包括汽相燃料供應設備的燃料電池系統的製作方法
2023-06-08 10:30:51 2
專利名稱：包括汽相燃料供應設備的燃料電池系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池系統，更具體地說，涉及一種由於系統效率高而具有高能量密度並且可製作成小尺寸以適合作為小型緊湊電源的燃料電池系統。
本申請要求享有於2005年5月25日和2006年5月10日向韓國知識產權局提交的流水號為10-2005-0044252和10-2006-0041965的韓國專利申請的優先權，這些申請文件的內容全部作為本申請的參考。
背景技術：
燃料電池是一種產生能量的系統，其中從氫和氧之間或者從如甲醇、乙醇或天然氣之類的烴基材料中所含的氫和氧之間的化學反應直接轉換成電能。燃料電池根據其使用的電解質可以分為磷酸型燃料電池、熔融碳酸鹽型燃料電池、固態氧化物型燃料電池、聚合物電解質膜燃料電池和鹼性燃料電池等。這些燃料電池基於相同的原理工作，但是具有不同的燃料、不同的工作溫度、不同的催化劑和不同的電解質。
在這些燃料電池中，聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)與其它燃料電池相比具有較好的輸出性能、較低的工作溫度、較短的啟動時間和更快的響應。由於這些優點，PEMFC具有更廣泛的應用，包括用於汽車的可攜式電源、用於家庭和公共建築物的獨立電源和用於電子裝置的小型電源。
在PEMFCs中，具有使用甲醇水溶液作為燃料的直接甲醇燃料電池(DMFC)。DMFC可以在室溫下工作並且易於小型化和密封，因此它可作為各種應用範圍的能源，例如作為清潔電動機車、家用發電系統、移動通訊設備、醫療設備、軍用設備、空間商業設備和可攜式電子設備等的電源。
DMFC產生的電功率取決於在陽極和陰極中發生反應的速率。更具體地說，在陽極，1克分子甲醇與1克分子水反應，甲醇被氧化並產生二氧化碳和6個電子，如反應式1所示。
由於在反應式1示出的陽極反應中，甲醇與水的理想配比為1∶1，反應式1示出的陽極反應需要以適合的比率恆定地供給反應物。實際上，為了完全氧化甲醇，供應的水比根據甲醇與水的理想配比(1∶1)的水量大。若甲醇未被完全氧化時，發生反應式2或反應式3所示出的反應，並且發電效率降低。
供應燃料到上述DMFC的方法包括主動供應方法(active supplyingmethod)和被動(passive)供應方法。主動供應方法需要在壓力下輸送燃料的外部供應單元。從另一點來說，根據被動供應方法，自發地(voluntarily)供應燃料而沒有設置這種壓力輸送裝置。
根據主動供應方法，供應到陽極的反應流體的濃度適於通過將純的甲醇或高濃度甲醇供應到循環迴路(recirculation loop)來維持，該循環迴路收集陰極反應產生的水並將收集的水供應到陽極。主動供應的優點在於通過使用甲醇筒(cartridge)可提高整個系統的能量密度。另一方面，主動供應方法的缺點在於系統複雜，需要附加設備而導致尺寸增大，而且由於外部供應設備消耗其工作能量而導致功率損耗。更具體地說，主動供應方法不適合由於裝置尺寸變小從而也要求電源尺寸變小的當今趨勢。
從另一點來說，被動供應方法通過選擇適合的元件和適合的結構可達到相同的目標。被動供應方法的最大優點在於系統簡單。當然，燃料筒含有水和甲醇，這將導致體積增加。
這個問題可以通過採用被動供應方法供應陰極產生的水來解決，在美國專利2004-209136號中公開了上述方法。也就是說，在膜電極組件的陰極中形成疏水性微孔層，並將陰極中產生的水通過其流體靜壓輸送到陽極。
然而，在這種系統中，由多層形成的單元電池(unit cell)易被流體靜壓破壞。此外，美國專利2004-209136號沒有對穩定地供應和稀釋用作燃料的甲醇給出教導。
