[发明专利]用于直接甲醇燃料电池的再循环器及其操作方法

说明书

技术领域

本发明涉及到一种用于使用甲醇作燃料的直接甲醇燃料电池(DMFC)的再循环器和上述再循环器的操作方法，该再循环器使从层叠组件和水中回收的未反应的甲醇重新被利用。

背景技术

燃料电池是一种通过化学反应将燃料中的化学能转变为电能的电发生器。只要提供燃料燃料电池就不断地产生电。燃料电池中的直接甲醇燃料电池(DMFC)是一种用甲醇作燃料通过直接供给阳极的燃料和提供给DMFC的阴极的氧气之间的反应产生电的装置。在DMFC的阳极，通过下面所示的化学反应1产生电子，电子沿着移动路径移到阴极并通过如下所示的化学反应2产生H₂O。当负载施加到移动路径，利用产生的电做功。

【化学反应1】

【化学反应2】

通过泵送液态甲醇将甲醇供给阳极，这样的DMFC被称为主动型(active type)DMFC。或者，当甲醇在室温蒸发时，蒸发的甲醇可流入阳极，这样的DMFC被称为被动型(passive type)DMFC。在此，将描述主动型DMFC。

图1是主动型DMFC的结构的功能模块图表。发生化学反应1和2的一个阳极和一个阴极的单一组件不能产生足够的电压，因此，利用由层叠多个单个组件形成的层叠组件20。在层叠组件20中，层叠多个单元电池使得在每个单元电池中，阳极和阴极分别形成于电解膜的相对两侧，从而，通过每个单元电池产生的电的相加输出大功率。主动型DMFC包括作为氧气源将空气供给阴极的气泵60和储存提供给阳极的甲醇的处理盒30。在处理盒30中，高浓度的甲醇，例如，100％甲醇，被存储。此外，主动型DMFC包括储罐70，该储罐用以储存稀释的具有0.5到2M浓度的燃料，该燃料通过供给泵50提供给层叠组件20的阳极。通过经燃料泵40将水加到由处理盒30提供的高浓度甲醇中来获得0.5到2M的浓度的稀释的甲醇。

主动型DMFC包括换热器80，该换热器降低从层叠组件20释放出的气-液混合物温度。即，换热器80通过降低气-液混合物的高温浓缩从层叠组件20释放出的气-液混合物中的蒸汽。此外，主动型DMFC包括再循环器10，该再循环器使产生电和作为电发生反应的副产品的H₂O后从层叠组件20中释放的未反应的甲醇再利用。由于再循环器10从层叠组件20回收的气-液混合物中分离未反应的甲醇和水(副产品)，重新利用未反应的甲醇和水稀释高浓度甲醇，再循环器10也被称做气-液分离器。而不包括再循环器10，低浓度的甲醇会被储存在处理盒30中。然而，在这种情况，处理盒30的容量必须非常大。因此，如上所述，高浓度甲醇被储存在处理盒30中然后被逐步供给储罐70被稀释。

图2A和2B是用于图1的主动型DMFC的传统再循环器10的结构的横剖面图。在图2A的传统再循环器10a中，气体和液体靠重力分离；即，气体经由壳体11的上端口11a释放出，比气体稠密的液体经由壳体11的下端口11b释放出。液体包括在层叠组件20中没有反应的甲醇和作为副产品生成的水，气体包括作为氧气源供给的空气和在阳极从化学反应中生成的CO₂。被分离的液体适当地与从处理盒30供给储罐70的高浓度甲醇混合，从而形成在层叠组件20中需要的适当的低浓度甲醇用于产生电，并且如上所述，由供给泵50将混合物重新送给层叠组件。由于再循环器10a利用重力工作，图2A的再循环器10a的结构具有结构简单的优点；然而，液体经由其释放的下端口11b，必须设置在重力的方向。因此，再循环器10a受限于重力的方向。主动型DMFC更普遍地用于各种移动装置中，由此，当使用移动装置时传统再循环器10a的下端口11b可能被移动使得下端口11b处于重力的反方向。在这种情况下，传统再循环器10a不能适当地实现气-液分离的功能。

图2B是另一种传统再循环器10b的结构，该再循环器为解决上述问题而设计。即，如图2B所示，传统再循环器10b没有利用重力作用，而是，在壳体12的一个端口安装疏水膜12a并在壳体12的另一个端口安装亲水膜12b以便气体能通过疏水膜12a排放，而液体能通过亲水膜12b排放。用这种方法，能够不计重力的方向实现气-液分离，因此，主动型DMFC能用于移动装置。然而，随着时间的推移，疏水膜和亲水膜12a和12b性能下降导致液体渗漏，因此，具有疏水膜和亲水膜12a和12b的再循环器10b难以使主动型DMFC商业化。