CN104078693B - 一种催化燃烧供热的蒸汽供给被动式直接甲醇燃料电池 - Google Patents

一种催化燃烧供热的蒸汽供给被动式直接甲醇燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种催化燃烧供热的蒸汽供给被动式直接甲醇燃料电池，包括电池反应单元及其内的多孔烧结板，所述电池反应单元依次连接蒸汽供给单元、渗透汽化膜、催化燃烧供热单元、氧气缓冲单元、催化燃烧原料单元、密封底盖；采用催化燃烧的方法为蒸汽供给被动式直接甲醇燃料电池供热，催化燃烧具有高能、高效、反应速率快、反应易于控制等特点，其反应热能为甲醇相变提供能量，为电池放电提供高温的甲醇燃料，进而增大电池的输出功率，同时催化燃烧产物的回收利用使得电池反应的纯甲醇供料成为可能，大幅提高了电池的能量密度，有利于实现电池的稳定长时间运行。

Description

一种催化燃烧供热的蒸汽供给被动式直接甲醇燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种催化燃烧供热的蒸汽供给被动式直接甲醇燃料电池。
背景技术
直接甲醇燃料电池(DMFC)是一种以甲醇为原料的燃料电池，DMFC具有能量密度高、制作方便、燃料易得等优势，一直是大家关注的焦点，目前关于DMFC的研究一直聚焦在以液态甲醇为燃料的领域，但是液态供给的DMFC存在严重的甲醇穿透问题，不仅造成了原料的大量浪费，导致能量的利用率低，还严重减弱了电池的性能，这成为阻碍电池性能提高的瓶颈。
直接甲醇燃料电池的电极和电池反应如下：
阳极反应为CH3OH+H2O→6H++6e-+CO2
阴极反应为3/2O2+6H++6e-→3H2O
电池总反应为CH3OH+3/2O2→2H2O+CO2
以蒸汽形式为DMFC提供燃料能够有效地减弱甲醇穿透，显著提高甲醇的利用效率，目前，为电池提供蒸汽的方式主要是利用外接加热设备直接加热原料产生蒸汽，此种方法不但会造成较大的寄生损耗，严重降低电池系统的整体性能，而且，电池系统工作的稳定性对电控装置的要求很高，增加了电池制造的成本与操作的难度，所以亟待需要高效、绿色、简易的蒸汽供给方式。
发明内容
为解决目前直接甲醇燃料电池中甲醇穿透问题，本发明提供了一种催化燃烧供热的蒸汽供给被动式直接甲醇燃料电池。
本发明通过下述技术方案实现：
一种催化燃烧供热的蒸汽供给被动式直接甲醇燃料电池，包括电池反应单元1及其内的多孔烧结板20，所述电池反应单元1依次连接蒸汽供给单元12、渗透汽化膜2、催化燃烧供热单元3、氧气缓冲单元9、催化燃烧原料单元8、密封底盖7；
蒸汽供给单元12具有一蒸发腔12-1；
催化燃烧供热单元3具有一电池原料腔3-3，在电池原料腔3-3的中部还设有一个催化反应腔3-4；在催化燃烧供热单元3底面的外壁上开设有尾气环流道3-5，该尾气环流道3-5的入口贯通催化反应腔3-4，出口贯通催化燃烧供热单元3的侧壁；
氧气缓冲单元9具有一缓冲腔9-2，缓冲腔9-2一端具有封盖，封盖的中部具有一进料段9-1，进料段9-1的端部装有单向阀13；缓冲腔9-2还具有一个用于连通外部氧气罐11的氧气通道9-3；氧气缓冲单元9的侧壁上设有用于打开或者关闭该氧气通道9-3的温控停断器；
催化燃烧原料单元8具有一腔室8-1；催化燃烧原料单元8的上端具有一隔板，隔板的中部开有孔8-2；
催化燃烧原料单元8还包括一个供料吸液芯14，该供料吸液芯14由圆柱杆14-1和底板14-2构成；其中，底板14-2置于腔室8-1内，圆柱杆14-1穿过孔8-2伸入氧气缓冲单元9的进料段9-1内；
催化燃烧供热单元3的外壁上设有冷凝单元5，冷凝单元5的一端与尾气环流道3-5的出口连接，冷凝单元5的另一端通过水循环吸液芯4与电池反应单元1内的多孔烧结板20连接。