發明內容
本發明的目的在於提供一種燃料電池系統，其由於系統效率高而具有高能量密度並且可以製備成小尺寸以適合作為小型緊湊的電源。
根據本發明的一個方面，提供的燃料電池系統包括包括陰極、質子導電膜和陽極的膜電極組件；面向陽極的表面並含有陰極中產生的液相水和汽相燃料的緩衝溶液層；面向緩衝溶液層的表面的第一隔離層；和面向第一隔離層的表面的燃料存儲層。
緩衝溶液層可以確保通過混合陰極中產生的液相水和汽相燃料提供預定濃度的甲醇。可根據需要的輸出功率控制甲醇的濃度。
緩衝溶液層可以與第一隔離層隔開。此外，第一隔離層可以與燃料存儲層隔開。
緩衝溶液層可以含有多孔介質和均勻地分散在多孔介質中的緩衝溶液。
多孔介質的孔隙直徑分布可以是雙峰型。雙峰分布的第一峰位於1nm和10μm之間，而雙峰分布的第二峰位於10μm至10mm之間。
多孔介質可以是親水性的。
第一隔離層的孔隙直徑可以為0.001μm至50μm。第一隔離層的厚度可以在1μm至500μm的範圍內。此外，第一隔離層可以與緩衝溶液層隔開。
第一隔離層由可使汽相甲醇比水更快地通過的材料製成。甲醇相對於第一隔離層的擴散係數至少是水相對於第一隔離層的擴散係數的三倍。第一隔離層可以是包括具有不同孔隙率和孔隙尺寸或氣體滲透率的至少兩層的層壓體。可將各層壓層隔開。
燃料可以是甲醇，甲醇的濃度可以在0.5至5M的範圍內。
通過參照附圖對本發明示例性實施方式的詳細描述，本發明的上述和其它特徵和優點將更加清晰。附圖中圖1是本發明一實施方式的燃料電池系統的重要元件的示意圖；圖2A至2C是形成於本發明一實施方式的多孔介質中的通道結構的示意圖；圖3是形成於本發明一實施方式的多孔介質中的凹-凸結構的示意圖；
圖4是本發明一實施方式的燃料電池系統的分解橫截面圖；圖5是本發明一實施方式的燃料電池系統的橫截面圖；圖6是本發明另一實施方式的燃料電池系統的橫截面圖；圖7是本發明另一實施方式的包括集流體的燃料電池系統的橫截面圖；圖8的曲線示出了實例1至3和比較例的燃料電池系統的性能測試結果。
具體實施例方式
現在參照附圖更加全面地描述本發明。
本發明一實施方式的燃料供應設備包括膜電極組件10、緩衝溶液層21、第一隔離層30和燃料存儲層41(參見圖1)。緩衝溶液層21面向膜電極組件10的陽極表面。第一隔離層30面向緩衝溶液層21的表面。燃料存儲層41面向第一隔離層30的表面。
燃料以液態存儲在燃料存儲層41中。當燃料供應設備工作時，液相燃料汽化並擴散到第一隔離層30。燃料存儲層41可與第一隔離層30物理隔離，以防止液相燃料通過第一隔離層30流入緩衝溶液層21。
也就是說，存儲在燃料存儲層41中的液相燃料被轉換成汽相燃料，然後，汽相燃料通過第一隔離層30到達緩衝溶液層21。
當液相燃料流入緩衝溶液層21時，燃料過多地供應到緩衝溶液層21。因為高濃度燃料導致如催化劑迅速中毒和甲醇滲透之類的不期望的後果，這種過多的供應是不期望的。
燃料存儲層41本身可以是具有自由表面的液相燃料，或者可以形成為使液相燃料均勻地分散在多孔介質中。當然，燃料存儲層41不限於此。若液相燃料均勻地分散在多孔介質中時，無論整個系統的取向如何都可以穩定地供應燃料。
此外，燃料存儲層41可以容納在燃料筒40中以便於處置。在這種情況下，燃料筒40的上部面向第一隔離層30的表面，而且燃料筒40可以具有使被汽化的燃料通過的開口42。
此外，在燃料筒40和第一隔離層30之間還可以形成液體傳送介質。該液體傳送介質可以是任何允許液體比氣體更快通過的材料。該液體傳送介質可以形成在薄隔膜(thin membrane)中以便使用。
