直接液體供給燃料電池的製作方法
2023-10-27 15:57:22
專利名稱：直接液體供給燃料電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種直接液體供給燃料電池，更具體地說，涉及一種具有防止氧氣供應路徑被陰極產生的水阻塞的結構的直接液體供給燃料電池。
背景技術：
直接液體供給燃料電池是通過在如甲醇或乙醇之類的有機燃料與例如氧之類的氧化劑之間的電化學反應發電的設備。直接液體供給燃料電池具有高能量密度和電流密度。同時，由於將液體燃料如甲醇直接送入電池中，因此直接液體供給燃料電池不需要諸如燃料重整器之類的外圍裝置，而且液體燃料的儲存和供應方便。
如圖1所述，直接液體供給燃料電池的單元電池具有包括在陽極2和陰極3之間設置的電解質膜1的膜電極組件(MEA)結構。陽極2包括供應和擴散燃料的擴散層22、發生燃料的氧化反應的催化劑層21以及電極支撐層23。陰極3也包括用於供應和擴散氧化劑的擴散層32、發生燃料還原反應的催化劑層31以及電極支撐層33。導電板4和5分別設置在電極支撐層23和33上，導電板4和5分別包括流動通道41和51。
作為一類直接液體供給燃料電池的直接甲醇燃料電池(DMFC)包括如下所述的對燃料進行氧化的陽極反應及還原氫和氧的陰極反應。
(陽極反應)[反應2](陰極反應)[反應3](總反應)在使燃料氧化的陽極2處產生二氧化碳、六個氫離子和六個電子(反應1)。氫離子通過氫離子交換膜1遷移到陰極3。在陰極3，通過氫離子、從外部電路傳輸的電子及氧之間的還原反應產生水(反應2)。因此，甲醇和氧之間的總電化學反應產生水和二氧化碳(反應3)。
藉助於DMFC的單元電池能夠產生的理論電壓約為1.2V。然而，由於活化過電壓和歐姆過電壓引起的電壓降，在環境溫度和大氣壓下的開路電壓降低到1V以下。實際上，實際的工作電壓在0.4到0.6V之間。因此，為了獲得更高的電壓，需將多個單元電池串聯連接。連接單元電池的方法包括將多個單元電池形成於一個電解質膜上的單極結構和將多個單元電池層疊的疊層結構。
流動通道41被形成於面對陰極3的導電板4的表面上。當陰極3處產生的水在電極支撐層33的表面形成大的水滴時，水滴將阻止空氣流動，這將使產生的電能不穩定。
發明內容
本發明的目的是提供一種直接液體供給燃料電池，其具有可輕易除去用於將氧氣供應給陰極的流動通道中電極支撐層上產生的水的結構。
根據本發明的一方面，所提供的直接液體供給燃料電池包括包括分別設置在電解質膜各側的陽極和陰極的膜電極組件(MEA)；分別面向陽極和陰極、內部具有流動通道的導電陽極板和導電陰極板；以及形成在陰極上、橫過導電陰極板的流動通道並將水從流動通道轉送到導電陰極板的多個條形親水部件，其中該導電陰極板是親水性的。
條形親水部件可以由有序介孔二氧化矽(ordered mesoporous silica)和聚偏氟乙烯(PVdF)的混合溶液形成。
條形親水部件的寬度可以為0.1到5mm，並以1到10mm的間距設置。
條形親水部件可以覆蓋陰極表面的5％到50％。
條形親水部件可以相對於流動通道形成45到90度的角。
條形親水部件可以由多個條帶形成。
通過參照附圖詳細描述本發明的示例性實施方式，本發明的上述和其它特徵及優點將更加明顯。附圖中圖1是傳統的直接液體供給燃料電池的橫截面圖；圖2是本發明一實施方式的直接液體供給燃料電池的部分橫截面圖；
圖3是與圖2所示的陰極板接觸的條形親水部件的透視圖；圖4是圖3所示的條形親水部件的照片；圖5A到5D的橫截面圖示出了本發明一實施方式的直接液體供給燃料電池的製造方法；圖6所示的曲線示出了在本發明一實施方式的直接液體供給燃料電池上進行開路電壓測量的測試結果；圖7所示的曲線示出了在本發明一實施方式的直接液體供給燃料電池上在0.3V時進行的靜態電壓測試結果；圖8和9所示的曲線分別示出了在不使用條形親水部件的傳統燃料電池上和使用條形親水部件的本發明一實施方式的直接液體供給燃料電池上在0.4V時進行的靜態電壓測試結果。