所述温控停断器由壳体15、活塞16及壳体15内的气液工作介质构成；
活塞16的活塞杆置于氧气进入段9-4内，当氧气罐11内的氧气通入氧气进入段9-4内时，氧气将活塞杆推出氧气进入段9-4，活塞杆向壳体15内移动，此时氧气进入段9-4、氧气通道9-3、缓冲腔9-2全部连通，氧气进入缓冲腔9-2内。
所述水循环吸液芯4包括密封段4-2和开放段4-1，密封段4-2为包覆在开放段4-1外部的金属管。
所述催化燃烧供热单元3的侧壁上开有视液窗3-2。
所述蒸汽供给单元12的蒸发腔12-1、催化燃烧供热单元3的电池原料腔3-3、氧气缓冲单元9的缓冲腔9-2、催化燃烧原料单元8的腔室8-1均为矩形腔。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
(1)本发明采用催化燃烧的方式(包括催化燃烧原料单元、催化燃烧供热单元)为蒸汽供给被动式直接甲醇燃料电池供热，燃烧效率高，供热稳定，利用甲醇高热值高能量的特点，实现长时间大功率放电，大幅度提高了电池的性能，而且，相对于外加电源加热液态甲醇，利用催化燃烧加热液态甲醇能够明显减小电池的寄生功率，增大电池系统的能量利用率。
(2)本发明采用渗透汽化技术(渗透汽化膜)为电池提供蒸汽燃料，有效降低甲醇穿透，提高了电池的输出性能，提高电池的燃料利用率；相对于传统的外加电源加热液态甲醇为电池提供蒸汽燃料，渗透汽化技术能够有效而均匀地为电池提供甲醇蒸汽，实现空间、时间上的均匀供料。
(3)本发明利用催化燃烧(催化燃烧供热单元)为甲醇汽化提供汽化潜热，增大甲醇的渗透汽化速率，从而增大电池反应的甲醇浓度，相对于直接加热汽化甲醇的方式，不但能够得到均匀的高浓度甲醇燃料,同时又能够防止高温甲醇燃料对膜电极造成损害，有效增大了膜电极的使用寿命。
(4)本发明利用水循环吸液芯和冷凝单元组合将催化燃烧的产生的水作为反应物引流到电池反应单元，参加电池的阳极反应，这种水的循环处理工艺实现了电池的纯甲醇供料，大大提高了电池的能量密度。
(5)本发明中的水循环吸液芯4采用多段复合(密封段4-2和开放段4-1)烧结工艺，将多孔烧结板和水循环吸液芯组合体通过模具一次性烧结成型，同时水循环吸液芯的密封段4-2(外包覆不锈钢管，不锈钢管不连续的多段式串联结构)靠近冷凝单元(冷凝器)的断层用于排出催化燃烧尾气和为气体流动提供流阻，增加混合气体在尾气环流道3-5中和催化反应腔3-4的滞留时间，提高燃烧效率，而且省去了繁杂的催化燃烧产物和残余反应物的处理工艺，使得电池结构紧凑。水循环吸液芯4靠近蒸汽供给单元12的蒸发腔12-1的断层用于维持蒸发腔12-1压力，排出产物CO2，同时将伴随的甲醇蒸汽液化后吸附在水循环吸液芯4中，并通过水循环吸液芯4的毛细抽力传输到多孔烧结板20继续参加反应，因此不但消除了电池阳极产物CO2对电池性能的负面影响，提高了电池的输出性能，而且将甲醇蒸汽回收利用，减少了燃料的浪费，提高了电池的燃料利用率。
(6)本发明中温控停断器以工质的两相转化为基础形成一个闭环控制系统，保证电池在最适温度条件下放电；采用机械式工作方式，不但避免电池寄生功率损耗，而且灵敏度高，提高了电池控制系统对温度的快速反应能力，避免了电子式控制导致的复杂连线问题和庞大的控制装置，摆脱了高压工作电源的束缚，使得电池系统具有微型化、智能化、便携性的优势；
通过温控停断器的运用，使得电池反应所需甲醇维持某一恒定温度区间，从而控制电池维持最大输出功率工作。
(7)本发明中催化燃烧的燃料供给，通过供料吸液芯14毛细抽吸—氧气鼓吹的方式，将氧气与甲醇的混合燃料传送到催化反应腔，这种进料方式保证甲醇和氧气充分均匀混合，并且根据不同吸液芯毛细抽力的不同调节反应物配比，同时氧气在毛细芯流动过程中将产生压力损失，增加了反应物与催化剂的接触时间，使催化燃烧反应更加充分，提高了燃料的利用率。