燃料存儲層41可以含有例如泡沫材料之類的多孔介質，以使得不管整個系統的取向如何都能穩定地存儲液相燃料。在這種情況下，對燃料沒有限制，其可以是在陽極與水反應產生電子和質子的任何材料。燃料可以是氫、甲醇、乙醇、其它碳氫化合物材料或這些材料的混合物、或這些材料的水溶液，但不局限於此。若本發明此實施方式的燃料電池系統是直接甲醇燃料電池(DMFC)，燃料可以是純甲醇或高濃度甲醇水溶液。高濃度甲醇水溶液指的是濃度為5M或更高的甲醇水溶液。
第一隔離層30將汽相燃料輸送到緩衝溶液層21，並阻止緩衝溶液層21中的水流入燃料存儲層41中。對形成第一隔離層30的材料沒有限制，其可以是允許燃料比水更快通過的任何材料。形成第一隔離層30的材料可以是微孔元件。例如，甲醇相對於第一隔離層30的擴散係數至少是水相對於第一隔離層30的擴散係數的三倍。若甲醇相對於第一隔離層30的擴散係數小於水相對於第一隔離層30的擴散係數的三倍，甲醇相對水的選擇性不夠，於是水會流入燃料存儲層41中。
第一隔離層30可以是由Nafion 112、115或117或者Teflon製成的多孔層，但不限於此。
第一隔離層30的孔隙直徑可以在0.001μm至50μm的範圍內。第一隔離層30的孔隙直徑分布可以是雙峰。例如，雙峰分布的第一峰可以位於0.001μm和0.05μm之間，雙峰分布的第二峰可以位於1μm和50μm之間。或者，第一隔離層30可以具有第一層和第二層的堆疊結構，第一層具有0.001μm至0.05μm的平均孔隙尺寸，而第二層具有1μm至50μm的平均孔隙尺寸。
若第一隔離層30的孔的平均直徑小於0.001μm，燃料很難通過第一隔離層30。若第一隔離層30的孔的平均直徑大於50μm，高濃度的燃料快速擴散，從而降低了電極的效率，而且水容易流入燃料存儲層41中。這樣就很難將緩衝溶液層21中的燃料濃度維持在低水平。
第一隔離層30的厚度可以在1至500μm的範圍內。若第一隔離層30的厚度小於1μm，第一隔離層30容易斷裂，因此需要對其謹慎處置。若第一隔離層30的厚度大於500μm，較難輸送燃料，從而降低了燃料電池系統的性能。
如上所述，第一隔離層30可與緩衝溶液層21隔開。當第一隔離層30與緩衝溶液層21隔開時，可以防止緩衝溶液層21中含有的液相水通過第一隔離層30輸送到燃料存儲層41中。當液相水到達燃料存儲層41時，燃料的濃度降低，於是，打破了燃料供應的平衡，因此，整個系統可能變得不穩定。
通常，在供應到膜電極組件之前對用作DMFC的燃料的甲醇進行稀釋。當供應高濃度甲醇時，由於缺少可防止電極上的催化劑吸收甲醇氧化時產生的CO的水，導致催化劑很快中毒。此外，當供應高濃度甲醇時，未反應的甲醇穿過膜電極組件的隔膜，致使整個燃料電池系統的效率降低並使陰極的催化劑中毒。
為了供應根據上述原因需要的低濃度的燃料水溶液，形成了緩衝溶液層21。緩衝溶液層21將通過第一隔離層30輸送的汽相燃料轉換成液相，以製備低濃度的燃料混合物。
通過使進入緩衝溶液層21中的汽相燃料與緩衝溶液層21的液體表面擴散碰撞，使得汽相燃料轉換成液相燃料。也就是說，緩衝溶液層21可以含有汽相燃料和陰極中產生的液相水。
當啟動燃料電池系統時，緩衝溶液層21可以是純水或低濃度的燃料混合物。然而，在這種情況下，燃料擴散到膜電極組件10需要較長的時間。結果，在啟動操作期間，可使用低濃度的燃料混合物而不是純水。
緩衝溶液層21本身可以是具有自由表面的液體，或者可以形成為均勻分散在多孔介質中的液態燃料水溶液。當然，緩衝溶液層21不局限於此。如果液相燃料溶液均勻分散在多孔介質中，不管整個系統的取向如何都可以穩定地供應燃料。
此外，緩衝溶液層21可以容納在緩衝溶液筒20中以便於處置。在這種情況下，緩衝溶液筒20的上部可以完全敞開，使得容納的緩衝溶液層21與陽極表面充分接觸，緩衝溶液筒20的下部可以具有開口22，使得已經通過第一隔離層30的燃料順暢地輸送到緩衝溶液層21。此外，緩衝溶液筒20可以具有CO2排氣孔23，致使可順暢地排出在陽極上發生反應產生的CO2。
