專利名稱：具有兩個(gè)燃料貯存器的直接液體供給燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直接液體供給燃料電池系統(tǒng)，更明確地說(shuō)，涉及一種包括高濃度燃料貯存器和低濃度燃料貯存器的直接液體供給燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池是直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾娀瘜W(xué)設(shè)備。直接液體供給燃料電池通過(guò)液體燃料例如甲醇與氧之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。直接液體供給燃料電池與二次電池的區(qū)別在于只要從外部提供燃料就可使直接液體供給燃料電池工作。
直接液體供給燃料電池可以直接安裝在移動(dòng)通訊裝置上，或者可以用于對(duì)移動(dòng)通訊裝置中安裝的可再充電電池進(jìn)行充電。
為了延長(zhǎng)將直接液體供給燃料電池用作移動(dòng)通訊裝置電源的時(shí)間周期，例如，將10摩爾(mol)或更多的純甲醇或高濃度甲醇與水混合后的低濃度甲醇提供給電極。因此，用于移動(dòng)通訊裝置的直接液體供給燃料電池需要高濃度燃料貯存器。為了稀釋高濃度甲醇，在啟動(dòng)階段需要水。通過(guò)給電極提供低濃度甲醇的普通操作，要花費(fèi)好幾分鐘在直接液體供給燃料電池系統(tǒng)中產(chǎn)生水。據(jù)此，在啟動(dòng)階段，要求在將低濃度甲醇提供給電極擴(kuò)散層的同時(shí)使直接液體供給燃料電池工作，以使啟動(dòng)時(shí)間最短，此后，當(dāng)直接液體供給燃料電池正常工作時(shí)，使用高濃度甲醇。
因此，需要具有高濃度燃料貯存器和低濃度燃料貯存器的直接液體供給燃料電池系統(tǒng)來(lái)向小型移動(dòng)通訊裝置提供電能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種包括用于快速而穩(wěn)定地啟動(dòng)的低濃度燃料貯存單元和用于延長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)直接液體供給燃料電池時(shí)間的高濃度燃料貯存單元的直接液體供給燃料電池系統(tǒng)。若將這種直接液體供給燃料電池系統(tǒng)安裝于電子裝置上，該直接液體供給燃料電池系統(tǒng)的體積可以很小。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，所提供的直接液體供給燃料電池系統(tǒng)包括多個(gè)燃料電池和彼此隔開(kāi)并儲(chǔ)存要提供給燃料電池的液體燃料的高濃度燃料貯存單元及低濃度燃料貯存單元，所述燃料電池包括電解質(zhì)膜、在電解質(zhì)膜的第一表面上形成的多個(gè)陰極、和在電解質(zhì)膜的第二表面上形成的一些陽(yáng)極，其中，當(dāng)具有低濃度燃料貯存單元的直接液體供給燃料電池系統(tǒng)安裝在電子裝置上時(shí)，將低濃度燃料貯存單元中的液體燃料提供給這些陽(yáng)極。
低濃度燃料貯存單元可以是柔性容器。
低濃度燃料貯存單元可以貯存水或者貯存3mol或更少的甲醇。
低濃度燃料貯存單元可以貯存1至3mol的甲醇。
直接液體供給燃料電池系統(tǒng)還可以包括安裝于在陽(yáng)極上的燃料擴(kuò)散單元，其中，在該燃料擴(kuò)散單元上設(shè)有高濃度燃料貯存單元。
燃料擴(kuò)散單元可以是多孔泡沫件。
可將低濃度燃料貯存單元設(shè)置在高濃度燃料貯存單元上，并且該低濃度燃料貯存單元的出口可與燃料擴(kuò)散單元接觸。
高濃度燃料貯存單元可以具有通孔，低濃度燃料貯存單元的出口通過(guò)該通孔接觸燃料擴(kuò)散單元。
直接液體供給燃料電池系統(tǒng)還可以包括內(nèi)部安裝有燃料電池、燃料擴(kuò)散單元和高濃度燃料貯存單元的外殼，其中，低濃度燃料貯存單元可拆卸地安裝在外殼上。
