具有水再循環板的燃料電池的製作方法
2023-06-30 12:15:46
專利名稱：具有水再循環板的燃料電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池，更明確地說，涉及一種具有板的燃料電池， 該板通過使陰極產生的水蒸汽冷凝向陰極供給水。
背景技術：
燃料電池包括直接曱醇燃料電池(DMFC)和聚合物電解質燃料電池 (PEMFC)。儘管DMFC的輸出密度比PEMFC低，但由於其供給燃料方便 且輸出密度高於蓄電池，因此它可以取代蓄電池，這已廣為人知。常用的 DMFC的堆疊體是雙極型，但取代用於PDAs(個人數字助理)、行動電話和 膝上型電腦的蓄電池組(batteries)的堆疊體通常為單極型。
曾介紹過多種單極類型的DMFCs。迄今為止，被介紹過的單極型DMFC (下文稱為傳統的DMFC)中，平板型(plannar)具有整個表面暴露於外側 的陰極。因此，不可避免的是從陰極產生的大量的水蒸汽流失於外側。因此， 對於傳統的DMFC而言，很難提高輸出功率密度。
發明內容
為了解決上述和/或其他問題，本發明的目的是提供一種平板型燃料電 池，該平板型燃料電池通過冷凝由陰極蒸發的水和重新利用所述冷凝水使水 的損失最小，且能提高輸出功率密度。
根據本發明的一方面，提供一種平板型燃料電池，其包括膜電極組件和 板，所述膜電極組件包括電解質薄膜和電極，所述板附著於膜電極組件的陰 極上，通過使陰極產生的水蒸汽冷凝而向陰極供水，而且該板具有不吸水的 特性。
在所述板上設置可收集和冷凝由陰極產生的水蒸汽的空間。 所述板可包括多個尖端與膜電極組件接觸的突起，突起周圍的板與膜電 極組件分離。
可將突起安排成棋盤式布局。
所述突起可為圓錐形、多邊錐形、或柱形。
在所述突起的表面上沿從每一突起的底部向其頂部的方向形成褶皺或 凹槽。
可在所述板上以棋盤式布局形成多個與膜電極組件不接觸的結構。 可使所述突起位於每一所述結構周圍。 藉助於所述突起和結構在板上形成多道溝槽。 可將褶皺形成於板的外表面上。 可將褶皺形成於板的全部或部分外表面上。
可在板的外表面的與每一突起相應的位置處形成與每一突起形狀相同 的凹衝曹。
所述結構可具有面向膜電極組件的圓形或多邊形表面。 所述結構可為圓錐形或多邊錐形。
通過使用本發明的燃料電池，來自陰極的水的損失量可達最少，且可將 水從所述板供到陰極。因此，可提高輸出功率密度，且薄膜的水合狀況可連
續地保持在適合氫離子(H+)遷移的狀態。同時，由於板結構簡單，使燃料 電池的製造更簡便。
通過結合附圖對本發明的優選實施方式進行詳細描述，本發明的上述和 其他特徵和優點將更加清晰。附圖中
圖1為本發明 一實施方式的具有通過使陰極產生的水蒸汽冷凝而向陰極 供水的板的燃料電池的透視圖2的透視圖示出了與圖1所示的板的陰極相反的面；
圖3為圖2所示的板的部分的放大圖4為沿圖3中線4-4，剖切的橫截面圖5為沿圖3中線5-5，剖切的橫截面圖6和7的橫截面圖示出了在圖1所示的板的表面上形成的褶皺； 圖8的橫截面圖示出了圖1所示的燃料電池中的在板上將從陰極產生的 水蒸汽變成水並將水供到陰極的過程；
圖9的曲線示出了通過本發明的試驗測得的功率密度-工作時間特性； 圖10的曲線示出了通過本發明的試驗測得的電壓和功率-電流特性。
具體實施例方式
下文將參考附圖對本發明一實施方式的具有水再循環板的燃料電池進 行詳細描述。為清楚起見，在這些附圖中誇大了層的厚度和區域。