多孔介質可以是親水性的。因為緩衝溶液層21既作為燃料供應體又作為CO2排氣孔23，多孔介質的孔徑分布可以是寬闊型(broad)或雙峰型。
也就是說，儘管由於大的毛細壓力優選小孔供應燃料水溶液，但是很難通過均勻分布的小孔排出CO2。也就是說，由於小孔具有的毛細壓力高，因此主要通過小孔供應燃料水溶液，由於大孔具有比小孔低的毛細壓力，通過大孔排出CO2。考慮到小孔和大孔的這些性質，雙峰分布的第一峰位於1nm和10μm之間，而雙峰分布的第二峰位於10μm和10mm之間。
多孔介質可以是無機氧化物材料、聚合物材料、及其組合物(compound)之一。
無機氧化物材料可以是二氧化矽(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、二氧化鈦(TiO2)、氧化鋯(ZrO2)、及其組合物之一，但不限於此。
聚合物材料可以是含有羥基、羧基、胺基或磺基的聚合樹脂；以聚乙烯醇為基的聚合樹脂；以纖維素為基的聚合樹脂；以聚乙烯胺為基的聚合樹脂；以聚環氧乙烷為基的聚合樹脂；以聚乙二醇為基的聚合樹脂；以尼龍為基的聚合樹脂；以聚丙烯酸酯為基的聚合樹脂；以聚酯為基的聚合樹脂；以聚乙烯基吡咯烷酮為基的聚合樹脂；以乙烯乙酸乙烯酯為基的聚合樹脂；以聚乙烯為基的聚合樹脂；以聚苯乙烯為基的聚合樹脂；以氟樹脂為基的聚合樹脂(flurine-based polymer resin)；以聚丙烯為基的聚合樹脂；以聚甲基丙烯酸甲酯為基的聚合樹脂；以聚醯亞胺為基的聚合樹脂；以聚醯胺為基的聚合樹脂；以聚對苯二甲酸乙二醇酯為基的聚合樹脂；及其組合物之一，但不限於此。
多孔介質的孔隙可具有的平均直徑為0.01至10μm。若平均直徑小於0.01μm，甲醇不能充分擴散，因而可導致燃料電池性能惡化。若平均直徑大於10μm，甲醇的供應和消耗之間不能維持平衡。
通過將甲醇的遷移率調節到0.8×10-6g/cm2·sec至4×10-6g/cm2·sec可對多孔介質的孔隙率和曲率進行調節。此處，曲率表示孔隙中的彎曲或扭曲程度，可通過兩隨機點之間分子運動的實際距離除以該兩點之間的直線距離計算曲率。也就是說，若曲率為一，孔是直的，曲率越大，孔越彎曲。
所述多孔介質的厚度為0.01mm至10mm。若厚度小於0.01mm，由於多孔介質的機械強度低，不容易對多孔介質進行處置。若厚度大於10mm，燃料電池系統的體積太大。
多孔介質具有處於與陽極的所述表面接觸的表面中的CO2排出通道。根據燃料電池系統的尺寸，通道可以具有各種形狀和結構，而對它們沒有具體限制。例如，通道可以具有如圖2A至2C所示的形狀，當然並不限於此。
此外，多孔介質可以具有處於與第一隔離層的所述表面接觸的表面中的花紋。所述花紋可擴大使來自緩衝溶液層的燃料流過的有效表面積，並縮短供給燃料的路徑。花紋可以具有其中在多孔介質的表面上形成有島狀物的結構或其中部分地形成有凹進部分的凹-凸結構。例如，花紋可以具有圖3所示的形狀，當然並不限於此。
下面將描述緩衝溶液層21的工作原理。
當緩衝溶液層21中的甲醇濃度較低時，通過第一隔離層30供應到緩衝溶液層21的甲醇量比從緩衝溶液層21輸送到膜電極組件10的甲醇量大。結果，緩衝溶液層21中的甲醇濃度增高。從另一點來說，當緩衝溶液層21中的甲醇濃度高時，由於膜電極組件10的活性反應，從緩衝溶液層21輸送到膜電極組件10的甲醇量大於通過第一隔離層30供應到緩衝溶液層21的甲醇量。結果，緩衝溶液層21中的甲醇濃度降低。通過上述的這種自身調節(self regulation)，緩衝溶液層21中的甲醇濃度維持在穩定狀態。即，使陰極產生的液相水和汽相燃料混合，致使甲醇具有預定濃度。