(8)本发明中冷凝单元5(采用便携式微型氧气罐)为催化燃烧反应快速提供高浓度氧，促进催化燃烧反应高效迅速进行，加快了电池的启动速率，减小了对操作者动作的响应时间，使得电池具有快速的人机交换功能。供料吸液芯依靠毛细抽力为催化燃烧反应提供甲醇原料，使得电池工作摆脱方位的限制。
(9)通过供料吸液芯14毛细吸液的供料方式，实现了定向传输燃料，这就使得在不影响电池性能的情况下赋予了电池在空间任意方位的工作能力，为电池的便携式应用提供了良好的条件，具有广阔的商业应用前景。
附图说明
图1为本发明装配后的外观示意图；
图2是图1装配前的爆炸视图；
图3是图1中，蒸汽供给单元12结构示意图；
图4是图1中，催化燃烧供热单元3结构示意图；
图5是图4中，尾气环流道3-5结构示意图；
图6本发明的氧气缓冲腔和温控停断器装配示意图；
图6是图1中，氧气缓冲单元9结构示意图；
图7是图1中，催化燃烧原料单元8的供料吸液芯14结构示意图；
图8是水循环吸液芯4结构示意图；
图9是图1中，催化燃烧原料单元8结构示意图。
具体实施方
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图所示1—9所示。本发明催化燃烧供热的蒸汽供给被动式直接甲醇燃料电池，包括电池反应单元1及其内的多孔烧结板20，所述电池反应单元1依次连接蒸汽供给单元12、渗透汽化膜2、催化燃烧供热单元3、氧气缓冲单元9、催化燃烧原料单元8、密封底盖7；
如图3中所示，蒸汽供给单元12具有一蒸发腔12-1；蒸汽供给单元12为介于电池反应单元1和渗透汽化膜2之间的缓冲组件。蒸发腔12-1由透明且机械加工性能好的材料加工而成，如有机玻璃，表面经过抛光处理，以实现电池供料的可视化控制，在蒸发腔12-1可以是有规则的正方形通槽，尺寸与电池反应单元1的集电板(图中未示出)中多孔烧结板20的安装尺寸相同并略大于电池反应面积，蒸汽供给单元12侧壁上开有通孔12-2，用于安装水循环吸液芯4，通孔12-2直径由水循环吸液芯4(水循环吸液芯4包括密封段4-2和开放段4-1，密封段4-2为包覆在开放段4-1外部的金属管，具体结构见图8)密封段4-2的金属管决定，两者之间通过过盈配合密封，以防止甲醇蒸汽外泄。
图1中渗透汽化膜2。渗透汽化膜2是被动式直接甲醇燃料电池实现蒸汽供料的核心工作组件，其工作原理为利用渗透汽化技术和甲醇易挥发的特性，通过吸附—渗透—汽化过程，将液态甲醇转化为气态甲醇。渗透汽化膜2具有一定的透水透醇性能，且具有一定的机械强度和热稳定性，如Nation117膜，渗透汽化膜2两侧可用PTFE薄垫片贴合，以达到控制汽化开口比的目的。
如图4中所示，催化燃烧供热单元3具有一电池原料腔3-3，在电池原料腔3-3的中部还设有一个催化反应腔3-4；在催化燃烧供热单元3底面的外壁上开设有尾气环流道3-5，该尾气环流道3-5的入口贯通催化反应腔3-4，出口贯通催化燃烧供热单元3的侧壁；
催化燃烧供热单元3为高导热系数材料支撑，例如不锈钢。电池原料腔3-3为电池反应所需燃料提供暂存空间，侧壁上视液窗3-2用于观测电池原料腔3-3内燃料余量，视液窗3-2由耐热、机械强度高的透明材料制成，过盈安装到侧壁上，并做密封处理以防燃料泄漏，另外，注料螺孔3-1在电池工作期间用螺栓密封；催化反应腔3-4为催化燃烧反应提供场所，催化燃烧反应催化剂附着于催化反应腔3-4的内壁，甲醇/氧气与催化燃烧反应催化剂接触后反应放热，作为热源为整个电池系统供热；催化燃烧反应产生的尾气，包括反应生成物和未完全反应的反应物，通过尾气环流道3-5流出，为了保证尾气中热量的回收，尾气环流道3-5基于降低气流流速、增加尾气滞留时间的设计理念，如图5所示，多采用方形螺旋线或者阿基米德螺旋线。