直接液體供給燃料電池系統(tǒng)還可以包括處于燃料電池和外殼之間、防止陰極產(chǎn)生的水泄漏到外部并允許氣體穿過(guò)的透氣膜。


通過(guò)參考附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，本發(fā)明的上述和其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將更加明顯。附圖中圖1是本發(fā)明一實(shí)施方式的直接液體供給燃料電池系統(tǒng)的橫截面圖；圖2是圖1所示的直接液體供給燃料電池系統(tǒng)的低濃度燃料貯存單元的透視圖；圖3的曲線示出了本發(fā)明一示例性實(shí)施方式的直接液體供給燃料電池系統(tǒng)工作的模擬結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參考示出了本發(fā)明一些示例性實(shí)施方式的附圖更全面地描述本發(fā)明。在這些附圖中，為了清楚起見(jiàn)，夸大了層和區(qū)域的厚度。
圖1是本發(fā)明一實(shí)施方式的直接液體供給燃料電池系統(tǒng)100的橫截面圖。直接液體供給燃料電池系統(tǒng)100包括外殼110、多個(gè)燃料電池130、在燃料電池130的陽(yáng)極136上的燃料擴(kuò)散單元140、設(shè)置于燃料擴(kuò)散單元140上的高濃度燃料貯存單元150和設(shè)置于高濃度燃料貯存單元150上的低濃度燃料貯存單元160。燃料電池130、燃料擴(kuò)散單元140和高濃度燃料貯存單元150可以固定地安裝在外殼110中。低濃度燃料貯存單元160可從外殼110上拆卸下來(lái)。
燃料電池130包括電解質(zhì)膜132、形成于電解質(zhì)膜132的下表面的多個(gè)陰極134、和形成于電解質(zhì)膜132上表面與陰極134對(duì)應(yīng)的多個(gè)陽(yáng)極136。燃料電池130串聯(lián)連接。連接燃料電池的方法是本領(lǐng)域公知的方法，因此省略對(duì)其的詳細(xì)說(shuō)明。
燃料擴(kuò)散單元140均勻地分布接受到的來(lái)自低濃度燃料貯存單元160的燃料和接受到的來(lái)自陽(yáng)極136上的高濃度燃料貯存單元150的燃料。燃料擴(kuò)散單元140可以由如海綿之類的多孔泡沫形成。
高濃度燃料貯存單元150貯存如純甲醇之類的高濃度燃料，以提高本實(shí)施方式的直接液體供給燃料電池系統(tǒng)的能量密度。在高濃度燃料貯存單元150與燃料擴(kuò)散單元140接觸的壁中形成有多個(gè)孔152。高濃度燃料通過(guò)高濃度燃料貯存單元150的孔152穿過(guò)燃料擴(kuò)散單元140被提供給陽(yáng)極136?？蓪⒏邼舛热剂腺A存單元150固定或者可拆卸地安裝在外殼110中。高濃度燃料貯存單元150包括燃料入口(未示出)，可以通過(guò)該燃料入口從外部提供純甲醇。
低濃度燃料貯存單元160是一種柔性袋，其貯存有啟動(dòng)直接液體供給燃料電池所需的1至3mol甲醇。圖2是低濃度燃料貯存單元160的透視圖。參考圖2，低濃度燃料貯存單元160包括燃料出口162，液體燃料由于外部壓力通過(guò)該燃料出口輸出流入燃料擴(kuò)散單元140中。燃料出口162通過(guò)形成于高濃度燃料貯存單元150中的通孔154與燃料擴(kuò)散單元140接觸。通孔154可以用作低濃度燃料貯存單元160的可拆卸機(jī)構(gòu)。低濃度燃料貯存單元160的體積由于外部壓力而減小。因此，當(dāng)直接液體供給燃料電池系統(tǒng)100安裝在電子裝置上時(shí)，低濃度燃料貯存單元160可以在直接液體供給燃料電池系統(tǒng)100中占據(jù)小體積。
可以在直接液體供給燃料電池系統(tǒng)100的一側(cè)安裝印刷電路基底170。印刷電路基底170電連接到燃料電池130的端子(未示出)并連接到用于對(duì)移動(dòng)電子裝置(未示出)充電的外部端子180。