參考圖1，本發明一實施方式的燃料電池包括MEA (膜電極組件)Al 和附著在MEA Al上表面的板40，膜電極組件具有為電解質薄膜的膜和電 極，板40使由MEA Al的陰極產生的水蒸汽冷凝並將水供給陰極。因此， 板40優選具有非吸收特性，因此其不吸水。MEA Al可具有多種結構。例 如，如示出了 MEAA1的部分區域al的結構的圖1的放大部分A所示，MEA Al包括順序設置的陽極IO、第一集流體12、膜(電解質薄膜)14、第二集 流體16、以及陰極18。 MEAA1也可包括第一擴散層20、第一集流體22、 陽極24、膜26、陰極128、第二集流體30、以及第二擴散層32,它們如圖 1的放大部分B所示出的那樣順序地設置。從MEAA1的這些結構可以看出， 板40附著於陰極18或第二擴散層32上。
在圖1中，板40帶有外表面Sl和面向MEA Al的陰極的內表面S2。 板40的內表面S2具有如圖2所示的棋盤式布局的多個突起40a。每個突起 40a的尖銳的尖端與MEA Al接觸。由於突起40a，在MEAAl和突起40a 周圍的板40的其他部分之間存在空間，空氣可通過該空間流向陰極。雖然 圖示的突起40a為圓錐形，但也可採用如長方錐形、三角錐形、或五邊錐形 之類的其他多邊錐形。此外，突起40a也可為柱形，例如，為如圓柱形、三 角柱形或長方柱形之類的多邊柱形。在突起40a上沿長度方向可以設有褶皺 或凹槽(未示出)。也就是說，沿從每一突起40a的底部向其頂部的方向形 成褶鈹或凹槽。
在板40的面向MEAA1的內表面S2上和突起40a—道還設有多個結構 40b。結構40b呈類似於突起40a的棋盤式布局。雖然圖示的每一結構40b 為長方形，結構40b也可為如圓形或三角形、或與突起40a相同的形狀之類 的其他形狀。每個突起40a被四個結構40b包圍而每一結構40b被多個突起 40a包圍，例如，淨皮四個突起包圍。
突起40a被用作如上所述的分隔單元並被用作使形成於板40上的水滴 流過而流向MEA Al的通路。水滴沿突起40a的表面向MEA Al的陰極18 或第二擴散層32流動。多道溝槽40c被形成於板40上並用作收集由MEA A1
的陰極18或第二擴散層32蒸發的水蒸汽的空間。若板40上未設置結構40b， 可將水蒸汽收集於突起40a之間的所有空間內。被收集於每一溝槽40c內的 水蒸汽在接觸板40的同時被冷凝。結果，水滴被形成於突起40a的表面上 並沿突起40a的所述表面供到MEA Al的陰極18或第二擴散層32。水滴被 形成在結構40b的側表面上。形成於結構40b的側表面上的水滴沿結構40b 的側表面向突起40a流動，然後沿突起40a的所述表面向MEAA1的陰極18 或第二擴散層32流動。如圖2所示，每一溝槽40c是由兩相鄰的突起40a 和兩相鄰的結構40b構成的區域。
圖3為圖2所示的板的部分的放大圖。圖4為沿圖3中線4-4，剖切的橫 截面圖。圖5為沿圖3中線5-5，剖切的橫截面圖。參考圖3到5，可看出突 起40a、結構40b和溝槽40c的形狀的細節。
參考圖4,突起40a朝向MEAA1的陰極18或第二擴散層32地形成於 板40上。參考圖5,結構40b低於突起40a。於是，結構40b不與MEAA1 的陰極18或第二擴散層32接觸。據此，水蒸汽可流過結構40b和MEAAl 的陰極18或第二擴散層32之間的空間。結構40b可具有與突起40a相同的 形狀，例如，當突起40a為如該圖所示的圓錐形時，結構40b可為圓錐形。 此外，如果去除結構40b時用於由水蒸汽冷凝成的水滴流向MEAA1的陰極 18或第二擴散層32的時間不長於具有結構40b時的時間，可去除結構40b。
