CN102315464B - 阳极双通道进料直接二甲醚燃料电池及其产电的方法 - Google Patents

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Abstract

阳极双通道进料直接二甲醚燃料电池及其产电的方法，它属于燃料电池领域。本发明解决现有单一液体燃料进料的直接二甲醚燃料电池存在阳极二甲醚进量不足及单一气体进料的直接二甲醚燃料电池存在加湿不足的技术问题。本发明阳极流场板同时设有液体流道和气体流道。本发明以1～100mL/min流速将水或二甲醚溶液通入液体流道，同时以10～500mL/min流速将二甲醚气体通入气体通道，二甲醚在压力作用下进入扩散层，然后达液体流道，再经由出液口和出液管排出，处于溶液中的二甲醚以及气体二甲醚在常压及反应温度为20～100℃条件下进行电化学反应输出电流，即完成了阳极双通道进料直接二甲醚燃料电池的产电。本发明用于产电。

Description

阳极双通道进料直接二甲醚燃料电池及其产电的方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域；具体涉及阳极双通道进料直接二甲醚燃料电池及其产电的方法。
背景技术
二甲醚（Dimethyl ether，DME）是最简单的醚类，分子式为CH3OCH3，分子中不含C-C键更易被完全氧化成CO2。它毒性很低，解决了DMFC中甲醇毒性问题。易压缩成液体（0.6MPa），储存和运输方便，克服了PEMFC中燃料难于储运等问题。DME来源丰富，可从煤、石油、天然气和生物等多种原料获得，是一种清洁可再生易储存的能源。DME偶极矩小，分子体积较甲醇大，在质子交换膜中的渗透量比甲醇低一个数量级，大大降低了燃料渗透对电池性能的影响。DME在常温常压下为无色有醚香味的气体，沸点-24.9℃，可溶于水及醇、丙酮、四氯化碳、苯等溶剂，在水中的溶解度随温度的升高而降低。因此电池可在气体和水溶液两种进料方式下工作。直接二甲醚燃料电池（DDFC）阳极以二甲醚为燃料，阴极以空气或氧气为氧化剂，是一种新型的直接型导电聚合物燃料电池。DDFC具有导电聚合物燃料电池启动速度快的优点，可用作动力电源、移动便携式电源。
G.Kerangueven【文献1：G.Kerangueven；C.Coutanceau；E.Sibert，Methoxymethane（dimethylether）as an alternative fuel for direct fuel cells，“Journal of Power Sources157（2006）318-324”】和Kedi Cai【文献2：Kedi Cai；Geping Yin，Comparative Investigation of Dimethy Ether Gas andSolution under Direct Type Fuel Cell，“Electrochemical and Solid-State Letters.2008，11（11）：B205-B207”】对比了气体二甲醚进料方式与饱和二甲醚水溶液进料两种进料方式下单体电池性能，认为气体二甲醚进料方式性能低于二甲醚水溶液进料方式的原因在于二甲醚阳极反应需要足够的水，当二甲醚以气态形式进料时及使在饱和加湿的情况下仍不能满足阳极反应需求，因此造成其性能低于二甲醚水溶液进料方式。当直接二甲醚燃料电池采用二甲醚饱和水溶液方式进料时，常温下二甲醚饱和水溶液的浓度约为1.65mol/L，随着电池工作温度的升高，二甲醚在水中的溶解度降低，大量二甲醚气态从水中溢出，并且在燃料循环过程中随CO2排空，阳极测参加反应的二甲醚量不足，不但影响电池大电流放电时的性能，而且降低了燃料利用率。
发明内容
本发明要解决现有直接二甲醚（DME）燃料电池存在单一液体燃料进料的直接二甲醚燃料电池存在阳极二甲醚进量不足及单一气体进料的直接二甲醚燃料电池存在加湿不足的技术问题；而提供了阳极双通道进料直接二甲醚燃料电池及其产电的方法。
