进一步微型化更具优势；实现了对燃料及其产物的有序化输运和管理。
本发明采用的技术方案是：一种被动式微型直接液体燃料电池，它由储液组件、燃料电池发电单元和进料池三部分组成，其特征是：燃料电池发电单元采用了组合流场板结构，组合流场板结构由流场板5、流体通道板6和密封板7三部分组合而成，流体通道板6安装在流场板5和密封板7之间，它们通过4套上螺栓17和上螺母16紧固在一起；组合流场板结构的流体入口k与进料池13的进料腔b相通，流体出口j与储液池3的储液腔a相通，且组合流场板的出口j位于储液腔a的液面以上；燃料电池发电单元包含阳极端板4、组合流场板结构、阳极集流板8、厚度匹配框9、膜电极三合一组件10、阴极集流板11和阴极端板12；燃料电池发电单元依照：阳极端板4、组合流场板结构、阳极集流板8、厚度匹配框9、膜电极三合一组件10、阴极集流板11和阴极端板12的次序从左到右依次安装，通过8套螺栓14和螺母15紧固在一起；储液组件包括盖板1、气液分离膜2和储液池3，气液分离膜2通过密封胶粘接在盖板1和储液池3中间，储液组件通过储液池3底部的方孔套装在燃料电池发电单元的阳极端板4顶部，组合流场板结构的流体入口k位于储液腔a中，储液池3的2个顶板孔f通过燃料电池发电单元的阳极端板4两侧的流体通道孔e与进料池13的进料腔b相通；进料池13套装在燃料电池发电单元的阳极端板4底部，组合流场板结构的流体出口j位于进料腔b中，进料池13的入口底板孔d通过阳极端板4的流体通道孔e与储液组件的储液腔a相通。
一种被动式微型直接液体燃料电池，其燃料电池发电单元的特征是，组合流场板结构采用平行流场板5′、多通道流场的流体通道板6′和密封板7′三部分组合而成，或采用蛇形流场板5″、单通道流场的流体通道板6″和密封板7′三部分组合而成，或采用交指流场板5″′、单通道流场的流体通道板6″和密封板7′三部分组合而成，或采用螺旋流场板5″″、单通道流场的流体通道板6″和密封板7′三部分组合而成。
一种被动式微型直接液体燃料电池，其燃料电池发电单元的特征是，组合流场板的材料为金属或聚合物材料。
本发明的显著效果是电池整体结构简单紧凑，易于操作，携带方便，降低了整个系统的复杂程度，使系统的进一步微型化更具优势；实现了对燃料及其产物的有序化输运和管理。
附图说明
图1是被动式微型直接液体燃料电池的主视图，图2是图1的俯视图，图3是图1的左视图，图4是图2的B-B剖视图，图5是图2的C-C剖视图，图6是平行流场板的主视图，图7是多通道流场的流体通道板的主视图，图8是密封板的主视图，图9是蛇形流场板的主视图，图10是单通道流场的流体通道板的主视图，图11是交指流场板的主视图，图12是螺旋流场板的主视图。其中：1-盖板，2-气液分离膜，3-储液池，4-阳极端板，5-流场板，6-流体通道板，7-密封板，8-阳极集流板，9-厚度匹配框，10-膜电极三合一组件，11-阴极集流板，12-阴极端板，13-进料池，14-螺栓，15-螺母，16-上螺母，17-上螺栓，5′-平行流场板，6′-多通道流场的流体通道板，7′-密封板，5″-蛇形流场板，6″-单通道流场的流体通道板，5″′-交指流场板，5″″-螺旋流场板，a-储液腔，b-进料腔，c-气体呼吸孔，d-底板孔，e-流体通道孔，f-顶板孔，g-阴极端板呼吸孔，h-阴极集流板呼吸孔，i-阳极集流板呼吸孔，j-流体出口，k-流体入口，l-腰形沟道，m-平行流场，n-上平行沟道，o-下平行沟道，p-出口孔，q-蛇形流场，r-上单沟道，s-下单沟道，p′-出口孔，p″-出口孔，t-交指流场，u-螺旋流场。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的实施。如附图1、2、3、4、5所示，燃料电池工作前，将液体燃料电池的燃料加入储液组件的储液腔a中，且保证储液腔a的燃料液面稍低于组合流场板的出口。由于储液组件、进料池13和组合流场板结构是连通的，因此进料池13和组合流场板结构中也充满燃料。当燃料电池的阳极集流板8和阴极集流板11两端接负载时，燃料电池放电工作。组合流场板中的燃料(甲醇水溶液或乙醇水溶液)通过阳极多孔扩散层渗入至催化层，发生氧化反应，生成二氧化碳、质子和电子；质子在电场作用下穿过质子交换膜迁移至阴极催化层，与扩散至阴极催化层的氧气发生还原反应，生成水；而电子则通过外电路进入阴极，并驱动负载工作。阳极反应生成的CO2气泡和未完全反应的液体通过组合流场板在浮力和毛细力的作用下进入储液组件的储液腔a中，CO2气体通过储液组件中的气液分离膜2排入大气中。随着燃料的消耗，储液腔a中的燃料在重力的作用下，通过燃料电池发电单元的阳极端板4两侧的流体通道孔e进入进料池13和组合流场板结构中；组合流场板结构的流体出口j高于燃料液面，保证了燃料不会因为重力作用从流体出口j处倒流入进料池13。进料池13用于临时储存燃料，并提供给燃料电池不含有气泡的燃料。实现了生成气体排出和液体燃料补充的不断循环，而且此过程无需人工调节。当储液组件中的燃料消耗完后，可以将盖板1取下，加入新的燃料。