為了減少迅速冷凝收集在溝槽40c內的水蒸汽以在突起40a的表面上形 成水滴的時間，需降低與水蒸汽接觸的板40、突起40a、以及結構40b的溫 度，以散發板40外側的水蒸汽的熱量。因此，為了降低板40、突起40a以 及結構40b的溫度，有利的是使與外側空氣接觸的板40的外表面Sl的表面 面積儘可能大。因此，可將圖4所示的板40的外表面Sl處理成不平，如圖 6所示。此外，如圖7所示，可將凹槽50形成在板40的外表面Sl的形成 突起40a的部位處。凹槽50的形狀可與突起40a的形狀一致。例如，當突 起40a為圓錐形時，凹槽50也可為圓錐形。
如上所述，由於通過改變平的板40的外表面Sl可使與空氣接觸的外表 面Sl的面積增加，可降低冷凝收集在溝槽40c內的水蒸汽而形成水滴的時 間。這意味著可縮短陰極18或第二擴散層32和板40上水蒸汽和水之間發 生相變的時間。
圖8示出了本發明此實施方式中燃料電池內的陰極18或第二擴散層32
和板40之間形成的水的循環過程。參考圖8,從陰極18或第二擴散層32 產生的水蒸汽52與板40的每一溝槽40c的內壁接觸，即，與突起40a的側 表面和底部40cb以及在圖8中未示出的結構40b接觸。結果，水蒸汽52在 突起40a的側表面、即溝槽40c的內表面上冷凝並形成水滴54。形成在溝槽 40c的內表面的水滴54沿突起40a的側表面流向陰極18或第二擴散層32。 從板40流向陰極18或第二擴散層32的水被供給膜14和26,致使膜14和 26的水合狀況保持在適當的狀態下。於是，從陽極10和24產生的氫離子 (H+ )可經過膜14和26順暢達到陰極18和28。
由於在陰極18或第二擴散層32和板40之間的溫差加大，使得從水蒸 汽52變成水滴54的時間縮短。因此，優選使陰極18或第二擴散層32和每 一溝槽40c的底部40cb之間的距離儘可能遠。也就是說，優選使溝槽40c 的深度儘可能深。但是，當板40的外表面SI上存在褶皺或凹槽時，由於外 表面S1的表面面積大，與沒有褶皺的情況相比，可縮短距離或使深度變淺。
本發明人用試驗證實了本發明的燃料電池的優越性。在試驗中，使用了 具有由圖1所示的放大部分B表示的結構的單極型燃料電池(以下將被稱為 試驗電池)。在試驗中，使用純曱醇蒸氣作為供給試驗電池陽極的燃料。此 外，將空氣供給陰極的側表面。同時，在該試驗中採用圖2所示的板40。
圖9和IO示出了試驗結果。圖9的曲線示出了通過本發明人進行的試 驗所測得的功率密度-工作時間特性。在圖9所示的曲線G1中，第一時間段 Tl表示從板40供水之前輸出功率密度的變化，第二時間段T2表示從板40 開始供水後發生的輸出功率密度的變化。
參考圖9所示的曲線Gl可以看出，燃料電池的工作於第二時間段T2 時的輸出功率密度(此後稱為第二功率密度)高於燃料電池工作於第一時間 段T1時的輸出功率密度(此後稱為第一功率密度)。從數字上可以看出，第 二功率密度比第一功率密度高10%-15%。
圖10的曲線示出了通過上述試驗測得的電壓和功率-電流特性。在圖10 中，第一曲線Gll表示從板40向陰極32供水時測得的電壓-電流特性。第 二曲線G22表示未從板40向陰極32供水時測得的電壓-電流特性。第三曲 線G33表示從板40向陰極32供水時測得的功率-電流特性。第四曲線G44 表示未從板40向陰極32供水時測得的功率-電流特性。
將圖10中的第一和第二曲線Gll和G22進行比較可以看出，在相同的
電壓下，從板40向陰極32供水時的電流大於未從板40向陰極32供水時的 電流。對比圖10中的第三和第四曲線G33和G44可以看出，在相同的電流