阳极双通道进料直接二甲醚燃料电池主要由阳极流场板、阴极流场板、膜电极、端板、电热片、导线和绝缘垫片构成，膜电极位于阳极流场板和阴极流场板之间，阳极流场板和阴极流场板之间设置绝缘垫片，膜电极嵌在绝缘垫片内且与阳极流场板相对，阳极流场板和阴极流场板的外侧均设置有端板4，端板外侧固定有加热片，外电路通过导线与端板连接，膜电极依次由固定在一起的阳极扩散层、阳极催化剂层、电解质膜、阴极催化剂层和阴极扩散层构成，阳极流场板和阴极流场板采用石墨板；阳极流场板内侧设置液体流道和气体流道，液体流道设置有进液口和出液口，气体流道设置有进气口，进液口与进液管的出口连通，出液口与出液管的进口连通，进气口与进气管的出口连通。
阳极双通道进料直接二甲醚燃料电池产电的方法是通过下述步骤实现的：以1～100mL/min流速将水或二甲醚溶液通入液体流道，同时以10～500mL/min流速将二甲醚气体通入气体通道，二甲醚在压力作用下进入阳极扩散层在常压及反应温度为20～100℃条件下进行电化学反应输出电流，然后进入液体流道，再经由出液口和出液管排出，即完成了阳极双通道进料直接二甲醚燃料电池的产电。
本发明阳极流场采用双通道进料可以增大进料DME量，满足阳极反应所需要的水。本发明中气体流道没有设置出口，需要穿过扩散层才能排除电池外，在阳极扩散层内形成强制对流，强制通过扩散层，有利于阳极传质。
附图说明
图1是阳极双通道进料直接二甲醚燃料电池结构示意图；图2是阳极双通道进料直接二甲醚燃料电池组装示意图；图3是液体流道为蛇型的阳极流场板示意图；图4是液体流道为梳子型的阳极流场板示意图；图5是膜电极结构示意图；图6是阳极分别采用液体流道为蛇型的气液混合进料流场与传统流场的电池单体放电性能曲线图，▲表示蛇型的阳极流场板的气液混合进料流场的极化曲线，表示二甲醚液体进料流场的极化曲线，△表示蛇型的阳极流场板的气液混合进料流场的功率密度曲线，表示二甲醚液体进料流场的功率密度曲线。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：结合图1-5进行说明，阳极双通道进料直接二甲醚燃料电池主要由阳极流场板1、阴极流场板2、膜电极3、端板4、电热片5、导线6和绝缘垫片8构成，膜电极3位于阳极流场板1和阴极流场板2之间，阳极流场板1和阴极流场板2之间设置绝缘垫片8，膜电极3嵌在绝缘垫片8之间且与阳极流场板1相对，阳极流场板1和阴极流场板2的外侧均设置有端板4，端板4外侧固定有加热片5，外电路7通过导线6与端板4连接，膜电极3依次由固定在一起的阳极扩散层3-1、阳极催化剂层3-2、电解质膜3-3、阴极催化剂层3-4和阴极扩散层3-5构成，阳极流场板1和阴极流场2板采用石墨板；阳极流场板1内侧设置液体流道10和气体流道9，液体流道10设置有进液口11和出液口12，气体流道9设置有进气口13，进液口11与进液管15的出口连通，出液口12与出液管16的进口连通，进气口13与进气管14的出口连通。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述液体流道10的宽度与气体流道9的宽度相等。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图3进行说明，本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述液体流道10为蛇型流场，气体流道9的形状为梳子型，气体流道9由气体主流道9-1和数个气体支流道9-2构成，气体主流道9-1的出气口与每个气体支管道的进气口连通，气体支流道9-2与蛇型流场的U型流道交替排布且相互平行。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图4进行说明，本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述液体流道10的形状为梳子型，气体流道9的形状为梳子型，液体流道10由液体主流道10-1和数个液体支流道10-2构成，液体主流道9-1的出气口与每个液体支管道的进气口连通，气体流道9由气体主流道9-1和数个气体支流道9-2构成，气体主流道9-1的出气口与每个气体支管道9-2的进气口连通，气体支流道9-2与液体支流道10-2交替排布且相互平行。