在低濃度燃料溶液中，燃料的濃度可以處於正常狀態下的0.5至5.0M的範圍。若燃料的濃度小於0.5M，膜電極組件10需要花費很長的時間通過上述自身調節來產生預定水平或更多的電能。若燃料的濃度大於5.0M，燃料電池系統的性能降低。也就是說，這種高濃度燃料帶來了如催化劑迅速中毒和甲醇滲透之類的不期望的影響。
燃料電池最初工作時可以僅使用供應到緩衝溶液層21的水。然而，為了在緩衝溶液層21中維持恆定的甲醇濃度，供應到緩衝溶液層21的水與在陽極發生的反應中消耗的水量一樣多。對將水供應到緩衝溶液層21的方法沒有限制，可以採用本領域公知的任何常規方法。例如，收集在陰極產生的水並通過設置在電極外側的水循環通道將其循環到緩衝溶液層21。或者，在陰極形成疏水性膜並藉助於積聚在陰極中的陰極所生成的水產生的流體靜壓力使陰極中生成的水通過電解質膜朝陽極擴散。
通過上述方法，可以控制緩衝溶液層21中的燃料。更具體地說，可以用陰極中產生的液相水將甲醇的濃度調節到預定水平。此外，可根據輸出功率和外部負載電路的要求通過控制水量調節燃料的濃度。
通過毛細壓力將緩衝溶液層21中的燃料水溶液輸送到與緩衝溶液層21緊密接觸的膜電極組件10的陽極。為了便於均勻地供應燃料，還可以在緩衝溶液層21和陽極之間形成液體傳送介質。液體傳送介質可以是允許液體比氣體更快通過的任何介質，但不限於此。可將液體傳送介質形成在薄隔膜中。
膜電極組件10包括陰極、陽極和設置在它們之間的質子導電膜。對質子導電膜和電極(陰極和陽極)的材料、形狀和製備方法都沒有限制，可以使用本領域公知的任何方法。已經從緩衝溶液層21輸送的燃料水溶液與陽極的催化劑接觸並通過反應式1示出的化學反應產生電能。
下面將參照圖4和5描述本發明一實施方式的燃料電池系統。為了迅速、清楚地理解，誇大了圖1至7中示出的燃料電池系統的尺寸。
參照圖4，可將燃料存儲層41放置在燃料筒40中。
參照圖5，燃料筒40可以具有在其上部的上蓋43，以將燃料存儲層41與第一隔離層30隔開。上蓋43可以具有開口42，以允許輸送被汽化的燃料。具有開口42的上蓋43可以是具有開口或網孔的平板，該平板基本上將燃料存儲層41與第一隔離層30物理隔開。當然，上蓋43可以具有將被汽化的燃料輸送到第一隔離層30的任何結構，而不限於此。
第一隔離層30可以接觸並被附著到形成有開口42的燃料筒40的上蓋上。緩衝溶液筒20可以接觸並被附著到與燃料筒40接觸的第一隔離層30的上表面上。
此外，如圖4所示，緩衝溶液筒20可容納緩衝溶液層21。緩衝溶液筒20的下部可將緩衝溶液層21和第一隔離層30隔開。在這種情況下，緩衝溶液筒20的下部可以具有開口22，以輸送已經通過第一隔離層30的燃料。具有開口22的緩衝溶液筒20的下部可以是具有孔或網孔的平板，該平板基本上將緩衝溶液層21與第一隔離層30物理隔開。緩衝溶液筒20的下部可具有使得已通過第一隔離層30的燃料可移動到緩衝溶液層21的任何結構，而不限於此。
如圖5所示，緩衝溶液層21可以面向膜電極組件10，具體地說，面向膜電極組件10的陽極。膜電極組件10的陰極可以採用具有空氣供應口的平板進行保護。
可以採用適合的結合手段將上述組合的各層結合在一起。
下面將參照圖6描述本發明的另一實施方式的燃料電池系統。
燃料筒40和第一隔離層30可以與前述實施方式中的相同。但在燃料筒40和第一隔離層30之間還可形成第二隔離層50。第二隔離層50保持第一隔離層30的形狀，並與第一隔離層30一起控制燃料供應的速率。
對形成第二隔離層50的材料沒有限制，其可具有直徑為1μm至10μm的孔。若第二隔離層50的平均孔徑小於1μm，被汽化的燃料很難通過第二隔離層50。另一方面，若第二隔離層50的平均孔徑大於10μm，可能很難控制燃料的供應速率。
緩衝溶液筒20可以與前述實施方式中的相同，而且可以附加包括CO2排氣孔23。
