CN103367782B - 高电压离子交换膜燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高放电电压离子交换膜燃料电池；包括离子交换膜，以及对称设置在其两侧且系统结构相同的燃料供给系统和氧化剂供给系统；系统结构包括气液分离室，以及设置在气液分离室与离子交换膜之间的组合电极；组合电极包括呈上下设置的顶层电极和底层电极，顶层电极上设有气相反应物入口和反应产物出口，底层电极上设有原料供给入口和气液混合物出口；气液分离室上设有废液排出口；气液混合物出口通过气液分离室分别与气相反应物入口和废液排出口连通。整体通过紧凑的结构设计，结合优化的系统布局和独特的功能层设置，提高了库伦效率，同时大幅提高系统输出电压，其理论开路电压可达到4.24V，具有较好的应用前景。

Description

高电压离子交换膜燃料电池
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种高放电电压离子交换膜燃料电池。
背景技术
由于氢氧质子交换膜燃料电池能够把储存在燃料中的化学能直接转换为电能，并且转换过程不受卡诺循环的限制，转化效率高；同时其反应后生成的产物是水，绿色无污染，因此被作为下一代清洁能源得到了广泛的关注。然而由于氢气运输和储存困难，便携性差，限制了其在小型可移动式电子设备中的应用。为了满足便携式工作能源的需要，基于液体燃料的质子交换膜燃料电池得到了快速发展。就液体燃料而言，硼氢化物是理想的选择，因为其能量密度高（NaBH4：9300Wh/kg，KBH4：6500Wh/kg）且电化学氧化反应速率快。直接硼氢化物燃料电池若阴极以氧气作为氧化剂，其理论开路电压（OCP）为1.64V，高于氢氧质子交换膜燃料电池的1.23V；若以酸性环境中的过氧化氢为氧化剂，理论开路电压（OCP）可高达3.01V。虽然基于酸碱环境中的直接硼氢化物燃料电池非常有发展前途，但是在阳极硼氢化物易水解生成氢气，在阴极过氧化氢易分解生成氧气。气体产物的形成会带来诸多不利影响：（1）降低了直接硼氢化物燃料电池理论放电电压；（2）部分气体附着在催化剂表面，覆盖了活性位点，减少了电极的活性面积；（3）气体产物的生成阻碍了燃料的传输，增大了浓差损失。因而降低了电池的放电性能，不能充分发挥直接硼氢化物燃料电池的潜力。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种电池性能高，燃料分布均匀并且利用充分，结构紧凑，交换膜的电导率高的高放电电压离子交换膜燃料电池。
为达到上述目的，本发明一种高放电电压离子交换膜燃料电池，其特征在于，包括离子交换膜，以及系统结构相同且对称设置在离子交换膜两侧的燃料供给系统和氧化剂供给系统；所述的系统结构包括气液分离室，以及设置在气液分离室与离子交换膜之间的组合电极；所述的组合电极包括呈上下设置的顶层电极和底层电极，顶层电极上开设有气相反应物入口和反应产物出口，底层电极上开设有原料供给入口和气液混合物出口；所述的气液分离室上开设有废液排出口；所述的气液混合物出口通过气液分离室分别与气相反应物入口和废液排出口连通。
进一步，所述的底层电极包括由外向内依次设置的外流场，底层扩散层，底层催化层和内流场；内流场两侧分别与底层催化层和离子交换膜连通设置。
更进一步，所述的外流场的结构为放射分布式流道结构。
更进一步，所述的原料供给入口开设于内流场顶端。
更进一步，所述的气液混合物出口开设于外流场中部。
进一步，所述的顶层电极包括由外向内依次设置的流场，顶层扩散层，顶层催化层。
更进一步，所述的气相反应物入口和反应产物出口分别开设于流场的顶部和尾部。
进一步，所述的废液排出口开设于气液分离室的底部。