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式五：本实施方式中阳极双通道进料直接二甲醚燃料电池产电的方法是通过下述步骤实现的：以1～100mL/min流速将水或二甲醚溶液通入液体流道10，同时以10～500mL/min流速将二甲醚气体通入气体通道9，二甲醚（气体二甲醚，或者是气体二甲醚和二甲醚溶液中的二甲醚）在压力作用下进入阳极扩散层3-1在常压及反应温度为20～100℃条件下进行电化学反应输出电流，然后进入液体流道10，再经由出液口12和出液管16排出，即完成了阳极双通道进料直接二甲醚燃料电池的产电。
本实施方式所述方法阴极反应按现有工艺进行。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：二甲醚气体的流速为50～400mL/min。其它步骤和参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五不同的是：二甲醚气体的流速为100～300mL/min。其它步骤和参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五、六或七不同的是：反应温度为85℃。其它步骤与参数与具体实施方式五、六或七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式五至八之一不同的是：以20～60mL/min流速将水或二甲醚溶液通入液体流道10。其它步骤与参数与具体实施方式五至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式五至八之一不同的是：以50mL/min流速将水或二甲醚溶液通入液体流道10。其它步骤和参数与具体实施方式五至八之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式的阳极双通道进料直接二甲醚燃料电池与具体实施方式二不同的是所述液体流道10为蛇型流场，气体流道9的形状为梳子型，气体流道9由气体主流道9-1和数个气体支流道9-2构成，气体主流道9-1的出气口与每个气体支管道的进气口连通，气体支流道9-2与蛇型流场的U型流道交替排布且相互平行。其产电的方法是通过下述步骤实现的：以3mL/min流速将DME饱和水溶液通入液体流道10，同时以50mL/min流速将二甲醚气体通入气体通道9，二甲醚在压力作用下进入扩散层3-1在常压及反应温度为50℃条件下进行电化学反应输出电流，然后进入液体流道10，再经由出液口12和出液管16排出，即完成了阳极双通道进料直接二甲醚燃料电池的产电。
阴极氧气流速200mL/min。
膜电极的材料：阳极：扩散层-PTFE含量18％的碳纸作为基底，微孔层PTFE含量20％，碳粉载量1mg/cm2，催化层-Nafion含量20％，催化剂为40％Pt/C，贵金属载量4mg/cm2。
阴极：扩散层-PTFE含量30％的碳纸作为基底，微孔层PTFE含量30％，碳粉载量1mg/cm2
催化层-Nafion含量20％，催化剂为40％Pt/C，贵金属载量2mg/cm2。
在相同条件下，阳极采用单蛇型流场，结果如图6所述，由图可知本实施方式电池单体的放电性能高于现有的液相进料的流场。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式十一不同的是：所述液体流道10的形状为梳子型，气体流道9的形状为梳子型，液体流道10由液体主流道10-1和数个液体支流道10-2构成，液体主流道9-1的出气口与每个液体支管道的进气口连通，气体流道9由气体主流道9-1和数个气体支流道9-2构成，气体主流道9-1的出气口与每个气体支管道9-2的进气口连通，气体支流道9-2与液体支流道10-2交替排布且相互平行。其它与具体实施方式十一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式十一不同的是：以10mL/min流速将水通入液体流道10，同时以100mL/min流速将二甲醚气体通入气体通道9。其它与具体实施方式十一相同。