如图6所示。氧气缓冲单元9的缓冲腔9-2是催化燃烧燃料充分混合的场所，并将混合燃料输送到催化燃烧供热单元3的催化反应腔3-4。氧气缓冲单元9具有一缓冲腔9-2，缓冲腔9-2一端具有封盖，封盖的中部具有一进料段9-1，进料段9-1的端部装有单向阀13(以实现供氧停止的同时切断甲醇供应，减少燃料的浪费)；缓冲腔9-2还具有一个用于连通外部氧气罐11的氧气通道9-3；氧气缓冲单元9的侧壁上设有用于打开或者关闭该氧气通道9-3的温控停断器；
如图9所示。催化燃烧原料单元8具有一腔室8-1；催化燃烧原料单元8的上端具有一隔板，隔板的中部开有孔8-2；腔室8-1储存甲醇燃料，并通过供料吸液芯14为催化反应腔3-4提供燃料。催化燃烧原料单元8和密封底盖7都是由强度高的透明PC材料制成，腔室8-1与密封底盖7形成甲醇的存储空间；螺纹孔8-3是注料孔，可通过螺栓6(见图1)密封；供料吸液芯14通过孔8-2伸入到进料段9-1。
催化燃烧原料单元8还包括一个供料吸液芯14，该供料吸液芯14由圆柱杆14-1(呈圆柱形结构)和底板14-2(呈矩形结构)构成；其中，底板14-2(呈矩形结构)置于腔室8-1内，圆柱杆14-1穿过孔8-2伸入氧气缓冲单元9的进料段9-1内；供料吸液芯14是实现腔室8-1内的催化燃烧原料到催化反应腔3-4的定向传输的部件。
催化燃烧供热单元3的外壁上设有冷凝单元5，冷凝单元5的一端与尾气环流道3-5的出口连接，冷凝单元5的另一端通过水循环吸液芯4与电池反应单元1内的多孔烧结板20连接。
如图6所示，温控停断器是温度闭环反馈控制供氧的组件。所述温控停断器由壳体15、活塞16及壳体15内的气液工作介质构成；活塞16的活塞杆置于氧气进入段9-4内，当氧气罐11内的氧气通入氧气进入段9-4内时，氧气将活塞杆推出氧气进入段9-4，活塞杆向壳体15内移动，此时氧气进入段9-4、氧气通道9-3、缓冲腔9-2全部连通，氧气进入缓冲腔9-2内。来自氧气罐11的氧气流从氧气进入段9-4进入缓冲腔9-2，在缓冲腔9-2内部蓄积，受尾气余热加热，同时蓄积增压后流向进料段9-1，氧气在进料段9-1中的流动状态包括供料吸液芯14和进料段9-1内壁之间的圆环形间隙流动和少部分存在于供料吸液芯14孔隙中的紊流，其中，紊流态的氧气流与吸附在供料吸液芯14上的甲醇之间存在脉动动量交换，导致氧气与甲醇在向催化反应腔3-4(见图4)流动的过程中充分混合，同时，供料吸液芯14在此期间起到粗糙管的作用，使得氧气经过时造成较大的能量损失，降低了氧气流的运动速度，从而增加了混合燃料在催化反应腔3-4内的反应时间，提高了燃料的利用效率。
鉴于温控停断器的工作状态取决于缓冲腔9-2内部的温度，所以壳体15须由高导热系数的金属材料加工而成，如不锈钢；活塞16由比强度高的材料制成，如PC，且要求活塞16与壳体15之间接触面均采用小粗糙度值加工，并用气缸密封脂密封，防止因气液工作介质泄漏造成的温控灵敏度下降；壳体15与缓冲腔9-2之间通过螺纹连接固定密封。
如图8所示。所述水循环吸液芯4包括密封段4-2和开放段4-1，密封段4-2为包覆在开放段4-1外部的金属管，金属管可防止甲醇过度挥发。
催化燃烧产物和剩余反应物在冷凝单元5(冷凝罐)内部冷凝蓄积，气态催化燃烧产物，如CO2，通过水循环吸液芯4上的开放段4-1排出系统外，液态产物和剩余反应物、甲醇和水，则在水循环吸液芯4的毛细抽力的作用下运输至多孔烧结板20，并与蒸汽供给单元12的蒸发腔12-1中的甲醇燃料混合，为电池反应提供燃料。
水循环吸液芯4将催化燃烧产物及剩余反应物定向运输至多孔烧结板20，实现产物回收循环利用，并实现电池反应端的纯甲醇供料，阶跃性地提高电池的能量密度。水循环吸液芯4可采用不锈钢粉烧结而成。
供料吸液芯14和水循环吸液芯4须依靠毛细力工作，实现甲醇或者水的定向运输，均为多孔功能材料