在外殼110面對(duì)燃料電池130的陰極134的表面中形成有多個(gè)氣孔112。通過(guò)氣孔112將空氣提供給陰極134?？稍跉饪?12和燃料電池130之間形成透氣膜120。透氣膜120可以由疏水和多孔的聚四氟乙烯(PTFE)形成。透氣膜120可防止陰極134產(chǎn)生的水泄漏到外部并可在陽(yáng)極136回收水。透氣膜120還可將二氧化碳排放到外部。
在本實(shí)施方式中，在低濃度燃料貯存單元160中貯存有1至3mol的甲醇，當(dāng)然本發(fā)明不限于此。也就是說(shuō)，低濃度燃料貯存單元160可以僅貯存水。在這種情況下，啟動(dòng)時(shí)將水提供給燃料擴(kuò)散單元140，以與接收到的來(lái)自高濃度燃料貯存單元150的高濃度燃料混合。
下面將參考圖1和2說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施方式的直接液體供給燃料電池系統(tǒng)的工作情況。
首先，例如在高濃度燃料貯存單元150中充滿多于10mol的純甲醇或高濃度甲醇，在安裝在外殼110中的低濃度燃料貯存單元160中充滿1至3mol的低濃度甲醇。低濃度燃料貯存單元160的出口162插入高濃度燃料貯存單元150的通孔154中，以便在外殼110中安裝低濃度燃料貯存單元160。然后，要充電的電子裝置(未示出)的外部端子(未示出)耦連到外部端子180。通過(guò)在外殼110和電子裝置之間施加壓力，將來(lái)自低濃度燃料貯存單元160的低濃度甲醇通過(guò)出口162提供給燃料擴(kuò)散單元140。因此，燃料電池130開(kāi)始工作。在啟動(dòng)步驟完成后，高濃度燃料貯存單元150中的高濃度燃料通過(guò)孔152被提供給燃料擴(kuò)散單元140。這時(shí)，可防止陰極134產(chǎn)生的一些水流到外部并由透氣膜120回收水，以稀釋高濃度燃料。因此，本發(fā)明一實(shí)施方式的直接液體供給燃料電池系統(tǒng)在啟動(dòng)階段使用低濃度燃料，而在正常工作期間使用高濃度燃料。
當(dāng)高濃度燃料耗盡時(shí)，通過(guò)用另一個(gè)充滿高濃度燃料的高濃度燃料貯存單元150替換該燃料耗盡的高濃度燃料貯存單元150，或者通過(guò)使該燃料耗盡的高濃度燃料貯存單元150充滿高濃度燃料，可以在短時(shí)間內(nèi)再啟動(dòng)直接液體供給燃料電池系統(tǒng)。當(dāng)直接液體供給燃料電池系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間停止工作后再啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)在外殼110中安裝新的低濃度燃料貯存單元160使直接液體供給燃料電池系統(tǒng)工作。
圖3所示的曲線示出了本發(fā)明一實(shí)施方式的直接液體供給燃料電池系統(tǒng)工作的模擬結(jié)果。在模擬實(shí)驗(yàn)中，燃料電池的功率輸出密度是40mW/cm2，總的功率輸出是1200mW，從低濃度燃料貯存單元提供給燃料擴(kuò)散單元的液體燃料是7cc的1mol甲醇。在高濃度燃料貯存單元中貯存有10cc純甲醇。
參考圖3，當(dāng)通過(guò)從陰極回收的水來(lái)補(bǔ)償從陽(yáng)極側(cè)轉(zhuǎn)送(crossover)的水時(shí)，從低濃度燃料貯存單元提供的陽(yáng)極側(cè)的水與高濃度燃料貯存單元提供的純甲醇混合。這時(shí)，陽(yáng)極側(cè)的甲醇濃度逐漸提高，但是在高濃度燃料貯存單元的高濃度燃料耗盡之后，陽(yáng)極側(cè)的甲醇濃度維持在大約3mol。因此，在燃料耗盡前，本發(fā)明實(shí)施方式的直接液體供給燃料電池工作約600min。
本發(fā)明的直接液體供給燃料電池可以利用啟動(dòng)所需的低濃度燃料來(lái)有效地進(jìn)行啟動(dòng)操作，而且可以利用高濃度燃料長(zhǎng)時(shí)間地工作。
