[發(fā)明專利]水流動(dòng)系統(tǒng)及具有其的燃料電池

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200810001623.5
• 申請(qǐng)日: 2008-01-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101478052A
• 公開(kāi)（公告）日: 2009-07-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃金樹(shù);許年輝;王正
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中強(qiáng)光電股份有限公司
• 主分類號(hào): H01M8/04
• 分類號(hào): H01M8/04;H01M8/02;H01M8/00
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務(wù)所
• 代理人: 陶鳳波

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種水流動(dòng)系統(tǒng)及具有其的燃料電池，尤其是一種用于回收燃料電池的陰極生成水的水流動(dòng)系統(tǒng)及具有其的燃料電池。

背景技術(shù)

能源的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用對(duì)環(huán)境的破壞與日俱增。利用燃料電池(fuel?ce1l)技術(shù)產(chǎn)生能源，具有高效率、低噪音、無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，是符合環(huán)保趨勢(shì)的能源技術(shù)。燃料電池具有多種類型，其中常見(jiàn)的為質(zhì)子交換膜型燃料電池(PEMFC)以及直接甲醇燃料電池(DMFC)。PEMFC所使用的燃料為氫，而DMFC所使用的燃料為甲醇，但兩者在結(jié)構(gòu)上大致相同。

請(qǐng)參閱圖1，以DMFC為例說(shuō)明已知燃料電池的基本結(jié)構(gòu)。燃料電池100通常包括發(fā)電模塊120、燃料供給系統(tǒng)140及水流動(dòng)系統(tǒng)160。如圖2所示，DMFC的發(fā)電模塊120主要由陰極端122、陽(yáng)極端124以及質(zhì)子交換膜126組成。燃料供給系統(tǒng)140供應(yīng)發(fā)電模塊120的陽(yáng)極端124所需的燃料。水流動(dòng)系統(tǒng)160則可回收陰極端122表面所凝結(jié)的水，以下稱為陰極生成水。對(duì)于已知的發(fā)電模塊120及水流動(dòng)系統(tǒng)160詳述如下。

請(qǐng)參閱圖2，陽(yáng)極端124的燃料(甲醇)與催化劑128反應(yīng)產(chǎn)生氫離子與電子，陽(yáng)極半反應(yīng)為CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-。在陽(yáng)極端124生成的電子經(jīng)由外電路200通往陰極端122，氫離子則穿透質(zhì)子交換膜126通往陰極端122，再與電子和氧氣反應(yīng)生成水，陰極半反應(yīng)為6H⁺+6e^-+3/2O₂→3H₂O。

圖2中，發(fā)電模塊120的陰極端122位于質(zhì)子交換膜126的一側(cè)，陰極端122的結(jié)構(gòu)包括催化劑層121、氣體擴(kuò)散層123、集電板125及流道板127。陰極半反應(yīng)通常在催化劑層121發(fā)生。如前所述，陽(yáng)極半反應(yīng)產(chǎn)生的氫離子通過(guò)質(zhì)子交換膜126，陽(yáng)極半反應(yīng)產(chǎn)生的電子走外電路200，經(jīng)集電板125到達(dá)催化劑層121。而空氣(氧氣)由流道板127通入發(fā)電模塊120后，經(jīng)過(guò)集電板125的孔129，再通過(guò)氣體擴(kuò)散層123擴(kuò)散至催化劑層121表面。DMFC的陰極半反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生陰極生成水，而陽(yáng)極半反應(yīng)除甲醇的外也需要水。因此陰極生成水可回收至陽(yáng)極端124再利用。

仍請(qǐng)參照?qǐng)D1，為了達(dá)到控制供給燃料與水回收的目的，水流動(dòng)系統(tǒng)160的流程如下，發(fā)電模塊120的陰極端122由鼓風(fēng)機(jī)(blower)162來(lái)供給氧氣，并將陰極生成水蒸發(fā)，帶走至水槽(water?tank)164進(jìn)行冷凝。而燃料供給系統(tǒng)140流程如下，經(jīng)由循環(huán)泵浦(circulation?pump)142吸取混合槽(mixingtank)144中的燃料，打入發(fā)電模塊120的陽(yáng)極端124，經(jīng)反應(yīng)后的燃料重新流回混合槽144完成循環(huán)。

由于燃料電池100的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，發(fā)電模塊120的陽(yáng)極端124會(huì)不斷消耗甲醇，故混合槽144中的甲醇溶液濃度會(huì)隨時(shí)間逐漸下降，故此時(shí)需通過(guò)水用泵浦146與燃料用泵浦148補(bǔ)充水與高濃度甲醇，來(lái)保持其燃料濃度于設(shè)定范圍內(nèi)。當(dāng)混合槽144的燃料濃度低于設(shè)定范圍的最小值時(shí)，由燃料用泵浦148來(lái)補(bǔ)充甲醇。當(dāng)混合槽144的燃料濃度高于設(shè)定范圍的最大值時(shí)，則開(kāi)啟水用泵浦146來(lái)補(bǔ)充水并停止燃料用泵浦148暫停甲醇的補(bǔ)充，避免混合槽144的燃料濃度過(guò)高，由此將混合槽144的燃料濃度控制在設(shè)定范圍內(nèi)。

請(qǐng)參照?qǐng)D3，為另一種已知的燃料電池100a，其水流動(dòng)系統(tǒng)160a是直接靠重力滴落的方式，使陰極生成水直接流入混合槽144，而濃度的控制是直接讀取混合槽144的濃度值，若濃度值低于預(yù)訂濃度則開(kāi)啟燃料用泵浦148來(lái)將高濃度甲醇打入混合槽144做混合，達(dá)到控制濃度的目的。

圖1及圖3所示的兩種已知燃料電池100、100a皆有其缺點(diǎn)，圖1中，為了調(diào)節(jié)濃度，需以兩個(gè)泵浦146、148來(lái)進(jìn)行水與高濃度甲醇的補(bǔ)給，使得系統(tǒng)價(jià)格昂貴，且水槽164的體積設(shè)計(jì)要大，造成整體燃料電池100的體積增加，小型化不易。而圖3中，雖省略了一個(gè)水用泵浦146，將水以重力方式滴落，來(lái)達(dá)到補(bǔ)給的目的，但這造成水流動(dòng)系統(tǒng)160a的設(shè)計(jì)上需有高度限制，使燃料電池100a小型化更加困難。再者，由于混合槽144與水槽164相連通，使得操作過(guò)程中，循環(huán)泵浦142運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，部分燃料會(huì)經(jīng)由混合槽144流到水槽164，造成燃料供給系統(tǒng)140a的泄漏。