Claims (10)

1.阳极双通道进料直接二甲醚燃料电池，它主要由阳极流场板（1）、阴极流场板（2）、膜电极（3）、端板（4）、电热片（5）、导线（6）和绝缘垫片（8）构成，膜电极（3）位于阳极流场板（1）和阴极流场板（2）之间，阳极流场板（1）和阴极流场板（2）之间设置绝缘垫片（8），膜电极（3）嵌在绝缘垫片（8）内且与阳极流场板（1）相对，阳极流场板（1）和阴极流场板（2）的外侧均设置有端板（4），端板(4)外侧固定有加热片（5），外电路（7）通过导线（6）与端板（4）连接，膜电极（3）依次由固定在一起的阳极扩散层（3-1）、阳极催化剂层（3-2）、电解质膜（3-3）、阴极催化剂层（3-4）和阴极扩散层（3-5）构成，阳极流场板（1）和阴极流场（2）板采用石墨板；其特征在于阳极流场板（1）内侧设置液体流道（10）和气体流道（9），液体流道（10）设置有进液口（11）和出液口（12），气体流道（9）设置有进气口（13），进液口（11）与进液管（15）的出口连通，出液口（12）与出液管（16）的进口连通，进气口（13）与进气管（14）的出口连通，所述液体流道（10）流入的液体为水或二甲醚溶液，所述气体流道（9）流入的气体为二甲醚气体。
2.根据权利要求1所述阳极双通道进料直接二甲醚燃料电池，其特征在于液体流道（10）的宽度与气体流道（9）的宽度相等。
3.根据权利要求1或2所述阳极双通道进料直接二甲醚燃料电池，其特征在于所述液体流道（10）为蛇型流场，气体流道（9）的形状为梳子型，气体流道（9）由气体主流道（9-1）和数个气体支流道（9-2）构成，气体主流道（9-1）的出气口与每个气体支管道的进气口连通，气体支流道（9-2）与蛇型流场的U型流道交替排布且相互平行。
4.根据权利要求1或1所述阳极双通道进料直接二甲醚燃料电池，其特征在于所述液体流道（10）的形状为梳子型，气体流道（9）的形状为梳子型，液体流道（10）由液体主流道（10-1）和数个液体支流道（10-2）构成，液体主流道（10-1）的出液口与每个液体支管道的进液口连通，气体流道（9）由气体主流道（9-1）和数个气体支流道（9-2）构成，气体主流道（9-1）的出气口与每个气体支管道（9-2）的进气口连通，气体支流道（9-2）与液体支流道（10-2）交替排布且相互平行。
5.利用权利要求1所述的阳极双通道进料直接二甲醚燃料电池产电的方法，其特征在于阳极双通道进料直接二甲醚燃料电池产电的方法是通过下述步骤实现的：以1～100mL/min流速将水或二甲醚溶液通入液体流道（10），同时以10～500mL/min流速将二甲醚气体通入气体通道（9），二甲醚在压力作用下进入阳极扩散层（3-1）在常压及反应温度为20～100℃条件下进行电化学反应输出电流，然后进入液体流道（10），再经由出液口（12）和出液管（16）排出，即完成了阳极双通道进料直接二甲醚燃料电池的产电。
6.根据权利要求5所述的阳极双通道进料直接二甲醚燃料电池产电的方法，其特征在于二甲醚气体的流速为50～400mL/min。
7.根据权利要求5所述的阳极双通道进料直接二甲醚燃料电池产电的方法，其特征在于二甲醚气体的流速为100～300mL/min。
8.根据权利要求5、6或7所述的阳极双通道进料直接二甲醚燃料电池产电的方法，其特征在于反应温度为85℃。
9.根据权利要求8所述的阳极双通道进料直接二甲醚燃料电池产电的方法，其特征在于以20～60mL/min流速将水或二甲醚溶液通入液体流道（10）。
10.根据权利要求8所述的阳极双通道进料直接二甲醚燃料电池产电的方法，其特征在于以50mL/min流速将水或二甲醚溶液通入液体流道（10）。
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