本发明相对于现有技术，具有如下的有益效果。
1）通过包括气液分离室和组合电极的系统结构，能够充分的利用反应所生成的气相产物，对反应燃料的有用产物再一次进行利用，充分的进行二次反应，以此提高了反应燃料的利用率。
2）利用设置的气液分离室同时作为自增湿系统，实现对系统结构内部一次反应气相产物，即二次反应反应物的增湿，避免了传统外置增湿系统的使用，不仅设计合理，结构紧凑，而且减小了系统的投资成本，便于推广和应用。
3）采用设置有外流场和内流场的双流场结构作为底层电极的组成部分，实现一次反应中反应物和产物的顺流传输模式，减小了催化层中反应物传质阻力，同时使得反应物浓度分布更加均匀，产物更容易排出，减小浓差损失；并且使得高浓度的反应燃料直接与离子交换膜接触，促使其电导率在传统技术的基础上得到了大幅提高。
4）整体通过紧凑式设计，结合优化的系统布局和独特的结构设置，在提高库伦效率的同时，大幅提高系统输出电压，其理论开路电压可达到4.24V，因而具有较好的应用前景和广阔的市场需求。
附图说明
图1为本发明实例中所述结构的示意图。
图中：阳极外流场1，阳极外流场肋2，阳极外流场流道3，底层阳极扩散层4，底层阳极催化层5，阳极内流场6，阳极内流场肋7，阳极内流场流道8，离子交换膜9，阴极内流场肋10，阴极内流场流道11，阴极内流场12，底层阴极催化层13，底层阴极扩散层14，阴极外流场流道15，阴极外流场肋16，阴极外流场17，阴极废液排出口18，阴极废液19，阴极气液分离室20，阴极气液混合物出口21，阴极气相产物22，阴极原料供给入口23，阴极反应产物出口24，阴极流场25，阴极流场肋26，阴极流场流道27，阴极气相反应物入口28，阴极扩散层29，阴极催化层30，阳极催化层31，阳极扩散层32，阳极气相反应物入口33，阳极流场流道34，阳极流场肋35，阳极流场36，阳极反应产物出口37，阳极气相产物38，阳极原料供给入口39，阳极气液分离室40，阳极气液混合物出口41，阳极废液42，阳极废液排出口43。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进一步的进行解释和说明。
本发明一种高放电电压离子交换膜燃料电池，包括离子交换膜，以及设置在其两侧且系统结构相同的燃料供给系统和氧化剂供给系统；所述的系统结构包括气液分离室，以及设置在其与离子交换膜之间的组合电极；组合电极包括呈上下设置的顶层电极和底层电极，顶层电极上开设有气相反应物入口和反应产物出口，底层电极上开设有原料供给入口和气液混合物出口；气液分离室上开设有废液排出口；气液混合物出口通过气液分离室分别与气相反应物入口和废液排出口连通。
优选的，底层电极包括由外向内依次设置的外流场，底层扩散层，底层催化层，以及两侧分别与底层催化层和离子交换膜连通设置的内流场；外流场的结构为放射分布式流道结构；原料供给入口开设于内流场顶端；气液混合物出口开设于外流场中部。顶层电极包括由外向内依次设置的流场，顶层扩散层，顶层催化层；气相反应物入口和反应产物出口分别开设于流场的顶部和尾部。废液排出口开设于气液分离室的底部。
在以上优选实施例的基础上具体的，如图1所示，选择离子交换膜9一侧的系统结构作为燃料供给系统，即燃料电池的阳极，也即图中离子交换膜9的左侧部分；则另一侧就作为氧化剂供给系统，即燃料电池的阴极，也即图中离子交换膜9的右侧部分。