儘管已參考優選實施方式具體示出和描述了本發明，可以理解的是，本 領域技術人員在不超出由所附權利要求限定的構思和範圍的前提下可在形 式和細節方面作出多種變換，尤其可對板40作出多種變換。另外，可將MEA Al的結構設置成與上面描述的結構不同，而且可在所述結構上附加其他元 件。此外，可設置熱管，使熱管的蒸發部分位於板40的外表面Sl和每一溝 槽40c的底部40cb之間。因此，本發明的保護範圍應由權利要求所限定的 技術方案確定，而不是由上面所描述的實施方式確定。
如上所述，本發明的燃料電池包括附著於陰極上、對收集由陰極產生的 水蒸汽進行冷凝並將水供給陰極的板。因此，通過使用本發明的燃料電池， 可使從陰極損失的水量最小，而且可將來自所述板的水供給陰極。於是，可 提高輸出功率密度，而且可將所述膜的水合狀況連續地保持在適用於氬離子 (H+)傳送的狀態。此外，由於板結構簡單，燃料電池的製造更簡便。
權利要求
1.一種平板型燃料電池，其包括包括電解質薄膜和電極的膜電極組件；及附著於所述膜電極組件的陰極的板，該板通過冷凝由所述陰極產生的水蒸汽將水供給所述陰極並具有不吸水的特性。
2. 如權利要求1所述的平板型燃料電池，其中，在所述板上設有收集 並冷凝由所述陰極產生的水蒸汽的空間。
3. 如權利要求1所述的平板型燃料電池，其中，所述板包括多個尖端 與所述膜電極組件接觸的突起，且所述突起周圍的所述板與所述膜電極組件 是分離的。
4. 如權利要求3所述的平板型燃料電池，其中，將所述突起安排成棋 盤式布局。
5. 如權利要求4所述的平板型燃料電池，其中，所述突起呈圓錐形、 多邊錐形、或柱形。
6. 如權利要求4所述的平板型燃料電池，其中，在所述突起的表面上 沿從每一所述突起的底部朝向其頂部的方向形成有褶皺或凹槽。
7. 如權利要求3所述的平板型燃料電池，其中，還包括在所述板上以 棋盤式布局形成多個與所述膜電極組件不接觸的結構。
8. 如權利要求7所述的平板型燃料電池，其中，所述突起位於所述每 個結構周圍。
9. 如權利要求7所述的平板型燃料電池，其中，藉助於所述突起和所 述結構在所述板上形成多道溝槽。
10. 如權利要求1所述的平板型燃料電池，其中，在所述板的外表面上 存在褶皺。
11. 如權利要求10所述的平板型燃料電池，其中，所述褶皺存在於所 述板的全部或部分外表面上。
12. 如權利要求3所述的平板型燃料電池，其中，在所述板的外表面上 存在褶皺。
13. 如權利要求7所述的平板型燃料電池，其中，在所述板的外表面上 存在褶皺。
14. 如權利要求1所述的平板型燃料電池，其中，在所述板的外表面的 與每一 突起相應的位置處形成有與每一 突起形狀相同的凹槽。
15. 如權利要求7所述的平板型燃料電池，其中，所述結構具有面向所述膜電極組件的圓形或多邊形表面。
16. 如權利要求7所述的平板型燃料電池，其中，所述結構為圓錐形或 多邊錐形。
17. 如權利要求3所述的平板型燃料電池，其中，在所述板的外表面的 與每一突起相應的位置處形成有與每一突起形狀相同的凹槽。
18. 如權利要求7所述的平板型燃料電池，其中，在所述板的外表面的 與每一 突起相應的位置處形成有與每一 突起形狀相同的凹槽。
全文摘要
本發明涉及具有水再循環板的燃料電池，提供了一種平板型燃料電池。該平板型燃料電池包括含有電解質薄膜和電極的膜電極組件以及附著於膜電極組件的陰極上、通過使陰極產生的水蒸汽冷凝而向陰極供水的板，該板具有不吸水的特性。藉此，本發明的燃料電池可使來自陰極的水的損失量最小，而且可將這些水供給陰極，進而可提高輸出功率密度。此外，由於板的結構簡單，燃料電池的製造更簡便。
文檔編號H01M8/10GK101101990SQ20071000523
公開日2008年1月9日 申請日期2007年2月12日 優先權日2006年7月5日
發明者崔京煥, 李在鏞, 金珍虎 申請人:三星Sdi株式會社