具體實施例方式
現將參照示出了本發明一些示例性實施方式的附圖更全面地對本發明進行描述。
圖2是本發明一實施方式的直接液體供給燃料電池的部分橫截面圖。圖3是條形親水部件與圖2所示的陰極導電板4相接觸的透視圖。在本實施方式和傳統現有技術中，基本相同的部件用相同的附圖標記表示，而且不重複對它們的詳細描述。
參照圖1和2，直接液體供給燃料電池包括具有電解質膜1的和分別形成在電解質膜1的每一側上的陽極2及陰極3的膜電極組件(MEA)、分別面向陽極2和陰極3並具有流動通道41和51的導電陽極板5和導電陰極板4。
陰極3包括催化劑層31、擴散層32和電極支撐層33。電極支撐層33可以是碳支撐層。導電陰極板4具有形成多個流動通道41的突出部分44。條形親水部件50敷覆於電極支撐層33的表面上並橫過流動通道41。導電陰極板4由親水性材料形成。
參照圖3，用於空氣流動的突出部分44彼此平行設置。條形親水部件50形成在陰極3上並橫過流動通道41。圖4是形成在電極支撐層33上的條形親水部件50的照片。
條形親水部件50可由有序介孔的二氧化矽(OMS)和聚偏氟乙烯(PVdF)的混合溶液形成。條形親水部件50可以具有0.1到5mm的寬度和1到10mm的間距，並可以覆蓋陰極3的總表面面積的5％到50％。條形親水部件50相對於流動通道41可以具有45到90度的角。
可以在導電陰極板4的一側上設置如多孔泡沫之類的吸收由導電陰極板4所吸收的水的水分吸收部件60。用於將水循環到陽極2的水泵(未示出)也可包括在水分吸收部件60處。
現將參照圖1到3來描述本發明一實施方式的直接液體供給燃料電池的工作情況。
陰極3產生的水通過擴散層32聚集於電極支撐層33處。如圖2所示，在電極支撐層33處聚集的水滴(圖2所示的W)被親水部件50吸收並轉送到導電陰極板4的突出部分44。接著，被突出單元44吸收的水分流向水分吸收部件60。因此，很容易從導電陰極板4的流動通道41除去陰極反應生成的水，而且不會阻礙空氣從導電陰極板4流向電極支撐層33，藉此可改善燃料電池的性能。
圖5A到5D的橫截面圖示出了本發明一實施方式的直接液體供給燃料電池的製造方法。
參照圖5A，將碳支撐單元(碳紙)33浸入20wt％的聚四氟乙烯(PTFE)溶液中。然後，將與50wt％的PTFE溶液混合的碳漿以1.5mg/cm2的厚度噴在碳紙33上，並將得到的產品在350℃的溫度下退火30分鐘，從而形成碳擴散層32。
參照圖5B，製備用於形成條形親水部件50的親水性溶液。為了製備這種親水性溶液，將OMS和PVdF以1∶1的重量比添加到丙酮中並攪拌30分鐘。使用掩模將親水性溶液噴到碳紙33上，使得親水溶液的寬度是0.5mm，且使噴射有溶液的部分之間的間距是3mm，由此製造出條形親水部件50。
接著，使條形親水部件50在170℃的溫度下退火30分鐘。
參照圖5C，將催化劑層31噴到碳擴散層32上，使其具有6mg/cm2的承載。然後使陰極3在80℃的溫度下退火2小時。
參照圖5D，將電解質膜1設置在分別製得的陰極3和陽極2之間並在125℃的溫度和2噸壓力下對其進行熱壓3分鐘。
圖6的曲線示出了在本發明一實施方式的直接液體供給燃料電池上進行的開路電壓測量的測試結果。為了測試，按照相對於甲醇為3比1摩爾的化學計量比供應空氣。在50℃的溫度下測量電壓，並且單元電池的面積是10cm2。參照圖6，具有條形親水部件的燃料電池的單元電池呈現出與傳統燃料電池相似的電壓特性。這表明在本發明一實施方式的燃料電池中，在陰極中的空氣流動和碳支撐單元的導電性不受條形親水部件的影響。