可將CO2排氣孔23形成在緩衝溶液筒20的側部，如果需要，可以形成多個CO2排氣孔23。CO2排氣孔23可以只形成在一側部上或者形成在多個側部上。可將CO2排氣孔23的直徑形成為能使氣相CO2通過而液相緩衝溶液不洩漏。CO2排氣孔23可以具有0.01至0.5mm的直徑。直徑小於0.01mm的CO2排氣孔23很難製備。若CO2排氣孔23的直徑大於0.5mm時，液相緩衝溶液可能洩漏。
在本發明此實施方式的燃料電池系統中，可在不與常規結構的質子導電膜接觸的各電極的表面上形成集流體。或者參照示出了本發明另一實施方式的燃料電池系統的圖7，可將集流體12a和12b分別設置在質子導電膜11和陰極14之間以及質子導電膜11和陽極13之間。集流體12a和12b收集電極中產生的電流並將收集到的電流輸送到外電路。對形成集流體的材料沒有限制，它可以是傳導電流並抗腐蝕的任何材料。
可將集流體12a和12b設置在質子導電膜和電極之間，因為由於反應物的濃度大，產生電流的最活躍的電化學反應發生於質子導電膜11和電極之間，於是，可以最有效地收集產生的電流。
此外，可以預先利用多孔介質使高濃度甲醇以液相形式擴散到燃料存儲層41和第二隔離層50中。
採用被動供應方法向本發明此實施方式的燃料電池系統供應燃料，因此，該系統小巧且沒有不必要的電能消耗。結果，整個系統的效率高。此外，使用純燃料或高濃度燃料水溶液，使得整個系統的能量密度高。所以，燃料電池可以作為小型、緊湊的供電電源。再者，以汽態形式提供液相燃料，因此，不管整個系統的取向如何都可以供應燃料。因此，本燃料電池系統可以用於可攜式電源中。
下面參照實例更詳細地描述本發明。這些實例僅是示意性的，而不是對本發明範圍的限制。
實例1將均勻分散純甲醇的多孔泡沫放置在燃料筒中，所得到的燃料筒由上蓋密封。在這種情況下，用Foamex作為多孔泡沫，並將具有0.8mm寬的線性開口的丙烯板用作上蓋。
然後，將具有200nm直徑的孔隙的第二隔離板放置在密封的燃料筒上，隨後將由Nafion 117形成的第一隔離層放置在其上。
接下來，將含有緩衝溶液的緩衝溶液筒放置在第一隔離層上。在這種情況下，將1M甲醇水溶液用作緩衝溶液，並使緩衝溶液均勻地分散在碳布上。將所得到的碳布放置在緩衝溶液筒中。將四個0.4mm直徑的CO2排氣孔分別形成在緩衝溶液筒的四個側部中。此外，在緩衝溶液筒的下部形成0.8mm寬的線性開口以使被汽化的燃料能夠通過。
將採用本領域公知的常規方法製備的膜電極組件放置在燃料筒、第二隔離層/第一隔離層和上述製備的緩衝溶液筒的多層堆疊體上。膜電極組件的質子導電膜由Nafion 117形成，用Pt/Ru合金催化劑作為陽極催化劑，用Pt/Al合金催化劑作為陰極催化劑。
用具有5mm直徑的圓形開口的丙烯板覆蓋在上方沉積的膜電極組件，以保護膜電極組件並順暢地供應空氣。
測量按以上方式製備的燃料電池的電功率密度與時間的關係，其結果示於圖8中。
實例2除了使用3M甲醇水溶液作為緩衝溶液外，以與實例1相同的方法製備燃料電池。
測量按以上方式製備的燃料電池的電功率密度與時間的關係，其結果示於圖8中。
實例3除了使用通過層壓Nafion 112和45μm厚的具有5500g/m2/24hr的氣體滲透率的Teflon多孔層形成的層壓體作為第一隔離層外，以與實例1相同的方法製備燃料電池。
測量按以上方式製備的燃料電池的電功率密度與時間的關係，其結果示於圖8中。
對比例製備燃料電池系統，使實例1中使用的膜電極組件的陽極直接接觸甲醇水溶液。
首先，使膜電極組件的陽極取向朝上，用具有5mm直徑的圓形開口的丙烯板覆蓋陰極，以保護膜電極組件並順暢地供應空氣。然後，使含有3M甲醇水溶液的燃料筒直接接觸陽極的上部，致使將甲醇水溶液直接供應到陽極。在這種情況下，燃料筒沒有上蓋。
測量按以上方式製備的燃料電池的電功率密度和時間的關係，其結果示於圖8中。
