[发明专利]一种燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池技术，特别是涉及一种集成阳极集流板和渗透蒸发结构的燃料电池。

背景技术

燃料电池由于其高能量转化效率而成为热门的动力电源候选之一。而直接氧化燃料电池更适合用作便携式电子产品的移动电源（如手机、笔记本、手持式电子设备等）。特别是，直接以高浓度的液体燃料（如甲醇）为反应物，更能发挥燃料电池比能量高的优势，从而解决日新月异的便携式电子产品对高比能移动电源的迫切需求。

直接液体进样的燃料电池是一种固体聚合物燃料电池，至少以一种液体燃料为反应物。直接甲醇燃料电池就一种典型的直接液体进样的燃料电池。除了甲醇外，还可采用乙醇、二甲醚等碳氢化合物为燃料。

直接甲醇燃料电池与常规电池一样，通过电化学反应提供直流电。只要燃料持续不断的供应，燃料电池中的电化学反应会一直进行。负极（阳极）供给燃料，正极（阴极）供给空气。在放电时，甲醇在阳极氧化，产生质子、电子和二氧化碳，质子透过固体电解质膜到达阴极，和通过外电路达到的电子以及阴极的空气发生还原反应，整个系统简单高效。请参阅图1，显示为现有技术中典型的气态进料的燃料电池系统，如图所示，包括储存有高浓度的甲醇溶液的燃料池11，设置在该燃料池11底面的支撑板12，渗透蒸发膜13，阳极集流板15，位于该渗透蒸发膜与阳极集流板之间的汽化腔14，膜电极组件（MEA）16，以及阴极集流板17。所述燃料池11中的高浓度的甲醇溶液（未图示），经渗透蒸发膜13后，在汽化腔14里变为气态，然后经过穿孔的阳极集流板15，到达膜电极组件16的阳极扩散层（未标示），最后达到阳极催化层（未标示），发生电化学氧化反应，产生CO₂，质子和电子。质子透过固体聚合物电解质膜到达阴极集流板17，与通过外电路到达的电子以及阴极的空气发生氧还原反应，生成水。在高增水的阴极微孔层的作用下，经质子交换膜反扩散至阳极催化层，满足甲醇氧化反应的需要。

但是到目前为止，还存在两个障碍阻止DMFC (Direct Methanol Fuel Cell，直接甲醇燃料电池)大规模商业化应用。一个是甲醇氧化的电催化剂的活性低；另一个是甲醇渗透问题，即甲醇透过质子交换膜到达阴极被氧化产生混合电位，大幅降低电池输出电压，同时也降低了燃料的利用率。为了减少甲醇渗透的负面影响，常用的方法是采用低浓度甲醇水溶液为燃料（例如，浓度在2M以下），但不可避免的是，稀释的甲醇溶液会降低甲醇电化学氧化反应的反应速率和牺牲整个系统的能量密度。这导致DMFC不能发挥其能量密度高的优势。

有些专利和文章通过修饰电解质膜解决甲醇渗透的问题。或者修饰工业标准的Nafion膜，或者开发新型的阻醇膜，尽管已取得了很大进展，但膜的其他电化学和机械性能却不同程度地下降，导致至今杜邦公司的Nafion膜始终占据市场的主体。

与液体进样的DMFC相比，气态进样的DMFC具有更低的甲醇渗透而且更适合于直接以高浓度甲醇甚至纯甲醇为燃料。传统气态进样的DMFC，首先通过泵将液体甲醇输送至汽化器变成气态，然后通过鼓风机给电极供给气态甲醇燃料。未反应的的甲醇蒸汽通过阳极出口的冷凝器变成液体，然后循环利用。该过程需要一个复杂的系统（包括泵，汽化器，鼓风机和冷凝器），并不适合用于驱动小型电子设备。因此，被动式直接以高浓度甲醇甚至纯甲醇为燃料的DMFC更适合于便携式电子产品的移动电源，目前已做了很多探索。

专利USP8,153,324中提出在燃料流场板的沟槽中含有一些控制燃料释放的材料，该材料在室温或低于室温时能吸附和保持燃料，而在高于活化温度时，就能以气态形式释放上述燃料，这需要DMFC工作在相对高的温度（如80-160°C），因此，在电池启动阶段，需要一个额外的电池提供必要的热能来汽化燃料，这也不可避免地增加了系统的复杂性。

USP8,043,765发明了一个阳极表面有一个缓冲溶液层的燃料电池系统，用于冷凝气态燃料至液态，该缓冲层由分离层和燃料存储层构成的。但这个汽化系统还是单独的，增加了DMFC系统的体积。

USP20040209136发明了一个直接使用高浓度甲醇为燃料的被动式的燃料电池系统，在阳极双极板外侧增加了渗透蒸发的结构，燃料池中的液体甲醇透过该膜变成气态，先后经过汽化腔，阳极集流板，阳极扩散层，到达阳极催化层发生反应。这个单独的渗透蒸发结构不仅增加了燃料电池系统的体积，而且还存在气态燃料在电极中分配不均匀的问题。