所述蒸汽供给单元12的蒸发腔12-1、催化燃烧供热单元3的电池原料腔3-3、氧气缓冲单元9的缓冲腔9-2、催化燃烧原料单元8的腔室8-1均为矩形腔。
采用甲醇催化燃烧加热电池反应所需甲醇原料，利用渗透汽化膜2将加热后的甲醇汽化，从而为电池反应单元1内的电池反应提供高温高甲醇分压的甲醇蒸汽，并通过水循环吸液芯4将催化燃烧产生的水定向传输到蒸发腔12-1，并与甲醇蒸汽混合，实现纯甲醇供料，大大提高了电池的能量密度，催化燃烧甲醇不但为甲醇汽化提供了热量，还提高了电池的温度，从而强化了膜电极的活性，提高了电池的输出性能，并且催化燃烧具有微燃烧器具有体积小、质量轻、能量密度高、极限燃烧尺寸小、启动快、转换率高等特点。其较大的比表面积为传热提供了有利条件，使得电池原料腔3-3内的甲醇快速升温。尾气环流道3-5利用尾气所带的余热，进一步维持电池原料腔3-3的温度，同时也加热氧气缓冲单元9的缓冲腔9-2，使得催化燃烧的反应物温度升高，促进燃烧的进行，从而提高了整个系统的燃烧焓。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种催化燃烧供热的蒸汽供给被动式直接甲醇燃料电池，包括电池反应单元及其内的多孔烧结板，其特征在于：所述电池反应单元依次连接蒸汽供给单元、渗透汽化膜、催化燃烧供热单元、氧气缓冲单元、催化燃烧原料单元、密封底盖；
蒸汽供给单元具有一蒸发腔；
催化燃烧供热单元具有一电池原料腔，在电池原料腔的中部还设有一个催化反应腔；在催化燃烧供热单元底面的外壁上开设有尾气环流道，该尾气环流道的入口贯通催化反应腔，出口贯通催化燃烧供热单元的侧壁；
氧气缓冲单元具有一缓冲腔，缓冲腔一端具有封盖，封盖的中部具有一进料段，进料段的端部装有单向阀；缓冲腔还具有一个用于连通外部氧气罐的氧气通道；氧气缓冲单元的侧壁上设有用于打开或者关闭该氧气通道的温控停断器；
催化燃烧原料单元具有一腔室；催化燃烧原料单元的上端具有一隔板，隔板的中部开有孔；
催化燃烧原料单元还包括一个供料吸液芯，该供料吸液芯由圆柱杆和底板构成；其中，底板置于腔室内，圆柱杆穿过孔伸入氧气缓冲单元的进料段内；
催化燃烧供热单元的外壁上设有冷凝单元，冷凝单元的一端与尾气环流道的出口连接，冷凝单元的另一端通过水循环吸液芯与电池反应单元内的多孔烧结板连接。
2.根据权利要求1所述的催化燃烧供热的蒸汽供给被动式直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述温控停断器由壳体、活塞及壳体内的气液工作介质构成；
活塞的活塞杆置于氧气进入段内，当氧气罐内的氧气通入氧气进入段内时，氧气将活塞杆推出氧气进入段，活塞杆向壳体内移动，此时氧气进入段、氧气通道、缓冲腔全部连通，氧气进入缓冲腔内。
3.根据权利要求1或2所述的催化燃烧供热的蒸汽供给被动式直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述水循环吸液芯包括密封段和开放段，密封段为包覆在开放段外部的金属管。
4.根据权利要求1或2所述的催化燃烧供热的蒸汽供给被动式直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述催化燃烧供热单元的侧壁上开有视液窗。
5.根据权利要求4所述的催化燃烧供热的蒸汽供给被动式直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述蒸汽供给单元的蒸发腔、催化燃烧供热单元的电池原料腔、氧气缓冲单元的缓冲腔、催化燃烧原料单元的腔室均为矩形腔。
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