參照圖8，在初始工作過程中，按對比例製備的燃料電池呈現出比按實例1至3製備的燃料電池高的電功率密度。但是，按對比例製備的燃料電池的電功率密度隨著時間顯著降低。例如，當燃料電池工作1小時或少於1小時時，該燃料電池的電功率密度顯著降低。
也就是說，在最初的工作過程中，順利地供應高濃度甲醇，使得反應能快速進行。據此，隨著膜電極組件的溫度提高，電功率密度也增加。然而，由於膜電極組件中毒，燃料電池的電功率密度突然降低，由於甲醇的滲透，陽極反應所需的水濃度降低，致使效率降低。
從另一角度來看，儘管在最初的工作過程中按實例1至3製備的燃料電池比按對比例製備的燃料電池的電功率密度低，但它們在長時間使用中具有恆定的電功率密度。當系統啟動時，膜電極組件的溫度隨著反應的進行而提高，反應速度增加，電功率密度也增加。之後，由於放熱反應產生的熱量與相對於周圍環境的冷卻速率平衡，自身調節了甲醇的供應。結果，可獲得恆定的電功率密度。
儘管已參照本發明的示例性實施方式具體示出並描述了本發明，本領域技術人員應理解在不超出由所附權利要求限定的本發明的構思和範圍的前提下，可對本發明的形式和細節作出各種變換。
權利要求
1.一種燃料電池系統，包括包括陰極、質子導電膜和陽極的膜電極組件；面向所述陽極的表面並含有所述陰極中產生的液相水和汽相燃料的緩衝溶液層；面向所述緩衝溶液層的表面的第一隔離層；及面向所述第一隔離層的表面的燃料存儲層。
2.如權利要求1所述的燃料電池系統，其中，所述緩衝溶液層中含有的燃料濃度是可控制的。
3.如權利要求1所述的燃料電池系統，其中，根據需要的電功率控制所述緩衝溶液層中含有的液相水量。
4.如權利要求1所述的燃料電池系統，其中，所述緩衝溶液層與所述第一隔離層隔開。
5.如權利要求1所述的燃料電池系統，其中，所述第一隔離層與所述燃料存儲層隔開。
6.如權利要求1所述的燃料電池系統，其中，所述緩衝溶液層含有多孔介質和均勻分布在所述多孔介質中的緩衝溶液。
7.如權利要求6所述的燃料電池系統，其中，所述多孔介質的孔的直徑分布是雙峰型的。
8.如權利要求7所述的燃料電池系統，其中，所述雙峰分布的第一峰位於1nm和10μm之間，所述雙峰分布的第二峰位於10μm和10mm之間。
9.如權利要求6所述的燃料電池系統，其中，所述多孔介質是親水性的。
10.如權利要求6所述的燃料電池系統，其中，所述多孔介質選自由無機氧化物材料、聚合物材料、及其組合物組成的組中的材料。
11.如權利要求10所述的燃料電池系統，其中，所述無機氧化物材料選自由二氧化矽(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、二氧化鈦(TiO2)、氧化鋯(ZrO2)、及其組合物組成的組中的材料。
12.如權利要求10所述的燃料電池系統，其中，所述聚合物材料選自由含有羥基、羧基、胺基或磺基的聚合樹脂；以聚乙烯醇為基的聚合樹脂；以纖維素為基的聚合樹脂；以聚乙烯胺為基的聚合樹脂；以聚環氧乙烷為基的聚合樹脂；以聚乙二醇為基的聚合樹脂；以尼龍為基的聚合樹脂；以聚丙烯酸酯為基的聚合樹脂；以聚酯為基的聚合樹脂；以聚乙烯基吡咯烷酮為基的聚合樹脂；以乙烯乙酸乙烯酯為基的聚合樹脂；以聚乙烯為基的聚合樹脂；以聚苯乙烯為基的聚合樹脂；以氟樹脂為基的聚合樹脂；以聚丙烯為基的聚合樹脂；以聚甲基丙烯酸甲酯為基的聚合樹脂；以聚醯亞胺為基的聚合樹脂；以聚醯胺為基的聚合樹脂；以聚對苯二甲酸乙二醇酯為基的聚合樹脂；及其組合物組成的組中的材料。
13.如權利要求6所述的燃料電池系統，其中，所述多孔介質孔隙的平均直徑為0.01μm至10μm。
14.如權利要求6所述的燃料電池系統，其中，通過將甲醇的遷移率調節到0.8×10-6g/cm2·sec至4×10-6g/cm2·sec調整所述多孔介質的孔隙率和曲率。