圖7的曲線示出了在本發明一實施方式的直接液體供給燃料電池上在0.3V時進行靜態電壓測試的結果。為了測試，按照相對於甲醇為3比1摩爾的化學計量比供應空氣。在50℃的溫度下測量電流密度，並且單元電池的面積是10cm2。參照圖7，使用具有條形親水部件的陰極的燃料電池的單元電池呈現出比傳統燃料電池更穩定的電流密度。這表明在本發明一實施方式的燃料電池中，在陰極中的水的流動不影響空氣的流動。
圖8和9的曲線分別示出了在不使用條形親水部件的傳統燃料電池上和在本發明一實施方式的使用條形親水部件的直接液體供給燃料電池上在0.4V時所進行的靜態電壓測試的結果。為了測試，按照相對於甲醇為5和9比1摩爾的化學計量比供應空氣。在50℃的溫度下測量電流密度，並且單元電池的面積是25cm2。
當按照相對於甲醇為9比1摩爾的化學計量比供應空氣時，傳統燃料電池(圖9)和本發明一實施方式的燃料電池(圖8)都呈現出穩定的電流密度。當按照相對於甲醇為5比1摩爾的化學計量比供應空氣時，傳統燃料電池很不穩定，且電流密度逐漸減小，而本發明一實施方式的使用具有條形親水性部件的陰極的燃料電池非常穩定且電流密度恆定。這表明，在本發明一實施方式的燃料電池中，由於條形親水部件有效地除去了陰極中的水分，因此，即使空氣流速低，碳支撐單元中的空氣流動也不受水滴的影響。
如上面所述，本發明的直接液體供給燃料電池包括處於陰極和導電板之間的條形親水部件。於是，可將陰極處產生的水轉送到親水性導電板並進一步轉送到水分吸收部件。因此，陰極中的氣流平穩，藉此可保持燃料電池的輸出電壓穩定。
雖然已參照本發明的示例性實施方式具體示出和描述了本發明，本領域技術人員應理解的是，在不超出如所附權利要求限定的本發明的構思和保護範圍的前提下，可在形式和細節上對本發明作出各種變換。
權利要求
1.一種直接液體供給燃料電池，包括包括分別設置在電解質膜各側上的陽極和陰極的膜電極組件(MEA)；分別面對所述陽極和陰極且具有流動通道的導電陽極板和導電陰極板；以及形成在所述陰極上、橫過所述導電陰極板的流動通道並將水從所述流動通道轉移到導電陰極板的多個條形親水部件，其中，所述導電陰極板是親水性的。
2.如權利要求1所述的直接液體供給燃料電池，其中，所述條形親水部件由有序介孔的二氧化矽和聚偏氟乙烯(PVdF)的混合溶液形成。
3.如權利要求1所述的直接液體供給燃料電池，其中，所述條形親水部件的寬度為0.1到5mm，並被設置成間距為1到10mm。
4.如權利要求1所述的直接液體供給燃料電池，其中，所述條形親水部件覆蓋所述陰極表面的5％到50％。
5.如權利要求1所述的直接液體供給燃料電池，其中，所述條形親水部件相對於所述流動通道形成45到90度的角。
6.如權利要求1所述的直接液體供給燃料電池，其中，還包括在所述導電陰極板一側上的水分吸收部件。
7.如權利要求6所述的直接液體供給燃料電池，其中，還包括與所述水分吸收部件一端連接的水泵。
全文摘要
本發明公開了一種直接液體供給燃料電池，其包括包括分別設置在電解質膜每一側的陽極和陰極上的膜電極組件(MEA)；分別面對陽極和陰極且具有流動通道的導電陽極板和導電陰極板；以及形成在陰極上、橫過導電陰極板的流動通道並將水從流動通道轉送到導電陰極板的多個條形親水部件。該導電陰極板是親水性的。藉此，可使陰極中的氣流平穩，從而可保持燃料電池的輸出電壓穩定。
文檔編號H01M8/00GK1960043SQ20061012123
公開日2007年5月9日 申請日期2006年5月31日 優先權日2005年11月2日
發明者李承宰, 金之來, 崔京煥, 金珍虎, 李雲會 申請人:三星Sdi株式會社