将化学能转化为电能的工作过程中：在阳极，硼氢化物的碱性混合燃料作为原始的阳极反应的供给物，首先通过阳极原料供给入口39进入底层阳极催化层5和离子交换膜9之间的阳极内流场6，高浓度的碱性混合燃料在阳极内流场流道8内直接与离子交换膜9接触，大幅的提高了离子交换膜9的电导率；同时，混合燃料在阳极内流场肋7的限制下使其浓度能均匀的分布，并底层阳极催化层5发生反应；产生的包含氢气的气液混合物穿过底层阳极扩散层4到达阳极外流场1，由阳极外流场肋2逐层限制，经阳极外流场流道3收集，从阳极气液混合物出口41排至阳极气液分离室40进行重力分离，阳极废液42通过阳极废液排出口43排出燃料供给系统，从而实现了反应物和产物的顺流传输，克服了传质阻力；产生的阳极气相产物38在阳极气液分离室40内上升的同时被增湿，通过阳极气相反应物入口33到达阳极流场36，由阳极流场肋35逐层限制，经阳极流场流道34均匀分散，穿过阳极扩散层32到达阳极催化层31进行氧化反应；反应后的产物经过阳极催化层31和阳极扩散层32，由阳极流场肋35逐层限制，经阳极流场流道34收集后，从阳极反应产物出口37排出到阳极气液分离室40，最终和阳极废液42一同排出。
在阴极，过氧化氢的酸性混合物作为原始的阴极反应供给物，首先通过阴极原料供给入口23进入底层阴极催化层13和离子交换膜9之间的阴极内流场12，由阴极内流场肋10逐层限制，经阴极流场流道11进行均匀分布，然后在底层阴极催化层13发生氧化反应，产生的包含氧气的气液混合物穿过底层阴极扩散层14到达阴极外流场17，由阴极外流场肋16逐层限制，经阴极外流场流道15收集，从阴极气液混合物出口21排至阴极气液分离室20进行重力分离，阴极废液19通过阴极废液出口18排出氧化剂供给系统，从而实现了反应物和产物的顺流传输，克服了传质阻力；产生的阴极气相产物22在上升的同时被增湿，然后通过阴极气相反应物入口28到达阴极流场25，由阴极流场肋26逐层限制，经阴极流场流道27收集，穿过阴极扩散层29到达阴极催化层30进行还原反应；反应后的产物经过阴极催化层30和阴极扩散层29，由阴极流场肋26逐层限制，经阴极流场流道27收集后，从阴极反应产物出口24排出到阴极气液分离室20，最终和阴极废液19一同排出。

Claims (7)

1.一种高放电电压离子交换膜燃料电池，其特征在于，包括离子交换膜，以及对称设置在离子交换膜两侧的结构完全相同的燃料供给系统和氧化剂供给系统；所述的燃料供给系统和氧化剂供给系统均包括气液分离室，以及设置在气液分离室与离子交换膜之间的组合电极；所述的组合电极包括呈上下设置的顶层电极和底层电极，顶层电极上开设有气相反应物入口和反应产物出口，底层电极上开设有原料供给入口和气液混合物出口；所述的气液分离室上开设有废液排出口；所述的气液混合物出口通过气液分离室分别与气相反应物入口和废液排出口连通；
所述的底层电极包括由外向内依次设置的外流场，底层扩散层，底层催化层和内流场；内流场两侧分别与底层催化层和离子交换膜连通设置；
该电池的原始阳极反应的供给物为硼氢化物的碱性混合燃料，原始的阴极反应供给物为过氧化氢的酸性混合物。
2.根据权利要求1所述的一种高放电电压离子交换膜燃料电池，其特征在于，所述的外流场的结构为放射分布式流道结构。
3.根据权利要求1所述的一种高放电电压离子交换膜燃料电池，其特征在于，所述的原料供给入口开设于内流场顶端。
4.根据权利要求1所述的一种高放电电压离子交换膜燃料电池，其特征在于，所述的气液混合物出口开设于外流场中部。
5.根据权利要求1所述的一种高放电电压离子交换膜燃料电池，其特征在于，所述的顶层电极包括由外向内依次设置的流场，顶层扩散层，顶层催化层。
6.根据权利要求5所述的一种高放电电压离子交换膜燃料电池，其特征在于，所述的气相反应物入口和反应产物出口分别开设于流场的顶部和尾部。
7.根据权利要求1所述的一种高放电电压离子交换膜燃料电池，其特征在于，所述的废液排出口开设于气液分离室的底部。
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