15.如權利要求6所述的燃料電池系統，其中，所述多孔介質的厚度為0.01mm至10mm。
16.如權利要求6所述的燃料電池系統，其中，所述多孔介質具有處於與所述陽極的所述表面接觸的表面中的CO2排出通道。
17.如權利要求6所述的燃料電池系統，其中，所述多孔介質具有處於與所述第一隔離層的所述表面接觸的表面中的花紋。
18.如權利要求1所述的燃料電池系統，其中，所述緩衝溶液層被容納在緩衝溶液筒中；所述緩衝溶液筒的上部完全敞開，使整個緩衝溶液層與所述陽極的所述表面接觸；及所述緩衝溶液筒的下部面向所述第一隔離層的所述表面。
19.如權利要求18所述的燃料電池系統，其中，還包括設置在所述緩衝溶液層和陽極之間的液體傳送介質。
20.如權利要求18所述的燃料電池系統，其中，所述緩衝溶液筒具有CO2排氣孔。
21.如權利要求18所述的燃料電池系統，其中，在所述緩衝溶液筒的下部中形成有開口。
22.如權利要求1所述的燃料電池系統，其中，所述第一隔離層的孔的直徑為0.001μm至50μm。
23.如權利要求22所述的燃料電池系統，其中，所述第一隔離層的孔的直徑分布呈雙峰型，該雙峰分布的第一峰位於0.001μm和0.05μm之間，該雙峰分布的第二峰位於1μm和50μm之間。
24.如權利要求1所述的燃料電池系統，其中，所述第一隔離層的厚度在1至500μm的範圍內。
25.如權利要求1所述的燃料電池系統，其中，所述第一隔離層使甲醇比水更快地通過，使氣體比液體更快地通過。
26.如權利要求1所述的燃料電池系統，其中，甲醇相對於所述第一隔離層的擴散係數至少是水相對於所述第一隔離層的擴散係數的三倍。
27.如權利要求1所述的燃料電池系統，其中，所述第一隔離層是包括具有不同孔隙率和氣體滲透率的至少兩層的層壓體。
28.如權利要求1所述的燃料電池系統，其中，所述燃料存儲層包括多孔介質和均勻分散在所述多孔介質中的燃料。
29.如權利要求1所述的燃料電池系統，其中，所述燃料存儲層被容納在面向所述第一隔離層的表面的燃料筒中。
30.如權利要求29所述的燃料電池系統，其中，還包括設置在所述燃料筒和第一隔離層之間的液體傳送介質。
31.如權利要求29所述的燃料電池系統，其中，所述燃料筒具有處於與所述第一隔離層的所述表面接觸的表面中的開口。
32.如權利要求1所述的燃料電池系統，其中，還包括設置在所述第一隔離層和燃料存儲層之間的第二隔離層。
33.如權利要求1所述的燃料電池系統，其中，所述燃料是甲醇。
34.如權利要求33所述的燃料電池系統，其中，在所述緩衝溶液層中的甲醇濃度在0.5至5M的範圍內。
35.如權利要求33所述的燃料電池系統，其中，在所述燃料存儲層中含有的燃料是純甲醇或濃度為5M或更高的高濃度甲醇。
36.如權利要求1所述的燃料電池系統，其中，在所述陰極和質子導電膜之間形成有陰極集流體，在所述陽極和質子導電膜之間形成有陽極集流體。
全文摘要
本發明公開了一種燃料電池系統。更明確地說，在該燃料電池系統中，第一隔離層和緩衝溶液層被設置在液相燃料存儲層和膜電極組件的陽極之間。結果，汽相燃料選擇性地通過第一隔離層被輸送到緩衝溶液層。稀釋高濃度燃料以製備處於緩衝溶液層中的低濃度的液相燃料並將低濃度液相燃料供應到膜電極組件。採用被動供應方法向燃料電池系統供應燃料，致使系統小型化且沒有不必要的電能消耗，而且整個系統的效率提高。此外，使純燃料或高濃度燃料水溶液稀釋以製備低濃度燃料溶液。結果，整個系統的能量密度高，這種燃料電池可以作為小型且緊湊的電源。若將本燃料電池系統用作可攜式電源時，不管燃料電池系統的取向如何其都可工作。
文檔編號H01M8/04GK1870339SQ20061008456
公開日2006年11月29日 申請日期2006年5月25日 優先權日2005年5月25日
發明者金惠慶, 吳柾旻, 李在鏞, 張赫 申請人:三星Sdi株式會社