盖板1、储液池3、阳极端板4、组合流场板结构、阴极端板12和进料池13均采用透明的PMMA板材，通过激光切割机加工而成。储液池3上可以加工刻度，便于定量地研究液体燃料消耗与电池性能的关系。
组合流场板结构如附图6、7、8所示，它由平行流场板5′、多通道流场的流体通道板6′和密封板7′组成。平行流场板5′的平行流场通过阳极集流板8进入膜电极三合一组件10的阳极扩散层，起到平均分配燃料的作用；其顶部的腰形沟道1为组合流场板结构的流体通道出口，且出口高度位于储液腔a燃料液面的上方，以保证燃料不会倒流。多通道流场的流体通道板6′底部的下平行沟道o与进料腔b相通，为组合流场板的流体通道入口；其顶部的上平行沟道n与平行流场板5′的腰形沟道1相通。密封板7′用于密封组合流场板，使组合流场板结构中的流体只能和燃料电池发电单元、进料池13和储液池3相通。工作中，液体燃料在重力的作用下通过多通道流场的流体通道板6′底部的下平行沟道o从进料池13进入平行流场板的平行流场m，反应生成的气体和未完全反应的液体燃料通过平行流场板5′进入多通道流场的流体通道板6′的出口，然后经过平行流场板5′的腰形沟道1进入储液池3的储液腔a。
组合流场板结构也可以采用蛇形流场结构，如附图9、10所示。它由蛇形流场板5″、单通道流场的流体通道板6″和密封板7′组成。蛇形流场板5″的蛇形流场通过阳极集流板8进入膜电极三合一组件10的阳极扩散层，起到平均分配燃料的作用；其右上角的出口孔p为组合流场板的流体通道出口，且出口高度位于储液腔a中燃料液面上方以保证燃料不会倒流。单通道流场的流体通道板6″底部的下单沟道s与进料腔b相通，为组合流场板的流体通道入口；其顶部的上单沟道r与蛇形流场板5″的出口孔p相通。密封板7′用于密封组合流场板，使组合流场板中的流体只能和燃料电池发电单元、进料池13和储液池3相通。工作中，液体燃料在重力的作用下通过单通道流场的流体通道板6″底部的下单沟道s从进料池13进入蛇形流场板的蛇形流场q，反应生成的气体和未完全反应的液体燃料通过蛇形流场板5″进入单通道流场的流体通道板6″的出口，然后经过蛇形流场板5″的出口孔p进入储液池3的储液腔a。
此外，也可以采用附图11中的交指流场板5″′、或附图12中的螺旋流场板5″″代替蛇形流场板5″。除以上所述的实施方式以外，燃料的通路也可以通过外部管路连接储液池3和进料池13来取代阳极端板4两侧的流体通道孔e。
本发明实现了燃料及其产物的定向流动，提供了一种包含有燃料及其产物输运和管理的被动式微型直接液体燃料电池。
盖板1、储液池3、阳极端板4、组合流场板结构、阴极端板12和进料池13均采用透明的PMMA板材，通过激光切割机加工而成。储液池3上可以加工刻度，便于定量地研究液体燃料消耗与电池性能的关系。
组合流场板结构如附图6、7、8所示，它由平行流场板5′、多通道流场的流体通道板6′和密封板7′组成。平行流场板5′的平行流场通过阳极集流板8进入膜电极三合一组件10的阳极扩散层，起到平均分配燃料的作用；其顶部的腰形沟道1为组合流场板结构的流体通道出口，且出口高度位于储液腔a燃料液面的上方，以保证燃料不会倒流。多通道流场的流体通道板6′底部的下平行沟道o与进料腔b相通，为组合流场板的流体通道入口；其顶部的上平行沟道n与平行流场板5′的腰形沟道1相通。密封板7′用于密封组合流场板，使组合流场板结构中的流体只能和燃料电池发电单元、进料池13和储液池3相通。工作中，液体燃料在重力的作用下通过多通道流场的流体通道板6′底部的下平行沟道o从进料池13进入平行流场板的平行流场m，反应生成的气体和未完全反应的液体燃料通过平行流场板5′进入多通道流场的流体通道板6′的出口，然后经过平行流场板5′的腰形沟道1进入储液池3的储液腔a。
组合流场板结构也可以采用蛇形流场结构，如附图9、10所示。它由蛇形流场板5″、单通道流场的流体通道板6″和密封板7′组成。蛇形流场板5″的蛇形流场通过阳极集流板8进入膜电极三合一组件10的阳极扩散层，起到平均分配燃料的作用；其右上角的出口孔p为组合流场板的流体通道出口，且出口高度位于储液腔a中燃料液面上方以保证燃料不会倒流。单通道流场的流体通道板6″底部的下单沟道s与进料腔b相通，为组合流场板的流体通道入口；其顶部的上单沟道r与蛇形流场板5″的出口孔p相通。密封板7′用于密封组合流场板，使组合流场板中的流体只能和燃料电池发电单元、进料池13和储液池3相通。工作中，液体燃料在重力的作用下通过单通道流场的流体通道板6″底部的下单沟道s从进料池13进入蛇形流场板的蛇形流场q，反应生成的气体和未完全反应的液体燃料通过蛇形流场板5″进入单通道流场的流体通道板6″的出口，然后经过蛇形流场板5″的出口孔p进入储液池3的储液腔a。
此外，也可以采用附图11中的交指流场板5″′、或附图12中的螺旋流场板5″″代替蛇形流场板5″。除以上所述的实施方式以外，燃料的通路也可以通过外部管路连接储液池3和进料池13来取代阳极端板4两侧的流体通道孔e。
本发明实现了燃料及其产物的定向流动，提供了一种包含有燃料及其产物输运和管理的被动式微型直接液体燃料电池。