盡管已參考本發(fā)明的一些示例性實(shí)施方式具體地示出并描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，在不超出本發(fā)明的構(gòu)思和所附權(quán)利要求限定的范圍的前提下可在形式和細(xì)節(jié)上對(duì)其進(jìn)行各種變換。
權(quán)利要求
1.一種直接液體供給燃料電池系統(tǒng)，包括多個(gè)燃料電池，包括電解質(zhì)膜；形成于所述電解質(zhì)膜的第一表面上的多個(gè)陰極；形成于所述電解質(zhì)膜的第二表面上的陽(yáng)極；彼此隔開(kāi)并儲(chǔ)存有要提供給所述燃料電池的液體燃料的高濃度燃料貯存單元和低濃度燃料貯存單元，其中，當(dāng)具有所述低濃度燃料貯存單元的所述直接液體供給燃料電池系統(tǒng)被安裝在電子裝置上時(shí)，將低濃度燃料貯存單元中的液體燃料提供給所述陽(yáng)極。
2.如權(quán)利要求1所述的直接液體供給燃料電池系統(tǒng)，其中，所述低濃度燃料貯存單元是柔性容器。
3.如權(quán)利要求1所述的直接液體供給燃料電池系統(tǒng)，其中，所述低濃度燃料貯存單元貯存水或者貯存3mol或更少的甲醇。
4.如權(quán)利要求3所述的直接液體供給燃料電池系統(tǒng)，其中，所述低濃度燃料貯存單元貯存1至3mol甲醇。
5.如權(quán)利要求1所述的直接液體供給燃料電池系統(tǒng)，其中，還包括在所述陽(yáng)極上安裝的燃料擴(kuò)散單元，其中所述高濃度燃料貯存單元被設(shè)置在該燃料擴(kuò)散單元上。
6.如權(quán)利要求5所述的直接液體供給燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料擴(kuò)散單元是多孔泡沫件。
7.如權(quán)利要求5所述的直接液體供給燃料電池系統(tǒng)，其中，所述低濃度燃料貯存單元被設(shè)置在所述高濃度燃料貯存單元上，并且該低濃度燃料貯存單元的出口與所述燃料擴(kuò)散單元接觸。
8.如權(quán)利要求7所述的直接液體供給燃料電池系統(tǒng)，其中，所述高濃度燃料貯存單元具有通孔，所述低濃度燃料貯存單元的出口通過(guò)該通孔接觸所述燃料擴(kuò)散單元。
9.如權(quán)利要求5所述的直接液體供給燃料電池系統(tǒng)，其中，還包括內(nèi)部安裝有所述燃料電池、燃料擴(kuò)散單元和高濃度燃料貯存單元的外殼，其中所述低濃度燃料貯存單元可拆卸地安裝在該外殼上。
10.如權(quán)利要求9所述的直接液體供給燃料電池系統(tǒng)，其中，還包括處于所述燃料電池和外殼之間、防止陰極產(chǎn)生的水泄漏到外部并允許氣體穿過(guò)的透氣膜。
11.如權(quán)利要求1所述的直接液體供給燃料電池系統(tǒng)，其中，所述高濃度燃料貯存單元貯存純甲醇或多于10mol的高濃度甲醇。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有兩個(gè)燃料貯存單元的直接液體供給燃料電池系統(tǒng)。該直接液體供給燃料電池系統(tǒng)包括多個(gè)燃料電池和彼此隔開(kāi)并儲(chǔ)存要提供給燃料電池的液體燃料的高濃度燃料貯存單元及低濃度燃料貯存單元，燃料電池包括電解質(zhì)膜、在電解質(zhì)膜的第一表面上形成的多個(gè)陰極、和在電解質(zhì)膜的第二表面上形成的一些陽(yáng)極，當(dāng)具有低濃度燃料貯存單元的直接液體供給燃料電池系統(tǒng)安裝在電子裝置上時(shí)，將低濃度燃料貯存單元中的液體燃料提供給這些陽(yáng)極。本發(fā)明的直接液體供給燃料電池可以利用啟動(dòng)所需的低濃度燃料來(lái)有效地進(jìn)行啟動(dòng)操作，而利用高濃度燃料長(zhǎng)時(shí)間地工作。
文檔編號(hào)H01M8/10GK1960045SQ20061011555
公開(kāi)日2007年5月9日 申請(qǐng)日期2006年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月2日
發(fā)明者李在鏞, 趙慧貞, 崔京煥 申請(qǐng)人:三星Sdi株式會(huì)社